第七章稀土发光材料优秀PPT.ppt
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1、第七章稀土发光材料现在学习的是第1页,共76页21.固体的发光固体的发光某一某一固体化合物固体化合物受到受到光子光子、带电粒子带电粒子、电场电场或或电离辐射电离辐射的激发,会发生的激发,会发生能量的吸收能量的吸收、存储存储、传递传递和和转换过程转换过程。如果如果激发能量激发能量转换为可见光区的转换为可见光区的电磁辐射电磁辐射,这个物理过程称为这个物理过程称为固体的发光固体的发光。现在学习的是第2页,共76页3发光材料发光材料由由基质基质和和激活剂激活剂组成,在一些材料中,组成,在一些材料中,还搀入其它还搀入其它杂质离子杂质离子来来改善发光性能改善发光性能。基质基质:作为:作为材料主体材料主体的
2、化合物;的化合物;激活剂激活剂:作为:作为发光中心发光中心的少量搀杂离子。的少量搀杂离子。现在学习的是第3页,共76页4发光发光是一种宏观现象,但它和晶体是一种宏观现象,但它和晶体内部的内部的缺陷结构缺陷结构、能带结构能带结构、能量传递能量传递、载流子迁移载流子迁移等等微观性质和过程微观性质和过程密切相关。密切相关。现在学习的是第4页,共76页5 固体发光与晶体内部结构固体发光与晶体内部结构晶体中的能带有晶体中的能带有价带价带、导带导带、禁带禁带。但是,但是,在实际晶体中在实际晶体中,可能存在,可能存在杂质原子杂质原子或或晶格缺陷晶格缺陷,局部地,局部地破坏了晶体内部的规则排列破坏了晶体内部的
3、规则排列,从而产生一些从而产生一些特殊的能级特殊的能级,称为,称为缺陷能级缺陷能级。现在学习的是第5页,共76页6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搀搀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,它它们们对对晶体的发光晶体的发光起着关键作用。起着关键作用。现在学习的是第6页,共76页7发光发光是是去激发去激发的一种方式。的一种方式。晶体中电子晶体中电子的的被激发被激发和和去激发去激发互为逆过程互为逆过程。被激发被激发和和去激发去激发可能在可能在价带价带、导带导带和和缺缺陷能级陷能级中任意两个之间进行。中任意两个之间进行。现在学习的是第7页,共76页8被
4、激发被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。现在学习的是第8页,共76页9电子在电子在去激发跃迁去激发跃迁过程中,过程中,将所吸收的能将所吸收的能量释放出来量释放出来,转换成,转换成光辐射光辐射。辐射的光能辐射的光能取决于取决于电子跃迁前后电子跃迁前后所在所在能带能带(或能级或能级)之间的能量差值之间的能量差值。现在学习的是第9页,共76页10在在去激发跃迁去激发跃迁过程中,过程中,电子也可能将一部电子也可能将一部
5、分能量分能量转移给其它原子转移给其它原子,这时,这时电子辐射的光能电子辐射的光能小小于跃迁前后于跃迁前后电子所在电子所在能带能带(或能级或能级)的能量差的能量差。现在学习的是第10页,共76页11 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为为搀杂离子搀杂离子;并假设并假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。现在学习的是第11页,共76页12这时,这时,基质晶格基质晶格M吸收激发能吸收激发能,传递给搀杂传递给搀杂离子离子,使其,使其上升到激发态上升到激发态,它,它返回基态时返回基态时可能可能有以下
6、三种途径:有以下三种途径:现在学习的是第12页,共76页13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”;现在学习的是第13页,共76页14S将激发能传递给将激发能传递给A,即,即S吸收的全部或部吸收的全部或部分激发能分激发能由由A产生发射产生发射而释放出来,这种现象称而释放出来,这种现象称为为“敏化发光敏化发光”,A称为称为激活剂激活剂,S通常被称为通常被称为A的敏化剂的敏化剂。现在学习的是第14页,共76页15 荧光和磷光荧光和磷光激活
7、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。现在学习的是第15页,共76页16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。现在学习的是第16页,共76页17即:即:“荧光荧
8、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,可以以持续一段时间持续一段时间。现在学习的是第17页,共76页182.稀土的电子层结构和光谱学性质稀土的电子层结构和光谱学性质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,就在于它具有优异的能量优异的能量转换功能转换功能,而这又是由其,而这又是由其特殊的电子层结构特殊的电子层结构决定决定的。的。现在学习的是第18页,共76页19 稀土元素基态原子的电于层构型稀土元素基态原子的电于层构型Sc ls22s22p63s2
9、3p63d14s2 Y ls22s22p63s23p63d104s24p64d15s2 Ln(La-Lu)ls22s22p63s23p63d104s24p64d104f0145s25p65d016s2 现在学习的是第19页,共76页20 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。现在学习的是第20页,共76页21 稀土离子的发光特点稀土离子的发光特点+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线发射光谱呈线状
10、状,色纯度高色纯度高;荧光寿命长荧光寿命长;现在学习的是第21页,共76页22由于由于4f轨道处于内层轨道处于内层,材料的,材料的发光颜色发光颜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,温度猝灭小温度猝灭小,浓度猝灭小浓度猝灭小。现在学习的是第22页,共76页23在在+3价价稀稀土土离离子子中中,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,因此它们属于因此它们属于光学惰性光学惰性的,适用于作的,适用于作基基质材料质材料。现在学习的是第23页,共76页24从从Ce3+到
11、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光材作为发光材料的料的激活离子激活离子。现在学习的是第24页,共76页25 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特材料功能特性性的重要因素,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过往往可通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
12、稀土离子的光谱特性价态稀土离子的光谱特性现在学习的是第25页,共76页26+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。现在学习的是第26页,共76页274fn-15dl 4fn(即即d-f跃迁跃迁)的的跃迁发射呈宽带跃迁发射呈宽带,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、组成、结构的改变而发生明显变化。结构的改变而发生明显变化。与与RE
13、3+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。现在学习的是第27页,共76页28+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价稀价稀土离子土离子具有相同的具有相同的4f电子数目电子数目。例如,。例如,Ce4+和和La3+,Pr4+和和Ce3+,Tb4+和和Gd3+等。等。现在学习的是第28页,共76页29+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,吸较低,吸收峰往往收峰往往移到可见光区移到可见光区。如如Ce
14、4+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吸收峰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。现在学习的是第29页,共76页30 稀土发光材料的分类稀土发光材料的分类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。现在学习的是第30页,共76页31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
15、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+。现在学习的是第31页,共76页32可可以以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+。其中应用最多的是其中应用最多的是Eu3+和和Tb3+。现在学习的是第32页,共76页33Tb3+是常见的是常见的绿色发光材料的激活绿色发光材料的激活离子离子。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敏化剂化剂。现在学习的是第
16、33页,共76页34可以通过选择可以通过选择基质的化学组成基质的化学组成,添加适当,添加适当的的阳离子或阴离子阳离子或阴离子,改变晶场改变晶场对对Eu2+的影响,制的影响,制备出备出特定波长的特定波长的新型荧光体,提高荧光体的发新型荧光体,提高荧光体的发光效率,故这类光效率,故这类发光材料发光材料具有广泛的应用。具有广泛的应用。现在学习的是第34页,共76页35 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,也可以稀土与过渡稀土与过渡元素共同构成的化合物元素共同构成的化合物作为基质
17、材料作为基质材料(如如YVO4)。现在学习的是第35页,共76页36 三基色原理三基色原理 将将适适当当选选择择的的三三种种基基色色(红红、绿绿、蓝蓝)按按不不同同比比例例合合成成,可可引引起起不不同同的彩色感觉;的彩色感觉;现在学习的是第36页,共76页37合成的彩色合成的彩色光的亮度光的亮度决定于决定于三基色三基色亮度之和亮度之和,其,其色度色度决定于决定于三基色成分的三基色成分的比例比例;三种基色三种基色彼此独立彼此独立,任一种基色不,任一种基色不能由其他两种基色配出。能由其他两种基色配出。现在学习的是第37页,共76页383.灯用发光材料灯用发光材料稀土发光材料的稀土发光材料的一大应用
18、领域一大应用领域便是便是电光源电光源,灯用荧光粉灯用荧光粉的产量在的产量在所有荧光粉中所有荧光粉中占据首位。占据首位。电光源电光源主要分为主要分为两大类两大类:热辐射热辐射发光光源;发光光源;气体放电气体放电发光光源。发光光源。现在学习的是第38页,共76页39与与热辐射光源热辐射光源相比,相比,气体放电光源气体放电光源具有显著具有显著的优点,例如,不受的优点,例如,不受灯丝熔点的限制灯丝熔点的限制;辐射光辐射光谱可以选择谱可以选择;发光效率发光效率远远超过热辐射光源;远远超过热辐射光源;寿命长寿命长,可达几万小时;而且在使用寿命期,可达几万小时;而且在使用寿命期间间光输出的维持性能光输出的维
19、持性能好。好。现在学习的是第39页,共76页40 气体放电和气体放电光源气体放电和气体放电光源在特定条件下在特定条件下(例如例如强电场强电场,光辐射光辐射、粒子轰粒子轰击击和和高温加热高温加热等等),气体分子将发生电离气体分子将发生电离,产生,产生可自由移动的可自由移动的带电粒子带电粒子,在电场作用下形成电流。,在电场作用下形成电流。这种这种电流通过气体的现象电流通过气体的现象称为称为气体放电气体放电。现在学习的是第40页,共76页41在在电离气体电离气体中,存在着各种中,存在着各种中性粒子中性粒子和和带带电粒子电粒子,它们之间存在着,它们之间存在着复杂的相互作用复杂的相互作用,带电带电粒子粒
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