稀土离子能级跃迁图知识分享
稀土元素的光谱特征ppt课件
寒假来临，不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ，目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
c.谱带的范围较广 在近紫外、可见光和近红外都能得到
稀土离子的光谱。 Sc,Y,La,Lu三价离子是封闭壳层，从
基态跃迁至激发态所需能量较高，因而 它们在 200-1000nm范围内无吸收，无 色。
在稀土离子可能存在的组态中，4fn是 能量最低的组态，因此在光谱性质的研究 中也是最重要的。
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2.能级图
三价稀土离子的4fn组态能级见下图。各能级均
以光谱支项表示。图中数值是从中性原子或离子的发
4fn→4fn-15d1跃迁强度较大。 摩尔消光系数 Є＝50-800 l/molcm。 稀土离子（III）的4fn → 4fn-15d1
跃迁吸收带一般出现在紫外光区。 并具有以下 特点：
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X103cm-1
24 22
3P2
20
18
16
14 12
10
1G4
8 6
33FF34
3F2
4
3H6
2
3H5
3H4 Pr
4G7/2 4G5/2
5D3 5D2
5D1 5D0
5D3 5D4
6F11/2 6F9/2 6F7/2 6H15/2 6H13/2 6H11/2 6H9/2 6H7/2 6H5/2
稀土金属能级分析.
代表电子运动区域(轨道)的大小和它的总能量的主 要部分。 简称角量子数，代表轨道的形状和轨道角动量（按量 子力学理论，代表电子云的形状）且与电子能量有关 代表轨道在空间的可能取向，或轨道角动量在某一特 氢原子的电子云的概 殊方向（例如磁场方向的)分量（量子力学中代表电 率密度： 子云的伸展方向），因此，也称作磁量子数。 从上向下为主量子数 n = 1, 2, 3，...... s = 1/2 代表自旋角动量，对所有的电子是相同的,不 从左向右为方位角量 能成为区别电子态的参数。 子数 l = 0, 1, 2, ...... 代表自旋的取向，也代表自旋角动量在某一特殊方向 （例如磁场方向）的分量。
钠原子基态：1s22s22p63s1
电子占据轨道
2P 2P 3/2
钠原子激发态：1s22s22p63p1
3/2 1/2 -1/2 -3/2 1/2 -1/2
2P 1/2 2S 2S 1/2
基态：L = 0，S = 1/2 激发态：L = 1，S = 1/2
1/2 -1/2
单个电子的量子数：n, l, ml, ms 跃迁选择定则：l = 1； l = 0， 1 钠D线在磁场中的反常塞曼效应。在外磁场作用下，2 Sm 1/2态能级 原子或离子的量子态（能态）： L, S, J, mJ 2P 态分裂成 分裂成两个子能级，2P 态也分裂成两个子能级，
S = 1; L = 2
作为一个例子，我们考虑在光谱项 J = 3，2 或 1
中的LS耦合。
J 的值作为一个右下标附着在光谱项符号上， 所以 的三个分量是 和 。
总自旋 总轨道 总角动量 总轨道方向 总自旋方向
S s1 s2 , s1 s2 1, ......, s1 s2 L l1 l2 , l1 l2 1, ......, l1 l2 J L S , L S 1, ......, L S M L L, L 1, ......, L M S S , S 1, ......, S ml l , l 1, ......, l ms s, s 1, ......, s j l s, l s 1, ......, l s m j j , j 1, ......, j
稀土元素的能级跃迁和光谱特征
975
360-780 364-652
无色
绿色 微红
Pm3+（4f4) 548-735
Sm3+（4f5) 362-402 Eu3+ （4f6) 375-394 Gd3+ （4f7) 272-275 Eu2+ （4f7) 黄色
粉红
黄 黄 无色 无色
Ho3+ （4f10)
Dy3+ （4f9 ) Tb3+ （4f8) Sm2+ （4f6) Yb2+ （4f14)
元素
吸收范围(nm) 颜色 无
பைடு நூலகம்
元素
吸收范围(nm) 无
颜色 无色
La3+（4f0) 无
Lu3+ （4f14)
Ce3+ （4f1) 210-251
Pr3+ （4f2) 444 -588 Nd3+ （4f3) 354-868
无色
绿色 微红
Yb3+ （4f13)
Tm3+ （4f12) Er3+ （4f11)
c.中心离子与配体的距离和配位数： 中心离子与配体的距离和配位数对谱带的 位移及方向均产生影响，从下表数据可看出： 中心离子与配位原子之间的距离越短，配 位数越小，谱带向低波数方向位移越大。 例如：在Pr３＋,Nd ３＋的氧基丁二酸盐配 合物中，随着氧基丁二酸盐逐步取代水合离子 中的水分子时，使RE-O 之间的平均距离减小， 谱带向长波方向位移， （１－β，）增大，配 位数（CN)减小。
4F 9/2
18
16 14 12
6F 3/2
10
8 6 4 2 Pr
1G 4 3F 3F4 3 3F 2 3H 6 3H 5 3H 4
近红外发光稀土
1.1 稀土离子的能级结构镧系元素包括了原子序数有57的镧到原子序数为71的镥共15个元素。
如果再加上前一个周期的钪（原子序数为21）及钇（原子序数为39）共17个元素。
我们一般统称为稀土元素。
镧系元素基态原子的电子组态有两种类型：[Xe]4f N6s2和[Xe]4f N-15d16s2。
镧、铈、钆采用4f N-15d16s2组态；镥采用4f145d16s2组态；其他元素采用的是4f N6s2组态。
对于每个特定的元素，采用哪一种电子组态是由能量来决定的，哪个电子组态的能量比较低，有利于稳定，就采用哪个组态。
图2.1.1是两种组态的能量关系[2]，从图中清楚地看出，镧、铈和钆的4f N-15d16s2组态明显要比4f N6s2组态来的稳定，所以就采用前者；而铽的两种组态能量相仿，所以采用图2.1.1 基态镧系原子不同电子组态的能量比较[2]其中任一种均可；其他元素都采用能量稳定的4f N6s2组态。
随着原子序数的增加，电子不断地填充到4f轨道中去。
由于4f轨道属于内层轨道，受屏蔽效应的影响，这样的一种变化在稀土元素的化学性质中带来的变化是很小的，这就造成了稀土元素化学性质的相似性。
但是，这种化学性质上的相似性并不能掩盖这些元素在光谱学和应用上的个性。
相反，正是这些f电子数目的不同使得稀土元素在光学、电学、磁学以及其他领域呈现出多彩的变化和巨大的应用潜力。
稀土元素的一个共同特点就是容易形成正三价的离子Ln3＋，只有少数几个还由其他稳定价态（＋2或＋4价）存在。
在这些离子中，4f电子数目不同，排列方式不同，使它们具有复杂的吸收和发射跃迁途径。
4f轨道的角量子数l＝3，相应地，磁量子数m l具有7个可能的值，从－3到3之间（图2.1.2）。
这表明f轨道具有7条，分别有不同的轨道角度分布。
电子在不同轨道之间的分布产生了不同的自旋多重度，影响了光谱项的符号。
表2.1.1是三价镧系元素离子基态的电子排布与光谱项。
稀土能级跃迁发光原理应用
将所有电子的自旋量子数相加，得
S ms (1/ 2 1/ 2) 6 1/ 2 3
2S 1 7
即为J的数目；
J L S 33 6
7 所以Tb3+的基态光谱项可写为 F6
化，并引发可燃的反应物和添加物发生自发的燃烧，产生
高温，使得化学反应可以在很短的时间内进行完全，生成
荧光粉粉末。
21
微波辅助加热是利用微波借助氧化铁或碳粉迅速加热原料 合成稀土荧光粉。 共沉淀法制备复合金属氧化物或含氧酸盐时，是将两种以 上金属离子从同一溶液中同时共沉淀下来，通常是以氢氧 化物、草酸盐、甲酸盐或柠檬酸盐等形式沉淀下来，然后 将沉淀在适当的温度下灼烧生产产物。 水热法是指在密闭的体系中，以水为介质，加热至一定的 温度时，在水自身产生的压强下，体系中的物质进行化学 反应，产生新的物相或新的物质。
16
Ce3+离子具有强而宽的4f-5d吸收带，该吸收带可能有效地 吸收能量，使Ce3+离子本身发光或将能量传递给其他离子 起敏化作用；Ce3+离子所具有的宽带发射随着基质不同而 变化，则有利于与激活离子的吸收带匹配，保证具有高的 能量传递效率。
Ce3+离子能敏化Nd、Sm、Eu、Tb、Dy和Tm等稀土离子
19
第三讲 稀土荧光粉制备方法及性能评价 高温固相反应法是合成荧光粉应用最早和最多的方法，是 目前工业生产稀土荧光粉的主要方法。 为了促进高温固相反应，使之容易进行，可采用在反应物 中添加助熔剂的办法，即选择某些熔点较低、对产物发光 性能无害的碱金属或碱土金属卤化物、硼酸等添加在反应
物中，助熔剂在高温下熔融，可以提供一个半流动态的环
第三章：稀土元素的光谱特征及
例如： Sm３+ Eu３+ Tm３+Yb３+的配合物中易出现
b. f-f跃迁光谱是类线性的光谱 谱带尖锐的原因是:处于内层的4f电子受到5s
和5p电子的屏蔽，受环境的影响较小，所以自由 离子的光谱是类原子的线性光谱。
[Kr]4d104fn5S25P65d0-16S2 于d-d跃迁吸收光谱有所区别： 由于d电子是处于外层，易受环境的影响使谱
带变宽。
如稀土离子的f-f 跃迁谱带的分裂为100cm-1左 右，而过渡金属元素的d-d跃迁谱带的分裂
4I15/2 4F9/2
6F1/2 6F56/H2 6F56/F23/72/2
6H7/2 6H9/2 6H11/2 6H13/2
6H15/2 Dy
§3-2稀土离子的吸收光谱 稀土离子的吸收光谱的产生归因于三种情
况： 来自fn组态内的能级间跃迁即f-f跃迁； 组态间的能级间跃迁即f-d跃迁； 电荷跃迁如配体向金属离子的电荷跃迁。
Er3+ （4f11) 364-652 微红
Ho3+ （4f10) 287-641 粉红
黄
Dy3+ （4f9 ) 350-910 黄
Tb3+ （4f8) 284-477 无色
Sm2+ （4f6)
红褐色
Yb2+ （4f14)
绿色
从上表可看出： RE3+的颜色，其中4fn ,4f14-n组态的离子有
稀土离子在真空紫外区4f~n→4f~(n-1)5d跃迁光谱的分析
稀土离子在真空紫外区4f~n→4f~(n-1)5d跃迁光谱的分析研究简报稀土离子在真空紫外区44广154跃迁光谱的分析范英芳李彩云山西大学分子科学研，所太原030006处还有些弱的1吸收带，它们分别是稀土离子的自旋允许和自旋禁阻跃迁；而对于轻镧系离子，7，谱中只有强的1吸收谱带，对应于稀土离子的自旋允许跃迁。
由于实验条件的限制，镧系离子在真空紫外区域，0200，艺500001的光谱直是个未被探究的领域。
近年来，随着现代科技的迅速发展，镧系离子光谱成为重要的研宄领域。
己经发现在不同基质的宽谱带间隙中，稀土离子强的4厂154组态间跃迁可产生相干真空紫外光或紫外光1如祁43+在3251产生激光2.掺杂稀土离子的荧光材料可作为高量子产率的磷光体应用于等离子体显屏亲灯管快速闪烁器和光波通讯等方面。
第个固态，激光是基于掺杂以晶体中削离子的以发射+的荧光特性在闪光晶体中的运用也被广泛地研宄4，而且因获得掺杂，的激光材料，越来越引起人们对其它镧系离子4广4厂1514组态间跃迁光谱的研究兴趣。
1966年报道了所有价镧系离子在0逆2晶体中最低的1吸收带51973年同步加违器辐射作次被用来研究1跃迁后来524等得到了3晶体中所有价镧系离子较高分辨率的吸收光谱7.其它氟基质，如祁43邳3此2等也己经被用来研宄，区域许多镧系离子的1跃迁光谱81.本文中笔者主要分析讨论了几种价稀土离子的1跃撄光谱及其特征。
1重镧系离子的4广4广151跃迁光谱1.1实验现象范英芳女，41岁，博士，教授，从事配位场理论研究。
山西省自然科学基金资助项目2021009213+1和几1的激发光谱1在真空条件下将晶体样品放入真空管中，用氟单质脉冲放电分子激光作为光源激发样品，然后通过真空紫外单色仪人502和光电倍增管，19412等检测系统信号，得到它们的紫外吸收光谱。
在高自旋态时，自旋量子数5=3，自旋多重度2 +17；在低自旋态时，自旋量子数52，自旋多重度2 +15.而在基组态4103时，未配对的自旋平行的电子数为4，因而4组态的总自旋量子数=2，自旋多重度为 5.根据洪特规则，高自旋态肥位于低能量处，因此，从基态40到能量最低的高自旋态4厂15，且态吧的跃撄是自旋禁阻的，由于自旋多重度不相等即，乒，因而谱峰较弱，即在长波方向观察到的这些弱峰是自旋禁阻1跃撄。
稀土金属能级分析综述
基本原则
(1) 满壳层的电子不考虑
(2) 考虑泡利原理
(3) 考虑能量最低原理
(4) 考虑洪特定则
确定原子基态光谱项的简易方法
(1) 由泡利原理和能量最低原理求一定 电子组态的最大S。 (2) 求上述情况上的最大L。 (3) 由半数法则确定J。 (4) 按2S+1LJ 确定基态原子态（光谱项）。
典型的多电子原子的轨道能量Ei
轨道：具有某个 n 和 l 值； 壳层：具有某个 n 值。对于 n =1，2，3，4，…壳层的标号 K，L，M，N，O，P，Q…。
各壳层可以容纳的最多电子数
主量子数 n 壳层名称 最多电子数 2 n2 角量子数 l 支壳层 最多电子数 2(2l+1) 1 K 2 0 s 2 0 s 2 2 L 8 1 p 6 0 s 2 3 M 18 1 p 6 2 d 0 s 1 p 6 4 N 32 2 d 3 f 0 s 1 p 6 5 O 50 2 d 3 f 4 g 0 s 1 p 6 2 d 6 P 72 3 f 4 g 5 h
如果原子核具有一个非零的自旋量子数 I，原子还 有一个核自旋角动量，一般很小。
角动量耦合
来自于每个电子的轨道和自旋角动量的磁矩可以 被认为是不同的小磁棒，它们会发生相互作用。 我们把这种相互作用称为角动量的耦合，磁矩越 大则耦合越强。
20121102稀土离子的光谱特性
第二讲稀土离子的光谱特性稀土因其特殊的电子层结构，而具有一般元素所无法比拟的光谱性质，稀土发光几乎覆盖了整个固体发光的范畴，只要谈到发光，几乎离不开稀土。
稀土元素的原子具有未充满的受到外层屏蔽的4f5d电子组态，因此有丰富的电子能级和长寿命激发态，能级跃迁通道多达20余万个，可以产生多种多样的辐射吸收和发射，构成众多的发光和激光材料。
稀土化合物的发光是基于它们的4f电子在f—f组态之内或f—d组态之间的跃迁。
具有未充满的4f壳层的稀土原子或离子，其光谱大约有30000条可观察到的谱线，它们可发射从紫外光、可见光到红外光区的各种波长的电磁辐射。
稀土离子丰富的能级和4f电子的跃迁特性，使其成为巨大的发光宝库，从中可发掘出更多新型的发光材料。
第一节稀土元素基态原子的电子层构型及光谱项1、稀土元素的电子层构型稀土元素包括17种元素，即属于元素周期表中ⅢB族的15个镧系元素以及同一族的钪和钇。
钪和钇的电子层构型分别为：Sc 1s22s22p63s23p63d14s2Y 1s22s22p63s23p63d104s24p65s2镧系原子的电子层构型为：1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f n5s25p65d n＇6s2，n=0-14, n＇=0或1。
镧系稀土元素电子层结构的特点是电子在外数第三层的4f轨道上填充，4f轨道的角量子数l=3，磁量子数m可取0、±1、±2、±3等7个值，故4f亚层具有7个轨道。
根据Pauli不相容原理，在同一原子中不存在4个量子数完全相同的两个电子，即一个原子轨道上只能容纳自旋相反的两个电子，4f亚层只能容纳14个电子，从La到Lu，4f电子依次从0增加到14。
形成三价稀土离子时首先失去的是6s和5d电子，使三价稀土离子具有顺序增加的4f n 电子结构，n=0，1，…，14，分别对应于La 3+，Ce 3+，…，Lu 3+离子。
稀土元素的光谱特征
b.对于给定的配体来说： 当稀土离子一定时，配体的还原性强，易给 出电子,配合物中易出现电荷跃迁吸收谱带。 如：对于Sm３+ Yb３+的环戊二烯和环辛四 烯配合物来 说，由于环辛四烯的还原性较环 戊二烯强，因此在 Sm３+ Yb３+的环辛四烯配 合物中可以看到电荷跃迁吸收谱带。
RE
RE
（２）. 谱带的位置： a.配体的还原性强，配合物中易出现电荷跃迁吸收 谱带，谱带的位置越向低波数方向移动。 例如： Sm３+ Eu３+ Yb３+的Br-配合物电荷跃迁 吸收谱带的位置比Cl-的配合物电荷跃迁吸收谱 带的位置出现在较低波数处。 b.对于给定的配体来说：金属离子氧化性强，越 易获得电子，电荷跃迁吸收谱带越易出现在较 低波数处。
例如： Sm３+ Eu３+ Tm３+Yb３+的配合物中易出现 电荷跃迁吸收谱带. 而且Eu３+的电荷跃迁吸收谱带出现在较低 波数处; Tm３+的电荷跃迁吸收谱带出现在较高波数 处. 原因：Eu３+的氧化性最强，易获得电子； Tm３+的氧化性最弱，得电子较难，需 吸收较高能量才能发生跃迁。
说明三价稀土离子的氧化性顺序。
（２）影响电子云重排效应的因素： a.配体的性质： 稀土离子配合物电子云重排效应的 大小可定量的用电子云重排参数 （１－β，）来表示。 （１－β，）越大表示谱带位移程度 越大。
稀土配合物的（１－β，）顺序如下： F-<H2O<acac(乙酰丙酮）<bac(苯甲酰丙酮）<dipy<phen< Cl- < Br- < I- < O22b.金属离子的性质： 不同的金属离子与同一配体结合能力不同， 引起谱带位移和方向不同。金属离子与配体键和 程度越大，谱位移越大，通常谱带红移。但也有 个别紫移。
稀土离子的吸收光谱
3.1.2稀土离子的吸收光谱稀土离子吸收光谱的产生可归因于三种情况：来自f组态内的能级间的跃迁，即f→f跃迁；组态间的能级跃迁，即f→d跃迁；电荷跃迁，配体向金属离子的电荷跃迁。
1．f→f跃迁光谱指f组态内的不同J能级间跃迁所产生的光谱。
它的特点是：(1) f→f 跃迁是宇称选择规则禁阻的; 因此不能观察到气态的稀土离子的f→f跃迁光谱,由于配体场微扰,溶液和固态化合物虽能观察到相应的光谱，但相对于d-d跃迁来说，也是相当弱的，摩尔消光系数ε≈0.5lmol·cm，振动强度为10～10(指主要的跃迁类型--电偶极跃迁，这将在配合物光谱中述及)。
(2) f→f跃迁光谱是类线性的光谱。
谱带的尖锐原因是处于内层的4f电子受到5s、5p电子的屏蔽，因此受环境的影响较小，所以自由离子光谱是类原子的线性光谱，甚至在溶液和固体化合物中，也是这样的，尤其在低温条件下更为明显。
这点与d区过渡元素的d→d跃迁光谱有所区别。
d区过渡元素离子的d电子是外层电子,易受环境的影响，因而谱带变宽。
稀土离子的f→f跃迁谱带的分裂为100左右，而过渡元素的d→d跃迁的谱带分裂在1000～3000。
(3) 谱带的范围较广。
在近紫外，在可见区和近红外区内都能得到稀土离子(III)的光谱。
其中Sc、Y、La、Lu是封闭壳层结构，从基态跃迁至激发态需要较高的能量，因而它们在200-1000nm(50000～10000cm)的范围内无吸收，所以它们是无色的。
Ce、Eu、Gd、Tb虽在200～1000nm 范围内有特征的吸收带，但大部或全部吸收带均在紫外区内。
Yb的吸收带在近红外区内出现，所以Ce、Eu、Gd、Tb和Yb也是无色的。
Pr、Nd、Pm、Sm、Dy、Ho、Er、Tm有的吸收带存在于可见区内，因而它们是有色的。
RE的主要吸收峰及其消光系数列在表3.3中。
稀土离子(III)的谱带和颜色已列在表3.4中。
其中f和f组态的有相同或相近的颜色，La～Gd的颜色变化和由Gd～Lu的情况是相似的，只有Pm和Ho(f)的例外。
稀土离子能级发光小资料
Fluorescence spectra of transparent colloidal solutions of NaYF4:Yb,Er/Tm nanospheres in hexane (0.01M) and silica/NaYF4:Yb,Er/Tm nanospheres in water (0.01M) are shown in Figure 2d and e. The emission peaks of NaYF4:Yb,Er nanospheres at 407, 521, 539, and 651nm were due to the transitions from the energy levels 4H9/2, 4H11/2, 4S3/2, and 4F 4 3+ 9/2 to I15/2 of Er . Two emission peaks of NaYF4:Yb,Tm nanospheres, at 450 and 479 nm, were due to 1D →3F and 1G → 3H transitions of Tm3+.
制备合适的掺杂基质，降低其对掺杂离子的影 响，获得更好的红外upconversion性能； 将研究多种稀土金属离子对发光性能的影响； 将更加深入研究光学性能，探索性能和结构的 关系； 探索上转换和下转换双模发光材料制备方法
上转换： 上转换 ： Yb3+ 和Er3+ 的比值根据Er3+ 一般的发光谱线确定，Er3+ 有4条谱 线，分别是 4H9/2, 4H11/2, 4S3/2, 4F9/2 11/ 4I 到 15/2，激发这4条谱线的理想状态 15/ 是从Yb3+上吸收的9个近红外光子全 都传递到Er3+上。确定Yb:Er=9:1。 下转换： 下转换 ： Gd3+ 在紫外区273 nm的 位置有较好的吸收截面，在上转换 稀土发光材料中，Eu3+ 使用得比较 少，但Eu3+ 在发光时间上有明显的 优势。 多种离子不能同时掺， 多种离子不能同时掺，同时掺会使 光子无法完成上转换过程。 光子无法完成上转换过程。
稀土离子4f组态能级
稀土离子4f组态能级摘要：一、引言二、稀土离子4f 组态能级的概念1.稀土元素2.离子3.4f 组态能级三、4f 组态能级的特性1.电子排布2.能级分裂3.能量与轨道形状四、实际应用1.磁性材料2.光学材料3.催化作用五、我国稀土资源的优势六、结论正文：一、引言稀土元素是一类具有相似化学性质的金属元素，包括镧系元素和锕系元素。
在我国，稀土资源的储量占据世界前列，因此稀土研究在我国具有重要战略地位。
稀土离子4f 组态能级的研究，有助于我们深入了解稀土元素的物理性质，从而进一步发掘其在各个领域的应用价值。
二、稀土离子4f 组态能级的概念1.稀土元素：稀土元素是指周期表中镧系（镧到镥）和锕系（锕到锘）元素，共17 种。
这些元素具有相似的化学性质，因为它们的外层电子排布都是ns2np6。
2.离子：离子是指在化学反应中失去或获得一个或多个电子的原子或分子。
在稀土研究中，稀土离子指的是稀土元素在反应中失去或获得一个或多个电子后的带电粒子。
3.4f 组态能级：4f 组态能级是指稀土离子中4f 轨道中的电子所处的能级。
由于4f 轨道中的电子受到屏蔽效应，其能量较低，因此具有特殊的物理性质。
三、4f 组态能级的特性1.电子排布：4f 轨道中的电子排布遵循洪特规则，填充顺序为4f7、4f6、4f5、4f4、4f3、4f2、4f1。
2.能级分裂：由于4f 轨道中的电子受到5s、5p、5d 等轨道的屏蔽作用，其能级会发生分裂。
这种分裂使得稀土离子具有丰富的光谱性质。
3.能量与轨道形状：4f 轨道的能量较低，其轨道形状为哑铃形，有利于电子在轨道间进行跃迁，产生特殊的物理性质。
四、实际应用1.磁性材料：由于4f 组态能级具有丰富的能级分裂和轨道形状，使得稀土离子在磁性材料中具有特殊的地位。
通过改变稀土离子的能级分裂和轨道形状，可以调节磁性材料的磁性能。
2.光学材料：稀土离子在光学材料中的应用主要依赖于其能级分裂。
通过调节能级分裂，可以实现对光的吸收、发射和折射等性能的调控。
氟化镧中三价稀土的部分能级图
氟化镧中三价稀土的部分能级图面向中红外应用的硫卤玻璃陶瓷光功能材料3-10um波段的中红外激光在新一代成像器件、近红外量子计数器件、大气遥感、分子和固态光谱、临床诊断、光学计量等方面具有广阔的应用。
目前，OPO（光参量振荡器）激光器是覆盖这些波段的典型激光系统，但由于需要非线性晶体以及泵浦激光源配合作用，OPO激光器光学系统的设计与构造十分复杂。
一种简单可行的解决办法是直接采用中红外固态激光器件，它要求有合适的激活离子和基体介质。
稀土离子如Ho3+、Er3+、Tm3+、Dy3+、Pr3+等能级结构复杂，在中红外区域具有丰富的发射波段。
但对于目前被广泛研究的氧化物和氟化物玻璃或晶体基体，由于其声子能量较高，掺杂的稀土离子在中红外区域的无辐射跃迁几率较大，导致发光效率低。
因此，研究具有低声子能量、且物化性能稳定的基体材料成为发展中红外固体激光器的关键环节。
相比于氧化物或氟化物，氯化物晶体具有更低的声子能量，如氯化镧（LaCl3）晶体的最大声子能量约为210cm-1，远低于氟化镧（LaF3）的声子能量（约为400cm-1）。
目前已报道的稀土离子最长波长（7.2um）的激光发射正是通过在氯化镧晶体中掺入Pr3+离子实现的[1]。
但由于该材料易吸水，需要特殊的处理和储存，因而限制了其实际应用。
硫卤玻璃是硫系化合物和卤化物或者它们的单质元素混合熔制成的玻璃态材料。
它具有硫系玻璃高的化学稳定性和力学性能，同时又具有卤化物玻璃低本征损耗的特点;此外，其红外透过范围广（可达到远红外）、且透过率非常高，因此近年来作为红外光学窗口材料被广泛研究[2-6]。
另外，由于硫卤玻璃具有低声子能量和高折射率，掺入稀土激活中心后，也可以作为中远红外发光材料[7-12]。
但是，相对于晶体而言，玻璃材料中稀土的发射谱线较宽（存在非均匀展宽），导致其发射截面较低，不利于获得高效激光输出。
透明纳米结构玻璃陶瓷（由无机玻璃发生部分晶化而得，是玻璃相与纳米晶相的复合体）是一类很有前途的新型光功能纳米复合材料，它综合了晶体与玻璃材料的优点，可具有与晶体相近甚至更好的光学性能，而又有类似于玻璃材料制备技术简单、成本低和可高浓度掺杂的明显优势；此外，该复合材料的力学性能和热稳定性（主要取决于玻璃相基体）也与一般无机玻璃相当。