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稀土发光材料、稀土荧光粉、用途功能技术介绍自古以来，人类就喜欢光明而害怕黑暗，梦想能随意地控制光，现在我们已开发出很多实用的发光材料。
在这些发光材料中，稀土元素起的作用很大，稀土的作用远远超过其它元素。
一、稀土发光材料物质发光现象大致分为两类：一类是物质受热，产生热辐射而发光，另一类是物体受激发吸收能量而跃迁至激发态（非稳定态）在反回到基态的过程中，以光的形式放出能量。
以稀土化合物为基质和以稀土元素为激活剂的发光材料多属于后一类，即稀土荧光粉。
稀土元素原子具有丰富的电子能级，因为稀土元素原子的电子构型中存在4f轨道，为多种能级跃迁创造了条件，从而获得多种发光性能。
稀土是一个巨大的发光材料宝库，在人类开发的各种发光材料中，稀土元素发挥着非常重要的作用。
自1973年世界发生能源危机以来，各国纷纷致力于研制节能发光材料，于是利用稀土三基色荧光材料制作荧光灯的研究应运而生。
1979年荷兰菲利浦公司首先研制成功，随后投放市场，从此，各种品种规格的稀土三基色荧光灯先后问世。
随着人类生活水平的不断提高，彩电已开始向大屏幕和高清晰度方向发展。
稀土荧光粉在这些方面显示自己十分优越的性能，从而为人类实现彩电的大屏幕化和高清晰度提供了理想的发光材料。
稀土荧光材料与相应的非稀土荧光材料相比，其发光效率及光色等性能都更胜一筹。
因此近几年稀土荧光材料的用途越来越广泛，年用量增长较快。
根据激发源的不同，稀土发光材料可分为光致发光（以紫外光或可见光激发）、阴极射线发光（以电子束激发）、X射线发光（以X射线激发）以及电致发光（以电场激发）材料等。
二、光致发光材料—灯用荧光粉灯用发光材料自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。
主要用于各类不同用途的光源，如照明、复印机光源、光化学光源等。
其中三基色荧光粉（由红、绿、蓝三种稀土的荧光粉按一定比例混合而成）制成的节能灯，由于光效高于白炽灯二倍以上，光色也好，受到世界各国的重视。
第02周：教学内容：稀土元素的结构特点：详述稀土元素在周期表中位置及电子层结构特点、价态；稀土元素的材料性能与物理化学性质1.简述稀土元素的材料性能；2.详述稀土元素的物理与化学性质；教学要求：熟悉并重点掌握稀土元素在周期表中位置及电子层结构特点、价态；稀土元素的物理与化学性质。
第2章稀土元素的结构特征与材料性能§1 稀土元素的结构特点一.稀土元素在元素周期表中的位置稀土元素在元素周期表中的第六周期的ⅢB族中。
镧和铈→镥(Lu)的15个镧系元素在同一格内。
显然,从镧—→镥这15个元素的性质极为相似。
由于第五周期ⅢB族中的钇原子半径接近于镧并且在镧系元素离子半径递减顺序中间，使得钇和镧系元素的化学性质相似。
由于稀土元素在周期表中的这种特殊位置，使得镧系元素的电子能级和离子半径呈现出微小连续变化而具有许多特性。
二.基态原子的电子排布当原子处在基态时,核外电子排布必须遵循下述三个原则：1.泡里(Pauli)不相容原理：即一个原子轨道最多只能排2个电子,而且这两个电子的自旋方向必须相反。
2.能量最低原理：在不违背泡里(Pauli)不相容原理的条件下,电子优先占据能态较低的原子轨道,使整个原子体系的能量处于最低。
3.洪特(Hund)规则：在能级高低相等的轨道上,电子尽可能分占不同的轨道。
作为洪特(Hund)规则的特例,能级高低相等的轨道上全空、半空半满和全满的状态是比较稳定的。
ⅠA~ⅡA ⅢA ~ⅦA ⅢB ~ⅦB 錒系Ac 周期ⅠB~ⅡB 镧系Ln↖↖7s 7p 7↖↖↖6s 6p 6d 6↖↖↖↖5s 5p 5d 5f 5↖↖↖↖↖4s 4p 4d 4f 4↖↖↖↖↖3s 3p 3d 3↖↖↖↖2s 2p 2↖↖↖1s 1↖图2~1原子核外电子填充次序图根据上述原则,基态原子的电子在原子轨道中填充排布的顺序是：1S2；2S2；2P6,3S2；3P6,4S2；3d10,4P6,5S2；4d10,5P6,6S2；4f14,5d10,6P6,7S2；5f14,6d10,7P6…。
稀土元素性质的决定因素和体现吴秀萍上海交通大学 F0511002班 5051109030摘要：稀土元素的性质十分相似，这与它们原子和离子特有的电子结构和半径大小有关，稀土元素在各方面的应用充分体现了它们的性质。
关键词：电子组态磁性光谱特性引言：稀土元素的发现至今已经经历了一个漫长的时期，人们对稀土元素独特的化学性质和物理性质的认识，也经历了一个逐渐深入的过程，因此能合理充分地应用稀土元素。
1 稀土元素的定义稀土元素是指周期表中第57（镧）到71（镥）号原子序的镧系元素，以及第三副族中的钪和钇共17个元素，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。
［1］2 稀土元素性质的决定因素稀土元素的性质非常相似，但彼此之间又有一些差别，这都是由它们的原子和离子的电子结构，以及半径大小所决定的。
2.1 稀土元素原子和离子的电子结构特征电子结构特征是由电子组态来描述的。
电子组态是由主量子数n和角量子数l所规定的一种原子或离子中电子排布方式。
电子组态用符号 nl表示。
根据能量最低原理，镧系元素原子的基态电子组态由两种类型：［Xe］4f6s和［Xe］4f5d6s。
当原子受热或电磁辐射的激发，分别失去它们的5d6s或4f6s三个外层电子之后，都变成正三价的离子。
当4f轨道处于全空、半充满和全充满时，离子是较稳定的，所以镧、钆、镥的正三价离子是最稳定的。
原子序比镧大1或2的铈、镨，比钆大1的铽原子，也倾向于多电离出1或2个4f电子，变成稳定的正4价的离子。
原子序比钆、镥小1或2的钐、铕、镱，也倾向于少电离出1或2个电子，变成具有半充满或全充满的4f轨道，形成稳定的正2价的离子。
2.2 稀土元素的原子半径和离子半径镧系元素随着原子序的增加，核电荷相应增加，电子依次填入4f内层，而外层保持不变。
因为4f电子的径向分布不可能完全屏蔽核电荷对外层电子的引力，核电荷的增加对外层电子的引力也增大，因而造成镧系元素原子和正三价离子半径也随之减小，这就是“镧系收缩”现象。
稀土离子4f组态能级1. 引言稀土元素是指周期表中镧系元素（包括镧、铈、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱以及酪梨），它们在化学性质上具有相似的特点。
稀土元素的4f电子壳层结构对其独特的化学和物理性质起到了重要影响。
稀土离子是指稀土元素中失去部分或全部外层电子形成带电离子的过程。
这些带电离子在固体和溶液中表现出不同的能级结构，这对于解释稀土材料的光学、磁学和电学性质至关重要。
本文将详细介绍稀土离子4f组态能级，探讨其在材料科学中的应用。
2. 稀土离子的4f组态稀土元素的4f电子壳层由14个电子组成，可以形成不同的组态。
这些组态由于配位场和晶体场效应而发生变化。
根据洪特规则，4f电子填充顺序为：5d1 6s2 4f0, 5d1 6s2 4f1, 5d1 6s2 4f2, …, 5d1 6s2 4f14。
这些组态可以通过Hund’s规则来解释。
根据Hund’s规则，最低能量的组态是具有最大自旋多重度的组态。
例如，对于铽离子（Tm3+），其4f组态为5d1 6s24f12，其中4f电子填充到了不同的磁量子数状态上，以达到最低能量。
3. 稀土离子的能级结构稀土离子在晶体场下会出现能级分裂现象。
晶体场效应会导致原子轨道的对称性降低，从而使得一些轨道能量增加，一些轨道能量降低。
这种分裂使得稀土离子在吸收和发射光谱中表现出特征性的峰。
稀土离子的能级结构可以通过光谱技术来研究。
例如，紫外可见吸收光谱可以用来确定稀土离子的电子跃迁过程。
磁共振光谱则可以提供关于稀土离子的磁学性质和局域化态的信息。
4. 稀土离子的应用稀土离子的能级结构和性质使得它们在材料科学中具有广泛的应用。
4.1 光学应用稀土离子的能级结构决定了它们的吸收和发射光谱。
这些特征性的光谱可以用于荧光材料、激光器和LED等光学器件中。
例如，铒离子在红外区域有强烈吸收，因此可以用于红外吸收剂和红外传感器。
4.2 磁学应用稀土离子由于其特殊的电子结构，在磁学中有着重要的应用。
稀土荧光材料
稀土荧光材料是一类具有特殊荧光性能的材料，由稀土元素和其他材料组成。
稀土元素是指周期表中镧系元素和锕系元素，它们的电子结构特殊，能够产生特定的荧光效应。
稀土荧光材料在荧光显示、荧光标记、荧光传感等领域有着广泛的应用，具有重要的科研和工程价值。
稀土荧光材料的荧光性能主要取决于稀土元素的电子结构和能级跃迁。
稀土元
素的4f电子能级分裂较小，电子跃迁具有特定的选择性和规则性，因此稀土元素
具有特殊的荧光性质。
不同的稀土元素和不同的配位环境可以产生不同的荧光颜色和荧光寿命，这为稀土荧光材料的设计和应用提供了丰富的选择空间。
稀土荧光材料具有许多优良的性能，如高荧光效率、宽发射光谱、长荧光寿命、抗光照衰减等。
这些性能使得稀土荧光材料在荧光显示领域得到广泛应用，如
LED照明、荧光屏幕、荧光打印等。
此外，稀土荧光材料还在生物医学领域具有
重要的应用，如荧光标记、荧光成像、荧光传感等，为生物医学诊断和治疗提供了重要的技术支持。
随着科学技术的不断发展，人们对稀土荧光材料的研究也在不断深入。
目前，
人们正在努力开发新型的稀土荧光材料，以满足不同领域的需求。
在材料合成、结构表征、荧光性能调控等方面取得了许多重要进展，为稀土荧光材料的设计和应用提供了新的思路和方法。
总的来说，稀土荧光材料具有独特的荧光性能和广泛的应用前景，对于推动材
料科学和应用技术的发展具有重要意义。
未来，随着人们对稀土荧光材料的深入研究和应用，相信它们将在更多领域展现出重要的作用，为人类社会的发展做出新的贡献。
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。
稀土元素的电子结构分析稀土元素，这可真是个神奇又有趣的领域！咱们今天就来好好扒一扒它们的电子结构。
我还记得有一次在实验室里，为了研究稀土元素的电子结构，我和同事们可是费了好大的劲。
那是一个阳光明媚的上午，实验室里的仪器都在安静地等待着我们的操作。
我们把精心准备好的稀土样本小心翼翼地放进了检测设备中，每个人的眼睛都紧紧盯着屏幕，期待着能从中解读出稀土元素电子结构的秘密。
稀土元素包括镧系元素加上钪和钇，一共 17 种元素。
它们的电子结构那叫一个复杂而独特。
先来说说镧系元素，它们的电子构型有一个明显的特点，就是在填充电子的时候，会先填充 4f 轨道。
这 4f 轨道就像是一个神秘的小房间，电子们在里面排排坐。
比如说，镧（La）的电子构型是 Xe5d1 6s2，而铈（Ce）则是 Xe4f1 5d1 6s2。
稀土元素的电子结构决定了它们很多独特的性质。
就拿磁性来说吧，由于 4f 电子的特殊排布，使得一些稀土元素具有很强的磁性。
这就好比电子们在跳一场独特的舞蹈，它们的舞步决定了整个表演的精彩程度。
再看看它们的光学性质，稀土元素在发光材料中可是大显身手。
为啥呢？还是因为它们那特别的电子结构。
当受到外界能量激发时，电子会在不同的能级之间跃迁，从而发出各种颜色的光。
就像一场绚烂的灯光秀，让人惊叹不已。
而且啊，稀土元素的电子结构还影响着它们在催化领域的表现。
电子在不同轨道之间的转移，就像是一个个小精灵在传递能量，促进化学反应的进行。
在实际应用中，稀土元素的电子结构更是发挥着关键作用。
比如说在永磁材料中，钕（Nd）的电子结构使得它能够制造出超强的永磁体，广泛应用于电机、音响等领域。
总之，稀土元素的电子结构就像是一本神秘的密码本，我们通过不断地研究和探索，逐渐解开其中的奥秘。
就像那次在实验室里，虽然过程充满了挑战，但每一个新的发现都让我们兴奋不已。
未来，随着科技的不断进步，我们对稀土元素电子结构的理解也会越来越深入，相信会有更多神奇的应用等着我们去发掘。
3.1.2稀土离子的吸收光谱稀土离子吸收光谱的产生可归因于三种情况：来自f组态内的能级间的跃迁，即f→f跃迁；组态间的能级跃迁，即f→d跃迁；电荷跃迁，配体向金属离子的电荷跃迁。
1．f→f跃迁光谱指f组态内的不同J能级间跃迁所产生的光谱。
它的特点是：(1) f→f 跃迁是宇称选择规则禁阻的; 因此不能观察到气态的稀土离子的f→f跃迁光谱,由于配体场微扰,溶液和固态化合物虽能观察到相应的光谱，但相对于d-d跃迁来说，也是相当弱的，摩尔消光系数ε≈0.5lmol·cm，振动强度为10～10(指主要的跃迁类型--电偶极跃迁，这将在配合物光谱中述及)。
(2) f→f跃迁光谱是类线性的光谱。
谱带的尖锐原因是处于内层的4f电子受到5s、5p电子的屏蔽，因此受环境的影响较小，所以自由离子光谱是类原子的线性光谱，甚至在溶液和固体化合物中，也是这样的，尤其在低温条件下更为明显。
这点与d区过渡元素的d→d跃迁光谱有所区别。
d区过渡元素离子的d电子是外层电子,易受环境的影响，因而谱带变宽。
稀土离子的f→f跃迁谱带的分裂为100左右，而过渡元素的d→d跃迁的谱带分裂在1000～3000。
(3) 谱带的范围较广。
在近紫外，在可见区和近红外区内都能得到稀土离子(III)的光谱。
其中Sc、Y、La、Lu是封闭壳层结构，从基态跃迁至激发态需要较高的能量，因而它们在200-1000nm(50000～10000cm)的范围内无吸收，所以它们是无色的。
Ce、Eu、Gd、Tb虽在200～1000nm 范围内有特征的吸收带，但大部或全部吸收带均在紫外区内。
Yb的吸收带在近红外区内出现，所以Ce、Eu、Gd、Tb和Yb也是无色的。
Pr、Nd、Pm、Sm、Dy、Ho、Er、Tm有的吸收带存在于可见区内，因而它们是有色的。
RE的主要吸收峰及其消光系数列在表3.3中。
稀土离子(III)的谱带和颜色已列在表3.4中。
其中f和f组态的有相同或相近的颜色，La～Gd的颜色变化和由Gd～Lu的情况是相似的，只有Pm和Ho(f)的例外。
稀土发光材料发光原理稀土发光材料是一类具有特殊发光性能的材料，其发光原理是通过激发能量激发稀土离子，使其跃迁至激发态，再通过非辐射跃迁回到基态而发光。
稀土发光材料具有较高的发光效率和发光稳定性，因此被广泛应用于发光器件、显示器件、荧光材料等领域。
稀土元素是指周期表中镧系元素，包括镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铥、镱、镥等元素。
这些元素具有特殊的电子结构，其中的4f电子对其光学和电子性质具有重要影响。
稀土元素的4f电子能级结构复杂，使得其在可见光范围内具有多种发光能级，从而产生多种发光色彩。
稀土发光材料可以通过不同的激发方式获得激发能量，如电激发、光激发、热激发等。
其中，光激发是最常见的激发方式。
当稀土发光材料受到外界光源激发时，其能级结构发生变化，使得稀土离子的电子跃迁至激发态。
在跃迁过程中，激发态的电子会吸收能量，跃迁至高能级态。
当激发态的电子跃迁回到基态时，会释放出能量，产生发光现象。
稀土发光材料的发光原理可以通过能级图来解释。
在稀土离子的能级结构中，存在着多个能级，其中包括基态、激发态和辅助能级。
当稀土发光材料受到激发能量时，其能级结构发生变化，使得电子跃迁至激发态。
在激发态电子的跃迁过程中，会经历多个辅助能级，最终跃迁回到基态，并释放出能量，产生发光现象。
稀土发光材料的发光色彩取决于其能级结构和电子跃迁过程。
不同的稀土元素和不同的能级结构会产生不同的发光色彩。
例如，铒离子在激发态跃迁至基态时，会产生绿色光；钆离子在激发态跃迁至基态时，会产生红色光。
因此，通过选择不同的稀土元素和调控其能级结构，可以实现多种发光色彩的发光材料。
除了发光色彩外，稀土发光材料还具有较高的发光效率和发光稳定性。
这是由于稀土元素的特殊电子结构和能级结构，使得其在发光过程中能够有效地吸收和释放能量。
因此，稀土发光材料被广泛应用于发光器件、显示器件、荧光材料等领域。
例如，LED发光二极管中常使用铟镓氮化物作为发光层，其中掺杂有稀土离子，以实现白光发光。
不同稀土对发光性能的影响1、镧系元素的价态稀土元素的最外层5d、6s电子构型基本相同，在化学反应中易于在5d、6s或4f亚层失去3个电子成为+3价态离子。
根据Hund规则，对于同一电子亚层，当电子分布为全充满、半充满和全空时，电子云的分布呈球形，原子或离子体系比较稳定。
在Eu3+之后Ce3+比4f0多1个电子，Gd3+之后Tb3+比4f7多1个电子，它们有进一步被氧化成+4价态的倾向。
而在Gd3+之前的Eu3+比4f7少1个电子，Lu3+之前的Yb3+比4f14少1个电子,它们有获得电子而被还原为+2价态的趋势。
非正常价态稀土离子的激发态构成与相应的三价稀土离子完全不同，光谱特性，尤其是光谱结构将发生显著变化。
镧系元素的价态示意图横坐标为原子序数，纵坐标线的长短表示价态变化倾向的相对大小。
[稀土发光材料及其应用李建宇][稀土发光材料张希艳]2、稀土离子的发光特点+3价：具有f-f跃迁的发光材料的发射光谱呈线状，色纯度高；荧光寿命长；由于4f轨道处于内层，很少受到外界环境的影响，材料的发光颜色基本不随基质的不同而改变；光谱形状很少随温度而变，温度猝灭小，浓度猝灭小。
在+3价态稀土离子中，Y3+和La3+无4f电子，Lu3+的4f亚层为全充满的，都具有密闭的壳层，因此它们属于光学惰性的，适用于作基质材料。
从Ce3+到Yb3+，电子依次填充在4f轨道，从f1到f13，其电子层中都具有未成对电子，其跃迁可产生发光，这些离子适于作为发光材料的激活离子。
+2价：+2价态稀土离子(RE2+)有两种电子层构型：4f n-15d1和4f n。
4f n-15d1构型的特点是5d轨道裸露于外层，受外部场的影响显著，4f n-15d1→4f n（即d→f跃迁）的跃迁发射呈宽带，强度较高，荧光寿命短，发射光谱随基质组成、结构的改变而发生明显变化。
RE2+的4f n内层电子构型的f电子数目和与其相邻的下一个+3价稀土离子(RE3+)相同，例如，Sm2+和Eu3+均为4f6,Eu2+和Gd3+均为Lu4f7。
稀土配合物发光的类型概述稀土配位化合物的研究是稀土化学中最活跃的前沿领域之一。
稀土发光配合物是一类具有独特性能的发光材料。
发光现象当某种物质受到诸如光的照射、外加电场或电子束轰击等的激发后，只要该物质不会因此而发生化学变化，它总要回复到原来的平衡状态。
在这个过程中，一部分能量会通过光或热的形式释放出来。
如果这部分能量是以可见光或近可见光的电磁波形式发射出来的，就称为发光现象。
这种能量的发射过程具有一定的持续时间。
对于发光现象的研究，从对它的光谱的研究(斯托克斯定则，1852年)开始，直到“发光”这一概念的提出(C H．魏德曼，1888年)，人们只注意到了发光同热辐射之间的区别。
1936年，CH．瓦维洛夫引入了发光期间这一概念(即余辉)，并以此作为发元现象的另一个王要的判据，至此发光才有了确切的定义。
发光现象的两个主要的特征是：任何物体在一定温度下都有热辐射，发光是物体吸收外来能量后所发出的总辐射中超出热辐射的部分。
当外界激发源对物体的作用停止后，发光现象还会持续一定的时间，称为余辉。
历史上人们曾以发光持续时间的长短把发光分为两个过程：把物质在受激发时的发光称为荧光，而把激发停止后的发光称为磷光。
一般常以持续时间10-8s为分界，持续时间短于——108s的发光被称为荧光，而把持续时间长于108s的发光称为磷光。
现在，除了习惯上还保留和沿用这两个名词外，已不再用荧光和磷光来区分发光过程。
因为任何形式的发光都以—余辉的形式来显现其衰减过程，而衰减时间可以极短(＜108s)，也可能很长(十几小时或更长)。
发光现象有着持续时间的事实，说明物质在接受激发能量和产生发光的过程中，存在着一系列的中间状态。
发光类型1. 对于各种发光现象，可按其被激发的方式进行分类：光致发光、电致发光、阴极射线发光、x射线及高能粒子发光、化学发光和生物发光等。
(1)光致发光。
光致发光是用光激发发光体引起的发光现象。
它大致经过吸收、能量传递及光发射三个阶段。
