重磅！黑龍江大學(xué)校史首篇Nature

鑭系元素納米晶體為電致發(fā)光 (EL) 應(yīng)用提供了獨(dú)特的優(yōu)勢，包括窄帶發(fā)射、高色純度和成分可調(diào)輸出。然而，它們的絕緣性質(zhì)對載流子傳輸和注入提出了挑戰(zhàn)，阻礙了它們在電驅(qū)動光電器件中的應(yīng)用。

2025年11月19日，黑龍江大學(xué)許輝、韓春苗。清華大學(xué)韓三陽及新加坡國立大學(xué)劉小剛共同通訊在Nature在線發(fā)表題為“Electro-generated excitons for tunable lanthanide electroluminescence”的研究論文，該研究展示了涂有一系列功能化 2-(二苯基磷酰基)苯甲酸 (ArPPOA) 的絕緣鑭系氟化物納米晶體（4nm；NaGdF4:X；X=Tb3+、Eu3+或 Nd3+）的高效EL。這些配體具有帶有羧基和 P=O 配位位點(diǎn)的供體-氧化膦受體雜化物，通過調(diào)節(jié)配體內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移特性，有效地敏化稀土納米晶體的發(fā)光。

EL能夠?qū)㈦娔苤苯愚D(zhuǎn)換為光，對于廣泛的光電應(yīng)用非常重要，包括顯示器、傳感器、醫(yī)療診斷、量子信息系統(tǒng)、神經(jīng)形態(tài)計(jì)算和可穿戴設(shè)備。在這些應(yīng)用中，對電致發(fā)光材料的需求不斷增長，這些材料結(jié)合了高光譜精度、多色可調(diào)性和強(qiáng)大的工作穩(wěn)定性，最理想的是在簡化和可擴(kuò)展的器件架構(gòu)內(nèi)。盡管在有機(jī)發(fā)射體、量子點(diǎn)和混合鈣鈦礦方面取得了長足的進(jìn)步，但傳統(tǒng)的電致發(fā)光系統(tǒng)仍然面臨著諸多限制，特別是在激子管理、電偏壓下的色彩保真度以及對特定波長發(fā)射層的需求方面，這些發(fā)射層通常需要復(fù)雜的多層電荷注入結(jié)構(gòu)。

鑭系元素?fù)诫s的納米晶體為EL工程提供了一種完全不同的方法。其原子級定義的4f–4f躍遷產(chǎn)生窄發(fā)射譜線(半峰全寬小于10nm)，卓越的光化學(xué)和熱穩(wěn)定性，長激發(fā)態(tài)壽命(毫秒級)和缺陷不敏感發(fā)射，所有這些都有利于光譜精確和穩(wěn)定的EL操作。此外，它們的成分依賴性可調(diào)性允許在共享的材料框架內(nèi)集成多色發(fā)射。然而，這些優(yōu)勢伴隨著巨大的挑戰(zhàn)。摻雜鑭系元素的基質(zhì)(如NaLnF4)是電絕緣的，由于其局域化性質(zhì)，直接將載流子注入4f軌道是低效的。迄今為止，這些限制阻礙了鑭系元素基電致發(fā)光系統(tǒng)的發(fā)展，并留下了關(guān)于這些雜化物中激子產(chǎn)生、傳輸和能量轉(zhuǎn)移的基本問題。

氧化膦-鑭系氟化物納米晶發(fā)光體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)（圖源自Nature）

在這里，研究人員介紹了一種分子工程鑭系納米混合平臺，通過將電荷傳輸與光子發(fā)射解耦，克服了高效EL的關(guān)鍵障礙。具體來說，我們用合理設(shè)計(jì)的咔唑-氧化膦配體(例如CzPPOA)功能化了基于氟化物的鑭系納米晶體(NaGdF4:X，其中X = Tb3+，Eu3+或Nd3+)，該配體既充當(dāng)電荷傳輸介質(zhì)又充當(dāng)激子收集器。這些配體形成軟電子界面，使得能量能夠快速、定向地轉(zhuǎn)移到定域4f態(tài)，從而激活電觸發(fā)的鑭系元素發(fā)射，而不需要專用的載流子注入層。系統(tǒng)地研究了這些納米雜化材料中的電致發(fā)光機(jī)制，包括界面激子轉(zhuǎn)移動力學(xué)、配體設(shè)計(jì)原理和統(tǒng)一器件結(jié)構(gòu)的多色輸出。總的來說，該配體功能化納米晶平臺為絕緣納米晶體系的激子調(diào)控提供了一種模塊化策略，為開發(fā)光譜精確的電致發(fā)光材料開辟了新路徑。

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09717-1