发光是稀土元素的一个主要功能，稀土是发光材料的宝库。稀土元素独特的4f电子结构使其拥有众多的能级，发光波长涵盖从真空紫外到红外，但是目前只有为数很少的跃迁被用于发光材料，大多数跃迁未被利用。稀土离子的发光4f电子在不同能级之间的跃迁(f-f跃迁和f-d跃迁),以及4f电子与配体之间发生的电荷迁移，或与基质、缺陷和陷阱之间发生的能量交换，使稀土的发光和光吸收别具一格,在发光与激光等光学材料中获得了多方面的应用。稀土元素自身的半径、光学电负性的规律也使得它们在发光材料中起到独有的作用。

　　照明领域

　　稀土发光材料的发光功能最直接的应用领域就是照明。现在照明光源常见的有白炽灯，荧光灯，金卤灯，高压钠灯，LED灯等，其中荧光灯、金卤灯和LED灯使用到稀土元素，金卤灯的发光材料使用的稀土主要是Dy,Ho,TmEr的卤化物。由于能耗原因，白炽灯作为第一代照明产品已逐渐被停用。

　　稀土荧光灯

　　目前比较普及的照明产品是以汞蒸气放电产生的253.7纳米紫外光作为激发源的荧光灯，这种灯的光效远大于白炽灯，且显色性好。其中的发光材料是稀土三基色荧光灯粉，包括红色发光粉：氧化钇铕Y₂O₃:Eu³⁺，绿色发光粉：（CeTb）MgAl₁₁O₁₉,（LaCeTb）PO₄,蓝色荧光粉：（BaEu）MgAl₁₀O₁₇,（BaSr）MgAl₁₀O₁₇:Eu.Mn和(SrBaCa）₁₀(PO₄)₆Cl₂:Eu。据统计，2011年中国三基色荧光灯粉的产量是8650吨，基本与2010年的8500吨持平。近年来节能灯的主要技术进步在于灯具寿命更长，灯管变细和功率提高。由于荧光灯的激发光源来源于汞蒸气放电，所以对环境有害。中山大学开展了以Xe惰性气体取代汞作为激发源的无汞荧光灯工作，并与企业合作进行产品试制。

　　半导体照明(LED)

　　半导体照明光源是集节能、环保、长寿命等诸多优点于一体的新型绿色照明光源，是当前照明与显示领域的研究前沿与热点。是公认的新一代照明产品。目前，白光LED正进入显示与室内照明领域，我国LED照明相关市场预计到2015年达到5000亿人民币。实现LED照明光源技术主要有(a)由半导体芯片+发光粉，(b)红色、绿色和蓝色LED芯片发光组成一个象素实现白光。但是技术方案(b)由于芯片的寿命、成本和技术等问题仅作为技术储备，而没有在市场上出现。所以，目前LED照明技术的研发重点在于芯片+发光粉的荧光转换型的LED(pc-LED)。从LED技术链来看，芯片是上游，包括衬底(主要是蓝宝石)和半导体生长，封装是中游，应用是下游。但是从LED照明产业链来看，由于目前的技术方案是建立在芯片+发光粉的基础上的，因此，LED稀土发光粉和芯片一样，属于技术链的上游，是LED照明的核心之一，它对发光的质量如光效、色坐标、色温、色纯度和显色指数等指标起着关键的作用。

　　LED照明用荧光粉目前主要有：黄色荧光粉YAG(Y₃A_l5O₁₂:Ce),TAG(Tb₃Al₅O₁₂:Ce),(Ca,Sr,Ba)₂SiO₄:Eu,绿色荧光粉LAG(Lu₃A_l5O₁₂:Ce)，(Ba,Sr)₂SiO⁴:Eu,Ca₃Sc₂Si₃O₁₂:Ce和红色荧光粉Sr₂Si₅N₈:Eu，CaAlSiN₃:Eu，其中，使用量最大的是YAG：Ce。目前LED照明广泛采用的是蓝光LED芯片与可被蓝光有效激发的发光材料组合成白光LED。因此，高效发光材料及其制备技术发展对白光LED的发展起着重要的推动作用。围绕蓝光激发的高性能荧光粉，特别是高效的黄色、红色和绿色荧光粉的合成与性能提升以及相关器件的研制是目前国际上稀土高效发光材料与器件应用领域的前沿和热点。估计2012年国内LED荧光粉的年产量在20吨左右。国内对于LED荧光粉的主要研究单位有中山大学、中科院长春应用化学研究所、中科院长春光机与物理研究所、北京有色金属研究总院、四川新力光源、厦门通士达有限公司等。

　　交流LED的出现是在LED照明领域的重大突破。现有LED芯片皆以直流电做为驱动，而市电为交流电，直流LED器件不能直接使用，需经交/直电流转换，这样带来的问题有：电源转换设备能耗高，寿命短，产生热量大，增加LED成本。所以，直接使用交流电驱动的交流LED照明装置已经引起世界各国的重视，投入巨大的人力物力进行研发。对于交流LED照明装置来说，如何克服发光频闪是最大的难题。目前业内交流LED的研发方向集中在使用多个微晶片集成封装在一起的“交流LED芯片”为基础的照明装置。此方向的技术已被国外所垄断，形成专利壁垒。中科院长春应用化学所根据对交流LED频闪问题的深入细致的分析思考，提出从发光粉创新克服交流LED频闪瓶颈：现有LED用YAG：Ce发光粉的荧光寿命为几十纳秒级，所以交流LED芯片发光随电流波动时其发光也随之变化;但如果使用此类发光材料：其荧光寿命与交流电频率匹配如在1ms～20ms之间，这样当LED芯片不发光时发光粉仍然发光，就可以弥补交流LED电流波动导致的频闪。此种方法充分利用了发光材料的荧光寿命特性，将其与交流供电周期性相结合，利用具有特定荧光寿命的发光材料弥补了交流供电带给芯片的发光波动性，从而使交流LED照明光源在交流周期的光输出保持稳定。开辟了一条以具有特定荧光寿命发光粉为核心、完全不同于现有多芯片集成封装模式的交流LED照明方式，在知识产权上具有首创性，并在LED照明领域最大限度的发挥我国的稀土资源优势，并和四川新力光源有限公司密切合作，生产出系列产品，如球泡灯、灯管、射灯和筒灯等。其中，交流LED灯泡和灯管已通过欧盟CE认证，取得了进入欧盟市场的资格。该工作已获得2项中国发明专利授权，PCT国际专利申请已经进入国家实审阶段。

　　　除了LED，OLED被视为最新一代照明技术，但由于目前OLED器件及材料光效低、寿命短、稳定差、制备成本高，还未进入照明市场。国内中科院长春应用化学研究所和北京大学开展了稀土OLED白光照明和显示材料的研究，得到了稀土OLED照明、显示的原型器件。

　　稀土长余辉发光材料可以看作是弱光指示、节能的照明材料，此类材料能够存储日光、灯光等外界光能，然后缓慢释放，余辉时间可达12h以上。SrAl₂O₄:Eu,Dy等稀土铝酸盐长余辉材料已广泛地用于街道路牌和地铁、大厦等公共设施的紧急逃生指示标志。

　　显示领域

　　阴极射线管(CRT)，等离子电视(PDP)，液晶背光源是稀土发光材料在显示领域的主要应用终端产品。对于CRT，所用的稀土发光材料有红粉Y₂O₃:Eu³⁺Y₂O₂S:Eu³⁺,绿粉Y₂O₂S:Tb³⁺，由于CRT电视市场大部被液晶电视和PDP取代，所以CRT荧光粉的用量日渐萎缩。

　　PDP用稀土发光粉为红粉：Y(V,P)O₄：Eu³⁺和(Y,Gd)BO₃：Eu³⁺，绿粉：Y₃A₁₅O₁₂：Ce(与Zn₂SiO₄：Mn²⁺配合使用)和红粉：BaMgAl₁₀O₁₇：Eu²⁺。PDP荧光粉的技术发展方向主要是：提高红粉和绿粉亮度，改善蓝粉的稳定性和减小余辉时间(小于4毫秒)。国内研发PDP荧光粉的单位主要有中科院长春应用化学研究所，中山大学，北京有色金属研究总院。但是现有PDP荧光粉组分的专利主要集中在日韩等企业中，全球年需求约700吨市场基本被其垄断，而国内尚无厂家可以稳定、批量生产。

　　液晶背光源目前有冷阴极荧光灯(CCFL)和LED两类。CCFL用稀土发光粉为红粉:Y₂O₃：Eu³⁺,YVO₄：Eu³⁺，绿粉　2+(La,Ce,Tb)PO₄，蓝粉:BaMgAl₁₀O₁₇：Eu²⁺，(Ba,Sr,Ca)₅(PO₄)₃C_l：Eu²⁺。然而CCFL作为液晶背光源存在着寿命短，色域窄，体积大等缺点，LED日渐成为液晶背光源主流。

　　其他领域

　　稀土发光材料在照明和显示领域使用量较大。在其他一些产业中，稀土发光材料的使用量虽小但却起到核心功能作用。

　　激光材料：目前大部分稀土离子都实现了激光输出，输出波长涵盖真空紫外到红外。较常用的有多波段、多功能、全固化和小型化的激光材料YAG：Nd和大功率、高强度的激光材料如掺Nd玻璃。激光的用途极广，不予具体介绍。

　　光通信材料：与通讯用光相符的掺Er的光纤放大器。中科院长春应化所开展稀土配合物以共价键嫁接到MCM-41及SBA-15介孔材料上，成功地制备了稀土介孔杂化薄膜材料，首次得到了具有优异近红外发光性能的介孔杂化材料。在光波导放大及激光体系具有潜在的应用价值。

　　防伪材料：如掺Er，Yb的上转换发光材料，掺Eu和Tb的紫外光致发光材料。

　　辐射探测材料：利用材料能够存储辐射能，然后以热释光或光释光形式反馈所受辐照剂量的信息，具体材料如CaSO₄：Dy³⁺，SrB₄O₇:Dy³⁺等;

　　医疗用材料：能够存储X射线产生的影像存储的BaFBr：Eu被用来制作IP;能够对医用高能粒子作用下具有高光子产率，短余辉，本身具有高密度和抗辐射损伤能力的Lu₂SiO₅：Ce³⁺，Lu³A_l5O₁₂:Ce³⁺等材料作为CT,SPECT,PET用闪烁晶体，此类材料也是研究高能物理和天体物理仪器的必需材料;上转换发光材料也被用来作为生物标记和生物结构探针材料;稀土荧光生物标记材料，中科院长春应化所开展了稀土荧光免疫标记物在解离增强体系(DELFIA)中的研究，和BCPDA螯合剂合成-稀土直接标记物制备-生物素-亲合素-甲状腺球蛋白TG通用放大标记荧光体系等的研究。

　　环境敏感(传感)材料：稀土发光材料与所处的环境参数，如温度、压力等密切相关。通过监测材料的发光特性变化，可以获得所处环境的温度、压力等信息。发光材料可用来作为温度探测材料。由于发光具有直观，波长(颜色)种类多，寿命可从飞秒、皮秒和纳秒级到小时级范围内变化的特点，所以可以用来以非接触方式研究瞬、稳状态下高速运动物体、复杂几何外形物体等的整体或局部某一点的温度、压力等信息，如Y₂O₂S：Eu³⁺，Y₃A₁₅O₁₂：Dy³⁺，Er玻璃等。SrB₄O₇：Sm²⁺可被用作测高压光学传感器。中科院长春应化所研发的稀土发光测温材料已在航空航天部门得到应用。

　　稀土信息光存储材料：如光谱烧孔材料BaFCl:Sm²⁺,可擦除光存储材料SrS：Eu²⁺，Sm³⁺，可用做三维光存储的稀土发光玻璃。

　　存在的问题

　　中国稀土面临诸多问题，如价格、环境污染，产业上下游矛盾等，大力发展稀土资源深加工产品、高附加值稀土功能材料是一个有效的解决办法。稀土发光材料和其他稀土功能材料一样，最核心的问题在拥有自主知识产权的材料和稀土发光材料应用领域开拓。目前稀土使用量最大是照明和显示领域，也是目前稀土发光材料投资的热点。但是国内众多的稀土荧光灯粉和灯的生产厂家都是在为欧思朗、菲利普等大公司贴牌，利润大部都被他们获得;PDP用荧光粉被日本日亚和根本垄断;LED照明领域蓝光+YAG:Ce的专利是属于日亚的，这对于国内照明企业实行走出国门战略产生巨大影响。

　　而一些稀土用量小但起核心功能的领域却被忽视，研发投入不足。这些领域稀土用量虽小，可是附加值巨大。例如医疗用CT,SPECT,PET等仪器使用的核心功能材料稀土晶体只有几十公斤，但仪器的售价动辄上千万。对于这些使用领域来说，稀土原材料的价格是不敏感的，但发光材料研发的投入是巨大的，稀土资源的使用是高附加值的。同时，现在稀土发光材料中使用的稀土元素也是不平衡的，作为基质材料的有Y，La，Gd和Lu，其中Y使用最多;作为发光中心使用较多的有Eu，Tb，Ce，而其他元素的使用比较少。简而言之，目前我国稀土发光材料是“高产量、低产值、低端过剩、高端进口”。因此，稀土发光材料的研究要与产业密切配合：(1)根据产业现有需要深入研发、提供具有自主知识产权的稀土发光材料; (2)提供高性能材料，带动相关产业技术创新，提供新的增长点。

　　结语

　　稀土发光材料是稀土功能材料的一大种类，而且应用领域众多，发光材料对稀土资源的高值高效利用应有较大贡献。我们认为，从事稀土发光材料工作既要在实验室里夯实基础，还要走出实验室，了解国家、社会的需要，使自己的研发方向符合这些需要，研发结果满足这些需要。

　　作者单位：中国科学院长春应用化学研究所