1102稀土离子的光谱特性.docx
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1102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皿B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：
Sc1s2
2s2
2p6
3s2
3p6
3d1
4s2
Y1s2
2s2
2p6
3s2
3p6
3d10
4s2
4p6
5s2
镧系原子的电子层构型为：
1s2
2s2
2p6
3s2
3p6
3d10
4s2
4p6
4d10
4fn
5s2
5p6
5dn＇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1=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
1/13
顺序增加的4fn
电子结构，n=0,1,•••,14,分别对应于La3+
，Ce3+
…，Lu3+
离子。
没有4f电子的Y3+
和La3+
及4f电子全充满的Lu3+
（4f14
）都具有密闭的壳层,因此它们都是无色的离子,具有光学惰性,很适合作为发光材料的基质。
2、镧系元素的光谱项
描述稀土发光材料的发光性质,主要是描述稀土4f轨道上电子的运动状态和能级特征。
镧系元素具有未充满的4f电子层，4f电子在不同能级之间的跃迁,产生了大量的吸收和荧光光谱的信息。
这些光谱信息与化合物的组成、价态和结构密切相关。
因此,根据实验所得的光谱信息,可研究化合物的成分、结构及化学键的性质；另一方面,又可为合成具有特定功能的化合物进行材料设计,这已成为当前稀土化学与物理的重要研究内容。
对于不同的镧系元素，当4f电子依次填入不同磁量子数的轨道时，除了要了解它的电子层构型外，还需了解它们的基态光谱项2S+1
L
J。
光谱项是通过量子数I、磁量子数m以及它们之间的不同组合，来表示与电子排布相联系的能级关系的一种符号，当电子依次填入4f亚层的不同m值
的轨道时，组成了镧系基态原子或离子的总轨道量子数L,总自旋量子数S和总
角动量量子数J和基态光谱项2S+1
L
J。
其中，L为原子或离子的总磁量子数的最大值，
Lm；S为原子或离子的总自旋量子数沿Z轴磁场方向分量的最大值，
S
和自旋角动量总和的大小，
J
7个离子），
J
JLSLSLSm；J表示轨道s
，若4f电子数V7（从La3+
到Eu3+
的前；若4f电子数》7（从Gd3+
到Lu3+
的后8个离子），L
J是由这3个量子数组成的表达式，光谱项中L的数D
2F
3G
4H
51
6K
7L
&光谱项
S
02S+1
值以大写英文字母表示，其对应关系为：
字母
LP
1
左上角的2S+1的数值表示光谱项的多重性，2S+1
L称作光谱项；将J的取值写在字母的右下角，称为光谱支项，即
2/132S+1
L
J。
对于光谱支项，J的取值分别为
（LS）
（LS1）、
（LS2）…
或能级。
（LSK每一支项相当于一定的状态下面以Nd3+
、Tb3+
离子为例说明光谱项的导求方法。
由表2-1，Nd3+
有3个未成对电子，
SLm3216；m
s31/23/2。
2S+1=4,
JLS63/29/2。
所以Nd3+
的基态光
4谱项可写为4
I
9/2，Nd3+
共有4个光谱支项，按能级由低到高依次为4
I
9/2、I
11/2、4
I
13/2和4
I
15/2。
Tb3+
有8个4f电子，2个自旋相反，6个为自旋平行的未成对电子，将
232101233
所有电子的磁量子数相加，得
Lm
子的自旋量子数相加，得
S
的数目
J
F
6。
；将所有电
，即为J3+m
s（1/21/2）61/23。
2S17LS336。
所以Tb3+
的基态光谱项可写为
777F
6，Tb
7共有77个光谱支项，按能级由低到高，它们依次为
7F
6、
F
5、
F
4、
F
3、
F
2、
F
1和77
由表2-1可对+3价镧系离子的光谱项的特点如下：
以Gd3+
为中心，Gd3+
以前的fn
（n=0~6）和Gd3+
以后的f14-n
是一对共轭元素，它们具有类似的光谱项。
以Gd3+
为中心，其两侧离子4f轨道上未成对电子数相等，因而能级结构相似，
Gd3+
两侧离子的L和S的取值相同，基态光谱项呈对称分布。
+3价镧系离子的总自旋量子数S随原子序数的增加在Gd3+
处发生转折变化；总轨道量子数L和总角动量量子数J随着原子序数的增加呈现双峰的周期变化。
Gd3+
以前的轻镧系离子的光谱项J值是从小到大向上排列的，而Gd3+以后的重镧系离子的J值是从大到小反序向上排列的。
以Gd3+
为中心，对应的一对共轭的重镧系和轻镧系元素的离子具有相似的光谱
项，但是由于重镧系的自旋一轨道耦合系数Z+14-n大于轻镧系元素，导致Gd以后的f4f
元素离子的J多重态能级之间的差距大于Gd3+
以前的fn
元素离子，这体现在离子的基态与其上最邻近另一多重态之间的能级差△值随原子序数呈转折变化，在重镧系方面，Yb3+
的△值大于Tm3+
、Er3+
、Ho3+
可利用Yb作为敏化离子将能量传递给激活离子Tm3+
、Er3+
、Ho3+
，这是研究上转换发光材3/13
料的能级依据。
镧系自由离子受电子互斥（库仑作用）、自旋-轨道耦合、晶体场和磁场等作用，对其能级的位置和劈裂都有影响。
由图2-1可见，这些微扰引起4fn
组态劈裂的大小顺序为电子互斥作用〉自旋轨道耦合作用〉晶体场作用〉磁场作用。
由于4fn
轨道受5s2
5p6
的屏蔽，故晶体场对4fn
电子的作用要比对d过渡元素的作用小，引起能级劈裂只有几百个波数。
能级的简并度与4fn
中的电子数n的关系呈现出奇偶数变化，当n为偶数时（即原子序数为奇数，J为整数时），每个态是2J+1度简并。
在晶体场的作用下，取决于晶体场的对称性，可劈裂为2J+1能级。
当n为奇数时（即原子序数为偶数，J为半整数时），每个态是（2J+1）/2度简并。
在晶体场的作用下，取决于晶体场的对称性，可劈裂为（2J+1）/2个二重态。
第二节稀土离子的能级跃迁及光谱特性
稀土离子的发光特性主要取决于稀土离子4f壳层电子的性质。
随着4f壳层
电子数的变化，稀土离子表现出不同的电子跃迁形式和极其丰富的能级跃迁（见图2-2），其4fn
组态中共有1639个能级，能级之间可能的跃迁数目高达199177个。
当然，由于能级之间的跃迁受到光谱选律的制约，实际观察到的谱线不会达到难以估计的程度。
通常具有未充满的4f电子亚层的原子或离子的光谱大约有30000条可被观察到的谱线；具有未充满的d电子亚层的过渡元素的谱线约有7000条；而具有未变充满的p电子亚层的主族元素的光谱线仅有1000条。
1、+3价态稀土离子的能级跃迁和光谱特性
大部分三价稀土离子的光吸收和发射来源于内层的4f—4f跃迁，根据光谱选律，这种^=0的电偶极跃迁本属于禁阻的，但由于4f组态与宇称相反的组态发生混合，或对称性偏离反演中心，使原是禁阻的f-f跃迁变为允许的。
这种强制性的f-f跃迁有如下特点：
（1）光谱呈狭窄线状；
（2）谱线强度较低，在激发光谱中，这种特点不利于吸收激发能量，这是+3价镧4/13
系离子发光效率不高的原因是之一；（3）跃迁概率很小，激发态寿命较长，有些激发态的平均寿命长达10-6
~10-2
s，而一般原子或离子的激发态的平均寿命只有10-8
~10-6
s,这种长激发态称为亚稳态。
由于受到5s2
5p6
外层电子所屏蔽,4f电子跃迁发射波长是稀土离子自身的独特行为,受晶体场的影响很小,峰值波长基本不变。
图2-2+3价稀土离子的能级
5/13
除f-f跃迁外,三价稀土离子Ce3+
、Pr3+
、Tb3+
等还有d-f跃迁，其凶=1，根据光谱选律，这种跃迁是允许的。
d-f跃迁的特点与f-f跃迁几乎完全相反,其光谱呈现宽带,强度较高,荧光寿命短。
由于5d处于外层，d-f跃迁受晶体场影响较大。
镧系中间元素+3价态离子的发射光谱主要是锐线谱,两端元素离子（Ce3+
、Yb3+
）则呈现宽谱带或宽谱带加上线谱。
线状光谱是4f亚层中各能级之间的电子跃迁，而连续光谱则是由4f中各能级与外层各能级之间的电子跃迁产生的。
在光谱的远紫外区所有稀土元素都有连续的吸收带,这相应于外层中电子的跃迁。
综上所述,+3价稀土离子的发光特点如下：
（1）具有f—f跃迁的发光材料的发射光谱呈线状，色纯度高；
（2）荧光
寿命长；（3）由于4f轨道处于内层，很少受到外界环境的影响，材料的发光颜色基本不受基质的不同而改变；（4）光谱形状很少随温度而变，温度猝灭小。
+3价稀土离子中，Y3+
和La3+
无4f电子，Lu3+
的4f亚层为全充满的，都具有密闭的壳层，因此它们属于光学惰性，适用于作基质材料。
从Ce3+到Yb3+
，电子依次填充在4f轨道，从f1
到f13
，其电子层中都具有未成对电子，其跃迁可产生发光，这些离子适于作为发光材料的激活离子。
2、非正常价态稀土离子的光谱特性
2.1+2价态稀土离子的光谱特性
+2价稀土离子（RE2+
）有两种电子层构型：
4fn-1
5d1
和4fn
。
4fn-1
5d1
构型的特点是5d轨道裸露于外层，受外部场的影响显著，4fn-1
5d1
（即d-f跃迁）的跃迁发射呈宽带，强度较高，荧光寿命短，发射光谱随基质组成、结构的改变而发生明显变化。
RE2+
的4fn
内层电子构型的f电子数目和与其相邻的下一个三价稀土离子（RE3+
）相同，但与RE3+
相比，RE2+
的激发态能级间隔被压缩，最低激发态能量降低，谱线红移。
例如，Eu2+
的f内层激发态4f7
（6
P
J）,其最低能级到基态的4f7
（6
P
7/2）t4f7
（8
S
7/2）（为f-f跃迁）跃迁发射呈线状光谱，峰值位于360nm处，是相邻的下一个三价稀土离子Gd3+
的相应发射能级的一半6/13
左右。
Eu2+
产生f—f跃迁的基本条件是：
基质中Eu2+
的5d能级吸收下限必须位于能级6
P
J之上。
因此Eu2+
必须处在一种弱场、强离子性的基质晶格环境中（然而，也曾有实验发现，当Eu2+
的5d能级吸收下限位于6
P
J能级以下2000cm-1
时，能观察到f—f跃迁），例如某些复合氟化物基质可满足这一条件。
在Eu2+
掺杂的复合氟化物体系中，可以依据Eu2+所占据格位的阳离子元素电负性的大小推断出f—f跃迁发射的可能性。
RE2+
的这些光谱特性对新材料设计和材料物性研究具有理论价值。
2.2+4价态稀土离子的光谱特性
+4价态稀土离子和与其相邻的前一个+3价稀土离子具有相同的4f电子数目，例如，Ce4+
和La3+
，Pr4+
和Ce3+
，Tb4+
和Gd3+
等。
它们的电荷迁移带能量较低，吸收峰往往移到可见光区，如Ce4+和Ce3+
的混价电荷迁移跃迁形成的吸收峰已延伸到450nm附近，Tb4+的吸收峰在430nm附近。
价态的变化是引发、调节和转换功能特性的重要因素，发光材料的某些功能往往可通过稀土价态的改变来实现，例如，稀土三基色荧光材料中的蓝光发射是由低价稀土离子Eu2+
产生的。
稀土的价态变化有时也会带来不利因素，如MgAl
11O
19:
Ce3+
Tb3+
灯用绿粉中，Ce3+
是一种变价离子，在185nm紫外线作用下会氧化成强烈吸收254nm紫外辐射而又不发光的Ce4+
，造成荧光粉的光衰，使灯的光通维持率下降。
因此，掌握价态转换规律、探索价态转换机制、寻求非正常价态稳定条件及其控制途径，将为发现新型的稀土发光材料和改善材料的发光性能提供必要的依据。
第三节几种主要稀土离子的光谱特性
1、Eu3+
的光谱
人们对Eu3+
的发光已有较多研究，它具有窄带发射，如果它在晶体格位中占据反演对称中心的格位时，将以允许的5
D
OF
F
1的磁偶极跃迁发射橙色光（约590nm）为主。
当Eu3+
处于C
i、C
2h和D
2h点群对称性时，5
D
OF
F
1跃迁可出现三条谱线，这是由于在此对称性晶体场中7
F
1能级完全解除简并并劈裂成三个状态；当Eu3+
处于C
4h、D
4h、D
3d、S
6、C
6h和D
6h点群7对称性时，F
1能级劈裂成两个状态而出现两条5D
OF
F
1跃迁的谱线；当Eu3+7/13处于对称性很高的立方晶系的T
h和O
h点群对称性时，7
F
1能级不劈裂，此时只出现一条5D
OF
F
1跃迁的谱线。
当Eu3+
处于偏离反演对称中心的格位时，常以5D
OF
2受迫电偶极跃迁发射红光为主。
J=0—」=的5
D
0—7
F
0跃迁不符合跃迁选律，属于禁戒跃迁。
但当Eu3+
处于C
s、C
n和C
nv点群对称性的格位时，由于在晶体场势能展开是需要包括奇次晶场项，从而出现5
D
0—7
F
0跃迁发射（约580nm）。
因为5
D
0—7
F
0跃迁不可能再为晶体场所劈裂，只有一个发射峰，即每个峰对应于一种格位，从而可利用5
D
0—7
0发射峰的数目来判断化合物中Eu3+
所处的C
s、C
n和C
nv的格位数。
当Eu3+
处于对称性很低的三斜晶系的C
1和单斜晶系的C
s和C
2三种点群的格位时，7
F
1和7
F
2能级完全解除简并，分别劈裂成三个状态和五个状态，在光谱结构中可观察到一条5
D
OF
F
O发射峰，三条5
D
OF
F
1发射峰和五条5
D
OF
F
2发射峰，其中以5
D
OF
F
2跃迁发射红光为主。
2、Ce3+
的光谱
Ce3+
的发射属于f-d跃迁而非一般三价稀土离子f-f跃迁。
Ce3+的基态光谱项为2
F
J,由于自旋-轨道耦合作用使2
F能级分裂成两个光谱支项，即2
F
7/2和2
5/2。
Ce3+
的4f电子可以激发到能量较低的5d态，也可以激发到能量相当高的6s态或电荷迁移态。
Ce3+
自由离子5d激发态的光谱项为2
D
J（2
D
5/2和2
D
3/2）。
由于5d轨道位于5s5p轨道之外，不像4f轨道那样被屏蔽在内层，因此，当电子从4f能级激发到5d态后，该激发态容易受到外场的影响，使5d态不再是分立的能级，而成为能带，由此从5d能级到4f能级的跃迁也就成为带谱。
一般说来，Ce3+
离子的5d态能量还是比较高的。
因此，5d—2
F
7/2和2
F
5/2所产生的两个发射带通常位于紫外或蓝区范围内，但在5d能级受外场
的作用时，其能级位置会降低很多，甚至使其发射带延伸至红区。
所以Ce3+
离子的发射带位置在不同的基质中差别很大，它可以从紫外区一直到红
区，其覆盖范围约400nm,如此宽的范围是其他三价稀土离子所不及的。
在不同的基质中，Ce3+
离子的激发峰的最短波长位于190nm左右，而最长的激8/13
发峰约490nm，其激发峰可能出现的范围从短波紫外到可见，也约跨越300nm。
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+
离子的5d-4f跃迁是允许的电偶极跃迁,其5d组态的电子寿命非常短（一
般为30~100ns），具有较高的能量传递几率；在大多数基质中Ce3+
离子的吸收带在紫外或紫区,而其发射带在紫区和蓝区,因此在灯用发光材料中更多地适用于作敏化离子。
Ce3+
离子的能量传递和敏化作用在文献中已有不少报道。
Ce3+
离子能敏化Nd、Sm、Eu、Tb、Dy和Tm等稀土离子，它也能敏化Mn、
Cr、Ti等非稀土离子。
在某些基质中Ce3+
离子也能被Gd3+
、Th4+
等离子所敏化。
1）Ce3+
—Nd3+
的能量传递Nd3+
离子的吸收属于f-f跃迁，其主要吸收峰位于340~360nm、500~530nm、550~590nm、710~760nm和800~860nm。
在大多数的基质中Ce3+
离子的发射带位于紫区，易于Nd3+
的340~360nm吸收峰相匹配，但其能量转换效率较低。
若Ce3+
的发射与Nd3+
的500~590nm吸收相匹配，则能更有利于Nd3+
的1.06呵激光发射。
根据Ce3+
在Y
3Al
5O
12中发射带位于549nm附近，生长出CeNd共掺的Y
3Al
5O
12激光晶体，获得预期的效果。
在该晶体中Ce3+
不仅吸收了有害的紫外光，防止晶体产生色心，而且能将能量有效地传递给Nd3+
，使晶体的激光效率提高50%，这种新型激光晶体已获得应用。
2）Ce3+
—Tb3+
的敏化作用Ce3+
fTb3+
的荧光粉是最有实用意义的高效绿色发光材料，已作为灯用发光材料有LAP、CAT、Y
2SiO
5:
Ce,Tb等。
人们曾对磷酸盐、硼酸盐、铝酸盐、溴氧化镧和硅酸盐等基质中Ce3+
对Tb3+的敏化作用进行过研究。
文献报道，Tb3+
的5
D
4能级的发光可由480nm来敏化，它的5
D
3能级可由340~370nm的光来敏化。
在CAT中Tb3+
离子在350~37Onm处有一个弱的线状吸收带，而此谱线恰好与此基质中
Ce3+
的365nm发射带重合，因此Tb3+
能被Ce3+
敏化，并激发到5
D
3能级上。
Tb3+
离9/13
子的5
3能级产生两种跃迁，一是由5D
3直接跃迁到基质，另一个是5D
3驰豫到5
D
4，再5
D
4由跃迁到基态产生荧光，在此基质中5D
4的发射强度比前者大得多。
在Tb3+浓度较高时5
D
3往往产生浓度猝灭，只能观察到5D
4F
F
J的跃迁。
3）Ce3+
同时敏化Tb3+
和Mn2+
值得注意的新动向是Ce3+
、Tb3+
和Mn2+
的三元体系。
已报道在CaSO
4基质中以Ce3+
作敏化剂，敏化Tb3+
和Mn2+
，利用Ce3+
对Tb3+
和Mn2+
的有效的能量传递，已获得一种新的绿色荧光粉，其量子效率可
Ce3+
既能敏化Tb3+
，又能敏化Mn2+
，而在实际应用中作为敏化剂的Ce3+
往往过量，为充分利用过量的Ce3+
，洪广言等提出了在多元体系中发光增强作用的设想，即可用如Ce3+
100%。
1个敏化剂
Ce3+
来敏化2个相近波长发射的激活剂使发光增强，这设想在掺、Tb3+
、Mn2+
的多铝酸盐中得以实现，在该荧光粉中不仅有Tb3+
510nm附近的
的490nm、541nm、585nm和625nm的发射峰，而且呈现在Mn2+
的发射，所研制的绿色发光材料的亮度优于掺Ce3+
、Tb3+
的多铝酸盐。
4）Th4+
tCe3+
的能量传递用来敏化YPO
4:
Ce得到一种高效的黑光灯材料，其积分发射强度比YPO
4:
Ce高出4倍多，为常用的BaSi
2O
5:
Pb发射强度的1.5倍。
其能量传递过程是Ce3+
和Th4+
吸收能量后，Ce3+
离子由高能级的2
D
5/2跃迁到2
D
3/2，此时Th4+
Th4+
离子也由高能级经无辐射跃迁到低能级，
的低能级与Ce3+
的2
D
3/2能级相近，Th4+
把能量传递给Ce3+
，由此加强了Ce3+
的发射强度。
3、Eu2+
的光谱
Eu2+
离子的电子构型4f7
5s2
5p6
（与Gd3+
的电子构型相同），Eu2+离子的基态中有7个电子，基态光谱项为S
7/2，最低激发态可由4f7
组态内层构成，也可由4f65d1
组态构成。
因此，Eu2+
离子所处的晶体场环境不同，其电子跃迁形式也会不同。
Eu2+
离子在大多数基质中表现为4f6
5d—4f7
（8
S
7/2）宽带跃迁，5d电子裸露，受晶体场环境的强烈影响，跃迁能量随晶体场环境的改变而明显变化，发光材料的发射波长可随基质的不同而在近紫外光区到黄色光区变化。
10/13
因此，可通过合理选择基质的化学组成，有可能得到具有特定发射波长的发光材料。
例如，在Sr
1-xBa
xAl
12O
19:
Eu2+
中，随着x增加，发射波长有规律地向长波方向移动，而在Sr
1-xBa
xAl
2O
4:
Eu2+
中发射带随x增加而有规律地向短波移动。
在紫外光激发下Eu2+
激活的碱土硼磷酸盐荧光粉随基质中碱土离子半径增加，发射波长向短波移动。
相反，在Eu2+
激活的碱土铝酸盐中，随着碱土离子半径增加发射波长却向长波方向移动。
4f6
5d—4f7
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