Quang học ứng dụng - Một số vật liệu quang học đặc biệt

MỘT SỐ VẬT LiỆU
MỘT SỐ VẬT LiỆU
QUANG HỌC ĐẶC BiỆT
QUANG HỌC ĐẶC BiỆT
HVTH : La Phan Phương Hạ
HVTH : La Phan Phương Hạ
►
Dịch tiếng anh chuyên nghành trực tuyến:
/>n_nghanh.html
►
Học liệu mở:
/>Một số vật liệu quang học đặc biệt
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.
4.
Vật liệu quang tinh thể
Vật liệu quang tinh thể
1. Thấu kính điện tử tinh thể lỏng
1. Thấu kính điện tử tinh thể lỏng

Dựa trên sự tái sắp xếp của các phân 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
dưới tác dụng của điện thế áp vào


dễ dàng điều chỉnh

dễ dàng điều chỉnh
độ dài hội tụ.
độ dài hội tụ.

Được ứng dụng nhiều trong các thiết bị quang điện.
Được ứng dụng nhiều trong các thiết bị quang điện.

Phân loại :
Phân loại :
-
Curved cell gap
Curved cell gap
-
Planar cell gap
Planar cell gap
-
Spherical electrode within a planar substrate
Spherical electrode within a planar substrate
- Khi chưa áp điện thế :
f
o
= R/( n
o
– n
g
)
f
e
= R/(n
e

– n
g
)
n
g
: chiết suất thủy tinh
n
e
, n
o
: 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 n
eff

f
eff
= R/( n
eff
– n
g
)
Khi V = 0 : n
eff
cân bằng với n

e

Khi V  ∞ : n
eff
 n
o
 Độ dài hội tụ có giá trị trong khoảng f
e

và f
o
tùy thuộc V
Thấu kính điện tử tinh thể lỏng
Thấu kính điện tử tinh thể lỏng
Curved cell gap
Curved cell gap
x
0
: khoảng cách khẩu độ cực đại
n
eff
: chiết suất hiệu dụng
Độ dài hội tụ của thấu kính :
Thấu kính điện tử tinh thể lỏng
Thấu kính điện tử tinh thể lỏng
Planar cell gap
Planar cell gap
Vì n
o
< n

eff
< n
e

d
LC
: độ dày lớp LC
ε
LC
, ε
g
, ε
m
: hằng số điện môi của
lớp LC, lớp đế thủy tinh, lớp vật
liệu lắp đầy.
Thấu kính điện tử tinh thể lỏng
Thấu kính điện tử tinh thể lỏng
Spherical electrode within a planar substrate
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 ( ε
m
~5 ) và không khí ( ε
m
~1 ). Các
thông số cụ thể : Δε= 16.4, ε

LC
= 10.7, Δ
n
= 0.272
d
LC
= 0.025 mm; d
g
= 0.55 mm, ε
g
= 7.75
d
s
= 0.72 mm
Lớp lắp đầy là polymer
NOA 81 :
Lớp lắp dầy là không khí :
Thấu kính điện tử tinh thể lỏng
Thấu kính điện tử tinh thể lỏng
Spherical electrode within a planar substrate
Spherical electrode within a planar substrate
Thấu kính điện tử tinh thể lỏng
Thấu kính điện tử tinh thể lỏng
Spherical
Spherical
electrode
electrode
within a planar
within a planar
substrate

substrate
2. OLEDs
2. OLEDs
►
Có cấu trúc gồm lớp vật liệu có chức năng cung cấp
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
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
liệu giàu lỗ trống – đóng vai trò như bán dẫn vô cơ loại
P.
P.
►
Sử dụng các hợp chất hữu cơ làm môi trường phát
Sử dụng các hợp chất hữu cơ làm môi trường phát
quang.
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
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
2. OLEDs
Chất hữu cơ và polymer dẫn điện
Polymer có độ dẫn điện cao thỏa :
Polymer có độ dẫn điện cao thỏa :
-
Độ kết tinh trong mạch polymer cao
Độ kết tinh trong mạch polymer cao
-
Độ định hướng tốt
Độ định hướng tốt
-
Không có khuyết tật trong quá trình chế tạo
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
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,
SiO
2
, TiO
2
…
-
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 ( Alq

3
, Gaq
3
, Inq
3
)
-
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 tiên tiến và OLED trắng
OLED trong suốt, OLED phát xạ bề
mặt, OLED thường.
OLED tiên tiến và OLED trắng
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
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 : LiNbO
Một số loại vật liệu khúc xạ quang : LiNbO
3
3
, BaTiO
, BaTiO
3
3
,
,
Fe:LiNbO
Fe:LiNbO
3
3
(Lithium Niobate)
(Lithium Niobate)


…
…
3. Vật liệu khúc xạ quang
3. Vật liệu khúc xạ quang
4. Vật liệu quang tinh thể
4. Vật liệu quang tinh thể
►
Halides , CaF

Halides , CaF
2
2
►
Sapphire
Sapphire