稀土發(fā)光材料

1、1：2008年12月8日，周一，4-5節(jié)(10:35-12:00)，10-11節(jié)(16:10-17:35) 珠海校區(qū)D201課室：2 1. 對(duì)發(fā)光現(xiàn)象的基本認(rèn)識(shí)對(duì)發(fā)光現(xiàn)象的基本認(rèn)識(shí) 1.1 “發(fā)出光”的現(xiàn)象 1.2 什么是發(fā)光 1.3 發(fā)光的分類(lèi) 1.4光的頻率、能量、波長(zhǎng)和顏色 2. 稀土稀土 2.1 什么是稀土 2.2 電子結(jié)構(gòu)和特征氧化數(shù)3 2.3 稀土資源 2.4 我國(guó)的稀土資源 3.稀土發(fā)光材料稀土發(fā)光材料 3.1 基質(zhì)和激活劑 3.2 合成方法 3.3 稀土發(fā)光的基本過(guò)程 3.4 激發(fā)光譜和發(fā)射光譜 4. 稀土發(fā)光材料一些的應(yīng)用稀土發(fā)光材料一些的應(yīng)用 4.1 在照明方面的應(yīng)用4 4

2、.2 在信息顯示方面的應(yīng)用 4.3 在射線探測(cè)方面的應(yīng)用 4.4 稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料 3.5 激光和光纖放大器等 結(jié)語(yǔ)結(jié)語(yǔ)5 提到發(fā)光，人們總以為光的主要特征是明亮，只要看見(jiàn)亮光就認(rèn)為是發(fā)光。 兩個(gè)和人類(lèi)生活密切相關(guān)的“發(fā)出光”現(xiàn)象的例子： （1）：從隧陽(yáng)氏發(fā)明鉆木取火，到后來(lái)發(fā)展出油燈、蠟燭等，有了火就有了光。漢字中的“光”字，就是由一個(gè)“人”觀看一堆“火”的象形圖畫(huà)演化來(lái)的。6 （2）：1879年10月21日，愛(ài)迪生成功地發(fā)明了世界上第一只電燈泡(白熾燈)，開(kāi)始了以加熱代替燃燒產(chǎn)生光的技術(shù)。當(dāng)時(shí)愛(ài)迪生使用碳絲作為光源的發(fā)光體，明亮現(xiàn)象由受熱的碳絲產(chǎn)生，這種白熾燈壽命很短，只點(diǎn)燃了幾十小時(shí)，

3、發(fā)光效率也很低，只有1.4流明每瓦(lm/W)。發(fā)展至今天，雖然改用鎢絲代替了碳絲作為白熾燈光源的發(fā)光體，但制成的白熾燈的發(fā)光效率仍是很低的，約十幾個(gè)流明每瓦。 7 解釋發(fā)光效率：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)定名為“光視效能”。(1) 光源在單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)出的光量稱(chēng)為光源的光通量，單位是流明，符號(hào)為lm。(2) 為了表示發(fā)光效率，用每消耗1瓦功率可發(fā)出的光通量(流明數(shù))表示。 以上兩類(lèi)明亮現(xiàn)象的產(chǎn)生，都是靠燃燒或者加熱使物體溫度升高發(fā)出光來(lái)。但這兩種現(xiàn)象并不是“發(fā)光”。 8 物體上發(fā)出的光，可以分為兩類(lèi)： （1）平衡輻射：這時(shí)物體向外輻射的能量與物體的溫度相適應(yīng)。這種輻射的顏色及強(qiáng)度因物體性質(zhì)及溫度而變。例如，在

4、爐中加熱烙鐵，燒熱后它的顏色就由黑變紅。鋼鐵工人要了解己熔鋼鐵的溫度所用的儀器，是從熔融鋼鐵的光色來(lái)判斷的。這類(lèi)平衡輻射是熱輻射，而不是“發(fā)光”。9 （2）非平衡輻射：它既包括發(fā)光又包括其它，如反射等。 當(dāng)某種物質(zhì)受到諸如光的照射、外加電場(chǎng)或電子束轟擊等后，只要該物質(zhì)沒(méi)有因此發(fā)生化學(xué)變化，總要回到原來(lái)的平衡狀態(tài)，在這個(gè)過(guò)程中多余的能量以熱或光的形式釋放出來(lái)。如果這部分能量是以可見(jiàn)光或近可見(jiàn)光等電磁波形式發(fā)射出來(lái)，這種現(xiàn)象就是。 10：發(fā)光是一種非平衡輻射，它與其它類(lèi)型非平衡輻射的主要區(qū)別是“發(fā)光”具有弛豫時(shí)間。這是“發(fā)光”的最重要的特點(diǎn)。其它非平衡輻射則沒(méi)有這點(diǎn)弛豫時(shí)間。發(fā)光在這段馳豫時(shí)間內(nèi)可

5、能發(fā)生各種過(guò)程，在馳豫時(shí)間也可能喪失發(fā)光本領(lǐng)，稱(chēng)為猝滅。11 根據(jù)被激發(fā)的方式不同，發(fā)光主要有： 光致發(fā)光 (photo-luminescence) 電致發(fā)光 (electro-luminescence) 陰極射線發(fā)光 (cathode-luminescence) X射線及高能粒子發(fā)光(包括X射線、射線、粒子和粒子等高能粒子激發(fā)下的發(fā)光)閃爍材料 化學(xué)發(fā)光及生物發(fā)光等12 光是一種電磁波。光的能量E、波長(zhǎng)及頻率之間符合下式所示的電磁波在真空中的一般關(guān)系： E = h =hc/ 光的波長(zhǎng)和速度都反比于介質(zhì)的折射率，隨介質(zhì)不同而改變。但頻率不因所通過(guò)的介質(zhì)不同而改變。顯然，在真空中，當(dāng)光的頻率一定

6、時(shí)，波長(zhǎng)也就確定了。所以，一般情況下所說(shuō)的某個(gè)波長(zhǎng)的光是什么顏色是針對(duì)真空而言的。13 光的顏色對(duì)應(yīng)于其頻率（能量），即一定頻率的光有一定的顏色。光的顏色是人眼對(duì)具有不同頻率的光的視覺(jué)生理反應(yīng)的結(jié)果。不同光色的光可以反映在(Commission Internationale de lEclairage, International Commission on Illumination，CIE)上。1415 色度圖中的每個(gè)點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一個(gè)一定的坐標(biāo)，我們稱(chēng)這個(gè)坐標(biāo)為這種光的。每個(gè)特定光色的光都對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的色坐標(biāo)值；反過(guò)來(lái)，每個(gè)確定的色坐標(biāo)都對(duì)應(yīng)一個(gè)特定光色的光。 16 在元素周期表的IIIB族，從

7、上到下依次是ScYLn。 Ln稱(chēng)為鑭系，包括下列15個(gè)元素：La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu17 可以把這17個(gè)元素總稱(chēng)為稀土元素(rare earth，RE)。稀土元素最初是從瑞典產(chǎn)的比較稀少的礦物中發(fā)現(xiàn)的，“土”是按當(dāng)時(shí)的習(xí)慣，稱(chēng)不溶于水的物質(zhì)，故稱(chēng)稀土。 根據(jù)稀土元素原子電子層結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)，以及它們?cè)诘V物中共生情況和不同的離子半徑可產(chǎn)生不同性質(zhì)的特征，十七種稀土元素通常分為二組：18 輕稀土（又稱(chēng)）包括：鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、釓。 重稀土（又稱(chēng)）包括：鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥、鈧、釔。 稱(chēng)鈰組或釔組，是因?yàn)榈V物經(jīng)分離得

8、到的稀土混合物中，常以鈰或釔占優(yōu)勢(shì)而得名。 19 Sc：第4周期，原子序數(shù)2+8+8+321，價(jià)電子結(jié)構(gòu)3d14s2。 Y：第5周期，原子序數(shù)21+1839，價(jià)電子結(jié)構(gòu)4d15s2。 La：第6周期，原子序數(shù)39+1857，價(jià)電子結(jié)構(gòu)5d16s2。20 特征氧化數(shù)：+3。 常見(jiàn)氧化態(tài)： +2如Eu2+(4f7)、Yb2+(4f14)、Sm2+(4f6)、Tm2+(4f13)等， +4如Ce4+(4f0)、Tb4+(4f7)、Pr4+(4f1)等 穩(wěn)定氧化物CeO2、Pr6O11、Tb4O7、其它RE2O3。 稀土元素是典型的金屬元素。它們的金屬活潑性?xún)H次于堿金屬和堿土金屬元素，而比其他金屬元素

9、活潑。21 現(xiàn)在用于工業(yè)提取稀土元素的礦物主要有四種氟碳鈰礦、獨(dú)居石礦、磷釔礦和風(fēng)化殼淋積(離子吸附)型礦，前三種礦占西方稀土產(chǎn)量的95%以上。獨(dú)居石和氟碳鈰礦中，輕稀土含量較高。磷釔礦中，重稀土和釔含量較高，但礦源比獨(dú)居石少。22 獨(dú)居石(Monazite), 又名磷鈰鑭礦。主要化學(xué)成分：(Ce,La,Y,Th)PO4。 氟碳鈰礦(Bastnaesite), 主要化學(xué)成分：(Ce，La)CO3F。 磷釔礦(Xenotime), 主要化學(xué)成分：YPO4。23 風(fēng)化殼淋積型稀土礦(Ion absorption deposit), 即離子吸附型稀土礦，是我國(guó)特有的新型稀土礦物。所謂“離子吸附”系稀

10、土元素不以化合物的形式存在，而是呈離子狀態(tài)吸附于粘土礦物中。這些稀土易為強(qiáng)電解質(zhì)交換而轉(zhuǎn)入溶液，不需要破碎、選礦等工藝過(guò)程，而是直接浸取即可獲得混合稀土氧化物。離子吸附型稀土礦，主要分布在我國(guó)江西、廣東、湖南、廣西、福建等地。24 稀土元素在地殼中豐度并不稀少，只是分散而已。因此，雖然稀土的絕對(duì)量很大，但就目前為止能真正成為可開(kāi)采的稀土礦并不多，而且在世界上分布極不均勻，主要集中在中國(guó)、美國(guó)、印度、前蘇聯(lián)、南非、澳大利亞、加拿大、埃及等幾個(gè)國(guó)家，其中中國(guó)的占有率最高。 25 中國(guó)占世界稀土資源的41.36%，是一個(gè)名副其實(shí)的稀土資源大國(guó)。稀土資源極為豐富，分布也極其合理，這為中國(guó)稀土工業(yè)的發(fā)展

11、奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 主要稀土礦有白云鄂博稀土礦、山東微山稀土礦、四川冕寧稀土礦、江西風(fēng)化殼淋積型稀土礦、湖南褐釔鈮礦和漫長(zhǎng)海岸線上的海濱砂礦等等。 26 白云鄂博稀土礦與鐵共生，主要稀土礦物有氟碳鈰礦和獨(dú)居石，其比例為3:1，都達(dá)到了稀土回收品位，故稱(chēng)混合礦，稀土總儲(chǔ)量為3500萬(wàn)噸，約占世界儲(chǔ)量的38%，堪稱(chēng)為世界第一大稀土礦。 微山稀土礦和冕寧稀土礦是以氟碳鈰礦為主，伴生有重晶石等，是組成相對(duì)簡(jiǎn)單的一類(lèi)易選的稀土礦。 27 贛南和粵北一帶的風(fēng)化殼淋積型稀土礦是一種新型稀土礦種，它的選冶相對(duì)較簡(jiǎn)單，且含中重稀土較高，是一類(lèi)很有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的稀土礦。 中國(guó)的海濱砂也極為豐富，在整個(gè)南海的海岸線及

12、海南島、臺(tái)灣島的海岸線可稱(chēng)為海濱砂存積的黃金海岸，有近代沉積砂礦和古砂礦，其中獨(dú)居石和磷釔礦是處理海濱砂回收鈦鐵礦和鋯英石時(shí)作為副產(chǎn)品加以回收。 總之中國(guó)的稀土資源儲(chǔ)量大，礦種和稀土元素齊全，稀土品位高，礦點(diǎn)分布合理等。28 以BaMgAl10O17:Eu2+(簡(jiǎn)稱(chēng)BAM)為例，介紹“基質(zhì)”和“激活劑”的概念。 在發(fā)光材料BaMgAl10O17:Eu2+中，我們把BaMgAl10O17叫做“基質(zhì)”，Eu2+離子叫做“激活劑”。表示式BaMgAl10O17:Eu2+代表在基質(zhì)BaMgAl10O17中摻雜有少量激活劑Eu2+離子。29 按照離子電荷和離子半徑相似性考慮，一般認(rèn)為Eu2+離子占據(jù)Ba

13、MgAl10O17中Ba2+離子的晶格位置。其它很多發(fā)光材料也類(lèi)似的由基質(zhì)和激活劑組成，如：在Y2O3:Eu3+中，Y2O3叫做基質(zhì)，Eu3+離子叫做激活劑。基質(zhì)是發(fā)光材料的主體化合物，大多數(shù)基質(zhì)化合物本身并不發(fā)光或者發(fā)光很弱。摻雜在基質(zhì)化合物中的激活劑是發(fā)光中心，一般含量很低(但也有例外，如NdP5O14等)。 30 合成熒光粉的最重要方法是高溫固相反應(yīng)。制備過(guò)程基本包括原料的制備和提純、配料、高溫反應(yīng)、后處理等階段。 制備發(fā)光材料的原料應(yīng)有很高的純度，以稀土離子為激活劑的稀土發(fā)光材料，稀土原料純度通常要求在99.99 %以上。因?yàn)榧词故菢O少量的雜質(zhì)也可能明顯影響材料的發(fā)光性能。 31 在配

14、料過(guò)程中，首先要精確稱(chēng)量出按照發(fā)光材料的化學(xué)式計(jì)算出的各種原料及添加的助熔劑、還原劑或疏松劑等，然后把這些原料混和研磨均勻。高溫反應(yīng)是在一定(如：還原，惰性等)氣氛中、在一定溫度下加熱一定時(shí)間，使原料組分間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成基質(zhì)多晶體(粉末)，并使摻雜離子進(jìn)入基質(zhì)晶格的過(guò)程。32 高溫反應(yīng)直接影響著材料的發(fā)光性能，制備不同材料的反應(yīng)溫度、時(shí)間、氣氛不同，如制備BAM的反應(yīng)一般要在12001500 下的還原氣氛中加熱至少1小時(shí)。通過(guò)高溫反應(yīng)制備的發(fā)光材料一般還需進(jìn)行后處理，如研磨、過(guò)篩(篩選一定粒度范圍的熒光粉)、洗粉(洗去熒光粉中的助熔劑、雜質(zhì)、雜相等)、包裹(在發(fā)光材料表面上包敷保護(hù)膜)等工藝

15、。33 除高溫固相反應(yīng)法外，發(fā)光材料也可以用水熱法、微波法、燃燒法及軟化學(xué)法如溶膠凝膠法、共沉淀法等方法合成。 常用的無(wú)機(jī)固體發(fā)光材料除多晶粉末外，還有(單)晶體發(fā)光材料、玻璃和陶瓷等非晶態(tài)發(fā)光材料以及薄膜發(fā)光材料。 晶體發(fā)光材料通常要利用提拉法（Czochralski法）、坩堝下降法（Bridgman-Stockbarger法）等晶體生長(zhǎng)方法制備，晶體材料是研究工作的理想對(duì)象，用它得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果容易用理論解釋?zhuān)w發(fā)光材料在如激光等器件中有廣泛的應(yīng)用。 34 非晶體是一類(lèi)歷史悠久的固體材料。非晶體與晶體有兩個(gè)最基本的區(qū)別：晶體中的原子排列呈現(xiàn)長(zhǎng)程有序，非晶體只是在很小的范圍內(nèi)表現(xiàn)為短程有序。

16、晶體是熱力學(xué)上的穩(wěn)定相，非晶體是熱力學(xué)上的亞穩(wěn)相。由于玻璃等非晶體發(fā)光材料有均勻透光、比單晶體容易制備等優(yōu)點(diǎn)，在激光材料和上轉(zhuǎn)換材料等方面已經(jīng)獲得應(yīng)用。 35 發(fā)光薄膜有三種類(lèi)型：?jiǎn)尉П∧?、發(fā)光粉混入介質(zhì)形成的薄膜、非晶及多晶薄膜。制備薄膜的方法有金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積（metal-organic chemical vapor deposition, 簡(jiǎn)稱(chēng)MOCVD）、分子束外延(molecular beam epitaxy, 簡(jiǎn)稱(chēng)MBE)、熱蒸發(fā)、濺射等。在發(fā)光薄膜的應(yīng)用方面，如果電致發(fā)光材料太厚，所需的電壓就太高，薄膜發(fā)光材料顯然有利于在電致發(fā)光材料方面應(yīng)用；此外，粉末發(fā)光材料用于X射線存儲(chǔ)

17、屏?xí)r，一般也都需要做成薄膜。 36 稀土發(fā)光主要是稀土離子的4f及5d軌道上電子躍遷的結(jié)果。主要有以下幾種類(lèi)型： 4f殼層內(nèi)的電子躍遷（4f4f躍遷） 4f殼層與5d殼層間的電子躍遷（4f5d躍遷） 配位原子向稀土離子轉(zhuǎn)移電子的電荷轉(zhuǎn)移（charge transfer，CT）躍遷37 要了解材料的發(fā)光性能，必須進(jìn)行光譜測(cè)量。光致發(fā)光性能最基本的測(cè)量是發(fā)射光譜和激發(fā)光譜。 發(fā)射光譜(emission spectrum)直接給出了在某一特定能量(頻率、波長(zhǎng))或某一能量范圍的光激發(fā)(照射)下，材料發(fā)出的光的強(qiáng)度隨其能量的變化。 38 如下圖為PDP器件使用的BAM在147和172 nm的真空紫外光激

18、發(fā)下的發(fā)射光譜。350400450500550600650ex = 172 nmRelative intensity (a.u.)Wavelength (nm)ex = 147 nm 39 這兩條光譜曲線反映的是用147和172 nm的單色真空紫外光照射BAM時(shí)，BAM所發(fā)出的光的光譜。從圖可見(jiàn)，在約400 nm前和約550 nm以后，幾乎看不到BAM的發(fā)射。從約400 nm開(kāi)始，BAM的發(fā)射強(qiáng)度隨波長(zhǎng)增大增強(qiáng)，在約450 nm處發(fā)射最強(qiáng)，其后，隨波長(zhǎng)增大發(fā)光又減弱。40 正是由于BAM有這樣的發(fā)射光譜，才使得BAM在人眼看上去是藍(lán)色的發(fā)光，所以BAM被用作三基色熒光燈和PDP的藍(lán)光發(fā)射材料。

19、BAM的這個(gè)發(fā)射帶是發(fā)光中心Eu2+離子電子躍遷的結(jié)果，Eu2+離子的電子構(gòu)型為4f7，其最低激發(fā)態(tài)4f65d1和基態(tài)4f7間的電子躍遷(簡(jiǎn)稱(chēng)為4f5d躍遷)導(dǎo)致了中心波長(zhǎng)在大約450 nm的這個(gè)發(fā)射帶。41 在上圖中，我們?cè)?47和172 nm激發(fā)下看到了BAM發(fā)藍(lán)色的光。那么，其它波長(zhǎng)的激發(fā)光是否也可以激發(fā)BAM發(fā)光？其它激發(fā)波長(zhǎng)激發(fā)下材料的發(fā)光強(qiáng)度是不是有變化？什么樣的激發(fā)波長(zhǎng)對(duì)我們?cè)谏蠄D中看到的約450 nm這個(gè)特定發(fā)射是最有效的？要回答這些問(wèn)題，就必須進(jìn)行光致發(fā)光的另一種最基本的測(cè)量：激發(fā)光譜。 42 激發(fā)光譜(excitation spectrum)反映了當(dāng)材料發(fā)射某一特定能量或特

20、定能量范圍的光時(shí)，材料所吸收的光的強(qiáng)度隨能量的變化。如下圖為監(jiān)測(cè)BAM在454 nm的發(fā)射時(shí)，測(cè)定的激發(fā)光譜。43100150200250300350CBAem = 454 nmRelative intensity (a.u.)Wavelength (nm)44 從圖可見(jiàn)，BAM在A、B、C三個(gè)能量范圍有較強(qiáng)的吸收。表明BAM可以被這些能量的光子有效激發(fā)。B、C兩個(gè)激發(fā)帶相應(yīng)于Eu2+離子的電子從基態(tài)4f7躍遷到不同激發(fā)態(tài)4f65d1時(shí)(4f 5d躍遷)吸收的能量。45 在稀土發(fā)光材料中，除f d躍遷外，常見(jiàn)的還有4f能級(jí)內(nèi)的4f 4f躍遷和配體原子向稀土離子轉(zhuǎn)移電荷的電荷轉(zhuǎn)移（charge

21、transfer，簡(jiǎn)稱(chēng)CT）躍遷等。下圖給出的(Y,Gd)BO3:Eu3+激發(fā)光譜和發(fā)射光譜就包含4f 4f躍遷和CT躍遷。 46100150200250300350400450500550600650700750Relative intensity (arb. units)Wavelength (nm)47 在上圖的激發(fā)光譜中，中心波長(zhǎng)215 nm的吸收帶源于配體O2-向發(fā)光中心Eu3+轉(zhuǎn)移電子的CT躍遷，我們稱(chēng)這個(gè)吸收帶為在(Y,Gd)BO3:Eu3+中的Eu3+-O2-電荷轉(zhuǎn)移帶（charge transfer band，簡(jiǎn)稱(chēng)CTB）。 位于274 nm附近的線狀吸收則屬于Gd3+離子4

22、f能級(jí)內(nèi)的f f躍遷。在發(fā)射光譜上，位于591 nm，610 nm和626 nm的這一組發(fā)射線是Eu3+離子的f f躍遷發(fā)射。 48 隨著能源危機(jī)的出現(xiàn)，節(jié)能已成為需要迫切解決的問(wèn)題。 1971年，有人提出了利用發(fā)射窄帶的波長(zhǎng)峰值分別為450，550和610 nm的、和三種基色混合，可以制得高光效、高顯色性的熒光燈。49 由于稀土中的二價(jià)銪(Eu2+)、三價(jià)鋱(Tb3+)和三價(jià)銪(Eu3+)發(fā)射的藍(lán)、綠和紅光正好符合上述的要求，在1974年就研制成節(jié)能的稀土三基色燈。目前，利用摻二價(jià)銪(Eu2+)的多鋁酸鹽(如BaMgAl10O17:Eu2+)發(fā)射的藍(lán)光，摻三價(jià)鋱Tb3+的多鋁酸鹽(如CeMg

23、Al11O19:Tb3+)發(fā)射的綠光和摻三價(jià)銪的氧化釔(Y2O3:Eu3+)發(fā)射的紅光制成的稀土三基色燈，發(fā)光效率可提高至80流明每瓦，顯色指數(shù)解釋也高于普通的鹵磷酸鹽熒光燈，可大于80。一支11瓦的稀土三基色熒光燈的發(fā)光效率相當(dāng)于一支60瓦的白熾燈，節(jié)能效果是很明顯的。50 我國(guó)的照明用電約1146億千瓦時(shí)(kWh)，占全國(guó)發(fā)電量10070億千瓦時(shí)(kWh)的11.38 %，如用節(jié)能燈取代全國(guó)15億只40瓦的白熾燈，以節(jié)能4/5計(jì)算，就可節(jié)能384億千瓦時(shí)，相當(dāng)于可少建5個(gè)以上裝機(jī)容量100萬(wàn)千瓦的核發(fā)電站或火力發(fā)電站，因而可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1536萬(wàn)噸，減少3170萬(wàn)噸二氧化碳和43萬(wàn)噸二氧化硫

24、的排放，大大減少對(duì)環(huán)境的污染。目前，稀土節(jié)能燈已在我國(guó)的商場(chǎng)、賓館和家庭廣泛使用。 51 解釋顯色指數(shù)是把日光作為標(biāo)準(zhǔn)的參照光源，認(rèn)為在日光下物體的顏色是真實(shí)的顏色，顯色指數(shù)為100，用它去衡量物體在其他光源照射下顏色失真的程度。例如，白熾燈的顯色指數(shù)為95100，表示物體在白熾燈照射下的失真程度很小，顯示的顏色跟在日光下所看到的接近。 52 利用稀土還可以制成顯色指數(shù)很高的熒光燈，用于需要高顯色性照明的地方(如在紡織和畫(huà)展等場(chǎng)合)，使人物在燈光照耀下所呈現(xiàn)的顏色類(lèi)似于在日光下的顏色。為此目的，可在鹵磷酸鈣Ca5(PO4)3(Cl,F):Sb3+,Mn2+的熒光粉中加入摻Tb3+和Mn2+的五

25、硼酸鹽(Ce,Gd)MgB5O10: Tb3+,Mn2+作為發(fā)綠光的熒光粉，用摻Mn2+的五硼酸鹽(Ce,Gd)MgB5O10:Mn2+作為發(fā)紅光的熒光粉，用摻Eu2+的鋁酸鹽Sr4Al14O25:Eu2+作為發(fā)藍(lán)光的熒光粉。利用這種混合的熒光粉制得的高顯色性的熒光燈，其發(fā)光效率雖只有65流明每瓦，但顯色指數(shù)可高達(dá)95。 53 當(dāng)夜幕降臨的時(shí)候，漫步在馬路上的人們可曾注意到，在馬路兩旁的電燈桿上懸掛著的高壓汞燈把馬路照得通明，人們正沐浴在稀土發(fā)射的光芒之下。高壓汞燈燈泡內(nèi)涂有一層白色的熒光粉，這就是摻銪的釩酸釔(YVO4:Eu3+)。利用它發(fā)射的紅色熒光，可調(diào)整高壓汞燈發(fā)射的光色，改善顯色性，

26、減少人物被照射時(shí)呈現(xiàn)青紫色而失真的現(xiàn)象。54 人在一生中很長(zhǎng)的時(shí)間是生活在黑暗的夜晚，多么希望在黑暗中能看到發(fā)光的物體，不再是漆黑一團(tuán)。居里夫人發(fā)現(xiàn)了鐳以后，曾利用鐳涂于鐘表上作為夜光鐘表。但鐳有很強(qiáng)的放射性，曾使涂表的工人得了放射病，因而后來(lái)停止使用了。在稀土中也可使用钷147Pm作為夜光材料，但也由于它是人工放射性元素，因而也末被廣泛使用。 55 近年，發(fā)現(xiàn)了有些沒(méi)有放射性的稀土可制成夜光粉(例如同時(shí)摻有三價(jià)鏑(Dy)和二價(jià)銪(Eu)的鋁酸鍶SrAl2O4:Eu2+,Dy3+)，它可以把被光照射后所吸收的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，再慢慢地把存儲(chǔ)的能量以發(fā)光的形式釋放出來(lái)(這稱(chēng)為長(zhǎng)余輝發(fā)光材料)，在晚上

27、仍可繼續(xù)發(fā)出可見(jiàn)的光。制成涂料以后，可用于夜光鐘表、儀表、應(yīng)急照明等地方。這些材料沒(méi)有放射性，可以安全使用。它也是一種節(jié)能的光源，它可把燈光或日光發(fā)射的能量存儲(chǔ)起來(lái)，再慢慢釋放出來(lái)，在黑暗中可觀察到它發(fā)光。 56 發(fā)光二極管(Light Emitting Diode; LED)是半導(dǎo)體材料制成的固態(tài)光源，可將電能轉(zhuǎn)換為光。的特點(diǎn)非常明顯，壽命長(zhǎng)、光效高、無(wú)輻射與低功耗。一般人都認(rèn)為，節(jié)能燈可節(jié)能45是偉大的創(chuàng)舉，但比節(jié)能燈還要節(jié)能，這是固體光源更偉大的改革。除此之外，還具有其他優(yōu)勢(shì)，光線質(zhì)量高，基本上無(wú)輻射，屬于典型的綠色照明光源；可靠耐用，維護(hù)費(fèi)用極為低廉等等。57 正因?yàn)榫哂幸陨掀渌腆w光

28、源還無(wú)法匹敵的特點(diǎn)，被越來(lái)越廣泛地用于筆記本電腦和手持式產(chǎn)品照明、汽車(chē)照明、交通指示、室內(nèi)和室外移動(dòng)照明等各種場(chǎng)合，甚至有取代傳統(tǒng)的白熾燈類(lèi)產(chǎn)品的趨勢(shì)。 年后將可能是照明行業(yè)的主流光源。5859 目前，發(fā)射白光的LED產(chǎn)品，基本上是由藍(lán)光LED芯片和可被藍(lán)光激發(fā)的黃光熒光粉組成的。一部分藍(lán)光被熒光粉吸收，激發(fā)熒光粉發(fā)射黃光。發(fā)射的黃光和剩余的藍(lán)光混合，調(diào)控它們的強(qiáng)度比即可得到各種色溫的白光。 最 常 用 的 黃 光 熒 光 粉 是 YA G : C e（Y3Al5O12:Ce3+ ）。60 現(xiàn)在，彩色電視已稱(chēng)為居家生活必不可少的家用電器。在彩色電視的熒光屏上觀察到的五彩繽紛的顏色是由紅、綠、藍(lán)

29、三種基色組成的。20世紀(jì)60年代中期，發(fā)現(xiàn)摻Eu3+的硫氧化釔(Y2O2S:Eu3+)在陰極射線激發(fā)下發(fā)射出譜線窄、亮度高而鮮艷的紅色熒光，很適合用作彩色電視中的紅色熒光粉，目前已大量生產(chǎn)使用。61 隨著大屏幕彩色投影電視的出現(xiàn)，不僅是發(fā)射紅光的熒光粉需要使用稀土(如摻Eu3+的氧化釔Y2O3:Eu3+)，發(fā)射綠光的熒光粉也需要使用稀土，如摻Tb3+的釔鋁石榴石或釔鋁鎵石榴石Y3Al5O12:Tb3+或Y3(Al,Ga)5O12:Tb3+，摻Tb3+的正硅酸釔(Y2SiO5:Tb3 +)或摻Tb3 +的硼酸銦(InBO3:Tb3+)等。 62 在商品化的PDP 器件中，紅色發(fā)射多通過(guò)稀土熒光粉

30、摻三價(jià) 銪 的 硼 酸 釔 釓(Y,Gd)BO3:Eu3+實(shí)現(xiàn)，綠色熒光粉多為摻二價(jià)錳的硅酸鋅Zn2SiO4:Mn2+（ZSM），藍(lán)色熒光粉多為摻二價(jià)銪的多鋁酸鎂鋇BaMgAl10O17:Eu2+ （BAM）等。 6364 稀土離子還可以被X射線等高能射線和粒子激發(fā)而發(fā)光。如利用Eu2+等稀土離子被X射線激發(fā)后產(chǎn)生的藍(lán)光(如摻二價(jià)銪的氟氯化鋇BaFCl:Eu2+)，跟使用對(duì)藍(lán)光敏感的X射線照相膠片相配合；或利用三價(jià)鋱Tb3+被X射線激發(fā)后 產(chǎn) 生 的 綠 光 ( 如 摻 三 價(jià) 鋱 的 硫 氧 化 釓Gd2O2S:Tb3+)，跟使用對(duì)綠光敏感的X射線照相膠片相配合，可制成X射線增感屏?，F(xiàn)已廣泛

31、用于醫(yī)院的X射線透視中。 65 近年，又利用摻二價(jià) 銪 的 氟 氯 化 鋇BaFCl:Eu2+等材料制成圖像板，把X射線照射后所得的圖像存儲(chǔ)起來(lái)，當(dāng)用氦氖激光器發(fā)出的紅光(632.8納米)照射時(shí)，又可把存儲(chǔ)的圖像顯示出來(lái)(這稱(chēng)為光激勵(lì)發(fā)光材料)，不需使用膠片?，F(xiàn)已制成計(jì)算機(jī)控制的層析X射線成像儀(CT)，并在醫(yī)院中使用。 66 為 了 探 測(cè) X 射 線 ， 也 可 使 用Gd2O2S:Ce3+,Pr3+,F-等作為固體探測(cè)器。利用這些X射線激發(fā)發(fā)光的材料，可減少X射線的使用劑量及其對(duì)人體的損害，并可獲得清晰的圖像，從而可提高對(duì)疾病的探測(cè)和診斷能力。而且，利用這種技術(shù)，不需利用顯影和定影等化學(xué)

32、試劑處理膠片，獲得的圖像可用計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、調(diào)閱和發(fā)送，從而可在國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)送圖像、調(diào)閱病歷和進(jìn)行遠(yuǎn)程會(huì)診。 67 閃爍材料在高能射線/粒子輻照下，把高能量的X 射線、射線、中子、正電子、放射性粒子等電離輻射轉(zhuǎn)化為閃爍脈沖（可見(jiàn)或紫外）光發(fā)射。閃爍材料在以下領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，是這些領(lǐng)域關(guān)鍵的核心材料： （1）XCT（X-ray computed tomography，X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描成像）、PET（positron emission tomography，正電子發(fā)射斷層掃描成像）、68 相機(jī)、SPECT（single photon emission computed tomography

33、，單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描成像）等醫(yī)療診斷設(shè)備； （2）核放射、高能物理、天體物理研究； （3）機(jī)場(chǎng)、碼頭和海關(guān)的安全檢測(cè)及 （4）工業(yè)生產(chǎn)的無(wú)損檢測(cè)和環(huán)境檢測(cè)等。69 核醫(yī)學(xué)是核技術(shù)與醫(yī)學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，它利用核技術(shù)或加速器來(lái)診斷和治療疾病，或進(jìn)行生物醫(yī)學(xué)研究。XCT、PET 和SPECT 等醫(yī)學(xué)檢測(cè)方法，作為當(dāng)今核醫(yī)學(xué)最尖端技術(shù)的代表，進(jìn)入21 世紀(jì)后更是迅猛發(fā)展。美國(guó)把PET 列為當(dāng)代高科技世界九大明星的榜首。美國(guó)著名核醫(yī)學(xué)家Wagner 教授稱(chēng)PET 是“繼高能物理及基因工程之后20 世紀(jì)第三個(gè)最偉大的成就”。PET 現(xiàn)已成為診斷和指導(dǎo)治療腫瘤、冠心病和腦部疾病這三大威脅人類(lèi)生命的疾病的

34、最優(yōu)手段。由無(wú)機(jī)閃爍晶體組成的探頭是PET 系統(tǒng)中重要的組成部分。70 閃爍材料從一出現(xiàn)就是和核放射性、高能物理相聯(lián)系的。閃爍體NaI:Tl+在20 世紀(jì)70 年代就被用于美國(guó)大加速器SLAC 中探測(cè)粲夸克（Charm Quark）的精確光譜。歐洲核子研究中心CERN 的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC 上的緊湊型子螺旋型探測(cè)器，其內(nèi)層核心電磁量能器ECLA就是由8,2000 多根約25 cm2.5 cm2.5 cm的PbWO4閃爍體組成。71 在安全稽查和反恐方面，利用防恐閃爍材料進(jìn)行探測(cè)，可以在機(jī)場(chǎng)、碼頭、火車(chē)站對(duì)行李、郵件、貨物等不開(kāi)箱便可實(shí)施檢查，實(shí)現(xiàn)爆炸、失火等安全隱患的探測(cè)。在工業(yè)無(wú)損傷檢測(cè)方

35、面，閃爍體也有著潛在而巨大的應(yīng)用前景和市場(chǎng)空間。目前工業(yè)CT 最為集中的應(yīng)用領(lǐng)域是國(guó)防工業(yè)，如對(duì)火箭、槍炮和彈藥的無(wú)損檢測(cè)等；還被應(yīng)用于飛機(jī)螺旋槳、發(fā)動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)葉片、汽缸等的無(wú)損檢測(cè)。在能源領(lǐng)域，利用了閃爍材料的核72 測(cè)井技術(shù)可以迅速準(zhǔn)確地進(jìn)行勘探并反映各個(gè)不同生產(chǎn)油井的情況。另外，閃爍體在核天文學(xué)、核空間物理學(xué)、核考古學(xué)、核地質(zhì)學(xué)以及核測(cè)量學(xué)等領(lǐng)域中也存在著巨大的應(yīng)用潛力。這些領(lǐng)域?qū)?huì)逐步受到人們的重視。而且，隨著核技術(shù)向各行業(yè)的滲透以及其它技術(shù)的迅速發(fā)展，必將給閃爍體的研究和開(kāi)發(fā)帶來(lái)更多的機(jī)遇和更大的市場(chǎng)。73 近年來(lái)應(yīng)用的無(wú)機(jī)閃爍材料，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換的電子躍遷類(lèi)型分類(lèi)，主要有以下幾種類(lèi)

36、型：（1）基于s2sp 躍遷的閃爍材料，典型的s2sp 躍遷的閃爍材料如摻鉈的碘化納NaI:Tl+或碘化銫晶體CsI:Tl+和鍺酸鉍晶體Bi4Ge3O12（BGO）等。（2）鎢酸鹽閃爍材料，系由具有d0 結(jié)構(gòu)的過(guò)渡金屬離子所形成的復(fù)雜離子發(fā)光導(dǎo)致的閃爍材料，如鎢酸鎘晶體CdWO4 等。（3）交叉發(fā)光（cross luminescence）或芯帶價(jià)帶發(fā)光（corevalence luminescence）閃爍材料，如氟化鋇晶體BaF2 等。（4）稀土閃爍材料，如摻鈰的硅酸镥晶體Lu2SiO5:Ce3+（LSO）等。74 稀土閃爍材料主要基于稀土離子的4f5d 躍遷發(fā)射，其中Ce3+閃爍材料尤為重

37、要。由于稀土閃爍材料具有快衰減、高發(fā)光效率、高輻照硬度等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于應(yīng)用上的迫切要求，近年來(lái)已經(jīng)成為閃爍材料研究領(lǐng)域令人注目的焦點(diǎn)。在探索和研究新的閃爍體方面，歐洲核子研究中心的Crystal Clear Collaboration（CCC）小組、美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL）的Derenzo 小組以及荷蘭Delft 工業(yè)大學(xué)的van Eijik 小組等都做了大量出色的工作，令人矚目。75 上面介紹的都是稀土離子吸收了能量高的紫外光，陰極射線或X射線以后，再發(fā)射出能量低的光。除此以外，稀土還具有吸收了幾個(gè)能量低的紅