3-1稀土发光和激光材料.ppt

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1、第三章稀土发光和激光材料3.1发光材料及其发光性能3.2稀土的发光特点3.3发光材料的主要类型3.4阴极射线发光材料3.5稀土光致发光材料3.6稀土激光材料11.固体的发光某一固体化合物受到光子、带电粒子、电场或电离辐射的激发，会发生能量的吸收、存储、传递和转换过程。如果激发能量转换为可见光区的电磁辐射，这个物理过程称为固体的发光。3.1发光材料及其发光性能2发光材料由基质和激活剂组成，在一些材料中，还掺入其它杂质离子来改善发光性能。基质：作为材料主体的化合物；激活剂：作为发光中心的少量惨杂离子。3发光是一种宏观现象，但

2、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。4⑴固体发光与晶体内部结构晶体中的能带有价带、导带、禁带。但是，在实际晶体中，可能存在杂质原子或晶格缺陷，局部地破坏了晶体内部的规则排列，从而产生一些特殊的能级，称为缺陷能级。5价带（基态电子的能量水平）导带（被激发电子的能量水平）禁带缺陷能级辐射的光能取决于电子跃迁前后电子所在能级的能量差电子辐射的光能≤激发时吸收的能量作为发光材料的晶体，往往有目的地掺杂其它杂质离子以构成缺陷能级，它们对晶体的发光起着关键作用。7发光是去激发的一种方式。晶

3、体中电子的被激发和去激发互为逆过程。被激发和去激发可能在价带、导带和缺陷能级中任意两个之间进行。8被激发和去激发发生的过程如下：①价带与导带之间；②价带与缺陷能级之间；③缺陷能级与导带之间；④两个不同能量的缺陷能级之间。9电子在去激发跃迁过程中，将所吸收的能量释放出来，转换成光辐射。辐射的光能取决于电子跃迁前后所在能带(或能级)之间的能量差值。10在去激发跃迁过程中，电子也可能将一部分能量转移给其它原子，这时电子辐射的光能小于激发能量。11⑵发光过程固体发光的物理过程示意图如下：其中，M表示基质晶格；A和S为掺杂离子；并

4、假设基质晶格M的吸收不产生辐射。12这时，基质晶格M吸收激发能，传递给掺杂离子，使其上升到激发态，它返回基态时可能有以下三种途径：13①以热的形式把激发能量释放给邻近的晶格，称为“无辐射弛豫”，也叫荧光猝灭；②以辐射形式释放激发能量，称“发光”；14③S将激发能传递给A，即S吸收的全部或部分激发能由A产生发射而释放出来，这种现象称为“敏化发光”，A称为激活剂，S通常被称为A的敏化剂。15⑶荧光和磷光激活剂吸收能量后，激发态的寿命极短，一般大约仅10-8s就会自动地回到基态而放出光子，这种发光现象称为荧光。撤去激发源后，荧

5、光立即停止。16被激发的物质在切断激发源后仍能继续发光，这种发光现象称为磷光。有时磷光能持续几十分钟甚至数小时，这种发光物质就是通常所说的长余辉材料。17即：“荧光”指的是激发时的发光，而“磷光”指的是发光在激发停止后，可以持续一段时间。183.2稀土的发光特点发光的本质是能量的转换，稀土之所以具有优异的发光性能，就在于它具有优异的能量转换功能，而这又是由其特殊的电子层结构决定的。19稀土的发光和激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的。在f组态内不同能级之间的跃迁称为f－f跃迁；在f和d组态之间的跃迁

6、称为f－d跃迁。其光谱大概有30000条。+3价稀土离子的发光特点①具有f--f跃迁的发光材料的发射光谱呈线状，色纯度高；②荧光寿命长；③由于4f轨道处于内层，材料的发光颜色基本不随基质的不同而改变；④光谱形状很少随温度而变，温度猝灭小，浓度猝灭小。21在+3价稀土离子中，Y3+和La3+无4f电子，Lu3+的4f亚层为全充满的，都具有密闭的壳层，因此它们属于光学惰性的，适用于作基质材料。22从Ce3+到Yb3+，电子依次填充在4f轨道，从f1到f13，其电子层中都具有未成对电子，其跃迁可产生发光，这些离子适于作为发光

7、材料的激活离子。23非正常价态稀土离子的光谱特性价态的变化是引发、调节和转换材料功能特性的重要因素，发光材料的某些功能往往可通过稀土价态的改变来实现。①+2价态稀土离子的光谱特性②+4价态稀土离子的光谱特性24①+2价态稀土离子的光谱特性+2价态稀土离子(RE2+)有两种电子层构型：4fn-15d1和4fn。4fn-15dl构型的特点是5d轨道裸露于外层，受外部场的影响显著。254fn-15dl→4fn(即d--f跃迁)的跃迁发射呈宽带，强度较高，荧光寿命短，发射光谱随基质组成、结构的改变而发生明显变化。与RE3+相比

8、，RE2+的激发态能级间隔被压缩，最终导致最低激发态能量降低，谱线红移。26②+4价态稀土离子的光谱特性+4价态稀土离子和与其相邻的前一个+3价稀土离子具有相同的4f电子数目。例如，Ce4+和La3+，Pr4+和Ce3+，Tb4+和Gd3+等。27+4价态稀土离子的电荷迁移带能量较低，吸收峰往往移到可见光区。如Ce4