镧系稀土元素具有较大的原子半径、丰富的电子层结构以及独特的未填满4f电子层特性（4f电子为价电子）。由于其4f轨道被5s和5p层部分屏蔽，稀土离子与外界配位环境的相互作用较弱，其跃迁几乎不受外场影响，从而表现出独特的光、电、磁，甚至化学性质。同时稀土元素的4f轨道电子未被填满，其最外层的 两个电子及次外层一个电子极易失去，使得一些稀土元素会出现+3价、+2或+4价态的离子，这种灵活价态特性使其成为极佳的掺杂剂，极少用量就能够在不显著改变基质材料主体结构的情况下，从原子/电子层面调控材料的物理和化学性质，最终有效拓展并优化材料的性能与功能。本篇文章我们一起聚焦稀土元素作为掺杂剂的多维应用！

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一、发光特性调控与应用

发光材料的组成一般包括基质，激活剂和敏化剂，而Ce、Pr、Nd、Er、Yb、Tm等稀土离子能够通过上转换或下转换过程实现发光性能的调控，常作为敏化剂和激活剂使用。比如作为激活剂的Eu³⁺、Tb³⁺、Er³⁺等离子，受5s²5p⁶电子屏蔽，其4f电子层处于内层，电子吸收能量后在禁带内跃迁（f-f跃迁），会产生尖锐、特征性发射峰，发出纯度极高的有色光（如Eu³⁺发红光，Tb³⁺发绿光）。而Eu²⁺、Ce²⁺等低价态离子则由于4f电子易跃迁到5d轨道（f-d跃迁），能量吸收能力强，光谱呈宽带，常作为敏化剂使用，可将吸收的能力传递给激活剂，增强发光效率和发光强度。

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应用：

（1）固态照明：稀土荧光粉（如YAG:Ce）将蓝光转换为黄光，混合后可实现白光LED的高效发光，而稀土三基色荧光粉（红粉Y₂O₃:Eu、绿粉MgAl₂O₄:Ce、蓝粉BaMgAl₁₀O₁₇:Eu）则可用于日光灯和节能灯，提高发光效率和显色性。

（2）显示与显像：稀土发光材料用于CRT电视机的荧光屏，液晶显示（LCD）和平板显示（PDP）的背光源和彩色滤光片，可提供高质量的图像显示。

（3）生物成像：稀土荧光粉用于X射线增感屏，提高了X射线影像的清晰度和灵敏度；上转换纳米稀土发光材料（如NaYF₄:Yb,Er）可将近红外光转换为可见光，用于细胞成像、肿瘤靶向成像和多模态成像，具有零背景荧光、高穿透深度等优势。

（4）光电信息：Nd³⁺:Y₃Al₅O₁₂ (Nd:YAG, 1064nm), Yb³⁺:YAG (1030nm), Er³⁺:Glass/光纤 (1550nm), Ho³⁺:YLF/ZBLAN (2μm+)等是实现各类波长固态激光器的核心工作物质；Er³⁺掺杂硅基光纤放大器 (EDFA) 是长距离光通信的关键中继放大器件此外，某些稀土离子（如Er³⁺, Tb³⁺, Dy³⁺）的荧光光谱或强度对温度或压力具有敏感性，可制作热敏、压敏传感器。

二、电磁性能的调控与应用

稀土掺杂对材料电性能的调控机制主要通过以下方式实现：

1、载流子浓度与类型调控

稀土元素（如Ce、Y、La等）具有独特的4f电子层结构，能级丰富且稳定，其掺杂可引入新的能级，调节半导体的带隙和载流子浓度。比如Ce⁴⁺等高价稀土离子可引入自由电子，有效降低电阻，增强电子传输能力，形成n型半导体。而La³⁺等低价稀土离子则可产生空穴，形成p型半导体。

2、磁性植入与自旋调控

由于稀土离子中的4f电子是未成对电子，其自旋可产生磁矩，加之4f轨道与自旋的耦合可进一步增强磁矩。与磁性材料掺杂后，可增强材料的磁晶各向异性，提高磁损耗性能，使材料在电磁波作用下产生磁化强度变化，实现对电磁波的吸收和衰减。

3、电子结构与化学状态调节

稀土元素的强氧亲和力和独特电子结构，使其可优先与氧结合，从而调节材料中过渡金属的氧化态。例如，在铁电体中，La³⁺或Sm³⁺掺杂改变Bi³⁺偏移和B位离子位移，增加活化畴总数，增强铁电性和应变响应。

4、离子半径与晶格结构调控

稀土元素（如Lu、Yb、Er等）具有较大的离子半径，掺杂后可改变材料晶格参数，扩大离子扩散通道，降低离子迁移能垒。例如，在钠离子电池正极材料中，Lu掺杂使Na-O键减弱，TM-O键增强，促进钠离子快速扩散，提升充放电速率和容量。

目前，稀土材料通过以上机制调节材料的电磁性能，可广泛应用于储能、换能、信息存储、信息传输等领域：

稀土磁性材料的多维应用

（来源：袁岚峰.《稀土与磁性材料》.中国科学技术大学）

三、催化性能调控与应用

（1）提升氧化催化效率

 部分稀土离子（如Ce³⁺/Ce⁴⁺, Pr³⁺/Pr⁴⁺, Tb³⁺/Tb⁴⁺）具有可逆的氧化还原能力，掺入氧化物基质中（如CeO₂掺杂ZrO₂形成CeₓZr₁₋ₓO₂固溶体）可显著增强氧空位浓度和离子迁移率，从而在催化反应过程中提供活性氧参与氧化反应，提升氧化还原催化效率。比如在γ-Al₂ O₃催化剂载体中引入Ce、 La、Zr 等稀土元素可用于汽车尾气脱硫领域，可显著提高脱硫效率。

（2）抑制金属基催化剂烧结：

高温反应环境下金属催化剂易发生烧结，从而导致其活性降低甚至失活。在金属基催化剂中，RE掺杂可稳定活性金属纳米粒子，防止烧结，优化电子传输效率。比如，La的氧化物La₂O₃具有良好的抗烧结性能，常用作催化剂的促进剂

（3）提升活化性能

稀土元素（La、Ce和Y）作为改性元素或其氧化物作为催化剂载体，能有效调节催化剂的表面酸碱性、活性相分散度和比表面积以及金属-载体相互作用等，从而改善催化剂的吸附和活化性能，增大产物选择性。

（4）提升光催化效率

稀土元素掺杂二氧化钛（TiO₂）或氧化锌（ZnO）等光催化剂，可通过引入中间能级或形成杂质态，有效减小带隙或抑制光生电子-空穴复合，导致催化剂的光吸收发生变化，将催化剂的光响应范围拓宽至可见光区域，从而改善催化剂的光催化效率。此外，光催化剂中掺杂稀土离子会产生表面氧空位和离子缺陷，离子缺陷会成为载 流子捕获阱，光生电子-空穴对从而增强光催化过程。

四、陶瓷掺杂改性

当稀土离子（特别是常见价态为+3的，如La³⁺, Nd³⁺, Y³⁺, Gd³⁺, Er³⁺, Ce⁴⁺/Ce³⁺等）与主晶格中的阳离子（如Zr⁴⁺, Al³⁺, Si⁴⁺, Ba²⁺）之间存在一定的离子半径和电荷差异时，稀土离子取代主晶格阳离子，产生氧空位以补偿电荷，从而可以使亚稳态相在室温下得以稳定，并在高温下减少异常晶粒生长，有效细化晶粒尺寸。同时由于稀土离子倾向于富集在晶界区域，当达到一定的掺杂量并在一定烧结条件下时，可以在晶界处形成稀土化合物的第二相粒子，钉扎晶界，起到陶瓷增韧增强的作用。此外，部分稀土氧化物（如Yb₂O₃, Er₂O₃, Lu₂O₃）或与其他组分在较低温度下能形成低共熔液相，加速物质传输，降低烧结温度的同时还能促进陶瓷致密化。目前，基于以上机制，稀土掺杂广泛应用于各种高性能陶瓷：

（1）结构陶瓷：Y₂O₃稳定氧化锆是当前最主要的结构陶瓷之一,其晶相为室温下稳定的亚稳四方相，在应力作用下，四方相向单斜相转变，并吸收能量、抑制裂纹扩展，从而提高氧化锆陶瓷的断裂韧性，广泛应用于耐磨部件（如喷嘴、轴承）、牙科植入体/修复体、人工关节、切刀等；氮化硅/碳化硅烧结时，以Y₂O₃、Yb₂O₃、Lu₂O₃常与Al₂O₃或MgO复合作为烧结助剂，可以形成液相促进烧结致密化，并通过形成高熔点、强结合的晶界硅酸钇相，显著提高高温强度、韧性和抗蠕变性。应用于发动机涡轮叶片、轴承、切削工具、换热器部件等。

二氧化锆相变增韧机制

（2）介电陶瓷：BaTiO₃基陶瓷中掺杂(如La³⁺, Sm³⁺, Dy³⁺)进入Ba位，可有效抑制晶粒生长，提升介电强度），展宽居里峰、改变温度系数(TCC)、改善老化特性。X7R/Y5V等高介电常数、高稳定性的MLCC瓷料离不开稀土改性；在PZT基陶瓷中掺杂La³⁺、Nd³⁺、Sm³⁺、Ce³⁺等，优化压电、介电性能和温度稳定性。应用于传感器、执行器、超声换能器、点火器等。

（3）热障涂层：现役的热障涂层材料为6-8wt.%Y2O3部分稳定ZrO2（以下简称8YSZ），也是目前唯一可以在燃气轮机工作的苛刻环境中长时间稳定服役的热障涂层材料。

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