淺談稀土摻雜半導(dǎo)體發(fā)光材料

摘 要：稀土元素因其特殊的電子結(jié)構(gòu)，使得其在光致發(fā)光材料領(lǐng)域有重大的研究價值。本文從稀土材料簡介、稀土材料的光致發(fā)光特性兩方面入手，淺談了稀土元素?fù)诫s半導(dǎo)體發(fā)光材料的研究現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：稀土；半導(dǎo)體；光致發(fā)光

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.046

1 稀土材料簡介

稀土元素由化學(xué)元素周期表中第三副族的15個鑭系元素，以及性質(zhì)與其相近的鈧（Sc）和釔（Y），共17種元素組成[1]。1794年芬蘭化學(xué)家加多林發(fā)現(xiàn)了第一種稀土元素釔，因其提純的難度較大，并且其氧化物不溶于水，故冠以“稀土”這一名稱。隨著冶煉提純技術(shù)的發(fā)展，“稀土”不再稀有，但是“稀土”這一名稱沿用至今。稀土元素由于其獨特的電子殼層排布，因而具有了卓越的光、電、磁、熱等特性[2]，在軍工、電子、新材料等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。

2 稀土材料的光致發(fā)光特性

用紫外光，可見光或紅外光照射發(fā)光材料，使材料內(nèi)部高能級的激發(fā)態(tài)電子重新躍遷回低能級，與空穴復(fù)合并產(chǎn)生光輻射，我們將這一過程稱之為光致發(fā)光。稀土離子具有未充滿的4f電子殼層，受到光激發(fā)后可得到非常尖銳的特征發(fā)射譜，例如在紫外光激發(fā)下，Eu3+可得到紅色特征譜線（617nm），Tb3+可得到綠色特征譜線（545nm），Sm3+可得到紅色（617nm）和橙色（569nm）特征譜線。由于稀土離子的發(fā)光效率高，單色性好，使得稀土材料在顯示器、照明等領(lǐng)域得到了廣泛的研究與應(yīng)用，其中稀土三基色熒光燈的開發(fā)與應(yīng)用更是在照明領(lǐng)域中具有里程碑式的意義。

3 稀土元素?fù)诫s半導(dǎo)體發(fā)光材料的研究現(xiàn)狀

稀土離子摻雜的基質(zhì)材料主要以硫化物、氧化物和氮化物為主，也有部分學(xué)者以復(fù)合氧化物作為稀土離子摻雜的基質(zhì)材料。而氧化物以其優(yōu)異的化學(xué)物理穩(wěn)定性、高導(dǎo)電性，以及光滑的表面，成為了稀土離子摻雜的首選基質(zhì)材料，亦是本文的主要探討對象。

Domaradzki[3，4]及其研究組成員一直致力于稀土摻雜半導(dǎo)體光致發(fā)光薄膜的研究，其團隊采用濺射法已經(jīng)成功制備出了單摻Eu3+、Tb3+、Nd3+的TiO2薄膜和Eu、Pd共摻，Tb、Pd共摻的TiO2薄膜。其中Eu摻雜的TiO2薄膜在612nm處有強烈的紅光發(fā)射（302nm激發(fā)），Tb摻雜的TiO2薄膜在545nm處有強烈的綠光發(fā)射（302nm激發(fā)）；研究發(fā)現(xiàn)，稀土元素的摻雜量對薄膜的結(jié)晶情況以及薄膜的吸收邊有一定影響。Podhorodecki[5]采用旋涂法在陽極氧化鋁襯底上制備了Er摻雜的In2O3干凝膠薄膜，其光致發(fā)光譜顯示室溫下1.54μm處的發(fā)射來自于Er3+的4I13/2→4I15/2 電子躍遷，且當(dāng)退火溫度從600升至1000℃時，該躍遷強度增大了6倍，作者認(rèn)為在該薄膜中，能量是從In2O3 基質(zhì)向Er3+發(fā)光中心傳遞的。

國內(nèi)學(xué)者對于稀土材料的光致發(fā)光性能研究的也較多，陳海燕[7]等用熱蒸發(fā)法制備了CdS∶Y3+納米帶，并研究了該納米帶的光致發(fā)光特性；王磊[6]等采用水熱法合成了Yb3+、Er3+、Tm3+共摻雜的NaGd（WO4）2熒光粉，并得到了980nm近紅外光激發(fā)下的暖白色光。

4 結(jié)語

稀土元素以其優(yōu)異的光、電、磁、熱等特性，在軍工、光電、光通訊等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景，但是其發(fā)光機理目前尚不明確，仍是學(xué)術(shù)界討論的一個熱點領(lǐng)域。我國作為一個稀土大國，在對于稀土材料的開發(fā)應(yīng)用方面還有很長的一段路要走，開發(fā)和拓展稀土元素在軍工、光電、能源等領(lǐng)域的應(yīng)用對于我國綜合國力的增強起到了一定的助推作用。

參考文獻(xiàn)：

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[2]張希艷.稀土發(fā)光材料[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005（03）.

[3]J.Domaradzki，A.Borkowska，et al.Photoluminescence and electrical characterization of transparent Eu and Pd-doped TiO2 thin films. 6th International Conference on Advanced Semiconductor Devices and Microsystems， Smolenice，SLOVAKIA，Ieee.2006.

[4]J.Domaradzki，A.Borkowska，et al.Influence of post annealing on optical and structural properties of Eu and Pd-doped TiO2 thin films.Optica Applicata. 2007，37：51-56.

[5]A.Podhorodecki，R.Kudrawiec，J.Misiewicz，et al.1.54[mu]m

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in porous anodic alumina.Optical Materials.2006，28（6-7）：685-

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[6]陳海燕，謝延凱，劉應(yīng)開.Cd S：Y3+納米帶的制備及其光致發(fā)光特性[J].四川大學(xué)學(xué)報，2018，55（03）：601-604.

[7]王磊，薛奉金，趙冬洋等.Yb3+，Er3+，Tm3+共摻雜NaGd（WO4）2熒光粉的制備和發(fā)光性能[J].南陽師范學(xué)院學(xué)報，2018，17（04）：6-9.

作者簡介：王丹紅（1985-），女，陜西渭南人，碩士研究生，助教，研究方向：半導(dǎo)體光致發(fā)光薄膜材料。