稀土發(fā)光材料基本介紹

在稀土功能材料的發(fā)展中，尤其以稀土發(fā)光材料格外引人注目。稀土因其特殊的電子層結(jié)構(gòu)，而具有一般元素所無法比擬的光譜性質(zhì)，稀土發(fā)光幾乎覆蓋了整個固體發(fā)光的范疇，只要談到發(fā)光，幾乎離不開稀土。稀土元素的原子具有未充滿的受到外界屏蔽的4f5d電子組態(tài)，因此有豐富的電子能級和長壽命激發(fā)態(tài)，能級躍遷通道多達20余萬個，可以產(chǎn)生多種多樣的輻射吸收和發(fā)射，構(gòu)成廣泛的發(fā)光和激光材料。隨著稀土分離、提純技術(shù)的進步，以及相關(guān)技術(shù)的促進，稀土發(fā)光材料的研究和應(yīng)用得到顯著發(fā)展。發(fā)光是稀土化合物光、電、磁三大功能中最突出的功能，受到人們極大的關(guān)注。就世界和美國24種稀土應(yīng)用領(lǐng)域的消費分析結(jié)果來看，稀土發(fā)光材料的產(chǎn)值和價格均位于前列。中國的稀土應(yīng)用研究中，發(fā)光材料占主要地位。

稀土化合物的發(fā)光是基于它們的4f電子在f-f組態(tài)之內(nèi)或f-d組態(tài)之間的躍遷。具有未充滿的4f殼層的稀土原子或離子，其光譜大約有30 000條可觀察到的譜線，它們可以發(fā)射從紫外光、可見光到紅外光區(qū)的各種波長的電磁輻射。稀土離子豐富的能級和4f電子的躍遷特性，使稀土成為巨大的發(fā)光寶庫，從中可發(fā)掘出更多新型的發(fā)光材料。

稀土發(fā)光材料的應(yīng)用會給光源帶來環(huán)保節(jié)能、色彩顯色性能好及長壽命的作用，有利于推動照明顯示領(lǐng)域產(chǎn)品的更新?lián)Q代。目前，我國稀土發(fā)光材料行業(yè)緊跟國際稀土發(fā)光材料研發(fā)和應(yīng)用的發(fā)展潮流，與下游產(chǎn)業(yè)之間建立了良好的市場互動機制，成為節(jié)能照明和電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中不可或缺的基礎(chǔ)材料。除上述領(lǐng)域外，稀土發(fā)光材料還被廣泛應(yīng)用于促進植物生長、紫外消毒、醫(yī)療保健、夜光顯示和模擬自然光的全光譜光源等特種光源和器材的生產(chǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域不斷得到拓展。

氣體冷凝法;真空蒸發(fā)法;濺射法;化學氣相沉積法(CVD);等離子體法;化學氣相輸運法等。

高溫固相合成法;自蔓延燃燒合成法(SHS);室溫和低熱固相反應(yīng)法;低溫燃燒合成法;沖擊波化學合成法;機械合金化法等。

沉淀法;均相沉淀法;共沉淀法;化合物沉淀法;熔鹽法;水熱氧化法;水熱沉淀法;水熱晶化法;水熱合成法;水熱脫水法;水熱陽極氧化法;膠溶法;相轉(zhuǎn)變法;氣溶膠法;噴霧熱解法;包裹沉淀法;溶膠-凝膠法;微乳液法;微波合成法等。

⑴光源:日光燈 Ca5(PO4)3(Cl,F):[Sb3+,Mn2+]; BaMg2Al16O27:Eu2+; MgAl11O16:[Ce3+,Tb3+]; Y2O3:Eu3+

高壓汞燈 Y(PV)O4:Eu; YVO4:Eu,Tb

黑光燈YPO4:Ce,Th; MgSrBF3:Eu

固體光源 GaP;GaAs;GaN;InGaN;YAG:Ce

⑵顯示:數(shù)字符號顯示 發(fā)光二極管(LED)

平板圖像顯示 OLED

⑶顯像:黑白電視 Gd2O2S:Tb

彩色電視 Y2O3:Eu; Y2O2S:Eu

飛點掃描 Y2SiO5:Ce

X射線成像 (Zn,Cd)S:Ag; CaWO4; BaFCl:Eu2+; La2O2S:Tb3+; Gd2O2S:Tb3+

⑷探測:閃爍晶體 CsI,TlCl

⑸激光:固體激光材料 YAG:Nd3+; YAP:Nd3+; YLF:Nd3+

玻璃激光材料 摻Nd3+硅酸鹽、硼酸鹽和磷酸鹽玻璃

化學計量激光 PrCl3; NdP5O14; NdLiP4O12; NdKP4O12; NdK3(PO4)2; NdAl3(BO3)4; NdK5(MoO4)4

液體激光 Eu3+激活的苯酰丙酮(BA)、二苯酰甲烷(DBM)、三氟乙酰丙酮(TFA)和苯三氟丙酮(BTFA)等

氣體激光 Sm(I),Eu(I),Eu(Ⅱ)，Tm(I),Yb(I),Yb(Ⅱ)，Yb等金屬蒸氣

稀土發(fā)光材料具有很多優(yōu)點:發(fā)光譜帶窄，色純度高，色彩鮮艷;光吸收能力強，轉(zhuǎn)換效率高;發(fā)射波長分布區(qū)域?qū)?熒光壽命從納秒跨越到毫秒達6個數(shù)量級;物理和化學性能穩(wěn)定，耐高溫，可承受大功率電子束、高能輻射和強紫外光的作用。正是這些優(yōu)異的性能，使稀土化合物成為探尋高新技術(shù)材料的主要研究對象。目前，稀土發(fā)光材料廣泛應(yīng)用于照明、顯示、顯像、醫(yī)學放射圖像、輻射場的探測和記錄等領(lǐng)域，形成了很大的工業(yè)生產(chǎn)和消費市場規(guī)模，并正在向其他新興技術(shù)領(lǐng)域擴展。

中國擁有發(fā)展稀土應(yīng)用的得天獨厚的資源優(yōu)勢，在現(xiàn)已查明的世界稀土資源中，80%的稀土資源在中國，并且品種齊全。從1986年起，中國稀土產(chǎn)量已經(jīng)躍居世界第一位，使中國從稀土資源大國變成稀土生產(chǎn)大國。目前，無論是儲量、產(chǎn)量，還是出口量，中國在世界稀土市場上占有舉足輕重的地位。在中國稀土事業(yè)迅速發(fā)展的同時，應(yīng)該清醒的看到，中國在稀土深加工方面，在稀土功能材料的開發(fā)和應(yīng)用技術(shù)方面并不站在世界前列，與世界先進水平還有相當大的差距，需要我們奮起迎頭趕上。目前中國稀土資源利用的特點是，一方面出口原料和粗產(chǎn)品;另一方面卻在進口產(chǎn)品和精制品。因此，在中國開展稀土精細加工和稀土功能材料的研究，具有獨特的意義。這是中國21世紀化學化工的重大課題，而稀土發(fā)光材料的研究將是它的一個主攻方向。