Question

固體發光材料是一種能將激發的能量轉變為可見光的固體物質。在基質中摻入雜質，含量可達千分之幾或百分之幾，可調整發光效率、余輝及發光光譜。如在剛玉Al₂O₃基質中摻入0.05~1.0%的Cr^3＋及在Y₂O₃基質中摻入Eu^3＋等均可制成固體發光材料。
⑴推測Al₂O₃基質中摻入Cr^3＋的發光原理。
⑵Y₂O₃屬立方晶系，將Y₂O₃的立方晶胞分為8個小立方體，Y在小立方體的面心和頂點，O位于小立方體內的四面體空隙，畫出這樣四個小立方體，指出Y和O的配位數。

Answer 1

⑴Al^3＋和O^2－是滿殼層電子結構，能隙大，電子不易激發，故無色；（2分）
摻入的Cr^3＋是過渡金屬，具有3d電子，在晶體中置換部分Al^3＋形成較低的激發態能級，兩個強吸收帶分別吸收黃綠色及藍色的光，只有紅光透過，因而摻Cr^3＋的剛玉呈絢麗的紅色，稱為紅寶石。（3分）
⑵（4分）
Y的O的配位數為6，O的Y配位數為4。（1分）

⑴本題考察學生對主族元素、過渡金屬離子構型的掌握情況。Al^3＋和O^2－是是主族元素的陽離子和陰離子，都屬于8電子結構，價電子不易被激發，因此為無色。當部分Cr³⁺置換出Al³⁺后，由于Cr³⁺為d³結構，電子易被激發，只能讓紅光通過（紅寶石的顏色），因此能發紅光。
⑵由于O位于小立方體的四面體空隙，即O的配位數為4，根據化學式可知，Y的配位數為6（配位數之比與原子數成反比）。根據題意，Y為面心立方最密堆積，因此Y原子與四面體空隙數的比例為1∶2，因此O原子在四面體空隙中的占有率為3/4，根據晶胞的對稱性原理，可以把晶胞劃分成八個小的立方體，其中共棱的立方體是相同的，共面的立方體不同：一種小立方體中Y位于頂點和面心，O位于六個四面體的空隙；另一個共面的立方體，O也位于六個四面體空隙中，但是未占四面體空隙呈對稱關系。其中四個四面體的示意圖如下所示：