熒光光譜實驗稀土發(fā)光材料光譜特性的研究在現(xiàn)代技術中，固體發(fā)光在光源、顯示、光電子學器件和輻射探測器等方面都有廣泛的應用。在物理研究中，發(fā)光光譜是研究固體中電子狀態(tài)、電子躍遷過程以及電子一晶格相互作用等物理問題的一種常用方法。本實驗主要研究固體的熒光光譜。通過固體粉末材料一稀土發(fā)光材料材料熒光光譜的測定，了解固體熒光產生的機理和一些相關的概念，學習熒光光譜儀的結構和工作原理，掌握熒光光譜的測量方法，并對熒光光譜在物質特性分析和生產實際中的應用有初步的了解。一、實驗目的了解固體熒光產生的機理和一些相關的概念；學習熒光光譜儀的結構和工作原理；掌握熒光光譜的測量方法；對熒光光譜在物質特性分析和實際中的應用有初步的了解。二、儀器用具日本島津RF5301PC熒光分光光度計，稀土發(fā)光材料試樣。三、實驗原理有關光譜的基本概念光譜：光的強度隨波長（或頻率）變化的關系稱為光譜。光譜的分類：按照產生光譜的物質類型的不同，可以分為原子光譜、分子光譜、固體光譜；按照產生光譜的方式不同，可以分為發(fā)射光譜、吸收光譜和散射光譜；按照光譜的性質和形狀，又可分為線光譜、帶光譜和連續(xù)光譜；而按照產生光譜的光源類型，可分為常規(guī)光譜和激光光譜。光譜分析法：光與物質相互作用引起光的吸收、發(fā)射或散射（反射、透射為均勻物質中的散射）等，這些現(xiàn)象的規(guī)律是和物質的組成、含量、原子分子和電子結構及其運動狀態(tài)有關的。以測光的吸收、散射和發(fā)射等強度與波長的變化關系（光譜）為基礎而了解物質特性的方法，稱為光譜分析法。發(fā)射光（發(fā)光）：發(fā)光是物體內部將以某種方式吸收的能量轉化為光輻射的過程，它區(qū)別于熱輻射，是一種非平衡輻射；又與反射、散射和韌致輻射等不同，其特點是輻射時間較長，即外界激發(fā)停止后，發(fā)光可以延續(xù)較長時期（10-iis以上），而反射、散射和韌致輻射的輻射期間在10-14下。熒光：某些物質受到光照射時，除吸收某種波長的光之外還會發(fā)射出比原來所吸收光的波長更長的光，這種現(xiàn)象稱為光致發(fā)光（photluminescence，PL），所發(fā)的光稱為熒光。

熒光光譜分析法：利用物質吸收光所產生的熒光光譜對物質特性進行分析測定的方法，稱為熒光分析法。熒光分析法歷史悠久，1867年人們就建立了用鋁一桑色素體系測定微量鋁熒光分析法到19世紀末，已經發(fā)現(xiàn)包括熒光素、曙紅、多環(huán)芳烴等600多種熒光化合物。進入20世紀80年代以來，由于激光、計算機、光導纖維傳感技術和電子學新成就等科學新技術的引入，大大推動了熒光分析理論的進步，加速了各式各樣新型熒光分析儀器的問世，使之不斷朝著高效、痕量、微觀和自動化的方向發(fā)展，建立了諸如同步、導數(shù)、時間分辨和三維熒光光譜等新的熒光分析技術。固體的熒光圖1固體的能帶結構圖（激發(fā)態(tài)）的較高能級，然后通過無輻（1）熒光產生的機理圖1固體的能帶結構圖（激發(fā)態(tài)）的較高能級，然后通過無輻固體的能級具有帶狀結構，其結構示意圖如圖1所示。其中被電子填充的最高能帶稱為價帶，末被電子填充的帶稱為空帶（導帶），不能被電子填充的帶稱為禁帶。當固體中摻有雜質時，還會在禁帶中形成與雜質相關的雜質能級。當固體受到光照而被激發(fā)時，固體中的粒子（原了、離子等）便會從價帶（基態(tài)）躍進到導帶射躍遷回到導帶（激發(fā)態(tài)）的最低能級，最后通過輻射或無輻射躍遷回到價帶（基態(tài)或能量較低的激發(fā)態(tài)），粒子通過輻射躍遷返回到價帶（基態(tài)或能量較低的激發(fā)態(tài)）時所發(fā)射的光即為熒光，其相應的能量為hv（hv1）o以上熒光產生過程只是眾多可能產生熒光途徑中的2個特例，實際上固體中還有許多可以產生熒光的途徑，過程也遠比上述過程復雜的多，有興趣的同學可參看固體光譜學的有關資料。熒光光強七正比于價帶（基態(tài)）粒子對某一頻率激發(fā)光的吸收強度I.,即有1廣①⑴式中①是熒光量子效率，表示發(fā)射熒光光子數(shù)與吸收激發(fā)光子數(shù)之比。若激發(fā)光源是穩(wěn)定的,入射光是平行而均勻的光束，自吸收可忽略不計，則吸收強度I與激發(fā)光強度I成正a0比，且根據(jù)吸收定律可表示為I=IA（1-e-en）（2）式中A為有效受光照面積，d為吸收；光程長，a為材料的吸收系數(shù)，N為材料中吸收光的基態(tài)與激發(fā)態(tài)粒子的位置坐標圖2位形坐標模型與吸收、發(fā)射光過程示意圖離子濃度?；鶓B(tài)與激發(fā)態(tài)粒子的位置坐標圖2位形坐標模型與吸收、發(fā)射光過程示意圖（2）熒光輻射光譜和熒光激發(fā)光譜熒光物質都具有兩個特征光譜，即輻射光譜或稱熒光光譜（fluorescencespectrum）和熒光激發(fā)光譜（excitationspectrum）。前者反映了與輻射躍遷有關的固體材料的特性，而后者則反映了與光吸收有關的固體材料的特性。

熒光輻射光譜：材料受光激發(fā)時所發(fā)射出的某一波長處的熒光的能量隨激發(fā)光波長變化的關系。熒光激發(fā)光譜：在一定波長光激發(fā)下，材料所發(fā)射的熒光的能量隨其波長變化的關系。熒光輻射譜的峰值波長總是小熒光激發(fā)譜的峰值波長，即產生所謂斯托克斯頻移。產生這種頻移的原因可從從圖2的位形坐標圖中找到(為什么？)。通過測量和分析熒光材料的兩個特征光譜可以獲得以下幾方面的信息：引起發(fā)光的復合機制；材料中是否含有未知雜質；材料及雜質或缺陷的能級結構。熒光分光度計用于測定熒光譜的儀器稱為熒光分光度計。熒光分光光度計的主要部件有：激發(fā)光圖3熒光分光光度計結構示意圖源、激發(fā)單色器(置于樣品池后)、發(fā)射單色器(置于樣品池后)、樣品池及檢測系統(tǒng)組成。其結構如圖3所示。熒光分光光度計一般采用氙燈作光源，氙燈燈所發(fā)射的譜線強度大，而且是連續(xù)光譜、連續(xù)分布在250-700nm波長范圍內，并且在300-400nm波長之間的譜線強圖3熒光分光光度計結構示意圖激發(fā)光經激發(fā)單色器分光后照射到樣品室中的被測物質上，物質發(fā)射的熒光再經發(fā)射單色器分光后經光電倍增管檢測，光電倍增管檢測的信號經放大處理后送入計算機的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)從而得到所測的光譜。計算機除具有數(shù)據(jù)采集和處理的功能外，還具有控制光源、單色器及檢測器協(xié)調工作的功能。稀土發(fā)光材料(RareEarthLuminescentMaterials)稀土發(fā)光材料簡介在稀土功能材料的發(fā)展中，尤其以稀土發(fā)光材料格外引人注目。稀土因其特殊的電子層結構，而具有一般元素所無法比擬的光譜性質，稀土發(fā)光幾乎覆蓋了整個固體發(fā)光的范疇，只要談到發(fā)光，幾乎離不開稀土。稀土元素的原子具有未充滿的受到外界屏蔽的4f5d電子組態(tài)，因此有豐富的電子能級和長壽命激發(fā)態(tài)，能級躍遷通道多達20余萬個，可以產生多種多樣的輻射吸收和發(fā)射，構成廣泛的發(fā)光和激光材料。隨著稀土分離、提純技術的進步，以及相關技術的促進，稀土發(fā)光材料的研究和應用得到顯著發(fā)展。發(fā)光是稀土化合物光、電、磁三大功能中最突出的功能，受到人們極大的關注。就世界和美國24種稀土應用領域的消費分析結果來看，稀土發(fā)光材料的產值和價格均位于前列。中國的稀土應用研究中，發(fā)光材料占主要地位。稀土發(fā)光材料發(fā)光機理稀土化合物的發(fā)光是基于它們的4f電子在f-f組態(tài)之內或f-d組態(tài)之間的躍遷。具有未充滿的4f殼層的稀土原子或離子，其光譜大約有30000條可觀察到的譜線，它們可以發(fā)射從紫外光、可見光到紅外光區(qū)的各種波長的電磁輻射。稀土離子豐富的能級和4f電子的躍遷特性，使稀土成為巨大的發(fā)光寶庫，從中可發(fā)掘出更多新型的發(fā)光材料。（3）稀土發(fā)光材料的應用稀土發(fā)光材料的應用會給光源帶來環(huán)保節(jié)能、色彩顯色性能好及長壽命的作用，有利于推動照明顯示領域產品的更新?lián)Q代。目前，我國稀土發(fā)光材料行業(yè)緊跟國際稀土發(fā)光材料研發(fā)和應用的發(fā)展潮流，與下游產業(yè)之間建立了良好的市場互動機制，成為節(jié)能照明和電子信息產業(yè)發(fā)展過程中不可或缺的基礎材料。除上述領域外，稀土發(fā)光材料還被廣泛應用于促進植物生長、紫外消毒、醫(yī)療保健、夜光顯示和模擬自然光的全光譜光源等特種光源和器材的生產，應用領域不斷得到拓展。四、實驗內容稀土發(fā)光材料熒光發(fā)射光譜和熒光激發(fā)光譜的測量利用RF5301PC熒光分光光度測試熒光激發(fā)光譜和熒光輻射光譜（RF5301PC型熒光分光光度計的測量波長范圍在200nm?800nm）熒光激發(fā)光譜測試：將測試樣品放入樣品盒中。選擇合適的熒光輻射波長（可根據(jù)樣品在自然光下的體色來選擇），改變激發(fā)光的波長同時測定所選定的熒光輻射波長的能量隨激發(fā)光波長變化的關系，就得到了激發(fā)光譜。（本實驗所用樣品的熒光輻射波長為xxxnm）。熒光發(fā)射光譜測試：將測試樣品放入樣品盒中。選擇合適的激發(fā)光波長（選擇熒光激發(fā)光譜中激發(fā)靈敏度較高的波長），改變熒光的波長同時測定其能量隨