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干货详解丨光电显示和光纤领域中的“重”要元素
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干货详解丨光电显示和光纤领域中的“重”要元素

 

氘是一种稳定的氢同位素,它的原子核中除了一个质子外,还有一个中子。氘在自然界中的丰度很低,约占所有氢原子的0.015%。由于氘具有比普通氢更大的原子质量,它与其他元素形成的化学键也更加稳定。这一特性使得氘在核磁共振、生物医药、光电显示等领域有着广泛的应用。

 

在光电显示领域,氘主要用于制造OLED(有机发光二极管)材料。OLED是一种利用有机材料发光的显示技术,它具有自发光、可弯曲、超薄、高对比度、低功耗等优点,被认为是未来显示技术的发展方向。OLED的发光原理是通过电场驱动电子和空穴在有机层中注入和复合,产生激子,然后通过激子的辐射跃迁发出光子。根据激子的自旋状态,OLED可以分为荧光型和磷光型。荧光型OLED是由单重态激子发出荧光,而磷光型OLED是由三重态激子发出磷光。由于三重态激子的形成概率比单重态激子高得多,磷光型OLED的量子效率理论上可以达到100%,远高于荧光型OLED。

 

然而,磷光型OLED也面临着一些挑战,其中最大的问题是蓝光材料的效率和稳定性较低。蓝光材料是影响OLED显示效果和使用寿命的关键因素,但由于其较高的能级和较快的衰减速度,导致其非辐射跃迁速率较大,从而降低了其量子效率和器件寿命。为了解决这一问题,科学家们提出了一种有效的方法,就是在蓝光材料中引入氘原子。引入氘原子后,由于“重原子效应”,可以增强分子中电子的自旋轨道耦合作用,从而增加系间窜越(ISC)的能力,促进单重态激子向三重态激子的转化,提高磷光效率。同时,由于碳-氘键比碳-氢键更短更强,可以降低分子中能量的耗散和振动弛豫,从而提高器件稳定性和寿命。实验表明,在蓝光材料中引入氘原子后,在不损失效率的情况下可以将器件寿命提高5倍以上。

 

除了蓝光材料外,氘还可以用于制造其他颜色的OLED材料,以及其他类型的显示材料,如量子点、液晶等。因此,氘在显示领域中有着巨大的应用前景和市场潜力。

 

从类型上来看,5N纯度氘气销量最高,拥有大约99%的市场份额。从下游市场来看,使用氘最多的是光纤行业,市场份额大约为35%。

 

氘气在光纤领域中的应用

 

光纤是一种利用光信号进行信息传输的高技术产品,具有高速、低损耗、抗干扰等优点,被广泛应用于通信、医学、航空航天等领域。然而,光纤中的光信号也会受到多种因素的影响,导致信号质量下降和传输距离缩短。为了提高光纤的性能和稳定性,需要在光纤中引入一些特殊的物质,如氘气。

 

氘气是一种稳定的、安全的气体,成分为氘和氢。由于其稳定性和低水溶性,氘气在科学研究、工业生产和医学诊断等领域被广泛应用。氘气在光纤领域中的两个主要应用:制造低水峰光纤和作为拉曼放大器的增益介质。

 

制造低水峰光纤

 

低水峰光纤是一种在波长为1380 nm附近具有较低损耗的光纤,相比于普通光纤,可以提高信号的传输效率和容量。低水峰光纤的制造方法是在普通光纤的制造过程中,在玻璃芯棒或预制棒中注入氘气。

注入氘气的原理是利用氘与玻璃中的自由基Si-O反应,形成Si-OD键,从而阻止水分子取代Si-OD键的位置。这样可以减少玻璃中的OH含量,降低玻璃对波长为1380 nm附近的光信号的吸收,从而降低损耗。

 

注入氘气的方法有多种,如化学气相沉积法(CVD)、等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)、溶胶凝胶法(SG)等。不同的方法有不同的优缺点,需要根据具体情况选择合适的方法。

 

作为拉曼放大器的增益介

 

拉曼放大器是一种利用非线性拉曼散射效应增强光信号的器件,在长距离光通信系统中起到重要作用。拉曼散射是指入射光子与介质分子或晶格中的振动相互作用,产生新的频移后的散射光子。这种过程可以将入射光子频率转移至长波长端或短波长端,从而实现对信号波或泵浦波的放大。

为了实现高效的拉曼放大器,需要选择合适的增益介质。增益介质主要影响拉曼放大器的增益系数、增益带宽、可控性和稳定性等性能指标。目前常用的增益介质有硅基材料、碲基材料、碳基材料和气体材料等。

 

2021年全球氘气市场规模大约为11亿元(人民币),预计2028年将达到17亿元,2022-2028年期间的年复合增长率为7.26%。从类型上来看,5N纯度氘气销量最高,拥有大约99%的市场份额。

 

从下游市场来看,使用氘最多的是光纤行业,市场份额大约为35%。其次是半导体行业,市场份额大约为25%。其他应用包括面板行业、工业应用、核工业等。

 

从地区上来看,北美是最大的生产地区,拥有超过80%的市场份额。主要的氘生产商包括Linde Gas、Cambridge Isotope Laboratories等。亚太地区是最大的消费地区,拥有超过60%的市场份额。主要的消费国家包括中国、日本、韩国等。

 

氘气市场的主要驱动因素包括氘在光电显示、生物医药、核磁共振等领域的广泛应用,以及对高纯度和高稳定性同位素资源的不断需求。同时,氘气市场也面临着一些挑战,如氘气的稀缺性和高昂的成本,以及对环境和安全的影响。氘气是一种稀有和高价值的同位素资源,具有重要的战略意义。随着显示技术、医药技术和核能技术的不断创新和发展,对氘气的需求将持续增长。

 

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