发光材料 (2).doc

稀土发光材料概述
1、发光材料的基本概念及激发方式
发光的定义：当某种物质受到激发（射线、高能粒子、电子束、外电场等）后，物质将处于激发态，激发态的能量会通过光或热的形式释放出来。如果这部分的能量是位于可见、紫外或是近红外的电磁辐射，此过程称之为发光过程，这种发射过程具有一定的持续时间。能够实现上述过程的物质叫做发光材料，发光材料分为有机发光材料和无机发光材料。发光材料已成为人们日常生活中不可缺少的材料，被广泛地用在各种显示、照明和医疗等领域，如电视屏幕、电脑显示器、X射线透射仪等。
发光材料的主要激发方式有：光致发光、阴极射线发光、电致发光、X射线发光、化学发光、放射性发光、生物发光等
2、稀土发光材料的兴起与发展
稀土发光材料是信息显示、照明、光源、光电器件不可缺少的原料。所谓的稀土元素, 是指镧系元素加上同属IIIB族的钪Sc和钇Y, 共17种元素。这些元素具有电子结构相同, 内层4f电子能级相近的电子层构型、电价高、半径大、极化力强、化学性质活泼及能水解等性质, 故其应用十分广泛。
上世纪六十年代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转折点。国外学者进行二价稀土离子的4f-4f能级跃迁、4f5d能态及电荷转移态的基础研究，发现上转换现象，完成二价稀土离子位于5000cm-1 以下的4f电子组态能级的能量位置基础工作，所有二价稀土离子的发光和激光均起源于这些能级，这些能级间的跃迁产生从紫外至近红外荧光光谱。1964年，在国际上由于稀土分离技术的突破，导致高效YVO4: Eu和Y203: Eu红色荧光粉的发明，紧接着，1968年又发明另一种高效的Y2O2S:Eu3+红色荧光粉，导致现代高纯稀土分离和高纯氧化物工业生产的兴起。
由于有上述研究和工业基础，步入七十年代，无论是基础研究，还是新材料研制及其开发应用都进入百花齐放的时期。人们系统地认识二价稀土离子的光学特性，包括二价稀土离子的4f5d-4f,4f-4f 能级跃迁，多光子效应(即近来所谓的量子剪裁)，离子间的无辐射能量传递等新现象和新概念；同时一些高效新材料被发明并很快在紧凑型荧光灯、X射线增感屏和显示器中得到应用。新一代荧光灯一紧凑型灯及灯用稀土荧光粉是在七十年代初世界石油能源危机刺激下产生的。现在最流行的纳米发光材料是指基质的粒子尺寸在1-100nm的发光材料，它包括纯的纳米半导体发光材料以及稀土离子和过渡金属离子掺杂的纳米氧化物、硫化物、复合氧化物、有机配合物和各种无机盐发光材料。另外，胶体化学方面，特别是在Ⅱ～Ⅵ主族硫属化合物方面的研究取得了重要进展，这对于研究纳米发光材料也是十分有利的因素。因此，目前研究工作的热点开始着重于材料的微观结构对它们发光性质的影响。
3、稀土发光材料的发光机制
稀土是一个巨大的发光材料宝库, 稀土元素无论被用作发光(荧光)材料的基质成分, 还是被用作激活剂, 共激活剂, 敏化剂或掺杂剂, 所制成的发光材料, 一般统称为稀土发光材料或稀土荧光材料。
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(非稳定态)在返回到基态的过程中, 以光的形式放出能量。稀土的发光性能都是由于稀土的4f电子在不同能级之间的跃迁而产生（如图1）。稀土元素原子的电子构型中存在4f轨道, 当4f电子从高的能级以辐射驰骋的方式跃迁至低能级时就发出不同波长的光。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。

4、稀土发光材料的优点及合成方法
稀土发光材料优点是发光谱带窄，色纯度高,色彩鲜艳； 吸收激发能量的能力强，转换效率高；发射光谱范围宽，从紫外到红外；荧光寿命从纳秒跨越到毫秒6个数量级, 磷光最长达十多个小时；材料的物理化学性能稳定，能承受大功率的电子束，高能射线和强紫外光的作用等。
稀土发光材料的合成方法包括水热合成法、高温固相合成法、微波合成法、溶胶——凝胶法、微波辐射法、微乳液法、燃烧合成法以及共沉淀法。
对于以上方法，高温固相法最为成熟，已有的工业化生产均为高温固相法，而反应温度高、时间长、能耗高是该方法难以克服的缺陷。溶胶一凝胶法、化学沉淀法、水热合成法都具有反应周期长、操作过程复杂、不易工业化的缺点。微波合成法具有较好的前景和应用价值，但是缺少适合工业化大生产的微波窑炉是阻碍其发展的最大障碍要实现在较低温度下，简单、快速、节能、高效、优质地合成稀土发光材料的目标，燃烧法是极有希望的方法。虽然燃烧法被应用于发光材料合成领域的时间不长，但是已经表现出很好的应用前景。研究结果表明，燃烧法是最有希望代替高温固相合成法实现工业化的技术。
5、稀土发光材料的应用
（1）稀土长余辉发光材料的应用。稀土长余辉发光材料是一类光致储能功能材料，又称为“夜光粉”，广泛应用于弱光照明、应急指示、建筑装饰和工艺美术等领域。
（2）在农用光转换膜方面的应用。将发光材料作为太阳光的转光剂，加入到农用塑料薄膜中制成农膜或大棚，改善光合作用的光质，提高光能利用率，促进农作物、蔬菜早熟和增产。
（3）在军事方面的应用。稀土发光材料制作的各种显示器已用于歼击机、强击机和武装直升机中，提高其功能和性能。
（4）在增感屏用荧光体方面的应用。许多稀土荧光体可以用作X 射线增感屏，对于诊断人类疾病，保障人们医疗健康起重要作用。
（5）新一代长余辉磷光体的应用。从1989年至今，我国大力研制和发展二价铕和其他稀土离子掺杂的铝酸盐新一代蓝绿色、绿色及蓝色长余辉磷光体，它们的性能优越，SrA l2O4：Eu，Dy 绿色磷光体长达12小时。
6、我国稀土发光材料生产现状
我国拥有发展稀土应用的得天独厚的资源优势，在现已查明的世界稀土资源中，80%的稀土资源在我国，并且品种齐全。目前，无论是储量、产量，还是出口量，我国在世界稀土市场上占有举足轻重的地位。在我国稀土事业迅速发展的同时，应该清醒的看到，我国在稀土深加工方面，在稀土功能材料的开发和应用技术方面并不站在世界前列，与世界先进水平还有相当大的差距，需要我们奋起迎头赶上。目前我国稀土资源利用的特点是，一方面出口原料和粗产品；另一方面却在进口产品和精制品。因此，在我国开展稀土精细加工和稀土功能材料的研究，具有独特的意义。这是我国21世纪化学化工的重大课题，而稀土发光材料的研究将是它的一个主攻方向。

参考文献
[1] 曹铁平，稀土发光材料的特点及应用介绍[J],白城师范学院，20(4),2006.
[2] 刘博林，稀土发光材料的研究进展[D],东北师范大学，2007.