学年论文稀土发光材料的研究现状与应用材化092 班…指导老师：….(陕西科技大学材料科学与工程学院陕西西安710021）摘要稀土元素包括元素周期表中的镧系元素(Ln)和钪(Sc)、钇(Y)，共17个元素。
由于稀土离子的4f电子在不同能级之间的跃迁产生的丰富的吸收和发射光谱，使其在发光材料中具有广泛的应用。
稀土元素的特殊原子结构导致它们具有优异的发光特性，用于制造发光材料、电光源材料和激光材料，其合成的发光材料充分应用在照明、显示、医学、军事、安全保卫等领域中。
稀土元素在我国的储量丰富，约占全世界的40%。
本文综述了稀土发光材料的发光机理、发光特性、化学合成方法、主要应用领域以及稀土矿藏的开采方面存在的问题，并预测了今后深入研究的方向。
关键词稀土，发光材料, 应用Current Research and Applications of rare earth luminescentmaterialsAbstract Rare earth elements, including the lanthanides (Ln) and scandium (Sc) , yttrium (Y)of the periodic table, a total of 17 elements. a plenty of absorption and emission spectra in the light-emitting materials produced by the 4f electrons of rare earth ions transiting between different energy levels lead to a wide range of applications of rare earth luminescent materials. Special atomic structure of rare earth elements lead to their excellent luminescence properties, which is used in the manufacture of luminescent materials, the electric light materials and laser materials,1/ 8the synthesis of light-emitting materials are fully applied in lighting, display, medical, military, and security and other areas. The rare earth elements is abundant in China , with 40 percent of the total in the world. The luminescence mechanism of luminescent materials, luminescent properties, chemical synthesis methods, the main application areas, as well as the problems of the exploitation of rare earth minerals, and predict the direction of future in-depth research are all have being summarized in this paper.Key word rare earth, luminescent materials, application0 前言我国是稀土资源大国，在世界已探明的稀土储量为6200万吨(以稀土氧化物计)中，其中中国稀土资源工业储量为4800万吨，占世界已探明资源的80％，“稀土”并不稀少。
然而在过去的几十年里，我国长期处于廉价出口国的地位。
同时，自20世纪60年代稀土氧化物实现高纯化后，稀土发光材料有了重大突破，尤其在彩电荧光粉、三基色灯用荧光粉和医用影像荧光粉方面发展迅猛。
稀土元素发光材料的优点是吸收能力强，转换率高，可发射从紫外到红外的光谱，在可见光区域，有很强的发射能力，且物理化学性质稳定。
目前稀土发光材料的应用非常广泛。
主要用在彩电显象管、计算机显示器、节能灯、防伪、拍摄电影以及转光农膜等上。
稀土发光材料广泛应用于照明、显示和检测三大领域，形成了很大的工业生产和消费市场规模，并向着新兴领域拓展。
稀土发光材料的研究具有格外重要的意义。
1稀土发光材料的发光机理和发光特性1.1稀土发光材料的发光原理稀土原子具有特殊的电子层结构。
稀土化合物的发光是基于它们4f电子层在f-f组态之内或f-d组态之间的跃迁。
具有未充满的4f壳层的稀土原子或离子，其光谱中大约有30000条可观察到的谱线，它们可以发射从紫外光、可见光到红外光区的各种波长的电磁辐射。
稀土离子丰富的能级和4f电子的跃迁特性使稀土成为巨大的发光宝库，从中可以发掘出更多新型的发光材料。
普遍认为中心离子发光的稀土配合物的发光是经过这样一个过程：配体吸收紫外光并跃迁到激发单重态，激发单重态的寿命很短，很快便经系间窜跃到亚稳的三重态，再进一步将能量传递给稀土离子的各振动能级，稀土离子从激发态回到基态时发射其离子的特征荧光．显然稀土配合物的发光能力与稀土离子以及有机配体的结构特性有很大的关系。
整个发光过程的机理可以用图1表示：2/ 8图1.由配体向中心离子能量传递示意图1.2 稀土元素的发光特性稀土离子具有丰富的发射光谱．其中，除La3+、Lu3+之外的其余镧系离于的4f电子可在7个4f轨道之间任意分布，从而产生各种光谱项和能级，对未充满f电子壳层的原子或离子可观察到的谱线多达三万条．因此，可以发射紫外到红外各种波长的电磁辐射。
1.3 纳米稀土发光材料的发光特性纳米发光材料比常规（大于纳米）发光材料具有更优越的发光特性，甚至具备同质常规材料不具备的新的光学特性。
主要表现为如下几方面：（1）提高分辨率：光学显示器件分辨率高低有双重意义，即像元密度和器件包含的像元总数。
由电子束聚焦、发光粉颗粒及发光效率等因素而定。
发光粉颗粒粒径达到纳米尺寸，可提高发光器件的分辨率。
（2）光谱蓝移或红移：随着粒子尺寸的减少，发光粒子的量子能级分立，有限带隙展宽，其相应的吸收光谱和发光光谱发生蓝移。
（3）使原不发光的促成发光：对于经表面化学修饰的纳米发光粒子，其屏蔽效应减弱，在室温下就可观察到较强的光致发光现象。
如纳米硅薄膜受360nm激发光的激发可产生荧光。
（4）宽频带强吸收:发光材料的尺寸减小到纳米级时，对红外有一个宽频带强吸收谱。
这是由于纳米大的比表面导致其与常规大块材料不同，没有一个单一的、择优的键振动模，而存在一个较宽的键振动模的分布。
（5）有望解决发光粉颗粒尺寸和发光粉表面层无辐射中心的问题.2 稀土发光材料的化学合成方法3/ 84 / 8在较低温度下通过一般化学反应制备，有可能得到具有“介稳”、“亚稳”结构的材料体系，从而更有应用潜力。
软化学过程更易于实现反应过程、途径和机制进行设计，进而对材料物理化学性质进行“剪裁”，有可能获得一些用高温固相反应与物理合成方法难以获得的低熵、低焓或低对称发光材料。
但化学法能方便粒子表面进行碳、硅和有机物包裹或修饰处理，使粒子尺寸细小和均匀，性能更加稳定。
软化学法典型的有：沉淀法、相转移法、界面合成法、插入反应法、离子交换法、熔盐（助熔剂）法、有机元素化合物热解法、生物矿化过程、自组装法等，以下介绍的通过文献调研得知的几种合成方法的介绍。
2.1 高温固相法高温固相反应法是发光材料的一种传统的合成方法。
固相反应通常取决于材料的晶体结构及其缺陷结构，而不仅是成分的固有反应性。
固相反应通常包括以下步骤：（1）固体界面如原子或离子的跨过界面的扩散；（2）原子规模的化学反应；（3）新相成核通过固体的输运及新相的长大.决定固相反应性的两个重要因素是成核和扩散速度。
如果产物和反应物之间存在结构类似性则成核容易进行。
扩散与固相内部的缺陷、界面形貌、原子或离子的大小及其扩散系数有关。
此外，某些添加剂的存在可能影响固相反应的速率。
在高温固相反应中往往还需要控制一定的反应气氛，有些反应物在不同的反应气氛中会生成不同的产物，因此要想获得满意的某种产物，就一定要控制好反应气氛。
其工艺流程方框图如图2所示：图2. 高温固相反应法合成稀土发光材料方框图2.2 软化学法软化学方法合成发光材料的共同优点是，其反应的各组分的混合是在分子、原子级别上进行的，反应能够达到分子水平上的高度均匀性，掺杂范围广，便于准确控制掺杂量，适合制备多组分体系，使合成温度大大降低，产物相纯度高，可获得较小颗粒，设备简单，易于操作。
但与高温固相合成法相比，发光效率低，余辉性能差，结晶质量逊色，晶粒性质难以控制，不易工业化。
2.2.1溶胶-凝胶法用溶胶-凝胶法合成发光材料可以获得更细的粒径，无需研磨，且合成温度比传统的合成方法要低，这种方法在发光材料的合成中具有一定的潜力，是合成纳米发光材料的方法之一。
其基本原理是：将金属醇盐或无机盐经水解直接形成溶胶或经解凝形成溶胶，然后使溶质聚合凝胶化，再将凝胶干燥、焙烧去除其他有机成分，最后得到无机材料。
该方法已成功地合成了多种稀土发光材料。
如， YBO3：Eu3+荧光粉的合成。
将浓度为1 mol/L的Ln（NO3）3（Ln=Y，Eu）溶液与分析纯的硼酸三丁酯混合，搅拌同时滴加乙醇至完全互溶，将所得到的溶液置于85℃水浴中加热至成为凝胶，烘干凝胶后研磨。
然后在900℃下烧结，可获得单一的纯相YBO3：Eu3+纳米粉末。
2.2.2低温燃烧合成法：燃烧合成法是指材料通过前驱物的燃烧而获得的一种方法。
在一个燃烧合成反应中，反应物达到放热反应的点火温度时，以某种方法点燃，随后反应由放出的热量维持，燃烧产物即为所需材料。
该方法具有安全、省时、节能等优点，是一个很有应用前景的新方法。
2.2.3水热合成法：水热合成法是高温高压下在水（水溶液）或水蒸气等流体中进行有关化学反应（水热反应）来合成超细微粉的一种方法，自1982年开始用水热反应制备超细微粉的水热法已引起国内外的重视。
用水热法制备的超细微粉最小粒径已经达到数纳米的水平。
水热合成法也是发光材料合成的新方法，用该方法已经合成了很多的发光材料。
2.2.4缓冲溶液沉淀法：把缓冲溶液作为一种沉淀介质，将金属盐溶液与之混合，生成沉淀，通过洗涤、干燥，然后在一定温度和一定气氛下焙烧，冷却即得发光粉。
3稀土发光材料的主要应用领域3.1 光致发光材料灯用发光材料自70年代末实用化以来，促使稀土节能荧光灯、金属卤化物灯向大功率、小型化、低光衰、高光效、高显色、无污染、无频闪、实用化、智能化、艺术化方向发展。