第七章 稀土发光材料.ppt

1 第七章稀土发光材料 2 1 固体的发光某一固体化合物受到光子 带电粒子 电场或电离辐射的激发 会发生能量的吸收 存储 传递和转换过程 如果激发能量转换为可见光区的电磁辐射 这个物理过程称为固体的发光 3 发光材料由基质和激活剂组成 在一些材料中 还搀入其它杂质离子来改善发光性能 基质 作为材料主体的化合物 激活剂 作为发光中心的少量搀杂离子 4 发光是一种宏观现象 但它和晶体内部的缺陷结构 能带结构 能量传递 载流子迁移等微观性质和过程密切相关 5 固体发光与晶体内部结构晶体中的能带有价带 导带 禁带 但是 在实际晶体中 可能存在杂质原子或晶格缺陷 局部地破坏了晶体内部的规则排列 从而产生一些特殊的能级 称为缺陷能级 6 作为发光材料的晶体 往往有目的地搀杂其它杂质离子以构成缺陷能级 它们对晶体的发光起着关键作用 7 发光是去激发的一种方式 晶体中电子的被激发和去激发互为逆过程 被激发和去激发可能在价带 导带和缺陷能级中任意两个之间进行 8 被激发和去激发发生的过程如下 价带与导带之间 价带与缺陷能级之间 缺陷能级与导带之间 两个不同能量的缺陷能级之间 9 电子在去激发跃迁过程中 将所吸收的能量释放出来 转换成光辐射 辐射的光能取决于电子跃迁前后所在能带 或能级 之间的能量差值 10 在去激发跃迁过程中 电子也可能将一部分能量转移给其它原子 这时电子辐射的光能小于跃迁前后电子所在能带 或能级 的能量差 11 发光过程固体发光的物理过程示意图如下 其中 M表示基质晶格 A和S为搀杂离子 并假设基质晶格M的吸收不产生辐射 12 这时 基质晶格M吸收激发能 传递给搀杂离子 使其上升到激发态 它返回基态时可能有以下三种途径 13 以热的形式把激发能量释放给邻近的晶格 称为 无辐射弛豫 也叫荧光猝灭 以辐射形式释放激发能量 称 发光 14 S将激发能传递给A 即S吸收的全部或部分激发能由A产生发射而释放出来 这种现象称为 敏化发光 A称为激活剂 S通常被称为A的敏化剂 15 荧光和磷光激活剂吸收能量后 激发态的寿命极短 一般大约仅10 8s就会自动地回到基态而放出光子 这种发光现象称为荧光 撤去激发源后 荧光立即停止 16 被激发的物质在切断激发源后仍能继续发光 这种发光现象称为磷光 有时磷光能持续几十分钟甚至数小时 这种发光物质就是通常所说的长余辉材料 17 即 荧光 指的是激发时的发光 而 磷光 指的是发光在激发停止后 可以持续一段时间 18 2 稀土的电子层结构和光谱学性质 发光的本质是能量的转换 稀土之所以具有优异的发光性能 就在于它具有优异的能量转换功能 而这又是由其特殊的电子层结构决定的 19 稀土元素基态原子的电于层构型Scls22s22p63s23p63d14s2Yls22s22p63s23p63d104s24p64d15s2Ln La Lu ls22s22p63s23p63d104s24p64d104f0 145s25p65d0 16s2 20 稀土元素的价态 其中 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 21 稀土离子的发光特点 3价稀土离子的发光特点 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 22 由于4f轨道处于内层 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 23 在 3价稀土离子中 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 24 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 25 非正常价态稀土离子的光谱特性价态的变化是引发 调节和转换材料功能特性的重要因素 发光材料的某些功能往往可通过稀土价态的改变来实现 2价态稀土离子的光谱特性 4价态稀土离子的光谱特性 26 2价态稀土离子的光谱特性 2价态稀土离子 RE2 有两种电子层构型 4fn 15d1和4fn 4fn 15dl构型的特点是5d轨道裸露于外层 受外部场的影响显著 27 4fn 15dl 4fn 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 与RE3 相比 RE2 的激发态能级间隔被压缩 最终导致最低激发态能量降低 谱线红移 28 4价态稀土离子的光谱特性 4价态稀土离子和与其相邻的前一个 3价稀土离子具有相同的4f电子数目 例如 Ce4 和La3 Pr4 和Ce3 Tb4 和Gd3 等 29 4价态稀土离子的电荷迁移带能量较低 吸收峰往往移到可见光区 如Ce4 与Ce3 的混价电荷迁移跃迁形成的吸收峰已延伸到450nm附近 Tb4 的吸收峰在430nm附近 30 稀土发光材料的分类 稀土离子作为激活剂在基质中 作为发光中心而掺入的离子称为激活剂 31 以稀土离子作为激活剂的发光体是稀土发光材料中的最主要的一类 根据基质材料的不同又可分为两种情况 材料基质为稀土化合物 如Y2O3 Eu3 材料基质为非稀土化合物 如SrAl2O4 Eu2 32 可以作为激活剂的稀土离子主要是Gd3 两侧的Sm3 Eu3 Eu2 Tb3 Dy3 其中应用最多的是Eu3 和Tb3 33 Tb3 是常见的绿色发光材料的激活离子 另外 Pr3 Nd3 Ho3 Er3 Tm3 Y3 可作为上转换材料的激活剂或敏化剂 34 可以通过选择基质的化学组成 添加适当的阳离子或阴离子 改变晶场对Eu2 的影响 制备出特定波长的新型荧光体 提高荧光体的发光效率 故这类发光材料具有广泛的应用 35 稀土化合物作为基质材料常见的可作为基质材料的稀土化合物有Y2O3 La2O3和Gd2O3等 也可以稀土与过渡元素共同构成的化合物作为基质材料 如YVO4 36 三基色原理 将适当选择的三种基色 红 绿 蓝 按不同比例合成 可引起不同的彩色感觉 37 合成的彩色光的亮度决定于三基色亮度之和 其色度决定于三基色成分的比例 三种基色彼此独立 任一种基色不能由其他两种基色配出 38 3 灯用发光材料稀土发光材料的一大应用领域便是电光源 灯用荧光粉的产量在所有荧光粉中占据首位 电光源主要分为两大类 热辐射发光光源 气体放电发光光源 39 与热辐射光源相比 气体放电光源具有显著的优点 例如 不受灯丝熔点的限制 辐射光谱可以选择 发光效率远远超过热辐射光源 寿命长 可达几万小时 而且在使用寿命期间光输出的维持性能好 40 气体放电和气体放电光源在特定条件下 例如强电场 光辐射 粒子轰击和高温加热等 气体分子将发生电离 产生可自由移动的带电粒子 在电场作用下形成电流 这种电流通过气体的现象称为气体放电 41 在电离气体中 存在着各种中性粒子和带电粒子 它们之间存在着复杂的相互作用 带电粒子不断地从电场中获得能量 并通过各种相互作用把能量传递给其他粒子 当这些激发粒子自发返回基态时 发出电磁辐射 42 此外 电离气体中正 负粒子的复合 带电粒子在离子场中的减速 也都会产生辐射 因而 气体放电总是伴随着辐射效应 利用这一原理制成的光源称为气体放电光源 43 稀土发光材料在气体放电光源领域的应用范围 44 低压汞灯利用汞蒸气放电的灯统称为汞灯 按蒸气压的不同 汞灯分为低压汞灯和高压汞灯 若在这两种灯的外壳内壁涂以荧光粉 就称为低压水银荧光灯和高压水银荧光灯 45 1949年出现了性能优异的锰 锑激活的卤磷酸钙荧光粉 卤粉 其量子效率较高 稳定性好 原料易得 价格便宜 而且可以通过调整配方比例获得冷白 暖白和日光色的输出 这些突出的优点使它一直沿用至今 46 汞灯发光原理 发光效率和显色性差 电子轰击Hg使其激发 受激Hg放出紫外线 25 07nm 185nm 紫外线使Sb3 Mn2 激发 处于激发态的Sb3 和Mn2 返回基态时发出光 Sb3 为490nm Mn2 为185nm 二者的光谱范围都较宽 几乎遍及整个可见光谱范围 一种白色光 47 稀土三基色荧光灯 1977年获得美国重大技术发明奖 发蓝光 峰值450nm 的铕激活的多铝酸钡镁 BaMg2Al16O27 Eu2 发绿光 峰值543nm 的铈 铽激活的多铝酸镁 MgAl11O19 Ce3 Tb3 发红光 峰值611nm 的铕激活的氧化钇 Y2O3 Eu3 48 三种成分按一定比例混合 可以制成色温为2500 6500K的任意光色的荧光灯 光效达80lm w以上 平均显色指数达85 49 红色荧光粉的制备将Y2O3和Eu2O3按一定比例混合后溶于6mol L盐酸 滤去不溶物 加热近沸 以温度约95 的15 草酸进行沉淀 50 热渍2 3h后过滤 洗涤沉淀至近中性 烘干 在850 900 加热 使之分解为 Y Eu 2O3的混合物 将混合物置于坩埚中 在1250 1300 下灼烧3 5h 经选粉 过筛 得成品 51 52 高压汞灯高压汞灯是最早的高压气体放电光源 低压汞灯中汞蒸气压极小 不足133Pa 而高压汞灯的汞蒸气压为低压汞灯的数千倍 普通高压汞灯的蒸气压大约在0 2 1MPa 53 低压汞放电主要产生254nm和185nm紫外辐射 可见光辐射很微弱 在高压汞灯中 原子密度高 原子间相互作用大 造成所谓压力加宽 碰撞加宽等现象 以致汞在可见光区的特征谱线404 9mn 紫 435 8nm 蓝 546 1nm 绿 577 0 579 Onm 黄 等非常明显 54 在高压汞灯的可见光辐射中 红光成分太少 仅占总可见辐射的1 与日光中的红光比例 约12 相差甚远 因此 高压汞灯的光色显蓝绿 显色指数低 仅为25 被照物体不能很好地呈现原有的颜色 明显失真 不宜用于对照明要求较高的场所 55 高压汞灯荧光粉YVO4 Eu3 Y V P O4 Eu3 Y2 V B 2O8 Eu3 Y Eu Bi VO4 BO3 PO4 56 4 长余辉发光材料长余辉发光材料简称长余辉材料 又称夜光材料 它是一类吸收太阳光或人工光源所产生的光发出可见光 而且在激发停止后仍可继续发光的物质 57 长余辉材料具有利用日光或灯光储光 夜晚或在黑暗处发光的特点 是一种储能 节能的发光材料 58 长余辉材料不消耗电能 但能把吸收的天然光等储存起来 在较暗的环境中呈现出明亮可辨的可见光 具有照明功能 可起到指示照明和装饰照明的作用 是一种 绿色 光源材料 59 尤其是稀土激活的碱土铝酸盐长余辉材料的余辉时间可达12h以上 具有白昼蓄光 夜间发射的长期循环蓄光 发光的特点 有着广泛的应用前景 60 长余辉材料是研究和应用最早的发光材料 有关它的研究已有140多年的历史 常用的传统长余辉材料主要是硫化锌和硫化钙荧光体 61 最近一些年来 稀土激活的铝酸盐和硫化物成为长余辉材料的主体 代表了长余辉材料研究开发的发展趋势 62 稀土激活的硫化物长余辉材料硫化物长余辉材料的基质主要是锌和碱土金属硫化物 63 稀土激活的硫化物长余辉材料的发光颜色较为丰富 尤其是红色发光是其他基质长余辉材料尚无法实现的 ZnS Eu2 SrS Eu2 Er3 Ca1 xSrxS Eu2 Dy3 Er3 64 稀土激活的碱土铝酸盐长余辉材料 稀土激活的碱土铝酸盐长余辉材料是指以碱土金属 主要是Sr Ca 铝酸盐为基质 Eu2 为激活剂 Dy3 和Nd3 等中重稀土的离子为辅助激活剂的发光材料 65 稀土激活的碱土铝酸盐长余辉材料主要有SrAl2O4 Eu2 SrAl2O4 Eu2 Dy3 Sr4Al14O25 Eu2 Dy3 CaAl2O4 Eu2 Nd3 等 66 它们发射从蓝色到绿色的光 峰值分布在440 520nm范围 发光亮度高 余辉时间长 有文献报道 样品在暗室中放置50h后仍可见清晰的发光 67 在铝酸盐材料中 研究最多 应用最普遍的是SrAl2O4 Eu2 Dy3 黄绿色荧光粉 由日亚公司开发的蓝绿色荧光粉Sr4Al14O25 Eu2 Dy3 其发射主峰在490nm 与人眼暗视觉峰值接近 具有目前最长的余辉时间 为SrAl2O4 Eu2 Dy3 的两倍 68 3 稀土长余辉发光材料的应用将长余辉材料制成发光涂料 发光油墨 发光塑料 发光纤维 发光纸张 发光玻璃 发光陶瓷 发光搪瓷和发光混凝土 可用于安全应急 交通运输 建筑装潢 仪表 电气开关显示以及日用消费品装饰等诸多方面 69 长余辉材料及其制品用于安全应急方面 如消防安全设施 器材的标志 救生器材标志 紧急疏散标志 应急指示照明和军事设施的隐蔽照明 70 如日本将发光涂料用于某些特殊场合的应急指示照明 据报道 在美国 9 11 事件中长余辉发光标志在人员疏散过程中起了重要的作用 利用含长余辉材料的纤维制造的发光织物 可以制成消防服 救生衣等 用于紧急情况 71 在交通运输领域 长余辉材料用于道路交通标志 如路标 护栏 地铁出口 临时防护线等 在飞机 船舶 火车及汽车上涂以长余辉标志 目标明显 可减少意外事故的发生 美国利用发光纤维制造发光织物 制成夜间在道路上执勤人员的衣服 72 长余辉材料用在建筑装潢方面 可以装饰 美化室内外环境 简便醒目 节约电能 英国一家公司将发光油漆涂于楼道 白昼储光 夜间释放光能 长期循环以节省照明用电 还可用于广告装饰 夜间或黑暗环境需要显示部位的指示 如暗室座位号码 电源开关显示 73 长余辉材料还可用于仪器仪表盘 钟表表盘的指示