稀土激光晶体材料及其应用(徐军等)思维导图
稀土功能材料的制备与应用
稀土功能材料的制备与应用稀土功能材料是一种具有特殊功能的材料，由稀土元素组成，广泛应用于电子、光电、磁性、催化等领域。
本文将探讨稀土功能材料的制备方法以及在不同应用领域的应用。
1. 稀土功能材料的制备方法稀土功能材料的制备主要通过物理、化学和生物方法。
其中，物理方法包括沉淀法、溶胶-凝胶法和气相沉积法。
沉淀法是较为常见的制备方法，通过混合适量的稀土溶液和沉淀剂，在适当的条件下形成沉淀，经过分离、洗涤和干燥等步骤制得稀土功能材料。
溶胶-凝胶法是一种溶液凝胶形成材料的方法，通过混合稀土溶液和凝胶剂，在适当温度下形成凝胶，然后通过热处理得到稀土功能材料。
气相沉积法是通过在高温下使气态稀土在基底上沉积形成材料。
化学方法包括水热合成、溶剂热法和溶胶-凝胶法等。
生物方法则是利用生物体提取稀土元素，通过后续处理得到稀土功能材料。
2. 稀土功能材料在电子领域的应用稀土元素的特殊电子结构赋予了稀土功能材料在电子领域中的重要应用价值。
稀土功能材料常用于制备发光二极管(LED)、太阳能电池和薄膜晶体管等器件。
例如，稀土离子在LED器件中起到发光剂的作用，通过不同的稀土元素组合，可以实现不同颜色的发光效果。
稀土功能材料还可用于电池材料，提高电池的能量密度和循环寿命。
3. 稀土功能材料在光电领域的应用稀土功能材料在光电领域中具有广泛的应用，例如在激光技术、光传感器和光纤通信等领域。
稀土功能材料可用于制备激光材料，通过适当的离子掺杂和晶体结构设计，可以实现不同波长的激光发射。
在光传感器方面，稀土功能材料还可用于制备高灵敏度的光传感器，广泛应用于环境监测、生物传感和安防等领域。
4. 稀土功能材料在磁性领域的应用稀土功能材料在磁性领域中具有重要的应用价值。
稀土磁体是目前应用最广泛的磁性材料之一，用于制备永磁材料和磁记录材料等。
稀土磁体具有高矫顽力和高矫顽力的特点，可用于制备小型和高性能的电机、声学设备和磁存储器等。
总之，稀土功能材料的制备和应用涉及广泛的领域，为电子、光电、磁性、催化等行业的发展做出了重要贡献。
稀土金属及其合金
自蔓延燃烧技术的应用
到目前为止，世界各国都投入了大量的 人力物力研究SHS技术的应用，并取得了 令人瞩目的成就，合成了包括碳化物、氮 化物、硼化物、硅化物、硫化物、氢化物、 磷化பைடு நூலகம்、氧化物和复合氧化物、复合物、 有机物等500多种物质。
• SHS技术主要有以下的应用: (1)可用来制备粉体，产物多为多孔状，粉碎后即可获 得陶瓷粉体、复合粉体、金属间化合物粉体等; (2)用于烧结，利用高温的持续时间可进行一定的烧结; (3)合成催化剂; (4)将SHS过程同烧结、热压等工艺结合起来，发挥各 自优点，可直接制造陶瓷、金属陶瓷等致密件； (5)利用SHS技术对耐热金属或合金、金属间化和物、 氧化物和非氧化物陶瓷等同种或异种材料之间的焊接; (6)用于颜料和涂层。
一、制备过程中的化学热力学原理 材料制备过程是一个及其复杂的物理和化 学 的综合变化过程。包含诸如冶金过程、相 变过程、晶体生长、固溶体形成、化学反应、 烧结过程以及材料的损耗等。 根据△G=△H-T△S （吉布斯公式） 因此，反应自发性的理论判据： △G<0 自发进行 △G=0 处于平衡 △G>0 非自发进行
2、不等价离子取代
• 利用离子的不等价取代法是产生带电子的空位或 陷阱等缺陷的简便方法。在不等价离子取代中产 生的空位缺陷，可利用加入电荷补偿剂进行电荷 补偿，或者由于化合物中某一可变组分发生价态 改变而进行电荷补偿。 • 近几年来，利用不等价离子取代，产生了很多具 有特异电、磁性能和发光性能的稀土新材料。其 中研究最多的是稀土A与可变价的过渡金属B （如Mn、Fe、Co、Ni、Cu等）形成钙钛矿结构 的ABO3和层状化合物A2BO4。
• 自蔓延燃烧技术的原理 SHS技术是基于放热化学反应的基本原理， 利用外部能量诱发局部化学反应(点燃)，形成化 学反应前沿(燃烧波)，此后，化学反应在自身放 热的支持下继续进行，表现为燃烧波蔓延至整 个体系，最后合成所需的材料。这是一种高放 热反应，参与反应的物质一般在固—固，固— 气介质中进行，但最终产物一般是固态。其主 要特征是反应只需局部点火引发燃烧波，并使 其在原料中传播以实现系统的合成过程。反应 过程如图1所示
徐军光电产业中的蓝宝石晶体-大连2012年9月
提高器件的量子效率
非极性的意义---极性薄膜的缺点
c-GaN薄膜 自发极化 压电效应 量子阱中能 带发生畸变 电子空穴辐射 复合几率降低 严重影响 发光效率
C面GaN有源层，非中心对称晶体结构 静电场来源：自发极化和压电效应
解决办法：M面和a面GaN中无极化
2012年7月11日，韩国首尔半导体日前 发布非极性（Non-polar）技术LED芯 c plane(0001) 片‘nPola’ ，可在和现有LED芯片同 r plane(1 102) 等面积的情况下亮度（亮度，并非为业 内所传的发光效率）大幅提高至500lm。 n plane(1123)
1990
2005
2010
2015
2020
LED用蓝宝石需求总量分析
2012年全球MOCVD为2744台，蓝宝石衬底市场规模约为7亿美元/年，图 形化后14亿美元/年。当前大部分公司还是以2英寸衬底为主，一些公司使 用3-4英寸衬底，5-6英寸衬底的制造也已经开始起步。 2015年全球MOCVD为5000台，蓝宝石衬底市场规模约为14亿美元/年，图 形化后28亿美元/年。
(b) 生长方向为[1120]
所有生长方法均很难直接生长c向 蓝宝石晶体
样品的测试与分析（导模法片子）
其力学性能，11# 和10# 是失效的，8#和4#达到要求（窗口材料）
Sample / Test Name Bending Stress Bending Load Breaking Stress Sample 11# 1158.800 Mpa 420.258 N Sample 10# 1340.126 Mpa 465.019 N Sample 8# 6540.331 Mpa 2371.960 N Sample 4# 10904.58 Mpa 3954.731 N
新型掺杂稀土离子的可调谐激光晶体特性及应用
。
同样是 在 ２ ０ ０ ７年 ，４ ｍ 的 Ｇａ ４ ６ｎ Ｎ激 光 器 泵 浦新 型 晶体 Ｐ ： ｒＫＹ。 ， 谐 振 腔没 有 达 到 光 学 最 Ｆ。 在
优化 的时候最 高 得到 ３ ９ｍｗ 的连续 输 出 ， 阈值 是 １ ５ｍｗ＿ 。 ２ ４ ］
２ Ｎ ： 掺 杂 的激 光 晶体 ｄ３ ＋
Ｓｅ ｐ． ２ ０ ０ ８
文 章 编 号 ： ０ ６ ０ ７ ２ ０ ） ３—０ ５ ０ １ ０ —１ ３ （ ０ ８ ０ ０ ３— ７
新型掺杂稀土离子的可调谐激光晶体特性及应用
贾 玉 磊 ，张 凯云 ，焦Байду номын сангаас志 勇
（ 国石 油 大 学（ 东） 物 理科 学与技 术 学院 ，山东 青 岛 ２ ６ ５ ） 中 华 ６ ５ ５
中 图分 类 号 ： ４ ＴＮ ２ ４ 文献标 识码 ： Ａ
２ ０世 纪 ８ ０年代 初 ， ． ． ｕｔｎ发 明 了 固态 掺钛 蓝宝 石激 光器 ， 标志 着可 调谐 激光 器 技术 进 入 了一 Ｐ Ｆ Ｍｏ ｌ ｏ 它
个 新 的发展 阶段 ， 向固体 化和 全 固化发 展 的新 阶段 。可调 谐激 光 晶体 ， 由晶体基 质 和激 活离 子组 成 。激光 它 晶体 的激光性 能 与 晶体 基 质 、 活 离子 的特性 关 系极 大 。 目前 已知 的激 光 晶 体 ， 激 大致 可 以分 为 氟化 物 晶体 、 含 氧酸 盐 晶体和 氧化 物 晶体三 大类 。激 活离 子可 分为 过 渡金 属 离 子 、 稀土 离 子 及锕 系离 子 。 目前 已 知 的约 ３ ０种 激光 晶体 中 ， ２ ０种 是 掺 人稀 土作 为 激 活 离 子 的 。可 见 稀 土 在 发 展激 光 晶 体 材 料 中 的 重 要作 用 。 ２ 约 ９ 三价 和 四价稀 土 离子 （ 。 Ｒｅ 和 Ｒｅ 的 ４＊ ５ 。 ） ｆ＊ ｄ能级 问跃 迁具 有 众 多优 势 ， 以广 泛应 用 于可 调谐 固体 激 光 － 可 器 。首先 ， 级 问的跃 迁遵 循 选 择 规 则 Ａ１ １ 故 而 可 以希 望 它 们 具 有 大 的吸 收 和发 射 截 面 。其 次 ， 些 能 — ， 某 Ｒ 抖和 ＲＥ 离子 ４ ５ 一 ４ｎ Ｅ 计 ｆ ｄ ｆ跃迁 的发 射谱 在深 紫外 到 可见 光范 围 内 ， 掺杂 这些 离子 的 晶体 可 以作 为紫 外 到可见波段激光器 的增益介质 。这种 激光器在生物学 ， 医学 ， 显示技术 ， 数据存储 ， 印刷业 ， 科学研究 ， 娱乐业 等。
稀土元素在光电器件中的应用
稀土元素在光电器件中的应用近年来，随着科技的发展和对绿色环保的追求，稀土元素在光电器件中的应用越来越广泛。
稀土元素具有这样的特性：具有较强的光吸收和发射能力，能够增强光电器件的发光效率和色彩鲜艳度，使其更加适用于各种场合。
下面，我将就稀土元素在LED、固态激光器和太阳能电池等光电器件中的应用，作一番探讨。
一、稀土元素在LED中的应用LED即发光二极管，是一种半导体器件。
稀土元素加入LED材料中，能够改变LED材料的能带结构，从而改变LED的电学和光学性能，使得LED的发光效率和色彩更加理想。
例如，在红色LED中，掺入的Yttrium稀土元素使红色光线的波长变小，能量增加，使得红色LED的亮度提高，达到更加理想的效果。
二、稀土元素在固态激光器中的应用固态激光器是指以固体材料作为增益介质的激光器。
稀土元素掺杂在固态激光器晶体材料中，形成“能级跃迁”，使该材料在受到激光束作用下被激发的电子能够释放出更多的激光光子，从而提高光的浓度和亮度，使得激光器工作更加稳定可靠和高效。
三、稀土元素在太阳能电池中的应用太阳能电池是将太阳能直接转换成电能的装置。
稀土元素与太阳能电池材料的掺杂，对太阳能电池的光电转化效率和电流输出产生重要影响。
例如，在某些太阳能电池中，掺入Yttrium稀土元素，能够增加太阳能电池的导电性和光电转换效率。
通过这样的方法，太阳能电池可以更加高效地转换光能。
稀土元素在能源领域中具有广泛的应用前景。
在LED、固态激光器和太阳能电池等光电器件中，稀土元素的特性得到了广泛的发挥，为这些光电器件的性能提高做出了重要的贡献。
随着科技的不断进步，我们相信，稀土元素会在更多的光电器件领域中得到更广泛的应用。
稀土元素发光特性及其应用(精)
ty.
Keywords:rare_earth;luminescence material;laster material;fluorescence material
激光在医学上可当成/手术刀0用于眼科和牙科等外科手术.例如钬激光器[8]便可用于治疗青光眼.手术时,医生向结膜皮层插入一根石英光纤针,将钬激光器发射的激光输送到巩膜上,通过控制,在巩膜上烧出直径为0.2-0.3毫米的小孔,让一种药液泻流到结膜和巩膜之间的腔体内,以保持正常眼压,从而治愈青光眼病.脉冲钕激光器(Nd-YAG,钕钇铝石榴石已用于牙科医疗中,并逐步取代古老的钻孔机.该激光器具有1.06微米的波长,3瓦的最大输出功率,可用于治疗硬牙组织和软牙组织,还可除去牙齿腐烂物而不会让病人感觉到疼痛.另外,稀土激光材料(如Y3Al5O12Nd还可以用于激光治疗消化道息肉(包括大肠、胃、十二指肠,贲门和食管息肉、鼻咽部囊肿、咽部血管瘤等病症,均取得很好疗效[9].
第12卷第4期
化学研究Vol.12 No.42001年12月C HE MICAL RESEARC H Dec.2001
的La3+离和4f层全满的Lu3+离子以及4f层半充满的Gd3+离子为无色,其他稀土离子的颜色以Gd3+离子为对称轴,其颜色具体为[3]:
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
近年来,稀土元素作为光学高新材料的原料宝库,其价值和应用日益受到广泛的关注,世界各国都把目光投向稀土元素功能的开发上,稀土元素被称为21世纪的战略元素.稀土元素性质相似,最初是从相当稀少的矿物中,以氧化物的形态发现的.以前常把氧化物称为土,因此得名稀土.稀土元素属于元素周期表中ÓB族,它包括钪(Sc和钇(r和镧系元素在内,一共17种元素.镧系元素镧(La、铈(Ce、镨(Pr、钕(Nd、钷(Pm、钐(Sm、铕(Eu、钆(Gd、铽(Tb、镝(Dy、钬(Ho、铒(Er、铥(Tm、镱(Yb、镥(Lu.
稀土材料在光电领域中的应用
稀土材料在光电领域中的应用稀土材料是一种稀有的矿物元素，它们在光电领域中具有重要的应用价值。
在光电领域中，稀土材料可以用于制造光电器件和光学元件，以实现更高的性能和更好的功能。
本文将从两个方面详细介绍稀土材料在光电领域中的应用和作用。
一、稀土材料在光电器件中的应用稀土材料在光电器件中用途广泛，尤其是在激光器件和LED器件中具有重要的作用。
其中，最重要的是稀土元素的荧光特性。
稀土元素在激发光的照射下可以发出特定的荧光光谱，这种荧光光谱可以用于制造高效的激光器件和LED器件。
1.稀土元素在激光器件中的应用激光器件是一种非常高效的光电器件，它可以将大量的光能集中到一个非常小的区域内，从而产生高强度的光束。
稀土元素可以用于制造激光器件中的激发剂，这种激发剂可以被激发出荧光，从而产生高质量的激光。
例如，氦氖激光器就采用了稀土元素Nd:YAG晶体作为激发剂。
Nd:YAG晶体可以被激发出940nm的荧光，进而发射1064nm的激光。
Nd:YAG激光器可以用于激光打印、激光切割、激光加工等领域中。
2.稀土元素在LED器件中的应用LED技术在现代光电领域中已经得到了广泛的应用，其中稀土材料也扮演了重要的角色。
稀土元素可以用于制造LED器件中的稳定剂。
稳定剂可以提高LED器件的发光效率，同时也可以保护LED发光层不易受到氧化破坏。
稀土元素还可以用于制造LED器件中的荧光材料，这些材料可以将蓝光转换成其他颜色的光线。
例如，稀土元素YAG晶体可以将蓝光转换成黄光，从而形成白光LED。
二、稀土材料在光学元件中的应用稀土材料在光学元件中的应用同样非常广泛，尤其是在光学玻璃、激光器件和光纤传输等领域中。
其中，最常见的应用是稀土材料的荧光特性。
稀土元素在荧光体系中可以产生非常弱的吸收和较强的辐射，这种特性可以被用于制造各种高效的光学元件。
1.稀土元素在激光器件中的应用激光器件中常用的稀土材料主要包括Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:GdVO4和Nd:LuVO4等。
稀土材料在光电领域中的应用
稀土材料在光电领域中的应用随着科技的不断发展，稀土材料的应用范围也在不断扩大，其中在光电领域，稀土材料的应用尤为广泛。
稀土材料在光电器件中具有非常重要的作用，主要表现在以下三个方面。
一、荧光粉荧光粉是稀土材料的一种重要应用。
荧光材料具有吸收电子能量后，会重新发射出能量的特性，这个特性让荧光材料被广泛应用于LED灯具中，比如说在摄像头闪光灯、LED路灯、LED车灯等各种光电器件中都有着广泛应用。
例如，在LED路灯中，稀土材料的碳化铒荧光粉能够发光，使LED路灯具有更高的亮度和更好的色彩还原度。
此外，碳化铒荧光粉还可以被用来制作背光模块，提高显示屏幕的观看舒适度。
二、激光晶体稀土材料还常被用作激光晶体，具有良好的激光发射特性、较长的寿命以及优异的激光转化性能，因此被广泛应用于医疗、军事、光通讯等领域。
如在医疗领域，激光晶体可以用于医学诊断和治疗，比如可以用于角膜切割、皮肤去除、靶向癌细胞等。
除此之外，激光晶体还可以应用于飞行器导航、超精密测量等领域。
例如，目前最常用的GPS系统，就是依托于激光晶体的制作技术来实现的。
三、光纤放大器光纤放大器是另一种稀土材料在光电领域的重要应用。
光纤放大器通常由掺杂不同的稀土材料制成，例如铒、镱、钪等。
目前，光纤放大器被广泛应用于光通讯领域，主要用于光信号的传输和放大，并具有传输距离远、通讯带宽高、信号更加稳定等多种优点。
总的来说，稀土材料在光电领域中的应用非常广泛，既包括LED的荧光粉制作，也包括激光晶体、光纤放大器等多种光电器件的制造。
可以预见，随着技术不断更新，稀土材料在光电领域的应用前景将会更加广阔。
稀土在激光晶体中的应用及发展前景
激光晶体在稀土的应用及发展前景•一、激光晶体的重要性及其前景六十年代激光器的出现，开创了光学领域的崭新局面，促进了光电技术的进程和发展。
激光技术是光电子技术的核心组成部分，而激光晶体是激光器的工作物质。
自1960年第一台红宝石激光器问世以后，人们对激光工作物质进行了广泛深入的研究与探索。
固体激光晶体经历了六十年代的起步，七十年代的探索，八十年代的发展过程，固体激光晶体己从最初几种基质晶体发展到常见的数十种。
作为固体激光器的主体，激光晶体发展成固体激光技术的重要支柱。
正是由于激光晶体具有如此的重要性，才使其成为具有广阔发展前景的固体激光材料。
根据国外有关资料，世界激光器具有持续稳定增长的市场前景。
多年来各国政府在拨款方面逐渐减少，迫使各企业努力开发民用产品，采用新技术和降低成本的措施，并结合用户市场的需求开发新产品，尤其自1996丰以来，激光器市场，包括材料加工、医疗、通讯等迅速扩大，销售持续稳定的增长。
据BCC公司的统计表明，按平均年增长12.1％计，仅美国激光材料和元部件市场从1996年的4.763亿美元将达到2000年的7.653亿美元。
深圳市星鸿艺激光科技有限公司专业生产激光打标机，激光焊接机,深圳激光打标机,东莞激光打标机二十一世纪是信息化的世纪，光电子技术是信息社会发展的强大推动力，因此，光电子产业一直被认为是下世纪的重要支柱产业。
特别是许多传统产业在金融风暴的冲击下纷纷不支倒地，更使微电子和光电子等高科技产业支撑经济增长的角色日益突出。
在近二十年内，光电子产业将以30―60％的年平均速度发展，而材料的研究和开发是光电子技术发展的先导和基础，因此具有广阔的发展前景。
作为重要的光电子材料，激光晶体从科学研究到工业生产，从军用到民用，应用范围很广。
目前90％左右的激光晶体是掺入稀土作为激活离子的。
因此，稀土在激光晶体中已经成为一族很重要的元素。
由此可见，激光晶体的巨大发展将推动稀土的广泛应用。
3-1稀土发光和激光材料解析
❖（5）发射光谱 emission spectra
23
非正常价态稀土离子的光谱特性 价态的变化是引发、调节和转换材料功 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。
①+2价态稀土离子的光谱特性
② +4价态稀土离子的光谱特性
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①+2价态稀土离子的光谱特性
+2价态稀土离子(RE2+)有两种电子层构 型：4 f n-15 d1和4f n。
电子辐射的光能≤激发时吸收的能量
作为发光材料的晶体，往往有目的 地掺杂其它杂质离子以构成缺陷能级， 它们对晶体的发光起着关键作用。
7
发光是去激发的一种方式。晶体中电 子的被激发和去激发互为逆过程。
被激发和去激发可能在价带、导带和 缺陷能级中任意两个之间进行。
8
被激发和去激发发生的过程如下： ①价带与导带之间； ②价带与缺陷能级之间； ③缺陷能级与导带之间； ④两个不同能量的缺陷能级之间。
4fn-15dl构型的特点是5d轨道裸露于外 层，受外部场的影响显著。
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4fn-15dl →4fn (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。
与RE3+相比，RE2+的激发态能级间隔被 压缩，最终导致最低激发态能量降低，谱线 红移。
将混合物置于坩埚中，在1250～ 1300℃下灼烧3～5h，经选粉、过筛，得成 品。