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稀土上转换发光纳米材料的制备及其在生物医学成像中的应用一、本文概述随着科技的快速发展，稀土上转换发光纳米材料（Upconversion Luminescent Nanomaterials, UCNMs）因其在生物医学成像领域的独特优势，日益受到研究者们的关注。
本文旨在深入探讨稀土上转换发光纳米材料的制备方法，并系统阐述其在生物医学成像中的应用。
我们将从材料合成的角度出发，详细介绍不同制备方法的优缺点，以及如何通过优化制备过程来提高纳米材料的性能。
我们还将重点分析稀土上转换发光纳米材料在生物医学成像中的实际应用，包括其在细胞标记、活体成像以及疾病诊断等方面的最新研究进展。
通过本文的阐述，我们期望能够为读者提供一个全面、深入的视角，以理解稀土上转换发光纳米材料在生物医学成像领域的发展现状和未来趋势。
二、稀土上转换发光纳米材料的制备稀土上转换发光纳米材料，作为一种独特的纳米发光材料，其独特的发光性质使其在生物医学成像领域具有广阔的应用前景。
制备这种纳米材料的关键在于精确控制其组成、形貌和尺寸，以实现高效的上转换发光性能。
一般来说，稀土上转换发光纳米材料的制备主要包括以下几个步骤：选择合适的稀土离子作为发光中心，如Er³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺等，这些离子具有丰富的能级结构和独特的发光特性。
选择合适的基质材料，如NaYF₄、NaLuF₄等，这些基质材料具有良好的化学稳定性和较高的声子能量，有利于实现高效的上转换发光。
在制备过程中，通常采用溶液法、热分解法、溶胶-凝胶法等化学方法来合成稀土上转换发光纳米材料。
其中，热分解法是一种常用的制备方法，它通过高温热解稀土离子的有机盐，得到高质量的纳米晶体。
为了进一步提高上转换发光性能，研究者还常常采用表面修饰、核壳结构等方法对纳米材料进行改性。
在制备过程中，还需要注意控制实验条件，如反应温度、反应时间、溶剂种类等，以实现对纳米材料形貌、尺寸和发光性能的有效调控。
稀土发光材料发光原理
稀土发光材料是一种能够在受到激发后发出可见光的材料，其发光原理是通过
稀土元素的能级跃迁来实现的。
稀土元素是指原子序数为57至71的元素，它们在周期表中位于镧系元素的最后一行，因此也被称为镧系元素。
稀土元素具有特殊的电子结构和能级分布，使得它们在激发后能够发出特定波长的可见光。
稀土发光材料的发光原理主要包括激发过程和发光过程两个方面。
首先，当稀
土发光材料受到外部能量的激发时，其内部的稀土元素会吸收能量并将电子激发到高能级。
这个激发过程可以通过光、电、热等方式来实现，其中最常见的是通过光激发。
当稀土元素的电子处于高能级时，它们会在短时间内重新排列，电子跃迁到低能级，释放出光子能量。
这些光子能量就是可见光，其波长和颜色取决于稀土元素的种类和能级结构。
稀土元素的能级结构是决定其发光性质的关键因素。
由于稀土元素的电子结构
复杂，其能级分布也非常丰富，因此可以发出多种不同波长的可见光。
这使得稀土发光材料在荧光显示、LED照明、激光器件等领域具有广泛的应用前景。
同时，
通过调控稀土元素的能级结构和掺杂浓度，可以实现对发光材料发光性能的调控和优化，从而满足不同应用场景的需求。
总的来说，稀土发光材料的发光原理是通过稀土元素的能级跃迁来实现的，激
发过程和发光过程是其发光机制的核心。
稀土元素的特殊电子结构和能级分布决定了其发光性质的多样性和可调控性，为其在光电器件领域的应用提供了广阔的空间。
随着科学技术的不断发展，相信稀土发光材料将会在更多领域展现出其独特的魅力和价值。
稀土发光纳米材料的应用
稀土发光纳米材料是一种新型的材料，具有很多优异的性能和应用。
它们可以发出不同颜色的光，具有高亮度、高稳定性、高色纯度等特点，因此在许多领域都有广泛的应用。
稀土发光纳米材料在照明领域有着广泛的应用。
它们可以用于制造高亮度、高效率的LED灯，这种灯具有长寿命、低能耗、高亮度等特点，可以替代传统的白炽灯和荧光灯。
此外，稀土发光纳米材料还可以用于制造彩色LED灯，这种灯可以发出不同颜色的光，可以用于舞台灯光、汽车灯光等领域。
稀土发光纳米材料在生物医学领域也有着广泛的应用。
它们可以用于制造荧光探针，用于检测生物分子、细胞等，具有高灵敏度、高分辨率等特点。
此外，稀土发光纳米材料还可以用于制造荧光标记剂，用于追踪生物分子、细胞等，可以用于生物成像、药物研发等领域。
稀土发光纳米材料还可以用于制造光电器件、光学器件等。
它们可以用于制造太阳能电池、光电传感器等，具有高效率、高稳定性等特点。
此外，稀土发光纳米材料还可以用于制造光学滤波器、光学透镜等，可以用于光学通信、光学成像等领域。
稀土发光纳米材料具有广泛的应用前景，可以用于照明、生物医学、光电器件、光学器件等领域。
随着科技的不断发展，相信它们的应
用领域还会不断扩展，为人类带来更多的福利。
稀土掺杂的纳米发光材料的制备和发光
稀土掺杂的纳米发光材料是一种现代科技产品，它具有良好的发光性能，广泛应用于生物医学、光电器件、环保和安全等领域。
稀土掺杂的纳米发光材料的制备主要依赖于稀土掺杂剂的合成。
目前，主要有三种合成方法：即湿法合成、固体相反应法和气相反应法。
湿法合成也称水热法，是利用溶液中的溶解度和表面张力，将原料以金属氰酸盐形式溶解于湿态溶液中，利用溶液内部的形成、析出、增溶等物理化学原理使稀土掺杂剂形成，并使稀土掺杂剂在低温下成膜形成，最终获得不同粒度的稀土掺杂剂。
固体相反应法，即利用原料在固体中形成、析出、增溶等物理化学变化，使稀土掺杂剂形成，并在低温下使稀土掺杂剂成膜。
通常，高温烧结是实现固体反应的方法，可以获得较大粒度的稀土掺杂剂。
气相反应法，也称气体反应法，所采用的原料是固体、液体或气体，以及熔解在溶剂中。
在反应温度和压力适当的情况下，稀土掺杂剂在气相中形成，可以获得高粒度的稀土掺杂剂。
稀土掺杂的纳米发光材料的发光特性可以归结于量子级的跃迁发射原理，按照稀土3d 5d 4f能隙发光机制，稀土掺杂的纳米发光材料可以发射出蓝色、绿色、黄色和紫色等多种颜色的光，可以根据不同应用需求，采用多种不同的掺杂方法生产出不同的产品，如采用稀土元素可以扩散紫外线发光，以及采用非稀土元素可以发射出白光等。
稀土掺杂的纳米发光材料可以实现更高效的发光，并且发光同时具有良好的耐久性和稳定性，有助于其在微电子技术领域的广泛应用。
稀土元素在发光材料中的应用稀土元素是指在自然界中含量较少，具有独特的电子构型和能带结构的化学元素。
稀土元素由于其特殊的物理化学性质和良好的光学性能，被广泛应用于发光材料、光电器件、催化剂、磁材料等领域。
其中，在发光材料中占有重要地位，本文将着重探讨稀土元素在发光材料中的应用。
一、稀土元素的光学性能稀土元素由于其晶体结构中存在的稀土离子，使得其具有特殊的能带结构和电子能级分布。
这一点又决定了它们在发光材料中具有特殊的光学性能。
1. 显色性稀土元素在光谱上的激发带和发射带都集中在紫外和可见光谱区域内，而且能带分布较为分散，使得激发带和发射带之间的能量差比较小，从而具有较高的显色性和亮度。
这为发光材料的量子效率提供了保障。
2. 稳定性稀土元素的离子体积较大，极化度低，光谱结构稳定性较高，激发和发射光谱带的位置和强度基本不受环境因素的影响。
3. 窄线宽由于稀土元素离子的分子场效应的影响，其能级分布比较分散，发射光谱带突出，相邻的能级之间能量差比较小，使得发射带较窄，从而具有更好的颜色纯度和更高的发光效率。
二、稀土元素因其特殊的光学性能，被广泛应用于发光材料领域。
1. 稀土荧光材料稀土元素的激发和发射光谱分别在紫外和可见光谱区域，这为稀土元素作为发光剂提供了可能。
利用稀土元素在材料中的荧光性质，可以制备出多种稀土荧光材料。
例如，用铝、锶、硝酸和稀土离子作为原料，加入氧化铜，在高温下烧结制得的SrAl12O19:Eu2+荧光材料，该材料可通过调整Eu2+的浓度，得到蓝色或绿色光谱。
2. 稀土蓝宝石材料稀土元素在蓝宝石晶体中取代一部分铝离子，形成了稀土蓝宝石材料。
这些材料不仅具有纯天然蓝宝石的宝贵性质，而且还具有稀土元素的光学性质，可以发射出多种不同波长的光，应用于光学领域。
例如，使用Y3Al5O12：Ce3+、Tb3+、Mn4+制备的稀土蓝宝石材料，这种材料可以用于LED照明、荧光粉、荧光棒等多种场合。
3. 稀土发光纤维材料稀土元素发光纤维材料有着很好的应用前景。
纳米稀土发光材料纳米稀土发光材料是一种具有重要应用价值的材料，其独特的物理和化学性质使其在显示器、照明、生物成像、太阳能转换等领域具有广泛的应用前景。
本文将介绍纳米稀土发光材料的性质、制备方法及其在各领域的应用情况。
一、纳米稀土发光材料的性质纳米稀土发光材料是指由稀土元素掺杂到纳米晶体中的发光材料。
由于稀土元素具有独特的4f电子结构，它们可以在外部激发下产生多种颜色的光，而且光谱波长覆盖范围广，可以从紫外到近红外的区域。
此外，纳米稀土发光材料的荧光寿命长，色彩纯度高，化学稳定性好，因此在各种领域中具有广泛的应用价值。
二、纳米稀土发光材料的制备方法制备纳米稀土发光材料的方法有很多种，其中比较常用的有高温熔盐法、溶剂热法、化学气相沉积法、溶胶-凝胶法等。
这些方法的基本原理是将稀土元素掺杂到晶体结构中，然后通过控制晶体生长的条件，得到不同尺寸和形状的纳米晶体。
三、纳米稀土发光材料的应用情况1. 显示器：纳米稀土发光材料可以用于制造高亮度、高分辨率的显示器。
由于其荧光寿命长，色彩纯度高，可以大大提高显示器的使用寿命和色彩还原度。
2. 照明：纳米稀土发光材料可以用于制造高效、环保的照明设备。
其高亮度、长寿命的特点可以大大提高照明设备的性能。
3. 生物成像：纳米稀土发光材料可以用于生物成像技术中，如荧光探针、荧光显微镜等。
由于其具有长荧光寿命和较好的化学稳定性，因此在生物医学领域具有广泛的应用前景。
4. 太阳能转换：纳米稀土发光材料可以用于太阳能转换技术中，如太阳能电池等。
由于其光谱范围广，可以有效地吸收太阳光并将其转化为电能。
5. 光催化：纳米稀土发光材料可以作为光催化剂，用于降解有机污染物和光解水制氢等。
由于其具有长荧光寿命和较好的化学稳定性，因此在环保和能源领域也具有广泛的应用前景。
纳米稀土发光材料作为一种具有重要应用价值的材料，其应用前景广阔。
随着科技的不断发展，相信其将在各个领域中发挥更加重要的作用。
对稀土发光材料的认识稀土发光材料是一类具有特殊发光性质的材料，可以在受到激发能量的作用下发出可见光甚至紫外光。
稀土元素是指周期表中的镧系元素，包括镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钷（Pm）、钐（Sm）、铕（Eu）、铽（Gd）、镝（Dy）、钆（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）和镥（Lu）。
稀土发光材料具有许多独特的性质和广泛的应用。
首先，稀土发光材料的发光性能非常优异。
不同的稀土元素可以发射不同波长的光，从紫外光到近红外光都可以覆盖。
这使得稀土发光材料在照明、显示、荧光标记等领域有着广泛的应用。
稀土发光材料具有较高的荧光量子效率。
荧光量子效率是指激发能量转化为荧光光子能量的比例，稀土发光材料通常具有较高的荧光量子效率，可以将激发能量有效地转化为可见光。
这使得稀土发光材料在LED照明和显示技术中得到广泛应用，可以提高能源利用率。
稀土发光材料还具有良好的化学稳定性和光稳定性。
稀土元素具有较高的离子半径和较稳定的电子结构，使得稀土发光材料具有较好的耐热性和耐光性。
这使得稀土发光材料可以在高温、高光强环境下稳定工作，适用于各种特殊环境。
稀土发光材料的应用非常广泛。
在照明领域，稀土发光材料可以用于制造高效节能的LED照明产品，取代传统的白炽灯和荧光灯。
在显示领域，稀土发光材料可以用于液晶显示器背光源，提供高亮度和高色彩还原性能。
在荧光标记领域，稀土发光材料可以用于生物荧光探针，用于细胞成像、蛋白质分析等生命科学研究。
稀土发光材料还可以用于激光技术、太阳能电池、光纤通信等领域。
在激光技术中，稀土发光材料可以作为激光介质，发射高功率、窄线宽的激光光束。
在太阳能电池中，稀土发光材料可以用作增强层，提高太阳能电池的光吸收效率。
在光纤通信中，稀土发光材料可以用于制造光纤放大器，增强光信号传输的距离和质量。
稀土发光材料具有独特的发光性质和广泛的应用前景。
通过不同的稀土元素的组合和调控，可以获得不同波长的发光，满足不同领域的需求。
稀土纳米材料——这种材料极具潜力！（上）稀土元素因具有独特的4f亚层电子结构、大的原子磁矩、强的自旋-轨道耦合等特点,而产生十分丰富的光、电、磁等性质，是当今世界各国改造传统产业、发展高新技术所不可或缺的战略物资，被誉为“新材料宝库”。
稀土除在冶金机械、石油化工、玻璃陶瓷、轻纺等传统领域中的应用外，更是清洁能源、大运载工具、新能源汽车、半导体照明、新型显示等新兴领域的关键支撑材料，与人类生活息息相关。
经过数十年的发展，稀土相关研究的重点也相应从单一高纯稀土的冶炼分离，向稀土在磁学、光学、电学、储能、催化、生物医药等高新技术应用方面拓展。
一方面在材料体系上更多地趋向于稀土复合材料；另一方面，在形态上更多地集中于低维和功能晶体材料。
特别是随着现代纳米科学的发展，将纳米材料所具备的小尺寸效应、量子效应、表面效应和界面效应等与稀土元素独特的电子层结构特点相结合，稀土纳米材料呈现出不同于传统材料的许多新颖的性质，更大限度地发挥稀土材料的优异性能，并进一步拓展其在传统材料领域和新型高科技制造领域的应用。
目前，主要有以下极具潜力的稀土纳米材料，分别是稀土纳米发光材料、稀土纳米催化材料、稀土纳米磁性材料、纳米氧化铈紫外遮蔽材料及其他纳米功能材料。
一、稀土纳米发光材料01 稀土有机-无机杂化发光纳米材料复合材料将不同功能的单元在分子水平上复合，可实现功能的互补和优化。
有机-无机杂化材料兼具有机组分和无机组分的功能，显现出良好的机械稳定性柔韧性、热稳定性以及优异的可加工性。
稀土配合物具有色纯度高、激发态寿命长、量子产率高、发射谱线丰富等优点,在显示、光波导放大、固体激光器、生物标记及防伪等诸多领域有着广泛的应用。
但是，稀土配合物的光热稳定性低、可加工性差，严重阻碍了其应用推广。
将稀土配合物与具有良好力学性能和稳定性的无机基质相结合，是改善稀土配合物的发光性能的一条有效途经。
02 白光LED稀土发光材料与现有照明技术相比，半导体照明产品发光二极管(LED)具有使用寿命长、能耗低、发光利用率高、无汞、无紫外辐射、工作稳定等优点,被认为是继白炽灯、荧光灯和高强气体放电灯(HID)之后的“第四代光源”。
稀土发光材料发光原理
稀土发光材料发光的原理是通过激发稀土元素中的电子，使其跃迁到较高的能级，然后在自发辐射的过程中释放出光子。
这个过程可以分为两个步骤：激发和辐射。
激发是指外界能量激发稀土元素中的电子跃迁到较高的能级。
通常采用光或电子束激发的方式，通过吸收光子或电子的能量，使得电子跃迁到激发态。
在激发态，电子处于不稳定状态，因为其能量高于基态。
辐射是指处于激发态的电子自发地跃迁到较低的能级并释放出光子的过程。
这种自发辐射会导致光子的发射，从而形成所谓的发光现象。
跃迁的发生取决于电子能级的结构，具体的激发和辐射过程可通过能级示意图表示。
稀土发光材料之所以能够发出不同颜色的光，是因为稀土元素的能级结构决定了其跃迁的能量差异。
不同的能级跃迁对应不同的光子能量，而光的能量与波长成反比。
因此，稀土元素的能级结构决定了材料所发出的光的颜色。
总之，稀土发光材料的发光原理是通过激发稀土元素中的电子到较高能级，然后在自发辐射的过程中释放光子，形成发光现象。
不同的能级跃迁决定了发出的光的颜色。
浅述稀土发光材料日新月异的现代技术的发展需要很多新型材料的支持。
自从第三次科技浪潮席卷全球以来，新型材料同信息、能源一起，被称为现代科技的三大支柱。
新材料的诞生会带动相关产业和技术的迅速发展，甚至会催生新的产业和技术领域。
材料科学现已发展成为一门跨学科的综合性学科。
根据我国当前及未来发展的实际情况，新材料领域值得注意的新发展方向主要有半导体材料、结构材料、无机发光材料、有机／高分子材料、敏感与传感转换材料、纳米材料、生物材料及复合材料。
1.稀土发光材料简介1.1 稀土发光材料的电子组态特征稀土离子的发光特性来源于其电子构型的特殊性。
发射与激发主要源于4f 能级间或5d-4f能级间的电子跃迁。
研究稀土发光材料，实际是研究4f轨道上与f电子的物理性质相关的材料。
稀土原子和离子的电子组态具有下列特征：(1) 中性La系原子中，没有4f电子的La (4f0), 4f电子半充满的Gd (4f7)和4f电子全充满的Lu (4f14)都有一个5d电子，即m＝1；此外，Ce原子也有一个5d电子，其他La系原子的m 都为零。
(2) 对于一个具体的稀土元素，相对于6s和5d电子，4f 电子的能量要低一些，因此6s和5d最容易电离，如果没有5d电子，4f电子也容易电离一个，所以很容易形成三价稀土离子Re3+ (4f n).部分稀土元素除了稳定的+3价之外，也存在异常的+2和+4价态。
La3+ (4f0), Gd3+ (4f7)和Lu3+ (4f14)已处于稳定结构，获得+2和+4价态是相当困难的；Ce3+ (4f1)和Tb3+(4f8)失去一个电子即达稳定结构，因而出现+4价态；Eu3+ (4f6)和Yb3+ (4f13)接受一个电子即达稳定结构，因而易出现+2 价态。
(3) 三价La系离子的4f电子在空间上受到外层的5s25p6壳层所屏蔽，故受外界的电场，磁场和配位场等外场的影响较小，使它们的显著不同于过渡元素的离子在三价稀土离子中，没有4f电子的La3+ (4f0)及4f 电子全充满的Lu3+(4f14)都具有充满的壳层，因此它们都是无色的离子，具有光学惰性，很适合作为发光和激光材料的基质。
稀土发光纳米材料的应用
稀土发光纳米材料是一种特殊的纳米材料，其表面含有稀土元素，可以发出独特的光谱。
这种材料具有很多应用前景，下面我们来了解一下它的主要应用。
一、荧光探针
稀土发光纳米材料可用作荧光探针，可在医学诊断、刑侦鉴定、环保等领域发挥重要作用。
它们可以用于特定生物分子的检测，例如药物和肿瘤标志物的检测，或者用于水质检测，以发现水中的重金属阳离子等有害物质。
二、光学传感器
稀土发光纳米材料还可用于光学传感器的制备。
通过控制它们的形状和尺寸可以改变材料的光学性质，从而制造出高灵敏度、高分辨率、快速响应的传感器。
这种传感器可以用于燃料电池、生物医学领域等。
三、白光LED
稀土发光纳米材料可用作白光LED的荧光体。
传统的白光LED是通过蓝色或近紫色LED 的荧光材料来制造的。
稀土发光纳米材料比传统荧光材料更适合于白光LED，因为它们具有更高的光量子效率和更低的温度敏感性。
此外，稀土发光纳米材料的发光可以用于屏幕照明和户外照明等领域。
四、生物成像
稀土发光纳米材料可以在生物成像中发挥重要作用。
它们可以被注入到组织中，以供医生观察和为病人提供更好的医疗诊断。
此外，这些材料还可以用于药物释放，以在特定部位对肿瘤进行更有效的呈现。
五、太阳能电池
稀土发光纳米材料可用于太阳能电池的制造。
它们可以被用作太阳能电池中的染料敏化剂，并且与太阳能电池相比具有更高的效率和更长的寿命。
综上所述，稀土发光纳米材料具有非常广泛的应用领域，有望为我们的未来带来更多的科技进步和改善人类生活质量。
稀土发光材料发光原理稀土发光材料是一种具有特殊发光性能的材料，其发光原理主要是由稀土元素的激发态和基态之间的跃迁所导致的。
稀土元素是指周期表中镧系元素和锕系元素，它们在材料中的激发态和基态之间的跃迁可以产生特殊的发光效果，因此被广泛应用于发光材料中。
稀土发光材料的发光原理主要包括两种机制，一种是基于激发态的辐射跃迁，另一种是基于能级的非辐射跃迁。
在这两种机制中，激发态的辐射跃迁是主要的发光原理。
在稀土发光材料中，当外界能量作用于材料时，稀土元素的电子会被激发到高能级的激发态，形成激发态的离子。
这些激发态的离子在短时间内会通过非辐射跃迁回到基态，释放出部分能量。
而在这个过程中，部分能量会以光的形式辐射出来，形成发光效果。
这就是稀土发光材料的发光原理之一，基于激发态的辐射跃迁。
而另一种发光原理是基于能级的非辐射跃迁。
在这种机制下，稀土元素的电子被激发到高能级的激发态后，会在非辐射跃迁的过程中释放出部分能量。
虽然这部分能量不以光的形式辐射出来，但是在一些特殊情况下，这部分能量会转化为光的能量而发光。
这种发光机制在一些特殊的稀土发光材料中也得到了应用。
除了这两种主要的发光原理外，稀土发光材料的发光效果还受到一些其他因素的影响，比如稀土元素的种类、晶体结构、杂质离子的影响等。
这些因素都会对稀土发光材料的发光效果产生一定的影响。
总的来说，稀土发光材料的发光原理是基于稀土元素的激发态和基态之间的跃迁所导致的。
这种特殊的发光原理使得稀土发光材料在发光效果上具有独特的优势，因此在LED、荧光材料、激光材料等领域得到了广泛的应用。
对于稀土发光材料的发光原理的深入研究，不仅有助于提高发光材料的性能，还可以拓展其在各种领域的应用，具有重要的科学研究和工程应用价值。
pH值、亚硝酸盐累积与氨氮基质比例、有机物等诸多因素的协同影响。
李亚峰[16]以FA去除率、FNA去除率和TN去除率为评价指标，利用SPSS 软件进行回归分析，求出各自变量系数，得出回归方程，回归评分分析后，得出各因素影响优先顺序：溶解氧＞水力停留时间＞葡萄糖＞pH＞碳酸氢钠＞温度，并得到了ANAMMOX工艺处理高氨氮废水的最佳工艺条件。
付昆明[17]在研究中认为短程硝化将会推动ANAMMOX工艺的工程化应用，从控制温度、游离氨、污泥龄、溶解氧、间歇曝气、游离亚硝酸、pH值的稳定性和可行性分析，认为中温条件、FA、DO污泥龄是最容易实现控制的条件。
3 结语目前ANAMMOX工艺大部分局限于中温高氨氮废水的处理，主要用于污泥消化液、垃圾渗滤液或食品加工消化物的处理，且对去除的氮负荷、氮源类型等都有较为苛刻的要求，因此ANAMMOX技术应用时，依然需要解决有机物、DO、亚硝酸盐等的抑制问题，以及工艺调整的复杂性问题才能有更好的发展前景。
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浅论纳米稀土发光材料摘要：本文对稀土元素的发光机理作了大概描述, 且主要针对纳米稀土发光材料的性能、制备方法、存在问题及发展前景作了主要论述。
关键词：稀土；发光材料；纳米技术；光学性能；制备引言稀土元素包括钪、钇和57到71的镧系元素共17种元素。
它们在自然界中共同存在, 性质非常相似。
由于这些元素发现的比较晚, 又难以分离出高纯的状态, 最初得到的是元素的氧化物, 它们的外观似土, 所以称它们为稀土元素。
镧系元素离子的吸收光谱或激发光谱, 来源于fn 组态内的电子跃迁, 即f- f 跃迁; 组态间的能级跃迁, 即4f-5d, 4f-6s, 4f-6p 等跃迁: 还有电荷迁移跃迁, 即配体离子的电子向Ln3+ 离子的跃迁, 从高能级向低能级的跃迁就产生相应的发射光谱。
由于稀土的这些特性,所以它可以做发光材料。
发光材料包括半导体发光材料和稀土化合物发光材料两大类[ 1]。
稀土荧光材料以应用铕、铽、钆、钇等高纯中、稀土为主要特色[ 2]。
纳米稀土发光材料是指基质粒子尺寸在1—100nm的发光材料[ 3]。
稀土掺杂纳米发光材料以其种类繁多、性能优异的特点己发展成为一个新的产业, 广泛应用于信息显示、绿色照明、医疗健康、光电子等领域。
纳米粒子本身具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等[4]。
受这些结构特性的影响, 纳米稀土发光材料表现出许多奇特的物理和化学特性, 从而影响其中掺杂的激活离子的发光和动力学性质, 如光吸收、激发态寿命、能量传递、发光量子效应和浓度猝灭等性质。
因此, 纳米稀土发光材料已经成为纳米材料和稀土发光材料领域中的一个新的研究热点[5-8]。
本文将对纳米稀土发光材料的性能特点、制备方法、应用前景及存在的问题等展开论述。
一、纳米稀土发光材料的性能特点与常规的微米颗粒的发光材料相比, 纳米稀土发光材料的颗粒尺度通常小于激发或发射光波的波长, 因此光场在微粒范围内可以近似为均匀的, 不存在对光波的限域作用引起的微腔效应, 而且对超细颗粒而言, 尺寸变小, 其比表面积亦显著增加, 产生大的表面态密度。
这两方面特性都使纳米稀土发光材料产生一系列新奇的性质, 主要表现在以下几方面:1、荧光寿命变化M. Tissue[9]研究了纳米Y2O3: Eu3+ 的荧光寿命与微米Y2O3: Eu3+ 的比较, 看到纳米化后荧光寿命明显延长。
李强[10]研究表明, 这是因为小颗粒粒径限制了Eu3+的能量转移过程, 导致交叉驰豫过程不起作用。
而用溶胶提拉法制备的Zn2 SiO4:Mn2+ 纳米微晶薄膜中观察到Mn2+ 的荧光寿命缩短, 与相同工艺条件下制得的Zn2S iO4: Mn2 + 粉末材料( 2 Lm )相比, Mn2+ 发光的寿命缩短了5 个量级, 这是由于表面缺陷增加引起的[11]。
2、谱线漂移由于纳米微粒的量子尺寸效应导致纳米微粒的光谱峰值向短波方向移动的现象称为“蓝移”。
相反由于表面与界面效应引起的光谱峰值向长波方向移动的现象称为“红移”[1]。
普遍认为蓝移现象的发生主要是由于载流子、激子或发光离子受量子尺寸效应而导致其量子能级分裂显著, 带隙加宽引起的。
而红移是由于表面与界面效应引起纳米微粒的表面张力增大, 使发光粒子所处的环境变化( 如周围晶体场的增大等) 致使粒子的能级发生变化, 带隙变窄所引起的。
李强等[ 10]在研究纳米Y2O3: Eu3+的光谱的过程中,发现发射光谱蓝移的现象, 随着晶粒尺寸微米级降纳级, 发射光谱中5D0→7F2跃迁主峰位置由618nm 蓝移至610nm。
3、红外吸收带宽化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。
在红外光场的作用下, 它们对红外吸收的频率也存在一个较宽的分布, 这就导致了纳米粒子外吸收带的宽化。
4、浓度猝灭纳米发光材料还存在另一个重要的现象就是猝灭浓度的变化, 如纳米Y2O3:Eu3+ ( 20 nm ) 比微米Y2O3: Eu3+的激活剂临界浓度高, 纳米Y2O3: Eu3+中Eu3+ 的临界浓度为8% [ 12, 13] , 这种现象说明纳米Y2O3: Eu3+颗粒间大的界面使能量传递速率降低,进而使得传递给猝灭中心的能量减少。
5、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, 电子空穴库仑作用增强, 从而使激子结合能和振子强度增大, 而介电效应的增加会导致纳米发光粒子表面结构发生变化, 对原来禁戒跃迁变成允许, 因此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360 nm 激发光的激发可产生荧光。
二、纳米稀土发光材料的制备方法纳米稀土发光材料的制备分为两种：物理制备及化学制备。
其中采用物理合成方法可以获取粒径更小的纳米微粒，但为了保证复杂多组分体系材料的均匀性, 避免物理工艺中杂相的出现, 所采用的方法大都是化学合成工艺, 其主要有沉淀法、溶胶-凝胶法、燃烧合成法、气相法、微乳液法、喷雾热解法等。
1、沉淀法沉淀法是在原料溶液中添加适当的沉淀剂或使原料发生水解, 使得原料溶液中的阳离子形成各种形式的沉淀物( 沉淀颗粒的大小和形状可由反应条件来控制) ,然后再经过过滤、洗涤、干燥, 有时还需要加热分解等工艺过程而得到所需要的纳米粉体。
沉淀法又分金属醇盐水解法、共沉淀法和均相沉淀法[1]。
化学沉淀法的优点是组分均匀性好, 工艺易于控制。
缺点是对原料的纯度要求较高, 合成路线较长, 易引入杂质。
2、溶胶-凝胶法溶胶- 凝胶法( Sol- Gel)是指从金属的有机物或无机物的溶液出发, 在低温下, 通过溶液中的水解、聚合等化学反应, 首先生成溶胶, 进而生成具有一定空间结构的凝胶, 然后经过热处理或减压干燥、焙烧除去有机成分, 最后得到无机材料。
用Sol-Gel合成法的优点是具有起始反应活性高、反应组分可以在分子或原子级水平上混合均匀、组成精确、合成温度低、可节省能源等明显优点, 是合成纳米发光材料的主要方法之一。
用此方法已成功地合成出多种稀土掺杂的纳米发光材料, 如Y2 SiO7: Eu[ 14];SiO2: Dy, Al等。
Sol- Gel法制备的发光材料掺杂更均匀, 晶格更完善, 从而降低了能量在传递过程中向猝灭中心的传递几率。
3、燃烧合成法燃烧合成法是将相应金属硝酸盐(氧化剂)和尿素或碳酰肼的混合物放置在一定温度的环境下,使之发生燃烧反应, 制备氧化物或其它发光材料的一种方法。
燃烧法具有反应时间短、制得的产物纯度高、粒度小、分布均匀及比表面积大等特点, 在试验研究中应用较为普遍。
目前用燃烧法制得的产品发光性能还不很理想, 随着试验的深入, 燃烧法将会是一种很有前途的合成方法。
4、气相法根据制备工艺该法又分为物理气相沉积法( PVD法) 、化学气相沉积法( CVD 法) 和化学气相反应法。
其中, 物理气相沉积法是利用真空蒸发、激光等手段, 使原料气化或形成等离子体, 然后在介质中骤冷使之凝结得到纳米粉体。
而化学法则利用挥发性金属化合物蒸气的化学反应来合成纳米粉体。
气相法具有产物纯度高、结晶组织好、形状和颗粒度可控等优点。
5、微乳液法微乳液法是近年来制备纳米颗粒所采用的较为新颖的一种方法, 它是以不溶于水的非极性物质相为分散介质, 以不同反应物的水溶液为分散相, 采用适当的表面活性剂作为乳化剂, 形成油包水型( W/ O) 微乳液,使得颗粒的形式空间限定于微乳滴液的内部, 从而得到粒径分布窄、形态均匀的纳米颗粒。
一般工艺流程为:6、喷雾热解法喷雾热解法是以水、乙醇或其它溶剂将反应原料配成溶液, 再通过喷雾装置将反应液雾化并导入反应器中, 在那里将前驱体溶液的雾流干燥, 然后在管式反应炉中分解以制备颗粒的方法。
用这种方法制备的发光体颗粒具有许多优良的性质, 如颗粒分布均匀和高温退火后有较好的球状形态等, 如Yun ChanKang 等[15]用此方法制备了Y2O3: Eu3+和Gd2O3: Eu3+等。
7、小结优点缺点沉淀法组分均匀性好, 工艺易于控制对原料的纯度要求较高, 合成路线较长, 易引入杂质溶胶-凝胶法起始反应活性高、反应组分可以在分子或原子级水平上混合均匀、组成精确、合成温度低、可节省能源目前所使用的原料价格比较昂贵；有些原料为有机物, 对健康有害;整个溶胶-凝胶过程所需时间较长燃烧合成法反应时间短、制得的产物纯度高、粒度小、分布均匀及比表面积大制得的产品发光效能不高气相法产物纯度高、结晶组织好、形状和颗粒度可控反应条件要求较高微乳液法纳米颗粒粒径分布窄、形态均匀操作较为繁琐喷雾热解法原料简单，颗粒分布均匀和高温退火后有较好的球状形态易产生反应衍物以上化学合成法是制备纳米稀土发光材料的有效方法, 合成温度较高温固相法低, 产物相纯度高,颗粒粒径小, 但合成的材料结晶较差, 发光效率低。
要得到理想的稀土发光材料,应对其化学合成工艺进一步完善。
三、纳米稀土发光材料的应用前景及展望纳米稀土发光材料可广泛应用于发光、显示、光信息传递、太阳能光电转换、x 射线影像、激光、闪烁体等领域, 是本世纪含CRT、FED 和各种平板显示器的信息显示、人类医疗健康、照明光源、粒子探测和记录、光电子器件及农业、军事等领域中的支撑材料, 发挥着越来越重要的作用。
由于它的广泛应用, 有很大的发展前景:1、多种制备技术复合也是合成纳米稀土发光材料未来发展方向之一。
由于各种技术各有优缺点, 因此我们可以将各种制备方法扬长避短、相互结合, 优化组合并找出更好的合成方式和途径，比如将微波烧结技术和超声波分散技术等高新技术与化学合成技术结合来制备纳米稀土发光材料也是近来的发展趋势之一。
以此来更好地制备出高质量、低消耗的纳米稀土发光材料。
2、寻找出粒径的变化与材料性能之间的关系。
通过纳米稀土发光材料的制备技术, 对纳米微粒的粒径进行控制, 制备出一系列不同粒径的纳米微粒,从而进一步研究纳米稀土发光材料的发射波长、荧光寿命、发光效率以及猝灭浓度等性能与纳米微粒的粒径变化之间的关系，从而构建更好的反应体系。
3、探索和建立纳米稀土发光材料的理论体系。
目前对此类材料的理论研究只是初步展开, 还没有建立一套有指导意义的系统的理论。
总之, 纳米稀土发光材料是一类具有广泛应用前景的新型发光材料。
为了更好的利用, 需要我们在前人经验的基础上进一步深入研究探索，比如在纳米颗粒中激活剂的分布、分凝问题；越过界面时能量传递机制的改变等等，争取获得更丰富、更准确的实验结果,，从而将纳米稀土发光材料应用到更为广阔的平台中，更好的造福人类。
四、纳米稀土材料目前所存在的问题虽然纳米稀土材料的未来前景非常好，但在目前，纳米稀土材料的研究及应用都还只是初步展开，其中仍存在着一些问题亟待解决：1、中国是世界上最大的稀土资源国，在现已查明的世界稀土资源中，80%的稀土资源在中国，并且品种齐全。
