光致發光材料

光的吸收和發射均發生在能級之間的躍遷過程中，都經歷激發態，而能量傳遞則是由於激發態運動。激發光輻射的能量可直接被發光中心（激活劑或雜質）吸收，也可能被發光材料的基質吸收。在第一種情況下，發光中心吸收能量向較高能級躍遷，隨後躍遷回到較低的能級或基態能級而產生髮光。在第二種情況下，基質吸收光能，在基質中形成電子一空穴對，它們可能在晶體中運動，被束縛在發光中心上，發光是由於電子一空穴的複合而引起的。當發光中心離子處於基質的能帶中時，會形成一個局域能級，處在基質導帶和價帶之間，即位於基質的禁帶中。對於不同的基質結構，發光中心離子在禁帶中形成的局域能級的位置不同，從而在光激發下，會產生不同的躍遷，導致不同的發光色。光致發光材料分為熒光燈用發光材料、等離子體顯示平板( PDP)用發光材料、長餘輝發光材料和上轉換髮光材料。

發光二極體( LED)是固體光源，具有節能、環保、全固體化、壽命長等優點，是21世紀人類解決能源危機的重要途徑之一。白光LED以其省電（為白熾燈的1/8，熒光燈的1/2）、體積小、發熱量低、可低壓或低電流起動、壽命長（120000h以上）、響應快、抗震耐沖、可回收、無污染、可平面封裝、易開發成輕薄短小產品等優點得到了迅猛的發展。白光LED廣泛應用於城市景觀照明、液晶顯示背光源、室內外普通照明等多種照明領域，被認為是替代白熾燈、熒光燈的新一代綠色照明光源。

1)獲取白光LED的方法

獲取白光LED的主要途徑有以下三種。①利用三基色原理和已能生產的紅、綠、藍三種超高亮度的LED，按光強1：2：0.38的比例混合而成白色。但由於LED器件光輸出會隨溫度升高而下降，不同的LED下降程度差別較大，結果造成混合白光的色差，限制了用三基色LED晶元組裝實現白光的應用。②藍色LED晶元與可被藍光有效激發的發黃光熒光粉結合，組成白光；這時LED用熒光粉吸收一部分藍光，受激發后發射黃光，發射的黃光與剩餘的藍光混合，通過調控二者的強度比后，可以獲得各種色溫的白光。③採用發紫外光的LED晶元和可被紫外光有效激發而發射紅、綠、藍三基色的熒光粉，產生多色混合組成白光LED。此外，也可選用兩基色、四基色，甚至五基色熒光粉來獲得白光。

熒光粉性能的好壞直接影響白光LED的性能。製備白光發光二極體大多離不開稀土熒光粉，主要有黃色熒光粉和三基色熒光粉等。因此獲得化學性質穩定和性能優異的熒光粉是實現白光LED的關鍵。

2) LED用黃色熒光粉

藍色LED晶元和一種或多種能被藍光有效激發的熒光粉有機結合可組成白色LED。其中發展最成熟的是藍色LED與黃色熒光粉的組合，一部分藍光被熒光粉吸收后，激發熒光粉發射黃光，發射的黃光和剩餘的藍光混合，調控它們的強度比，即可得到各種色溫的白光。這種方法驅動電路設計簡易、生產容易、耗電量低。

當今使用最多的是InGaN藍光LED，發射峰值450～480nm，採用藍光LED激發黃光熒光粉獲得白光。熒光粉使用的是三價鈰激活的稀土石榴石體系(YAG)熒光粉，它的吸收和激發光譜與InGaN晶元的藍色發光光譜匹配較佳，發射光譜覆蓋綠一黃（橙黃光）的光譜範圍，缺少紅色成分，色調偏冷，不能達到室內照明的要求。為解決這一問題，可以在YAG黃色熒光粉中摻入適量的紅色熒光粉。

長餘輝發光材料是在自然光或人造光源照射下能夠存儲外界光輻照的能量，然後在某一溫度下（指室溫），緩慢地以可見光的形式釋放，是一種存儲能量的光致發光材料。長餘輝發光材料稱做蓄光材料或夜光材料。長餘輝發光材料在弱光顯示、照明、特殊環境（交通、航天、航海、印染、紡織、藝術品等）等方面有重要的應用。

稀土離子摻雜的鹼土鋁（硅）酸鹽長餘輝材料已進入實用階段。市場上可見的產品除了初級的熒光粉外，主要有夜遊標牌、夜光油漆、夜光塑料、夜光膠帶、夜光陶瓷、夜光纖維等，主要用於暗環境下的弱光指示照明和工藝美術品等。長餘輝材料的形態已從粉末擴展至玻璃、單晶、薄膜和玻璃陶瓷；對長餘輝材料應用的要求也從弱光照明、指示等擴展到信息存儲、高能射線探測等領域。長餘輝發光材料屬於電子俘獲材料，其發光現象是由材料中的陷阱能級所致。由於能級結構的複雜性以及受測試分析手段所限，長餘輝材料的發光機理還沒有十分清晰、統一的理論模型。比較典型的理論模型有空穴模型、電子陷阱模型和位型坐標模型等三種，其中位型坐標模型是得到較多認可的。

上轉換髮光材料是一種吸收低能光輻射，發射高能光輻射的發光材料。上轉移發光，是指兩個或兩個以上低能光子轉換成一個高能光子的現象。上轉換髮光材料的發光機理是由於雙光子或多光子的耦合作用；其特點是所吸收的光子能量低於所發射的光子能量，這種現象違背斯托克斯(Stokes)定律，因此這類材料又稱為反斯托克斯發光材料。在一些文獻中上轉換髮光材料特指將紅外光轉換成可見光的材料。

上轉換主要的應用領域有全固態緊湊型激光器件（紫、藍、綠區域）、上轉換熒光粉、三維立體顯示、紅外量子計數器、溫度探測器、生物分子的熒光探針、光學存儲材料等。自20世紀60年代發現上轉換髮光材料以來，人們對上轉換髮光進行了廣泛的研究。90年代后，隨著應用領域的拓寬，上轉換髮光的研究又重新活躍起來；特別是納米微粒的上轉換髮光的研究，引起了世界各國的高度重視。國內外研究方向主要集中在以氧化釔為發光基質材料，摻雜稀土金屬鐿、鉺等離子的納米微粒材料的製備方法以及其發光機制、發光效率改進等方面。