“稀土”，時尚生活的“底氣”

從手機(jī)到電腦，從光纖到光源，從存儲硬盤到液晶顯示，從民生應(yīng)用到國防建設(shè)……世界因“稀土”而精彩。“稀土”作為高科技領(lǐng)域的“維生素”，一向被認(rèn)為是引領(lǐng)人們時尚生活的前衛(wèi)材料。

以功能取勝，

給“稀土”的掌聲響起來

所謂“稀土”，指的是稀土元素，包括 15 種鑭系元素加上鈧和釔兩種元素。所謂鑭系元素，是指元素周期表中原子序數(shù)為57 ～ 71 的 15 種化學(xué)元素的統(tǒng)稱，包括鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥。它們具有相似的化學(xué)性質(zhì)，因此以鑭系元素系列的方式單獨(dú)存在于元素周期表中。

“稀土”其實(shí)既不“稀”也不“土”。稀土元素在地殼中的分布相對豐富，但礦藏中的“稀土”含量非常低。稀土的應(yīng)用向來不是以量取勝，而是以超強(qiáng)的功能博得掌聲，因此才有“工業(yè)維生素”的美名。

指尖上的“稀土”，

智能生活的支撐

智能手機(jī)的普及，讓我們深刻感受到智能生活的方便和愜意。然而，要說指尖上的智能生活離不開稀土元素的支撐，你會相信嗎？

在智能手機(jī)中分布的金屬元素多達(dá)62 種，其中稀土元素扮演了不可替代的角色。在 17 種稀土元素中，有 16 種應(yīng)用于手機(jī)中。從彩色顯示屏到電子電路，再到揚(yáng)聲器、耳機(jī)，稀土元素隨處可見。

其實(shí)，智能手機(jī)中的各種金屬元素各有所長，稀土元素因其特殊的電子層結(jié)構(gòu)而具有一般元素所無法比擬的光譜性質(zhì)。五彩繽紛的手機(jī)彩屏自然離不開稀土元素的貢獻(xiàn)，如將鋱和鏑應(yīng)用于觸摸屏，可以產(chǎn)生豐富逼真的顏色。同時，用于手機(jī)屏幕顯示的稀土元素，還可以阻擋紫外線的進(jìn)入。

智能手機(jī)的線路相當(dāng)于神經(jīng)系統(tǒng)，要求具有很好的傳輸速度。在手機(jī)線路中，銅約占手機(jī)重量的 15%，主要用作元件之間的導(dǎo)電連接。黃金雖然電阻稍高了一點(diǎn)，但不會銹蝕，因此常用于某些電路的觸點(diǎn)。同時，在線路中還會用到鐠、釓、釹、鋱、鏑等多種稀土元素。

從揚(yáng)聲器到耳機(jī)，振動馬達(dá)中的磁鐵更是離不開稀土元素。如手機(jī)鈴聲就來源于釹、鋱和鏑 3 種稀土元素的振動，因此如果沒有稀土元素，手機(jī)就會變成啞巴。

稀土熒光粉：給我紫外線，

回報(bào)你光明

我們通常所說的“節(jié)能燈”，其實(shí)它的學(xué)名叫作“稀土三基色緊湊型熒光燈”。所謂“稀土三基色”，是說節(jié)能燈所使用的紅、綠、藍(lán)三種熒光粉，都是以稀土元素作為主要成分。所謂“緊湊型”，是指把熒光燈與鎮(zhèn)流器（安定器）組合成一個整體。

為什么節(jié)能燈要使用稀土三基色熒光粉呢？這還得從氣體放電燈的發(fā)光原理說起。所謂氣體放電燈，是指通過氣體放電將電能轉(zhuǎn)換為光能的一種電光源。最典型的照明用氣體放電燈有日光燈和節(jié)能燈等。

節(jié)能燈于 20 世紀(jì) 70 年代誕生于荷蘭的飛利浦公司。與日光燈一樣，節(jié)能燈是一種充有氬氣的低氣壓汞蒸氣的氣體放電燈 ， 但燈管內(nèi)壁涂有的熒光粉與日光燈是不同的。一般日光燈管內(nèi)壁涂的是鹵磷酸鈣熒光粉，而節(jié)能燈內(nèi)壁涂的是稀土三基色熒光粉。與相應(yīng)的非稀土熒光粉相比，稀土熒光粉發(fā)光效率及光色質(zhì)量等都會更好一些，使用壽命也會更長一些。

在節(jié)能燈的燈管里，參與發(fā)光的物質(zhì)有氬原子、汞原子以及稀土熒光粉。它們就像情同手足的“三兄弟”，通過高度默契的合作完成了高品質(zhì)的發(fā)光。

具體來講，節(jié)能燈不需要啟動器，它是使用電子鎮(zhèn)流器啟動的。電子鎮(zhèn)流器使用半導(dǎo)體元件先將220V的交流電整流成直流電，再用電子技術(shù)將直流或低頻交流電轉(zhuǎn)換成高頻高壓電。當(dāng)被加熱到大約1160K的溫度時，燈絲就開始發(fā)射電子了。燈管內(nèi)的氬原子在這些電子的撞擊下變得活躍起來，并不斷地撞擊汞原子，使得汞原子吸收能量躍遷到更高能級。

由于高能級是不穩(wěn)定的，因此汞原子要自發(fā)地向低能級躍遷，在躍遷的過程中就會發(fā)出紫外線。然而，紫外線為不可見光，不具有照明價(jià)值。這時候，稀土熒光粉就該登場了！節(jié)能燈在放電過程中發(fā)出的紫外線激發(fā)稀土熒光粉就會發(fā)出可見光。

看來，稀土熒光粉還真講義氣，很懂得“投桃報(bào)李”：你給我紫外線，我回報(bào)你光明。這是因?yàn)樵诠?jié)能燈管內(nèi)壁涂有稀土三基色熒光粉，使其發(fā)出的可見光呈現(xiàn)紅、綠、藍(lán)３種基色，這３種基色混在一起就能呈現(xiàn)出漂亮的白色光了。稀土三基色節(jié)能燈不但高效節(jié)能，而且使用壽命也比白熾燈高5～8倍。

LED照明：也給我來點(diǎn)“稀土”

照明用LED燈是繼緊湊型熒光燈之后的新一代照明光源，以其節(jié)能環(huán)保而被譽(yù)為照明新秀。節(jié)能燈里，稀土熒光粉扮演了“投桃報(bào)李”的角色。盡管LED燈的發(fā)光模式與節(jié)能燈迥然有別，但LED燈也呼喚“給我來點(diǎn)‘稀土’”！

為了了解LED燈的發(fā)光模式，我們需要做一些技術(shù)上的鋪墊。LED應(yīng)用于照明領(lǐng)域得益于姍姍來遲的藍(lán)光LED。曾榮獲2014年諾貝爾物理學(xué)獎的高亮度藍(lán)光LED技術(shù)，開啟了人類白光LED照明的新紀(jì)元。白光LED照明的電光轉(zhuǎn)換率在50%以上，具有十分顯著的節(jié)能效益。

LED又被稱為發(fā)光二極管，是一種固態(tài)半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的心臟為一個半導(dǎo)體晶片，由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體兩部分組成。當(dāng)把這兩種半導(dǎo)體連接起來的時候，它們之間就會形成一個“PN結(jié)”，當(dāng)通以正向電流的時候，電荷載流子相互結(jié)合而發(fā)光。

發(fā)光二極管的發(fā)光方式為電致發(fā)光，也叫電場發(fā)光，是通過加在PN結(jié)上的電場激發(fā)的電子碰擊發(fā)光中心而導(dǎo)致發(fā)光的一種物理現(xiàn)象。電致發(fā)光屬于一種主動發(fā)光過程，省去了熱輻射、紫外線或電子束等中間過程，因此具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率。

稀土熒光粉在白光LED照明中有多重要呢？白光LED可采用三種方法形成。第一種是利用藍(lán)色LED與黃色熒光粉配合形成白光，LED基片發(fā)出的藍(lán)光激發(fā)黃色熒光粉可以發(fā)出黃光，剩下的藍(lán)光與熒光粉發(fā)出的黃光混合可以得到白光。第二種是利用紫外光LED芯片激發(fā)三種熒光粉發(fā)出三基色來合成白光。第三種是通過LED紅、綠、藍(lán)三基色多芯片組發(fā)光混合而產(chǎn)生白光。由于LED燈為PN結(jié)二極管，因此只向一個方向發(fā)光，這就決定了它的亮度很好。在這個過程中，稀土熒光粉的作用不容低估。白光LED離不開四種熒光粉，即稀土三基色紅、綠、藍(lán)熒光粉以及石榴石結(jié)構(gòu)的黃色熒光粉。

當(dāng)今社會，人們的生活幾乎都與稀土元素密切相關(guān)。稀土元素讓世界變得豐富多彩，并讓我們的數(shù)字設(shè)備變得更小、更輕、更優(yōu)、更強(qiáng)。如果沒有稀土元素，智能手機(jī)也許會裝聾作啞，白光照明也許會有電無光……從民生應(yīng)用到國防建設(shè)等領(lǐng)域，都無法離開稀土這個“工業(yè)維生素”！

（摘自《百科知識》2024年07B期）