Caractérisation structurale et de photoluminescence des nanopoudres YPO4 synthétisées par la voie sol-gel dopées aux ions Pr3+

I.2.3 Spécificité des terres rares

Le groupe des éléments terres rares présentent une particularité contrairement aux autres atomes concernant leurs configurations électroniques, les lanthanides se caractérisent par le remplissage progressif de la couche interne 4f après celui des couches externes 5s, 5p, 6s, tableau I.1.La configuration électronique des atomes terres rares est réduite à la présentation suivante :

[Xe] 4fⁿ 5s² 5p⁶ 5d^m 6s²

Avec:

[Xe] : Configuration électronique du Xénon (Xe, Z=54)

n=1, 2, 3 14 et m=0 ou 1

La configuration fondamentale des ions lanthanides à l'état trivalent (Ln³⁺), état le plus courant, est :

[Xe] 4f^n-1

n variant de 1 pour le cérium à 14 pour le lutécium

Tableau I.1. Configuration électronique des lanthanides et leurs ions trivalents [6,7]

Elément Ln	Symbole	Z	Configuration électronique	Ln^3+	ri pour n=6 A° [10]	ri pour n=9 A° [11]
Scandium	Sc	21	[Ar] 3d^14s^2	[Ar]	0.73
Yttrium	Y	39	[Kr] 4d^15s^2	[Kr]	0.892
Lanthane	La	57	[Xe] 5d^16s^2	[Xe]	1.061	1.22
Cérium	Ce	58	[Xe] 4f^25d^06s^2	[Xe] 4f^1	1.034	1.20
Praséodyme	Pr	59	[Xe] 4f^35d^06s^2	[Xe] 4f^2	1.013	1.18
Néodyme	Nd	60	[Xe] 4f^45d^06s^2	[Xe] 4f^3	0.995	1.16
Prométhium	Pm	61	[Xe] 4f^55d^06s^2	[Xe] 4f^4	0.979	1.14
Samarium	Sm	62	[Xe] 4f^65d^06s^2	[Xe] 4f^5	0.964	1.13
Europium	Eu	63	[Xe] 4f^75d^06s^2	[Xe] 4f^6	0.95	1.12
Gadolinium	Gd	64	[Xe] 4f^75d^16s^2	[Xe] 4f^7	0.938	1.11
Terbium	Tb	65	[Xe] 4f^95d^06s^2	[Xe] 4f^8	0.923	1.04
Dysprosium	Dy	66	[Xe] 4f^105d^06s^2	[Xe] 4f^9	0.903	1.03

Physique des matériaux 5

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Holmium	Ho	67	[Xe] 4f^115d^06s^2	[Xe] 4f^10	0.894	1.02
Erbium	Er	68	[Xe] 4f^125d^06s^2	[Xe] 4f^11	0.881	1.00
Thulium	Th	69	[Xe] 4f^135d^06s^2	[Xe] 4f^12	0.869	0.99
Ytterbium	Yb	70	[Xe] 4f^145d^06s^2	[Xe] 4f^13	0.858	0.99
Lutécium	Lu	71	[Xe] 4f^145d^16s^2	[Xe] 4f^14	0.848	0.98

Les électrons 4f, impliques dans les transitions donnant lieu à une émission optique, ne sont donc pas les électrons de valence .La couche 4f des ions des terres rares présente également une particularité intéressante : son extension spatiale est moins importante que les deux couches 5s et 5p qui lui sont pourtant inférieures en énergie (Figure I.3). Ce confinement de l'orbital 4f est d'autant plus important que l'on avance dans la série des lanthanides. On parle de contraction lanthanidique. Les électrons de la couche 4f sont donc protégés des influences électrostatiques extérieures et du champ cristallin. Ce blindage électrostatique explique aussi la réactivité chimique peu différenciée des lanthanides et les difficultés de séparation et de purification qui en ont longtemps résulté.

Figure I.3. Dépendance radiale de la densité de probabilité de présence des électrons externes

de l'ion Eu²⁺ [8].

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