（凝聚态物理专业论文）镱激活的红外下转换材料的制备与发光性质研究.pdf

u n i v e r s i t yo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fc h i n a adi s s e r t a t i o nf o rm a s t e r sd e g r e e p r e p a r a t i o na n ds p e c t r o s c o p i c c h a r a c t e r i z a t i o no fy b 3 a c t i v e d n e a r in f r a r e dd o w n c o n v e r s i o n m a t e r i a i s - a u t h o r sn a m e ： s p e c i a l i t y ： 一 一 一 - 叁；u p e r v l s o r ： ti n i s h e dr i m e ： x u e q i nc a o c o n d e n s e dm a t t e rp h y s i c s p r o f m i ny i n m a y 2 0 1l 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：避签字日期：划：必：掌 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 ? 百公开口保密( 年) 作者签名：莹匡答 导师签名： 签字日期：签字日期：垄! ! ：垒：2 作者签名：拯 2 0 1l 每5 月1 0 1日 ，一 摘要 论文包括四章。第一章是绪论部分，介绍了论文研究领域的基础知识和研究 的相关背景知识。第二章到第四章是关于近红外量子剪裁材料的研究内容，包括 y b ”掺杂c a m 0 0 4 纳米粉末材料发光性质的研究，以及碱金属离子掺杂对材料 发光性质的影响和分析。 论文的第一章为绪论部分，论述了本文研究内容的背景以及一些基本知识， 包括量子剪裁材料的研究背景和进展。 首先给出了稀土发光材料研究的一些热点，然后讨论了光致发光的基本原理 和稀土离子发光原理，最后介绍了红外量子剪裁现象和水热合成法、溶胶凝胶 制备方法。 在论文的主体部分中，首先在第二章开始部分介绍了基质材料c a m 0 0 4 的结 构和发光性质。然后在第二章到第四章详细讨论了c a m 0 0 4 ：y b 、c a m 0 0 4 ：y b ”、 l i + 和c a m 0 0 4 ：y b ”，l i + 、n a + 、k + 的制备、表征及其发光性质。主要研究内容 和结果如下： 1 分别用水热法和溶胶凝胶方法制备了不同掺杂浓度的c a m 0 0 4 ：y b ”纳米 粉末材料。在2 6 6 n m 紫外光激发下，观察到峰值位于9 9 8 n m 的很强的近红外发射， 源于y b 3 + 的2 f 5 2 2 f 7 2 禁戒跃迁。监狈t 9 9 8 n m 的发射，得到了一个波长位置在 2 0 0 3 5 0 r i m 宽带激发谱，谱峰位于2 7 0 n m 左右。可能是源于基质内部跃迁或者是 y b 3 + 0 2 。电荷迁移带的跃迁。为此，我们不仅做了一些简单的理论计算，还进行 了大量的实验研究。首先测量了该材料的漫反射谱随掺杂y b ”离子浓度的变化， 并将其与参考材料c a m 0 0 4 ：l u 3 + 的漫反射谱进行比较，两个材料漫反射谱随 y b ”离子浓度的相同变化趋势表明可能存在着基质基团m 0 0 4 2 - 至l j y b 3 + 离子的能 量传递。材料的室温和低温的激发和发射谱，红外和可见发光强度随y b ”离子 浓度的变化，以及可见部分4 9 5n m 荧光衰减变化规律等，都证实了该激发峰源于 基质c a m 0 0 4 本身m 0 0 4 2 基团的内部跃迁，排除了y b 3 + o 玉电荷迁移带跃迁的可 能性。基质吸收的一个紫外光子可以通过共合作能量传递过程将能量有效地传给 临近的两个y b 3 + 离子，使之分别发射出两个红外光子。通过理论计算得到的下转 换效率在掺杂y b 3 + 离子浓度为1 5 时高达1 8 2 ，而且y b ”的猝灭浓度很高，高 达1 0 m 0 1 。因而，该材料是一种很有潜在用于提高s i 太阳能电池效率的量子剪 裁材料，能够将太阳光中s i 太阳能电池不能吸收的紫外光转换成其能吸收的禁带 宽度附近的9 9 8 n m 红外光。 2 用溶胶凝胶方法制备了l i + 、y b 3 + 共掺的c a m 0 0 4 纳米粉末材料。研究了 l i + 离子浓度对c a m 0 0 4 ：y b 3 + 纳米粉末材料的y b 3 + 近红外发光强度和红外下转 换效率的影响。当l i + 浓度和所掺的y b 3 + 离子浓度相同时，所得的红外发射以及 a b s t r a c t t h et h e s i sm a i n l yc o n s i s t so ff o u rc h a p t e r s t h ef i r s tc h a p t e ri st h ei n t r o d u c t i o n t ot h et h e s i sw h i c hb r i e f l yd i s c u s s e st h eb a s i ck n o w l e d g ea n dt h er e s e a r c hb a c k g r o u n d i n f o r m a t i o ni nt h ef i e l d t h e nt h er e s e a r c hc o n t e n ta b o u tt h ed o w n c o n v e r s i o n ( d c ) m a t e r i a l sa r ed i s c u s s e di nt h ef o l l o w i n gt h r e ec h a p t e r s i ti n c l u d e s ：t h er e s e a r c h b a c k g r o u n da n dd e v e l o p m e n ta b o u tt h eq u a n t u mc u t t i n gm a t e r i a l s ，t h er e s e a r c ha b o u t p h o t o l u m i n e s c e n c ep r o p e r t i e so fy b 计i o n sd o p e dc a m 0 0 4n a n o m a t e r i a l sa n dt h e r e s e a r c ha b o u tt h ei n f l u e n c eo ft h ei n t r o d u c t i o no fa l k a l ii o n s o nt h e p h o t o l u m i n e s c e n c eo fc a m 0 0 4 ：y b ”n a n om a t e r i a l s t h ef i r s tc h a p t e ri st h ep r e f a c eo ft h et h e s i s ，m a i n l ya b o u tt h ef u n d a m e n t a l k n o w l e d g e o ft h er e s e a r c h c o n t e n t s f i r s t l y , t h e r e s e a r c h s p o t s o fr a r e e a r t h l u m i n e s c e n tm a t e r i a l sa r e g i v e n t h e n t h eb a s i cm e c h a n i s m so ft h e p h o t o l u m i n e s c e n c ea n dl u m i n e s c e n c ep r o p e r t i e so fr a r e - e a r t hi o n sa r ed i s c u s s e d a t l a s t ，n e a ri n f r a r e d ( n i r ) q u a n t u mc u t t i n ga n dt h es y n t h e s i sm e t h o d so fh y d r o t h e r m a l a n ds o l g e lp r o c e s s e sa r ei n t r o d u c e d i nt h em a i np a r t so ft h et h e s i s ，t h es t r i c t u r ea n dp h o t o l u m i n e s c e n c ep r o p e r t i e so f t h eh o s tm a t e r i a lc a m 0 0 4a r ep r e s e n t e di nt h eb e g i n n i n go ft h es e c o n dc h a p t e r t h e n t h es y n t h e s i s 、c h a r a c t e r i z a t i o na n dl u m i n e s c e n tp r o p e r t i e so fc a m 0 0 4 ：y b p 、 c a m 0 0 4 ：y b 3 + ，l i + a n dc a l v l 0 0 4 ：y b 3 + ，l i + 、n a + 、k + m a t e r i a l sa r ed i s c u s s e di nd e t a i li n t h es e c o n d ，t h i r da n dt h ef o u r t hc h a p t e r s t h er e s e a r c hc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r e s u m m a r i z e da sf o l l o w i n g ： 1 t h en o n op o w d e r so fc a m 0 0 4w i t hd i f f e r e n tc o n t e n t so fy b 3 + i o n sw e r e p r e p a r e db yh y d r o t h e r m a la n ds o l - g e ls y n t h e s i sm e t h o d sr e s p e c t i v e l y v e r ) ，s t r o n g n i re m i s s i o nw i t ht h ep e a ka t9 9 8 n mf r o mt h et r a n s i t i o no f2 f 5 2t o2 f 7 2o f y b 3 + i o n s w a so b s e r v e du n d e rt h ee x c i t a t i o no f2 6 6 n m ab r o a de x c i t a t i o ns p e c t r af r o m2 0 0t o 3 5 0 n mw i t ht h ep e a ka ta b o u t2 7 0 n mw a so b t a i n e dw h e n9 9 8 n me m i s s i o nw a s m o n i t o r e d t h i sm i g h tb ed u et ot h et r a n s i t i o no ft h eh o s to rf r o my b 3 + _ 0 2 c h a r g e t r a n s f e rt r a n s i t i o n ( c t s ) s oi no r d e rt oc e r t i f yt h eo r i g i no ft h et r a n s i t i o n ，w ec a r r i e d o u tm a n ye x p e r i m e n t sb e s i d e ss o m es i m p l et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n f i r s t l y , b o t ht h e r e f l e c t a n c es p e c t r ao fc a m 0 0 4p o w d e r sw i t hd i f f e r e n ty b 3 十i o i l sc o n t e n t sa n dt h e r e f e r e n c em a t e r i a l so fl u 2 0 3w i t hv a r i o u sy b c o n t e n t sw e r er e c o r d e d ，t h es a m e t r e n dw i t hy b 3 + c o n t e n t ss u g g e s t i n gt h ep o s s i b i l i t yo ft h ee n e r g yt r a n s f e r ( e t ) f r o mt h e m 0 0 4 厶a n i o nc o m p l e xt oy b ”i o n s f u r t h e rm e a s u r e m e n t so fm a t e r i a l s ，a st h e i i i e x c i t a t i o na n de m i s s i o ns p e c t r aa tr o o ma n dl o wt e m p e r a t u r e s ，n i ra n dv i s i b l e e m i s s i o ni n t e n s i t i e sa sw e l la st h el i f e t i m e so f4 9 5 n me m i s s i o nw i t hd i f f e r e n ty b 3 + c o n t e n t sc o n f i r m e dt h ee tf r o mm 0 0 4 2 。a n i o nc o m p l e xt oy b ”i o n s ，e x c l u s i o nt h ee t f r o my b 3 + 0 2 。c t st oy b ”a nu l t r a v i o l e t ( u v ) p h o n o na b s o r b e db yt h eh o s tc o u l d b et r a n s f e r r e dt ot w on e a r b yy b 3 + i o n s ，b o t ho fw h i c hc o u l db ee x c i t e dt ot h ee x c i t e d s t a t e sa n dt h e nt r a n s i t e dt ot h eg r o u n ds t a t e sw i t l lt w on i r p h o n o n sv i ac o o p e r a t i v e e t ( c e t ) m e c h a n i s m t h eo b t a i n e dd o w n c o n v e r s i o nq u a n t u me f f i c i e n c yw a sa sh i g h a s18 2 w h e ny b 计c o n t e n t sw a sl5 m 0 1 i na d d i t i o nt ot h eh i g hc o n c e n t r a t i o n q u e n c h i n go fy b ”i o n s ，a b o u t10 m 0 1 s oi tw a ss h o w nt h a tc a m 0 0 4p o w d e r sw a sa v e r yp r o m i s i n gd o w n c o n v e r s i o nm a t e r i a lt oe n h a n c et h es p e c t r ar e s p o n s eo fs ib a s e d s o l a rc e l l s t h eu v p h o n o n ，t h es is o l a rc e l l sc o u l dn o te f f e c t i v e l ya b s o r bc o u l db e t r a n s f e r r e dt on i re m i s s i o na ta r o u n d9 9 8 n m 2 l i 十a n dy b ”i o n sc o d o p e dc a m 0 0 4n a n op o w d e r sw e r ep r e p a r e db ys o l - g e l s y n t h e s i sm e t h o d r e s e a r c ho nt h ei n f l u e n c eo fl i + c o n t e n t so ny b 3 + n i re m i s s i o n i n t e n s i t i e sa n dt h ed o w n c o n v e r s i o nq u a n t u mc u t t i n ge f f i c i e n c yw a sc a r r i e do u t i tw a s f o u n dt h a tw h e nl i + c o n t e n t sw a se q u i v a l e n tt oy b ”i o n s ，t h es t r o n g e s tn i re m i s s i o n f r o my b ”a n dt h e h i g h e s td cq u a n t u mc u t t i n ge f f i c i e n c yw a so b s e r v e d i n c o m p a r i s o nw i t hc a m 0 0 4 ：10 m 0 1 y b ”p o w d e r sw i t h o u tt h ei n t r o d u c t i o no fl i + i o n s n i re m i s s i o ni n t e n s i t i e sw a se n h a n c e dt o14t i m e sa n dt h ed cq u a n t u mc u t t i n g e f f i c i e n c yw a sa l s oi n c r e a s e df r o m17 4 t oa b o u t19 6 t h es t r u c t u r ea n dm o r p h o l o g ya n a l y s i ss h o w e dt h a tt h ee n h a n c e m e n to ft h e a b s o r p t i o na b i l i t yi nu vr e g i o nw a st h eo r i g i no ft h er e m a r k a b l ei n c r e a s eo ft h en i r e m i s s i o ni n t e n s i t ya n dt h ed cq u a n t u me f f i c i e n c y d e v i a t i o no fm 0 0 4 z a n i o n c o m p l e xw a so c c u r r e dw i t ht h ei n t r o d u c t i o no fl i + i o n s ，w h i c hw a st h em a i no r i g i no f t h ea b s o r p t i o na n de m i s s i o no fc a m 0 0 4h o s tm a t e r i a l s ot h ei n t r o d u c t i o no fl i + i o n s c o u l dr e m a r k a b l ys t r e n g t h e nt h en i re m i s s i o ni n t e n s i t ya n di n c r e a s et h ed cq u a n t u m c u t t i n ge f f i c i e n c y , m a k i n gc a m 0 0 4 ：y b p o w d e r sav e r yp r o m i s i n gn i rd cm a t e r i a l 3 d i f f e r e n tc h a r g ec o m p e n s a t i o n so fc a m 0 0 4 ：1 0 m 0 1 y b 3 十p o w d e r sw e r e s y n t h e s i z e db ys o l - g e lm e t h o d i tw a sf o u n dt h a ti nc o m p a r i s o nw i t ht h ep o w d e r s w i t h o u tc h a r g ec o m p e n s a t i o n ，t h ep h o t o l u m i n e s c e n c ep r o p e r t i e s ，t h es t r u c t u r ea n d m o r p h o l o g yi nt h ei n d i r e c tc h a r g ec o m p e n s a t i o na n dl i + i o n sd o p e ds a m p l e sw e r e h i g h l yi m p r o v e d ( t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nd e m o n s t r a t e dt h a tt h ee te f f i c i e n c yi nb o t h s a m p l e sw a sh i g h e rt h a n9 0 ，n i re m i s s i o nw e r em o r et h a n2 3t i m e sa n d14t i m e s r e s p e c t i v e l y ) ，w h e r e a st h e s ea s p e c t si nt h en a + a n d1 0i o n sd o p e ds a m p l e sg o tw o r s e i v t h em e a s u r e m e n t sa n da n a l y s i ss h o w e dt h a tt h ea b s o r p t i o na b i l i t yo ft h em a t e r i a l si n u vr e g i o nw a st h em o s ti m p o r t a n tr e a s o nf o rt h en i re m i s s i o ni n t e n s i t y , w h i l et h e m o r p h o l o g ya n dt h es t r u c t u r eo ft h es a m p l e sp l a y e dav e r yi m p o r t a n tr o l ef o rt h ee t e f f i c i e n c yf r o mm o o a 厶t oy b 3 + a n dt h ed cq u a n t u me f f i c i e n c yo ft h es a m p l e s t h e r e l a t i v em u c hb i g g e ri r o n i cr a d i io fn a + a n dk + i o n st h a nl i + i o n sw a st h em a i nr e a s o n f o rt h eo b t a i n e ds u c hd i f f e r e n tr e s u l t s k e yw o r d s ：r a r e - e a r t hl u m i n e s c e n tm a t e r i a l s ，n e a ri n f r a r e dq u a n t u mc u t t i n gm a t e r i a l s ， m o l y b d a t ec a l c i u m ，l i + i o n s ，c h a r g ec o m p e n s a t i o n v 目录 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 1 1 稀土功能材料2 1 1 2 稀土发光材料3 1 2 光致发光的基本原理和物理过程6 i 2 1 发光的基本概念6 1 2 2 能量传递7 1 2 3 发光和猝灭9 1 2 4 发光性质的表征1 0 1 3 稀土离子发光1 2 l - 3 1 稀土离子的电子组态1 2 1 3 2 稀土离子的发光特点1 2 1 4 量子剪裁1 3 1 5 常用的稀土发光材料的制备方法15 1 5 1 水热法1 5 1 5 2 溶胶凝胶法1 5 1 6 近红外下转换材料1 6 1 6 1 近红外下转换材料的研究背景1 6 i 6 2 近红外下转换材料的研究现状和面临的主要问题1 8 1 7 本论文的选题和研究内容2 0 i 7 1 本论文的选题依据2 0 i 7 2 本论文的主要内容2 0 参考文献2 2 第2 章y b 3 + 掺杂的c a m 0 0 。纳米粉末材料的制备与发光性质研究2 5 2 1 前言0 0 2 5 2 1 1 基质材料c a m o o 。的结构及发光性质2 5 2 1 2y b 3 + 的发光2 8 2 1 3 稀土离子掺杂的c a m o o 。材料2 9 2 2c a m o o 。：y b 3 + 纳米粉末材料的制备3 0 v 1 2 2 1 水热法制备纳米粉末材料3 0 2 2 2 溶胶凝胶法制备纳米粉末材料3 0 2 3c a m 0 0 。：y b 3 + 纳米粉末材料的结构和形貌表征3 2 2 3 。lx 射线衍射测量图( x r d ) 3 2 2 3 2 样品的扫描电镜图( s e m ) 图3 3 2 3 3 样品的拉曼光谱( r a m a n ) 和傅里叶红外光谱( f r - i r ) 谱图3 4 2 4c a m 0 0 4 ：y b 3 + 纳米粉末材料的发光性质3 7 2 4 1 激发发射谱和漫反射谱3 7 2 4 2 可见和近红外发射强度4 1 2 4 3 下转换效率4 3 2 5 本章小结4 4 参考文献4 6 第3 章l i + - y b 3 + 共掺的c a m 0 0 。粉末材料的制备与发光性质研究4 9 3 1 引言l i + 在材料制备中的作用4 9 3 2 粉末材料的制备4 9 3 3 粉末材料的结构和形貌表征5 0 3 3 1 样品x r d 和s e m 图5 0 3 3 2 样品r a m a n 和f t - i r 谱图5 2 3 4 粉末材料的发光性质5 3 3 4 1 激发和发射谱5 4 3 4 2 吸收谱5 5 3 4 3 可见和近红外发光强度5 6 3 4 4 下转换效率5 8 3 5 本章小结6 0 参考文献6 2 第4 章不同电荷补偿剂对c a m 0 0 。：y b 3 + 粉末材料发光性质的影响6 3 4 1 引言6 3 4 2 粉末材料的制备6 3 4 3 粉末材料的结构和形貌表征6 3 4 3 1 样品的x r d 和s e m 图6 4 4 3 2r a m a n 谱和f t - i r 谱6 7 v i i 4 4 粉末材料的发光性质6 8 4 4 1 激发和发射谱6 8 4 4 2 吸收谱7 1 4 4 3 可见和近红外发光强度7 2 4 4 4 下转换效率o oo o 7 4 4 5 本章小结o 00 bogo 7 7 参考文献o o 7 8 oo i 000 oo oob 7 9 00 8 2 间接收和待发表的文章8 4 v i i i 1 1引掣1 。4 3 3 1 1 1稀土功能材料卜力 第1 章绪论 材料是人类社会发展重要的物质基础，其使用和发展是人类社会进步的里程 碑和标志。在进入信息时代的今天，材料科学的研究日益成为人们研究的热门领 域，是物理、化学等学科的交叉领域。各种高技术的新材料在建筑、消费、电子、 生物医药、军工等社会的各个方面都起着举足轻重的作用，材料已经和能源、信 息技术一起成为现代科学技术的三大支柱。 在这些高新材料中，大部分是功能材料。当前，功能材料和相关应用技术涉 及范围更广，发展更新非常快。诸如超导材料、发光材料、光电材料、信息存储 材料、能量转换及储能材料等，发展非常迅速，日新月异。未来的新型功能材料 将会越来越重要，将会从根本上改变现代社会的生产以及生活面貌。 稀土元素是由国际理论和应用化学研究会( i u p a c i n t e m a t i o n a lu n i o no fp u r e a n da p p l i e dc h e m i s t r y ) 定义的，包括下图1 1 所示元素周期表中的15 个镧系元素 以及第三副族的钪和钇共1 7 个元素。其中的镧系元素包括周期表中原子序数为 5 7 的镧到7 l 的镥。由于镧系元素的特殊的外层电子结构和电子组态，含稀土元 素的化合物表现出许多独特的化学和物理特性，在光学、磁学、电学等领域得到 广泛的应用，被称为材料的宝库。在美国国防部公布的3 5 种高技术元素中，包 括了除p m 以外的1 6 种稀土元素，占了4 5 7 。我国是稀土资源大国，稀土资 源总量和稀土矿的储量占到世界总量的8 0 ，价格低廉，具备了更优越的物质条 件来从事稀土的研究和开发利用。 m 蛳 1 2 h h e 1 7 f n瑚：印3 2 1 脯i 哪 n r l m u m 出自e t 憎k m 啦叼m 卿 m 34a t o m f cn u m b e r5789i o l ib e s y m b o l bcno fn e ，o f l m1 如脚哪1 埘7 m1 t ”帅i e * 船5t 7 朔们e * l 翻d 1 ： 船抛_ t _ - 毗”_ - 峙_ i m 驴e m m坤埔曲帅口m 们1 21 31 41 51 61 7 f l n a m g a is ipsc ia r 筮撕7 7 。i ：12 4 撕虻f 日葛* t 刍：鲒舶町”即囝3 2 9 m i强拈i a拈 鲥i 目“m h mn f m n b dp 畔“蜩哪m m- r m 9舶2 1趁2 32 42 52 62 7勰 曲 舯3 13 2站3 43 53 6 kc as ct ivc ri nf ec on ic u z n g ag ea s8 eb r k r 翱”n & 舳* 始j 雠耵晰”，辅亭1 钟l钉撵1 佑1q 9 嬲g 船钳如批m铺8 9 m m 的5 帽抽 8 啪a铀7 n莨e f n7 蚶6 雌，孢* m搀9 1 7 她 “d q l ( x + v b d n 雠n 巾衄蝴州nh糠hk 蛔 3 7拍柏4 14 24 3 4 4 躬舶盯柏n靳5 i5 2 r bs ryz rn bi ot cr u r hp d a g c di ns n s bt elx e 嚣4 e 7 8 1 ) i盯心1 i秘孵铀 j ，盘4 m 2 j o i m !蛙* r 2 l舳m f 们l1 0 ：靴l1 0 6 圳i蛐7 m b j a1 1 2 i f l 幽1 1 4 抽”7 1 0 m 2 17 甜1 li 玎肺f 舢l * 4 盯序1 ，f 二味舢 t l a f m i u n l瞬巾目矗i t e m自 删 m r m硼h 厦 l e l c l h 蛳 鹳髓7 7 27 3h7 67 6订 碍7 ， 0 1 8 2 n4 8 50 6 c s b a l uh ft awr eo sl rp fa u h g t ip bb lp oa fr n ，扎, 1 w y a 4 5 c ：11 3 r 靶7 l 订，7 4 * e i 5 枷i，曲“豫”1 8 ) 1 l懈：舛1 l1 蛐二i z ：1 7 m 竹0 砷 * 螂5 钔12 纷a埘 3 虻l7 j 1 1捌神0 豫a嘲啪 ，_ 咿n 日m m * 哪_ k 触一h m m 娜m ”a m帅口 盯 8 1 1 1 0 31 0 41 1 0 61 0 7t 0 8t 0 9 1 0 1 t t 21 31 1 4 51 1 61 1 7 8 f rr al rr fd b s g b h h sm ld s r gu u bu u lu u qu u pu u hu u su u o 脚盛a 瞄订 嘲 口口啊t t r l i l阱日踟 嗍啪r 0 目li 娴 l a n t h a n o i d s a c t j n o i d s * h 加 5 7辣弱6 16 26 46 5*6 7髓碍7 0 l ac ep rn dp m8 me ug dt b d y h oe rt m、，i ) i 晴“ 的如9 1此9 3轴艏盯9 8蚰1 0 01 0 1 0 2 a ct hp au n p p ua mc mb kc fe sf mm dn o 渤珊们l墨1 e 1 6 搬玉凛b 瑚1 伪啪 c w m n阱1 岱嘲 嘲咖匹蕾 图1 1 稀土元素在元素周期表中的位置 稀土元素的独特性质源于它们的电子构型。从镧系元素的镧到镥，随着原子 序数的逐一增大，电子是在内层的4 f 轨道中填充。而4 f 电子位于已填满的5 s 和5 p 轨道内，被外层的5 s 和5 p 电子屏蔽。因此在各种化合物中，稀土元素离 子的4 f 电子由于受到屏蔽作用，受周围晶场环境的影响很小，稀土化合物表现 出许多独特的物理、化学性质。国内外出现的新型的稀土功能材料有如下特征： ( 1 ) 广泛的磁性应用。稀土元素的4 f 组态未成对电子高达7 个，多于过渡 元素的d 层最多的未成对电子数( 5 个) 。这些4 f 电子的自旋运动、轨道运动和 较强的自旋轨道耦合作用，以及与周围环境的间接交换相互作用，使其具有很 大的顺磁磁化率、饱和磁化强度、磁各向异性、磁致伸缩、磁光旋转和磁卡效应， 因而稀土材料在永磁材料、磁致伸缩材料、磁光材料、磁制冷材料等方面有着非 常广泛的应用。 ( 2 ) 发光范围广泛。4 f 电子在不同能级问的跃迁( 包括f - f 跃迁和f - d 跃迁) ， 使得稀土元素的吸收和发光比较独特，在发光和激光等光学材料中有很大的应 用。在具有未充满的4 f 电子的1 3 个三价稀土离子的4 f n 组态中( 1 1 _ 1 1 3 ) ，能级 数目高达数千个，不同能级之间的跃迁数目更是巨大，可达二十万个! 这样，我 2 们就可以得到各种波长的发射光，故而是一个非常巨大的发光材料的宝库。 ( 3 ) 电学材料上的应用前景。在稀土元素离子与d 过渡金属离子形成的层 状结构骨架中，稀土离子常可用于稳定载流子输运的结构材料中。另外，当三价 稀土离子被不等价的离子取代时，会引起材料中一些d 过渡离子的价态、自旋以 及电子的离域程度发生变化，这样会导致材料的超导电性能发生变化。近年来已 利用这一特性发现钇钡铜氧高温超导体、固体氧化物燃料电池的电极材料等，因 而对研究新型半导体、电子导体以及高温超导体等电学材料有很大的指导意义。 1 1 2 稀土发光材料 在稀土功能材料的发展中，稀土发光材料最为引人注目，它可以指所有含有 稀土元素的发光材料。稀土元素因其特殊的电子层结构而具有一般元素无法比拟 的独特光谱性质。 稀土发光材料具有很多优点和特性，具体包括以下几点：( 1 ) 发光谱线窄， 色纯度高，色彩鲜艳；( 2 ) 光吸收能力强，转换效率高；( 3 ) 发射波长分布区域 宽；( 4 ) 荧光寿命分布广，从纳秒可以跨越到毫秒量级：( 5 ) 物理、化学性质很 稳定，耐高温，可承受大功率电子束、高能辐射和强紫外光的作用。正是这些优 异的性能，稀土材料已经成为探寻新型发光材料的主要研究对象。目前稀土发光 材料研究包括下面几个热门领域： ( 1 ) 透明陶瓷材料哺1 副 传统的陶瓷材料由于是多晶的无机材料，内部存在大量的气孔、杂质、晶界 等散射中心，因而是不透明的。透明陶瓷一般是指在某个范围内对光透明的陶瓷， 通常直线透过率超过1 0 即可认为符合透明陶瓷的透明度要求。透明发光陶瓷 则是具有发光性能的透明陶瓷。它是一种新型的光学功能材料，近年来在大功率 和闪烁探测等方面表现出优异的性能。 与单晶和玻璃材料相比，透明发光陶瓷具有如下独特的优