В нашей жизни и работе очень важную роль играют светоизлучающие материалы на основе волокон с редкоземельными элементами, которые не только освещают нашу жизнь, но и делают её более разнообразной. Ежедневно мы пользуемся энергосберегающими источниками света, телевизорами, мобильными телефонами, компьютерными мониторами, медицинскими рентгеновскими аппаратами и другими устройствами, в которых используются светоизлучающие материалы. Так что же такое светоизлучающие материалы?
Добавление в флуоресцентные материалы определённого количества редкоземельных элементов позволяет им излучать свет разных цветов. Светоизлучающие материалы — это вещества, которые преобразуют поглощённую энергию в форму света. Свет, излучаемый светоизлучающими материалами, является холодным, в отличие от теплового излучения, которое происходит от высокотемпературных тел. Он возникает, когда объект отклоняется от теплового равновесия под воздействием внешней энергии, а затем, когда возбуждённое состояние возвращается в исходное равновесное состояние (базовое состояние), часть поглощённой энергии высвобождается в виде светового излучения. Таким образом, длина волны света, излучаемого светоизлучающими материалами, зависит главным образом от разницы энергии между уровнями возбуждённого и базового состояний, а не от температуры, как в случае теплового излучения.
Ионы лана (La3+) и лютеция (Lu3+), за исключением других ланоидов, имеют двухвалентные или трёхвалентные ионы, поскольку у них не полностью заполнен 4f-оболочка. Электроны в 4f-оболочке могут находиться в конфигурации f-f или f-5d, а орбита 5d находится на поверхности иона, что облегчает изменение конфигурации под воздействием окружающих лигандов. Поэтому они особенно подходят для использования в качестве светоизлучающих материалов. Спектры поглощения, возбуждения и излучения светоизлучающих материалов на основе редкоземельных элементов отличаются широким и богатым диапазоном. Взяв в качестве примера ион гадолиния (Gd3+), можно сказать, что он имеет 3432 электронных уровней. Спектр редкоземельных ионов может охватывать вакуум-ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны, демонстрируя светоизлучающие свойства, не достижимые и не заменяемые другими элементами.
Поскольку в светоизлучающих материалах используются 12 видов редкоземельных элементов, что совпадает с количеством витаминов, необходимых человеческому организму, а добавленное количество редкоземельных элементов в светоизлучающих материалах минимально, подобно микроэлементам, необходимым для человеческого организма, некоторые люди образно называют редкоземельные элементы "витаминами" светоизлучающих материалов.
Ионы редкоземельных элементов могут сочетаться с органическими веществами для образования органических светоизлучающих материалов или включаться в неорганические материалы для образования неорганических светоизлучающих материалов. Светоизлучающие материалы на основе редкоземельных элементов могут быть кристаллическими материалами (например, люминофоры), а также некристаллическими или аморфными материалами (например, люминесцентное стекло). В светоизлучающих материалах ионы редкоземельных элементов обычно используются в качестве активаторов люминесценции или сенсибилизаторов, а некоторые редкоземельные элементы также используются в качестве матричных материалов для светоизлучающих материалов благодаря их хорошей стабильности.
Светоизлучающие материалы на основе редкоземельных элементов требуют поглощения энергии и возбуждения для излучения света, но форма поглощаемой энергии может быть разной: это может быть свет, электричество, рентгеновские лучи и высокоэнергетические частицы, а также химическая, биологическая или механическая энергия. Таким образом, светоизлучающие материалы на основе редкоземельных элементов применяются не только в освещении и отображении информации, но и широко используются в таких областях, как защита от подделки, здравоохранение, сельское хозяйство, хранение информации и космические исследования.