稀土發(fā)光材料課件

稀土發(fā)光材料*************稀土發(fā)光材料的基本介紹

稀土發(fā)光是由稀土4f電子在不同能級間躍出而產(chǎn)生的，因激發(fā)方式不同，發(fā)光可區(qū)分為光致發(fā)光、陰極射線發(fā)光、電致發(fā)光、放射性發(fā)光、X射線發(fā)光、摩擦發(fā)光、化學(xué)發(fā)光和生物發(fā)光等。

稀土發(fā)光具有吸收能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)換效率高，可發(fā)射從紫外線到紅外光的光譜，特別在可見光區(qū)有很強(qiáng)的發(fā)射能力等優(yōu)點。稀土發(fā)光材料已廣泛應(yīng)用在顯示顯像、新光源、X射線增光屏等各個方面。稀土發(fā)光材料的發(fā)光原理

物質(zhì)發(fā)光現(xiàn)象大致分為兩類：一類是物質(zhì)受熱，產(chǎn)生熱輻射而發(fā)光；另一類是物體受激發(fā)吸收能量而躍遷至激發(fā)態(tài)(非穩(wěn)定態(tài))在返回到基態(tài)的過程中，以光的形式放出能量。以稀土化合物為基質(zhì)和以稀土元素為激活劑的發(fā)光材料多屬于后一類，即稀土熒光粉。稀土元素原子具有豐富的電子能級，稀土化合物的發(fā)光是基于它們的4f電子在f-f組態(tài)之內(nèi)或f-d組態(tài)之間的躍遷。1光致發(fā)光材料燈用發(fā)光材料自70年代末實用化以來，促使稀土節(jié)能熒光燈、金屬鹵化物燈向大功率、小型化、低光衰、高光效、高顯色、無污染、無頻閃、實用化、智能化等方面發(fā)展。這些發(fā)光燈主要被用于照明、復(fù)印機(jī)光源、光化學(xué)光源等由發(fā)射紅、綠、藍(lán)3種含稀土的熒光粉(即三基色熒光粉)按一定比例混合制成的節(jié)能燈。由于其光效高于白熾燈數(shù)倍，光色也好，被長期用于辦公室、百貨商店和工廠中的照明中。1光致發(fā)光材料①汞燈稀土熒光粉用于高壓汞燈中已有多年。此燈的原理是利用氬氣在汞蒸氣中的放電作用，它的光強(qiáng)度高于熒光燈。所有銪激活的鋇酸釔熒光粉起改善光色作用。高壓汞燈主要應(yīng)用于街道和工廠照明。但是，近年來鈉放電燈和金屬鹵化物HQT燈已代替了高壓汞燈，它的市場已衰落。鈉放電燈和金屬鹵化物HCrr燈比汞燈的顏色再現(xiàn)性好，發(fā)射出的光色與天然光相似的白光。將鈰激活的鋇酸釔熒光粉混人，制成40OW的暖色汞燈，光通量為25500lm，色溫3350K，比普通汞燈的穩(wěn)定性好、效率高。1光致發(fā)光材料②碳弧燈稀土氟化物加人到棒芯中，使弧光強(qiáng)度提高到10倍，同時弧光顏色由淺黃色變?yōu)榻咏展馍?。這種碳弧燈用作探照燈以及彩色電影攝像和放映。1光致發(fā)光材料采用稀土鋁酸鹽為原料，通過三種窄譜帶稀土熒光材料的合成，可制成27007000K的各種熒光燈，比普通白熾燈節(jié)電80％，如一只16w的節(jié)能燈，亮度相當(dāng)于8Ow的白熾燈。利用三基色稀土熒光材料生產(chǎn)的節(jié)能燈，其光效、光色、發(fā)光時間等指標(biāo)均達(dá)到國際同類產(chǎn)品水平，而成本僅為國際同類產(chǎn)品的60％。三基色稀土熒光材料生產(chǎn)技術(shù)科技含量高、產(chǎn)品附加值高、投資少、見效快，且無三廢、無污染，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。2陰極射線發(fā)光材料

彩電顯像管和計算機(jī)和計算機(jī)顯示器使用的稀土發(fā)光材料屬陰極射線發(fā)光材料。目前彩管中紅粉普遍使用的是銪激活的硫氧化釔Y2O2S:Eu磷光體，粒度6-8μm，計算機(jī)顯示器要求發(fā)光材料提供高亮度、高對比度和清晰度，其紅粉也采用Y2O2S:Eu,但Eu含量要高一些，綠粉為TB3+激活的稀土硫氧化物Y2O2S:Tb，Dy及Gd2O2S:Tb，Dy高效綠色熒光體，粒度為4-6μm。大屏幕投影電影紅粉也為Y2O2S:Eu，綠粉為Tb激活的稀土發(fā)光材料如：釔鋁石榴石YAG:Tb和釔鋁稼石榴石YAGG:Tb，大屏幕投影電視因需要高電流密度激發(fā)，外屏溫度高，要求發(fā)光材料能量轉(zhuǎn)換效率盡可能高，溫度淬滅特性好，亮度與電流呈線性關(guān)系，電流飽和特性好，且性能穩(wěn)定。投影電視用熒光粉每年可消費(fèi)數(shù)噸稀土氧化物。2陰極射線發(fā)光材料一般節(jié)能燈用三基色發(fā)光材料的紅粉量子效率為90％，而等離子顯示(PDP)的稀土發(fā)光材料的紅粉量子效率必須達(dá)到100％以上，才能達(dá)到實際應(yīng)用。實踐證明，一些稀土硼酸鹽和氟化物具有高的發(fā)光效率和穩(wěn)定性，因此可以選擇以硼酸鹽和氟化物作為基質(zhì)的稀土發(fā)光材料。3電致發(fā)光材料等離子顯示屏中大都采用稀土熒光粉。因此，在等離子顯示屏取代了今天的電視后，對稀土熒光粉的需求將大大增加，其用量將是同尺寸陰極射線管的1．5倍。目前陰極射線管中只有紅粉采用稀土熒光粉，而等離子顯示屏中三色均有使用稀土的可能。待等離子顯示屏普及后，屏幕尺寸也將增大。4增感屏

醫(yī)用x射線照相時，為將x射線圖像轉(zhuǎn)換為可視圖像，需使用增感屏。增感屏也有多種，其中高靈敏度增感屏使用Cd202S：Tb熒光粉。與其它熒光粉相比，Gd202S：Tb可通過x射線勵磁發(fā)出高效率的白光或綠光。估計這種熒光粉在日本的年產(chǎn)量為20t左右。

目前稀土發(fā)光材料，在照明、顯示、信息等方面已獲得廣泛的應(yīng)用，成為人類生活中不可缺少的重要組成部分。日本稀土熒光材料的生產(chǎn)、消費(fèi)和出口均居世界前列，年產(chǎn)各種稀土熒光粉530t，主要消費(fèi)領(lǐng)域為三基色熒光燈(約占62％)、彩電和計算機(jī)用陰極射線管(CRT)(約占34％)、x射線增感屏(約占3．7％)。稀土離子發(fā)光材料的在生物醫(yī)學(xué)和能源領(lǐng)域的應(yīng)用1閃爍體2太陽能電池方面的潛在應(yīng)用2太陽能電池方面的潛在應(yīng)用人們通過在太陽能電池表面附上含稀土的光轉(zhuǎn)換材料來拓寬太陽能電池對太陽光譜的響應(yīng)范圍，從而提高硅太陽能電池的整體轉(zhuǎn)換效率。Yb3+的能級結(jié)構(gòu)較簡單，對應(yīng)的發(fā)射在1000nm附近。此激發(fā)態(tài)可發(fā)出一個約1000nm的光子，它正好被硅太陽能電池所吸收。如實現(xiàn)下轉(zhuǎn)換的組合Yb3+一Pr3+、Pr2+一Pr3+等，對組合Pr3+-Yb3+來說，Pr3+吸收一個光子而處于3P。(約處在20000cm)，當(dāng)它把一部分能量交給鄰近的Yb抖時自己則處于中間態(tài)1G4(約處于10000cm)，而使Yb3+處于激發(fā)態(tài)；處于中間態(tài)的Pr抖回到基態(tài)的過程中將能量傳給另一個鄰近的Yb3+，同樣可使Yb3+處于激發(fā)態(tài)。此時位于激發(fā)態(tài)的Yb3+回到基態(tài)時，可放出2個約1000