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。