新式稀土離子摻雜發(fā)光材料制備與概述

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1、新式稀土離子摻雜發(fā)光材料制備與概述第1章緒論1.1引言光是人眼能感覺到的波長在一定范圍內(nèi)的電磁波。發(fā)光是物質(zhì)內(nèi)部以某種形式吸收的能量轉(zhuǎn)化為光輻射的過程，這種輻射是指非平衡輻射。發(fā)光材料是獲得發(fā)光的物質(zhì)基礎(chǔ)，產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象的物質(zhì)可以是固體、液體和氣體，其中研究最廣泛的是固體發(fā)光材料，尤其是晶態(tài)發(fā)光材料。發(fā)光材料的化學(xué)組成和晶格結(jié)構(gòu)對發(fā)光性能有很大影響，影響材料發(fā)光性能的因素有很多，其中摻雜和缺陷的影響最為明顯。發(fā)光材料有兩部分組成：基質(zhì)，激活劑?；|(zhì)是指自身或經(jīng)過摻雜可以發(fā)光的物質(zhì)；激活劑是對某種特定的基質(zhì)材

2、料起激活作用使發(fā)光很微弱或原來不發(fā)光的物質(zhì)發(fā)光的雜質(zhì)。過渡族金屬和稀土離子多以激活劑的形式出現(xiàn)。在有些情況下可以摻入另一種雜質(zhì)作為敏化劑或輔助激活劑，其中輔助激活劑在基質(zhì)中存在微弱的發(fā)光或不發(fā)光，但是卻可以對激活劑發(fā)光的強(qiáng)度尤其是余輝壽命產(chǎn)生重要的影響。任何形式的發(fā)光都存在著衰減過程，表現(xiàn)為余輝現(xiàn)象，只是衰減過程的時間長短不同，有的可短于10-8s，有的很長，可達(dá)數(shù)分鐘甚至數(shù)小時。后者即為我們所說的長余輝現(xiàn)象。稀土元素獨特的結(jié)構(gòu)決定了其具有特殊的發(fā)光特性。稀土熒光粉具有下面幾個優(yōu)點：(1)受激發(fā)時有很強(qiáng)的

3、能量吸收能力，且轉(zhuǎn)換效率高。稀土熒光粉的光譜范圍涉及從紫外光到近紅外光的光譜，其中發(fā)射能力最強(qiáng)的為可見光區(qū)。發(fā)射光的熒光壽命從納秒到毫秒，跨越6個數(shù)量級；(2)生產(chǎn)的過程中無毒、無污染，符合綠色環(huán)保的要求；(3)稀土熒光粉的抗老化性能好，表現(xiàn)為發(fā)光壽命長；(4)與其它的熒光粉相比，稀土熒光粉的成本低，易于生產(chǎn)、效益顯著，目前稀土高新技術(shù)開發(fā)已引起世界各國政府和公司的關(guān)注[1-5]。..1.2稀土發(fā)光材料表1為原子序數(shù)為21，39和57-71的元素名稱、符號和內(nèi)外層電子結(jié)構(gòu)。一般把表1中所列的17個元素稱為

4、稀土元素。從表中可以看出表中元素的特點是原子具有未填滿的4f或d電子層，這一結(jié)構(gòu)特點使得他們能夠產(chǎn)生豐富的電子能級。稀土元素原子容易失去電子形成+3價或+2價稀土離子，大部分稀土以+3價離子形式存在，少數(shù)稀土以+2價離子形式存在。其中+3價離子容易發(fā)生f-f禁戒躍遷發(fā)射線狀光譜，+2價離子容易發(fā)生f-d允許躍遷產(chǎn)生寬帶發(fā)射。稀土元素在發(fā)光材料中發(fā)揮著舉足輕重的作用，給高新技術(shù)、光電子技術(shù)提供了優(yōu)越的發(fā)光材料[6]。一般把與稀土元素有關(guān)的發(fā)光材料統(tǒng)稱為稀土發(fā)光材料。稀土發(fā)光材料的發(fā)光歸基于稀土離子4f電子層

5、產(chǎn)生4f-4f禁戒躍遷或4f-5d允許躍遷，躍遷時能量以光子形式釋放，因此可以發(fā)射從紫外光到紅外光區(qū)的各種波長的光[7]。.第2章長余輝發(fā)光的理論基礎(chǔ)2.1長余輝發(fā)光材料長余輝發(fā)光材料可以定義為光激發(fā)停止后可見光發(fā)光仍能持續(xù)幾分鐘到幾小時的熒光材料，是一類重要的光-光轉(zhuǎn)換和節(jié)能材料。上述長余輝發(fā)光性能是和材料基質(zhì)中存在缺陷有關(guān)，可以解釋為，在激發(fā)過程材料吸收的一部分能量以電子或空穴的形式儲存到陷阱中，激發(fā)停止后，室溫的熱擾動作用使電子或空穴回到激發(fā)態(tài)能級復(fù)合產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。研究已經(jīng)比較成熟的長余輝發(fā)光材料基

6、質(zhì)主要有硫化物、鋁酸鹽、硅酸鹽。..2.2長余輝發(fā)光材料的幾個主要特征參數(shù)長余輝發(fā)光材料的主要特征參數(shù)為：激發(fā)光譜、發(fā)射光譜、發(fā)光衰減、初始亮度、余輝時間、熱釋光譜。激發(fā)光譜在發(fā)光材料的發(fā)光光譜中，某一譜線（或譜帶）的發(fā)光強(qiáng)度隨著激發(fā)光波長的改變而發(fā)生變化的曲線。這是一個重要的發(fā)光性能，它反映了在發(fā)光材料所吸收的激發(fā)光波長中，哪些波長的激發(fā)光對該材料的發(fā)光更有效。發(fā)射光譜發(fā)光材料的發(fā)光能量按波長的分布，也稱為發(fā)光光譜。某一材料的發(fā)射光譜是在某一特定波長的光（保持強(qiáng)度不變）激發(fā)下測量其發(fā)光強(qiáng)度隨波長變化的曲

7、線。發(fā)射光譜的組成主要取決于發(fā)光中心的結(jié)構(gòu)，若光譜由多個發(fā)光帶組成，則不同的發(fā)光帶由不同的發(fā)光中心決定。發(fā)射光譜的形狀一般都符合高斯分布，但是有些發(fā)光帶中會出現(xiàn)平臺或翅膀，這種光譜大多是由兩個發(fā)光帶相疊加形成的。發(fā)光衰減發(fā)光材料在激發(fā)停止后，仍能持續(xù)發(fā)光，只是發(fā)光強(qiáng)度逐漸減弱，直到發(fā)光完全消失，這種現(xiàn)象也稱為余輝。從物理意義上講，材料的余輝發(fā)光是指激發(fā)停止后，電子從陷阱能級中被熱能釋放并和離化中心復(fù)合，直到陷阱中沒有電子再釋放的過程。發(fā)光衰減特性與材料有關(guān)，有些材料衰減很快（短于10-8s），有些材料衰減

8、很慢（達(dá)到數(shù)千分鐘）。初始亮度指光激發(fā)停止后，材料在零時刻所發(fā)出的光的強(qiáng)度，單位mcd/m2.初始亮度標(biāo)志著材料余輝發(fā)光過程的開始，因此可以把它作為評價長余輝材料的發(fā)光性能的優(yōu)劣的一個重要參數(shù)。余輝時間光激發(fā)停止后，在一定溫度（一般是室溫）下黑暗環(huán)境中余輝材料的發(fā)光亮度衰減到肉眼能夠分辨的最低亮度（0.32mcd/m2）時所需要的時間。余輝時間是判斷長余輝材料儲光性能的一個重要參數(shù)。根據(jù)余輝時間長短對余輝材料進(jìn)行分類如下：超短