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稀土上转换发光材料浅谈 　　摘 要：本文简要介绍了稀土上转换发光材料基质选择、制备方法以及应用。 　　关键词：稀土元素；上转换发光；氟化物 　　中图分类号：TQ050.4 文献标识码：A 　　引言 　　稀土元素作为典型的金属元素，在各种发光材料中，稀土元素构成的发光材料的优越性都远远超过其它元素。这些稀土元素都具有广阔的应用前景，可广泛应用于发光涂料、激光、通信等领域。另一方面，稀土元素组成的化合物可以与高新材料结合，形成新型工业材料。 　　1 发光及发光材料 　　物质在热辐射之外以光的形式发射出多余的能量，而这种多余能量的发射过程具有一定的持续时间，这一过程就是发光[1]。 　　发光材料按组成可分为有机发光材料和无机发光材料。由于有机发光材料种类多，发光色彩丰富，纯度高并且可以通过设计不同的分子结构使其发光范围可调，所以在发光领域备受人们的关注。无机发光材料的物理化学性质比较稳定，最常见并且研究最广泛的为稀土发光材料。稀土发光材料的特点是吸收能力强，转换效率高，稀土离子具有丰富的能级，其4f电子在众多能级间跃迁可产生不同波段的光，尤其在肉眼可见的范围内，发射能力极强。 　　2 稀土上转换发光及发光材料 　　大部分发光都遵循StokeS定律，即激发光的光子能量高于发射光的光子能量，或者说发射光的波长比激发光的波长更长[2]。遵循这一定律的发光被称为Stokes发光，或者下转换发光。所谓上转换发光是指吸收低能量光经过多光子组合而发射出高能量的单光子[3]，而这种吸收光能量小于发射光能量的现象却与Stokes发光现象正好相反，所以上转换发光也称为反Stokes发光，上转换发光材料也称为反Stokes定则发光材料。 　　2.1 稀土上转换离子 　　不是所有的离子都可以用作上转换发光材料的激活剂或敏化剂。理论上，除了La3+、Ce3+、Yb3+和Lu3+以外的所有镧系离子都可以用作激活剂离子。另外，一些锕系离子和过渡金属离子也可以用作激活剂离子，如U4+、U3+、Cr3+、Ni2+和Mo3+等。然而，目前研究最多的主要是镧系离子中的Er3+、Tm3+、Ho3+和Pr3+。这是因为（l）它们具有丰富的能级且亚稳态能级的寿命较长，为输出高效的上转换发光提供了前提条件；（2）它们在红外或近红外波段有很好的吸收，且与常用的敏化剂离子Yb3+之间存在高的能量传递效率，从而容易实现高效的上转换发光；（3）源自这些离子的发光受晶场的影响很小[4]，均呈现很窄的谱带，非常有利于特殊领域的应用，如固体激光器、荧光/防伪探针等；（4）稀土离子的发光相对于非稀土离子来说更有利于发光理论的研究[5]。并且，激活剂离子它也可以是两种或两种以上离子，并不仅仅局限于一种离子。通过研究人员对不同激活剂离子产生不同波长发光的特性的研究，同时掺杂几种激活剂离子己经获得了包括白光在内的多种颜色的发光，并且，可以预计只要通过仔细调节掺杂离子的种类和浓度完全可以得到所有颜色发光。对于敏化剂离子而言，第一，它应该在激发波段具有较大的振子强度，或者说吸收强度，第二，它的发射光谱与激活剂离子的吸收光谱之间应有较大的光谱重叠，第三，敏化剂离子与激活剂离子之间应该存在相互作用，如电子交换相互作用或多极-多极相互作用。Yb3+是上转换发光材料中应用最多的敏化剂离子，因为（l）它在950-1000nm的近红外波段具有非常大的吸收强度，据Ribeiro报导其吸收系数是Er3+的4倍以上；（2）Yb3+只有一个激发态2F5/2，从而决定了它在离子晶格中具有非常高的量子效率，接近于100%；（3）其近红外发射光谱与主要的激活剂离子Er3+、Tm3+、Ho3+和Pr3+的吸收光谱皆有很大的光谱重叠，能够有效地吸收泵浦能量并通过电偶极-电偶极相互作用传递能量给这些激活剂离子。 　　上转换发光材料对基质材料的选取也有很高的要求。尽管通过增大泵浦激光功率，稀土离子在很多材料中都可以实现上转换发光，但是因为相同激活剂离子在不同基质材料中的发光强度差别非常大，最大相差8个数量级，所以为了得到真正满足实际应用的上转换发光材料，必须选择适当的基质材料。 　　3 上转换发光材料的制备方法 　　以稀土氟化物为基质的上转换发光材料具有优良的光学性能，然而其制备过程复杂、成本高。随着纳米材料制备技术的发展，稀土氟化物上转换发光纳米材料的合成取得了长足的发展，涌现出了各种合成方法也。目前，具有代表性的而且应用比较广泛的合成方法主要有以下几个大类：高温固相法、溶胶-凝胶法、水热法和共沉淀法等方法。 　　在这些方法中，有些方法的特点是需要在合成过程中加入有机配体来调节粒子的成核、生长，从而控制粒子的尺寸、形貌以及其分散稳定性，而具体实验制备过程随着合成方法不同而各有差异且都有各自的特点