材料科学
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光电材料
By-罗炜—12046213
光电材料是一类用于发光、光电转换、探测等领域的功能材料。光电功能材料是微电子、光电子、通信、航天及现代军事技术等高科技领域中的关键材料。本文将大致介绍光电材料中的发光材料、激光材料、光电转换材料、光电探测材料、光电显示材料和非线性光学材料的特点和应用等内容。
发光是物体内部以某种方式吸收能量后转化为光辐射的过程。发光材料的发光方式主要有电致发光、光致发光、阴极射线发光、热释发光、光释发光和辐射发光等。
电致发光是由电场直接作用在物质上所产生的发光现象，简单说就是由电能转换为光能。电致发光材料大致分为三类。①，III-V半导体材料，以砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）、III族氮化物为主要代表，其中以氮化镓（GaN）为主的材料体系，可以制备蓝、绿、蓝紫、紫外光LED及紫外光探测器等；②，III-V族固溶体发光材料，以磷砷化镓（GaAs1-xPx）、镓铝砷（Ga1-xAlxAs）、镓铟磷（In1-xGaxP）、镓铟氮为代表；③，II-VI族化合物，以ZnO为主要代表，应用于短波长半导体激光器材料、蓝紫波段LED和固体发光、紫外光探测器、光信息存储、信号探测和通信等领域。
光致发光是指用紫外光、可见光或红外光激发发光材料而产生的发光现象。光致发光材料主要分为荧光粉材料、长余辉发光材料、上转换发光材料。荧光粉材料应用很广，发光二极管（LED）因其节能、环保、全体固话、寿命长等优点成了世界研究的重点话题，而黄色和三基色（红、绿、蓝）荧光粉和LED不同组合获得的白光LED被认为是替代白炽灯、荧光灯的新一代绿色照明光源。长余辉发光材料是一种存储能量的光致发光材料，其类型通常从基质成分的角度划分，目前主要包括硫化物型、碱土铝酸盐型、硅酸盐型等，主要运用于弱光照明、指示、信息储存、高能射线探测等领域。上转换材料是一种吸收低能光辐射，发射高能光辐射的发光材料。它由基质和激活剂组成，其基质材料主要有氟化物、卤化物、和氧化物等，激活剂一般为稀土元素。上转换主要的应用领域有全固态紧凑型激光器件（紫、蓝、绿区域）、上转换荧光粉、三维立体显示、红外量子计数器、温度探测器、生物分子的荧光探针、光学存储材料等。
激光与普通光的根本区别在于它具有极高的光子简并度（即在同一量子态有很多的光子）。激光的方向性好，亮度高，单射性好，相干性好，传递信息的容量大，使激光材料得到很大的发展。激光材料主要有激光晶体、激光玻璃、透明激光陶瓷。
激光晶体材料的基质有硬度大，热传导率高，热膨胀系数低等特点，对激活离子的影响主要取决于晶体场作用。典型激光晶体材料有红宝石激光晶体（α-Al2O3：Cr3+），是一种较理想的三能级激光材料，钕-钇铝石榴石激光晶体（Nd3+：Y3Al5O12，YAG），属于四能级激光材料；其他激光晶体材料有钇铝酸钇晶体（Nd3+：YAlO3），钕氟磷酸钙（Nd3+：Ca3(PO4)3F），硅氧磷灰石晶体（SOAP），硫化氧化镧晶体（La2O2S，LOS）。至今具有实用价值的激光晶体以YAG：Nd3+及Al2O3：Cr3+为主。 激光玻璃的基质材料是透明玻璃，其对激活离子的影响主要取决有玻璃介质的极化作用。在激光玻璃中，最重要的是钕玻璃，但具有实用价值的玻璃只有硅酸盐系统玻璃（一般用于高能和高功率输出激光器）、硼酸盐及硼硅盐系统玻璃（适合于高重复率脉冲工作的激光器）、磷酸盐系统玻璃（可用于重复频率器件）。
透明激光陶瓷具有成本低，制作周期短，可制成大小、形状复杂的材料等优点。激光陶瓷大致可以分为氧化物陶瓷、氟化物陶瓷（包括II-VI族化合物陶瓷）、金属酸化物陶瓷三类。
光电转换是指将光能转化为电能。目前通常指的光电转换材料大都指将太阳能转换为电能的材料。
太阳能电池是一种应用最广泛的光电转换器件，目前在电视机、冰箱制冷、电动汽车、计算器、人造卫星、宇宙飞船以及军事通信等装置的电源中都有应用。目前太阳电池以单晶硅（硅和砷化镓）、多晶硅电池为主，但薄膜太阳电池被公认为是未来太阳电池发展的主方向。薄膜光电池材料主要包括多晶硅薄膜电池（高效、稳定、无毒、丰富、成本低）、非晶硅太阳电池、碲化镉（CdTe，II-VI族化合物）薄膜太阳电池、铜铟硒（CuInSe）系薄膜太阳电池、染料敏化太阳电池等。
光电探测材料是利用光电、电光转换功能进行探测的材料。光电探测器是利用半导体材料的光电导效应制成的一种光探测器件，在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。光电探测器的工作波段覆盖电磁波的紫外、可见、红外波段，对应的探测器材料可分为紫外探测器材料、可见探测器材料和红外探测器材料。
红外探测器材料是目前研究、发展、应用最为成熟的探测器材料，可分为热探测型（利用材料吸收红外辐射后，产生温度变化的热效应引起材料物理性质的变化而工作）、光子探测型（利用光子直接与电子相互作用产生光电效应的原理而工作）、热释电型（利用材料的热释电效应，即利用因红外吸收引起元件温度变化所造成的表面电荷的变化来进行探测）。
紫外探测器有真空二极管、光电倍增管、固体探测器、电子成像型探测器等多种形式，目前主要使用的是光电倍增管（探测灵敏度高）。但由于其本身体积大、功耗大、工作电压高、成本高，限制了其应用，III-V族氮化物和II-VI族氧化物等半导体光电材料成了人们关注的紫外探测器发展目标。主要包括GaN基材料和ZnO材料。
光电显示材料应用于各类光电显示器件或光电显示仪表。
阴极射线管是将电信号转变为光学图像的一类电子束管，如普通电视机的显像管。荧光屏是阴极射线管的显示部分，它是用荧光粉涂敷在玻璃底壁上制成的。液晶显示材料是液晶显示器件（LCD）的核心和基础，主要包括联苯类、苯基环己烷类、己烷类、炔类、含氟类、嘧啶类单体液晶，实际应用中使用由多种单体液晶组成的液晶混合物。部分电致发光材料也是光电显示材料。微胶囊电泳显示是一种柔性显示材料，它是融合了物理、化学、电子学等学科的一种显示材料，把微粒和深色颜料包裹在微囊内，利用电泳显示原理，在微囊内实现电泳显示，这种显示系统俗称电子墨水。 非线性光学材料是指一类在收到外部光场、电厂和应变场的作用后，会引起折射率、光吸收、光散射等变化的材料。在激光作为光源时，激光与介质间相互作用产生的这种非线性光学现象会导致光的倍频、合频、差频、参量振荡、参量放大等效应。
非线性光学材料是固体激光技术、红外技术、光通信技术与信号处理技术等领域发展的重要支柱，在科研、工业、交通、国防和医疗卫生等方面发挥越来越重要的作用。
非线性光学材料包括许多种类，如频率转换（倍频、合频和差频等）材料、电光晶体（线性电光材料）、光折变材料（信号处理材料）。目前应用较广泛的非线性光学材料有磷酸钛氧钾（KTP）、磷酸二氢钾（KDP）、铌酸锂（LN）、铌酸钾（KN）、偏硼酸钡（BBO）、铌酸钡钠（BNN）等无机材料，而有机材料大都是苯环类有机物或芳杂环化合物。
附：本文参考《电子材料》—李言荣（主编） 撰写
