新式稀土离子掺杂发光材料制备与概述

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1、新式稀土离子掺杂发光材料制备与概述第1章绪论1.1引言光是人眼能感觉到的波长在一定范围内的电磁波。发光是物质内部以某种形式吸收的能量转化为光辐射的过程，这种辐射是指非平衡辐射。发光材料是获得发光的物质基础，产生发光现象的物质可以是固体、液体和气体，其中研究最广泛的是固体发光材料，尤其是晶态发光材料。发光材料的化学组成和晶格结构对发光性能有很大影响，影响材料发光性能的因素有很多，其中掺杂和缺陷的影响最为明显。发光材料有两部分组成：基质，激活剂。基质是指自身或经过掺杂可以发光的物质；激活剂是对某种特定的基质材

2、料起激活作用使发光很微弱或原来不发光的物质发光的杂质。过渡族金属和稀土离子多以激活剂的形式出现。在有些情况下可以掺入另一种杂质作为敏化剂或辅助激活剂，其中辅助激活剂在基质中存在微弱的发光或不发光，但是却可以对激活剂发光的强度尤其是余辉寿命产生重要的影响。任何形式的发光都存在着衰减过程，表现为余辉现象，只是衰减过程的时间长短不同，有的可短于10-8s，有的很长，可达数分钟甚至数小时。后者即为我们所说的长余辉现象。稀土元素独特的结构决定了其具有特殊的发光特性。稀土荧光粉具有下面几个优点：(1)受激发时有很强的

3、能量吸收能力，且转换效率高。稀土荧光粉的光谱范围涉及从紫外光到近红外光的光谱，其中发射能力最强的为可见光区。发射光的荧光寿命从纳秒到毫秒，跨越6个数量级；(2)生产的过程中无毒、无污染，符合绿色环保的要求；(3)稀土荧光粉的抗老化性能好，表现为发光寿命长；(4)与其它的荧光粉相比，稀土荧光粉的成本低，易于生产、效益显著，目前稀土高新技术开发已引起世界各国政府和公司的关注[1-5]。..1.2稀土发光材料表1为原子序数为21，39和57-71的元素名称、符号和内外层电子结构。一般把表1中所列的17个元素称为

4、稀土元素。从表中可以看出表中元素的特点是原子具有未填满的4f或d电子层，这一结构特点使得他们能够产生丰富的电子能级。稀土元素原子容易失去电子形成+3价或+2价稀土离子，大部分稀土以+3价离子形式存在，少数稀土以+2价离子形式存在。其中+3价离子容易发生f-f禁戒跃迁发射线状光谱，+2价离子容易发生f-d允许跃迁产生宽带发射。稀土元素在发光材料中发挥着举足轻重的作用，给高新技术、光电子技术提供了优越的发光材料[6]。一般把与稀土元素有关的发光材料统称为稀土发光材料。稀土发光材料的发光归基于稀土离子4f电子层

5、产生4f-4f禁戒跃迁或4f-5d允许跃迁，跃迁时能量以光子形式释放，因此可以发射从紫外光到红外光区的各种波长的光[7]。.第2章长余辉发光的理论基础2.1长余辉发光材料长余辉发光材料可以定义为光激发停止后可见光发光仍能持续几分钟到几小时的荧光材料，是一类重要的光-光转换和节能材料。上述长余辉发光性能是和材料基质中存在缺陷有关，可以解释为，在激发过程材料吸收的一部分能量以电子或空穴的形式储存到陷阱中，激发停止后，室温的热扰动作用使电子或空穴回到激发态能级复合产生发光现象。研究已经比较成熟的长余辉发光材料基

6、质主要有硫化物、铝酸盐、硅酸盐。..2.2长余辉发光材料的几个主要特征参数长余辉发光材料的主要特征参数为：激发光谱、发射光谱、发光衰减、初始亮度、余辉时间、热释光谱。激发光谱在发光材料的发光光谱中，某一谱线（或谱带）的发光强度随着激发光波长的改变而发生变化的曲线。这是一个重要的发光性能，它反映了在发光材料所吸收的激发光波长中，哪些波长的激发光对该材料的发光更有效。发射光谱发光材料的发光能量按波长的分布，也称为发光光谱。某一材料的发射光谱是在某一特定波长的光（保持强度不变）激发下测量其发光强度随波长变化的曲

7、线。发射光谱的组成主要取决于发光中心的结构，若光谱由多个发光带组成，则不同的发光带由不同的发光中心决定。发射光谱的形状一般都符合高斯分布，但是有些发光带中会出现平台或翅膀，这种光谱大多是由两个发光带相叠加形成的。发光衰减发光材料在激发停止后，仍能持续发光，只是发光强度逐渐减弱，直到发光完全消失，这种现象也称为余辉。从物理意义上讲，材料的余辉发光是指激发停止后，电子从陷阱能级中被热能释放并和离化中心复合，直到陷阱中没有电子再释放的过程。发光衰减特性与材料有关，有些材料衰减很快（短于10-8s），有些材料衰减

8、很慢（达到数千分钟）。初始亮度指光激发停止后，材料在零时刻所发出的光的强度，单位mcd/m2.初始亮度标志着材料余辉发光过程的开始，因此可以把它作为评价长余辉材料的发光性能的优劣的一个重要参数。余辉时间光激发停止后，在一定温度（一般是室温）下黑暗环境中余辉材料的发光亮度衰减到肉眼能够分辨的最低亮度（0.32mcd/m2）时所需要的时间。余辉时间是判断长余辉材料储光性能的一个重要参数。根据余辉时间长短对余辉材料进行分类如下：超短