当前课程知识点:材料学概论 > 第3讲 材料就在元素周期表中(二) > 3.2 从轨道能级到能带——绝缘体、导体和半导体 > 3.2.2 化合物半导体和荧光体材料
最后一节的内容
就是化合物半导体
和荧光体材料
化合物半导体 荧光体材料
在目前来讲
用的是太多了
化合物半导体
发光二极管
白色发光二极管
它不就是黄光荧光体材
就是元素半导体
和化合物半导体
化合物半导体的组成和特长
这里面来讲
四四族半导体 三五族半导体
二六族半导体 一三六族
一二四六族半导体
都是化合物半导体
最后一个问题
讲荧光体材料重现光辉
同一类材料会渗透到
高新技术的各个领域
按我们标题所说的
除了元素半导体以外
元素半导体
我们刚才讲了
碳硅锗可以组成元素半导体
我们还有一类半导体
是化合物半导体
化合物半导体
可以是三五族
可以是二六族的
刚才讲了
一二四六族的等等
三五族的 二六族的
这些特点什么
他都要把它的核外电子
配成八个
四四族也是这样
四族也是这样
四四族的是哪些
硅锗半导体
硅锗组成金属键化合物
现在也是开发的重点
我们在组成
化合物半导体的时候
注意金刚石
是金刚石结构
我们三五族和二六族的
分别可以组成
闪锌矿的结构和铅锌矿的结构
闪锌矿结构注意
白的大原子是硫
小的大原子是锌
白的原子
是占据四面体间隙
占据小原子面心立方
点阵的那个四面体间隙
不过占了一半而已
铅锌矿
是黑的原子组成密排六方的
白原子占据了密排六方的
四面体间隙位置
不过占了一半而已
它也占了一半
它也占了一半
我们看看B闪锌矿
跟金刚石
在某种意义上
有相同之处
为什么相同之处
如果把白的也按黑的看
那么闪锌矿
就跟金刚石是完全一样的
注意
这是典型的两种化合物
一种是三五族的
一个是二六族的
这个是金刚石
金刚石结构当中
也有黑的白的两种
就可以组成四四族的了
硅锗化合物半导体这些都是
金属键化合物半导体
都是这些金属键结构
注意现在无论是
闪锌矿和铅锌矿
白的(原子)
可以取三族
黑的这边可以取五族的
对于铅锌矿来讲
白的可以取二族的
黑的可以取六族的
注意这个组成三五族化合物
这个组成四六族化合物
金刚石是四族化合物
或者四四族化合物
这都可以的
我们组成化合物半导体以后
它可以有什么特点
就是说我白的(原子)
可以在三族里面选
三族硼铝镓铟铊
黑的可以按五族里面选
五族是什么
氮磷砷锑铋是不是
碳硅锗锡铅是四族的
这边
硼铝镓铟铊是三族的
氮磷砷锑铋是什么
五族的
四族 三族 五族
注意三五族化合物
我白的
可以在这上边任意选
五族这边
我也可以在氮磷砷锑铋当中
任意选
这样就组成了
很多很多类型的化合物
同样二六族也是这样
它可以任意选
它可以任意选
这样
组成了大量的三五族化合物
和二六族化合物
我为什么要任意选
为什么要任意选
我们看看
而且三族
我可以选两种或者三种
五族
也可以选两种三种
你们看
这种是镓锂砷
锂铟镓磷
注意还有是铟镓氮
铟镓氮等等这些
你看拿铟镓氮来说
那就是说铟镓都是什么
三族的
氮是五族的
那么我就是说
选择三族的元素配起来
根据它的多少不一样
五族的配起来多少不一样
当然这俩加起来都是一比一的
总的一比一的
我可以这样看
镓X 铝1-X 砷
你前边是镓跟铝配成一个
砷配成一个
组成三五族化合物
调整三五族的元素
就是()
还有调整它的组成()
就可以改变这种半导体的
禁带宽度
禁带宽度
都在可见光范围之内
我可以红橙黄绿青蓝紫
我调整它
我们知道可见光是
380纳米到780纳米
我取这种材料
镓锂砷它的发光波长是660度
它就在红光范围之内
如果是铝铟镓锂
它就在黄光范围之内
它的波长是610到650
蓝光是什么
蓝光是铟镓氮
氮化镓铟
那么它的波长正好是什么
450到470 蓝光
最近2014年
日本三个物理学家
得到那个诺贝尔奖金的
不就是发蓝光二极管
它就是用的化合物半导体
化合物半导体
通过调整它的组元
通过调整它的成分
就可以改变它的禁带宽度
从而改变它的发光颜色
那么这就是我要讲的目的
你看这是二元的
我关心的是
在可见光范围之内
我可见光范围之内
它有什么特点
我在元素周期表当中
越往上走
它的禁带宽度越宽
发的光怎么样
在短波当中移动
五族也是这样
越往上走
它的禁带宽度越宽
它对应的发光的波长怎么样
波长越短
实际上你金刚石
锗和 硅和锗
金刚石 硅和锗也是这个特点
越往上走 禁带宽度越宽
越往上走 禁带宽度越宽
禁带宽度越宽
我刚才讲了
碳的禁带宽度
不是4到5个电子伏
你硅到1.2个电子伏
你到锗
0.6 0.7个电子伏
它也是规律
越往上走
因为它键长越来越短
键长越来越短
它禁带宽度是越来越宽
我通过这个规律
我调整元素的时候
三族调 五族调
我三族越往上走
禁带宽度越宽
越往上走
禁带宽度越宽
你看就看的出来
可以看得出来
你看
越往上走
无论是三族的也好
四族的也好
越往上走
它禁带宽度怎么样
越宽
它的发光的波长
越在短波长方面移动
我们传统的家里面的摇控器
都是砷化镓的
都是红外的
红外线
你看在1000纳米左右
你如果砷化镓
变成砷化铝
硼铝镓铟铊铝在上面
好了 它到红光范围当中去了
都是这个道理
这样
就为我们选择发光的波长
提供了很好的条件
特别是三五族
二六族化合物半导体
它大部分属于直接跃迁型的
他直接在波矢
跟能量的坐标图当中
直上直下的下来
它没有热损失
它的发光效率非常高
你如果用单质的半导体
用锗 硅 碳这些
它是间接跃迁的
间接跃迁发光的效率非常低
而且发光的波长不可调
它又非常低
像一个鬼火一样
根本就没有用
所以必须得有化合物半导体
化合物半导体
它的波长可以调整
这是形成化合物半导体的
研究半导体
日本人得诺贝尔奖金
一个重要的理论
我们搞材料的人
为什么也要关注这些东西
因为化合物半导体
它的结构
不同的材料的组合
有不同的结构
这些结构
它是个跟它的禁带宽度
跟它的直接跃迁
间接跃迁有直接的关系
我们必须用晶体学角度
来研究它
才能透彻的研究
这是我们搞材料的人
研究晶体结构的原因
你看尽管我们绕了一个大圈子
还是从元素周期表
来研究问题
所以我这一章
就是材料就在元素周期表当中
我讲这个道理
三族 五族 往上走 往下走
调整它的禁带宽度
这不都是元素周期表
当中的问题
但是我们中学里边或者是
可能大学物理里边
它不会深入到材料
深入到领域当中去
我们搞材料的人
对这些知识必须有所了解
好 下边一个问题
我们就讲讲荧光材料的用途
我们讲目的是什么
就是同一类材料会渗透到
高新技术的各个领域
我们常用的荧光材料
常用的荧光材料
比方家里用的CR电视
尽管它淘汰了
我们必须得了解它
它是怎么发光的
它一定是后边有个电子枪
用一个灯丝加热电子
发出来的电子以后是三枪的
红绿蓝三枪
打在荧光体上
打在荧光体上
使荧光发光
我们现在我们家里日光灯
用的日光灯是怎么发光的
知道吗
日光灯是怎么发光的
它里面有汞蒸汽
通过放电
产生等离子体
等离子体
这汞蒸汽产生紫外线
紫外线
245纳米的紫外线
紫外线照射荧光体
使荧光体发光
我们家里边用的
日光灯
是三波长的
红绿蓝三波长的配上
有的色温度高一点
有的色温度低一点
有的冷一点 有的暖一点
这都是
大家伙都是常识
PDP
等离子电视是什么
怎么发光的
它也是在放电包里边
充上好多惰性气体
使它产生紫外线
紫外线是氖 氙
氖 氙这些
稀有气体它产生气体放电
气体放电
产生紫外线
有一种紫外线是147纳米的
147纳米照射
红绿蓝荧光体
使荧光体产生发光
我刚才讲了三种例子
一种例子是CRT电视
一种例子是平常用的日光灯
还有一种是PDP电视
我们看看这荧光体发光
这三者发光有两大类
分哪两大类
一大类是电子激光发光
一种是光激发发光
我这张图当中
你仔细看
六到七之间
我有一个双线
注意六到七有一个双线
那么意思是什么
双线上面的是电子束
激发荧光体发光
电子束下边
双线下边
是什么
是光线激发荧光体发光
你看下边
荧光灯紫外线
PDP紫外线
白光LED也是蓝光
白光LED是近紫外蓝光
什么复印用灯
荧光水银灯
X射线增感器
固体激光
都是用光激发来产生什么
产生光
光激发发光
上边
彩色电视机也好
什么电子显微镜也好
什么荧光管显示器也好
什么无机EL也好
场发射显示器也好
这些都是电子束激发发光的
这两者的区别
当然里边的核心
就是荧光体
这些荧光体大家伙看
它是个什么东西
它是一种盐
注意广义上讲是一种盐
盐当中加了荧光元素
活性中心
我们仔细看这些荧光元素
活性中心
大部分是稀土元素
你们看
铀 三价的铀 二价的铀
还有铽这些元素大部分是
这些稀土元素
在不同的材料当中
它发出来的光是不一样的
波长会有点变动
这为什么
因为它在不同的晶体当中
受晶体的约束作用
或者相互作用
它能级
会有稍微的有点移动
这样
它发出来的光的波长就会有
少许的变动
因为我们需要的什么
我们就是需要这种稀土元素
它能级排列
特别是外层力
能级的排列
它离的非常近
离的非常近
而且它的发光颜色
都在可见光范围之内
我们用的就是稀土元素
由于它的轨道发生了错排
电子轨道发生错排
致使它的能级离的非常近
由于它的离得非常近
因此
它的发光的波长
都在可见光范围
红橙黄绿青蓝紫
我们正好利用了它这一点
而且它还可以调
这里边
有什么氯酸盐 什么硅酸盐
什么硫化物 氮化物
都是荧光体材料
那么荧光体材料
现在也是一个
因为用的多
那么两大类
一大类是电子激发发光的
一大类是光线激发发光的
特别是光线激发发光的
发光二极管里边
有大量的应用
将来你比方说照明电灯
LED固体照明
荧光体就用很多
你现在用的荧光体什么的
蓝光的 激发黄光的
蓝跟黄配起来是白光的
如果将来真正大批量用
因为现在蓝光加黄光
色温度什么这些显色性什么
都不太满意
将来
要用近紫外的
激发红绿蓝的荧光体发光
那么产生色温度
人可以接受的
发光效率也非常高的
这是所以对荧光体的开发
也是材料工作者的
一个重要的内容
我这里边讲意思是什么
同一类材料会渗透到
高新技术的各个领域
我列了总结了14种
这14种都是荧光材料的应用
你看它应用非常广泛
过去就是荧光灯
荧光灯
三波长的日光灯
那么现在
你看看各种领域当中
而且是高新技术的
重要的组成部分
好 我这节课
就讲到这儿
我的意思是这么个意思
讲这个题目
就是材料就在元素周期表当中
我不是讲的元素
就在周期表当中
元素在周期表当中
是一句废话
本来是元素周期表
我现在题目叫做
材料就在元素周期表当中
我讲课的思路是这么个思路
就讲首先介绍一下元素周期表
元素的分类
讲核外电子的排布
有哪些规律性
然后讲元素它的性质
比如说电负性
原子半径 离子半径 电离能
电子亲和能
它有什么关系
跟周期性有什么关系
讲完了以后
讲键合
键合起码是跟电负性有关系
讲了键合以后
就讲到固体了
固体里边
比如钢铁
跟你元素周期表有关系
它是一个同素异构转变
有同素异构转变
跟无特殊同素异构转变的
它就不一样
讲完了以后
就是单项 多项 加工
再结晶等等这些
然后
就是固体的能带
能带是怎么形成的
能带是怎么形成的
用能带解释一些
比如说导热性 导电性
然后讲绝缘体 导体 半导体
讲完了绝缘体 半导体以后
讲化合物半导体
化合物半导体
有三五族到二六族的
这是跟元素周期表有关系的
讲完了以后
就讲荧光体
就是同一种材料
它能在高新技术当中
各个领域应用
那么荧光体里边
重要的是他们的发光中心
发光中心
大部分是稀土材料
稀土材料
我们关心它
发出来的光正好是可见光
可见光
组成各种各样的功能材料
荧光材料
那么这些东西
对我们搞材料的人来讲
应该说是比较新的
新在什么地方
我们必须用材料科学与工程
那个四面体那个角度
成分 组织结构
合成加工和它的性能
用这种东西
研究新的材料
所以这里边大有文章可做
-1.1 材料的定义和分类,选择材料的标准
-1.1 材料的定义和分类,选择材料的标准--作业
-1.2 材料的作用
--1.2.7 “制造材料者制造技术”,材料可以“以不变应万变”
-1.2 材料的作用--作业
-1.3 材料科学与工程四面体
-1.3 材料科学与工程四面体--作业
-1.4 材料与创新
--1.4.2 “9.11事件”世贸大厦垮塌和“3.11大地震”福岛核事故都涉 及材料
-1.4 材料与创新--作业
-本讲作业--作业
-2.1 元素在周期表中的位置决定于其核外电子排布
--2.1.3 原子的核外电子排布(1)——量子数和电子轨道
--2.1.4 原子的核外电子排布(2)——电子排布的三个准则
-2.1 元素在周期表中的位置决定于其核外电子排布--作业
-2.2 元素周期表反映元素的规律性
--2.2.1 核外电子排布的应用(1)——碳的sp3、sp2、sp杂化
--2.2.2 核外电子排布的应用(2)——四面体键的奇妙之处
--2.2.3 核外电子排布的应用(3)——电子授受及元素氧化数变化
--2.2.4 核外电子排布的应用(4)——过渡族元素和难熔金属
-2.2 元素周期表反映元素的规律性--作业
-2.3 过渡族元素、稀土元素和镧系元素
-2.3 过渡族元素、稀土元素和镧系元素--作业
-本讲作业--作业
-3.1 材料性能与组织结构的关系
-3.1 材料性能与组织结构的关系--作业
-3.2 从轨道能级到能带——绝缘体、导体和半导体
-3.2 从轨道能级到能带——绝缘体、导体和半导体--作业
-本讲作业--作业
-4.1 高炉炼铁和转炉炼钢
-4.1 高炉炼铁和转炉炼钢--作业
-4.2 金属材料的组织结构
-4.2 金属材料的组织结构--作业
-4.3 铸锭及其组织
-4.3 铸锭及其组织--作业
-本讲作业--作业
-5.1 金属材料的加工
-5.1 金属材料的加工--作业
-5.2 钢材的热处理
--5.2.4 钢的淬火(quenching)(1)——加热和急冷的选择
--5.2.5 钢的淬火(quenching)(2)——增加淬透性和防止淬火开裂
-5.2 钢材的热处理--作业
-5.3 钢的强化机制
--5.3.6 合金钢(2)——高速钢、不锈钢、弹簧钢和轴承钢
-5.3 钢的强化机制--作业
-本讲作业--作业
-6.1 粉体材料的性能
--6.1.1 粉体及其特殊性能(1)——小粒径和高比表面积
--6.1.2 粉体及其特殊性能(2)——易流动性和高分散性
--6.1.3 粉体及其特殊性能(3)——低熔点和高化学活性
--6.1.4 粉体的特性及测定(1)——粒径和粒径分布的测定
--6.1.5 粉体的特性及测定(2)——密度及比表面积的测定
--6.1.6 粉体的特性及测定(3)——折射率和附着力的测定
-6.1 粉体材料的性能--作业
-6.2 粉体的加工与处理
-6.2 粉体的加工与处理--作业
-6.3 粉体的应用
--6.3.3 粉体精细化技术——粒度精细化及粒子形状的改善
-6.3 粉体的应用--作业
-6.4 纳米材料
-6.4 纳米材料--作业
-本讲作业--作业
-7.1 陶瓷材料的定义和分类
-7.1 陶瓷材料的定义和分类--作业
-7.2 坯体成型
--7.2.2 陶瓷成型工艺(1)——旋转制坯成型和注浆成型
--7.2.3 陶瓷成型工艺(2)——干压成型、热压注成型和等静压成型
--7.2.4 陶瓷成型工艺(3)——挤压成型、注射成型和流延成型
-7.2 坯体成型--作业
-7.3 陶瓷烧结
-7.3 陶瓷烧结--作业
-7.4 陶瓷材料的结构
-7.4 陶瓷材料的结构--作业
-7.5 结构陶瓷
--7.5.1 结构陶瓷及应用(1)——Al2O3和Zr02
--7.5.2 结构陶瓷及应用(2)——TiO2、BeO和AlN
-7.5 结构陶瓷--作业
-7.6 功能陶瓷
--7.6.4 功能陶瓷及应用(3)——微波器件、传感器和超声波马达
-7.6 功能陶瓷--作业
-本讲练习--作业
-8.1 玻璃的发展简史
-8.2 玻璃的定义和特征
-8.3 玻璃的加工
-8.1-8.3 小节练习--作业
-8.4 建筑及高铁用玻璃
--8.4 建筑及高铁用玻璃--作业
-8.5 高技术玻璃
-8.5 高技术玻璃--作业
-本讲练习--作业
-9.1 何谓高分子和聚合物
-9.1 何谓高分子和聚合物--作业
-9.2 聚合物的合成
-9.2 聚合物的合成--作业
-9.3 从结构层次看聚合物
-9.3 从结构层次看聚合物--作业
-本讲练习--作业
-10.1 高分子材料性能与加工
--10.1.8 聚合物的成形加工及设备(1)——压缩模塑和传递模塑
--10.1.9 聚合物的成形加工及设备(2)——挤出成型和射出成型
--10.1.10 聚合物的成形加工及设备(3)——塑料薄膜和纤维丝制造
-10.1 高分子材料性能与加工--作业
-10.2 胶粘剂和涂料
-10.2 胶粘剂和涂料--作业
-本讲练习--作业
-11.1 复合材料的定义和分类
-11.1 复合材料的定义和分类--作业
-11.2 增强材料和基体材料
-11.2 增强材料和基体材料--作业
-11.3 复合材料的应用
-11.4 天然复合材料
-11.5 生物材料
-11.3-11.5 节练习--作业
-本讲练习--作业
-12.1 磁性的来源
--12.1.2 过渡金属元素3d壳层的电子结构与其磁性的关系
-12.1 磁性的来源--作业
-12.2 磁性材料的分类
-12.2 磁性材料的分类--作业
-12.3 磁畴和磁滞回线
-12.3 磁畴和磁滞回线--作业
-12.4 软磁材料与硬磁材料
-12.4 软磁材料与硬磁材料--作业
-本讲练习--作业
-13.1 薄膜的定义和薄膜形成的必要条件
-13.1 薄膜的定义和薄膜形成的必要条件--作业
-13.2 薄膜制备——PVD法
-13.2 薄膜制备——PVD法--作业
-13.3 薄膜制备——CVD法
-13.3 薄膜制备——CVD法--作业
-13.4 薄膜的加工
--13.4.2 反应离子刻蚀(RIE)和反应离子束刻蚀(RIBE)
-13.4 薄膜的加工--作业
-13.5 薄膜材料的应用
-13.5 薄膜材料的应用--作业
-本讲作业--作业








