鑭系稀土元素具有較大的原子半徑、豐富的電子層結構以及獨特的未填滿4f電子層特性（4f電子為價電子）。由于其4f軌道被5s和5p層部分屏蔽，稀土離子與外界配位環境的相互作用較弱，其躍遷幾乎不受外場影響，從而表現出獨特的光、電、磁，甚至化學性質。同時稀土元素的4f軌道電子未被填滿，其最外層的 兩個電子及次外層一個電子極易失去，使得一些稀土元素會出現+3價、+2或+4價態的離子，這種靈活價態特性使其成為極佳的摻雜劑，極少用量就能夠在不顯著改變基質材料主體結構的情況下，從原子/電子層面調控材料的物理和化學性質，最終有效拓展并優化材料的性能與功能。本篇文章我們一起聚焦稀土元素作為摻雜劑的多維應用！

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一、發光特性調控與應用

發光材料的組成一般包括基質，激活劑和敏化劑，而Ce、Pr、Nd、Er、Yb、Tm等稀土離子能夠通過上轉換或下轉換過程實現發光性能的調控，常作為敏化劑和激活劑使用。比如作為激活劑的Eu³⁺、Tb³⁺、Er³⁺等離子，受5s25p?電子屏蔽，其4f電子層處于內層，電子吸收能量后在禁帶內躍遷（f-f躍遷），會產生尖銳、特征性發射峰，發出純度極高的有色光（如Eu³⁺發紅光，Tb³⁺發綠光）。而Eu²⁺、Ce²⁺等低價態離子則由于4f電子易躍遷到5d軌道（f-d躍遷），能量吸收能力強，光譜呈寬帶，常作為敏化劑使用，可將吸收的能力傳遞給激活劑，增強發光效率和發光強度。

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應用：

（1）固態照明：稀土熒光粉（如YAG:Ce）將藍光轉換為黃光，混合后可實現白光LED的高效發光，而稀土三基色熒光粉（紅粉Y₂O₃:Eu、綠粉MgAl₂O₄:Ce、藍粉BaMgAl₁₀O₁₇:Eu）則可用于日光燈和節能燈，提高發光效率和顯色性。

（2）顯示與顯像：稀土發光材料用于CRT電視機的熒光屏，液晶顯示（LCD）和平板顯示（PDP）的背光源和彩色濾光片，可提供高質量的圖像顯示。

（3）生物成像：稀土熒光粉用于X射線增感屏，提高了X射線影像的清晰度和靈敏度；上轉換納米稀土發光材料（如NaYF?:Yb,Er）可將近紅外光轉換為可見光，用于細胞成像、腫瘤靶向成像和多模態成像，具有零背景熒光、高穿透深度等優勢。

（4）光電信息：Nd³⁺:Y₃Al₅O₁₂ (Nd:YAG, 1064nm), Yb³⁺:YAG (1030nm), Er³⁺:Glass/光纖 (1550nm), Ho³⁺:YLF/ZBLAN (2μm+)等是實現各類波長固態激光器的核心工作物質；Er³⁺摻雜硅基光纖放大器 (EDFA) 是長距離光通信的關鍵中繼放大器件此外，某些稀土離子（如Er³⁺, Tb³⁺, Dy³⁺）的熒光光譜或強度對溫度或壓力具有敏感性，可制作熱敏、壓敏傳感器。

二、電磁性能的調控與應用

稀土摻雜對材料電性能的調控機制主要通過以下方式實現：

1、載流子濃度與類型調控

稀土元素（如Ce、Y、La等）具有獨特的4f電子層結構，能級豐富且穩定，其摻雜可引入新的能級，調節半導體的帶隙和載流子濃度。比如Ce⁴⁺等高價稀土離子可引入自由電子，有效降低電阻，增強電子傳輸能力，形成n型半導體。而La3?等低價稀土離子則可產生空穴，形成p型半導體。

2、磁性植入與自旋調控

由于稀土離子中的4f電子是未成對電子，其自旋可產生磁矩，加之4f軌道與自旋的耦合可進一步增強磁矩。與磁性材料摻雜后，可增強材料的磁晶各向異性，提高磁損耗性能，使材料在電磁波作用下產生磁化強度變化，實現對電磁波的吸收和衰減。

3、電子結構與化學狀態調節

稀土元素的強氧親和力和獨特電子結構，使其可優先與氧結合，從而調節材料中過渡金屬的氧化態。例如，在鐵電體中，La³⁺或Sm³⁺摻雜改變Bi³⁺偏移和B位離子位移，增加活化疇總數，增強鐵電性和應變響應。

4、離子半徑與晶格結構調控

稀土元素（如Lu、Yb、Er等）具有較大的離子半徑，摻雜后可改變材料晶格參數，擴大離子擴散通道，降低離子遷移能壘。例如，在鈉離子電池正極材料中，Lu摻雜使Na-O鍵減弱，TM-O鍵增強，促進鈉離子快速擴散，提升充放電速率和容量。

目前，稀土材料通過以上機制調節材料的電磁性能，可廣泛應用于儲能、換能、信息存儲、信息傳輸等領域：

稀土磁性材料的多維應用

（來源：袁嵐峰.《稀土與磁性材料》.中國科學技術大學）

三、催化性能調控與應用

（1）提升氧化催化效率

 部分稀土離子（如Ce3?/Ce??, Pr3?/Pr??, Tb3?/Tb??）具有可逆的氧化還原能力，摻入氧化物基質中（如CeO?摻雜ZrO?形成Ce?Zr???O?固溶體）可顯著增強氧空位濃度和離子遷移率，從而在催化反應過程中提供活性氧參與氧化反應，提升氧化還原催化效率。比如在γ-Al₂ O₃催化劑載體中引入Ce、 La、Zr 等稀土元素可用于汽車尾氣脫硫領域，可顯著提高脫硫效率。

（2）抑制金屬基催化劑燒結：

高溫反應環境下金屬催化劑易發生燒結，從而導致其活性降低甚至失活。在金屬基催化劑中，RE摻雜可穩定活性金屬納米粒子，防止燒結，優化電子傳輸效率。比如，La的氧化物La₂O₃具有良好的抗燒結性能，常用作催化劑的促進劑

（3）提升活化性能

稀土元素（La、Ce和Y）作為改性元素或其氧化物作為催化劑載體，能有效調節催化劑的表面酸堿性、活性相分散度和比表面積以及金屬-載體相互作用等，從而改善催化劑的吸附和活化性能，增大產物選擇性。

（4）提升光催化效率

稀土元素摻雜二氧化鈦（TiO?）或氧化鋅（ZnO）等光催化劑，可通過引入中間能級或形成雜質態，有效減小帶隙或抑制光生電子-空穴復合，導致催化劑的光吸收發生變化，將催化劑的光響應范圍拓寬至可見光區域，從而改善催化劑的光催化效率。此外，光催化劑中摻雜稀土離子會產生表面氧空位和離子缺陷，離子缺陷會成為載 流子捕獲阱，光生電子-空穴對從而增強光催化過程。

四、陶瓷摻雜改性

當稀土離子（特別是常見價態為+3的，如La³⁺, Nd³⁺, Y³⁺, Gd³⁺, Er³⁺, Ce⁴⁺/Ce³⁺等）與主晶格中的陽離子（如Zr⁴⁺, Al³⁺, Si⁴⁺, Ba²⁺）之間存在一定的離子半徑和電荷差異時，稀土離子取代主晶格陽離子，產生氧空位以補償電荷，從而可以使亞穩態相在室溫下得以穩定，并在高溫下減少異常晶粒生長，有效細化晶粒尺寸。同時由于稀土離子傾向于富集在晶界區域，當達到一定的摻雜量并在一定燒結條件下時，可以在晶界處形成稀土化合物的第二相粒子，釘扎晶界，起到陶瓷增韌增強的作用。此外，部分稀土氧化物（如Yb₂O₃, Er₂O₃, Lu₂O₃）或與其他組分在較低溫度下能形成低共熔液相，加速物質傳輸，降低燒結溫度的同時還能促進陶瓷致密化。目前，基于以上機制，稀土摻雜廣泛應用于各種高性能陶瓷：

（1）結構陶瓷：Y₂O₃穩定氧化鋯是當前最主要的結構陶瓷之一,其晶相為室溫下穩定的亞穩四方相，在應力作用下，四方相向單斜相轉變，并吸收能量、抑制裂紋擴展，從而提高氧化鋯陶瓷的斷裂韌性，廣泛應用于耐磨部件（如噴嘴、軸承）、牙科植入體/修復體、人工關節、切刀等；氮化硅/碳化硅燒結時，以Y₂O₃、Yb₂O₃、Lu₂O₃常與Al₂O₃或MgO復合作為燒結助劑，可以形成液相促進燒結致密化，并通過形成高熔點、強結合的晶界硅酸釔相，顯著提高高溫強度、韌性和抗蠕變性。應用于發動機渦輪葉片、軸承、切削工具、換熱器部件等。

二氧化鋯相變增韌機制

（2）介電陶瓷：BaTiO₃基陶瓷中摻雜(如La³⁺, Sm³⁺, Dy³⁺)進入Ba位，可有效抑制晶粒生長，提升介電強度），展寬居里峰、改變溫度系數(TCC)、改善老化特性。X7R/Y5V等高介電常數、高穩定性的MLCC瓷料離不開稀土改性；在PZT基陶瓷中摻雜La³⁺、Nd³⁺、Sm³⁺、Ce³⁺等，優化壓電、介電性能和溫度穩定性。應用于傳感器、執行器、超聲換能器、點火器等。

（3）熱障涂層：現役的熱障涂層材料為6-8wt.%Y2O3部分穩定ZrO2（以下簡稱8YSZ），也是目前唯一可以在燃氣輪機工作的苛刻環境中長時間穩定服役的熱障涂層材料。

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