稀土无机电致发光材料的优越性与应用

无机电致发光是指发光层及介质均为无机材料的电致激励发光现象。这类发光材料又可分为无机粉末电致发光材料和无机薄膜电致发光材料等几种类型。

3.5.1.1　稀土无机粉末电致发光材料

（1）稀土无机粉末交流电致发光材料。粉末交流电致发光，依靠交变电场激发，发光体从交变电场吸收能量。ZnS是其最主要的也是最优异的基质材料，激活剂除Cu、Al、Ga、In外，还有部分稀土元素，掺杂离子的种类和浓度不同，发光颜色不同。ZnS系列发光材料的发射光谱覆盖整个可见光，发光效率高，但亮度、寿命和颜色等差强人意。以稀土离子为激活剂的发光材料的色纯度好，例如ZnS∶Er3+，Cu3+的谱带宽度小于10nm。但是，稀土离子半径比锌离子大得多，在ZnS中溶解度很小，往往得不到好的电致发光效果。粉末电致发光模拟显示常用于计量仪器和汽车仪表盘，如以稀土材料ZnS∶TbF2为发光层、Ba TiO3为绝缘层的绿色电致发光板，交流驱动电压为80V，1k Hz时，显示亮度可达400～500cd/m2，使用寿命在5000h以上。

（2）稀土无机粉末直流电致发光材料。与前者不同，直流发光要求电流通过发光体颗粒，因此发光体与电极之间必须具有良好的接触。粉末直流电致发光板的亮度与外加电压呈非线性关系。这类发光材料也是以ZnS为基质材料，使用不同的激活剂，可以得到不同颜色的发光。Zns∶Mn2+，Cu+在直流电流的激发下能产生很强的发光，是目前最好的粉末直流电致发光材料。开发稀土激活的碱土硫化物荧光粉，可以获得多种颜色的发光，如绿色CaS∶Ce3+，Cl-、红色CaS∶Eu3+，Cl-和蓝色SrS∶Ce3+，Cl-等荧光粉，尽管它们在性能上不能尽如人意，但业已表明，它们是很有希望实现彩色粉末直流电致发光的材料。

3.5.1.2　稀土无机薄膜电致发光材料(www.xing528.com)

20世纪70年代，薄膜电致发光（TFEL）器件的出现给无机电致发光的研究带来生机，TFEL器件具有主动发光、视角大、响应速度快、寿命长、平板化、全固化、环境适应性强等优点，备受人们关注。80年代，高精细、信息容量大的TFEL显示器件已实现商业化，90年代已用于汽车等领域。目前，双绝缘层单色TFEL器件亮度可达8000cd/m2，寿命达上万小时，日本、美国和芬兰等国已将其用于计算机终端显示。由于TFEL器件的全固化，在军事和航天领域显示出独特的优势。

目前，薄膜电致发光器件一般采用交流驱动。其绝缘层具有高介电常数，主要是Si3N4、SiO2、Y2O3、Ba TiO3等材料。其发光层则要求能覆盖整个可见光区，禁带宽度大于3.5e V的发光材料（主要是稀土TFEL材料）。发光材料的基质中掺杂不同的杂质，可得到不同的发光。基质材料主要有ZnS、CaS、SrS、ZnSiO4和ZnGa2O4等，它们的禁带宽度大于3.83e V，在可见光区透明。在这些基质材料中掺杂过渡元素Mn或稀土元素Eu、Tb、Ce等，构成发光中心。

稀土无机薄膜电致发光材料主要用于显示器件，由于具有主动发光、全固体化、耐冲击、视角宽、适应温宽、工艺简单等优点使其成平板显示的最佳发光材料。平板显示即将成显示技术的主体，目前已在计算机终端，尤其是便携式计算机等方面得到了广泛的应用。稀土无机电致发光显示器件在科学仪器、便携式微机、航空航天和军事领域具有广阔的应用前景。传统的飞机座舱仪表显示屏大多采用荧光照明显示，其缺点是使用寿命短，需要外照明，要保持亮度则需定期补充荧光剂，而且荧光射线对人体有害，外照明不利于飞机夜航。而灯珠照明抗震能力弱，在飞机起降时的强烈震动下故障率高。无机电致发光屏直接将电能转化为光能进行显示，成功地解决了上述问题，已经用于J8、Y12、K8、J10等飞机座舱仪表照明显示等方面。此外，近年来稀土无机电致发光显示器件在军事上的应用也引起了人们的关注。海湾战争中，世界上最先进的MZ-1型坦克装备的计算机终端是薄膜电致发光器件。它的优良特性使它成为各类平板显示器中最适用于军事目的首选器件。据说，英国国防部下属的皇家雷达及信号中心和PPC公司等主要是为军事目的而研制开发和生产这类发光器件的机构。我国在核潜艇和炮兵射击指挥系统中也应用这类器件。可以预言，一旦蓝色发光材料的问题得到解决，无机薄膜电致发光必将成为平板显示技术的主流，稀土发光材料也将为无机薄膜电致发光实现全色显示显现它独特的优势。