1、稀土發光材料的發光機理及其應用學好：09021126 姓名：彭振華摘要：稀土是我國的重要戰略資源，對稀土元素的基本物理和化學性質的了解， 是深入研究稀土元素的結構與性能，開發稀土生產新的工藝流程、稀土元素新應 用、稀土新材料，充分利用稀土資源的基礎。稀土發光材料在一些方面已得到普 遍應用并在新能源和生物醫學等方面具有重要的應用前景。目前稀土材料已廣泛 用于照明、顯示、信息、顯像、醫學放射學圖像和輻射場的探測等領域，并形成 很大的工業生產和消費市場規模；同時也正在向著其他新型技術領域擴展，成為 人類生活中不可缺少的重要組成部分。1、稀土發光材料的發光原理物質發光現象大致分為兩類：一類是物質受熱，

2、產生熱輻射而發光；另一類是物 體受激發吸收能量而躍遷至激發態（非穩定態）在返回到基態的過程中，以光的形 式放出能量。以稀土化合物為基質和以稀土元素為激活劑的發光材料多屬于后一 類，即稀土熒光粉。稀土元素原子具有豐富的電子能級，稀土化合物的發光是 基于它們的4f電子在f-f組態之內或f-d組態之間的躍遷。2、稀土發光材料的重要應用2.1光致發光材料燈用發光材料自70年代末實用化以來，促使稀土節能熒光燈、金屬鹵化物 燈向大功率、小型化、低光衰、高光效、高顯色、無污染、無頻閃、實用化、智 能化等方面發展。這些發光燈主要被用于照明、復印機光源、光化學光源等由發 射紅、綠、藍3種含稀土的熒光粉（即三基色

3、熒光粉）按一定比例混合制成的節能 燈。由于其光效高于白熾燈數倍，光色也好，被長期用于辦公室、百貨商店和工 廠中的照明中。稀土發光材料的質量提高和應用技術的發展，推動了新一代節能 光源的科研、生產及應用，并帶動了許多相關行業的發展。典型的熒光燈是在玻璃管內壁涂熒光粉，當燈通電時，封裝在燈兩端的電極 間放電發出紫外光，熒光粉吸收紫外光受到激發，然后通過各種非輻射弛豫過程 和能量傳遞過程，使稀土離子處于可發出可見光的能態上，從而進一步發出各種 顏色的可見光。汞燈稀土熒光粉用于高壓汞燈中已有多年。此燈的原理是利用氬氣在汞蒸氣中的放電 作用，它的光強度高于熒光燈。所有銪激活的鋇酸釔熒光粉起改善光色作用。

4、高 壓汞燈主要應用于街道和工廠照明。但是，近年來鈉放電燈和金屬鹵化物HQT燈 已代替了高壓汞燈，它的市場已衰落。鈉放電燈和金屬鹵化物HCrr燈比汞燈的顏 色再現性好，發射出的光色與天然光相似的白光。將鈰激活的鋇酸釔熒光粉混人， 制成40OW的暖色汞燈，光通量為25500 lm，色溫3350 K，比普通汞燈的穩定性 好、效率高。碳弧燈稀土氟化物加人到棒芯中，使弧光強度提高到l0倍，同時弧光顏色由淺黃色變為 接近日光色。這種碳弧燈用作探照燈以及彩色電影攝像和放映。高壓鈉燈高壓鈉燈中用半透明氧化鋁作弧型管材料，氧化鋁中添加少量氧化鎂和氧化釔作 燒結助劑來改善材料的光學性質，為了增強氧化鋁的半透明度，

5、氧化釔的粒徑應 在25 tan左右。若粒徑太大則會降低強度。目前高壓鈉燈中存在的問題是稀土雜 質偏析導致鈉的浸蝕氧化鋁管。采用稀土鋁酸鹽為原料，通過三種窄譜帶稀土熒光材料的合成，可制成2700 7000 K的各種熒光燈，比普通白熾燈節電80%，如一只16w的節能燈，亮度相 當于8Ow的白熾燈。利用三基色稀土熒光材料生產的節能燈，其光效、光色、發 光時間等指標均達到國際同類產品水平，而成本僅為國際同類產品的60%。三基色稀土熒光材料生產技術科技含量高、產品附加值高、投資少、見效快， 且無三廢、無污染，具有較好的經濟效益和社會效益。2陰極射線發光材料彩電顯像管和計算機和計算機顯示器使用的稀土發光材

6、料屬陰極射線發光 材料。目前彩管中紅粉普遍使用的是銪激活的硫氧化釔YOS:Eu磷光體，粒度 2 26-8um，計算機顯示器要求發光材料提供高亮度、高對比度和清晰度，其紅粉也 采用YOS:Eu，但Eu含量要高一些，綠粉為TB3+激活的稀土硫氧化物Y O S:Tb， 2222Dy及GdOS:Tb，Dy高效綠色熒光體，粒度為4-6um。大屏幕投影電影紅粉也為 22Y2O2S:Eu，綠粉為Tb激活的稀土發光材料如：釔鋁石榴石YAG:Tb和釔鋁稼石榴 石YAGG:Tb，大屏幕投影電視因需要高電流密度激發，外屏溫度高，要求發光材 料能量轉換效率盡可能高，溫度淬滅特性好，亮度與電流呈線性關系，電流飽和 特性

7、好，且性能穩定。投影電視用熒光粉每年可消費數噸稀土氧化物。一般節能燈用三基色發光材料的紅粉量子效率為90%，而等離子顯示(PDP) 的稀土發光材料的紅粉量子效率必須達到100%以上，才能達到實際應用。實踐 證明，一些稀土硼酸鹽和氟化物具有高的發光效率和穩定性，因此可以選擇以硼 酸鹽和氟化物作為基質的稀土發光材料。3電致發光材料為實現彩色電致發光平板顯示，目前大力研究開發摻雜稀土的電致發光的薄 膜材料，一種等離子顯示板（Plasma Display Panel, PDP） 已經開發成功，制成 了壁掛式的彩色電視機。PDP發光原理是在兩塊基玻璃基板之間的惰性氣體在電 壓作用下發生氣體放電而產生紫外

8、線，進而激發三基色熒光粉而產生光。PDP等離子顯示屏中的稀土發光材料為電致發光材料，紅色為ZnSiHoF3、 Zn-SiSmTmF3和ZnSiEuF3薄膜，綠色為ZnSiTbF3、Zn-SiErF3和ZnSiHoF3薄膜，由 于藍色發光材料Zn-SiTmF3亮度很低，因而使用了不含稀土的ZnSiAg。等離子顯示屏中大都采用稀土熒光粉。因此，在等離子顯示屏取代了今天的 電視后，對稀土熒光粉的需求將大大增加，其用量將是同尺寸陰極射線管的1.5 倍。目前陰極射線管中只有紅粉采用稀土熒光粉，而等離子顯示屏中三色均有使 用稀土的可能。待等離子顯示屏普及后，屏幕尺寸也將增大，這無疑會提高稀土 的總消費量。

9、今后的問題在于等離子顯示屏的市場規模及批量生產。隨著市場對 PDP電視需求的增加，稀土的消費會進一步擴大。4增感屏醫用x射線照相時，為將x射線圖像轉換為可視圖像，需使用增感屏。增感屏也有 多種，其中高靈敏度增感屏使用Cd0S： Tb熒光粉。與其它熒光粉相比，Gd0S：2 22 2Tb可通過x射線勵磁發出高效率的白光或綠光。估計這種熒光粉在日本的年產量 為20t左右。目前稀土發光材料，在照明、顯示、信息等方面已獲得廣泛的應用， 成為人類生活中不可缺少的重要組成部分。日本稀土熒光材料的生產、消費和出 口均居世界前列，年產各種稀土熒光粉530 t，主要消費領域為三基色熒光燈（約 占62%）、彩電和計

10、算機用陰極射線管（CRT）（約占34%）、x射線增感屏（約占7%）。3、稀土離子發光材料的在生物醫學和能源領域的應用1閃爍體稀土離子在高能離子探測器方面得到了應用，有關材料稱為閃爍體。這些閃爍體 在宇宙射線的探測生物醫學診斷方面有著廣泛的應用。好的閃爍體要求響應快， 發光產率高，對信號響應的線性好及密度高。另外，閃爍體發出的光和光接收器 的響應波長也需要很好的匹配。稀土離子Ce3+因5d4f躍遷的壽命通常在107O nm范圍，成為閃爍體材料的理想的激活離子。已知的較好的含稀土的閃爍體有 GdSiO5： Ce3+和Lu： Ce3+，后者的光產率達到了近100000光子/MeV。另外，Ce 抖激活

11、的冰晶石體系如Cs2LiYBr6也很有前景。3.2太陽能電池方面的潛在應用在當今能源緊張的年代，因太陽能電池的綠色經濟環保等特點而被廣泛應用；但 人們一直關心的太陽能電池的轉化效率僅有15%，即大部分的太陽能損失掉了。 人們正在嘗試解決這一難題，比如通過量子剪裁等手段來提高太陽能電池的轉化 率。人們可通過在太陽能電池表面附上含稀土的光轉換材料來拓寬太陽能電池 對太陽光譜的響應范圍，從而提高硅太陽能電池的整體轉換效率。Yb3+的能級結 構較簡單，對應的發射在1000 nm附近。此激發態可發出一個約1000 nm的光子， 它正好被硅太陽能電池所吸收。如實現下轉換的組合Yb3+Pr”、Pr2+ 一Pr3+等， 對組合Pr3+-Yb3+來說，Pr3+吸收一個光子而處于3P。（約處在20000 cm ），當它把 一部分能量交給鄰近的Yb抖時自己則處于中間態1G4 （約處于10000cm），而使Yb3+ 處于激發態；處于中間態的Pr抖回到基態的過程中將能量傳給另一個鄰近的 Yb