稀土螢光粉是指在外界能量激發(fā)下能發(fā)螢光的含稀土元素的無機粉末材料,主要用來製造彩色顯像管和螢光燈。那其發(fā)光機理是怎樣的呢?
對於稀土發(fā)光材料而言重要的是稀土離子。稀土元素的外層電子結構為4f0-145d0-16s2,其4f殼層電子的能量低於5d殼層電子而高於6s殼層電子的能量,因而出現(xiàn)能級交錯現(xiàn)象。
稀土離子在化合物中通常失去兩個6s電子和一個4f電子而呈三價狀態(tài)。三價稀土離子在晶體中的電子躍遷有以下三種情況:
(1)由於稀土離子含有特殊的4f電子組態(tài)能級,當其受到激發(fā)時,4f電子可以在不同能級間產(chǎn)生激發(fā)躍遷,當其退激發(fā)時,躍遷至不同能級的激發(fā)態(tài)電子又回到原來的4f電子組能態(tài),從而產(chǎn)生發(fā)光光譜,即4f-4f和4f-5d之間的相互躍遷。其中f-f躍遷是宇稱禁戒的。但實際上可以觀察到這些躍遷產(chǎn)生的光譜,這是由於在基質(zhì)晶格內(nèi)晶體環(huán)境的影響,這種禁戒會被部分解除或完全解除,使電子躍遷有可能實現(xiàn)。?
(2)由於4f殼層電子被5s25p6殼層的8個電子包圍,4f能級受外層電子軌道的遮罩,使f-f躍遷的光譜受外界晶體場影響較小,譜線表現(xiàn)為尖銳的吸收峰。f-d躍遷是因為4f激發(fā)態(tài)能級的下限高於5d能級的下限而使電子躍遷到較高的5d能級而產(chǎn)生的電子躍遷。根據(jù)光譜選擇定則,f-d電子躍遷是允許躍遷,吸收強度比f-f躍遷大四個數(shù)量級。由於d電子因裸露在離子表面,其能級分裂受到外在晶體場強烈影響,因而其電子躍遷往往表現(xiàn)為一定的寬頻吸收峰。
在稀土離子中,Ce3+,?Tb3+,?Pr3+,?Eu3+和Eu2+都存在5d能級,其中Tb3+,Pr3+,Eu3+的5d能級位置較高,難以實現(xiàn)f-d躍遷,Ce3+和Eu2+則由於5d能級位相對較低,因而可觀察到由f-d躍遷所引起的寬頻發(fā)射光譜。
(3)稀土離子和相鄰陰離子間的電荷轉(zhuǎn)移躍遷,這類躍遷的特性在很大程度上也取決於環(huán)境的影響。稀土離子發(fā)生f-d躍遷還是電荷轉(zhuǎn)移躍遷取決於該離子產(chǎn)生躍遷時所需要吸收的激發(fā)能的高低。
發(fā)光材料之所以具有發(fā)光性能是因為合成過程中材料基質(zhì)晶格中存在結構缺陷。由於發(fā)光材料基質(zhì)的熱歧化作用出現(xiàn)的結構缺陷所引起的發(fā)光叫做非啟動發(fā)光(或叫自啟動發(fā)光),產(chǎn)生這種發(fā)光不需要添加啟動雜質(zhì)。在高溫下向基質(zhì)中摻入啟動劑出現(xiàn)雜質(zhì)缺陷,由這種缺陷引起的發(fā)光叫啟動發(fā)光。大部分發(fā)光材料都是屬於啟動型的,啟動雜質(zhì)即充當發(fā)光中心。