Электронные и оптические материалы
Электронные и оптические материалы — это твердые тела, электрические, диэлектрические и оптические свойства которых целенаправленно регулируются посредством изменения состава и структуры для использования в различных устройствах, от полупроводниковых чипов до дисплеев и фотонных компонентов.
Definition
Электронные и оптические материалы — это функциональные твердые тела, полезное поведение которых представляет собой электрический, диэлектрический или оптический отклик — проводимость, поляризация, излучение света или распространение света — контролируемый посредством их состава, легирования и кристаллической структуры.
Scope
Эта область охватывает химию материалов, определяемых их электронными и оптическими функциями: полупроводников, проводимость которых настраивается легированием; диэлектрических и сегнетоэлектрических материалов, которые накапливают заряд и взаимодействуют с электрическими полями; а также люминесцентных и фотонных материалов, которые излучают, поглощают или манипулируют светом. Она связывает зонную структуру, химию дефектов и кристаллическую симметрию со свойствами устройств, обеспечиваемыми этими материалами.
Sub-topics
Core questions
- Как регулируется проводимость полупроводника посредством легирования?
- Что придает диэлектрическим и сегнетоэлектрическим материалам их высокую диэлектрическую проницаемость и переключаемую поляризацию?
- Как твердые тела излучают свет и манипулируют им?
- Как состав и структура определяют электронные и оптические функции?
Key concepts
- Легирование и носители заряда
- Ширина запрещенной зоны и оптическое поглощение
- Диэлектрическая проницаемость
- Сегнетоэлектричество и пьезоэлектричество
- Люминесценция
- Фотонные структуры
Key theories
- Легирование и управление носителями заряда в полупроводниках
- Введение донорных или акцепторных примесей в полупроводник добавляет свободные электроны или дырки, концентрация которых определяет проводимость и тип носителей, что позволяет точно контролировать электрическое поведение, от которого зависят все полупроводниковые устройства.
- Поляризация и симметрия в функциональных оксидах
- Диэлектрический отклик, пьезоэлектричество и сегнетоэлектрическое переключение возникают из-за смещения заряда под действием электрического поля, что регулируется кристаллической симметрией; нецентросимметричные структуры допускают полярное поведение, используемое в конденсаторах и исполнительных механизмах.
Clinical relevance
Электронные и оптические материалы составляют основу современных технологий: полупроводники формируют транзисторы и интегральные схемы, диэлектрики и сегнетоэлектрики используются в конденсаторах, запоминающих устройствах, датчиках и исполнительных механизмах, а люминесцентные и фотонные материалы обеспечивают работу дисплеев, осветительных приборов, лазеров и оптических коммуникаций.
History
Изобретение транзистора в 1947 году Бардином, Браттейном и Шокли сделало контролируемое легирование полупроводников основой электроники. Параллельное развитие диэлектрических и сегнетоэлектрических оксидов, люминофоров, а затем и полупроводниковых излучателей света расширило химию функциональных твердых тел в области электронных и оптических технологий, которые последовали за этим.
Key figures
- John Bardeen
- Walter Brattain
- William Shockley
Related topics
Seminal works
- callister2018
- west2014
- kittel2005
Frequently asked questions
- Что отличает электронный материал от обычного твердого тела?
- Любое твердое тело обладает электрическими и оптическими свойствами, но электронный материал — это тот, свойства которого целенаправленно регулируются — посредством состава, легирования и структуры — для обеспечения определенной функции устройства, такой как переключение тока, накопление заряда или излучение света.
- Почему кристаллическая симметрия так важна для этих материалов?
- Симметрия определяет, какие отклики может проявлять материал. Например, пьезоэлектричество и сегнетоэлектричество требуют нецентросимметричной структуры, поэтому одни и те же элементы, расположенные в разных симметриях, могут давать очень разные электронные и оптические свойства.