稀土發(fā)光的發(fā)展與前景

趙聰

（哈爾濱師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，哈爾濱 1 50025）

1 研究稀土發(fā)光材料的背景和意義

當(dāng)前的稀土發(fā)光材料種類眾多，我國的儲(chǔ)備含量也非?？捎^，因此我國對其領(lǐng)域也有很多貢獻(xiàn)。由于稀土元素發(fā)光主要是稀土離子中電子在不同能級(jí)中躍遷形成，在4f電子層有特殊的組態(tài)能級(jí)，并在f-f躍遷和f-d躍遷，可以產(chǎn)生大量的吸收和熒光信息。根據(jù)所測得光譜信息，對材料的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究［1］。在研究稀土發(fā)光材料中，高溫固相法多用于工業(yè)生產(chǎn)，但在研究材料的制備過程中，由于它制備出來的顆粒大、合成時(shí)間長等缺點(diǎn)，對于以后的納米材料的合成并不適合?；瘜W(xué)沉淀法制備簡單、經(jīng)濟(jì)、摻雜均勻，合成納米材料的效果比較理想，現(xiàn)在是研究納米發(fā)光材料的主要制備方法。水熱法和溶膠——凝膠法制備工藝復(fù)雜，制備周期長，但制備稀土摻雜的納米發(fā)光材料效果比較好。

為了實(shí)現(xiàn)LED白光照明，一種比較好的方法是利用光轉(zhuǎn)換熒光粉?，F(xiàn)在，近紫外芯片白光LED使用的紅色熒光粉多為高壓汞燈用熒光粉（例如Y2O2S:Eu和YVO4:Eu等），其最佳激發(fā)波長都在254nm左右。而紫外半導(dǎo)體芯片（如常見的IGaN基紫外發(fā)光二極管）的發(fā)射波長在370～400nm的近紫外波段。所以，現(xiàn)有的熒光粉在激發(fā)波長上與紫外芯片匹配得不好，致使紫外光到紅光的轉(zhuǎn)換效率較低，這就需要尋找新的紅色熒光粉體系，來滿足白光照明LED發(fā)展的需要［2］。大量研究報(bào)道表明，稀土摻雜堿土鎢鉬酸鹽體系紅色熒光粉，便是一類具有很大應(yīng)用潛力的白光LED用紅色熒光粉，對于新一代照明光源白光LED相關(guān)技術(shù)的研究具有重要的戰(zhàn)略意義和巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。誰突破了白光LED用紅色熒光粉的技術(shù)瓶頸，誰就將在未來照明光源的市場競爭中，處于非常有利的地位。我國是稀土和鎢鉬的資源大國，其儲(chǔ)量分別占世界總儲(chǔ)量的80%和51%，研究稀土發(fā)光，有利于這些資源在高科技領(lǐng)域中的開發(fā)和利用，對于繁榮我國經(jīng)濟(jì)具有特殊意義［3］。

2 稀土發(fā)光材料簡介

在紫外光、可見光和紅外光激發(fā)下具有發(fā)光現(xiàn)象的材料稱為光致發(fā)光材料。光致發(fā)光材料又可分為長余輝發(fā)光材料、熒光燈用熒光粉和上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料。目前具有使用價(jià)值的主要是紫外光激發(fā)的熒光粉，在發(fā)光二極管中可見光激發(fā)的發(fā)光材料也有一些應(yīng)用。早在20世紀(jì)30——40年代，銪、釤和鋱等稀土離子就被用作堿土金屬硫化物的激活劑，獲得了高效長余輝光致發(fā)光材料、紅外熒光體和綠色熒光體，并用于隱蔽照明和緊急照明、飛機(jī)的儀表盤顯示。但是，賦予稀土光致發(fā)光材料生命力的還是20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的燈用稀土三基色熒光體及緊湊型熒光燈的發(fā)展。這類材料一般用于照明器件，如高壓汞燈熒光粉、稀土三基色熒光粉、復(fù)印熒光粉等［4］。

3 稀土發(fā)光材料的制備

常見的氧化物體系熒光粉的制備方法有高溫固相法、溶膠——凝膠法、水熱合成法等，但這些方法在合成稀土發(fā)光材料時(shí)都存在一些缺點(diǎn)。例如固相法反應(yīng)溫度高（需要1100℃～1200℃燒結(jié)數(shù)小時(shí)），耗能嚴(yán)重；溶膠——凝膠法和水熱合成法工藝復(fù)雜，耗時(shí)長，合成一個(gè)樣品往往需要數(shù)天時(shí)間。因此筆者個(gè)人認(rèn)為較適合稀土發(fā)光材料的制備方法是化學(xué)沉淀法?；瘜W(xué)沉淀法的具體過程為：第一，稱量，根據(jù)配比用電子天平稱量出藥品。第二，溶解，通過硝酸溶解稀土化合物，使其變成溶液中的離子。第三，沉淀，制備出與溶液可以產(chǎn)生沉淀的化合物，倒入稀土溶液中，產(chǎn)生沉淀。第四，離心洗滌，通過離心機(jī)，分離出稀土沉淀物與可溶化合物，多次離心洗滌后，得到稀土化合物沉淀。第五，干燥與煅燒，將得到的沉淀物放入干燥箱中60℃～70℃干燥3～5h，拿出后放入馬沸爐中煅燒所需時(shí)間和溫度。第六，研磨，拿出樣品研磨均勻［5］。

4 稀土發(fā)光材料的測量及理論分析方法

通過XRD （X-Ray Diffraction）、SAED（Selected Area Electron Diffraction）以及FE-SEM（Field Emission Scanning Electron Microscopy）對樣品的形貌進(jìn)行表征，測量樣品的激發(fā)譜、發(fā)射譜，熒光衰減曲線和紅外與拉曼的測試。根據(jù)發(fā)射光譜繪制稀土離子的濃度猝滅曲線并確定其最佳摻雜濃度，通過發(fā)射光譜計(jì)算了樣品的部分躍遷強(qiáng)度參數(shù)和稀土離子在相應(yīng)能級(jí)的量子效率，算出稀土離子摻雜時(shí)樣品的色坐標(biāo)，與商品紅的色坐標(biāo)進(jìn)行比較等理論分析。通過以上理論分析可以得到不同的稀土離子在其相應(yīng)的波段激光可以有效激發(fā)，得到理想的有潛力的LED紅色熒光粉材料［6］。

5 結(jié)論

半導(dǎo)體照明可以達(dá)到節(jié)能目的，對新一代照明光源白光LED相關(guān)技術(shù)的研究具有巨大的戰(zhàn)略和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。誰突破了白光LED用紅色熒光粉的技術(shù)瓶頸，誰就將在未來照明光源的市場競爭中處于非常有利的地位。

［1］ 任艷東，呂樹臣.發(fā)光二極管用SrWO4:Eu3+紅光熒光粉激發(fā)譜強(qiáng)度的調(diào)控［J］.物理學(xué)報(bào)，2011，60（8）：87.

［2］ 蔣玉平.新型綠色照明光源LED及其發(fā)展前景［J］.電源世界，2005，（09）：38-40.

［3］ 李建寧.稀土發(fā)光材料及其應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003：123-139.

［4］ 孫家躍，杜海燕，胡文祥.固體發(fā)光材料［M］.北京：化學(xué)化工出版社，2003：576-580.

［5］ 唐紅霞,呂樹臣.發(fā)光二極管用紅色熒光粉SrMoO4:Eu3+的制備和發(fā)射性質(zhì)［J］.物理學(xué)報(bào)，2011，60（3）：37.

［6］ 孟慶裕,張慶,李明,等.Eu3+摻雜CaWO4紅色熒光粉發(fā)光性質(zhì)的濃度依賴關(guān)系研究［J］.物理學(xué)報(bào)，2012，61（10）：78.