Les matériaux luminescents à base de fibre optique contenant des éléments de terres rares jouent un rôle très important dans notre vie et notre travail. Ils nous apportent de la lumière et rendent notre vie plus colorée. Les sources d'éclairage économes en énergie, les téléviseurs, les téléphones portables, les écrans d'ordinateur, les appareils d'imagerie médicale, etc. sont tous indispensables aux matériaux luminescents. Alors, que sont les matériaux luminescents ?
L'ajout d'une quantité appropriée d'éléments de terres rares aux matériaux fluorescents permet à ces derniers d'émettre une lumière de différentes couleurs. Les matériaux luminescents sont des matériaux capables de convertir une forme d'énergie absorbée en rayonnement lumineux. La lumière émise par les matériaux luminescents est une lumière froide, contrairement au rayonnement lumineux des corps chauds. Cette dernière se produit lorsqu'un objet s'écarte de l'état d'équilibre thermique sous l'effet d'une certaine forme d'énergie externe. Lorsque l'état excité revient à l'état d'équilibre initial (état fondamental), une partie de l'énergie absorbée est libérée sous forme de rayonnement lumineux. Par conséquent, contrairement au rayonnement lumineux des corps chauds dont la longueur d'onde dépend de la température, la longueur d'onde de la lumière émise par les matériaux luminescents dépend principalement de la différence d'énergie entre les niveaux d'énergie excités et les niveaux d'énergie fondamentaux.
À l'exception de La3+ et Lu3+, les ions bivalents ou trivalents des autres éléments du lanthanide sont particulièrement adaptés comme matériaux luminescents en raison de leur couche 4f incomplète. Les électrons de la couche 4f présentent une structure f-f riche à l'intérieur et entre les niveaux 4f-5d, et l'orbite 5d se trouve à la surface des ions, ce qui les rend sensibles aux changements de structure induits par les ligands environnants. Par conséquent, les spectres d'absorption, d'excitation et d'émission des matériaux luminescents à base de terres rares présentent une large gamme et une grande complexité. En prenant le gadolinium (Gd3+) comme exemple, il existe 3432 niveaux d'énergie électronique. Le spectre des ions de terres rares peut couvrir le spectre ultraviolet, le spectre visible et s'étendre jusqu'au spectre infrarouge proche, présentant des caractéristiques de luminescence que d'autres éléments ne peuvent pas atteindre ou remplacer.
Comme il y a 12 éléments de terres rares couramment utilisés dans les matériaux luminescents, exactement le même nombre que les 12 vitamines dont le corps humain a besoin, et que les terres rares sont ajoutées aux matériaux luminescents en très petites quantités, similairement aux vitamines microscopiques dont le corps humain a besoin, certaines personnes les décrivent métaphoriquement comme les "vitamines" des matériaux luminescents.
Les ions de terres rares peuvent être combinés avec des matières organiques pour former des matériaux luminescents organiques, ou être incorporés dans des matériaux inorganiques pour former des matériaux luminescents inorganiques. Les matériaux luminescents à base de terres rares peuvent être des matériaux cristallins (tels que la phosphorescence), ou des matériaux non cristallins ou amorphes (tels que le verre luminescent). Les ions de terres rares sont généralement utilisés comme activateurs ou sensibilisateurs dans les matériaux luminescents, et certains d'entre eux sont également utilisés comme matériaux de base pour les matériaux luminescents en raison de leur bonne stabilité.
Les matériaux luminescents à base de terres rares nécessitent l'absorption d'énergie et l'excitation pour émettre de la lumière, mais la forme de l'énergie absorbée peut être variée. Elle peut être l'énergie lumineuse, l'énergie électrique, ou les rayons X et les particules de haute énergie, ainsi que l'énergie chimique, l'énergie biologique ou l'énergie mécanique. Par conséquent, les matériaux luminescents à base de terres rares sont largement utilisés non seulement dans l'éclairage et l'affichage, mais aussi dans des domaines tels que la prévention des contrefaçons, la santé, la production agricole, le stockage d'informations et l'exploration spatiale.