Một số vật liệu quang học đặc biệt

MỘT SỐ VẬT LiỆU QUANG HỌC ĐẶC BiỆT HVTH : La Phan Phương Hạ Một số vật liệu quang học đặc biệt 1. Thấu kính điện tử tinh thể lỏng ( Liquid Crystal Electronic Lens ) 2. OLEDs 3. Tinh thể khúc xạ quang ( Photorefractive Crystals ) 4. Vật liệu quang tinh thể 1. Thấu kính điện tử tinh thể lỏng  Dựa trên sự tái sắp xếp của các phân tử tinh thể lỏng dưới tác dụng của điện thế áp vào  dễ dàng điều chỉnh độ dài hội tụ.  Được ứng dụng nhiều trong các thiết bị quang điện.  Phân loại : - Curved cell gap - Planar cell gap - Spherical electrode within a planar substrate - Khi chưa áp điện thế : fo = R/( no – ng ) fe = R/(ne – ng ) ng : chiết suất thủy tinh ne, no : chiết suất tia bất thường và tia thường bên trong vật liệu LC R : bán kính của thấu kính cong - Khi áp điện thế : Tia bất thường có chiết suất hiệu dụng neff feff = R/( neff – ng ) Khi V = 0 : neff cân bằng với ne Khi V  ∞ : neff no Độ dài hội tụ có giá trị trong khoảng fe và fo tùy thuộc V Thấu kính điện tử tinh thể lỏng Curved cell gap x0 : khoảng cách khẩu độ cực đại neff : chiết suất hiệu dụng Độ dài hội tụ của thấu kính : Thấu kính điện tử tinh thể lỏng Planar cell gap Vì no < neff < ne dLC : độ dày lớp LC εLC, εg, εm : hằng số điện môi của lớp LC, lớp đế thủy tinh, lớp vật liệu lắp đầy. Thấu kính điện tử tinh thể lỏng Spherical electrode within a planar substrate Điện trường tại biên và tại tâm bên trong lớp VL lắp đầy Độ dài hội tụ : So sánh 2 vật liệu lắp đầy là polymer NOA 81 ( εm~5 ) và không khí ( εm~1 ). Các thông số cụ thể : Δε= 16.4, εLC= 10.7, Δn= 0.272 dLC= 0.025 mm; dg= 0.55 mm, εg = 7.75 ds= 0.72 mm Lớp lắp đầy là polymer NOA 81 : Lớp lắp dầy là không khí : Thấu kính điện tử tinh thể lỏng Spherical electrode within a planar substrate Thấu kính điện tử tinh thể lỏng Spherical electrode within a planar substrate 2. OLEDs ►Có cấu trúc gồm lớp vật liệu có chức năng cung cấp điện tử - tương đương bán dẫn vô cơ loại N và lớp vật liệu giàu lỗ trống – đóng vai trò như bán dẫn vô cơ loại P. ► Sử dụng các hợp chất hữu cơ làm môi trường phát quang. Chất hữu cơ và polymer dẫn điện - Poly[2-methoxy-5(2- ethylhexyloxy)- 1,4-phenylenevinylene] (MEH- PPV) - Poly-para-phenylenevinylene (PPV) 2. OLEDs Chất hữu cơ và polymer dẫn điện Polymer dẫn điện theo cơ chế hoping, các điện tử dịch chuyển từ chuỗi mạch này sang chuỗi mạch khác theo các quá trình : Truyền dẫn điện tử nội phân tử polymer ( intramobility ) Truyền dẫn điện tử giữa các phân tử ( intermobility ) Truyền dẫn điện tử giữa các sợi của vật liệu polymer ( inter-fiber mobility of a charge carrier ) 2. OLEDs Chất hữu cơ và polymer dẫn điện Polymer có độ dẫn điện cao thỏa : - Độ kết tinh trong mạch polymer cao - Độ định hướng tốt - Không có khuyết tật trong quá trình chế tạo Ưu điểm : - Có tính chất quang, điện đặc biệt. - Có khả năng đàn hồi tốt, có thể uốn dẻo, khả năng tạo màu sắc trung thực cao. - Dễ dàng kết hợp với các chất hóa học khác để tạo hợp chất mới Nhược điểm : - Dễ bị oxi hóa - Khó kiểm soát độ dày trong quá trình chế tạo - Độ dẫn điện vẫn còn thấp  pha tạp 2. OLEDs 2. OLEDs Cấu trúc đơn lớp Anốt : vật liệu TCO ( ITO, AZO,) Catốt : kim loại công thoát cao Nhược điểm : -Khó khăn trong việc chọn vật liệu cho lớp phát quang. -Sự không cân bằng hạt tải  sự tích tụ hạt tải gần các điện cực  vùng điện tích không gian  cản trở quá trình phun điện tích vào lớp vật liệu hữu cơ. 2. OLEDs Cấu trúc đa lớp 2. OLEDs Cấu trúc đa lớp Điện cực anốt : cung cấp hạt tải lỗ trống cho OLEDs  Khả năng dẫn điện tốt và độ trong suốt cao ( ITO, AZO)  Đảm bảo tốt sự phun lỗ trống vào lớp vật liệu hữu cơ Có công thoát cao  Có độ ổn định theo thời gian, bền với nhiệt độ, kết dính với các vật liệu hữu cơ khác phủ lên nó. Vật liệu ITO thường được sử dụng làm anốt Vật liệu ITO thường được sử dụng làm anốt ( công thoát : 4,5 – 4,8 eV ) Hạn chế : điện trở suất khá cao ( 2.10-4 Ω/cm, bề mặt ITO dễ pư hóa học, sự mờ dần của ITO trên đế thủy tinh  hạn chế quá trình phun lỗ trống, giảm cường độ ás phát ra  giảm hiệu suất hoạt động OLED => OLED phát xạ đảo ( ás phát ra từ anốt ở mặt trên, catốt phủ trên đế thủy tinh.) OLED phát xạ đảo Cấu trúc đa lớp 2. OLEDs Anốt 2. OLEDs Cấu trúc đa lớp Lớp phun và truyền lỗ trống -Tăng cường quá trình cung cấp hạt tải lỗ trống vào lớp vật liệu hữu cơ  giảm điện thế hoạt động và kéo dài thời gian sống của linh kiện. -Góp phần nâng cao sự cân bằng lượng hạt tải trong vùng phát  tăng hiệu suất phát quang. -Có sự phù hợp về mức NL đối với anốt và lớp phát quang -Có nhiệt độ chuyển pha thủy tinh thích hợp. -Vật liệu phun lỗ trống : phức kim loại, SiO2, TiO2 -Vật liệu truyền lỗ trống : Triarylamines ( TPD, NPD), Triphenylmethanes MPMP Sơ đồ NL cấu trúc ITO/CuPC/-NPD 2. OLEDs Cấu trúc đa lớp Lớp vật liệu phát quang -Nơi xảy ra quá trình tái hợp và phát quang. -Có độ linh động hạt tải cao, độ dày thích hợp để đảm bảo sự phát quang không bị dập tắt. -Phải ổn định với nhiệt độ và các tác nhân hóa học. PPV : phát ás xanh lá cây MEHPPV : phát ás da cam Dẫn xuất của PFO : phát ás đỏ Các polymer dẫn Vật liệu phân tử nhỏ 2. OLEDs Cấu trúc đa lớp Lớp truyền điện tử :  Tăng cường quá trình truyền dẫn điện tử  Đảm bảo sự cân bằng hạt tải  Phải ổn định với nhiệt độ và các tác nhân hóa học Vật liệu phổ biến : vật liệu phân tử nhỏ -Phức hữu cơ kim loại ( Alq3 , Gaq3, Inq3 ) -Các hợp chất chứa liên kết N=C Điện cực catốt : Có độ phản xạ cao ( OLED thường ) và độ truyền qua cao ( OLED đảo ) Vật liệu có công thoát thấp ( Mg, Ca, Al, Ba) Hạn chế : các vật liệu này dễ bị oxi hóa  giảm khả năng hoạt động và tuổi thọ linh kiện.  Khắc phục : phủ lớp Al mỏng lên bề mặt catốt hay sử dụng hợp kim Mg-Ag, Li-Al, OLED tiên tiến và OLED trắng OLED trong suốt, OLED phát xạ bề mặt, OLED thường. OLED tiên tiến và OLED trắng OLED phát ás trắng với các OLED nhỏ xếp sát nhau và OLED phát ás trắng với các lớp phát quang xếp chồng lên nhau. 3. Vật liệu khúc xạ quang - Chiết suất vật liệu thay đổi khi ánh sáng chiếu vào ( hiệu ứng quang phi tuyến ) Một số loại vật liệu khúc xạ quang : LiNbO3, BaTiO3, Fe:LiNbO3 (Lithium Niobate) 3. Vật liệu khúc xạ quang 4. Vật liệu quang tinh thể ►Halides , CaF2 ►Sapphire Halides , CaF2 ►Halides : CaF2 , MgF2 , NaCl Sapphire Trong công nghiệp bán dẫn, sapphire được dùng phổ biến để làm đế cho GaN trong sản xuất LEDs phát xạ xanh