稀土荧光玻璃和玻璃陶瓷

稀土荧光玻璃和玻璃陶瓷

材化082：莫绿斌指导教师：贺海燕

（陕西科技大学材料科学与工程学院陕西西安710021）

摘要：稀土荧光玻璃是由稀土元素掺杂在玻璃中，并利用稀土离子的光谱性质使基础玻璃

产生可见荧光而形成的。通过对稀土元素电子构型、光谱特征的分析研究,阐述了稀土元素在玻璃陶瓷中的应用。稀土元素自由原子的基态电子组态有两种类型：[Xe]4f n6s2和[Xe]4f n-15d16s2。其中[Xe]=1s12s22p63s23p63d104s24p64d105s25p6。它们未饱和的4f电子，在紫外、可见等高能射线的激发下，从基态跃迁到激发态，然后再从激发态返回到能量较低的能态时，放出辐射能而发出荧光。

关键词：稀土;荧光玻璃；光谱性质

ABSTRACT:Fluorescent rare earth glass is a rare earth doped glass

by rare earth ions doped glass, and using the spectral properties of rare earth ions to produce visible fluorescence-based glass formed. Through the electronic structure of rare earth elements, spectral analysis,this paper it describes the rare earth elements in the glass-ceramic applications. Free rare earth ground state electronic configuration of rare earth atoms, there are two types of:[Xe]4f n6s2和[Xe]4f n-15d16s2 .of them，[Xe]=1s12s22p63s23p63d104s24p64d105s25p6 . They are not un saturated 4f electrons excited from the ground state transition to the excited state in the ultraviolet, visible and other high-energy rays of excitation from the ground state transition to the excited state, then the energy from the excited state returns to a lower energy state and emit radiation and fluoresce.

KEYWORDS:Rare earths;Fluorescent glass; Spectral properties

前言

稀土元素是指化学元素周期表中第三族的一个分组元素,它们包括由原子序数57 到71 的15 个镧系元素。。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) 以及与镧系元素化学性质相似的钪(Sc) 、钇(Y) 共17 个化学元素。我们通常将镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆称为轻稀土元素,铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇称为重稀土元素。我国稀土元素藏量比较丰富,不仅居世界第一位,而且品种齐全。

1、稀土元素的发光原理

原子结构的一般情况是,围绕原子核的电子轨道(电子层) 分为主电子层和亚电子层以及次电子层,它们的排列顺序和电子数如图1 所示。除S 层以外,各亚层之间又有次亚层,在3d 层中就有能级不相等的5个次亚电子层,P 层有3 个,f 层有7 个次亚电子层。

图1 电子层排布图

根据洪特规则,能级上的电子处于全充满、全空或半充满时,都属相对稳定状态。稀土元素具有6S1～2、5d1 - 8 、4f x型电子结构,它们最外层S 和次外层d 层,甚至外数(第3层)f层上均为不充满电子。这些未成对电子不稳定,容易在各层的亚层轨道间发生跃迁,跃迁所需能量从可见光获得。由于不同元素各次亚层间的能量差(ΔE) 是不相等的,吸收的光能也不同,这种对可见光的选择性吸收就是导致颜色形成的根本原因。可见光的波长与颜色的关系见表1。

表1 可见光的波长与颜色的关系

光子能量E = hνf ,h为常数、νf(光振动频率)= 1/λ。稀土元素处于第六周期,即原子核外有6 个电子层。发生跃迁的电子层多在4f 层上,因而跃迁电子不易受邻近离子的影响,故呈色稳定,色调柔和。

Xxx等[]报道到掺Sm3+离子的（列出玻璃系统）玻璃在可见区有3个吸收带，分别处于405nm、475nm和590nm处，它们都很弱，以致使掺Sm3+的玻璃几乎里无色状态或在高浓度下呈浅黄色。吸收光谱中这3个谱带对其发光均有贡献,均可作为激发光源，其中以405nm的紫光为最强的激发光，579nm的荧光为最弱的激发光，它所产生的荧光极微弱，以致可以忽略。在405、480nm光的激发下，钐玻璃可发出564nm 和600nm的荧光，它们分别对应4G5/2→6H5/2跃迁和4G3/2→6H7/2的跃迁。下图（数字表示）是钐玻璃的发射光谱和激发光谱。

（这里要注意：1.引用了哪个参考文献要在[]中注明，需要时列出第一作者的姓；

2.文中按图的编号写，并与图一一对应）

图2 掺Sm3+（列出玻璃系统）玻璃的发射光谱（λ=403nm）

图3 掺Sm3+（列出玻璃系统）玻璃的激发光谱（λ=605nm）

2、稀土荧光玻璃和玻璃陶瓷的玻璃系统

稀土荧光玻璃和玻璃有多种组成系统，作为基质他们的原子排列周期性、缺陷等对荧光的位置和强度等性能有显著地影响。下面介绍几个常见的玻璃系统和一些稀土离子在其中的发光。