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内蒙古石油化工 2011年第20期
探讨稀土在纳米发光材料中的应用
晏顺根
(内蒙古科技大学, 内蒙古包头 014010)
摘 要:目前, 纳米稀土发光材料因其优异的先学性能被广泛应用于日常生活的各个领域。本文以纳米稀土发光材料的概述为首, 介绍了其涵义、性能特点及优点; 然后列举了稀土在纳米发光材料中的主要应用; 最后, 本文对纳米稀土发光材料未来的发展趋势进行了展望。
关键词:稀土; 纳米发光材料; 应用; 展望
中图分类号:T B383 文献标识码:A 文章编号:1006—7981(2011) 20—0022—02 目前, 稀土发光材料已进入千家万户, 成为社会生活、人类文明的重要组成部分, 以稀土为激活离子, 绝缘体为基质的纳米发光材料渐渐受到国内外学者的关注。在实际应用上, 稀土纳米发光材料可广泛用于显示、发光、光信息传递、X 射线影像、太阳能光电转换、激光、闪烁体等领域。本文着重对掺稀土纳米发光材料进行了基本概述, 简单介绍了稀土在纳米发光材料中的应用, 并对其未来发展前景进行了展望。
1 纳米稀土发光材料概述1. 1 基本涵义
1. 1. 1 稀土元素。稀土元素是指镧系元素加上同属周期表中ⅢB 族的钪和钇共17种元素, 镧系元素包括元素周期表中原子序数从57-71号的15种元素, 它们是: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 ) 。1. 1. 2 稀土发光材料。从原子序数57～71的15个镧系元素加上钪和钇, 它们无论被用作发光材料的基质成分, 还是被用作激活剂、共激活剂、敏化剂或掺杂剂的发光材料, 一般统称为稀土发光材料[1]。1. 1. 3 纳米发光材料。纳米发光材料是指颗粒尺寸在1～100nm 的发光材料, 它主要包括两类: 纯的和掺杂离子的纳米半导体复合发光材料; 具有分立发光中心, 掺杂稀土或过渡金属离子的纳米发光材料[2]。
1. 2 纳米稀土发光材料的性能特点
与常规微米颗粒发光材料相比, 纳米稀土发光材料颗粒尺度通常小于激发或发射光波的波长, 尺寸变小, 其比表面积显著增加, 能产生大的表面态密度。主要性能特点如下所述:1. 2. 1 荧光寿命发生变化
(1) 荧光寿命延长
例如:因为小颗粒粒径限制了Eu 3+的能量转移过程, 导致交叉驰豫过程不起作用, 所以, 比较纳米
3+3+
Y 2O 3:Eu 的荧光寿命与微米Y 2O 3:Eu 的荧光寿命, 可看到纳米化后荧光寿命明显得到延长[3]。
(2) 荧光寿命缩短
例如:与相同工艺条件下制得的Zn 2SiO 4:M n 2+
粉末材料(2 m ) 相比, 用溶胶提拉法制备的
2+2+
Zn 2SiO 4:Mn 纳米微晶薄膜中观察到的Mn 荧光
[4]
寿命缩短, 其发光寿命缩短了5个量级。1. 2. 2 红外吸收带宽化
纳米粒子的比表面大, 导致平均配位数下降, 不饱和键和悬键增多。所以, 存在一个较宽的键振动模分布, 在红外光场作用下, 它们对红外吸收的频率存在一个较宽的分布, 导致了纳米粒子红外吸收带的宽化。
1. 2. 3 光谱发生红移或蓝移
因为在粒径得到减小的同时, 颗粒的内应力增加, 能带结构发生变化, 导致电子波函数重叠加大, 带隙、能级间距变窄, 所以纳米发光材料的光激发光谱和发射光谱有时会被观察到呈现红移现象。电子便由低能级向高能级及半导体电子由价带到导带跃迁引起的光吸收带和吸收边发生红移[5]。1. 2. 4 浓度猝灭
例如:纳米Y 2O 3:Eu 3+(20nm ) 中Eu 3+的临界浓
3+
度为8m ol%, 比微米Y 2O 3:Eu 的激活剂临界浓度
3+
高, 此现象说明纳米Y 2O 3:Eu 颗粒间大的界面降低了能量传递速率, 减少了传递给猝灭中心的能量。1. 3 纳米稀土发光材料的优点
掺杂稀土离子具有独特的电子结构, 稀土纳米发光材料具有如下特殊的发光特性: 发光性能受外部环境的干扰小; 可吸收或发射从紫外到近红外区范围的各种波长的电磁辐射; 荧光寿命较长, 处于从纳秒到毫秒级的范围; 大多发射光谱呈线
:08-18
, :
2011年第20期 晏顺根 探讨稀土在纳米发光材料中的应用状且温度猝灭小; 物理、化学性质比较稳定。2 稀土在纳米发光材料中的主要应用
在实际应用上, 掺稀土纳米发光材料可广泛应用于显示、发光、光信息传递、太阳能光X 射线影像、电转换、激光、闪烁体等领域。其主要应用如下所述:2. 1 显示用
主要应用于:电视机、示波器、雷达及计算机等各类荧光屏和显示器。例如:稀土红色荧光粉Y 2O 3:Eu 和Y 2O 3S :Eu 可用于彩色电视机荧光屏, 使彩电的亮度更高。红色荧光粉是利用Eu 3+作为激活剂, Y 2O 3S 等为基体, 其质量决定了彩色电视和稀土三基色节能灯的质量, 但Y 、Eu 价格昂贵。由于纳米荧光粉的比表面积增大, 发光颗粒数增加, 从而可减少稀土三基色荧光粉的用量, 降低成本。将粒径小于40nm 的稀土纳米氧化物涂在投影屏上, 可增大视场角到接近180°, 视屏清晰且亮度不减, 颜色鲜艳, 可应用于背投彩电显示屏。2. 2 发光用
例如:纳米CeO 2有宽带强吸收能力, 却几乎不吸收可见光。因此, 在玻璃中掺入纳米CeO 2可使玻璃在具有防紫外线功能的同时不影响其透光性。此外, 纳米CeO 2还常用于吸收荧光灯管中185nm 的短
[6]
波紫外线, 以提高灯管寿命。2. 3 激光用
例如:纳米Nd 2O 3在可见光范围内具有丰富的吸收响应, 可应用于YAG:Nd(Y 3A 15O 12:Nd 3+) 激光器。纳米Nd 2O 3的光学特性使YAG:Nd 激光器具有较大的受激辐射面积, 激发效率高, 输出功率大。2. 4 医疗用
高显色指数的LED 及体积很小的微片式LED 将开辟一个LED 在医疗器械方面的应用领域。目前, 日本已投资研制出体积很小的内窥镜、医生照明用的头灯和无影手术灯等器械。此外, 通过对纳米级荧光粉的研究发现, 2～10nm 的发光粒子非常小, 用它制成的荧光粉层是一种透明、非散射的发光层, 可用来研制电致发光和可塑性光源。所以, 在医学光学成像方面, 这种荧光粉将是一种非常有发展潜力的发光材料。
3 稀土纳米发光材料的未来发展趋势
如上所述, 近年来稀土纳米发光材料日益受到人们的重视, 并已被应用于许多高科技功能材料, 具有广阔的应用前景, 其未来发展趋势可概括为以下几方面:
3. 1 理论发展
各制备方法都有其自身的优缺点, 所以多种制备方法的复合是未来合成掺稀土纳米发光材料的发展方向之一。
材料的重要结构特性是纳米材料的表面效应, 23
行深层次的探索。
要进一步探索颗粒尺寸对光学性能的影响, 微结构变化与荧光特性、掺杂离子类别、基质材料的组态等。
必须解决如何提高纳米发光材料的稳定性及发光亮度问题。3. 2 应用发展
纳米量级的荧光粉颗粒能够改善阴极射线管(CRT ) 及彩色等离子显示器(PDP ) 涂屏的均匀性, 可以提高显示清晰度。
与传统的FED 荧光体相比, 场发射器件(FED ) 用的纳米级荧光粉具有小尺寸, 可以被低压电子完全渗透, 可以使材料得以有效应用。
纳米荧光粉的比表面积增大, 发光颗粒数增加, 能够减少稀土三基色荧光粉的用量, 降低成本, 可作为照明灯和显示器涂屏的首选材料。
在制备掺杂稀土离子纳米材料的同时, 也为研究透明复合材料开辟了新途径, 纳米粒子的光散射小, 可埋在无定型透明基质中, 未来可以在激光和放大器上获得应用。4 结论
稀土纳米发光材料是一类具有广泛应用前景的材料, 随着研究的深入, 此类纳米材料在未来也将得到更广泛的应用, 势必会引起材料工业的发展与变革。我国是稀土资源大国, 随着稀土纳米材料的开发和研究, 稀土的应用范围必将在其他领域得到推广。因此, 对我国而言, 充分利用我国稀土资源的优势, 大力开展纳米稀土发光材料的研究与应用开发, 并结合纳米技术研制出创新性稀土发光新材料是一种机遇和挑战。
[参考文献]
[1] 张希艳, 卢利平等. 稀土发光材料[M ].北京:
国防工业出版社, 2005. 1～6.
[2] 邱关明, 耿秀娟等. 中国稀土学报, 2003, 21
(2) :109～114.
[3] 李强, 高派等. 稀土化合物纳米荧光材料研究
的新进展[J ].无机材料学报, 2001, 16(l ) :17-22.
[4] 谢平波, 张慰萍等. 纳米Zn 2SIO 4, :M n 薄膜的
Sol -Gel 法制备和荧光性能[J ]. 中国科技大学学报, 1997, 27(4) :389～394.
[5] 年关明, 耿秀娟等. 纳米稀土发光材料的光学
特性及软化学制备[J ].中国稀土学报, 2003, 21(2) :109～114.
[6] 邱关明, 耿秀娟等. 纳米稀土发光材料的光学
特性及软化学制备[J ].中国稀土学报, 2003, (21) , 109～113.
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内蒙古石油化工 2011年第20期
探讨稀土在纳米发光材料中的应用
晏顺根
(内蒙古科技大学, 内蒙古包头 014010)
摘 要:目前, 纳米稀土发光材料因其优异的先学性能被广泛应用于日常生活的各个领域。本文以纳米稀土发光材料的概述为首, 介绍了其涵义、性能特点及优点; 然后列举了稀土在纳米发光材料中的主要应用; 最后, 本文对纳米稀土发光材料未来的发展趋势进行了展望。
关键词:稀土; 纳米发光材料; 应用; 展望
中图分类号:T B383 文献标识码:A 文章编号:1006—7981(2011) 20—0022—02 目前, 稀土发光材料已进入千家万户, 成为社会生活、人类文明的重要组成部分, 以稀土为激活离子, 绝缘体为基质的纳米发光材料渐渐受到国内外学者的关注。在实际应用上, 稀土纳米发光材料可广泛用于显示、发光、光信息传递、X 射线影像、太阳能光电转换、激光、闪烁体等领域。本文着重对掺稀土纳米发光材料进行了基本概述, 简单介绍了稀土在纳米发光材料中的应用, 并对其未来发展前景进行了展望。
1 纳米稀土发光材料概述1. 1 基本涵义
1. 1. 1 稀土元素。稀土元素是指镧系元素加上同属周期表中ⅢB 族的钪和钇共17种元素, 镧系元素包括元素周期表中原子序数从57-71号的15种元素, 它们是: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 ) 。1. 1. 2 稀土发光材料。从原子序数57～71的15个镧系元素加上钪和钇, 它们无论被用作发光材料的基质成分, 还是被用作激活剂、共激活剂、敏化剂或掺杂剂的发光材料, 一般统称为稀土发光材料[1]。1. 1. 3 纳米发光材料。纳米发光材料是指颗粒尺寸在1～100nm 的发光材料, 它主要包括两类: 纯的和掺杂离子的纳米半导体复合发光材料; 具有分立发光中心, 掺杂稀土或过渡金属离子的纳米发光材料[2]。
1. 2 纳米稀土发光材料的性能特点
与常规微米颗粒发光材料相比, 纳米稀土发光材料颗粒尺度通常小于激发或发射光波的波长, 尺寸变小, 其比表面积显著增加, 能产生大的表面态密度。主要性能特点如下所述:1. 2. 1 荧光寿命发生变化
(1) 荧光寿命延长
例如:因为小颗粒粒径限制了Eu 3+的能量转移过程, 导致交叉驰豫过程不起作用, 所以, 比较纳米
3+3+
Y 2O 3:Eu 的荧光寿命与微米Y 2O 3:Eu 的荧光寿命, 可看到纳米化后荧光寿命明显得到延长[3]。
(2) 荧光寿命缩短
例如:与相同工艺条件下制得的Zn 2SiO 4:M n 2+
粉末材料(2 m ) 相比, 用溶胶提拉法制备的
2+2+
Zn 2SiO 4:Mn 纳米微晶薄膜中观察到的Mn 荧光
[4]
寿命缩短, 其发光寿命缩短了5个量级。1. 2. 2 红外吸收带宽化
纳米粒子的比表面大, 导致平均配位数下降, 不饱和键和悬键增多。所以, 存在一个较宽的键振动模分布, 在红外光场作用下, 它们对红外吸收的频率存在一个较宽的分布, 导致了纳米粒子红外吸收带的宽化。
1. 2. 3 光谱发生红移或蓝移
因为在粒径得到减小的同时, 颗粒的内应力增加, 能带结构发生变化, 导致电子波函数重叠加大, 带隙、能级间距变窄, 所以纳米发光材料的光激发光谱和发射光谱有时会被观察到呈现红移现象。电子便由低能级向高能级及半导体电子由价带到导带跃迁引起的光吸收带和吸收边发生红移[5]。1. 2. 4 浓度猝灭
例如:纳米Y 2O 3:Eu 3+(20nm ) 中Eu 3+的临界浓
3+
度为8m ol%, 比微米Y 2O 3:Eu 的激活剂临界浓度
3+
高, 此现象说明纳米Y 2O 3:Eu 颗粒间大的界面降低了能量传递速率, 减少了传递给猝灭中心的能量。1. 3 纳米稀土发光材料的优点
掺杂稀土离子具有独特的电子结构, 稀土纳米发光材料具有如下特殊的发光特性: 发光性能受外部环境的干扰小; 可吸收或发射从紫外到近红外区范围的各种波长的电磁辐射; 荧光寿命较长, 处于从纳秒到毫秒级的范围; 大多发射光谱呈线
:08-18
, :
2011年第20期 晏顺根 探讨稀土在纳米发光材料中的应用状且温度猝灭小; 物理、化学性质比较稳定。2 稀土在纳米发光材料中的主要应用
在实际应用上, 掺稀土纳米发光材料可广泛应用于显示、发光、光信息传递、太阳能光X 射线影像、电转换、激光、闪烁体等领域。其主要应用如下所述:2. 1 显示用
主要应用于:电视机、示波器、雷达及计算机等各类荧光屏和显示器。例如:稀土红色荧光粉Y 2O 3:Eu 和Y 2O 3S :Eu 可用于彩色电视机荧光屏, 使彩电的亮度更高。红色荧光粉是利用Eu 3+作为激活剂, Y 2O 3S 等为基体, 其质量决定了彩色电视和稀土三基色节能灯的质量, 但Y 、Eu 价格昂贵。由于纳米荧光粉的比表面积增大, 发光颗粒数增加, 从而可减少稀土三基色荧光粉的用量, 降低成本。将粒径小于40nm 的稀土纳米氧化物涂在投影屏上, 可增大视场角到接近180°, 视屏清晰且亮度不减, 颜色鲜艳, 可应用于背投彩电显示屏。2. 2 发光用
例如:纳米CeO 2有宽带强吸收能力, 却几乎不吸收可见光。因此, 在玻璃中掺入纳米CeO 2可使玻璃在具有防紫外线功能的同时不影响其透光性。此外, 纳米CeO 2还常用于吸收荧光灯管中185nm 的短
[6]
波紫外线, 以提高灯管寿命。2. 3 激光用
例如:纳米Nd 2O 3在可见光范围内具有丰富的吸收响应, 可应用于YAG:Nd(Y 3A 15O 12:Nd 3+) 激光器。纳米Nd 2O 3的光学特性使YAG:Nd 激光器具有较大的受激辐射面积, 激发效率高, 输出功率大。2. 4 医疗用
高显色指数的LED 及体积很小的微片式LED 将开辟一个LED 在医疗器械方面的应用领域。目前, 日本已投资研制出体积很小的内窥镜、医生照明用的头灯和无影手术灯等器械。此外, 通过对纳米级荧光粉的研究发现, 2～10nm 的发光粒子非常小, 用它制成的荧光粉层是一种透明、非散射的发光层, 可用来研制电致发光和可塑性光源。所以, 在医学光学成像方面, 这种荧光粉将是一种非常有发展潜力的发光材料。
3 稀土纳米发光材料的未来发展趋势
如上所述, 近年来稀土纳米发光材料日益受到人们的重视, 并已被应用于许多高科技功能材料, 具有广阔的应用前景, 其未来发展趋势可概括为以下几方面:
3. 1 理论发展
各制备方法都有其自身的优缺点, 所以多种制备方法的复合是未来合成掺稀土纳米发光材料的发展方向之一。
材料的重要结构特性是纳米材料的表面效应, 23
行深层次的探索。
要进一步探索颗粒尺寸对光学性能的影响, 微结构变化与荧光特性、掺杂离子类别、基质材料的组态等。
必须解决如何提高纳米发光材料的稳定性及发光亮度问题。3. 2 应用发展
纳米量级的荧光粉颗粒能够改善阴极射线管(CRT ) 及彩色等离子显示器(PDP ) 涂屏的均匀性, 可以提高显示清晰度。
与传统的FED 荧光体相比, 场发射器件(FED ) 用的纳米级荧光粉具有小尺寸, 可以被低压电子完全渗透, 可以使材料得以有效应用。
纳米荧光粉的比表面积增大, 发光颗粒数增加, 能够减少稀土三基色荧光粉的用量, 降低成本, 可作为照明灯和显示器涂屏的首选材料。
在制备掺杂稀土离子纳米材料的同时, 也为研究透明复合材料开辟了新途径, 纳米粒子的光散射小, 可埋在无定型透明基质中, 未来可以在激光和放大器上获得应用。4 结论
稀土纳米发光材料是一类具有广泛应用前景的材料, 随着研究的深入, 此类纳米材料在未来也将得到更广泛的应用, 势必会引起材料工业的发展与变革。我国是稀土资源大国, 随着稀土纳米材料的开发和研究, 稀土的应用范围必将在其他领域得到推广。因此, 对我国而言, 充分利用我国稀土资源的优势, 大力开展纳米稀土发光材料的研究与应用开发, 并结合纳米技术研制出创新性稀土发光新材料是一种机遇和挑战。
[参考文献]
[1] 张希艳, 卢利平等. 稀土发光材料[M ].北京:
国防工业出版社, 2005. 1～6.
[2] 邱关明, 耿秀娟等. 中国稀土学报, 2003, 21
(2) :109～114.
[3] 李强, 高派等. 稀土化合物纳米荧光材料研究
的新进展[J ].无机材料学报, 2001, 16(l ) :17-22.
[4] 谢平波, 张慰萍等. 纳米Zn 2SIO 4, :M n 薄膜的
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[5] 年关明, 耿秀娟等. 纳米稀土发光材料的光学
特性及软化学制备[J ].中国稀土学报, 2003, 21(2) :109～114.
[6] 邱关明, 耿秀娟等. 纳米稀土发光材料的光学
特性及软化学制备[J ].中国稀土学报, 2003, (21) , 109～113.