2014长余辉发光材料的研究进展

长余辉发光材料的研究进展/李松坤等

63

长余辉发光材料的研究进展’

李松坤,王小平,王丽军,井龙伟,潘秀芳,王金烨,孙义清,孙洪涛,王子风,曹双迎

(上海理工大学理学院,上海200093)

摘要

长余辉发光材料在太阳能转换和利用方面具有独特的优势,是一类重要的光一光转换和节能材料。综

述了长余辉发光材料的光谱特性、余辉时间以及相应的发光机理,简单介绍了长余辉发光材料的一些常见制备方法,并对今后研究的重点和方向做了展望。

关键词

长余辉发光无机固体材料发光机理

中图分类号:0611.4文献标识码:A

ResearchProgress

on

LongPersistence

LuminescentMaterials

LI

Songkun,WANGXiaoping,WANGLijun,JINGLongwei,PANXiufang,WANGJinye,

SUNYiqing,SUN

Hongtao,WANGZifeng,CAOShuangying

(CollegeofScience,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093)

AbstractLongpersistenceluminescentmaterialshasuniqueadvantagesinsolarenergyconversionandutiliza—

tion,itis

kindofimportantlight-lightconversionandenergy-savingmaterials,thespectralcharacteristic,aftertime

luminescencemechanismoflongluminescencematerials

are

introduced,andsomecommonpreparationmethods

are

simplyintroduced,theresearchemphasisanddirectionofthefuture

are

prospected.

Keywords

longpersistence,luminescent,inorganicsolidmaterials,luminescencemechanism

引言

料、硫氧化物系列长余辉发光材料5个阶段嘲。发光材料又称为发光体,是一种能够把从外界吸收的各

长余辉发光材料的光谱特性

种形式的能量转换为非平衡光辐射的功能材料[1]。发光材

不同基质系列的长余辉发光材料的发光光谱特性不同,

料的发光方式是多种多样的,发光类型主要有光致发光、阴

由于其发光颜色、发光强度、余辉时间不同而具有不同的应极射线发光、电致发光、热释发光、辐射发光等。长余辉发光用前景,因此存在各自的优势。目前对于长余辉发光材料的材料又被称为蓄光材料、蓄能发光材料或者夜光材料。长余研究大部分都集中在蓝绿色发光材料方面。从目前的应用辉发光材料在太阳能转换和利用方面具有独特的优势,白天现状来看,绿色和蓝色的长余辉发光材料已经得到大量的推可以将太阳能储存起来,晚上慢慢释放,是一类重要的光一光广和应用,特别是在安全消防、应急照明指示、夜光塑料及夜转换材料和节能材料,在中国俗称夜光粉或长余辉粉,学术光涂料等日常消费领域中。自从1996年前后人们发明Eu2+上称为长磷光荧光体或长时发光材料。长余辉发光材料在激活[4]的铝酸盐异常长余辉发光材料以来,对于氧化物系列工农业生产、军事、消防和人们生活的许多方面得到广泛应长余辉发光材料的研究和应用在国内外也取得了不少进展。用[2],特别是在安全指示方面,长余辉发光材料可以起到很已知的性能最好的绿色长余辉发光材料[5]是SrAl。04:大的作用,据报道,在美国“911”事件中,长余辉发光标志在Eu2+,Dy3十,蓝色长余辉发光材料[6]是CaAl204:Eu2+,人员疏散过程中起了重要的作用。长余辉发光材料应用于Nd3+。另外,发光颜色可以通过改变基质组分、掺杂离子浓建筑装潢、交通运输、军事设施、消防应急以及日用消费品等度及加入辅助激活离子等手段进行调节。表1列出了目前方面的研究已经很多了。到目前为止,已出现了多种多样的常见的几种长余辉发光材料的发光性能。

长余辉无机发光材料,从单纯的基质发光,到现在的稀土离1.1绿色长余辉发光材料

子掺杂特殊基质的固体材料,其发光的性能也都在不断地提对于长余辉发光材料的研究,发绿光的长余辉材料出现高。对长余辉发光材料基质的研究按时间顺序主要经历了得最早,1866年由法国的Sidot首先制备出发绿光的长余辉硫化物系列长余辉发光材料、铝酸盐基质系列长余辉发光材材料(ZnS:Cu)。进一步研究发现,通过对硫化物稀土离子料、硅酸盐系列长余辉发光材料、钛酸盐系列长余辉发光材

的激活可以大幅度提高材料的发光性能。其中,稀土离子

*上海市教委重点创新项目(14ZZl37);国家大学生创新创业训练计划项目(121025243;131025228)李松坤:男,1988年生,硕士生,主要从事光电功能薄膜材料的研究

E-mail:sakkiell4@163.corn王小平:通讯作者,男,博士,

教授,主要从事固体薄膜材料光电特性的研究E-mail:wxpchina64@aliyun.com;wxpchina@sohu.corn

万方数据

・64・

材料导报A:综述篇

2014年3月(上)第28卷第3期

Ce3+、Tb3十、Er3+激活的硫化钙长余辉材料发光颜色均为绿色。从20世纪60年代开始,人们逐渐把研究方向转移到了铝酸盐基质系列方面[7’8]。其中,以Eu2+掺杂铝酸锶体系的材料发光性能较好。发绿光的长余辉材料有SrAl:04:Eu2+(黄绿光)、SrAl20。:Eu抖,Dy3+(黄绿光)、Sr4All。025:Eu抖,Df+(蓝绿光)、SrAl407:Eu抖,Dy3+(蓝绿光)、Ba—Al。04:Eu抖,Df+(蓝绿光)等。相对而言,硅酸盐体系材料的发光范围较广,其中发绿光的主要有(CaSr)MgSi:O,:

Eu2十,W+(蓝绿光)和Ba2MgSi207:Eu抖,Tm3+(绿光)。

由日亚公司开发的Sr。Al,。02。:Eu2+,Df“9|,其发射主峰位

于490rlrfl,与人眼暗视觉峰值接近,具有目前最长的余辉时

间。目前,已知最好的绿色长余辉发光材料为SrAl:O。:

Eu2+,W“10’11|,其发光谱峰波长为520

nm,余辉时间可达

到4000min,余辉强度为400mcd/mz(10min)、60mcd/mz

(60

min),并且其发光亮度、余辉时间和化学稳定性是硫化

物系列长余辉材料无法比拟的。阳区等[12]对srAl:0。:

Eu2+,W+长余辉材料在100~500

K温度之间发光性能的

研究表明:材料的荧光及余辉强度在特定温度区间内呈线性变化,在热释峰所在温度范围具有较好的发光性能。其变化

规律表明SrAI。0。:Eu2+,W+长余辉材料内部陷阱中电子

的释放包括瞬时释放和延时释放两种类型,其中电子瞬时释放进而跃迁发光是荧光的组成部分,延时释放产生的跃迁则导致余辉发光。陷阱和电子的复合与陷阱中电子释放过程均随温度升高而增强,但温度过高时会发生热猝灭。材料荧光强度与余辉强度在特定温度区间内随温度呈线性变化关系,表明其可以作为一种光纤温度传感材料。

表I不同长余辉发光材料的发光性能

Table1

Luminescencepropertiesofdifferentlongpersistence’luminescentmaterials

1.2蓝色长余辉发光材料对硫化物体系的早期研究发现,稀土离子W+和Tm3+

激活的硫化物可以发出蓝光。铝酸盐基质体系的长余辉材料大部分发光在蓝绿光阶段,其中较好的蓝色长余辉发光材料为CaAl204:Eu2+,Nd3“13],其发光谱峰波长为446

nlTl,

余辉时间可达到1000min。李文植等[141采用荧光粉燃烧合成工艺制备了CaAl:O;:Eu2+,Nd3+,考虑到激活剂、辅助激活剂及炉温等对荧光粉发光性能的影响,确定了当Eu2+摩尔分数为0.018、Nd件摩尔分数为0.01、炉温在600℃左右时所合成的产物余辉亮度最大、持续发光时间长,该条件下制

万方数据

备的荧光粉发光性能最好。另外,以硅酸盐[1朝为基质的长余辉发光材料中,有关2MO・MgO・2SiO。:Eu,Dy(M是碱土金属元素)的研究最为广泛,通过对基质组分和掺杂离子浓度的控制,其发光范围可以从蓝紫光覆盖到黄绿光。其中,发蓝光的长余辉材料性能较好的是Sr:MgSi:O,:Eu2+,Dy3十,其发射主峰位于469

m处,余辉时间可以超过10

h,

其发光性能要优于CaAl:04:Eu2+,Nd3+,而且Sr2MgSi:07:

Eu抖,时+具有良好的化学稳定性和热稳定性,高纯二氧化

硅原料价廉、易得,因此一直受人们的重视。1.3红色长余辉发光材料

从应用层面而言,蓝色和绿色的长余辉材料已经较为成熟,红色长余辉材料则较少,有待于进一步的研究和开发。

起初,红色长余辉材料主要研究方向为以Eu2+作为激活剂的硫化物体系[16I,其红色发射属于Eu2十的4f。5d。一4f7间电子跃迁发射。如ZnS:Eu抖、SrS:Eu2+,Er3十、Cal,SLS:

Eu2+,时+,Er3+。另外,稀土离子Sm抖、Yb2+激活的硫化钙

长余辉材料也可以发出红光。硫化物系列长余辉发光材料具有很长的历史[1“,20世纪初真正实现了工业化生产。硫化物系列长余辉发光材料主要包括硫化锌、硫化钙、硫化钡、硫化锶、硫化镉等,其中硫化锌材料研究最多[1引,应用得也比较广。其缺点是发光亮度低、余辉时间短、易潮解。虽然可以添加放射性元素来克服这些缺点,但是放射性元素对人的健康和环境都是有害的,所以在应用中受到了相当程度的限

制。

另外,稀土离子激活的碱土金属钛酸盐也是另一类化学性能稳定、发光强度高和色纯度好的红色长余辉发光材料。稀土离子激活的钛酸盐[1鲴的发光基质主要是碱土的碳酸盐。自1997年Diallo[z03首次报道了CaTiOz:Pr3+是一种性能稳定的红色长余辉发光材料后,Pr抖激活的碱土金属钛酸盐MTiO。(M=Ca,Sr,Ba)因性能稳定和余辉衰减速率慢得到了大量的研究和报道[21’22|,其制备工艺是以TiO。和碱土碳酸盐为原料,加入一定量的激活离子等,并向基质中掺入Zn0、MgO、AI:03,通过高温固相反应使Zn、Mg、Al等部分地替代基质晶格中的碱土元素,从而获得良好的发光亮度和较长的余辉时间。CaTiO。:Pr抖的色坐标位置接近NTSC的理想红色坐标;M酽+或zn2十的掺入可以有效提高发光的起始亮度,延长余辉衰减时间。蒋自强等[23]的实验报道显示,当掺杂3%Nb5+(摩尔分数)时,CaTi03:Pr抖的发光强度将变为原来的2倍,并且其余辉时间从10min延长到40

min左右。

硫氧化物系列长余辉发光材料是一种新型的长余辉发光材料,其基质体系主要是Eu2十和Sm3+激活的发红光的Y。02s稀土硫氧化物材料。采用高温固相法制备的Y2QS:Eu,Mg,Ti,Gd红色长余辉材料[2“,热处理温度在600℃以下时,材料的发光性能不变;当热处理温度达到800℃时,发光性能缓慢下降;当热处理温度达到1000℃时,主晶相YzozS变成Y。02SO。和Y。O。,发光性能急剧下降。与铝酸盐及硫化物发光材料相比,Y。02S:Eu,Mg,Ti,Gd红色长余辉材料具有较好的热稳定性。硫氧化物系列长余辉发光材

长余辉发光材料的研究进展/李松坤等

料是目前红色长余辉发光材料[25]中较好的品种。

1.4白色长余辉发光材料

白光[26]在El常生活生产中有很重要的作用。根据三基

色原理,将适当选择的三基色(红、绿、蓝)按不同的比例合

成,可引起不同的色彩感觉。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,任意一种基色不能由其他两种配出。对于白光的

获取,除了可按一定比例的红、绿、蓝三原色混合外,还可以通过按一定比例的黄/蓝色混合来取得。白光长余辉发光材料同样可以用类似的方法获得。而白色磷光体中每一部分的物理和化学性质有所差别,给应用带来较大困难。因此,理想的白色长余辉材料应该是单一离子激活的单一基质。

稀土离子Dy3+激活的CdSiO。、SrSi03与Sr2SiO。基质可以实

现白色长余辉发光,稀土离子H03十激活的硫化钙基质可以

发绿白光。

2长余辉发光材料的发光机理

长余辉发光是光致发光的一种特殊过程,大致可以分为以下几个过程:(1)基质品格吸收激发能;(2)基质晶格将吸收的激发能传递给激活离子,使其激发;(3)被激发的离子发

光而返回基态。若基质中有激活中心A和敏化中心S,同时

基质的吸收不产生辐射,那么A吸收激发能后产生辐射,实现“发光”;S吸收激发能,并将能量传递给A,再由A辐射出来,这一过程称为“敏化发光”。发光材料的发光原理如图1

所示。

M:基质晶格A:激活剂s:敏化剂

图1发光材料的光致发光原理

Fig.1

Photoluminescenceprincipleofluminescentmaterials

针对长余辉发光材料的发光机理,研究人员提出了各种不同的理论模型,如空穴转移模型、新的空穴转移模型、位型坐标模型、双光子吸收模型、余辉能量传递模型。由于机理的复杂性,不同的模型都只能部分地解释长余辉发光现象的

一面,具有一定的局限性,而且很多理论都停留在假设的层

面,还有待于实验的进一步证明。Yamamoto[271提出了

SrAl204:Etl2+,Df+的长余辉机理,SrAl204:Eu2+,W+

长余辉材料内部陷阱中电子的释放包括瞬时释放和延时释放两种类型,其中电子瞬时释放进而跃迁发光是荧光的组成

万方数据

65

部分,延时释放则导致余辉发光。Kamada[2胡提出了发光机制与晶体缺陷有关,Kinoshita[29]提出了F心和F+心模型来解释Tb抖掺杂的铝酸钙长余辉玻璃的长余辉性和激励发光

现象。

目前,一般认为空穴转移模型可以比较好地解释长余辉机理,即长余辉发光与缺陷和陷阱能级有关。根据长余辉发光的一般机理,只要在基质中出现通过热扰动把存储的能量释放出来的陷阱能级,就可以产生长余辉发光。

空穴转移模型(图2)的建立是随着Eu抖、Dy3+在以碱土金属铝酸盐以及硅酸盐为基质制备长余辉发光材料的广泛应用中逐步发展起来的,其发光过程经历了3个阶段:(1)空穴由4f一5d电子跃迁产生,并在价带上以Dy4+形式存在;(2)空穴在价带中随热释放而转移;(3)空穴与Eu+复合伴随着余辉的释放。掺杂物中离子晶型的不同会影响空穴的深度,从而影响材料的发光时间和强度特性。

图2空穴转移模型

Fig.2

Holetransfermodel

从20世纪90年代开始,以Eu2+激活的碱土铝酸盐为代

表的长余辉发光材料的发光机制,一直是人们研究的热点。目前虽未完全了解长余辉发光机制,但至少已取得如下共识:(1)掺杂Eu2+是发光中心;(2)晶体中存在的各种缺陷对发光与余辉有着重要的影响;(3)共掺杂三价稀土离子RE3+

的添加产生了更多缺陷能级;(4)激发时产生的电子和空穴

分别被电子陷阱和空穴陷阱捕获;(5)热扰动下陷阱捕获的电子或空穴以合适的速度释放出来;(6)电子和空穴的复合导致发光。

3长余辉发光材料的制备方法

由于制备方法能够直接影响到长余辉发光材料的余辉时间、发光强度和化学稳定性等性质,所以研究人员一直在探究各种不同长余辉发光材料的制备方法。目前长余辉发光材料主要的制备方法有高温固相反应法、燃烧法、水热合成法、溶胶一凝胶法、共沉淀法、微波法等。

3.1高温固相反应法

高温固相反应法的应用最为广泛,其主要优点是工艺流程简单、操作方便、成本较低。该方法的主要步骤是:将达到

66

材料导报A:综述篇

2014年3月(上)第28卷第3期

纯度要求的原料按配比配好,加入少量的助溶剂,混匀、研磨,在一定温度和气氛下灼烧一定时间。其烧结方法分为一次烧成法和二次烧成法。还原气氛主要有一定量的N。和H:;H:和Ar;NH。;活性炭粉以及不加还原剂,直接在N2中燃烧,使部分Eu件还原成Eu2+;N。和NH。,NH。在高温时分解出H。还原效果好,目前,用得最多的还是适量的H。或活性炭粉。近期研究表明,助溶剂P。O。、B203等的加入可以有效地降低灼烧温度,而且可以增强材料的发光强度。但是,由于高温固相法得到的材料硬度较大,要想得到粉末型材料还须进行球磨,这会对材料的亮度等性能造成严重衰减,这也是高温固相反应法最大的问题,此外高温固相反应法还存在着激活中心不稳定的缺点。3.2燃烧法

燃烧法是在外加热的辅助下,将原料溶液蒸发、干燥、固化。并引发反应物和添加物的燃烧,产生高温,使得化学反应可以在很短的时间内完成。王惠琴等[30]和陈仲林等[31]成功地采用燃烧法合成了长余辉发光材料,李向果等[323利用燃烧法合成了红色长余辉发光材料。与高温固相法比较,燃烧

法具有节能和节省时间的优点,缺点是反应过程中有对环境

造成污染的气体逸出,而且发光亮度要比高温固相法得到的材料低一些。

3.3冰热合成法

水热合成法是指在一个密闭的体系中,以水作为介质,加热到一定的温度时,在水产生的压强作用下,促使体系中的化学物质进行化学反应,从而得到新的物相或物质。用有机溶剂代替水,采用溶剂热反应来制备粉体是水热合成法的重大改进,该方法已经成功制备了SrAl:04:Eu2+,Dy3十。其优点在于合成的温度低,制备条件相对温和,体系稳定;缺点是实验环境要求高压,设备昂贵,样品发光强度比较低,制备工艺条件相对复杂,影响因素多。

3.4溶胶一凝胶法

溶胶一凝胶法是指在低温条件下将无机盐或金属醇盐溶于水或有机溶剂中形成均质溶液,溶质和溶剂发生醇解或是水解反应,产物则聚集形成1nm左右的粒子并形成溶胶,经过蒸发和干燥处理变为凝胶(具有一定的空间结构),最后经过热处理或减压干燥得到最终产物。姜洪义等[33]用溶胶—凝

胶法合成了Sr:MgSi:O,:Eu2十,W+。这种方法得到的产

物具有均匀性好,烧结温度低,晶体粒子尺寸易控制,发光强度高的优点;缺点在于原料的成本较高,反应周期长,而且反应物中的醇盐对人体有害。

3.5共沉淀法

共沉淀法的基本步骤是将两种以上的金属离子从同一

溶液中同时沉淀下来,通常情况是以氢氧化物、草酸盐、甲酸

盐或者柠檬酸盐等形式沉淀出来,然后将得到的沉淀在适当的温度下灼烧得到产物。陈小博等r34]用沉淀法合成了蓝色长余辉发光材料,并讨论了其发光机理。共沉淀法反应温度低,样品纯度高,晶粒尺寸易控制,发光强度好,但是其对溶剂的要求较高,要求各组分具有相同或者相似的水解或沉淀条件,制备多组分时存在的问题较多,还具有易生成杂相,合

万方数据

成温度不易控制的缺点。

3.6微波法

微波法是首先将原料按一定的比例配得,加入一定量的掺杂剂和激活剂,经过研磨和压实两道工序后,以碳粒作为还原剂放于微波炉内进行加热处理,冷却后得到产物。崔永清等‘蜘用微波法合成了红色长余辉发光材料,并研究了掺杂物对发光性能的影响,该方法得到的粉体粒径较小,各组分分布均匀,发光强度相对较高。

表2是各种制备长余辉发光材料方法的优点缺点对比。

表2长余辉发光材料不同制备方法的比较

Table2

Comparisonofdifferentpreparationmethodsoflongpersistenceluminescentmaterials

总之,从应用推广和绿色无污染的角度讲,各种制备工艺方法各有所长,制备出的各种长余辉发光材料的发光颜色

和发光性能方面也都各有千秋[36.37],目前的研究方向之一是

设法对各种制备方法进行优化组合,摸索出发光性能优异又便于广泛应用推广且满足无污染要求的新型绿色长余辉发光材料制备方法。

4结语

(1)应用领域:目前长余辉发光材料的主要应用是夜光材料,为扩大其应用范围需进一步丰富材料的发光颜色;此外根据材料的性质,这类材料可以向陶瓷、纤维、环境催化、生物医学和能源等领域发展。

(2)制备方法:高温固相法生成的产品激活中心不稳定,发光亮度和表面形貌都不够好。其他的合成方法又存在工艺复杂、成本高、环境污染等问题,建议将各种方法进行优化组合,以期通过降低合成温度来达到稳定激活中心的目的。

(3)发光机理:目前人们对各种长余辉发光材料的发光

长余辉发光材料的研究进展/李松坤等

形成机制存在较多争议,因此其发光机理还有待于进一步深入研究。应当更充分地研究材料的组分、结构与其发光性能间的内在联系,从而进一步深化对长余辉发光材料发光机理的认识。

(4)粒子特征:粒子大小、形貌、表面结构和结晶状态对材料余辉特性的影响和作用没有得到应有的重视和研究。

由于长余辉发光材料的种类较多,不同的材料具有不同的发光机制,而有些材料的发光机理目前还不太清楚,因此只能作出一些粗略定性的解释。由于对发光机理认识不太清晰会导致对材料的性能把握及认识上的不系统,进而会影响到其应用。因此,对长余辉发光材料发光机理的进一步研究具有重要意义。此外,由于长余辉发光材料的制备方法较多,而且存在各自的优缺点,因此对各种长余辉发光材料的制备方法的优化组合将对长余辉发光材料的推广应用起到很关键的作用。

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KamadaM,MurakamiJ,OhnoN.Excitation

spectra

of

long-persistentphenomenonofSrAl204:Eu,Dyinvacuumultraviolet

region[J].J

Lumin,2000,87—89:1042

(下转第84页)

・84・

材料导报A:综述篇

ofgreen-or

2014年3月(上)第28卷第3期

AmCeramSoc,2012,95(2):658

propertiesred-emittingEue+-dopedSr3A1206

60

phosphors[J].J

for

LED[J].J

Luminescence,2011,131:2463

ZhangJian,YinJing,LiuPanpan,eta1.Preparationand

of

49CaoRenping,PengMingying,SongEnhai,eta1.Higheffi—luminescentproperties

cieneyMn4+dopedSraMgAl220a6redemittingphosphorforwhite

white

MgTi03:Eu3+phosphor

for

LEDs[J].J

RareEarths,2012,30(10):1009

LED[J].JSolid

StateSciTechn,2012,1(4):R12361李香萍,仲海洋,程丽红,等.可用于白光LED的红色荧光

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Lihui,WangChenyue,GuoMeiquan,eta1.Lumi一

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62

nescence

white51Jiao

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characterizationof

lithiumaluminateredphos—

Haiyan,WangYuhua.Apotentialred-emittingphos—thesisand

phorCaSrAl2Si07:Eu计fornear-ultravioletlight-emittingphors[J].J

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B,2012,407:2729

LuShenzhou,Yangminescentproperties

Qiuhong,Wang

of

Yonggang,etakOs

transparent

Lu一

cera-

52ZhaoChengchun,YinXin,HuangFuqiang,eta1.Novelred

perovskitephosphorCaeA1NbOG:Eu抖forwhitelight-emit—tingdiode

Eu:Y1.8‰2

micsforpotentialwhiteLEDter,2013,35:71864

applications[J].OpticalMa—

I)eyin,eta1.cc(Y,Gel)一

application[J].Physica

Wanwan,Sun

B,2011,406:4608

53YanXiaosong,LiKang.Anovelredemitting

Wu

Yunchen,Chen

Yichin,Wang

phosphorCalneC)4:Eu3+,Sms+withbroadenednear-ul—

FS:Ce3+:Anovelred-emittingfluorosulfidephosphorforsolid-state

travioletabsorptionbandforsolid-state

ResBull,2011,46:87

lighting[J].Materlighting[J].JMaterChem,2011,21:15163

65YusukeArai,SadaoAdachi.OpticalpropertiesofMn4+-ac一

NazSnF6andCszSnF6red

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的发光特性口].发光学报,2011,32(1):38

56Li

phosphors[J].J

Electrochem

Soe,2011,158(6):J179

a1.Concentration

Panlai,WangZhijun,Yang

emitting

Zhiping,eta1.Srln204:phosphorwith

WangYi,ZengQingguang,Hu

on

Shejun,et

Eus+,Sma+:Ared

broadened

andannealingeffectPLpropertiesofsol-gelderivedSiO,一

RareEarths,2010,28

near-ultravioletabsorptiohbandforsolid-stateElectrochem57

lighting[J].J

red

68

Ⅵ03:Eu抖nanocomposites[J].J

(2):176

Soc,2011,158(12):H1201

Jiyong,Wang

Yaoming,eta1.Novel

double

YinXin,Yaophosphorof

WangEJ].J

Yi,LiuJinchun,LaiShaoquan,etakSol—gelderived

perovskite

compound

LazMgTi06:Si02一YzOs:Eu3+nanocompositesand

RareEarths,2007,25:277

theirPLproperties

xEu抖[J].JLuminescence,2012,132:1701

58DongseokKang,HyoungSunYoo,SangHoonJung,eta1.

Synthesisandphotolumineseeneepropertiesofmitting

69PereiraPFS,MouradeAP,NogueiraIC,eta1.Studyof

on

novelred-e—。theannealingtemperatureeffectfor

white-

nescent

thestructuralandlumi—_phosphorspreparedby

Na2YzTi3010:Eu3+,Srna+phosphor

propertiesofSrW04:Eu

light-emittingdiodes[J].J

lystable

PhysChemC,2011,115:24334

non-hydrolyticsol—gel

526:11

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pyrochloreY2Ti207:Eu抖orange-redemitting

(责任编辑沈耀红)

、、3p、、o》、\、o净\、3争、、≯℃≯t.)p、、≥p、、≯to净、j沪v≯t声tpv≯tpt≯tpq声t≯t≯t≯q≯t≯t≯q≯Q≯v≯t,、、、≯vpu≯℃≯℃≯Y≯、!≯t≯℃≯℃声V声q≯℃≯、opVp℃p、声℃≯Vpx

(上接第67页)

29

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re—

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33姜洪义,万洪峰,陈伟.溶胶一凝胶法合成Sr2MgSi207:

(责任编辑沈耀红)

万方数据

长余辉发光材料的研究进展

作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):

李松坤, 王小平, 王丽军, 井龙伟, 潘秀芳, 王金烨, 孙义清, 孙洪涛, 王子风上海理工大学理学院,上海,200093材料导报

Materials Review2014,28(5)

本文链接:http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_cldb201405013.aspx

长余辉发光材料的研究进展/李松坤等

63

长余辉发光材料的研究进展’

李松坤,王小平,王丽军,井龙伟,潘秀芳,王金烨,孙义清,孙洪涛,王子风,曹双迎

(上海理工大学理学院,上海200093)

摘要

长余辉发光材料在太阳能转换和利用方面具有独特的优势,是一类重要的光一光转换和节能材料。综

述了长余辉发光材料的光谱特性、余辉时间以及相应的发光机理,简单介绍了长余辉发光材料的一些常见制备方法,并对今后研究的重点和方向做了展望。

关键词

长余辉发光无机固体材料发光机理

中图分类号:0611.4文献标识码:A

ResearchProgress

on

LongPersistence

LuminescentMaterials

LI

Songkun,WANGXiaoping,WANGLijun,JINGLongwei,PANXiufang,WANGJinye,

SUNYiqing,SUN

Hongtao,WANGZifeng,CAOShuangying

(CollegeofScience,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093)

AbstractLongpersistenceluminescentmaterialshasuniqueadvantagesinsolarenergyconversionandutiliza—

tion,itis

kindofimportantlight-lightconversionandenergy-savingmaterials,thespectralcharacteristic,aftertime

luminescencemechanismoflongluminescencematerials

are

introduced,andsomecommonpreparationmethods

are

simplyintroduced,theresearchemphasisanddirectionofthefuture

are

prospected.

Keywords

longpersistence,luminescent,inorganicsolidmaterials,luminescencemechanism

引言

料、硫氧化物系列长余辉发光材料5个阶段嘲。发光材料又称为发光体,是一种能够把从外界吸收的各

长余辉发光材料的光谱特性

种形式的能量转换为非平衡光辐射的功能材料[1]。发光材

不同基质系列的长余辉发光材料的发光光谱特性不同,

料的发光方式是多种多样的,发光类型主要有光致发光、阴

由于其发光颜色、发光强度、余辉时间不同而具有不同的应极射线发光、电致发光、热释发光、辐射发光等。长余辉发光用前景,因此存在各自的优势。目前对于长余辉发光材料的材料又被称为蓄光材料、蓄能发光材料或者夜光材料。长余研究大部分都集中在蓝绿色发光材料方面。从目前的应用辉发光材料在太阳能转换和利用方面具有独特的优势,白天现状来看,绿色和蓝色的长余辉发光材料已经得到大量的推可以将太阳能储存起来,晚上慢慢释放,是一类重要的光一光广和应用,特别是在安全消防、应急照明指示、夜光塑料及夜转换材料和节能材料,在中国俗称夜光粉或长余辉粉,学术光涂料等日常消费领域中。自从1996年前后人们发明Eu2+上称为长磷光荧光体或长时发光材料。长余辉发光材料在激活[4]的铝酸盐异常长余辉发光材料以来,对于氧化物系列工农业生产、军事、消防和人们生活的许多方面得到广泛应长余辉发光材料的研究和应用在国内外也取得了不少进展。用[2],特别是在安全指示方面,长余辉发光材料可以起到很已知的性能最好的绿色长余辉发光材料[5]是SrAl。04:大的作用,据报道,在美国“911”事件中,长余辉发光标志在Eu2+,Dy3十,蓝色长余辉发光材料[6]是CaAl204:Eu2+,人员疏散过程中起了重要的作用。长余辉发光材料应用于Nd3+。另外,发光颜色可以通过改变基质组分、掺杂离子浓建筑装潢、交通运输、军事设施、消防应急以及日用消费品等度及加入辅助激活离子等手段进行调节。表1列出了目前方面的研究已经很多了。到目前为止,已出现了多种多样的常见的几种长余辉发光材料的发光性能。

长余辉无机发光材料,从单纯的基质发光,到现在的稀土离1.1绿色长余辉发光材料

子掺杂特殊基质的固体材料,其发光的性能也都在不断地提对于长余辉发光材料的研究,发绿光的长余辉材料出现高。对长余辉发光材料基质的研究按时间顺序主要经历了得最早,1866年由法国的Sidot首先制备出发绿光的长余辉硫化物系列长余辉发光材料、铝酸盐基质系列长余辉发光材材料(ZnS:Cu)。进一步研究发现,通过对硫化物稀土离子料、硅酸盐系列长余辉发光材料、钛酸盐系列长余辉发光材

的激活可以大幅度提高材料的发光性能。其中,稀土离子

*上海市教委重点创新项目(14ZZl37);国家大学生创新创业训练计划项目(121025243;131025228)李松坤:男,1988年生,硕士生,主要从事光电功能薄膜材料的研究

E-mail:sakkiell4@163.corn王小平:通讯作者,男,博士,

教授,主要从事固体薄膜材料光电特性的研究E-mail:wxpchina64@aliyun.com;wxpchina@sohu.corn

万方数据

・64・

材料导报A:综述篇

2014年3月(上)第28卷第3期

Ce3+、Tb3十、Er3+激活的硫化钙长余辉材料发光颜色均为绿色。从20世纪60年代开始,人们逐渐把研究方向转移到了铝酸盐基质系列方面[7’8]。其中,以Eu2+掺杂铝酸锶体系的材料发光性能较好。发绿光的长余辉材料有SrAl:04:Eu2+(黄绿光)、SrAl20。:Eu抖,Dy3+(黄绿光)、Sr4All。025:Eu抖,Df+(蓝绿光)、SrAl407:Eu抖,Dy3+(蓝绿光)、Ba—Al。04:Eu抖,Df+(蓝绿光)等。相对而言,硅酸盐体系材料的发光范围较广,其中发绿光的主要有(CaSr)MgSi:O,:

Eu2十,W+(蓝绿光)和Ba2MgSi207:Eu抖,Tm3+(绿光)。

由日亚公司开发的Sr。Al,。02。:Eu2+,Df“9|,其发射主峰位

于490rlrfl,与人眼暗视觉峰值接近,具有目前最长的余辉时

间。目前,已知最好的绿色长余辉发光材料为SrAl:O。:

Eu2+,W“10’11|,其发光谱峰波长为520

nm,余辉时间可达

到4000min,余辉强度为400mcd/mz(10min)、60mcd/mz

(60

min),并且其发光亮度、余辉时间和化学稳定性是硫化

物系列长余辉材料无法比拟的。阳区等[12]对srAl:0。:

Eu2+,W+长余辉材料在100~500

K温度之间发光性能的

研究表明:材料的荧光及余辉强度在特定温度区间内呈线性变化,在热释峰所在温度范围具有较好的发光性能。其变化

规律表明SrAI。0。:Eu2+,W+长余辉材料内部陷阱中电子

的释放包括瞬时释放和延时释放两种类型,其中电子瞬时释放进而跃迁发光是荧光的组成部分,延时释放产生的跃迁则导致余辉发光。陷阱和电子的复合与陷阱中电子释放过程均随温度升高而增强,但温度过高时会发生热猝灭。材料荧光强度与余辉强度在特定温度区间内随温度呈线性变化关系,表明其可以作为一种光纤温度传感材料。

表I不同长余辉发光材料的发光性能

Table1

Luminescencepropertiesofdifferentlongpersistence’luminescentmaterials

1.2蓝色长余辉发光材料对硫化物体系的早期研究发现,稀土离子W+和Tm3+

激活的硫化物可以发出蓝光。铝酸盐基质体系的长余辉材料大部分发光在蓝绿光阶段,其中较好的蓝色长余辉发光材料为CaAl204:Eu2+,Nd3“13],其发光谱峰波长为446

nlTl,

余辉时间可达到1000min。李文植等[141采用荧光粉燃烧合成工艺制备了CaAl:O;:Eu2+,Nd3+,考虑到激活剂、辅助激活剂及炉温等对荧光粉发光性能的影响,确定了当Eu2+摩尔分数为0.018、Nd件摩尔分数为0.01、炉温在600℃左右时所合成的产物余辉亮度最大、持续发光时间长,该条件下制

万方数据

备的荧光粉发光性能最好。另外,以硅酸盐[1朝为基质的长余辉发光材料中,有关2MO・MgO・2SiO。:Eu,Dy(M是碱土金属元素)的研究最为广泛,通过对基质组分和掺杂离子浓度的控制,其发光范围可以从蓝紫光覆盖到黄绿光。其中,发蓝光的长余辉材料性能较好的是Sr:MgSi:O,:Eu2+,Dy3十,其发射主峰位于469

m处,余辉时间可以超过10

h,

其发光性能要优于CaAl:04:Eu2+,Nd3+,而且Sr2MgSi:07:

Eu抖,时+具有良好的化学稳定性和热稳定性,高纯二氧化

硅原料价廉、易得,因此一直受人们的重视。1.3红色长余辉发光材料

从应用层面而言,蓝色和绿色的长余辉材料已经较为成熟,红色长余辉材料则较少,有待于进一步的研究和开发。

起初,红色长余辉材料主要研究方向为以Eu2+作为激活剂的硫化物体系[16I,其红色发射属于Eu2十的4f。5d。一4f7间电子跃迁发射。如ZnS:Eu抖、SrS:Eu2+,Er3十、Cal,SLS:

Eu2+,时+,Er3+。另外,稀土离子Sm抖、Yb2+激活的硫化钙

长余辉材料也可以发出红光。硫化物系列长余辉发光材料具有很长的历史[1“,20世纪初真正实现了工业化生产。硫化物系列长余辉发光材料主要包括硫化锌、硫化钙、硫化钡、硫化锶、硫化镉等,其中硫化锌材料研究最多[1引,应用得也比较广。其缺点是发光亮度低、余辉时间短、易潮解。虽然可以添加放射性元素来克服这些缺点,但是放射性元素对人的健康和环境都是有害的,所以在应用中受到了相当程度的限

制。

另外,稀土离子激活的碱土金属钛酸盐也是另一类化学性能稳定、发光强度高和色纯度好的红色长余辉发光材料。稀土离子激活的钛酸盐[1鲴的发光基质主要是碱土的碳酸盐。自1997年Diallo[z03首次报道了CaTiOz:Pr3+是一种性能稳定的红色长余辉发光材料后,Pr抖激活的碱土金属钛酸盐MTiO。(M=Ca,Sr,Ba)因性能稳定和余辉衰减速率慢得到了大量的研究和报道[21’22|,其制备工艺是以TiO。和碱土碳酸盐为原料,加入一定量的激活离子等,并向基质中掺入Zn0、MgO、AI:03,通过高温固相反应使Zn、Mg、Al等部分地替代基质晶格中的碱土元素,从而获得良好的发光亮度和较长的余辉时间。CaTiO。:Pr抖的色坐标位置接近NTSC的理想红色坐标;M酽+或zn2十的掺入可以有效提高发光的起始亮度,延长余辉衰减时间。蒋自强等[23]的实验报道显示,当掺杂3%Nb5+(摩尔分数)时,CaTi03:Pr抖的发光强度将变为原来的2倍,并且其余辉时间从10min延长到40

min左右。

硫氧化物系列长余辉发光材料是一种新型的长余辉发光材料,其基质体系主要是Eu2十和Sm3+激活的发红光的Y。02s稀土硫氧化物材料。采用高温固相法制备的Y2QS:Eu,Mg,Ti,Gd红色长余辉材料[2“,热处理温度在600℃以下时,材料的发光性能不变;当热处理温度达到800℃时,发光性能缓慢下降;当热处理温度达到1000℃时,主晶相YzozS变成Y。02SO。和Y。O。,发光性能急剧下降。与铝酸盐及硫化物发光材料相比,Y。02S:Eu,Mg,Ti,Gd红色长余辉材料具有较好的热稳定性。硫氧化物系列长余辉发光材

长余辉发光材料的研究进展/李松坤等

料是目前红色长余辉发光材料[25]中较好的品种。

1.4白色长余辉发光材料

白光[26]在El常生活生产中有很重要的作用。根据三基

色原理,将适当选择的三基色(红、绿、蓝)按不同的比例合

成,可引起不同的色彩感觉。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,任意一种基色不能由其他两种配出。对于白光的

获取,除了可按一定比例的红、绿、蓝三原色混合外,还可以通过按一定比例的黄/蓝色混合来取得。白光长余辉发光材料同样可以用类似的方法获得。而白色磷光体中每一部分的物理和化学性质有所差别,给应用带来较大困难。因此,理想的白色长余辉材料应该是单一离子激活的单一基质。

稀土离子Dy3+激活的CdSiO。、SrSi03与Sr2SiO。基质可以实

现白色长余辉发光,稀土离子H03十激活的硫化钙基质可以

发绿白光。

2长余辉发光材料的发光机理

长余辉发光是光致发光的一种特殊过程,大致可以分为以下几个过程:(1)基质品格吸收激发能;(2)基质晶格将吸收的激发能传递给激活离子,使其激发;(3)被激发的离子发

光而返回基态。若基质中有激活中心A和敏化中心S,同时

基质的吸收不产生辐射,那么A吸收激发能后产生辐射,实现“发光”;S吸收激发能,并将能量传递给A,再由A辐射出来,这一过程称为“敏化发光”。发光材料的发光原理如图1

所示。

M:基质晶格A:激活剂s:敏化剂

图1发光材料的光致发光原理

Fig.1

Photoluminescenceprincipleofluminescentmaterials

针对长余辉发光材料的发光机理,研究人员提出了各种不同的理论模型,如空穴转移模型、新的空穴转移模型、位型坐标模型、双光子吸收模型、余辉能量传递模型。由于机理的复杂性,不同的模型都只能部分地解释长余辉发光现象的

一面,具有一定的局限性,而且很多理论都停留在假设的层

面,还有待于实验的进一步证明。Yamamoto[271提出了

SrAl204:Etl2+,Df+的长余辉机理,SrAl204:Eu2+,W+

长余辉材料内部陷阱中电子的释放包括瞬时释放和延时释放两种类型,其中电子瞬时释放进而跃迁发光是荧光的组成

万方数据

65

部分,延时释放则导致余辉发光。Kamada[2胡提出了发光机制与晶体缺陷有关,Kinoshita[29]提出了F心和F+心模型来解释Tb抖掺杂的铝酸钙长余辉玻璃的长余辉性和激励发光

现象。

目前,一般认为空穴转移模型可以比较好地解释长余辉机理,即长余辉发光与缺陷和陷阱能级有关。根据长余辉发光的一般机理,只要在基质中出现通过热扰动把存储的能量释放出来的陷阱能级,就可以产生长余辉发光。

空穴转移模型(图2)的建立是随着Eu抖、Dy3+在以碱土金属铝酸盐以及硅酸盐为基质制备长余辉发光材料的广泛应用中逐步发展起来的,其发光过程经历了3个阶段:(1)空穴由4f一5d电子跃迁产生,并在价带上以Dy4+形式存在;(2)空穴在价带中随热释放而转移;(3)空穴与Eu+复合伴随着余辉的释放。掺杂物中离子晶型的不同会影响空穴的深度,从而影响材料的发光时间和强度特性。

图2空穴转移模型

Fig.2

Holetransfermodel

从20世纪90年代开始,以Eu2+激活的碱土铝酸盐为代

表的长余辉发光材料的发光机制,一直是人们研究的热点。目前虽未完全了解长余辉发光机制,但至少已取得如下共识:(1)掺杂Eu2+是发光中心;(2)晶体中存在的各种缺陷对发光与余辉有着重要的影响;(3)共掺杂三价稀土离子RE3+

的添加产生了更多缺陷能级;(4)激发时产生的电子和空穴

分别被电子陷阱和空穴陷阱捕获;(5)热扰动下陷阱捕获的电子或空穴以合适的速度释放出来;(6)电子和空穴的复合导致发光。

3长余辉发光材料的制备方法

由于制备方法能够直接影响到长余辉发光材料的余辉时间、发光强度和化学稳定性等性质,所以研究人员一直在探究各种不同长余辉发光材料的制备方法。目前长余辉发光材料主要的制备方法有高温固相反应法、燃烧法、水热合成法、溶胶一凝胶法、共沉淀法、微波法等。

3.1高温固相反应法

高温固相反应法的应用最为广泛,其主要优点是工艺流程简单、操作方便、成本较低。该方法的主要步骤是:将达到

66

材料导报A:综述篇

2014年3月(上)第28卷第3期

纯度要求的原料按配比配好,加入少量的助溶剂,混匀、研磨,在一定温度和气氛下灼烧一定时间。其烧结方法分为一次烧成法和二次烧成法。还原气氛主要有一定量的N。和H:;H:和Ar;NH。;活性炭粉以及不加还原剂,直接在N2中燃烧,使部分Eu件还原成Eu2+;N。和NH。,NH。在高温时分解出H。还原效果好,目前,用得最多的还是适量的H。或活性炭粉。近期研究表明,助溶剂P。O。、B203等的加入可以有效地降低灼烧温度,而且可以增强材料的发光强度。但是,由于高温固相法得到的材料硬度较大,要想得到粉末型材料还须进行球磨,这会对材料的亮度等性能造成严重衰减,这也是高温固相反应法最大的问题,此外高温固相反应法还存在着激活中心不稳定的缺点。3.2燃烧法

燃烧法是在外加热的辅助下,将原料溶液蒸发、干燥、固化。并引发反应物和添加物的燃烧,产生高温,使得化学反应可以在很短的时间内完成。王惠琴等[30]和陈仲林等[31]成功地采用燃烧法合成了长余辉发光材料,李向果等[323利用燃烧法合成了红色长余辉发光材料。与高温固相法比较,燃烧

法具有节能和节省时间的优点,缺点是反应过程中有对环境

造成污染的气体逸出,而且发光亮度要比高温固相法得到的材料低一些。

3.3冰热合成法

水热合成法是指在一个密闭的体系中,以水作为介质,加热到一定的温度时,在水产生的压强作用下,促使体系中的化学物质进行化学反应,从而得到新的物相或物质。用有机溶剂代替水,采用溶剂热反应来制备粉体是水热合成法的重大改进,该方法已经成功制备了SrAl:04:Eu2+,Dy3十。其优点在于合成的温度低,制备条件相对温和,体系稳定;缺点是实验环境要求高压,设备昂贵,样品发光强度比较低,制备工艺条件相对复杂,影响因素多。

3.4溶胶一凝胶法

溶胶一凝胶法是指在低温条件下将无机盐或金属醇盐溶于水或有机溶剂中形成均质溶液,溶质和溶剂发生醇解或是水解反应,产物则聚集形成1nm左右的粒子并形成溶胶,经过蒸发和干燥处理变为凝胶(具有一定的空间结构),最后经过热处理或减压干燥得到最终产物。姜洪义等[33]用溶胶—凝

胶法合成了Sr:MgSi:O,:Eu2十,W+。这种方法得到的产

物具有均匀性好,烧结温度低,晶体粒子尺寸易控制,发光强度高的优点;缺点在于原料的成本较高,反应周期长,而且反应物中的醇盐对人体有害。

3.5共沉淀法

共沉淀法的基本步骤是将两种以上的金属离子从同一

溶液中同时沉淀下来,通常情况是以氢氧化物、草酸盐、甲酸

盐或者柠檬酸盐等形式沉淀出来,然后将得到的沉淀在适当的温度下灼烧得到产物。陈小博等r34]用沉淀法合成了蓝色长余辉发光材料,并讨论了其发光机理。共沉淀法反应温度低,样品纯度高,晶粒尺寸易控制,发光强度好,但是其对溶剂的要求较高,要求各组分具有相同或者相似的水解或沉淀条件,制备多组分时存在的问题较多,还具有易生成杂相,合

万方数据

成温度不易控制的缺点。

3.6微波法

微波法是首先将原料按一定的比例配得,加入一定量的掺杂剂和激活剂,经过研磨和压实两道工序后,以碳粒作为还原剂放于微波炉内进行加热处理,冷却后得到产物。崔永清等‘蜘用微波法合成了红色长余辉发光材料,并研究了掺杂物对发光性能的影响,该方法得到的粉体粒径较小,各组分分布均匀,发光强度相对较高。

表2是各种制备长余辉发光材料方法的优点缺点对比。

表2长余辉发光材料不同制备方法的比较

Table2

Comparisonofdifferentpreparationmethodsoflongpersistenceluminescentmaterials

总之,从应用推广和绿色无污染的角度讲,各种制备工艺方法各有所长,制备出的各种长余辉发光材料的发光颜色

和发光性能方面也都各有千秋[36.37],目前的研究方向之一是

设法对各种制备方法进行优化组合,摸索出发光性能优异又便于广泛应用推广且满足无污染要求的新型绿色长余辉发光材料制备方法。

4结语

(1)应用领域:目前长余辉发光材料的主要应用是夜光材料,为扩大其应用范围需进一步丰富材料的发光颜色;此外根据材料的性质,这类材料可以向陶瓷、纤维、环境催化、生物医学和能源等领域发展。

(2)制备方法:高温固相法生成的产品激活中心不稳定,发光亮度和表面形貌都不够好。其他的合成方法又存在工艺复杂、成本高、环境污染等问题,建议将各种方法进行优化组合,以期通过降低合成温度来达到稳定激活中心的目的。

(3)发光机理:目前人们对各种长余辉发光材料的发光

长余辉发光材料的研究进展/李松坤等

形成机制存在较多争议,因此其发光机理还有待于进一步深入研究。应当更充分地研究材料的组分、结构与其发光性能间的内在联系,从而进一步深化对长余辉发光材料发光机理的认识。

(4)粒子特征:粒子大小、形貌、表面结构和结晶状态对材料余辉特性的影响和作用没有得到应有的重视和研究。

由于长余辉发光材料的种类较多,不同的材料具有不同的发光机制,而有些材料的发光机理目前还不太清楚,因此只能作出一些粗略定性的解释。由于对发光机理认识不太清晰会导致对材料的性能把握及认识上的不系统,进而会影响到其应用。因此,对长余辉发光材料发光机理的进一步研究具有重要意义。此外,由于长余辉发光材料的制备方法较多,而且存在各自的优缺点,因此对各种长余辉发光材料的制备方法的优化组合将对长余辉发光材料的推广应用起到很关键的作用。

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(下转第84页)

・84・

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作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):

李松坤, 王小平, 王丽军, 井龙伟, 潘秀芳, 王金烨, 孙义清, 孙洪涛, 王子风上海理工大学理学院,上海,200093材料导报

Materials Review2014,28(5)

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