66 镝存储信息的磁性元素

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2019/6/3
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Author:Peng Li

镝是一种重要的稀土元素，它的卤化物可以用于制造镝灯，用于舞台追光或促进植物生长。镝也能用于制造磁泡材料和磁光材料，用于存储信息。此外，三价镝还能作为稀土长余辉荧光的激活剂，增加其发光时间。这是一种用途非常广泛的稀土元素。

镝的基本物理性质

分类	第ⅢB族▪金属（镧系元素）
原子序号・原子量	66(162.50)
电子配置	4f¹⁰6s²
密度	8.551g/cm³
熔点	1409°C
沸点	2562°C
色・形状	银白色金属
丰度	6ppm（地壳）
发现者	Paul Émile Lecoq de Boisbaudran
主要的同位素	¹⁵⁶Dy,¹⁵⁸Dy,¹⁶⁰Dy,¹⁶¹Dy,¹⁶²Dy,¹⁶³Dy,¹⁶⁴Dy,
用途例	镝灯、磁泡存储材料
前后的元素	铽-镝-钬

镝的发现

1787年，瑞典矿物学家Karl Arrhenius在斯德哥尔摩附近一个叫Ytterby的小村庄附近的老采石场碰到了一块像沥青一样的黑色矿石，他以村庄的名字将该矿石命名为Yteerby(实际为硅铍钇矿)。他以为自己发现了一种新的钨矿石，然后把样本交到了住在芬兰的Johan Gadolin。在1794年，Gadolin宣布它包含一种新的“钇土”，构成了其重量的38%，即氧化钇（Y₂O₃），在将其用木炭加热后也没能进一步还原。Anders Gustaf Ekeberg把这一氧化物命名为“Yttria”。Friedrich Wöhler在1828年首次通过氯化钇和钾反应制得并分离出钇的单质。

1843年， Carl Gustaf Mosander对已发现的“钇土”进行了更加彻底的研究，他发现“钇土”其实是混合物，它由三种氧化物组成，其中一种黄色的氧化物就是氧化铽。“钇土”中还包含白色的氧化钇和玫瑰红色的氧化铒。后来许多化学家通过光谱分析发现这些分离的氧化物中还存在未发现的新元素。1878年，Jean Charles和G Marignac在氧化铒中分离出了氧化镱，L.F.Nilson随后发现了氧化钪。1879年Per Theodor Cleve又分离出了氧化钬。1886年Paul Émile Lecoq de Boisbaudran又从氧化钬中分离出了氧化镝，他将这种新元素命名为dysprosium，源自希腊文dysprositos，意味“难以取得”，其元素符号定为Dy。中文名称“镝”是一个固有的古汉字，意为“箭头”，这里是根据译音借用了这个字。^[1-3]

金属镝

镝灯

镝灯是一种以镝卤化物为发光材料的高光效（>75lm/w）、高显色性、长寿命的新型气体放电光源。它利用充入的碘化镝、碘化亚铊、汞等物质发出其特有的密集型光谱，发出的光十分接近太阳光，是以金属卤化物为发光材料的灯具中的佼佼者。日光色镝灯非常适合用于电影与电视拍摄、舞台追光、码头照明与彩印光源。反射型日光色镝灯在从紫光到橙红色光的广阔光谱区间都具有辐射强度大、光线集中、光利用率高的特点。是农科试验中加速植物生长的理想光源，非常适合作为温室的人工辐射光源。

当在镝灯的发光工作物质——镝卤化物（通常是碘化镝）中掺入钬、铒、钪等元素的碘化物和溴化物时，就可以制成不同颜色的光源材料。其中绿光镝灯是非常理想的绿色照明光源。各种各样不同颜色的镝灯可以用于广场、建筑物以及广告牌等地方的照明。^[4]

镝灯

磁性存储材料

磁泡材料是指在一定外磁场作用下，表面呈现磁泡阵列的磁性材料。其主要为薄膜型材料，其单轴各向异性强，畴壁矫顽力小，迁移率高，在机械应力、温度等影响下稳定性好，化学稳定性高。（强磁性材料在一定的外加磁场作用下，其表面会形成圆柱状反磁化畴。在进行磁畴观察时，因这种圆柱状磁畴从其柱轴方向看去好像浮在材料表面的圆泡，在磁场作用下这些圆柱形磁畴可以移动，故称为磁泡畴，简称磁泡。在磁场作用下这些圆柱形磁畴可以移动。）磁泡材料可以用于制造存取速度快、结构简单、功耗低、存储密度高的信息存储、记录和逻辑元件。含镝的Dy₃Al₅O₁₂(DAG石榴石)、Dy₂Ti₂O₇和DyPO₄都是磁泡材料，可以用于飞行记录器、机器人信息存储等领域。

磁光效应是指处于磁化状态的物质与光之间发生相互作用而引起的各种光学现象。具体包括法拉第效应、克尔磁光效应、塞曼效应和科顿-穆顿效应等。这些效应均起源于物质的磁化，反映了光与物质磁性间的联系。磁光存储技术是建立在磁光效应基础上的，与磁光存储技术直接相关的是磁光克尔效应。当磁光信息记录在介质上以后，利用磁光克尔效应就可以读出信息。镝可以与铁和钴组成非晶态薄膜，这种磁化薄膜就是一种具有很强各向异性的磁光材料，存储密度高，具有较高的记录速度；由于是非晶态薄膜，它的信噪比也很高、信号质量好。目前主要的磁光材料含有铽和镝，含铽磁光材料的性能通常好于含镝磁光材料，
但是镝的价格远低于铽美因此实际应用中大多使用含镝磁光材料。^[5-8]

含镝磁泡材料磁光存储原理图

荧光粉激活剂

三价镝可以用作稀土长余辉荧光粉的激活剂。(SrAl₂O₄:Eu²⁺,Dy³⁺)是一种优良的蓝色长余辉发光材料，其发光强度、余辉亮度及余辉时间均超过传统的碱土金属硫化物发光材料，且在空气中也具有更好的稳定性。在该材料当中，Eu²⁺是激活剂，Dy³⁺是辅助激活剂。(SrAl₂O₄:Eu²⁺)也是蓝色长余辉荧光粉，但加入了Dy³⁺之后，其发光时间延长了数倍，储光发光时间长达12小时。这一掺杂手段使得(SrAl₂O₄:Eu²⁺)蓝色长余辉荧光粉的应用范围大大增加。^[9]

(SrAl₂O₄:Eu²⁺,Dy³⁺)蓝色长余辉荧光粉

参考文献

[1]Lide, David R., ed. (2007–2008). “Dysprosium”.CRC Handbook of Chemistry and Physics.4. New York: CRC Press. p. 11.ISBN 978-0-8493-0488-0.
[2]Emsley, John (2001).Nature’s Building Blocks. Oxford: Oxford University Press. pp. 129–132.ISBN 978-0-19-850341-5.
[3]Krebs, Robert E. (1998). “Dysprosium”.The History and Use of our Earth’s Chemical Elements. Greenwood Press. pp. 234–235.ISBN 978-0-313-30123-0.
[4]晓哲. 稀土元素镝及其应用[J]. 稀土信息, 2005(10):16-17.
[5]周永富, 胡德康, 王绪彬,等. 磁泡材料参数测量[J]. 磁性材料及器件, 1985(2):38-45.
[6]周静，王选章，谢文广. 磁光效应及其应用．《现代物理知识》， 2005
[7]Hashimoto S, Ochiai Y. Co/Pt and Co/Pd multilayers as magneto-optical recording materials[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 1990, 88(1): 211-226.
[8]O’handley R C. Modern magnetic materials: principles and applications[M]. New York: Wiley, 2000.
[9]周传仓, 卢忠远, 戴亚堂, et al. 共沉淀法制备超细长余辉发光材料铝酸锶铕镝的研究[J]. 稀有金属, 2005, 29(1).