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稀土光学材料的开发

2012-12-25 10:39
雷本祖
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  在稀土的应用领域外,光学材料也是重要的高附加值领域之一。从光学的角度看,稀土元素原子的电子构型中存在4f轨道,具有丰富的电子能级、多种能级的跃迁条件,因此可以用于获得多种发光性能(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)。而且,掺杂稀土离子的发光材料受外部环境的干扰小、物理性质和化学性质稳定,荧光寿命较长(处于从纳秒到毫秒级的范围),大多发射光谱呈线状且温度猝灭小,因此可以用于光致发光(以紫外光或可见光激发)、阴极射线发光(以电子束激发)、X射线发光(以X射线激发)以及电致发光(以电场激发)材料等各类发光材料的开发,广泛应用于广泛用于显示、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(或者更进一步说,因为对这些领域的核心技术发展起至光重要的作用,在某种程度了成为了决定这些领域发展趋势的关键因素)。

  就目前而言,稀土发光材料的应用可以粗略地划分为照明、显示和特种光源三大领域。其中,特种光源又包括稀土激光材料激光、无极灯、全光谱照明灯具、白光LED固态光源、紫外线灯具、稀土长余辉灯具,以及医用、农用(促进植物生长用)的光源等。

  稀土发光材料的大规模开发,始于上世纪的60年代末和70年代初的稀土荧光粉开发,早期以美国的彩电红粉和荷兰的三基色灯粉(飞利浦公司于20世纪70年代首先推出了稀土三基色荧光粉及稀土荧光灯)的开发为源头,后来日本大力开发稀土荧光粉(以磷酸盐型绿粉为标志的第二代稀土三基色荧光粉)并取得全球的领先地位,形成了日亚化工、化成光学、东芝、欧司朗麦克尔、根本化学、东京化学等一度极具优势的厂家;而美国的稀土荧光粉则主要有通用电器(以自用为主)、杜邦公司(主要生产X-射线增感屏荧光粉)、英特美(生产白光发光二极管用荧光粉),荷兰则以飞利浦(主要产品为稀土荧光灯粉,以自用为主)。此外,德国的欧司朗(为避开日亚化工的专利,开发出了铽铝石榴石荧光粉,但亮度不如钇铝石榴石)、韩国的三星也都有生产。

  从产品来看,尽管近年来稀土多基色、全光谱荧光粉也得到了开发,但其应用领域主要作为特种光源来开发,而占据节能灯主注的是白色发光二极管(WLED),安全、环保、微型化、使用寿命长。目前,用于白色发光二极管的稀土荧光粉有钇铝石榴石型、铽铝石榴石型、硅酸盐型及氮化物型等(但日亚化工生产的钇铝石榴石荧光粉市场占有率较高)。其中,钇作为各种红粉普遍采用的基质组份(其他常用元素包括作为红粉激活剂具有不可替代性的铕、作为绿粉不可或缺的激活剂铽,以及镧、铈、镝等),是用量最大的稀土元素,具有不可替代性,但是除了镝外的钇、铕、铽、镧、铈都是丰度较高的元素。

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