稀土发光材料的研究现状与应用

第二章 稀土发光材料的制备及应用

近几十年来，稀土发光材料在国内外得到惊人的发展，形成了相当大的生产规模和客观的市场，其产值和经济效益都很高[1-3]。到 90 年代，依然以一定的速度增长。国内外在稀土新材料方面几乎每隔 3~5 年就有一次突破，而稀土发光材料则是这宝库中五光十色的瑰宝。据美国商业信息公司最近统计，在美国稀土各应用高技术领域中，光存储器的年增长率达 50%，灯用稀土荧光粉 20%，名列第二位，电视荧光粉为 %，仅电视用荧光粉1998 年在美国的消费量居稀土消费量第五位，为 吨，价值 2700 万美元，到 1995 年达 吨。我国彩电荧光粉及紧凑型荧光灯用稀土荧光粉在 80年代增长速率更快，工业生产规模相当可观，且有部分出口。这表明，稀土发光材料的发展及在稀土各应用领域中占有举足轻重地位。随着新型平板显示器、固态照明光源的发展，对新型高效发光粉体的需求日益增多。由于纳米材料具有其他大颗粒材料所不具有的结构及各种性质如电性质、光性质等，研究纳米稀土发光材料已成为目前引人注目的课题。以钒酸盐、磷酸盐为基质的纳米稀土发光材料都是很具有研究意义及应用价值的稀土荧光粉，比如纳米级 YVO4:Eu，作为一种很好的红光粉体，已经广泛应用于荧光灯以及彩色显像管（CRT）中[4-6]。另外，近来的研究表明纳米级 Y(V,P)O4:Eu，YPO4:Tb在真空紫外区（VUV）有较好的吸收，是很有前途的等离子体平板显示器（PDPs）用的发光材料[7-11]。在纳米尺度的YBO3:Eu3+中，由于表面Eu3+对称性低，使得5D0－7F2 的跃迁几率增加，这改善了YBO3:Eu3+体材料中色纯度低的问题[12 ]。总之，随着科技的发展和人们生活的需要，稀土发光材料的研究面临着新的挑战：这主要包括激发波长的变化，如PDP用荧光粉需真空紫外激发，固态照明用荧光粉需近紫外激发；材料尺寸形态的变化等。这就要求人们改善材料的发光性质或开发新的发光体系。

前言

当稀土元素被用作发光材料的基质成分，或是被用作激活剂、共激活剂、敏化剂或掺杂剂时，这类材料一般统称为稀土发光材料或稀土荧光材料。我国丰富的稀土资源，约占世界已探明储量的80%以上。稀土元素具有许多独特的物理化学性质,被广泛地用于各个领域,成为发展尖端技术不可缺少的特殊材料。稀土离子由于独特的电子层结构使得稀土离子掺杂的发光材料具有其它发光材料所不具有的许多优异性能,可以说稀土发光材料的研究开发相对于传统发光材料来说犹如一场革命。稀土无机发光材料方面,稀土发光材料与传统的发光材料相比具有明显的优势。就长余辉发光材料来说,稀土长余辉发光材料的发光亮度是传统发光材料的几十倍,余辉时间高达几千分钟。由于稀土发光材料所具有如此优异的性能使得发光材料的研究主要是围绕稀土发光材料而进行的。

由于稀土元素具有外层电子结构相同、内层 4f 电子能级相近的电子层构型，含稀土的化合物表现出许多独特的理化性质，因而在光、电、磁领域得到广泛的应用，被誉为新材料的宝库。在稀土功能材料的发展中，尤其以稀土发光材料格外引人注目。稀土因其特殊的电子层结构，而具有一般元素所无法比拟的光谱性质，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。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，构成广泛的发光和激光材料。随着稀土分离、提纯技术的进步，以及相关技术的促进，稀土发光材料的研究和应用将得到显著的发展。进入二十一世纪后,随着一些高新技术的发展和兴起,稀土发光材料科学和技术又步入一个新的活跃期，它为今后占主导地位的平板显示、第四代新照明光源、现代医疗电子设备、更先进的光纤通信等高新技术的可持续发展和源头创新提供可靠的依据和保证。所以,充分综合利用我国稀土资源库,发展稀土发光材料是将我国稀土资源优势转化为经济和技术优势的具体的重要途径。

龙源期刊网

稀土发光材料技术现状及展望

作者：陈鸿耀 张恒毅

来源：《西部论丛》2019年第29期

摘 要：本文章主要探讨稀土发光材料技术现状及未来展望，主要分析国家的技术研发趋势，合理研究企业的专利技术布局和市场强度。如果从微观层面预测稀土发光材料未来的技术走向的话，分析结果表明，中国目前在稀土发光材料领域申请专利的数据量已经成为全球第一，美国在专利质量方面占有一定的优势。因此中国企业应当充分利用节能照明工程方面的优势，重视该领域的高技术水平发展，同时还应当不断发挥稀土矿的优势。

关键词：稀土发光材料;技术现状;未来展望

前 言

对于稀土材料来说，稀土发光材料属于稀土功能材料中的一种，在照明产业、节能产业、信息产业中都有着非常广泛的运用。我国国内外中的学者针对稀土专利技术已经开展了相应的分析研究，对具体的稀土发光材料这项专利技术发展現状及未来展望也进行了研究。在专利方面，国内外学者通过研究五大专利组织的专利文献，分析了大多数国家稀土专利技术研发的方向，对具有前景的技术方向进行了预测。由于相关稀土专利的分析研究具有非常大的数据收集范围，因此对稀土相关行业的发展有着较大的借鉴作用。

一、稀土发光材料技术正在不断的升级换代

稀土发光材料可以说是稀土中一个非常重要的运用领域，按照稀土发光材料不同的用途，因此分为三大类。在照明领域，我国已经是世界上稀土发光材料的主要产地，稀土灯用荧光粉产能位居全球前列，其中大部分的电视机都出自我国，其次，全球很多实用稀土发光材料的终端产品，大多数都在我国进行生产。现如今随着半导体照明的崛起，白光LED逐渐取代了稀土三基色节能灯，已经成为当前照明的主流技术之一，因此灯用稀土荧光粉的产量正在逐年下降，但是由于人们对照明质量的需求，因此现在稀土三基色节能灯仍然保持一定程度的使用，因此我国相应发光材料也在进行一定量的生产。

稀土发光材料的研究和应用

摘要：介绍了稀土发光材料的发光特性与发光机理。综述了我国在稀土发光材料的化学合成方法。总结了稀土发光材料的应用。最后对我国存在问题和发展前景进行了叙述。

关键字：稀土发光材料；发光特性；发光机理；合成；应用；问题和展望。

Abstract：Introduces the luminescence properties of rare earth luminescent material

and luminescence mechanism. Rare-earth luminescence materials in China, the paper

summarized the chemical synthesis method. The application of rare earth luminescence

materials is summarized. Finally, the existing problems and development prospect

of the narrative in our country.

Keywords：Rare earth luminescent material; Luminescence properties; Light-emitting

mechanism; Synthesis; Application; Problems and its prospect.

化学元素周期表中镧系元素———镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钷（Pm）、钐（Sm）、铕（Eu）、 钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）、镥（Lu），以及与镧系的１５个元素密切相关的两个元素——钪（Sc）和钇（Y）共17种元素称为稀土元素。稀土化合物包含至少一种稀土元素的化合物。它是一种重要的战略资源，特别是高新技术工业的重要原料，如军事装备方面一些精确打击武器、一些汽车零部件和高科技产品，都依赖用稀土金属制造的组件。据了解，中国是唯一能有效提供全部17种稀土金属的国家，且储量远远超过世界其他国家的总和，是名副其实的“稀土大国”。由于稀土元素的离子具有特别的电子层结构和丰富的能级数量，使它成为了一个巨大的发光材料宝库。在人类开发的各种发光材料中，稀土元素发挥着重要作用，稀土发光几乎覆盖了整个固体发光的范畴。稀土发光材料具有发光谱带窄，色纯度高，色彩鲜艳；光吸收能力强，转换效率高；发射波长分布区域宽；荧光寿命从纳秒跨越到毫秒达6个数量级；物理和化学性质稳定，耐高温，可承受大功率电子束、高能辐射和强紫外光的作用等。目前稀土材料已广泛用于照明、显示、信息、显像、医学放射学图像和辐射场的探测等领域，并形成很大的工业生产和消费市场规模；同时也正在向着其他新型技术领域扩展，成为人类生活中不可缺少的重要组成部分。 本文将介绍掺稀土离子发光材料的发光机理、节能灯、白光LED用荧光粉、PDP显示用荧光粉，以及对在上转换发光、生物荧光标记和下转换提升太阳能效率等方面的应用前景进行总结和展望。 一、稀土发光材料的发光特性