发光材料-课件.ppt
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1、 发光材料发光材料是怎么来的(1)发光材料的品种发光材料都用于干什么发光材料的具体应用实例(3)(4)(6)发光材料的优缺点关于发光材料现在人们的研究方向(2)(5)发光的定义 当某种物质受到激发(射线、高能粒子、电子束、外电场等)后,物质将处于激发态,激发态的能量会通过光或热的形式释放出来。如果这部分的能量是位于可见、紫外或是近红外的电磁辐射,此过程称之为发光过程。发光就是物质在热辐射之外以光的形式发射出多余的能量,这种发射过程具有一定的持续时间。一、发光材料是怎么来的发光材料 能够实现上述过程的物质叫做发光材料。物质内部以某种方式吸收能量,将其转化成光辐射(非平衡辐射)的过程称为发光;在实
2、际应用中,将受外界激发而发光的固体称为发光材料。它们可以粉末、单晶、薄膜或非晶体等形态使用,主要组分是稀土金属的化合物和半导体材料,与有色金属关系很密切。在发光领域中,有机材料的研究日益受到人们的重视。因为有机化合物的种类繁多,可调性好,色彩丰富,色纯度高,分子设计相对比较灵活。有机小分子发光材料种类繁多,它们多带有共轭杂环及各种生色团,结构易于调整,通过引入烯键、苯环等不饱和基团及各种生色团来改变其共轭长度,从而使化合物光电性质发生变化。但是小分子发光材料在固态下易发生荧光猝灭现象,一般掺杂方法制成的器件又容易聚集结晶,器件寿命下降。因此众多的科研工作者一方面致力于小分子的研究,另一方面寻找
3、性能更好的发光材料,高分子发光材料就应运而生了。光致发光高分子材料 光致发光(Photoluminescence,简称 PL)是冷发光的一种,指物质吸收光子(或电磁波)后重新辐射出光子(或电磁波)的过程。从量子力学理论上,这一过程可以描述为物质吸收光子跃迁到较高能级的激发态后返回低能态,同时放出光子的过程。光直接照射到材料上,被材料吸收并将多余能量传递给材料,这个过程叫做光激发。这些多余的能量可以通过发光的形式消耗掉。由于光激发而发光的过程叫做光致发光。光致发光高分子材料的定义l 光致发光高分子材料是将荧光物质(芳香稠环、电荷转移络合物或金属)引入高分子骨架的功能高分子材料。当分子中的一个电子
4、吸收光能量被激发时,通常它的自旋不变,则激发态是单重态如果激发过程中电子发生自旋反转,则激发态为三重态三重态的能量常常较单重态低当有机分子在光能(光子)激发下被激发到激发单重态(S),经振动能级驰豫到最低激发单重态(S1),最后由S1回到基态S0,此时产生荧光,或者经由最低激发三重态(T1),(S1-T1),最后产生T1-S0的电子跃迁,此时辐射出磷光光致发光高分子材料原理 有机物的发光是分子从激发态回到基态产生的辐射跃迁现象获得有机分子发光的途径很多,光致发光中大多数有机物具有偶数电子,基态时电子成对的存在于各分子轨道根据泡利不相容原理,同一轨道上的两个电子自旋相反,所以分子中总的电子自旋为
5、零,这个分子所处的电子能态称为单重态(2s+1=0)电致发光高分子材料 电致发光(electroluminescent),又可称电场发光,简称EL,是通过加在两电极的电压产生电场,被电场激发的电子碰击发光中心,而引致电子解级的跃进、变化、复合导致发光的一种物理现象。电致发光物料的例子包括掺杂了铜和银的硫化锌和蓝色钻石。目前电致发光的研究方向主要为有机材料的应用。电致发光高分子材料定义 PLED(polymer light-emitting diode的缩写),即第二种有机发光材料为高分子聚合物,也称为高分子发光二极管(PLED),由英国剑桥大学的杰里米伯勒德及其同事首先发现。聚合物大多由小的有
6、机分子以链状方式结合在一起,以旋涂法形成高分子有机发光二极管。电致发光高分子材料发光原理 电致发光是通过正负电极向发光层的最高占有轨道(HOMO)和最低空轨道(LUMO)分别注入空穴和电子,这些在电极附近生成的空间电荷相对迁移,在发光层内,电子和空穴相遇复合,形成激子,激子经过辐射衰变而发射可见光,或者激发活性层中其他发射体分子而发光。二、发光材料的分类按激发方式可分为:1、光致发光材料 2、电致发光材料3、阴极射线发光材料 4、化学发光材料 5、热致发光材料 阴极射线发光材料发光原理:电子束激发发光材料引起的发光。射线轰击矿物可发出可见光 化学发光材料 热致发光材料 受激发后的发光体在停止发
7、光后,对其加热升温,又继续发光并逐渐加强的材料叫热致发光材料。但热能不是用来激发发光,而是释放光能的。光致发光材料根据光致变色化合物或基团可分为6大类1、甲亚胺结构型:主链含邻羟基苯亚甲胺基团的高分子具有光致变色功能,光致变色机理是在光照下甲亚氨基邻位羟基上氢发生分子内迁移,使顺式烯醇变为反式酮,导致吸收光谱变化。2、硫卡巴腙结构型:由对(甲基丙烯酰氨基)苯基二硫腙络合物与苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯或丙烯酰胺的共聚物制备的光致变色高分子,在光照下可变色。3、偶氮苯型 在高分子主链或侧链引入偶氮苯,可制备光致变色高分子材料,光致变色机理由偶氮苯的顺反异构引起,偶氮苯在光照下可从反式转为顺
8、式,顺式是不稳定的,在暗条件下回复到反式。4、聚联吡啶型 在光照下发生氧化-还原反应而变色。5、噻嗪结构型 噻嗪是含硫和氮杂原子的杂环化合物,光致变色机理是通过氧化-还原反应,其氧化态是有色的,还原态是无色的。6、螺结构型 螺苯并吡喃和螺噁嗪具有光致变色功能螺苯吡喃和甲基丙烯酸甲酯共聚或接枝到高分子侧链上可制备此类光致变色高分子材料。电致发光材料电致发光高分子材料大体分为以下几类1、芴类电致发光材料(芴的均聚物、共聚物)在众多的聚合物电致发光材料中,聚烷基芴及其衍生物由于具有较高的荧光效率、较好的光热稳定性、发射光谱可以覆盖整个可见光区等优点,成为近来研究和开发的重点。聚芴芴均聚物2、芴的纳米
9、晶或纳米乳液类电致发光芴的纳米晶或纳米乳液类电致发光材料材料3 3、PPVPPV类电致发光材料类电致发光材料 从结构上可分为含氟的PPV衍生物、含氰基的PPV衍生物、含噻吩的PPV衍生物、含吡啶的PPV衍生物、含噁二唑的PPV衍生物、含萘的PPV衍生物、含芴的PPV衍生物、侧链含C60的PPV衍生物、以及含磷的PPV衍生物等4、聚噻吩类(PTsPTs)电致发光材料 在电致发光领域,PT自1991年被Ohmori首次发现电致发光性质以来,经过10多年的发展,PT是仅次于PPV的高分子材料5、聚苯类(PPPsPPPs)电致发光材料发光材料的特点夜明设施荧光灯高清显示设备夜明设施(长余辉材料)长余辉
10、发光材料是一种性能优良,无需任何电源就自行行发光的材料。长余辉发光材料是吸收光能后进行蓄光而后发光的物质。白天利用太阳光能蓄光,夜晚发光这一特点,使其在发光的钟表、轮船、飞机的仪表盘,道路照明,建筑标志物等的应用上有着诱人的前景,是一种绝好的“绿色”光源。在光线较暗的场所、黑夜或者突然照明断电的时候,这种材料能起到应急显示、安全照明的作用。没有放射性、安全可靠、结构稳定。荧光灯(日光灯、节能灯)荧光灯用荧光粉对于灯用荧光粉的要求就是能强烈吸收254nm的辐射 线,并能高效的转化这些被它吸收的辐射能。20世纪50年代以后的荧光灯大都采用卤磷酸钙,俗称卤粉。卤粉价格便宜,但发光效率不够高,热稳定性
11、差,光衰较大,光通维持率低,因此,它不适用于细管径紧凑型荧光灯中。我们目前使用较多的荧光灯采用低压汞蒸气发射254nm紫外光作为激发光源。这类荧光材料由于技术成熟,量子效率可以接近100%,能量转换效率可以接近50%。但是汞有毒,容易对环境和人们身体健康造成危害。出于环保考虑,新兴的无汞荧光灯选用惰性气体放电发光来代替汞蒸汽激发荧光粉,主要采用在惰性气体中能量转化效率最高的Xe气。高清显示设备 复杂的制备工艺复杂的制备工艺低发光效率低发光效率不能大面积不能大面积平板显示平板显示 发光颜色不易调节发光颜色不易调节 较难实现全色发光,尤其是蓝较难实现全色发光,尤其是蓝光光存在的问题无机半导体无机半
12、导体 有机有机 EL 器件特别是高分子器件特别是高分子EL 器件体现了下一代器件体现了下一代高清显示设备的主要特点,在彩色平板显示领域高清显示设备的主要特点,在彩色平板显示领域显示了强大的竞争力。显示了强大的竞争力。低压直流驱动低压直流驱动:驱动电压小于 10V,省电亮度高亮度高:最大亮度超过14万cd/m2,而CRT最大亮度为150 cd/m2,LCD最大亮度约为500 cd/m2响应速度快响应速度快:10-8s,响应时间比 LCD 显示屏快 1 万倍,这个速度更适合数字设备支持视频节目超薄超薄:厚度仅为 LCD 的1/10其他其他:视角宽、全固化、对比度高、主动发光、工作温度范围宽、可实现
13、软屏显示,等等n多年来,研究人员对有机小分子电致发光性能开发多年来,研究人员对有机小分子电致发光性能开发作了大量的尝试并取得了巨大的成就。例如,作了大量的尝试并取得了巨大的成就。例如,2005 2005 年,韩国三星公司在国际数据显示博览会年,韩国三星公司在国际数据显示博览会(IMID)(IMID)上,上,推出了推出了 40 40 英寸英寸 OLEDOLED电视机电视机,具,具1280 x800 1280 x800 的分辨的分辨率率,最大亮度最大亮度 600nit600nit,对比度对比度 5000:15000:1。n但是,有机小分子发光材料普遍存在但是,有机小分子发光材料普遍存在容易结晶容易
14、结晶和和界界面分相面分相等问题,等问题,降低降低了器件的了器件的寿命寿命,加上器件制作,加上器件制作主要采用主要采用真空蒸镀方式真空蒸镀方式,不仅,不仅成本高成本高,工艺相对复工艺相对复杂杂,同时也给实现,同时也给实现大面积显示大面积显示带来了一定的带来了一定的困难困难。相比于有机小分子发光材料,聚合物发光相比于有机小分子发光材料,聚合物发光材料具有如下优势:材料具有如下优势:具有良好的机械加工性,其玻璃化温度高,不易结晶具有良好的机械加工性,其玻璃化温度高,不易结晶,器件制作简单,器件制作简单可采用旋涂、喷墨打印等简单方式成膜,很容易实现可采用旋涂、喷墨打印等简单方式成膜,很容易实现大面积显
15、示大面积显示通过选择不同的聚合物,或通过改变共轭长度、更换通过选择不同的聚合物,或通过改变共轭长度、更换取代基、调整主、侧链结构及组成等多种途径得到包取代基、调整主、侧链结构及组成等多种途径得到包括红、绿、蓝三基色的各种颜色的发光括红、绿、蓝三基色的各种颜色的发光利用聚合物的绕曲性,可在柔韧的衬利用聚合物的绕曲性,可在柔韧的衬底上制作可折叠的显示器底上制作可折叠的显示器因此,聚合物发光材料被认为是制备质因此,聚合物发光材料被认为是制备质轻、成本低、可折叠卷曲的柔性显示器轻、成本低、可折叠卷曲的柔性显示器的首选材料。的首选材料。四、发光材料的用途光致发光材料光致发光材料的应用 光致发光材料的应用
16、较为普遍。光致发光粉是制作发光油墨、发光涂料、发光塑料、发光印花浆的理想材料。发光油墨不但适用于网印各种发光效果的图案文字,如标牌、玩具、字画、玻璃画、不干胶等,而且因其具有透明度高、成膜性好、涂层薄等特点,可在各类浮雕、圆雕(佛像、瓷像、石膏像、唐三彩)、高分子画、灯饰等工艺品上喷涂或网印,在不影响其原有的饰彩或线条的前提下大大提高其附加值。发光油墨的颜色有:透明、红、蓝、绿、黄等。稀土光致发光高分子材料 主要用于各类不同用途的光源,如照明、复印机光源、光化学光源等。其中三基色荧光粉(由辐射红、绿、蓝色光的三种稀土的荧光粉按一定比例混合而成)制成的节能灯,由于光效高于白炽灯二倍以上,光色好,
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