重磅！黑龍江大學校史首篇Nature

鑭系元素納米晶體為電致發光 (EL) 應用提供了獨特的優勢，包括窄帶發射、高色純度和成分可調輸出。然而，它們的絕緣性質對載流子傳輸和注入提出了挑戰，阻礙了它們在電驅動光電器件中的應用。

2025年11月19日，黑龍江大學許輝、韓春苗。清華大學韓三陽及新加坡國立大學劉小剛共同通訊在Nature在線發表題為“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 配位位點的供體-氧化膦受體雜化物，通過調節配體內電荷轉移特性，有效地敏化稀土納米晶體的發光。

EL能夠將電能直接轉換為光，對于廣泛的光電應用非常重要，包括顯示器、傳感器、醫療診斷、量子信息系統、神經形態計算和可穿戴設備。在這些應用中，對電致發光材料的需求不斷增長，這些材料結合了高光譜精度、多色可調性和強大的工作穩定性，最理想的是在簡化和可擴展的器件架構內。盡管在有機發射體、量子點和混合鈣鈦礦方面取得了長足的進步，但傳統的電致發光系統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射層的需求方面，這些發射層通常需要復雜的多層電荷注入結構。

鑭系元素摻雜的納米晶體為EL工程提供了一種完全不同的方法。其原子級定義的4f–4f躍遷產生窄發射譜線(半峰全寬小于10nm)，卓越的光化學和熱穩定性，長激發態壽命(毫秒級)和缺陷不敏感發射，所有這些都有利于光譜精確和穩定的EL操作。此外，它們的成分依賴性可調性允許在共享的材料框架內集成多色發射。然而，這些優勢伴隨著巨大的挑戰。摻雜鑭系元素的基質(如NaLnF4)是電絕緣的，由于其局域化性質，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光系統的發展，并留下了關于這些雜化物中激子產生、傳輸和能量轉移的基本問題。

氧化膦-鑭系氟化物納米晶發光體的系統設計（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射解耦，克服了高效EL的關鍵障礙。具體來說，我們用合理設計的咔唑-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+)，該配體既充當電荷傳輸介質又充當激子收集器。這些配體形成軟電子界面，使得能量能夠快速、定向地轉移到定域4f態，從而激活電觸發的鑭系元素發射，而不需要專用的載流子注入層。系統地研究了這些納米雜化材料中的電致發光機制，包括界面激子轉移動力學、配體設計原理和統一器件結構的多色輸出。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控提供了一種模塊化策略，為開發光譜精確的電致發光材料開辟了新路徑。

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