1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)摘 要光學材料是傳輸光線的材料，這些材料以折射、反射和透射的方式，改變光線的方向、強度和位相，使光線按預定要求和路徑傳輸，也可吸收或透過一定波長范圍的光線而改變光線的光譜成分。光學材料包括發(fā)光材料、光纖材料、紅外材料和光色材料等。光學材料在國民經(jīng)濟和人民生活中發(fā)揮重要作用，也是人類社會必不可少的功能材料。新型光學材料是指近十年來，隨著現(xiàn)代光學，光電子及信息技術的發(fā)展而興起的光電數(shù)碼產(chǎn)品和信息產(chǎn)品所應用的光學材料。其特點是技術含量高，制作難度大，光學性能優(yōu)異的。本論文著重

2、論述幾種現(xiàn)在正在廣泛研究并對日常生活起到重要作用的新型光學材料：有機電致發(fā)光材料和新型光致發(fā)光材料，摻稀土元素光纖和光子帶隙型光子晶體光纖，紅外材料中熱光電紅外材料。關鍵詞：新型光學材料；發(fā)光材料；光纖材料；紅外材料；光色材料ABSTRACTOptical materials are the transmission materials of light, which change the light direction, intensity and phase by the refraction, reflection and transmission, so that the light

3、can transport through predetermined path. Besides, optical materials can change the spectral composition of light by absorbing or passing a certain wavelength. Optical materials include luminescent materials, fiber materials, infrared materials and photochromic materials. Optical materials not only

4、play an important role in the national economy and peoples lives, but also are essential functional materials of human society. New optical materials are suitable to electro-optical digital and information products and rise in pace with modern optics, optoelectronics and information technology devel

5、opment in the last decade. They are characterized by high-technology, difficult-produce and outstanding optical performance.This paper focuses on several new optical materials which is extensive studied now and play an important role in daily life. They are: organic electroluminescence materials and

6、 new photoluminescence materials, rare earth-doped fiber materials, PBG-Photonic Crystal Fiber and thermophotovoltaic infrared materials. Key words： new optical materials; luminescence materials; fiber materials; infrared materials; photochromic materials目 錄摘要 . . = 1 * ROMAN IABSTRACT. = 2 * ROMAN

7、II1 前言.11.1選題背景與意義.11.2 論文研究內(nèi)容.22新型發(fā)光材料.32.1 發(fā)光材料概述.32.1.1發(fā)光的過程和特征 .32.1.2發(fā)光材料的分類 . 42.2新型發(fā)光材料.42.2.1有機電致發(fā)光材料.42.2.2等離子體顯示材料.82.2.3 電致變色材料113 新型光纖材料 . 123.1 光纖材料概述 . 123.1.1 光纖的產(chǎn)生和發(fā)展. 123.1.1 光纖的結(jié)構(gòu)及分類. 123.2新型光纖材料.143.2.1 摻稀土元素光纖材料. .143.2.2 光子帶隙型光子晶體光纖. 154 新型紅外材料 . 184.1 紅外材料概述.184.1.1 紅外線與紅外材料.18

8、4.1.2 紅外材料的用途 .184.2 新型紅外材料 .194.2.1 熱光電應用中的紅外材料.194.2.2 紅外光學中的常用材料215 新型光色材料 235.1 光色材料概述 .235.1.1 光色材料的變色過程 .235.1.2 光色材料的分類 .235.2 新型光色材料 .245.2.1多酸及多酸鹽材料 .245.2.2螺吡喃類化合物 .25結(jié)論.26參考文獻.27致謝.28附錄. . . . .291 前言1.1 選題背景與意義光充滿著整個宇宙，各種星體都在發(fā)光：遠紅外光、紅外光、可見光、紫外光，以及X射線等。人類生活在光的世界里，白天靠日光，黑夜靠燈光，夜間還要靠星光。要利用光，

9、就要創(chuàng)造工具，就要有制造工具的材料光學材料。春秋戰(zhàn)國時期，墨子就研究光的傳播規(guī)律，出現(xiàn)了最古老的光學材料青銅反光鏡。17世紀，瑞士人紀南熔制出光學玻璃，主要用于天文望遠鏡；隨后， 歐洲出現(xiàn)了望遠鏡和三色棱鏡，人造光學玻璃成為主要光學材料。20世紀初，以望遠鏡、顯微鏡、光譜儀以及物理光學儀器四大類為主體，建立了光學工業(yè)。科學研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類生活等需要使用顯微鏡、望遠鏡、經(jīng)緯儀、攝像機等各種光學儀器，核心部分都是由光學材料制造的光學零件。光學材料已成為人類社會必不可少的功能材料。光學材料是傳輸光線的材料，這些材料以折射、反射和透射的方式，改變光線的方向、強度和位相，使光線按預定要求和路徑傳輸

10、，也可吸收或透過一定波長范圍的光線而改變光線的光譜成分。光學材料包括發(fā)光材料、光纖材料、紅外材料和光色材料等。隨著越來越多的發(fā)光材料的出現(xiàn)，推動了顯示技術以及照明技術的發(fā)展，LED作為一種綠色照明技術，受到了國家和社會的重視，以液晶顯示(LCD)，等離子體顯示(PDP)，有機發(fā)光二極管顯示(OLED)為代表的顯示技術在人們的日常生活中起著重要作用。光纖以及隨后出現(xiàn)的各類光纖材料，極大推動了通信技術的發(fā)展，是通信歷史上的一個轉(zhuǎn)折點，進入了光纖通信的時代。紅外材料使人們把對光的探索帶到了紅外光波段，因為與熱輻射有密切關系，使得紅外光對對人類具有重要的應用價值。光色材料在光波導，光調(diào)制以及光存儲中具

11、有重要的作用。事實證明，光學材料在科學研究，國民經(jīng)濟和人民生活中發(fā)揮重要作用。新型光學材料是指近十年來，隨著現(xiàn)代光學，光電子及信息技術的發(fā)展而興起的光電數(shù)碼產(chǎn)品和信息產(chǎn)品所應用的技術含量高，制作難度大，光學性能優(yōu)異的光學材料。新型光學材料以其優(yōu)異的特性和廣泛的應用得到了世界的關注，成為材料領域研究的熱門領域。我國對新型光學材料的研究也已經(jīng)有了長足的進展，在光學晶體的制備方面已達到世界先進水平，但總體上還不能滿足高科技發(fā)展的需要 1。 開展對光學材料的研究，對促進我國新型光學材料事業(yè)的發(fā)展，更好的服務于科技和國防現(xiàn)代化建設，促進我國經(jīng)濟社會的發(fā)展，推動人們生活水平的提高，超趕世界先進水平具有積極

12、的帶動作用。1.2 論文研究內(nèi)容1. 光學材料特性不同的光學材料之所以發(fā)揮著不同的作用，就是因為它們有不同的特性。本論文首先分析發(fā)光材料，光纖材料，紅外材料以及光色材料的特性，如它們的應用原理和一些基本特征。力求闡述每種光學材料的與眾不同之處，并以此為基礎，對其潛在價值加以研究。2. 光學材料的最新進展如同其他事物一樣，光學材料從誕生之日起，就一直在不斷發(fā)展?，F(xiàn)在的光學材料不僅包括從傳統(tǒng)的光學材料(如透鏡和普通光學玻璃),更與現(xiàn)代科技相融合，產(chǎn)生了許多高性能的光學材料。本論文致力于研究目前主流的并具有廣泛應用價值的新型光學材料，論文主要涉及研究的新型光學材料有：(1) 有機電致發(fā)光材料，新型P

13、DP材料，電致變色材料等新型發(fā)光材料；(2) 摻稀土元素光纖材料, 光子帶隙型光子晶體光纖等新型光纖材料；(3) 熱光電應用中的紅外材料以及紅外光學中的常用材料；(4) 多酸及多酸鹽材料，螺吡喃類化合物等新型光色材料。3. 光學材料的發(fā)展方向：(1) 超高密度高分子存儲材料：開發(fā)存儲密度高的高分子材料；(2) 高分子傳輸材料：研究和開發(fā)應用于通訊傳輸?shù)木哂休^高光學透過性，光學均勻，且高折射率、低光損耗的高分子塑料光纖； (3) 高分子顯示材料：有機高分子電致發(fā)光材料、高分子液晶材料等，其發(fā)展方向為開發(fā)出具有高的電致發(fā)光效率、低驅(qū)動電壓，具有不同發(fā)光波長（彩色）和長壽命的各種發(fā)光器件。2 新型發(fā)

14、光材料2.1 發(fā)光材料概述2.1.1 發(fā)光的過程和特征一、發(fā)光的過程發(fā)光是一種物體把吸收的能量，不經(jīng)過熱的階段，而直接轉(zhuǎn)換為光輻射的現(xiàn)象。吸收能量，然后轉(zhuǎn)化為光的材料成為發(fā)光材料。現(xiàn)在，熒光燈和成像系統(tǒng)中的發(fā)光材料處于能量轉(zhuǎn)化鏈的最末端，并且可以輻射出處在可見、紅外和紫外波段的光子 2。材料發(fā)光的微觀過程為：(1) 材料吸收外界的能量，產(chǎn)生高能電子和空穴；(2) 高能電子和空穴經(jīng)過相互碰撞，有產(chǎn)生能量較低的電子和空穴；(3) 這個過程一直持續(xù)下去，直到電子的能量降低到和發(fā)光體的禁帶能量相匹配為止，期間發(fā)出光子，產(chǎn)生光。二、發(fā)光的特征發(fā)光的第一個特征是顏色。發(fā)光材料的發(fā)光顏色彼此不同，都有它們各

15、自的特征。已有發(fā)光材料的種類很多，它們發(fā)光的顏色也足可覆蓋整個可見光的范圍。材料的發(fā)光光譜(發(fā)射光譜)可分為下列三種類型：寬帶：半寬度100 nm，如CaWO4；窄帶：半寬度50 nm，如Sr(PO4)3Cl:Eu3+；線譜：半寬度0.1 nm，如GdVO4:Eu3+。發(fā)光的第二個特征是強度。由于發(fā)光強度是隨激發(fā)強度而變的，通常用發(fā)光效率來表征材料的發(fā)光本領，發(fā)光效率也同激發(fā)光強度有關。在激光出現(xiàn)前，電子束的能量較高，強度也較大，所以一般不發(fā)光或發(fā)光很弱的材料，在陰極射線激發(fā)下則可發(fā)出可覺察的光或較強的光。激光出現(xiàn)后，因激光的強度可107 W/cm2，在它激發(fā)下除了容易引起發(fā)光外，還容易出現(xiàn)非

16、線性效應，包括雙光子或多光子效應，易引起轉(zhuǎn)換，如將紅外光轉(zhuǎn)換為可見光。發(fā)光效率有三種表示方法：量子效率、能量效率及光度效率。量子效率指發(fā)光的量子數(shù)與激發(fā)源輸入的量子數(shù)的比值；能量效率是指發(fā)光的能量與激發(fā)源輸入的能量的比值；光度效率指發(fā)光的光度與激發(fā)源輸入的能量的比值。發(fā)光的第三個特征是發(fā)光持續(xù)時間。最初發(fā)光分為熒光及磷光兩種。熒光是指在激發(fā)時發(fā)出的光，磷光是指在激發(fā)停止后發(fā)出的光。發(fā)光時間小于10-8 s為熒光，大于10-8 s為磷光。 2.1.2 發(fā)光材料的分類發(fā)光材料可以按照激發(fā)能量方式的不同進行分類，如表2.1所示：表2.1 發(fā)光材料分類材料類型激發(fā)源應用陰極射線材料電子電視機，顯示器光

17、致發(fā)光材料光子熒光燈，等離子體顯示器X射線材料X射線X射線放大器電致發(fā)光材料電場LED，電致發(fā)光顯示器件化學發(fā)光材料化學能分析化學發(fā)光材料也可以分為有機發(fā)光材料和無機發(fā)光材料。前者主要是指由1-10 m的晶體組成的固體化合物。后者可以是聚合物，也可以是低分子重量的材料，它們主要以薄膜的形式應用 3。2.2 新型發(fā)光材料雖然人們長久以來對陰極射線管(CRT)和熒光燈所用材料開展的研究從未停止，但不可否認的是,經(jīng)過30年的探索，這些材料的性能已接近物理極限?，F(xiàn)在以及未來對發(fā)光材料的要求一方面是小型化，提高壽命以及發(fā)光光譜的穩(wěn)定性，另一方面(對于成像系統(tǒng)來說)應具有高的亮度和對比度。同時也要求發(fā)光材

18、料在不同工作條件下要具有較高的穩(wěn)定性。2.2.1 有機電致發(fā)光材料一、有機電致發(fā)光的優(yōu)缺點在所有的電致發(fā)光材料中，有機發(fā)光二極管(Organic Lighting Emitting Diode, OLED)是最近10年來興起的一種新型的顯示發(fā)光材料，具有許多傳統(tǒng)顯示材料無法比擬的優(yōu)勢。OLED的優(yōu)點：1. 厚度可以小于1毫米，僅為LCD屏幕的1/3，并且重量也更輕；2. 固態(tài)機構(gòu)，沒有液體物質(zhì)，因此抗震性能更好，不怕摔； 3. 幾乎沒有可視角度的問題，即使在很大的視角下觀看，畫面仍然不失真； 4. 響應時間是LCD的千分之一，顯示運動畫面絕對不會有拖影的現(xiàn)象； 5. 低溫特性好，在零下40C時

19、仍能正常顯示，而LCD則無法做到； 6. 制造工藝簡單，成本更低； 7. 發(fā)光效率更高，能耗比LCD要低； 8. 能夠在不同材質(zhì)的基板上制造，可以做成能彎曲的柔軟顯示器。我們看到OLED相比目前主流的LCD有一些無法比擬的優(yōu)勢，當然目前的OLED還存在一些缺點需要技術上的解決，當這些問題解決后將會是OLED大面積走入市場主流的日子。目前的OLED存在的主要問題有：1. 壽命通常只有5000小時，要低于LCD至少1萬小時的壽命；2. 不能實現(xiàn)大尺寸屏幕的量產(chǎn)，因此目前只適用于便攜類的數(shù)碼類產(chǎn)品；3. 存在色彩純度不夠的問題，不容易顯示出鮮艷、濃郁的色彩。二、有機電致發(fā)光的發(fā)光原理及結(jié)構(gòu)有機電致發(fā)

20、光是指發(fā)光層為有機材料，而且屬于在電場作用下被激發(fā)而發(fā)光的現(xiàn)象。其發(fā)光原理為：由電極注入的電子與空穴在有機發(fā)光材料中復合釋放能量，把有機發(fā)光分子激發(fā)到高能態(tài)，受激發(fā)光分子從高能態(tài)回到基態(tài)的過程中以光子的形式發(fā)出能量，實現(xiàn)發(fā)光。該過程可表示為：(1) 電子+空穴能量；(2) 基態(tài)發(fā)光分子+能量受激發(fā)光分子；(3) 受激發(fā)光分子基態(tài)發(fā)光分子+能量。有機電致發(fā)光材料中最簡單的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，這是單層電致發(fā)光材料的典型結(jié)構(gòu)，即把有機發(fā)光材料薄膜加載兩個能注入載流子的電極之間，當電極上加偏壓時，電子和空穴分別從陰極和陽極注入，在有機發(fā)光材料中復合，然后導致發(fā)光 4。其實對于絕大多數(shù)有機發(fā)光材料來說，

21、都是偏一極化的，即材料的導電性質(zhì)不是傳輸電子就是傳輸空穴，能同時具有兩種傳輸材料的有機材料甚少。所以對于電子型導電材料，上述結(jié)構(gòu)中的發(fā)光層其實有兩部分構(gòu)成，分別為傳輸電子的發(fā)光層和空穴傳輸層。而對于空穴型導電材料，上述發(fā)光層對應的的兩部分分別為傳輸空穴的發(fā)光層和電子傳輸層。 圖2.1 單層電致發(fā)光材料的結(jié)構(gòu)圖三、有機電致發(fā)光材料由有機電致發(fā)光材料的結(jié)構(gòu)圖可以看出，有機電致發(fā)光材料可以分為：電極材料、載流子傳輸材料和發(fā)光材料。(一) 電極材料1. 陰極材料陰極的作用是發(fā)射電子，為了提高電子的注入效率，故陰極應該選用功函數(shù)盡可能低的材料。目前常用的陰極材料有以下幾種：(1) 金屬具有低功函數(shù)的金屬

22、都可以用作陰極材料，如銀，鎂，鋁，鋰，鈣等。其中最常用的是鋁，這主要考慮了穩(wěn)定性和價格因素。(2) 合金雖然從提高注入電子效率的角度考慮，低功函數(shù)的金屬更適合做陰極材料，但低功函數(shù)的金屬在空氣中易被氧化，導致用低功函數(shù)金屬做的陰極穩(wěn)定性不高。為了解決這個問題，可以把低功函數(shù)的金屬和高功函數(shù)且化學性質(zhì)穩(wěn)定的金屬一起蒸發(fā)做成合金。其優(yōu)點是既保持了高的注入效率，同時提高了陰極的穩(wěn)定性。目前比較常用的有兩種合金，它們分別是Mg:Ag(10:1)和Li:Al(0.6%Li)。前者的功函數(shù)是3.7 eV,后者的功函數(shù)是3.2 eV。2. 陽極材料為了提高空穴的注入效率，要求陽極的功函數(shù)盡可能高。對于有機電

23、致發(fā)光材料要求一側(cè)的電極是透明的，所以陽極一般采用高功函數(shù)的半透明金屬(如金)、透明導電聚合物(如聚苯胺)和ITO(如氧化銦錫)導電玻璃。最普遍采用的陽極材料是ITO，因為ITO對400-1000 nm的光波具有較高的透過率，可達80%。(二)載流子傳輸材料載流子分為空穴和電子，故載流子傳輸材料可分為空穴傳輸材料和電子傳輸材料。1. 空穴傳輸材料良好的空穴傳輸材料應具有的特性是：(1) 較高的熱穩(wěn)定性；(2) 與陽極的電位勢壘較??；(3) 能真空蒸鍍形成無針孔的薄膜?，F(xiàn)在最常用的空穴傳輸材料是N,N-二苯基-N,N-二(3-甲基苯基)-1,1-聯(lián)苯-4,4-二胺。這種材料簡稱為TPD。 圖2.

24、2 TPD的結(jié)構(gòu)圖 圖2.3 NPB的結(jié)構(gòu)圖另一種常用的材料是N,N-二苯基-N,N-(1-萘基)-1,1-聯(lián)苯-4,4-二胺。這種材料簡稱為NPB。以TPD為例，它的電離電位是5.5 eV左右，而且分子中的N原子具有很強的給電子能力，即顯示正電性，在電子的不間斷給出過程中表現(xiàn)出空穴的遷移特性，而且具有高的遷移效率。2. 電子傳輸材料在有機電致發(fā)光器件中，對于電子發(fā)光材料的要求是：(1) 有較高的傳輸電子的能力；(2) 與發(fā)光材料的能級要匹配。電子傳輸材料用的最多的是金屬螯合物，如Alq3(C27H18AlN3O3)， PBD(C20H14N2O) 5。 圖2.4 Alq3的化學結(jié)構(gòu) 圖2.5

25、 PBD的化學結(jié)構(gòu)(三) 發(fā)光材料發(fā)光材料在電致發(fā)光器件中起著至關重要的作用，在有機電致發(fā)光器件中，對發(fā)光材料有下列幾點要求：(1) 高的量子效率，且熒光光譜主要分布在400-700 nm可見光波長范圍內(nèi)；(2) 高的半導體特性，要么能傳導電子，要么能傳導空穴，或者兩者兼有；(3) 良好的熱穩(wěn)定性。目前，人們把有機發(fā)光材料分為兩類，即有機小分子發(fā)光材料和有機高分子發(fā)光材料。有機小分子發(fā)光材料的相對分子質(zhì)量為500-2000。多節(jié)有共軛雜環(huán)及各種生色團，結(jié)構(gòu)易于調(diào)整，引入烴鍵，苯環(huán)等不不飽基因及各種生色團來改變其共軛長度，從而使化合物光電性質(zhì)發(fā)生改變。有機高分子發(fā)光材料的相對分子質(zhì)量為104-1

26、05，且高分子發(fā)光材料具有制備簡單，成本低廉，能夠彎曲等特點。1.有機小分子發(fā)光材料最有代表性的有機小分子發(fā)光材料是電子傳輸型的金屬螯合物：8-羥基喹啉鋁(Alq3),化學結(jié)構(gòu)件圖2.4。它發(fā)射的峰值波長是520 nm的綠光。在固態(tài)下，它的發(fā)光效率是10% 左右。高效有機電致發(fā)光器件最早的結(jié)構(gòu)就是用電子傳輸型的發(fā)光材料夾在空穴傳輸層與陰電極之間的雙層結(jié)構(gòu)。2.高分子發(fā)光材料聚對苯乙炔(Polyphenyl Acetylene，PPV)及其衍生物是最早用于電致發(fā)光的高分子有機聚合物，也是目前共軛聚合物電致發(fā)光研究的重點。這種材料的優(yōu)點是具有很強的電致發(fā)光功能，其能帶寬度為2.2 eV，即可發(fā)出紅

27、綠色光。而且在14 V正向電壓作用下，量子效率高于0.05%?，F(xiàn)在對高分子聚合物的研究著重于對其進行化學修飾，一方面要提高聚合物的溶解性，另一方面可以改變發(fā)光顏色。如在苯環(huán)上引入烷氧基，制成苯乙炔(MEH-PPV),這可以引起發(fā)光顏色向紅色方向移動。圖2.6即是苯乙炔(C8H6)的化學結(jié)構(gòu)。 圖2.6 苯乙炔的化學結(jié)構(gòu) 圖2.7 聚乙烯咔唑的化學結(jié)構(gòu)近來，比聚對苯乙炔(Polyphenyl Acetylene，PPV)發(fā)光效率更高的聚乙烯咔唑(PVK)已經(jīng)用于OLED的基質(zhì)材料，其化學結(jié)構(gòu)式見圖2.7。由于咔唑基的存在，使它有很強的空穴傳輸能力，因此在電致發(fā)光器件中，常被用于空穴傳輸層。在這種

28、空穴傳輸材料中，一方面降低了小分子電致發(fā)光材料的結(jié)晶性(有機空穴傳輸材料的薄膜經(jīng)過長時間的“老化”后，常有在結(jié)晶的取向)，提高了器件的壽命，同時增加了電子-空穴復合的機會，因此提高了發(fā)光效率。2.2.2 新型PDP材料最近十幾年來興起的等離子體顯示器(Plasma Display Panel, PDP)是光致發(fā)光顯示器的典型代表，也是繼CRT, LCD后的正在廣泛應用的新一代顯示器。一、等離子體顯示器特點等離子體顯示器的特點是：(1) 工作壽命長，是顯像管的好幾倍，一般的單色PDP可達10萬小時，彩色PDP可達3萬小時之多。(2) 存儲功能，因此它可以工作在存儲方式中，使顯示屏的亮度得到提高。

29、(3) 容易制成大面積的顯示屏，現(xiàn)在已經(jīng)能制成約70 in(英寸)的大屏幕。(4) 顯示屏的厚度很薄，因PDP屏的自身厚度只有1 cm左右，遠遠小于顯像管的厚度，因此可做成平板式顯示器。等離子體顯示技術之所以令人激動，主要出于以下兩個原因：可以制造出超大尺寸的平面顯示器(50英寸甚至更大）；與陰極射線管顯示器不同，它沒有彎曲的視覺表面，從而使視角擴大到了160度以上。另外，等離子體顯示器的分辨率等于甚至超過傳統(tǒng)的顯示器，所顯示圖像的色彩也更亮麗，更鮮艷。二、等離子體顯示器原理等離子體顯示技術的基本原理是這樣的：顯示屏上排列有上千個密封的小低壓氣體室（一般都是氙氣和氖氣的混合物），電流激發(fā)氣體，

30、使其發(fā)出肉眼看不見的紫外光，這種紫外光碰擊后面玻璃上的紅、綠、藍三色熒光體，它們再發(fā)出我們在顯示器上所看到的可見光。這個過程就是光致發(fā)光過程，此過程可表示為：1. 電極加電壓，正負極間激發(fā)放出電子，電子轟擊惰性氣體，發(fā)出真空紫外線；2. 真空紫外線射在熒光粉上，使熒光粉發(fā)光6。PDP發(fā)光的原理圖如圖2.8所示：圖2.8 PDP發(fā)光的原理三、制作PDP的新材料 PDP的結(jié)構(gòu)如圖2.9所示，其基本結(jié)構(gòu)是由前后兩塊玻璃基板組成的，每個基板包含許多平行電極，在前基板上制作有匯流電極、透明電極、支撐電極等；后基板上則有與前基板上電極互相垂直的電極與壁障，涂有熒光粉。(一) 基板玻璃在AC-PDP (交流

31、等離子顯示器)與DC-PDP (直流等離子顯示器)中，鉛玻璃常常被用作介電層的基底。這是因為鉛玻璃具有良好的電氣特性，并能在600的溫度以下燒結(jié)。但由于鉛有較強的氧化還原性，在燒結(jié)中，會與氧化還原性小于其他金屬電極材料，例如鎳等發(fā)生反應，使鉛玻璃中以離子形式存在的鉛變成金屬鉛。又因鉛的熔點低，蒸汽壓強高，這就會在基底玻璃與電極材料間生成氣泡，降低兩種材料粘接的強度。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，美國Ferro公司做了較為成功的研究工作。6Ferro公司的主要做法是在玻璃中加入陶瓷成分，通過改變陶瓷流填充物的量來改變基底玻璃的微結(jié)構(gòu)與流體性；同時，采用把鎳、玻璃焊料與高氧化性元素摻在一起，以用作陰極材

32、料(材料代號為FX51-025)的做法，也可以用一些性能相近的金屬材料代替鎳作為陰極材料。該公司以銀作為其PDP的電極材料 圖2.9 PDP的結(jié)構(gòu) (二) 壁障障壁由低熔點玻璃構(gòu)成。其作用是保證前后基板間的放電間隙，防止相鄰單元間的光電串擾。(三) 氧化鎂保護層PDP前基板電極上覆蓋了一層玻璃介質(zhì)層，介質(zhì)層上又覆蓋了一層MgO保護層以保護顯示電極和防止介質(zhì)玻璃被侵蝕。保護膜首先要能抗擊離子濺射，還能降低期間的著火電壓，還必須具有高透光性，所以保護膜作為PDP工作是輝光放電過程中的保護層，要滿足以下幾方面的的要求：(1) 著火電壓足夠低；(2) 長時間的穩(wěn)定性，能耐離子轟擊；(3) 絕緣性能好；

33、(4) 高的可見光透過性。堿土金屬氧化物MgO、CaO及其混合物，稀土金屬氧化物如CeO、La2O3及其混合物都可以被用作保護層材料。盡管MgO不具有最低的著火電壓，但是它能耐高溫(Tm=3078 K)，抗濺射(升華熱H=551.34 kJ/mol)，蒸發(fā)容易控制且價格較低廉，所以MgO是綜合性能最好的也是應用最廣的最成熟的保護材料。(四) 熒光粉在單色PDP中用氣體放電產(chǎn)生的光直接進行顯示，而彩色PDP則通過氣體放電時產(chǎn)生的紫外線激發(fā)熒光粉發(fā)光實現(xiàn)紅(R)、綠(G)、藍(B)三基色顯示 8。對PDP使用的熒光粉要求滿足以下條件：(1) 在真空紫外領域具有較高的激勵光譜；(2) 在同一放電電流

34、時，通過三基色熒光體的發(fā)光混色獲得基低白色；(3) 三基色的發(fā)光應具有各自鮮明的色彩度；(4) 對于短波長紫外線和離子轟擊不產(chǎn)生劣化；(5) 涂漿和熱處理工藝中具有穩(wěn)定性；(6) 放電單元工作狀態(tài)的溫度很小影響其發(fā)光效率；(7) 余輝短。彩色PDP涂覆熒光粉技術是采用的膜厚印刷技術形成障壁內(nèi)側(cè)的基色熒光體。在顯示單元的壁面和底面用噴沙法形成熒光面。紅色用(Y, Gd)BO3:Eu3+，綠色用Zn2SiO4:Mn，藍色用鋇鎂鋁酸鹽，如BaMgAl14O23:Eu。2.2.3 電致變色材料一、電致變色現(xiàn)象所謂電致變色(Eletro Chromism, EC),從顯示和發(fā)光的角度看是指施加電壓后物質(zhì)

35、發(fā)生氧化還原反應使顏色發(fā)生可逆性的變色現(xiàn)象。自從20世紀60年代國外學者 Plant 首先提出電致變色概念以來，電致變色現(xiàn)象就引起了人們的廣泛關注。特別是最近10年來，電致變色成為發(fā)光顯示領域的研究熱點 9。電致變色主要有3種形式：(1) 離子通過電解液進入材料引起變色；(2) 金屬薄膜電沉積在觀察電極上；(3) 彩色不溶性有機物析出在觀察電極上。二、電致變色顯示器件材料電致變色顯示器件(Eletro Chromism Display, ECD)是一種典型的光學薄膜與電子學薄膜相結(jié)合的光電子薄膜薄膜器件，能夠在外加電壓驅(qū)動下實現(xiàn)可逆的色彩變化，以實現(xiàn)顯示。許多液態(tài)或固態(tài)的有機物或無機物都有電致

36、變色功能，其中三氧化鎢研究較多，因為在三氧化鎢中離子的遷移率高，電子注入會產(chǎn)生對可見光的強烈吸收。目前在光電子薄膜器件領域，柔性塑料器件已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢，隨著ITO(氧化銦錫)塑料制備技術的成熟，多種顯示器件已經(jīng)或正在實現(xiàn)塑料柔性化。因此，將電致變色材料制備在塑料襯底上，將極大促進電致變色器件的應用。根據(jù)電致變色層材料的不同，ECD又可以分為以下兩種類型：(1) 全固態(tài)塑料電致變色器件全固態(tài)塑料電致變色器件采用低壓反應離子鍍工藝，在ITO塑料襯底上制備WO3和NiO 電致變色薄膜，采用MPEO-LiClO4高分子聚合物作電解質(zhì)，制備透射型全固態(tài)塑料電致變色器件。(2) 混合氧化物電致變色器

37、件混合氧化物可以改善單一氧化物電致變色的性能，引起了人們的關注。TiO2具有適宜的離子輸運的微觀結(jié)構(gòu)、高的力學性能和化學穩(wěn)定性，它與WO3混合制作的電致變色器件，加快了響應時間及延長了器件的壽命 10。3 新型光纖材料3.1 光纖材料概述3.1.1 光纖的產(chǎn)生和發(fā)展20世紀60年代發(fā)現(xiàn)了激光，這是人們期待已久的信號載體。要實現(xiàn)光通訊，還必須有光元件、組件及信號加工技術和光信號的傳輸介質(zhì)。1958年，英國科學家提出了利用光纖的設想，1966 年，在英國標準電訊研究所工作的英籍華人工程師高琨，論證了把光纖的光學損耗降低到20 dB/km以下的可能性(當時光纖的傳輸損耗約為1000 dB/km)，并

38、指出其對未來光通信的作用后，作為光通信媒質(zhì)用的光纖引起了世界工業(yè)發(fā)達國家的科學界、實業(yè)界人士以及政府部門的普遍重視。許多大學、研究所、公司以及工廠開始探索這一工作，對多組分玻璃系和高二氧化硅玻璃系光纖進行開發(fā)研究。隨著理論研究和制造技術的提高，降低光纖傳輸損耗的工作進展很快。1970年，美國康寧玻璃公司拉制出世界第一根低損耗光纖，這是一根高二氧化硅玻璃光纖，長數(shù)百米，損耗低于20 dB/km(降低為1966年光纖損耗的1/50)。十多年后，高二氧化硅玻璃光纖的損耗又降低了兩個數(shù)量級，約為0.2 dB/km，幾乎達到了材料的本征光學損耗 11。然而，多組分玻璃光纖因其材料難以提純，以及此類玻璃的

39、均勻性差，而使光纖的最低損耗仍相當大，約為4 dB/km。近20年，各種各樣的光纖層出不窮，除了通信用多模、單模光纖外，近年來又出現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)不同高雙折射偏振保持光纖、單偏振光纖，以及各種光纖傳感器用的功能光纖、塑料光纖等。光纖的最初應用是制作醫(yī)用內(nèi)窺鏡，但其大量地應用仍在通信方面。許多國家建造了光纖通信系統(tǒng)，橫跨大西洋、太平洋的海底光纜已投人使用，使全世界進人信息時代。3.1.2 光纖的結(jié)構(gòu)及分類一、光纖的結(jié)構(gòu)光纖是用高透明電介質(zhì)材料制成的非常細(外徑約為125200 m)的低損耗導光纖維，它不僅具有束縛和傳輸從紅外到可見光區(qū)域內(nèi)的光的功能，而且也具有傳感功能。一般通信用光纖的橫截面的結(jié)構(gòu)如圖

40、3.1所示。光纖本身由纖芯和包層構(gòu)成，纖芯是由高透明固體材料(如高二氧化硅玻璃，多組分玻璃、塑料等)制成，纖芯的外面是包層，用折射率較低(相對于纖芯材料而言)的有損耗(每公里幾百分貝)的石英玻璃、多組分玻璃或塑料制成。這樣就構(gòu)成了能導光的玻璃纖維光纖，光纖的導光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)。上述光纖是很脆的，還不能付諸實際應用。要使它具有實用性，還必須使它具有一定的強度和柔性，采用三層芯線結(jié)構(gòu)。在光纖的外面是一次被覆層，主要目的是防止玻璃光纖的玻璃表面受損傷，并保持光纖的強度。因此，在選用材料和制造技術上，必須防止光纖產(chǎn)生微彎或受損傷。通常采用連續(xù)擠壓法把熱可塑硅樹脂被覆在光纖外而制成，此層的厚

41、度約為100150 m。在一次被覆層之外是緩沖層，外徑為400 m，目的在于防止光纖因一次被覆層不均勻或受側(cè)壓力作用而產(chǎn)生微彎，帶來額外損耗。因此，必須用緩沖效果良好的低楊氏系數(shù)材料作緩沖層，為了保護一次被覆層和緩沖層，在緩沖層之外加上二次被覆層。二次被覆層材料的楊氏系數(shù)應比一次被覆層的大，而且要求具有小的溫度系數(shù)，常采用尼龍，這一層外徑常為0.9 mm。二、光纖的分類按光纖芯折射率分布不同可分為：階躍型光纖和梯度型光纖兩大類。階躍型多模光纖和單模光纖的折射率分布都是突變的，纖芯折射率均勻分布具有恒定值n1，而包層折射率則為稍小于n1的常數(shù)n2，n(r)可表示為 (3.1)其中r為離纖芯縱軸的

42、徑向坐標，a為纖芯半徑。階躍型多模光纖和單模光纖的區(qū)別僅在于，后考的芯徑和折射率差都比前者小。設計時，適當?shù)剡x取這兩個參數(shù)，以使得光纖中只能傳播最低模式的光，這就構(gòu)成了單模光纖。階躍型光導纖維的芯子與包層間折射率是階梯狀的改變，入射光線在纖芯和包層的界面產(chǎn)生全反射，呈鋸齒狀曲折前進。在梯度光纖中，纖芯折射率的分布是徑向坐標的遞減函數(shù)，而包層折射率分布則是均勻的，可用下式表示： (3.2)其中g為冪指數(shù)，一般取2。梯度型光導纖維的纖芯折射率從中心軸線開始向徑向逐漸減小(約以半徑的二次方的反比例遞減)，因此入射光線進入光纖后，偏離中心軸線的光將呈曲線路徑向中心集束傳輸。由于光束在梯度型光纖中傳播時

43、，形成周期性的會聚和發(fā)散，呈波浪式曲線前進，故梯度型光纖又稱聚焦型光纖。按材料組分不同，光纖可分為：高二氧化硅(石英)玻璃光纖、多組分玻璃光纖和塑料光纖(有機材料)等。目前，通信用光纖都是高二氧化硅玻璃光纖。按光纖傳播光波的模數(shù)來分，則有多模光纖、單模光纖兩大類。從傳感的角度來分，可以分為傳輸光纖和功能光纖。3.1新型光纖材料3.1.1 摻稀土元素光纖材料1964年，C.J. koester等首次報道,以摻稀土元素玻璃制作光纖的具有放大作用,直到1985年英國南開普頓大學開發(fā)出制作摻稀土元素玻璃的光纖放大器的工藝。近年來,用摻稀土元素玻璃制作光纖放大器、光纖激光器的技術日趨完善且產(chǎn)品也已商用化

44、。在石英玻璃光纖的制造過程中,采用汽相或液相摻雜技術，將稀土元素,如 餌,鐠等離子單獨或混合摻入光纖芯中構(gòu)成的稀土元素玻璃。正是由于向纖芯摻入了微量的稀土元素摻雜濃度為使光纖由無源傳導介質(zhì)躍變?yōu)榉糯笃?，激光器和超亮度光源的有源增益介質(zhì) 12。在摻稀土元素光纖材料中，摻鉺光纖放大器(Er-Doped Fiber Amplifier, EDFA)是最為重要的內(nèi)容，從20世紀80年代后期開始，摻鉺光纖放大器的研究工作不斷取得重大的突破。WDM技術極大地增加了光纖通信的容量。成為當前光纖通信中應用最廣的光放大器件。摻鉺光纖放大器(EDFA)即在信號通過的纖芯中摻入了鉺離子Er3+ 的光信號放大器。一、

45、EDFA的結(jié)構(gòu)EDFA的基本結(jié)構(gòu)，它主要由有源媒質(zhì)(幾十米左右長的摻餌石英光纖，芯徑3-5m，摻雜濃度(2510-6)、泵浦光源(990或1480 nm LD)、光耦合器及光隔離器等組成。信號光與泵浦光在鉺光纖內(nèi)可以在同一方向(同向泵浦)、相反方向(反向泵浦)或兩個方向(雙向泵浦)傳播。當信號光與泵光同時注入到鉺光纖中時，鉺離子在泵光作用下激發(fā)到高能級上，并很快衰變到亞穩(wěn)態(tài)能級上，在入射信號光作用下回到基態(tài)時發(fā)射對應于信號光的光子，使信號得到放大。其放大的自發(fā)發(fā)射(ASE)譜，帶寬很大(20-40 nm)，且有兩個峰值，分別對應于1530 nm和1550 nm。摻鉺光纖放大器主要是由一段摻鉺光

46、纖（長約10-30 m）和泵浦光源組成。其工作過程如圖3.1所示：二、EDFA的工作原理其工作原理是：摻鉺光纖在泵浦光源（波長980 nm或1480 nm）的 作用下產(chǎn)生受激輻射，而且所輻射的光隨著輸入光信號的變化而變化，這就相當于對輸入光信號進行了放大。圖3.1 EDFA工作過程3.1.2 光子帶隙型光子晶體光纖光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber, PCF)是基于光子晶體技術發(fā)展起來的新一代傳輸光纖。又名微結(jié)構(gòu)光纖(Microstructured optical fiber, MOF)或多孔光纖 (Holeyfiber, HF)，它通過包層中沿軸向排列的微小空氣孔對光

47、進行約束，從而實現(xiàn)光的軸向傳輸。獨特的波導結(jié)構(gòu)，使得光子晶體光纖與常規(guī)光纖相比具有許多無可比擬的傳輸特性。光子晶體光纖的橫截面如圖3.2(a)所示。根據(jù)纖芯引入缺陷態(tài)的不同，PCF導光機理可以分為兩類：全內(nèi)反射型和光子帶隙型。帶隙型光子晶體光纖(PBG-PCF)的包層是高度有序排列的空氣孔，纖芯是缺失的空氣孔形成缺陷，從而使光以缺陷態(tài)局域在纖芯中傳輸。帶隙型光子晶體光纖(PBG-PCF)的橫截面如圖3.2(b)所示。相比于全內(nèi)反射光子晶體光纖，由于光是在由周期排列硅材料圍成的空心中傳輸，所以只有很少一部分光在硅材料中傳輸。材料的非線性效應明低，損耗也大為降低。因此,帶隙型光子晶體光纖有可能成為

48、下一代超低損耗傳輸光纖，它將廣泛應用于光傳輸、脈沖整形、傳感光學和非線性光學中 13。圖3.2 光子晶體光纖和PBG-PCF的橫截面一、帶隙型光子晶體的理論基礎光子晶體是由不同折射率的介質(zhì)周期性排列而成的人工微結(jié)構(gòu)。由于介電常數(shù)存在空間上的周期性，引起空間折射率的周期變化.在周期性介質(zhì)中，電場滿足麥克斯韋波動方程： (3.3)式中，為常數(shù)，可以認為是介質(zhì)的平均介電常，是擾動介電常數(shù)，c為真空中的光速。在周期性勢場中，電子的波函數(shù)滿足薛定諤方程： (3.4)式中，為普朗克常數(shù)，為電子的能量，在周期性勢場中只能取本征值?？梢钥闯?，方程3.1與3.2的形式完全相似. Ee在周期性勢場中只能取本征值，

49、因此，在周期性介電晶體中，20/c2也只能取某些特征值，光波的頻率也因此只能取某些本征頻率，從而出現(xiàn)了頻率禁帶，這種禁帶叫做光子禁帶或者光子帶隙。頻率落在禁帶中的光或電磁波是被嚴格禁止傳播的。因此，光子晶體就是折射率呈周期分布的光學介質(zhì)。與半導體晶格對電子波函數(shù)的調(diào)制相類似，光子帶隙材料能夠調(diào)制具有相應波長的電磁波當電磁波在光子帶隙材料中傳播時，由于存在布拉格散射而受到調(diào)制，電磁波能形成能帶結(jié)構(gòu)。能帶與能帶之間出現(xiàn)光子帶隙。能量處在光子帶隙內(nèi)的光子，不能進入該晶體。光子晶體和半導體在基本模型和研究思路上有許多相似之處，原則上人們可以通過設計和制造光子晶體及其器件，達到控制光子運動的目的。二、帶

50、隙型光子晶體光纖的導光機理圖3.3 帶隙型光子晶體光纖的導光機理在空芯 PCF中形成周期性的缺陷是空氣,空氣芯折射率比包層石英玻璃低 ,但仍能保證光不折射出去,這是因為包層中的小孔點陣構(gòu)成光子晶體。當小孔間距和小孔直徑滿足一定條件時 ,其光子能隙范圍內(nèi)就能阻止相應光傳播 ,光被限制在中心空芯之內(nèi)傳輸 14。如圖3.3所示，對于普通的光纖，其折射光線相對于帶隙型光子晶體光纖而言，是比較多的，即損耗相對較大。而對于帶隙型光子晶體光纖，隨著包層中的小孔的直徑的降低，其總的溢出纖芯的折射光線亦減少。從而實現(xiàn)了降低傳輸損耗。4 新型紅外材料4.1紅外材料概述4.1.1 紅外線與紅外材料一、紅外線紅外線同

51、可見光一樣都是電磁波，它的波長范圍很寬，從0.7 m到1000 m。根據(jù)波長的不同，通常分為近紅外0.70 m-1.5 m，中紅外1.5 m-10 m，遠紅外10 m-1 mm三個波段。紅外線具有波粒二象性，遵守光的反射和折射定律，在一定條件下產(chǎn)生干涉和衍射現(xiàn)象。每種處于零K以上的物體均發(fā)射特征電磁波輻射，主要位于電磁波譜的紅外區(qū)域，這個特征對于軍事觀察和測定肉眼看不見的物體具有特殊意義15。二、紅外材料紅外材料是指能透過紅外線，并對不同波長紅外線具有不同透光率、折射率及色散的材料。紅外材料主要包括堿鹵化合物晶體、堿土-鹵族化合物晶體、氧化物晶體、無機鹽晶體及半導體晶體?？梢杂米骷t外材料的有下

52、列物質(zhì)。單質(zhì)晶體：單質(zhì)鍺、硅；堿鹵化合物晶體：如LiF、NaF、KCl、KBr等；堿土-鹵族化合物晶體：如CaF2、BaF2、SrF2、MgF2等；氧化物晶體：Al2O3、SiO2、MgO、TiO2等氧化物；無機鹽化合物晶體：SrTiO3、Ba3Ta4O15、Bi4Ti3O2等。4.1.2 紅外材料的用途紅外光學材料主要應用于以下方面：紅外無損檢測：自然界中的任何物體都是紅外輻射源。輻射能量的主波長是溫度的函數(shù)，并與表面狀態(tài)有關。紅外無損檢測是利用紅外輻射原理對材料表面進行檢測。如果被測材料內(nèi)部存在缺陷（裂紋、空洞、夾雜、脫粘等），將會導致材料的熱傳導性改變。進而反映在材料表面溫度的差別，即材

53、料的局部區(qū)域產(chǎn)生溫度梯度，導致材料表面紅外輻射能力發(fā)生差異，溫度場隨時間變化的信息中包含了樣品缺陷的信息。利用顯示器將其顯示出來，便可推斷材料內(nèi)部的缺陷；輻射測量、光譜輻射測量：如非接觸溫度測量、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、地面勘察，探測焊接缺陷，微重力下熱流過程研究；遠紅外線加熱干燥：當遠紅外線輻射到一個物體上時，可發(fā)生吸收、反射和透過。但是，不是所有的分子都能吸收遠紅外線的，只有對那些顯示出電的極性分子才能起作用。水，有機物質(zhì)和高分子物質(zhì)具有強烈的吸收遠紅外線的性能。當這些物質(zhì)吸收遠紅外線輻射能量并使其分子，原子固有的振動和轉(zhuǎn)動的頻率與遠紅外線輻射的頻率相一致時，極容易發(fā)生分子、原子的共振或轉(zhuǎn)動，導致運動

54、大大加劇，所轉(zhuǎn)換成的熱能使內(nèi)部升高溫度，從而使得物質(zhì)迅速得到軟化或干燥。對能量輻射物的搜索和跟蹤：如宇航裝置導航，火箭、飛機預警，遙控引爆管等；制造紅外成像器件，夜視儀器、紅外顯微鏡等：用于紅外光學系統(tǒng)中的窗口、整流罩、透鏡棱鏡、濾光片等，可用于軍事上的偽裝識別，半導體元件和集成電路的質(zhì)量檢查等16。4.2 新型紅外材料4.2.1 熱光電應用中的紅外材料一、InGaAs、 InGaAsSb TPV電池隨著近幾年來人們對III-V族低帶隙(0.5-0.7 eV)半導體研究的深入，以熱光電效應進行發(fā)電是近幾年來新興的發(fā)電方式，得到了人們的廣泛關注。熱光電效應發(fā)電(Thermophotovoltai

55、c (TPV) generation of electricity)相對于其他直接直接的能量轉(zhuǎn)換方式(如熱-電轉(zhuǎn)換)，其最重要的優(yōu)點是對廢熱的再吸收能力強。這這些材料中有兩種紅外材料引起了研究人員的興趣，他們具有優(yōu)良的熱光電性能。這兩種材料就是InxGa1xAsySb1y和 InxGa1xAs。在量子效率，開路電壓方面，兩種材料的性能是相當?shù)?。但后者比前者在光電方面的可持續(xù)性更強。這兩種材料的出現(xiàn)使得能量的轉(zhuǎn)換效率達到了20%以上。發(fā)光體到電池的能量轉(zhuǎn)換效率為： (4.1)Voc為電池的開路電壓，Eg為半導體的禁帶寬度。定義其平均光子加權量子效率為 (4.2)其中QEinternal()為內(nèi)量

56、子效率，N1()為TPV電池吸收的光通量，這是由黑體輻射引起的。且光通量的計算公式為： (4.3)其中，c為光速，h為普朗克常數(shù)，k為波爾茲曼常數(shù)，rad()為黑體的發(fā)射光譜，R()為在TPV電池表面的反射率，()為吸收損耗。FF 是填充因子，F(xiàn)o為過度興奮因子，是指對熱輻射能量大于禁帶寬度部分的利用率，其定義式為： (4.4)Fu為光譜利用率因子，是指對熱輻射能量大于禁帶寬度部分的吸收率，其定義式為： (4.5) 表4.1展示了在發(fā)光體溫度為1100，電池溫度為25時，禁帶寬度為0.55 eV的InGaAs TPV電池的各項參數(shù)，以及可能達到的極限值。與光伏電池(禁帶寬度1.0-1.4 eV

57、)相比，TPV電池具有較低的禁帶寬度(0.5-0.7 eV)具有較低的填充因子，這是由于較高的暗電流引起的。但是這部分的損失可以由過度興奮因子和光譜利用率因子的提高得到補償。這些因素使得能量轉(zhuǎn)化率大于20%是完全可以實現(xiàn)的，但其極限是40%。表4.1 TPV電池的參數(shù)及極限值電池FFInGaAs0.680.630.680.800.6014%極限1.000.700.700.801.0040%二、InGaAs和InGaAsSb TPV電池的結(jié)構(gòu)InGaAs和InGaAsSb TPV電池的結(jié)構(gòu)，如圖4.1所示。對于InGaAs TPV電池，其下基板由500 m的P型磷化銦構(gòu)成，上基板由3-5 m的禁

58、帶寬度為0.55 eV的InGaAs材料構(gòu)成。在上基板和下基板之間是12曾漸變層，由0.73-0.55 eV的InGaAs材料構(gòu)成。對于InGaAsSb TPV電池，與InGaAs TPV電池有區(qū)別的地方在于，它沒有上基板，而是具有發(fā)射極17。圖4.1 InGaAs和InGaAsSb TPV電池的結(jié)構(gòu)4.2.2 紅外光學中的常用材料雖然有大量的材料適用于可見光，但是只有幾種材料適用于中紅外波(3.0-5.0 m)和遠外波段(7.5-14.0 m)。圖4.2 展示了幾種常用紅外材料對不同波長的的投射率。表4.1展示了幾種紅外光學材料的基本特征參數(shù)。一、單晶鍺單晶鍺是最常用的紅外材料之一，可適用于

59、中紅外波段和長紅外波段。單晶鍺有較高的折射率系數(shù)，以及對溫度的變化系數(shù)小。使得單晶鍺具有較強的穩(wěn)定性。但是單晶鍺的價格比較高，這是限制單晶鍺更廣泛應用的一個重要因素。二、單晶硅單晶硅也是比較常見的紅外材料，它主要工作在3.0-5.0 m之間，即中紅外波段，而在遠紅外波段則會得到較為強烈的吸收。它的反射系數(shù)也很高，但它的缺點是對溫度的變化較為敏感，容易受外界環(huán)境的影響。三、硫化鋅(ZnS)硫化鋅可以工作在中紅外波段和遠紅外波段，它通常由化學氣相沉積(CVD)方法制得。多光譜CVD硫化鋅硫化鋅 (Cleartran) 是可商業(yè)化應用的最純凈的硫化鋅，它可以透過從可見光到遠紅外光，在紅外窗口和透鏡中

60、得到廣泛應用。四、硒化鋅(ZnSe)硒化鋅可以傳輸紅外光和可見光。它與硫化鋅在很多方面相似，但它比硫化鋅的折射率高而且結(jié)構(gòu)要輕。它的最大優(yōu)點好是吸收系數(shù)比硫化鋅小的多。但是它的價格比較昂貴。五、氟化鎂(MgF2)氟化鎂也是一種晶體材料，它可以傳輸從紫外線到遠紅外波段的光線。氟化鎂可由晶體生長得到。它的價格相對較低，但是它的熱學性能不好。圖4.2 紅外材料對不同波長的透射率表4.1 紅外材料的基本參數(shù)紅外光學材料折射率工作波長范圍(m)光熱系數(shù)(1/K)工作波長(m)工作波長(m)Germanium(鍺)4.024.002.0-17.03.910-4Silicon(硅)3.421.2-9.01.