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稀土上转换发光材料原理、种类、机理及其应用
Title:
The rare earth
conversion principle, types, mechanism
and applications of luminescent
material
作者
：
唐小雪
(2012080131)
四川师范大学
化学与材料科学学院，四川
成都
610068
Author
:
Tang Xiao
Xue
College
of
Chemistry
and
Materials
Science,Sichuan
Normal University,Chengdu
610068,Sichuan
摘要
:
该文章简要介绍了稀土上转换发光材料的基础原理、
分类研究
机理及其应用。
关键词
:
稀土
上转换发光材料
Abstract:
This
article
briefly
introduces
the
basic
principle
of transformation on the rare earth
luminescence materials,
classification,
mechanism and application of research.
Keywords:
Rare
earth The
upconversion
luminescence
materials
1
、前言
上
转换发光，即：反
-
斯托克斯发光（
A
nti-Stokes
）
，由斯托克斯定律而来。
斯托克斯定律认为材料只能受到高能量的光激发，发出低能量的光，换句话说，
就是波长短的频率高的激发出波长长的频率低的光。比如紫外线激发发出可见
光，或者
蓝光激发出黄色光，或者可见光激发出红外线。但是后来人们发现，其
实有些材料可以实
现与上述定律正好相反的发光效果，
于是我们称其为反斯托克
斯
发光，又称上转换发光。
稀土上转换发光材料是指材料吸收能
量较低的光子时却能发出较高能量光
子的材料。
换言之，
就是材料在受到某种光激发时，
能够发射波长比激发波长短
的光，即：反
-
斯托克斯光。早在
1959
年就出现了有关上转换发光的报道，用
960
纳米的红外光激发多晶硫化锌，
观察到了
525
纳米的绿色发光。
到现在为止，
上转换材料主要是掺杂稀土元素的固体化合物，利用稀土元素的亚稳态能级特
性，
可以吸收多个低能量的长波辐射，
促使人类肉眼看不见的红外光变成
可见光。
2
、稀土上转换发光材料的种类
稀土
上转换发光材料的分类可以从两
个方面进行，
分别是根据掺杂的稀土离
子的分类和基质材料的不
同。
根据掺杂的稀土离子的不同，
我们可以将上转换材
料分为单掺和双掺两种。
单掺上转换材料利用稀土离子
< br>f-f
禁戒跃迁，
效率并不
高。
而双掺上转换材料的稀土离子则是以高浓度掺入一个敏化离子，
其激发态高
于激活离子激发亚稳态，
因此可将吸收的红外光子能
量传递给这些激活离子，
发
生双光子或者多光子加和，从而实现
上转换过程。
如果根据基质材料的不同，
我们又可以分为
5
类，
其中包括氟
化物、
氧化物、
氟氧化物、卤化物以及含硫化合物。对于发光效
率而言，我们一般认为氯化物
>
氟化物
>
氧化物，这是从材料的声子能量方面来考虑的，这个顺序恰好与材料的
结构稳定性顺序相反
[1]
。
3
、稀土
离子上转换发光机理
[2-5]
3.
1
激发态吸收（
ESA
）
激发态吸收过程
（
ESA
）
是在
1959
年
Bloembergen
等人提出的，
其原理是同
一个离子从基态能级通过连续的多光子吸收达到能量较高的激发态能级的
一个
过程，这是上转换发光的最基本的一个过程。如图
1
，发光中心处于基态能级上
的离子吸收一个光子跃迁至中间亚稳态能级
，
如果光子的振动能量正好与中间亚
稳态能级和更高的激发态能
级的能量间隔匹配，
则中间亚稳态能级上的该离子通
过吸收该光
子能量而跃迁至更高的激发态能级形成双光子吸收，
如果满足能量的
匹配要求，
激发态能级上的该离子还有可能向更高的激发态能级跃迁而形成三光
子、四光子吸收，以此类推，只要该高能级上粒子数足够多，形成粒子数反转，
就可实现较高频率的激光发射，出现上转换发光。
图
1
ESA
过程
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