稀土发光材料及其应用精选课件.ppt

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1、关于稀土发光材料及其应用第一页，本课件共有55页提纲：提纲：n发光现象发光现象n发光的定义发光的定义n发光材料的性能特点发光材料的性能特点n稀土的发光特点稀土的发光特点n稀土发光材料的优点稀土发光材料的优点n稀土发光材料的分类稀土发光材料的分类2第二页，本课件共有55页n发光：即发光：即Luminescence一词，作为一一词，作为一个技术名词，是专指一种特殊的光发射个技术名词，是专指一种特殊的光发射现象。现象。n自然界很多物体（包括固体、液体和气体，自然界很多物体（包括固体、液体和气体，有机物和无机物），都具有发光的性能。有机物和无机物），都具有发光的性能。1 1、发光现象发光现象3第三页，

2、本课件共有55页4第四页，本课件共有55页如发光水母一样的“希望树”种子；郁郁葱葱、奇妙的发光森林；可当房子居住的参天巨树；色彩斑斓神气活现的茂密雨林影片阿凡达：男主角杰克 潘多拉星球5第五页，本课件共有55页非非洲洲北北部部有有一一种种发发光光树树，白白天天与与普普通通树树没没区区别别。但但每每到到晚晚上上，从从树树干干到到树树枝枝通通体体会会发发出出明明亮亮的的光光。由由于于这这种种树树发发出出的的光光比比较较强强烈烈，当当地地人人经经常常把把它它移移植植到到自自家家的的门门前前作作为为路路灯灯使使用用。在在夜夜间间，人人们们可可以以在在树树下下看看书书甚甚至至做针线。做针线。科科学学家家

3、解解释释：这这种种树树之之所所以以会会发发光光，是是因因为为其其树树根根特特别别喜喜欢欢吸吸收收土土壤壤中中的的磷磷。这这种种磷磷会会在在树树体体内内转转化化成成磷磷化化氢氢，而而磷磷化化氢氢一一遇遇到到氧氧气气就就会会自自燃燃，从从而而使使得得树树身身磷磷光光闪闪烁。烁。发光树：发光树：6第六页，本课件共有55页萤火虫萤火虫 栉水母栉水母生生物物界界说说到到发发光光，首首先先想想到到萤萤火火虫虫，除除此此之之外外大大自自然然中中还还有有许许多多能能够够发发光光的的生生物物，如如一一些些生生活活在在海海里里的的鱼鱼、虾虾、水水母、珊瑚、贝类和蠕虫等。母、珊瑚、贝类和蠕虫等。百慕大三角洲发现的荧

4、光虾百慕大三角洲发现的荧光虾日本富山湾海下栖息着大量荧光乌贼，有时，上百万的荧日本富山湾海下栖息着大量荧光乌贼，有时，上百万的荧光乌贼聚集在一起，可以把整个海湾照亮。光乌贼聚集在一起，可以把整个海湾照亮。7第七页，本课件共有55页发光蚯蚓美国南部生活着一种长达45厘米的发光蚯蚓。这种蚯蚓一旦被伤害，就会分泌出闪烁着蓝光的黏液。铁路蠕虫身上长有两种不同的发光器官。仿佛圣诞树一般，头部发出红光，身子闪烁绿光。8第八页，本课件共有55页古代“夜明珠”，是指能够在夜晚（或暗室中）自行发光的天然物体。而且这种光是人用肉眼能够直接看到的光。萤石萤石 夜明珠：夜明珠：9第九页，本课件共有55页白炽灯白炽灯节

5、能灯节能灯10第十页，本课件共有55页11第十一页，本课件共有55页12第十二页，本课件共有55页 2、发光的定义发光的定义13第十三页，本课件共有55页14第十四页，本课件共有55页15第十五页，本课件共有55页n光的本质是一种光的本质是一种能量能量形态，发光就是一种能量传递的形态，发光就是一种能量传递的方式，是物质将吸收的能量通过特定的方式转换为非平方式，是物质将吸收的能量通过特定的方式转换为非平衡光辐射的过程。衡光辐射的过程。n实际应用中的发光材料一般是指实际应用中的发光材料一般是指固体材料固体材料，包括粉，包括粉末、单晶、薄膜或非晶体。末、单晶、薄膜或非晶体。3、发光材料的性能特点发光

6、材料的性能特点16第十六页，本课件共有55页17第十七页，本课件共有55页18第十八页，本课件共有55页19第十九页，本课件共有55页价带（基态电子的能量水价带（基态电子的能量水平）平）导带（被激发电子的能量水平）导带（被激发电子的能量水平）禁带禁带缺陷能级缺陷能级辐射的光能取决于电子跃迁前后电子所在能级的能量差辐射的光能取决于电子跃迁前后电子所在能级的能量差电子辐射的光能电子辐射的光能激发时吸收的能量激发时吸收的能量20第二十页，本课件共有55页21作作为为发发光光材材料料的的晶晶体体，往往往往有有目目的的地地掺掺杂杂其其它它杂杂质质离离子子以以构构成成缺缺陷陷能能级级，它它们们对对晶晶体体

7、的的发发光光起着关键作用。起着关键作用。激激发发和和去去激激发发可可能能在在价价带带、导导带带和和缺缺陷陷能能级级中任意两个之间进行。中任意两个之间进行。第二十一页，本课件共有55页22激发激发和和去激发去激发发生的过程如下：发生的过程如下：价带价带与与导带导带之间；之间；价带价带与与缺陷能级缺陷能级之间；之间；缺陷能级缺陷能级与与导带导带之间；之间；两个不同能量的两个不同能量的缺陷能级缺陷能级之间。之间。第二十二页，本课件共有55页23 发光过程发光过程固体固体发光的物理过程发光的物理过程示意图如下：示意图如下：其中，其中，M表示表示基质晶格基质晶格；A和和S为为掺杂离子掺杂离子；并假设并假

8、设基质晶格基质晶格M的吸收的吸收不产生辐射不产生辐射。第二十三页，本课件共有55页24这时，这时，基质晶格基质晶格M吸收激发能吸收激发能，传递给传递给掺杂离子掺杂离子，使其，使其上升到激发态上升到激发态，它，它返回基态返回基态时时可能有以下三种途径：可能有以下三种途径：第二十四页，本课件共有55页25以热的形式以热的形式把激发能量把激发能量释放给邻近的晶格释放给邻近的晶格，称为称为“无辐射弛豫无辐射弛豫”，也叫，也叫荧光猝灭荧光猝灭；以以辐射形式辐射形式释放激发能量释放激发能量，称，称“发光发光”；第二十五页，本课件共有55页26S将激发能传递给将激发能传递给A，即即S吸收的全部或吸收的全部或

9、部分激发能部分激发能由由A产生发射产生发射而释放出来，这种现象而释放出来，这种现象称为称为“敏化发光敏化发光”，A称为称为激活剂激活剂，S通常被称通常被称为为A的敏化剂的敏化剂。第二十六页，本课件共有55页27 荧光和磷光荧光和磷光激活剂激活剂吸收能量后吸收能量后，激发态的寿命激发态的寿命极短，极短，一般大约仅一般大约仅10-8s就会自动地就会自动地回到基态回到基态而而放出光放出光子子，这种发光现象称为，这种发光现象称为荧光荧光。撤去激发源撤去激发源后，后，荧光立即停止荧光立即停止。第二十七页，本课件共有55页28被激发的物质被激发的物质在切断激发源后在切断激发源后仍能继续发仍能继续发光光，这

10、种发光现象称为，这种发光现象称为磷光磷光。有时有时磷光能持续几十分钟甚至数小时磷光能持续几十分钟甚至数小时，这，这种发光物质就是通常所说的种发光物质就是通常所说的长余辉材料长余辉材料。第二十八页，本课件共有55页29即：即：“荧光荧光”指的是指的是激发时的发光激发时的发光，而而“磷光磷光”指的是指的是发光在激发停止后发光在激发停止后，可以可以持续一段时间持续一段时间。第二十九页，本课件共有55页30区别：区别：1.激发态的寿命激发态的寿命2.停止激发后，是否可以发光停止激发后，是否可以发光第三十页，本课件共有55页31 稀土稀土(Rare Earth)元素是指元素周期表中的元素是指元素周期表中

11、的镧系元素镧系元素加上同加上同为为B族的族的钪钪Sc和和钇钇Y在内的在内的17种元素。镧系元素是指原子序种元素。镧系元素是指原子序数从数从5771的的15中元素，具体为镧中元素，具体为镧La、铈、铈Ce、镨、镨Pr、钕、钕Nd、钷钷Pm、钐、钐Sm、铕、铕Eu、钆、钆Gd、铽、铽Tb、镝、镝Dy、钬、钬Ho、铒、铒Er、铥铥Tm、镱、镱Yb、镥、镥Lu。轻稀土：轻稀土：镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆。镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆。重稀土：重稀土：铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇。铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇。4 4、稀土稀土的的发光特点发光特点第三十一页，本课件共有55页n军事方面军

12、事方面 稀土有工业稀土有工业“黄金黄金”之称，由于其具有优良的光电磁等物理特性，能与其他材之称，由于其具有优良的光电磁等物理特性，能与其他材料组成性能各异、品种繁多的新型材料，其最显著的功能就是大幅度提高其他产品料组成性能各异、品种繁多的新型材料，其最显著的功能就是大幅度提高其他产品的质量和性能。的质量和性能。比如大幅度提高用于制造坦克、飞机、导弹的钢材、铝合金、镁合金、钛比如大幅度提高用于制造坦克、飞机、导弹的钢材、铝合金、镁合金、钛合金的战术性能。而且，稀土同样是电子、激光、核工业、超导等诸多高科技合金的战术性能。而且，稀土同样是电子、激光、核工业、超导等诸多高科技的润滑剂。的润滑剂。稀土

13、科技一旦用于军事，必然带来军事科技的跃升。从一定意义稀土科技一旦用于军事，必然带来军事科技的跃升。从一定意义上说，美军在冷战后几次局部战争中压倒性控制，以及能够对敌人肆上说，美军在冷战后几次局部战争中压倒性控制，以及能够对敌人肆无忌惮地公开杀戮，正缘于稀土科技领域的超人一等。无忌惮地公开杀戮，正缘于稀土科技领域的超人一等。稀土用途稀土用途32第三十二页，本课件共有55页n冶金工业冶金工业 稀土金属或氟化物、硅化物加入钢中，能起到精炼、脱硫、中和低熔点稀土金属或氟化物、硅化物加入钢中，能起到精炼、脱硫、中和低熔点有害杂质的作用，并可以改善钢的加工性能；有害杂质的作用，并可以改善钢的加工性能；稀土

14、硅铁合金、稀土硅镁合金作为球化剂生产稀土球墨铸铁，由稀土硅铁合金、稀土硅镁合金作为球化剂生产稀土球墨铸铁，由于这种球墨铸铁特别适用于生产有特殊要求的复杂球铁件，被广泛用于这种球墨铸铁特别适用于生产有特殊要求的复杂球铁件，被广泛用于汽车、拖拉机、柴油机等机械制造业；于汽车、拖拉机、柴油机等机械制造业；稀土金属添加至镁、铝、铜、锌、镍等有色合金中，可以改善合金的物稀土金属添加至镁、铝、铜、锌、镍等有色合金中，可以改善合金的物理化学性能，并提高合金室温及高温机械性能。理化学性能，并提高合金室温及高温机械性能。33第三十三页，本课件共有55页n石油化工石油化工 用稀土制成的分子筛用稀土制成的分子筛催化

15、剂催化剂，具有活性高、选择性好、抗重金属中毒能，具有活性高、选择性好、抗重金属中毒能力强的优点，因而取代了硅酸铝催化剂用于石油催化裂化过程；力强的优点，因而取代了硅酸铝催化剂用于石油催化裂化过程；在合成氨生产过程中，用少量的硝酸稀土为助在合成氨生产过程中，用少量的硝酸稀土为助催化剂催化剂，其处理气量比镍铝催，其处理气量比镍铝催化剂大化剂大1.5倍；在合成顺丁橡胶和异戊橡胶过程中，采用环烷酸稀土倍；在合成顺丁橡胶和异戊橡胶过程中，采用环烷酸稀土-三异丁基铝三异丁基铝型催化剂，所获得的产品性能优良，具有设备挂胶少，运转稳定，后处理工序型催化剂，所获得的产品性能优良，具有设备挂胶少，运转稳定，后处理

16、工序短等优点；短等优点；复合稀土氧化物还可以用作内燃机尾气净化复合稀土氧化物还可以用作内燃机尾气净化催化剂催化剂，环烷酸铈还可用，环烷酸铈还可用作油漆催干剂等。作油漆催干剂等。34第三十四页，本课件共有55页n玻璃陶瓷玻璃陶瓷稀土氧化物或经过加工处理的稀土精矿，可作为抛光粉广泛用于稀土氧化物或经过加工处理的稀土精矿，可作为抛光粉广泛用于光学玻璃、眼镜片、显像管、示波管、平板玻璃、塑料及金属餐具的光学玻璃、眼镜片、显像管、示波管、平板玻璃、塑料及金属餐具的抛光；抛光；在熔制玻璃过程中，可利用二氧化铈对铁有很强的氧化作用，降低玻在熔制玻璃过程中，可利用二氧化铈对铁有很强的氧化作用，降低玻璃中的铁含

17、量，以达到脱除玻璃中绿色的目的；璃中的铁含量，以达到脱除玻璃中绿色的目的；添加稀土氧化物可以制得不同用途的光学玻璃和特种玻璃，其中包括能通添加稀土氧化物可以制得不同用途的光学玻璃和特种玻璃，其中包括能通过红外线、吸收紫外线的玻璃、耐酸及耐热的玻璃、防过红外线、吸收紫外线的玻璃、耐酸及耐热的玻璃、防X-射线的玻璃等；射线的玻璃等；在陶釉和瓷釉中添加稀土，可以减轻釉的碎裂性，并能使制品呈在陶釉和瓷釉中添加稀土，可以减轻釉的碎裂性，并能使制品呈现不同的颜色和光泽，被广泛用于陶瓷工业。现不同的颜色和光泽，被广泛用于陶瓷工业。35第三十五页，本课件共有55页n稀土发光材料稀土发光材料n在稀土功能材料的发

18、展中，尤其以在稀土功能材料的发展中，尤其以稀土发光材料稀土发光材料格外引人注目。稀土发光几乎覆格外引人注目。稀土发光几乎覆盖了整个固体发光的范畴，只要谈到发光，几乎离不开稀土。盖了整个固体发光的范畴，只要谈到发光，几乎离不开稀土。n稀土元素的原子具有未充满的受到外界屏蔽的稀土元素的原子具有未充满的受到外界屏蔽的4f5d电子组态，因此有丰富的电子能级电子组态，因此有丰富的电子能级和长寿命激发态，能级跃迁通道多达和长寿命激发态，能级跃迁通道多达20余万个，可以产生多种多样的辐射吸收和发射，余万个，可以产生多种多样的辐射吸收和发射，构成广泛的发光和激光材料。构成广泛的发光和激光材料。n随着稀土分离、

19、提纯技术的进步，及相关技术的促进，稀土发光材料的研究和应用得随着稀土分离、提纯技术的进步，及相关技术的促进，稀土发光材料的研究和应用得到显著发展。发光是稀土化合物光、电、磁三大功能中最突出的功能，受到人们极大到显著发展。发光是稀土化合物光、电、磁三大功能中最突出的功能，受到人们极大的关注。的关注。36第三十六页，本课件共有55页发光的本质发光的本质是是能量的转换能量的转换，稀土之所以具，稀土之所以具有优异的发光性能，就在于它具有有优异的发光性能，就在于它具有特殊的电子特殊的电子层结构层结构决定的。决定的。稀土独特的电子层结构稀土独特的电子层结构:1s22s22p63s23p63d104s24p

20、64d104fn5s25p65dm6s2f-f组态之内，组态之内，f-d组态之间产生大量的跃迁能级组态之间产生大量的跃迁能级。37第三十七页，本课件共有55页n稀土的发光性能是由于稀土的稀土的发光性能是由于稀土的4f4f电子在不同电子在不同能级之间的跃迁而产生的。能级之间的跃迁而产生的。n在在f f组态内不同能级之间的跃迁称为组态内不同能级之间的跃迁称为f ff f跃跃迁迁；在；在f f和和d d组态之间的跃迁称为组态之间的跃迁称为f fd d跃迁跃迁。其光谱大概有其光谱大概有3000030000条。条。38第三十八页，本课件共有55页 稀土元素的价态稀土元素的价态 其中，其中，横坐标横坐标横

21、坐标横坐标为为原子序数原子序数，纵坐标线的长短纵坐标线的长短纵坐标线的长短纵坐标线的长短表示表示价态变化倾向价态变化倾向的相对大小。的相对大小。39第三十九页，本课件共有55页40+3价稀土离子的发光特点价稀土离子的发光特点具有具有f-f 跃迁跃迁的发光材料的的发光材料的发射光谱呈发射光谱呈线状线状，色纯度高色纯度高；荧光寿命长荧光寿命长；由于由于4f轨道处于内层轨道处于内层，材料的，材料的发光颜发光颜色色基本基本不随基质的不同而改变不随基质的不同而改变；光谱形状光谱形状很少随温度而变很少随温度而变，温度猝灭温度猝灭小小，浓度猝灭小浓度猝灭小。第四十页，本课件共有55页41在在+3价价稀稀土土

22、离离子子中中，Y3+和和La3+无无4f电电子子，Lu3+的的4f亚亚层层为为全全充充满满的的，都都具具有有密密闭闭的的壳壳层层，因因此此它它们们属属于于光光学学惰惰性性的的，适适用用于于作作基基质材料质材料。第四十一页，本课件共有55页42从从Ce3+到到Yb3+，电子依次填充在电子依次填充在4f轨道，轨道，从从f 1 到到 f 13，其电子层中都其电子层中都具有未成对电子具有未成对电子，其其跃迁可产生发光跃迁可产生发光，这些离子适于，这些离子适于作为发作为发光材料的光材料的激活离子激活离子。第四十二页，本课件共有55页43 非正常价态稀土离子的光谱特性非正常价态稀土离子的光谱特性价态的变化

23、价态的变化是是引发、调节和转换引发、调节和转换材料功能材料功能特性特性的重要因素，的重要因素，发光材料的某些功能发光材料的某些功能往往可通往往可通过过稀土价态的改变稀土价态的改变来实现。来实现。+2价态稀土离子的光谱特性价态稀土离子的光谱特性+4价态稀土离子的光谱特性价态稀土离子的光谱特性第四十三页，本课件共有55页44+2价态稀土离子的光谱特性价态稀土离子的光谱特性+2价态稀土离子价态稀土离子(RE2+)有有两种电子层构型两种电子层构型：4 f n-15 d1和和4f n。4fn-15dl构型的特点是构型的特点是5d轨道裸露于外层轨道裸露于外层，受受外部场的影响外部场的影响显著。显著。第四十

24、四页，本课件共有55页454fn-15dl 4fn(即即d-f跃迁跃迁)的的跃迁发射呈宽跃迁发射呈宽带带，强度较高强度较高，荧光寿命短荧光寿命短，发射光谱发射光谱随随基质基质组成、结构的改变而发生明显变化。组成、结构的改变而发生明显变化。与与RE3+相比相比，RE2+的激发态的激发态能级间隔被压能级间隔被压缩缩，最终导致，最终导致最低激发态能量降低最低激发态能量降低，谱线红移谱线红移。第四十五页，本课件共有55页46+4价态稀土离子的光谱特性价态稀土离子的光谱特性+4价态稀土离子价态稀土离子和与其和与其相邻的前一个相邻的前一个+3价价稀土离子稀土离子具有相同的具有相同的4f电子数目电子数目。例

25、如，。例如，Ce4+和和La3+，Pr4+和和Ce3+，Tb4+和和Gd3+等。等。第四十六页，本课件共有55页47+4价态稀土离子价态稀土离子的的电荷迁移带能量电荷迁移带能量较低，较低，吸收峰往往吸收峰往往移到可见光区移到可见光区。如如Ce4+与与Ce3+的混价的混价电荷迁移跃迁电荷迁移跃迁形成的形成的吸收峰吸收峰已延伸到已延伸到450nm附近，附近，Tb4+的吸收峰在的吸收峰在430nm附近。附近。第四十七页，本课件共有55页 与一般元素相比，稀土元素与一般元素相比，稀土元素4f4f电子层构型的特点，使其化合电子层构型的特点，使其化合物具有多种荧光特性。物具有多种荧光特性。+3+3价稀土离

26、子价稀土离子f-ff-f跃迁呈现尖锐的线状光谱，发光的色纯度高。跃迁呈现尖锐的线状光谱，发光的色纯度高。荧光寿命跨越从纳秒到毫秒荧光寿命跨越从纳秒到毫秒6 6个数量级。个数量级。吸收激发能量的能力强，转换效率高。吸收激发能量的能力强，转换效率高。物理化学性质稳定，可承受大功率的电子束、高能辐射和强紫物理化学性质稳定，可承受大功率的电子束、高能辐射和强紫外光的作用。外光的作用。5 5、稀土发光材料的优点稀土发光材料的优点48第四十八页，本课件共有55页49稀土发光材料的种类较多，可以按不同的方式分类。稀土发光材料的种类较多，可以按不同的方式分类。（一）按发光材料中稀土的作用可分为两种（一）按发光

27、材料中稀土的作用可分为两种稀土离子作为激活剂稀土离子作为激活剂在基质中，作为在基质中，作为发光中心发光中心而而掺入的离子掺入的离子称为称为激活剂激活剂。4 4、稀土发光材料的分类稀土发光材料的分类第四十九页，本课件共有55页50以稀土离子作为激活剂以稀土离子作为激活剂的的发光体发光体是稀土发光是稀土发光材料中的最主要的一类，根据材料中的最主要的一类，根据基质材料的不同基质材料的不同又又可分为两种情况：可分为两种情况：材料基质为材料基质为稀土化合物稀土化合物；如如Y2O3：Eu3+；材料基质为材料基质为非稀土化合物非稀土化合物；如如SrAl2O4：Eu2+。第五十页，本课件共有55页51可可以以

28、作作为为激激活活剂剂的的稀稀土土离离子子主主要要是是Gd3+两侧的两侧的Sm3+、Eu3+、Eu2+、Tb3+、Dy3+。Tb3+是常见的是常见的绿色发光材料的激活离子绿色发光材料的激活离子。第五十一页，本课件共有55页52另外，另外，Pr3+、Nd3+、Ho3+、Er3+、Tm3+、Y3+可作为可作为上转换材料的上转换材料的激活剂激活剂或或敏化剂敏化剂。第五十二页，本课件共有55页53 稀土化合物作为基质材料稀土化合物作为基质材料常见的可常见的可作为基质材料的稀土化合物作为基质材料的稀土化合物有有Y2O3、La2O3和和Gd2O3等，也可以等，也可以稀土与稀土与过渡元素共同构成的化合物过渡元

29、素共同构成的化合物作为基质材料作为基质材料(如如YVO4)。第五十三页，本课件共有55页光致发光材料光致发光材料电致发光材料电致发光材料射线致发光材料射线致发光材料热热释释发光材料发光材料等离子发光材料等离子发光材料发光材料在光（紫外光、红外光、可见光等）发光材料在光（紫外光、红外光、可见光等）照射下激发发光。照射下激发发光。发光材料在电场或电流作用下的激发发光。发光材料在电场或电流作用下的激发发光。发光材料在电子束或其它射线束的轰击下的激发光材料在电子束或其它射线束的轰击下的激发发光。发发光。发光材料发光材料受电离辐射激发后再经受电离辐射激发后再经热激热激励励发光。发光。发光材料在等离子体的作用下的激发发光。发光材料在等离子体的作用下的激发发光。（二）按激发方式（二）按激发方式54第五十四页，本课件共有55页感谢大家观看第五十五页，本课件共有55页