稀土荧光玻璃和玻璃陶瓷材化082：莫绿斌指导教师：贺海燕（陕西科技大学材料科学与工程学院陕西西安710021）摘要：稀土荧光玻璃是由稀土元素掺杂在玻璃中，并利用稀土离子的光谱性质使基础玻璃产生可见荧光而形成的。
通过对稀土元素电子构型、光谱特征的分析研究,阐述了稀土元素在玻璃陶瓷中的应用。
稀土元素自由原子的基态电子组态有两种类型：[Xe]4f n6s2和[Xe]4f n-15d16s2。
其中[Xe]=1s12s22p63s23p63d104s24p64d105s25p6。
它们未饱和的4f电子，在紫外、可见等高能射线的激发下，从基态跃迁到激发态，然后再从激发态返回到能量较低的能态时，放出辐射能而发出荧光。
关键词：稀土;荧光玻璃；光谱性质ABSTRACT:Fluorescent rare earth glass is a rare earth doped glassby rare earth ions doped glass, and using the spectral properties of rare earth ions to produce visible fluorescence-based glass formed. Through the electronic structure of rare earth elements, spectral analysis,this paper it describes the rare earth elements in the glass-ceramic applications. Free rare earth ground state electronic configuration of rare earth atoms, there are two types of:[Xe]4f n6s2和[Xe]4f n-15d16s2 .of them，[Xe]=1s12s22p63s23p63d104s24p64d105s25p6 . They are not un saturated 4f electrons excited from the ground state transition to the excited state in the ultraviolet, visible and other high-energy rays of excitation from the ground state transition to the excited state, then the energy from the excited state returns to a lower energy state and emit radiation and fluoresce.KEYWORDS:Rare earths;Fluorescent glass; Spectral properties前言稀土元素是指化学元素周期表中第三族的一个分组元素,它们包括由原子序数57 到71 的15 个镧系元素。
镧(La) 、铈(Ce) 、镨( Pr) 、钕(Nd) 、钷( Pm) 、钐(Sm) 、铕( Eu) 、钆( Gd) 、铽( Tb) 、镝(Dy) 、钬(Ho) 、铒（Er) 、铥(Tm) 、镱(Yb) 、镥(Lu) 以及与镧系元素化学性质相似的钪(Sc) 、钇(Y) 共17 个化学元素。
我们通常将镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆称为轻稀土元素,铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇称为重稀土元素。
我国稀土元素藏量比较丰富,不仅居世界第一位,而且品种齐全。
1、稀土元素的发光原理原子结构的一般情况是,围绕原子核的电子轨道(电子层) 分为主电子层和亚电子层以及次电子层,它们的排列顺序和电子数如图1 所示。
除S 层以外,各亚层之间又有次亚层,在3d 层中就有能级不相等的5个次亚电子层,P 层有3 个,f 层有7 个次亚电子层。
图1 电子层排布图根据洪特规则,能级上的电子处于全充满、全空或半充满时,都属相对稳定状态。
稀土元素具有6S1～2、5d1 - 8 、4f x型电子结构,它们最外层S 和次外层d 层,甚至外数(第3层)f层上均为不充满电子。
这些未成对电子不稳定,容易在各层的亚层轨道间发生跃迁,跃迁所需能量从可见光获得。
由于不同元素各次亚层间的能量差(ΔE) 是不相等的,吸收的光能也不同,这种对可见光的选择性吸收就是导致颜色形成的根本原因。
可见光的波长与颜色的关系见表1。
表1 可见光的波长与颜色的关系光子能量E = hνf ,h为常数、νf(光振动频率)= 1/λ。
稀土元素处于第六周期,即原子核外有6 个电子层。
发生跃迁的电子层多在4f 层上,因而跃迁电子不易受邻近离子的影响,故呈色稳定,色调柔和。
Xxx等[]报道到掺Sm3+离子的（列出玻璃系统）玻璃在可见区有3个吸收带，分别处于405nm、475nm和590nm处，它们都很弱，以致使掺Sm3+的玻璃几乎里无色状态或在高浓度下呈浅黄色。
吸收光谱中这3个谱带对其发光均有贡献,均可作为激发光源，其中以405nm的紫光为最强的激发光，579nm的荧光为最弱的激发光，它所产生的荧光极微弱，以致可以忽略。
在405、480nm光的激发下，钐玻璃可发出564nm 和600nm的荧光，它们分别对应4G5/2→6H5/2跃迁和4G3/2→6H7/2的跃迁。
下图（数字表示）是钐玻璃的发射光谱和激发光谱。
（这里要注意：1.引用了哪个参考文献要在[]中注明，需要时列出第一作者的姓；2.文中按图的编号写，并与图一一对应）图2 掺Sm3+（列出玻璃系统）玻璃的发射光谱（λ=403nm）图3 掺Sm3+（列出玻璃系统）玻璃的激发光谱（λ=605nm）2、稀土荧光玻璃和玻璃陶瓷的玻璃系统稀土荧光玻璃和玻璃有多种组成系统，作为基质他们的原子排列周期性、缺陷等对荧光的位置和强度等性能有显著地影响。
下面介绍几个常见的玻璃系统和一些稀土离子在其中的发光。
2.1CaO-SiO2-B2O3玻璃在CaO-SiO2-B2O3玻璃体系中观察到了Sm3+的发射光谱,样品的发射光谱有三个主要荧光发射峰,峰值波长分别为568nm、605nm、650nm，其中最强峰为605nm，这些荧光峰均为线状峰，可见发射起源于Sm3+4f电子的f—f跃迁。
其中568nm对应于4G5/2→6H5/2跃迁,605nm对应于4G5/2→6H7/2跃迁,650nm对应于4G5/2→6H9/2跃迁.光谱性质表明这种玻璃体系能够把太阳光中的紫外光转换成红光,从而增强红光的发射强度。
下图是60CaO-20B2O3-20SiO2-0.1Sm2O3玻璃的吸收光谱。
图4 60CaO-20B2O3-20SiO2-0.1Sm2O3玻璃的吸收光谱2.2硼酸盐( LBLB) 玻璃在365 nm 紫外灯下观察, LBLB: Sm3+玻璃发出强的橙红色光。
用410 nm 波长光激发LBLB: Sm3+玻璃得到的发射光谱示于图5, 它由峰值为563, 599 和646 nm 三个发射峰组成, 分别对应4G5/2→6H5/2 , 4G5/2→6H7/2和4G5/2→6H9/3能级跃迁, 其中以4G5/2→6H7/2跃迁的光谱强度最强。
图6 为监测Sm3+的650 nm发射的激发光谱, 它是由1条峰值≦ 240 nm 的宽谱带和峰值分别在348, 365, 378, 406,420, 444, 478 nm 的激发峰组成的, 激发峰中以406 nm 激发峰值为最强。
≦240 nm 的宽谱带是Sm3+离子的电荷迁移带( CTS) , 其他激发峰均属Sm3+的4f→4f 高能级跃迁。
激发光谱表明, 473 和488 nm 波长可有效激发LBLB: Sm3+玻璃, 获得高强度可见荧光, 表明氩离子激发器可作为LBLB: Sm3+玻璃的有效泵浦源, 预示Sm3+掺杂的稀土硼酸盐玻璃有望成为优良新型特种发光和激光玻璃。
图5 掺Sm3+硼酸盐玻璃的发射光谱（λ=410nm）图6 掺Sm3+硼酸盐玻璃的激发光谱（λ=650nm）3、结论通过研究稀土元素的发光特性，研究不同稀土元素掺杂玻璃的玻璃系统，从而得稀土荧光玻璃和玻璃陶瓷的物理性质和化学性质，推导出稀土荧光玻璃和玻璃陶瓷的应用领域。
这对玻璃和陶瓷的改性有很大帮助，对于推进经济发展起着重要的作用。
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