稀土元素是一组化学性质十分相似的元素,由钪(Sc)、钇(Y)和从镧(La)到镥(Lu)的大约17种镧系元素构成。稀土离子的光谱特性主要取决于稀土离子特殊的电子组态,[Xe]4fn5dm6s2。由于稀土元素具有未充满的4f电子壳层,其原子或离子的光谱可观察到的谱线多达三万多条。稀土离子的发射光谱可从紫外、可见光到红外区域。稀土离子可用电子束、电场、X射线等射线激发而产生发光现象。这些特性奠定了稀土发光材料的基础。
由于稀土离子独特的电子结构,稀土离子掺杂的无机荧光粉展现出了许多独特的发光特性,比如稀土Eu2+和Dy3+掺杂SrAl2O4荧光粉展现出了长余辉发光的性质。对一个无机化合物来说,在高能射线或光子激发下,比如X-ray、β-ray或γ-ray,自由载流子(电子与空穴)能一定量的产生。长余辉发光材料是一类具有存储自由载流子于基质缺陷陷阱中的光存储材料。在过去约十年中,吕天帅老师主要集中于研究稀土与铋离子掺杂的长余辉发光材料。图1给出了吕老师最近发表在国际著名权威期刊Laser & Photonics Reviews上的一个代表性工作。该工作深入研究了一种Bi3+与Dy3+掺杂LiTaO3荧光粉的长余辉发光与光致变色特性,并展示了其在信息存储与光电探测方向的潜在运用。

图7 稀土离子掺杂长余辉发光与光致变色荧光粉的实物图(T. Lyu*, P. Dorenbos, C. Li, Z. Wei*, Laser & Photonics Reviews 2022, 2200055)。
结合前期的研究基础优势,未来的研究将集中在以下几个方法开展工作:(1)稀土掺杂荧光粉的发光亮度与晶体结构、粒径大小、稀土元素特性的关系;(2)理性探索高亮长余辉发光与光存储材料。(3)理性探索稀土掺杂应力发光材料。4)开发基于稀土离子掺杂荧光粉的先进应用,如信息存储、防伪、X射线成像、基于应力发光的先进智能传感器。