稀土发光的发展与前景

2015-03-27赵聪

黑龙江科学 2015年2期

赵聪

（哈尔滨师范大学物理与电子工程学院，哈尔滨 1 50025）

1 研究稀土发光材料的背景和意义

当前的稀土发光材料种类众多，我国的储备含量也非常可观，因此我国对其领域也有很多贡献。由于稀土元素发光主要是稀土离子中电子在不同能级中跃迁形成，在4f电子层有特殊的组态能级，并在f-f跃迁和f-d跃迁，可以产生大量的吸收和荧光信息。根据所测得光谱信息，对材料的光学性质进行研究［1］。在研究稀土发光材料中，高温固相法多用于工业生产，但在研究材料的制备过程中，由于它制备出来的颗粒大、合成时间长等缺点，对于以后的纳米材料的合成并不适合。化学沉淀法制备简单、经济、掺杂均匀，合成纳米材料的效果比较理想，现在是研究纳米发光材料的主要制备方法。水热法和溶胶——凝胶法制备工艺复杂，制备周期长，但制备稀土掺杂的纳米发光材料效果比较好。

为了实现LED白光照明，一种比较好的方法是利用光转换荧光粉。现在，近紫外芯片白光LED使用的红色荧光粉多为高压汞灯用荧光粉（例如Y2O2S:Eu和YVO4:Eu等），其最佳激发波长都在254nm左右。而紫外半导体芯片（如常见的IGaN基紫外发光二极管）的发射波长在370～400nm的近紫外波段。所以，现有的荧光粉在激发波长上与紫外芯片匹配得不好，致使紫外光到红光的转换效率较低，这就需要寻找新的红色荧光粉体系，来满足白光照明LED发展的需要［2］。大量研究报道表明，稀土掺杂碱土钨钼酸盐体系红色荧光粉，便是一类具有很大应用潜力的白光LED用红色荧光粉，对于新一代照明光源白光LED相关技术的研究具有重要的战略意义和巨大的经济价值。谁突破了白光LED用红色荧光粉的技术瓶颈，谁就将在未来照明光源的市场竞争中，处于非常有利的地位。我国是稀土和钨钼的资源大国，其储量分别占世界总储量的80%和51%，研究稀土发光，有利于这些资源在高科技领域中的开发和利用，对于繁荣我国经济具有特殊意义［3］。

2 稀土发光材料简介

在紫外光、可见光和红外光激发下具有发光现象的材料称为光致发光材料。光致发光材料又可分为长余辉发光材料、荧光灯用荧光粉和上转换发光材料。目前具有使用价值的主要是紫外光激发的荧光粉，在发光二极管中可见光激发的发光材料也有一些应用。早在20世纪30——40年代，铕、钐和铽等稀土离子就被用作碱土金属硫化物的激活剂，获得了高效长余辉光致发光材料、红外荧光体和绿色荧光体，并用于隐蔽照明和紧急照明、飞机的仪表盘显示。但是，赋予稀土光致发光材料生命力的还是20世纪70年代出现的灯用稀土三基色荧光体及紧凑型荧光灯的发展。这类材料一般用于照明器件，如高压汞灯荧光粉、稀土三基色荧光粉、复印荧光粉等［4］。

3 稀土发光材料的制备

常见的氧化物体系荧光粉的制备方法有高温固相法、溶胶——凝胶法、水热合成法等，但这些方法在合成稀土发光材料时都存在一些缺点。例如固相法反应温度高（需要1100℃～1200℃烧结数小时），耗能严重；溶胶——凝胶法和水热合成法工艺复杂，耗时长，合成一个样品往往需要数天时间。因此笔者个人认为较适合稀土发光材料的制备方法是化学沉淀法。化学沉淀法的具体过程为：第一，称量，根据配比用电子天平称量出药品。第二，溶解，通过硝酸溶解稀土化合物，使其变成溶液中的离子。第三，沉淀，制备出与溶液可以产生沉淀的化合物，倒入稀土溶液中，产生沉淀。第四，离心洗涤，通过离心机，分离出稀土沉淀物与可溶化合物，多次离心洗涤后，得到稀土化合物沉淀。第五，干燥与煅烧，将得到的沉淀物放入干燥箱中60℃～70℃干燥3～5h，拿出后放入马沸炉中煅烧所需时间和温度。第六，研磨，拿出样品研磨均匀［5］。

4 稀土发光材料的测量及理论分析方法

通过XRD （X-Ray Diffraction）、SAED（Selected Area Electron Diffraction）以及FE-SEM（Field Emission Scanning Electron Microscopy）对样品的形貌进行表征，测量样品的激发谱、发射谱，荧光衰减曲线和红外与拉曼的测试。根据发射光谱绘制稀土离子的浓度猝灭曲线并确定其最佳掺杂浓度，通过发射光谱计算了样品的部分跃迁强度参数和稀土离子在相应能级的量子效率，算出稀土离子掺杂时样品的色坐标，与商品红的色坐标进行比较等理论分析。通过以上理论分析可以得到不同的稀土离子在其相应的波段激光可以有效激发，得到理想的有潜力的LED红色荧光粉材料［6］。