高等经济大学和俄罗斯科学院石油化工合成研究所的研究人员发现了一种控制稀土元素发光颜色和亮度的方法。通常，这些元素的发光具有高度可预测性。例如，铈离子通常发出紫外线范围内的光。
然而，科学家们证明这种发射是可以改变的。通过创造一种特定的化学环境，他们使铈离子发出黄光，而不是通常的紫外光。这些发现可能有助于开发先进的光源、显示技术和激光系统。这项研究发表在《光学材料》杂志上。
稀土元素在微电子器件、LED和荧光材料中发挥着重要作用，因为它们能够发出颜色精准的光。这种能力源于稀土元素电子吸收和释放能量时的行为。
当原子从光源（例如光或电流）吸收能量时，其中一个电子会跃迁到更高的能级。这种激发态是不稳定的。短暂的时间后，电子会回到原来的能级，并以光的形式释放多余的能量。这个过程被称为发光。
轨道跃迁及其典型稳定性
在稀土元素中，辉光是由4f轨道（原子核周围电子可以驻留的区域）之间的电子跃迁产生的。通常，这些跃迁的能量是固定的，这意味着辉光的颜色保持不变：铈发出不可见的紫外光，而铽发出绿光。
4f轨道位于原子深处，与周围环境的相互作用极小。相比之下，5d轨道对外界影响敏感，但由于其能量过高，通常对镧系元素的发光没有贡献。
合成铈配合物及其分子结构的照片。图片来源：Dmitrii Roitershtein
然而，高等经济大学和俄罗斯科学院石油化工合成研究所的科学家已经证明，通过调整金属的化学环境可以改变辐射的颜色。他们利用有机配体（包围金属离子的分子）合成了铈、镨和铽的配合物。这些配体塑造了配合物的几何形状并影响其性质。在所有情况下，三个环戊二烯基阴离子都对称地排列在金属周围。
这些阴离子由正五边形的碳原子组成，较大的有机片段附着于其上，为复合物提供所需的结构。这种环境在离子周围产生特定的静电场，从而改变5d轨道的能量，进而影响发光光谱。
揭开变化背后的机制
“此前，人们曾观察到辉光颜色的变化，但其潜在机制尚不明确。现在，我们与物理学家同事合作，终于能够理解这种效应背后的机制。我们特意设计了镧系元素中电子结构非典型的化合物。我们没有专注于单一实例，而是合成了从铈到铽的一系列化合物，以观察它们的性质如何变化，并找出其中的共同模式。”高等经济学院化学系硕士生丹尼尔·巴尔多诺夫（Daniil Bardonov）评论道。
在传统化合物中，铈发射波长在300至400纳米之间的紫外光。在新的络合物中，其发射波长移至红光范围，最高达655纳米。这表明4f能级和5d能级之间的能隙减小了。在所研究的其他镧系元素中也观察到了类似的电子能级重排，这也导致了它们的发光特性发生变化。
“要理解这一过程的运作方式，首先必须掌握能量转移的机制。通常情况下，配体分子吸收紫外线，进入激发态，然后将能量转移给金属原子，使其发光，”分子系统与材料化学项目学术主管、论文合著者Dmitrii Roitershtein解释说。“然而，在新化合物中，这个过程有所不同：能量并非直接转移到4f电子，而是通过一个中间的5d态。”
研究人员认为，能够预测发光光谱将使我们能够更有效地设计具有所需特性的材料，而无需耗时的反复试验。这可能会促进新型先进光源的创造。
“我们能够精确地演示原子环境如何影响其电子跃迁和镧系元素发光，”高等经济学院化学系本科生费奥多尔·切尔年基（Fyodor Chernenkiy）说道。“我们现在可以有意选择化合物的结构来控制发光，并生产具有特定光学特性的材料。”
编译自/ScitechDaily
