稀土发光材料研究综述

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1、稀土发光材料的研究现状及应用[摘要]:概述了稀土发光材料的优点，介绍了稀土发光材料的应用领域和制备方法，并对稀土发光材料未来发展进行了展望。[Abstract]:Outlinestheadvantagesofrareearthluminescentmaterials,introducesthefieldofapplicationofrareearthluminescentmaterialandpreparationmethod,andthefuturedevelopmentofrareearthluminescentmat

2、erialsisprospected.1.引言在稀土功能材料的发展中，尤其以稀土发光材料格外引人注目。稀土因其特殊的电子层结构，而具有一般元素所无法比拟的光谱性质，稀土发光几乎覆盖了整个固体发光的范畴，只要谈到发光，几乎离不开稀土[1-7]。稀土元素的原子具有未充满的受到外界屏蔽的4f5d电子组态，因此有丰富的电子能级和长寿命激发态，能级跃迁通道多达20余万个，可以产生多种多样的辐射吸收和发射，构成广泛的发光和激光材料。随着稀土分离、提纯技术的进步，以及相关技术的促进，稀土发光材料的研究和应用得到显著发展[8-12]。发光

3、是稀土化合物光、电、磁三大功能中最突出的功能，受到人们极大的关注[13-14]。就世界和美国24种稀土应用领域的消费分析结果来看，稀土发光材料的产值和价格均位于前列[15]。中国的稀土应用研究中，发光材料占主要地位[16]。2.稀土发光材料2.1稀土发光材料及其优势[17]15个镧系元素加上钪和钇共17个稀土元素。钇和镧系元素的区别是:它的4f能级中没有电子，O层(5S能级)中只有两个电子，P层中也没有电子。稀土原子具有相同的最外层电子结构s2，在内层的4f轨道内逐一填充电子，所以稀土元素及稀土离子表现出相似的化学性质。无

4、论稀土元素作为发光材料的基质、还是激活剂、敏化剂等成分的发光材料都称为稀土发光材料。稀土发光材料的优越性在于它的特征光学性质，着主要归因于稀土离子有不完全充满的4f层的存在。对于稀土离子而言，其光谱特征表现为稀土族中间元素的发射与吸收谱峰形状主要是线状的，而两端元素(Ce，Yb)则是连续的。在光谱的远紫外区所有的稀土元素都有连续的吸收带，这对应于外层电子的跃迁。线状光谱是4f层中各能级之间电子跃迁的结果，而连续谱则是4f层中各能级与外层各能级之间电子跃迁产生的。以稀土离子(元素)为激活剂、共激活剂、敏化剂或掺杂剂的稀土发光

5、材料表现出如下的优点[18]:1)稀土元素4f电子受外层S轨道和P轨道的有效屏蔽，4f能级差极小，f-f跃迁呈现尖锐的线状光谱，发光的色纯度高；2)荧光寿命跨越大，从纳秒到毫秒6个数量级；3)稀土离子激活的发光体容易实现掺杂和敏化；4)与一般元素相比，稀土元素4f电子层构型的特殊性使其化合物具有多种荧光特性；5)吸收激发能量的能力强，转换效率高。6)亮度高、耐烧伤、化学稳定好，而且其制备工艺简单。现在已经查明的具有未充满的4f电子的13个(从Ce3+到Yb3+)三价稀土离子到4fn(n=1～13)组态中，一共就有1639个

6、能级，不同能级之间可能发生的跃迁数目高达192177个，使稀土发光材料的吸收、激发和发射光谱展现出范围宽且内涵丰富的光学光谱和发光特性，从真空紫外延伸到近红外光谱区，构成取之不尽的光学宝库，但目前只有48个跃迁用于激光和为数很少的跃迁适用于发光材料。2.2稀土发光材料的发展[19-25]上世纪60年代稀土发光问世。国际上稀土分离技术得到突破，导致了高效红色荧光粉YV04:Eu3+和Y2O3:Eu3+的发明。与此同时，科学家们还进行着三价稀土离子的4f-4f能级跃迁、4f和5d能态及电荷转移态的基础研究工作，完成了三价稀土离

7、子位于5000cm-1以下的4f电子组态能级的能量位置的基础研究工作，所有三价稀土离子的发光和激光均起源于这些能级。这是稀土离子发光及其发光材料基础研究和应用发展的划时代和转折点。70年代初，由KoedamM等人通过对人眼色觉的研究，从理论上推出:如果将蓝、绿、红(波长分别为440nm,545nm,610nm)三种窄波长范围发射的荧光粉按一定比例混合，可制成高效率、高显色性荧光灯。在这一时期，人们较为系统地认识三价和二价稀土的光学特性，如二价稀土离子的4f-4f,4f-Sd能级跃迁、多光子效应(即现在所谓的量子剪裁)、离子

8、间无辐射能量传递等。从而形成稀土离子的光谱学、晶体场理论、能量传递机理等系统理论，为稀土发光材料今后的发展奠定了基础。在80年代问世了X射线存储荧光粉，它利用光致发光的原理，可以使X射线照相的灵敏度提高40倍。第二代以Eu2+离子激活的铝酸盐长余辉材料，由于其耐热、耐腐蚀和化学性能稳定等优点，而广泛用于