4-1稀土发光与激光材料.ppt

第四章 稀土发光和激光材料Chapter 4 Rare earth luminescence and laser materials 第一节 发光材料及其发光性能 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组态之间的跃迁称为f－d跃迁。其光谱大概有30000条。 由于很多稀土离子具有丰富的能级和它们的4f电子跃迁特性，使稀土成为一个巨大的发光宝库。 一、发光材料的基本概念 1.发光现象及发光材料 发光是物质将某种方式吸收的能量转化为光辐射的过程，是热辐射之外的另一种辐射。 固体发光：固体化合物受到光子、带电粒子、电场或电离辐射点激发，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离辐射，这个过程称为固体发光。 荧光：激活剂吸收能量后，激发态的寿命极短，一般大约为10-8s就会自动地回到基态而放出光子，这种发光现象成为荧光。 撤去激发源后，荧光立即停止。 磷光：如果被激发的物质在切断激发源后仍然继续发光，成为磷光。有时磷光体能持续长达几分钟甚至几小时的发光，这种发光体则称为长余辉发光材料。 根据激发方法可将发光材料分为： （1）光致发光材料： 用紫外光、可见光或红外激发发光材料而产生的发光现象称为光致发光。分为荧光灯用发光材料、长余辉发光材料和上转换发光材料等。 （2）电致发光材料：在直流或交流电厂作用下，依靠电流和电厂的激发使无机材料发光的现象称为电致发光。电致发光是将电能直接转换成光。 （3）阴极射线致发光材料: 这是一类在阴极射线激发下能发光的材料。用电子束激发时，其电子能量通常在几千电子伏特以上甚至几万电子伏特，而光致发光时，紫外线光子能量仅5～6eV甚至更低，因此光致发光材料在电子束激发下都能发光，甚至有些材料没有光致发光，但却有阴极射线发光。这类发光材料一般用于电子束管用荧光粉，其产量仅次于灯用荧光粉。 （4）X射线发光材料： 由X射线来激发发光材料产生发光的现象。X射线致发光材料主要分为直接观察屏发光材料、X射线增感屏发光材料和X射线断层扫描荧光粉。 （5）放射线发光材料：由放射性物质蜕变时放出的α粒子、β粒子和γ射线激发而发光的物质称为放射线发光材料。 激活发光材料的紫外线能量可以直接被发光中心吸收（激活剂或杂质吸收），也可以被发光材料的基质所吸收（本征吸收）。 在第一种情况下，吸收或伴有激活剂的电子壳层内的电子向较高能级跃迁，或电子与激活剂完全脱离及激活剂跃迁到离子态； 在第二种情况下，基质吸收能量时，在基质中形成空穴和电子，空穴可能沿晶体移动，并被束缚在各个发光中心上。辐射是由于电子返回到较低能级或电子和离子中心（空穴）再结合（复合）所致。某些材料的发光（能量的吸收和能量的辐射）只和发光中心内的电子跃迁有关，这种材料称为“特征性”发光材料。 过渡金属和稀土金属离子以及类汞离子是这种发光材料的激活剂。通常基质晶体对中心内电子跃迁影响不大，因此激发光谱和发光光谱主要取决于激活剂的特征。 3.基质和激活剂 非激活发光：某些无机物之所以具有发光性能是基质晶格里产生的结构缺陷和杂质缺陷有关。由于发光材料基质的热歧化作用出现的结构缺陷所引起的发光称为非激活发光（自激活发光），产生这种发光不需加激活杂质。 激活发光：在高温下向基质晶格中掺入另一种元素的粒子或原子时会出现杂质缺陷，由这种缺陷引起的发光称为激活发光，而激活杂质称为激活剂。 实际上非常重要的发光材料大部分是激活型的。这类发光材料中的微量杂质一般都是充当发光中心的。 4.发光材料的化学表示式 MR:A 当必须指出发光材料的定量组成时（以%计） 如：ZnS(60), CdS（40）， Ag（0.02） ZnS:Ag（0.02）、NaCl（2）800℃ 当稀土离子吸收光子或X射线等能量以后，4f电子可从能量低的能级跃迁至能量高的能级；当4f电子从高的能级以辐射驰豫的方式跃迁至低能级时发出不同波长的光，两个能级之间的能量差越大，发射的波长越短。 2. 发光材料的发展历史和应用 　　稀土元素无论被用作发光（荧光）材料的基质成分，还是被用作激活剂，共激活剂，敏化剂或掺杂剂，所制成的发光材料，一般统称为稀土发光材料或稀土荧光材料。 20世纪60年代是稀土离子发光及其发光材料基础研究和应用发展的划时代和转折点。 1964年，高效YVO4∶Eu和Y2O3∶Eu红色荧光粉和1968年Y2O2S∶Eu红色荧光粉的发明，并很快被应用于彩色电视显象管（CRT）中。 在20世纪70年代以前，我国稀土发光及材