稀土发光材料

1,稀土发光材料,时间LED)是半导体材料制成的固态光源，可将电能转换为光。的特点非常明显，寿命长、光效高、无辐射与低功耗。一般人都认为，节能灯可节能45是伟大的创举，但比节能灯还要节能，这是固体光源更伟大的改革。除此之外，还具有其他优势，光线质量高，基本上无辐射，属于典型的绿色照明光源；可靠耐用，维护费用极为低廉等等。,57,正因为具有以上其他固体光源还无法匹敌的特点，被越来越广泛地用于笔记本电脑和手持式产品照明、汽车照明、交通指示、室内和室外移动照明等各种场合，甚至有取代传统的白炽灯类产品的趋势。年后将可能是照明行业的主流光源。,58,59,目前，发射白光的LED产品，基本上是由蓝光LED芯片和可被蓝光激发的黄光荧光粉组成的。一部分蓝光被荧光粉吸收，激发荧光粉发射黄光。发射的黄光和剩余的蓝光混合，调控它们的强度比即可得到各种色温的白光。最常用的黄光荧光粉是YAG:Ce（Y3Al5O12:Ce3+）。,60,4.2在信息显示方面的应用,4.2.1CRT(cathode-raytube，阴极射线管)电视现在，彩色电视已称为居家生活必不可少的家用电器。在彩色电视的荧光屏上观察到的五彩缤纷的颜色是由红、绿、蓝三种基色组成的。20世纪60年代中期，发现掺Eu3+的硫氧化钇(Y2O2S:Eu3+)在阴极射线激发下发射出谱线窄、亮度高而鲜艳的红色荧光，很适合用作彩色电视中的红色荧光粉，目前已大量生产使用。,61,4.2.2投影电视随着大屏幕彩色投影电视的出现，不仅是发射红光的荧光粉需要使用稀土(如掺Eu3+的氧化钇Y2O3:Eu3+)，发射绿光的荧光粉也需要使用稀土，如掺Tb3+的钇铝石榴石或钇铝镓石榴石Y3Al5O12:Tb3+或Y3(Al,Ga)5O12:Tb3+，掺Tb3+的正硅酸钇(Y2SiO5:Tb3+)或掺Tb3+的硼酸铟(InBO3:Tb3+)等。,62,4.2.3等离子体平板显示(plasmadisplaypanel,PDP)电视在商品化的PDP器件中，红色发射多通过稀土荧光粉掺三价铕的硼酸钇钆(Y,Gd)BO3:Eu3+实现，绿色荧光粉多为掺二价锰的硅酸锌Zn2SiO4:Mn2+（ZSM），蓝色荧光粉多为掺二价铕的多铝酸镁钡BaMgAl10O17:Eu2+（BAM）等。,63,64,4.3在射线探测方面的应用,4.3.1X射线增感屏稀土离子还可以被X射线等高能射线和粒子激发而发光。如利用Eu2+等稀土离子被X射线激发后产生的蓝光(如掺二价铕的氟氯化钡BaFCl:Eu2+)，跟使用对蓝光敏感的X射线照相胶片相配合；或利用三价铽Tb3+被X射线激发后产生的绿光(如掺三价铽的硫氧化钆Gd2O2S:Tb3+)，跟使用对绿光敏感的X射线照相胶片相配合，可制成X射线增感屏。现已广泛用于医院的X射线透视中。,65,近年，又利用掺二价铕的氟氯化钡BaFCl:Eu2+等材料制成图像板，把X射线照射后所得的图像存储起来，当用氦氖激光器发出的红光(632.8纳米)照射时，又可把存储的图像显示出来(这称为光激励发光材料)，不需使用胶片。现已制成计算机控制的层析X射线成像仪(CT)，并在医院中使用。,66,为了探测X射线，也可使用Gd2O2S:Ce3+,Pr3+,F-等作为固体探测器。利用这些X射线激发发光的材料，可减少X射线的使用剂量及其对人体的损害，并可获得清晰的图像，从而可提高对疾病的探测和诊断能力。而且，利用这种技术，不需利用显影和定影等化学试剂处理胶片，获得的图像可用计算机进行存储、调阅和发送，从而可在国际互联网上发送图像、调阅病历和进行远程会诊。,67,4.3.2稀土闪烁材料闪烁材料在高能射线/粒子辐照下，把高能量的X射线、射线、中子、正电子、放射性粒子等电离辐射转化为闪烁脉冲（可见或紫外）光发射。闪烁材料在以下领域均有广泛应用，是这些领域关键的核心材料：（1）XCT（X-raycomputedtomography，X射线计算机断层扫描成像）、PET（positronemissiontomography，正电子发射断层扫描成像）、,68,相机、SPECT（singlephotonemissioncomputedtomography，单光子发射计算机断层扫描成像）等医疗诊断设备；（2）核放射、高能物理、天体物理研究；（3）机场、码头和海关的安全检测及（4）工业生产的无损检测和环境检测等。,69,核医学是核技术与医学相结合的产物，它利用核技术或加速器来诊断和治疗疾病，或进行生物医学研究。XCT、PET和SPECT等医学检测方法，作为当今核医学最尖端技术的代表，进入21世纪后更是迅猛发展。美国把PET列为当代高科技世界九大明星的榜首。美国著名核医学家Wagner教授称PET是“继高能物理及基因工程之后20世纪第三个最伟大的成就”。PET现已成为诊断和指导治疗肿瘤、冠心病和脑部疾病这三大威胁人类生命的疾病的最优手段。由无机闪烁晶体组成的探头是PET系统中重要的组成部分。,70,闪烁材料从一出现就是和核放射性、高能物理相联系的。闪烁体NaI:Tl+在20世纪70年代就被用于美国大加速器SLAC中探测粲夸克（CharmQuark）的精确光谱。欧洲核子研究中心CERN的大型强子对撞机LHC上的紧凑型子螺旋型探测器，其内层核心电磁量能器ECLA就是由8,2000多根约25cm2.5cm2.5cm的PbWO4闪烁体组成。,71,在安全稽查和反恐方面，利用防恐闪烁材料进行探测，可以在机场、码头、火车站对行李、邮件、货物等不开箱便可实施检查，实现爆炸、失火等安全隐患的探测。在工业无损伤检测方面，闪烁体也有着潜在而巨大的应用前景和市场空间。目前工业CT最为集中的应用领域是国防工业，如对火箭、枪炮和弹药的无损检测等；还被应用于飞机螺旋桨、发动机、汽轮机叶片、汽缸等的无损检测。在能源领域，利用了闪烁材料的核,72,测井技术可以迅速准确地进行勘探并反映各个不同生产油井的情况。另外，闪烁体在核天文学、核空间物理学、核考古学、核地质学以及核测量学等领域中也存在着巨大的应用潜力。这些领域将会逐步受到人们的重视。而且，随着核技术向各行业的渗透以及其它技术的迅速发展，必将给闪烁体的研究和开发带来更多的机遇和更大的市场。,73,近年来应用的无机闪烁材料，根据能量转换的电子跃迁类型分类，主要有以下几种类型：（1）基于s2sp跃迁的闪烁材料，典型的s2sp跃迁的闪烁材料如掺铊的碘化纳NaI:Tl+或碘化铯晶体CsI:Tl+和锗酸铋晶体Bi4Ge3O12（BGO）等。（2）钨酸盐闪烁材料，系由具有d0结构的过渡金属离子所形成的复杂离子发光导致的闪烁材料，如钨酸镉晶体CdWO4等。（3）交叉发光（crossluminescence）或芯带价带发光（corevalenceluminescence）闪烁材料，如氟化钡晶体BaF2等。（4）稀土闪烁材料，如掺铈的硅酸镥晶体Lu2SiO5:Ce3+（LSO）等。,74,稀土闪烁材料主要基于稀土离子的4f5d跃迁发射，其中Ce3+闪烁材料尤为重要。由于稀土闪烁材料具有快衰减、高发光效率、高辐照硬度等优点，同时由于应用上的迫切要求，近年来已经成为闪烁材料研究领域令人注目的焦点。在探索和研究新的闪烁体方面，欧洲核子研究中心的CrystalClearCollaboration（CCC）小组、美国劳伦斯伯克利国家实验室（LawrenceBerkeleyNationalLaboratory，LBNL）的Derenzo小组以及荷兰Delft工业大学的vanEijik小组等都做了大量出色的工作，令人瞩目。,75,4.4稀土上转换发光材料,上面介绍的都是稀土离子吸收了能量高的紫外光，阴极射线或X射线以后，再发射出能量低的光。除此以外，稀土还具有吸收了几个能量低的红外光以后，再把它们的能量加和起来，发射出能量高的可见光的本领。因此，可以把人眼看不见的红外光转换成可见光，这称为上转换。,76,例如，利用掺镱(Yb)作敏化剂、掺饵(Er)作激活剂的红外光变可见光材料(如掺三价镱和饵的氟化亿钡BaY2F8:Yb3+，Er3+)就有这种功能，它可将掺硅的砷化镓半导体发射的0.97微米看不见的红外光转变为0.54微米的可见的绿光，利用这种材料可制成体积小的发绿光的发光二极管。这种使红外光变可见光的材料还可以把人眼看不见的波长为1.06微米的红外激光转变为绿色的可见光，从而可将激光光斑的大小显示出来。这种显示材料可用于激光器的调试和准直。近年，利用稀土上转换材料还可以制成激光器，用红外光激发，输出可见激光。,77,3.5激光和光纤放大器等,激光是1960年发现的，它是一种划时代的新型光源，具有很好的单色性、方向性和相干性，并且可以达到很高的亮度。这些特性使激光很快应用到工、农、医和国防等部门。激光与稀土激光材料是同时诞生的。自从1960年在红宝石中首先实现发射出激光以来，同年就发现用掺二价钐的氟化钙(CaF2:Sm2+)可输出脉冲激光。,78,1961年首先使用掺钕的硅酸盐玻璃获得脉冲激光。1964年又找出了在室温下可输出连续激光的掺钕(Nd)的钇铝石榴石晶体(Y3Al5O10:Nd3+，简称YAG:Nd)，这种晶体在以脉冲激光的方式使用时，重复频率可高达每秒几百次，每次输出功率可达100兆瓦以上。以连续激光的方式使用时，输出功率己超过一千瓦。钕玻璃是目前输出脉冲能量最大、输出功率最高的固体激光材料，它的大型激光器用于热核聚变的研究中。,79,国内外现已广泛将YAG:Nd激光晶体和钕玻璃用于激光热核聚变、激光制导、目标指示、激光测距、激光打孔与焊接、激光医疗机、激光光谱仪，以及激光微区分析仪等方面，例如，使用激光眼科医疗机可进行虹膜打孔，使眼疾患者重见光明。随着集成光学和光纤通信的发展，需要有微型的激光器和放大器。近年来，发展了稀土类光纤激光材料。钕(Nd)的1.33微米和铒(Er)的1.55微米的激光波长跟光纤通信最佳的窗口相匹配，很适合作为低损耗传输的激光光源。,80,对掺铒的光纤放大器的研制最近又取得了很大的进展，在日本，使用掺铒的光纤放大器完成了无中继距离为212千米的光纤通信实验，并完成了海底通信实验和900千米的长距离实验。,81,稀土在信息显示、新型照明光源、辐射检测、激光等