稀土發光材料

稀土發光材料（Rare Earth Luminescent Materials）是由稀土4f電子在不同能級間躍出而產生的，因激發方式不同，發光可區分為光致發光(photoluminescence）、陰極射線發光(cathodluminescence）、電致發光(electroluminescence）、放射性發光(radiation luminescence）、X射線發光(X-ray luminescence）、摩擦發光（triboluminescence）、化學發光（chemiluminescence）和生物發光（bioluminescence）等。稀土發光具有吸收能力強，轉換效率高，可發射從紫外線到紅外光的光譜，特別在可見光區有很強的發射能力等優點。稀土發光材料已廣泛套用在顯示顯像、新光源、X射線增光屏等各個方面。

基本介紹

• 中文名：稀土發光材料
• 外文名：rare earth luminescent material
• 光源：日光燈Ca5(PO4）3(Cl,F)
• 黑光燈YPO4：Ce,Th;MgSrBF3
• 顯示：數字元號顯示發光二極體（LED)

簡介

在稀土功能材料的發展中，尤其以稀土發光材料格外引人注目。稀土因其特殊的電子層結構，而具有一般元素所無法比擬的光譜性質，稀土發光幾乎覆蓋了整個固體發光的範疇，只要談到發光，幾乎離不開稀土。稀土元素的原子具有未充滿的受到外界禁止的4f5d電子組態，因此有豐富的電子能級和長壽命激發態，能級躍遷通道多達20餘萬個，可以產生多種多樣的輻射吸收和發射，構成廣泛的發光和雷射材料。隨著稀土分離、提純技術的進步，以及相關技術的促進，稀土發光材料的研究和套用得到顯著發展。發光是稀土化合物光、電、磁三大功能中最突出的功能，受到人們極大的關注。就世界和美國24種稀土套用領域的消費分析結果來看，稀土發光材料的產值和價格均位於前列。中國的稀土套用研究中，發光材料占主要地位。

稀土化合物的發光是基於它們的4f電子在f-f組態之內或f-d組態之間的躍遷。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，它們可以發射從紫外光、可見光到紅外光區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光寶庫，從中可發掘出更多新型的發光材料。

稀土發光材料的套用會給光源帶來環保節能、色彩顯色性能好及長壽命的作用，有利於推動照明顯示領域產品的更新換代。我國稀土發光材料行業緊跟國際稀土發光材料研發和套用的發展潮流，與下游產業之間建立了良好的市場互動機制，成為節能照明和電子信息產業發展過程中不可或缺的基礎材料。除上述領域外，稀土發光材料還被廣泛套用於促進植物生長、紫外消毒、醫療保健、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，套用領域不斷得到拓展。

製造方法

⑴氣相法

氣體冷凝法；真空蒸發法；濺射法；化學氣相沉積法（CVD）；電漿法；化學氣相輸運法等。

⑵固相法

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法；低溫燃燒合成法；衝擊波化學合成法；機械合金化法等。

⑶液相法

沉澱法；均相沉澱法；共沉澱法；化合物沉澱法；熔鹽法；水熱氧化法；水熱沉澱法；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；相轉變法；氣溶膠法；噴霧熱解法；包裹沉澱法；溶膠-凝膠法；微乳液法；微波合成法等。

主要套用

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：數字元號顯示 發光二極體（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雷射：固體雷射材料 YAG:Nd3+; YAP:Nd3+; YLF:Nd3+

玻璃雷射材料 摻Nd3+矽酸鹽、硼酸鹽和磷酸鹽玻璃。

化學計量雷射 PrCl3; NdP5O14; NdLiP4O12; NdKP4O12; NdK3(PO4）2; NdAl3(BO3）4; NdK5(MoO4）4。

液體雷射 Eu3+激活的苯醯丙酮（BA）、二苯醯甲烷（DBM）、三氟乙醯丙酮（TFA）和苯三氟丙酮（BTFA）等。

氣體雷射 Sm(I),Eu(I),Eu（Ⅱ），Tm(I),Yb(I),Yb（Ⅱ），Yb等金屬蒸氣。

優點

稀土發光材料具有很多優點：發光譜帶窄，色純度高，色彩鮮艷；光吸收能力強，轉換效率高；發射波長分布區域寬；螢光壽命從納秒跨越到毫秒達6個數量級；物理和化學性能穩定，耐高溫，可承受大功率電子束、高能輻射和強紫外光的作用。正是這些優異的性能，使稀土化合物成為探尋高新技術材料的主要研究對象。稀土發光材料廣泛套用於照明、顯示、顯像、醫學放射圖像、輻射場的探測和記錄等領域，形成了很大的工業生產和消費市場規模，並正在向其他新興技術領域擴展。

稀土套用

中國擁有發展稀土套用的得天獨厚的資源優勢，在已查明的世界稀土資源中，80%的稀土資源在中國，並且品種齊全。從1986年起，中國稀土產量已經躍居世界第一位，使中國從稀土資源大國變成稀土生產大國。無論是儲量、產量，還是出口量，中國在世界稀土市場上占有舉足輕重的地位。在中國稀土事業迅速發展的同時，應該清醒的看到，中國在稀土深加工方面，在稀土功能材料的開發和套用技術方面並不站在世界前列，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。中國稀土資源利用的特點是，一方面出口原料和粗產品；另一方面卻在進口產品和精製品。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，而稀土發光材料的研究將是它的一個主攻方向。