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图1.1在立方Y2O3晶格结构中Eu3+取代Y3+离子后周围O2-的配位环境
1.1.2 氧化钇发光材料的发光机理和发光特性
对于大多数发光稀土离子掺杂的基质来说，氧化钇是一种很好的基质[5]。而对于激活剂离子来说，Eu3+、Th3+、Dy3+三种激活离子在氧化钇基质中的发光比较强,其他离子的发光则相对较弱，因而对这三种离子研究的较多。下面以Y2O3:Eu3+发光特性为例讨论研究掺杂Y2O3材料的特性及其发光机理。
图1.2 (a)Y2O3:Eu3+体材料的发射和激发光谱; (b) Y2O3:Eu3+纳米晶样品的发射和激发光谱[6]
由图1.2(a)可以看出，在紫外激发下(λ=250-260nm)，Y2O3:Eu3+纳米晶和体材料样品都在610nm处产生强烈的红光，这是由Eu3+中心的5D0 → 7F2的电偶极跃迁跃迁引起，f组态内的电偶极跃迁是宇称选择规则禁阻的，在Y2O3的立方结构中，Y (Eu)占据其中的两种点阵点，他们分别属于C2和C3i两种对称位置，在C2对称中，此晶格没有对称中心，宇称禁律可以消除，电偶极跃迁是可能的。相反在C3i对称的时候有反衍中心，宇称选择规则禁阻，所以没有电偶极跃迁。在590nm处显橙红光强度比较小的峰是由5D0 → 7F1的磁偶极跃迁引起的，磁偶极跃迁在结构上是独立的，也就说在任何对称位置都有磁偶极跃迁，所以，磁偶极跃迁可以作为衡量Eu的其他跃迁强度的内部标准。Eu3+的荧光光谱是5D → 7F组态间的跃迁，从电偶极跃迁的选择规则来看，它受宇称选择规则和自旋选择规则(∆J=0)所限制，跃迁是不允许的。但是Eu3+的自旋—轨道耦合程度较大，∆J=0的选择规则在一定程度上可以消除,不同多重性之间的跃迁是可能的。宇称禁律能否消除,决定于Eu3+在晶格中的位置。Y2O3:Eu3+晶体中，Eu3+占据部分Y的位置。但此晶格没有对称中心，宇称禁律可以消除，电偶极跃迁跃迁是可能的，因此在Y2O3:Eu3+中，Eu3+的光谱不仅能看到磁偶极跃迁的谱线，也能观察到电偶极跃迁的谱线。如上图中的5D0 → 7F2跃迁是电偶极跃迁，产生红色的荧光，由于电偶极跃迁的强度比5D0 → 7F1磁偶极跃迁的强度强，所以Y2O3:Eu3+晶体中Eu3+发出红色的荧光。
图1.3 Y2O3:Eu3+体材料和纳米晶的能级跃迁图[6]
图1.3中f-f能级间的跃迁要受到选择规则的限制，f组态内的电偶极跃迁是宇称选择规则禁阻的，而磁偶极跃迁是允许的，所以在宇称禁阻未消除时，在荧光光谱中只能观察到磁偶极跃迁光谱。但当被激的RE3+未处在晶格的对称中心时，由于晶体场的微扰，使f组态混入不同的宇称状态，宇称禁律在某种程度上被解除，因此电偶极跃迁成为可能，不但观察到磁偶极跃迁光谱，也能观察到电偶极跃迁光谱。当被激的RE3+处于晶格的对称中心时，对于电偶极跃迁来说，宇称禁律是不能解除的，一般来说，观察不到电偶极跃迁光谱。但由于晶体本身振动，使宇称禁律在某种程度上被解除，有时也能观察到电偶极跃迁带，谱带强度比RE3+未处在晶格对称中心时的相应谱带弱得多。
1.1.3 氧化钇纳米发光材料的研究现状
现在，微米尺度的荧光粉在信息显示仪器（阴极射线管、场发射显示、真空荧光显示及电致发光等）方面得到了广泛应用。随着平板显示技术的发展，对荧光粉的发光效率及稳定性等提出了更高的要求，由此引发了人们探索新型纳米尺度粉末荧光材料的兴趣。Y2O3:Eu3+体材料是一种重要的红色发光材料，最近的研究不仅集中在Y2O3:Eu3+纳米晶的制备及发光性质上，而且还有Er3+和Ho3+掺杂的Y2O3纳米晶的上转换性能以及稀土掺杂的Y2O3纳米晶的表面处理[5]。Y2O3一直以来都是一种非常好的基质材料，因为它具有简单的晶格结构，可以单掺或共掺多种激活剂，敏化剂，助熔剂等稀土和非稀土离子，从而制备研究领域更深，研究领域更广泛的氧化钇纳米发光材料。目前更多的合成氧化钇纳米发光材料的目的不仅仅局限于以前对纳米发光荧光粉发光性能的研究。更多的研究关注于发光颜色或发光强度可控性方面，同时也将此种纳米发光材料与磁性材料相结合合成复合材料用于生物医学方面，随着不同方法合成更小纳米尺寸材料的出现，近年来，纳米Y2O3:Eu3+荧光材料的研究又掀起了热潮。Y2O3:Eu3+纳米粒子已由气相压缩技术，水热法，微乳液法，燃烧法等方法制备出来。
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