浅谈稀土掺杂半导体发光材料

2023.08.14

摘要：稀土元素因其特殊的电子结构，使得其在光致发光材料领域有重大的研究价值。本文从稀土材料简介、稀土材料的光致发光特性两方面入手，浅谈了稀土元素掺杂半导体发光材料的研究现状。

关键词：稀土；半导体；光致发光

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

1 稀土材料简介

稀土元素由化学元素周期表中第三副族的15个镧系元素，以及性质与其相近的钪（Sc）和钇（Y），共17种元素组成[1]。1794年芬兰化学家加多林发现了第一种稀土元素钇，因其提纯的难度较大，并且其氧化物不溶于水，故冠以“稀土”这一名称。随着冶炼提纯技术的发展，“稀土”不再稀有，但是“稀土”这一名称沿用至今。稀土元素由于其独特的电子壳层排布，因而具有了卓越的光、电、磁、热等特性[2]，在军工、电子、新材料等领域有着非常广泛的应用。

2 稀土材料的光致发光特性

用紫外光，可见光或红外光照射发光材料，使材料内部高能级的激发态电子重新跃迁回低能级，与空穴复合并产生光辐射，我们将这一过程称之为光致发光。稀土离子具有未充满的4f电子壳层，受到光激发后可得到非常尖锐的特征发射谱，例如在紫外光激发下，Eu3+可得到红色特征谱线（617nm），Tb3+可得到绿色特征谱线（545nm），Sm3+可得到红色（617nm）和橙色（569nm）特征谱线。由于稀土离子的发光效率高，单色性好，使得稀土材料在显示器、照明等领域得到了广泛的研究与应用，其中稀土三基色荧光灯的开发与应用更是在照明领域中具有里程碑式的意义。

3 稀土元素掺杂半导体发光材料的研究现状

稀土离子掺杂的基质材料主要以硫化物、氧化物和氮化物为主，也有部分学者以复合氧化物作为稀土离子掺杂的基质材料。而氧化物以其优异的化学物理稳定性、高导电性，以及光滑的表面，成为了稀土离子掺杂的首选基质材料，亦是本文的主要探讨对象。

Domaradzki[3，4]及其研究组成员一直致力于稀土掺杂半导体光致发光薄膜的研究，其团队采用溅射法已经成功制备出了单掺Eu3+、Tb3+、Nd3+的TiO2薄膜和Eu、Pd共掺，Tb、Pd共掺的TiO2薄膜。其中Eu掺杂的TiO2薄膜在612nm处有强烈的红光发射（302nm激发），Tb掺杂的TiO2薄膜在545nm处有强烈的绿光发射（302nm激发）；研究发现，稀土元素的掺杂量对薄膜的结晶情况以及薄膜的吸收边有一定影响。Podhorodecki[5]采用旋涂法在阳极氧化铝衬底上制备了Er掺杂的In2O3干凝胶薄膜，其光致发光谱显示室温下1.54μm处的发射来自于Er3+的4I13/2→4I15/2 电子跃迁，且当退火温度从600升至1000℃时，该跃迁强度增大了6倍，作者认为在该薄膜中，能量是从In2O3 基质向Er3+发光中心传递的。

国内学者对于稀土材料的光致发光性能研究的也较多，陈海燕[7]等用热蒸发法制备了CdS∶Y3+纳米带，并研究了该纳米带的光致发光特性；王磊[6]等采用水热法合成了Yb3+、Er3+、Tm3+共掺杂的NaGd（WO4）2荧光粉，并得到了980nm近红外光激发下的暖白色光。

4 结语

稀土元素以其优异的光、电、磁、热等特性，在军工、光电、光通讯等领域具有极大的应用前景，但是其发光机理目前尚不明确，仍是学术界讨论的一个热点领域。我国作为一个稀土大国，在对于稀土材料的开发应用方面还有很长的一段路要走，开发和拓展稀土元素在军工、光电、能源等领域的应用对于我国综合国力的增强起到了一定的助推作用。

参考文献：

[1]李健宇.稀土发光材料及其应用[M].北京：化学工业出版社，2003.

[2]张希艳.稀土发光材料[M].北京：國防工业出版社，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

photoluminescence from Er-doped sol-gel derived In2O3 films embedded

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

687.

[6]陈海燕，谢延凯，刘应开.Cd S：Y3+纳米带的制备及其光致发光特性[J].四川大学学报，2018，55（03）：601-604.

[7]王磊，薛奉金，赵冬洋等.Yb3+，Er3+，Tm3+共掺杂NaGd（WO4）2荧光粉的制备和发光性能[J].南阳师范学院学报，2018，17（04）：6-9.

作者简介：王丹红（1985-），女，陕西渭南人，硕士研究生，助教，研究方向：半导体光致发光薄膜材料。