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    應用 | 稀土發光材料原理及應用

    自古以來,人類喜歡光明卻害怕黑暗,夢想可以隨時的控制光?,F在,我們已經積累了各種發光現象的知識,同時開發出很多實用性的發光材料,而在這些發光材料中,稀土元素起到了舉足輕重作用,遠遠超過其他成分。

    稀土發光材料從很久以前就開始研究,也有了充分的理論作為應用的支撐。在1964年開發出了彩色電視機所使用的的紅色熒光粉YVO4: Eu3+ ,并以此為契機,真正意義上實現了稀土的工業生產,種種稀土發光材料開始實用化,并一直延續到了現在。

    發光原理——躍遷點亮世界

    稀土離子的發光特性,主要依賴于稀土離子4f 電子層的性質。稀土離子大部分電子構型為 (Xe)(4f)N(5s)2(5p)6 ,隨著4f殼電子層數的變化,稀土離子會表現出不同的形式的電子躍遷和能級躍遷。根據研究,稀土離子的 4fN 電子組態中共有1639個能級,從而能級躍遷數量可以到達199177個,可被觀察到的譜線多達30000條,如果 4f?5f 的能級躍遷也被計算在內的話,則數目更加多,因此稀土離子發射或吸收從紫外線到紅外線區域的各種波長的光從而產生各種各樣的發光材料。

    大部分三價離子(除Ce3+ )的發光來自于 4f 組之間的能級躍遷,由于 4f 電子受到外層 5s25p6 的束縛,因而對晶場和周圍環境的影響較小。

    所以f?f 的能級躍遷特征為:

    00001.發射光譜呈現線裝,并且受到溫度的影響較??;

    00002.基質變化對于發射波長的影響??;

    00003.濃度猝滅??;

    00004.溫度猝滅小,在400-500℃仍然可以發光;

    00005.譜線豐富,可從紫外線到紅外線。

    某些三價的稀土離子像、、Ce3+、Pr3+、Tb3+ 在紫外區可以觀察到它們的躍遷是 4f?5d ,尤其是 Ce3+ 離子的吸收和發射250nm——780nm波長區域都能被觀察到。同時,如 、、、、Eu2+、Sm2+、Dy2+、Tm2+、Yb2+ 等二價的稀土離子也能被觀察到 4f?5d 的躍遷。以 、Ce3+、Eu2+ 為最重要的高效稀土發光材料。

    所以4f?5d 能級躍遷的主要特征為:

    00001.表現為寬帶吸收和發射;

    00002.基質對于發光光譜的影響較大,不同的基質中發射光譜可移位,從紫外到紅外區;

    00003.熒光壽命短;

    00004.溫度對發射光譜影響很大。

    除了以上提到的兩個、f?f、4f?5d 躍遷方式外,對稀土發光有重要作用的光學躍遷為電荷轉移態躍遷(CTS)。CTS是指電子從一個離子轉移到另一個離子上。ex. Y2O2S:Eu3+ 的發光過程。由于 Eu3+ 和晶格的氧(或硫)離子組成絡離子,當受到激發時,電子從氧離子(或硫離子)的 2P 態轉移到Eu3+離子的4f態。當電子從電荷轉移態返回周圍離子時,將激發能交給Eu3+,使 Eu3+躍遷到5D態,從而發光。這種稱為 CTS 激發。它的吸收(或激發)光譜是沒有明顯劈裂的譜帶。

    有一些稀土離子的4f 電子為0、7、14或沒有 4f 電子的,如 、、、、Sc3+、Y3+、La3+、Gd3+、Lu3+ 等,它們有良好的光學性質,也已被廣泛地用作基質離子。

    稀土發光材料在發光學和發光材料發展中有著居住輕重的作用。比如在1964年Y2O3:Eu 和 Y2O3S:Eu 等電視紅粉的出現,從而使電視的亮度提高到一個新的高度;在1974年出現的稀土三基色熒光粉,為新一代的LED顯示奠定了基礎。多年來稀土發光材料的發展,正在慢慢的替代掉非稀土發光材料,同時稀土發光材料在光致發光、電致發光、陰極射線發光和X射線發光等方面應用取得了重要且長遠的發展。

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