淺談稀土摻雜半導體發光材料

摘 要：稀土元素因其特殊的電子結構，使得其在光致發光材料領域有重大的研究價值。本文從稀土材料簡介、稀土材料的光致發光特性兩方面入手，淺談了稀土元素摻雜半導體發光材料的研究現狀。

關鍵詞：稀土；半導體；光致發光

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

1 稀土材料簡介

稀土元素由化學元素周期表中第三副族的15個鑭系元素，以及性質與其相近的鈧（Sc）和釔（Y），共17種元素組成[1]。1794年芬蘭化學家加多林發現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。隨著冶煉提純技術的發展，“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、新材料等領域有著非常廣泛的應用。

2 稀土材料的光致發光特性

用紫外光，可見光或紅外光照射發光材料，使材料內部高能級的激發態電子重新躍遷回低能級，與空穴復合并產生光輻射，我們將這一過程稱之為光致發光。稀土離子具有未充滿的4f電子殼層，受到光激發后可得到非常尖銳的特征發射譜，例如在紫外光激發下，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。由于稀土離子的發光效率高，單色性好，使得稀土材料在顯示器、照明等領域得到了廣泛的研究與應用，其中稀土三基色熒光燈的開發與應用更是在照明領域中具有里程碑式的意義。

3 稀土元素摻雜半導體發光材料的研究現狀

稀土離子摻雜的基質材料主要以硫化物、氧化物和氮化物為主，也有部分學者以復合氧化物作為稀土離子摻雜的基質材料。而氧化物以其優異的化學物理穩定性、高導電性，以及光滑的表面，成為了稀土離子摻雜的首選基質材料，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體光致發光薄膜的研究，其團隊采用濺射法已經成功制備出了單摻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處有強烈的紅光發射（302nm激發），Tb摻雜的TiO2薄膜在545nm處有強烈的綠光發射（302nm激發）；研究發現，稀土元素的摻雜量對薄膜的結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，其光致發光譜顯示室溫下1.54μm處的發射來自于Er3+的4I13/2→4I15/2 電子躍遷，且當退火溫度從600升至1000℃時，該躍遷強度增大了6倍，作者認為在該薄膜中，能量是從In2O3 基質向Er3+發光中心傳遞的。

國內學者對于稀土材料的光致發光性能研究的也較多，陳海燕[7]等用熱蒸發法制備了CdS∶Y3+納米帶，并研究了該納米帶的光致發光特性；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近紅外光激發下的暖白色光。

4 結語

稀土元素以其優異的光、電、磁、熱等特性，在軍工、光電、光通訊等領域具有極大的應用前景，但是其發光機理目前尚不明確，仍是學術界討論的一個熱點領域。我國作為一個稀土大國，在對于稀土材料的開發應用方面還有很長的一段路要走，開發和拓展稀土元素在軍工、光電、能源等領域的應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：

[1]李健宇.稀土發光材料及其應用[M].北京：化學工業出版社，2003.

[2]張希艷.稀土發光材料[M].北京：國防工業出版社，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]陳海燕，謝延凱，劉應開.Cd S：Y3+納米帶的制備及其光致發光特性[J].四川大學學報，2018，55（03）：601-604.

[7]王磊，薛奉金，趙冬洋等.Yb3+，Er3+，Tm3+共摻雜NaGd（WO4）2熒光粉的制備和發光性能[J].南陽師范學院學報，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：半導體光致發光薄膜材料。