Os materiais fotoluminescentes que utilizam elementos de terras raras desempenham um papel muito importante nas nossas vidas e no nosso trabalho, proporcionando-nos luz e tornando as nossas vidas mais coloridas. Os fontes de luz energeticamente eficientes, televisores, telemóveis, monitores de computador e outros dispositivos que utilizamos diariamente dependem dos materiais fotoluminescentes. Então, o que são materiais fotoluminescentes?
A adição de uma quantidade adequada de elementos de terras raras aos materiais fluorescentes permite que estes emitem luz de diferentes cores. Os materiais fotoluminescentes são materiais capazes de converter a energia absorvida de uma forma em radiação luminosa. A luz emitida pelos materiais fotoluminescentes é luz fria, diferente da radiação de luz de corpos quentes. Quando um objeto é estimulado por uma forma externa de energia, ele desvia do seu estado de equilíbrio térmico. Quando o estado excitado regressa ao estado de equilíbrio original (estado fundamental), parte da energia absorvida é libertada sob a forma de radiação luminosa. Assim, ao contrário da radiação de luz de corpos quentes, cujo comprimento de onda depende da temperatura, o comprimento de onda da luz emitida pelos materiais fotoluminescentes depende principalmente da diferença de energia entre os níveis de energia do estado excitado e do estado fundamental.
Os iões de lantanídeos, com exceção de La3+ e Lu3+, são particularmente adequados como materiais fotoluminescentes, pois têm uma camada 4f incompleta. Os eletrões 4f apresentam uma rica estrutura de níveis de energia dentro da configuração 4f-4f e entre os níveis 4f-5d, e a órbita 5d situa-se na superfície do ião, sendo facilmente afetada pelos ligandos circundantes, o que provoca alterações na estrutura de níveis de energia. Por este motivo, o espetro de absorção, excitação e emissão dos materiais fotoluminescentes é amplo e complexo.
Tomando o ião Gd3+ como exemplo, este tem 3432 níveis de energia eletrónica. O espetro dos iões de terras raras pode abranger o ultravioleta a vácuo, a luz visível e até o espetro do infravermelho próximo, apresentando características de emissão de luz que não podem ser alcançadas ou substituídas por outros elementos.
Como os materiais fotoluminescentes comuns utilizam 12 elementos de terras raras, coincidindo com o número de vitaminas necessárias ao corpo humano, e a quantidade de terras raras adicionadas aos materiais fotoluminescentes é mínima, semelhante às vitaminas microscópicas necessárias ao corpo humano, algumas pessoas referem-se metaforicamente às terras raras como as "vitaminas" dos materiais fotoluminescentes.
Os iões de terras raras podem formar materiais fotoluminescentes orgânicos quando combinados com compostos orgânicos, ou materiais fotoluminescentes inorgânicos quando incorporados em materiais inorgânicos. Os materiais fotoluminescentes de terras raras podem ser materiais cristalinos (como fosforos), ou materiais não cristalinos ou amorfos (como vidros fotoluminescentes). Os iões de terras raras são geralmente utilizados como ativadores de centros de luz ou sensibilizadores em materiais fotoluminescentes, e alguns raros também são utilizados como materiais de base devido à sua boa estabilidade.
Os materiais fotoluminescentes de terras raras necessitam de absorver energia e ser estimulados para emitir luz, mas a forma de energia absorvida pode ser diversificada, incluindo energia luminosa, energia elétrica, raios X e partículas de alta energia, bem como energia química, energia biológica ou energia mecânica. Por este motivo, para além da sua utilização na iluminação e na visualização, os materiais fotoluminescentes de terras raras também são amplamente utilizados em domínios como a anticontrafação, a saúde, a produção agrícola, o armazenamento de informação e a exploração espacial.