发光材料课程论文

1、稀土发光材料的研究与展望摘要 综述了稀土发光材料的发光原理和研究进展，并对稀土发光材料的应用和发展进行了探讨和展望。关键词 稀土，发光材料，原理，制备方法Abstract: The luminous principle recent research of Rare-earth luminescence materials and their recent research were reviewed in this paper. Meanwhile the application and development prospect of this kind of materials were

2、discussed and look forward to. Key words: rare earth, luminescence materials, luminous principle, preparation methods0 引言发光是物体不经过热阶段而将其内部以某种方式吸收的能量直接转换成非平衡辐射的现象。当稀土元素被用作发光（荧光）材料的基质成分，或是被用作激活剂、共激活剂、敏化剂或掺杂剂时，这类材料一般统称为稀土发光材料或稀土荧光材料1。发光是一种宏观现象，但它和晶体内部的缺陷结构、能带结构、能量传递、载流子迁移等微观性质和过程密切相关2。稀土元素因其特殊的电子层结构而具有一

3、般元素所无法比拟的光谱学性质，使稀土发光材料被广泛应用于发光、显示、记录、光信息传递、X射线影像、激光、闪烁体及飞点扫描等领域。稀土发光材料具有发光谱带窄、色纯度高、色彩鲜艳、光吸收能力强、转换效率高、物理化学性质稳定、寿命长等优点3。正是这些优异的性能，使得稀土发光材料成为探寻高新技术材料的主要研究对象。1 稀土发光材料的发光原理物质发光现象大致分为两类：一类是物质受热， 产生热辐射而发光； 另一类是物体受激发吸收能量而跃迁至激发态B非稳定态C在返回到基态的过程中， 以光的形式放出能量。以稀土化合物为基质和以稀土元素为激活剂的发光材料多属于后一类，即稀土荧光粉。稀土化合物的发光是基于它们的4

4、f电子在f-f组态之内或f-d组态之间的跃迁。具有未充满的4f壳层的稀土原子或离子，其光谱大约有30000条可观察到的谱线，它们可以发射从紫外光、可见光到红外光区的各种波长的电磁辐射。稀土元素原子具有丰富的电子能级，为多种能级跃迁创造了条件，从而获得多种发光性能3-5。稀土元素是指镧系元素加上同属B族的钪Sc和钇Y，共17种元素。镧系元素包括元素周期表中原子序数从5771号15种元素。无论它们被用作发光（荧光）材料的基质成分，还是被用作激活剂，一般统称为稀土发光材料或稀土荧光材料。稀土元素独特的电子结构决定了它具有特殊的发光特性，稀土化合物广泛应用于与发光材料3,6。2 稀土发光材料的分类3

5、凡含有稀土元素的发光材料均称为稀土发光材料。稀土发光材料的种类繁多，可以按照不同的方式进行分类。若按照发光材料中稀土的作用分类，可分为两种：稀土离子作为激活剂。在基质中作为发光中心而搀入的离子称为激活剂。以稀土离子作为激活剂的发光体是稀土发光材料中的最主要的一类，根据基质材料的不同又可分为两种情况：材料基质为稀土化合物，如Kummer等7报道的一种新型的荧光粉 Tb3Al5O12:Ce3 +(TAG:Ce3+)；材料的基质为非稀土化合物，如日本Lumi-tech公司8开发的SSE(Sr3SiO5:Eu)荧光粉。可以用作激活剂的稀土离子主要是Gd3+两侧的Sm3+、Eu3+、Eu2+、Tb3+、

6、Dy3+，其中应用最多的是Eu3+和Tb3+。稀土化合物作为基质材料。常见的可作为基质材料的稀土化合物有Y2O3、La2O3和Gd2O3等，也可以稀土与过渡元素共同构成的化合物作为基质材料，如YVO4。若按激发方式的不同来分类，稀土发光材料可分为光致发光（紫外线激发）材料、阴极射线发光（电子束流激发）材料、电致发光（直流或交流电激发）材料、光激励发光（晶体受电离辐射激发后再经光激励）材料和热释电发光（晶体受电离辐射激发后再经热激励）材料等。3 稀土发光材料的制备方法发光材料的制备时发光材料研究的基础，特别是近年来，融合交叉学科的发展和新技术的开发，使发光材料的合成面临不可多得的机遇和挑战。稀土

7、发光材料的传统合成方法高温固相反应法存在反应温度高、产品易结块和颗粒不均匀等弊端。随着材料科学的发展，用溶胶-凝胶法、沉淀法、高分子凝胶包膜法等制备功能材料成为国内外倍受关注的热点9。3.1 高温固相反应法高温固相反应法是发光材料的一种传统的合成方法。固相反应法通常取决于材料的晶体结构以及缺陷结构，而不仅是成分的固有反应性。固相反应通常包括以下步骤10：(1)固体界面如原子或离子的跨过界面的扩散；(2)原子规模的化学反应；(3)新相成核；(4)通过固体的输运及新相的长大。决定固相反应性的两个重要因素是成核和扩散速度。目前采用高温固相反应法应成功合成了(Y,Gd)2O3:Eu3+、YAl3B4O

8、12:RE3+(RE= Eu, Tb)、YBO3:Eu3+、BaMgAl10O17:Eu2+、M3MgSi2O8:Ce3+(M= Sr, Ba)等多种稀土发光材料11。3.2 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是指从金属的有机物或无机物的溶液出发，在低温下，通过溶液中的水解、 聚合等化学反应，首先生成溶胶，进而生成具有一定空间结构的凝胶，然后经过热处理或减压干燥、焙烧除去有机成分，最后得到无机材料。用溶胶-凝胶法的优点是具有起始反应活性高，反应组分可以在分子或原子级水平上混合均匀、组成精确、合成温度低、可节省能源等明显优点，是合成纳米发光材料的重要方法。张卫全等12通过溶胶凝胶法成功合成纳米稀土发光材料

9、Y2 Si O7:Eu 14 。Liyh等通过溶胶-凝胶法合成出纳米稀土发光材料SiO2 :Dy,Al 13 。3.3 沉淀法 沉淀法是将沉淀剂加入到混合金属盐溶液中，促使各组分均匀混合沉淀，然后经过过滤、 洗涤、干燥，再在一定的温度和气氛下烧结而得到纳米发光粉。Ihara M 14等用此法制备出分散性很好的纳米微粒ZnS: Tb3 +。此法工艺易于控制，易工业化大规模生产。3.4 水热合成法15 水热合成法是在高温高压条件下，以水溶液或水蒸汽等流体作为反应体系来进行有关化学反应（水热反应）来合成超微粉的一种方法。通过水热法可以制备出纯度高、晶型好、单分散以及大小可控的纳米颗粒。水热合成法的优

10、点在于直接生成氧化物，避免了一般液相合成法需要经过煅烧转化成氧化物这步骤，从而极大地降低了硬团聚的形成。该法合温度低，条件温和，产物缺陷不明显，体系稳定，但制备的产物发光强度较弱，有待改善。3.5 喷雾热解法15-16喷雾热解法是将与产物组成相应的原料化合物配制成溶液或胶体溶液，在超声振荡作用下雾化成气溶胶状的雾滴，用惰性气体或还原性气体将气溶胶状雾滴载带到高温热解炉中，在几秒短暂的时间内，雾滴发生溶剂蒸发、溶质沉淀、干燥和热解反应，首先生成疏松的微粒，并立即烧结成致密的微米级粉体。喷雾热解时的温度对于材料的发光性能也有直接的影响。喷雾热解产物 YAG:Tb3+、Y2O3:Eu3+等的光致发光

11、强度也是随热解温度的升高而增强。4 稀土发光材料的应用及展望发光材料在交通、工业、农业以及人们日常生活用途广泛。稀土发光材料的应用领域包括电光源照明、大屏幕显示器材料、夜明材料、电视机显色材料、X射线荧光粉与闪烁体等。其中电光源照明是其应用的最主要方面，灯用荧光粉的产量在所有荧光粉中占据首位。4.1 稀土长余辉发光材料的应用3长余辉材料具有将吸收的光能储存起来，在夜晚或较暗的环境中呈现明亮可辨的可见光的功能，可以起到指示照明和装饰照明的作用。长余辉发光材料及其制品可用于安全应急方面，如消防安全设施、救生器材标志、紧急疏散标志和军事设施的隐蔽照明等。另外，长余辉材料也可用在建筑装潢方面，可以装饰

12、、美化室内外环境，可以用于广告装饰，仪器仪表盘的指示，日用消费品装饰等等。可以将长余辉发光材料制备成发光涂料、发光塑料、发光陶瓷、发光油墨、发光纸张、发光玻璃等诸多方面。4.2 在X射线影像技术上的应用3今年来，大量采用稀土发光材料作为X射线增感屏荧光粉，而且以稀土荧光粉为主的新型X射线增感屏发光材料日益受到人们的重视，并获得不断发展。稀土增感屏与X射线胶片的配合，可以说是化学增感和光谱增感的合理组合应用。与传统的CaWO4 增感屏相比，稀土增感屏具有使乳胶感光增强、感光度高、胶片影像清晰度高、层次丰富，而且减少辐射剂量，缩短曝光时间，有利于延长X射线管的寿命，减少电能消耗等优点。目前已实际应

13、用的稀土X射线发光材料主要有稀土激活的卤氧化镧、铕激活的碱土卤化物、稀土激活的稀土硫氧化物和稀土激活的稀土坦酸盐。4.3 灯用发光材料 稀土发光材料的一大应用便是灯光源，灯用荧光粉的产量在所有荧光粉中占据首位。灯光源主要分为两大类：热辐射发光光源和气体放电发光光源。稀土发光材料主要用于气体放电光源，稀土发光材料的发现和发明对气体放电光源技术的发展起着举足轻重的作用。稀土发光材料在气体放电光源领域的应用范围主要包括紧凑型荧光灯、特殊用途荧光灯和高显色性荧光灯、荧光高压汞灯和金属卤化物灯。稀土发光材料用于电光源上，使得电光源器件光效大大提高的同时价格也大幅度的下降，很好的促进了灯光源器件的发展。5

14、 稀土发光材料的研究展望 稀土发光材料可广泛应用于发光、显示、光信息传递、太阳能光电转换、X 射线影像、激光、闪烁体等领域，是本世纪含CRT、FED 和各种平板显示器的信息显示、人类医疗健康、照明光源、粒子探测和记录、光电子器件及农业、军事等领域中的支撑材料，发挥着越来越重要的作用。同时它所存在的一些问题都需要从理论和实践上做更深入的研究。其发展趋势主要有以下几方面：稀土发光材料的理论体系还需进一步建立和完善。由于纳米稀土发光材料的研究是近几年在开展的，现有的理论还够完善，需要更深入的研究15。加强稀土发光材料的回收利用。稀土材料的回收很有必要，既可以减少环境的污染，又可以使得使铕、钇、铽等稀

15、土材料再次使用，减少成本和资源的浪费。进一步探索和开发稀土发光材料的合成方法，更好的实现制备工艺的优化。要制备出高质量、高稳定性、高可靠性、多实用性的纳米发光材料，对于制备工艺的控制和优化提出了更高的要求。如何制备颗粒均匀、粒径尺寸均一、物化性质符合实用的稀土发光材料是一个重要的研究课题17。参考文献1 刘行仁.我国稀土发光材料科学技术的发展回顾与展望J. 世界科技研究与发展，2003，25(1)：79-84.2 韩万书.中国固体无机化学十年进展M. 北京：高等教育出版社，1998.3 李建宇.稀土发光材料及其应用M. 北京：化学工业出版社，2003.4 苏文斌，谷学新，邹洪等.稀土元素发光特

16、性及其应用J. 稀土研究，2001，12(4)：55-59.5 Wegh R T, Donker H, Oskam, etal. Visible quantum cutting in LiGdF4:Eu3 through downconversion J. Science, 1999, 238: 663-665.6 汪玉芳，刘玲霞，胡宏祥.稀土发光材料的合成与发展J. 浙江化工，2005，36(9)：28-29.7 Kumm er F , Zw aschka F , E llensA, Debray A, Wait lG. Luminoussubstance for alight-source

17、 and ligh source associatedt here -w i th P . In ternational Patent Application, No . WO01 /08452, 2002.8 印 琰等.白光LED用荧光粉的发展现状J. 中国照明电器.2009.3.9 李玮捷. Y2O3：Eu 荧光粉的制备方法及性质研究进展J. 稀土，2000，21(5)：60. 10 孙彦彬，邱关明，陈永杰.稀土发光材料的合成方法J. 稀土，2003，24(1)：76-81. 11 张中太，张俊英.无机光致发光材料及应用M. 北京：化学工业出版社，2005.12 张卫全，张慰萍等.纳米Y2 Si O7:Eu的发光特性及浓度猝灭研究J. 发光学报，1999，20(2)：97-101.13 L iyh, Mocm, etal. Intense Green-yellowLuminescence from Nanostructured Si O2 with Co-doping of Dy3 +and Al3 + J . Nanostructured Materials, 1999, 11 (3): 307 310.14 Ihara M