顛覆常識(shí)：科學(xué)家點(diǎn)亮絕緣的稀土納米晶，實(shí)現(xiàn)96.7%能量傳遞效率

“我們繞開了直接向絕緣納米晶注入電荷這條走不通的老路，轉(zhuǎn)而利用有機(jī)分子作為‘能量中轉(zhuǎn)站’，把電激發(fā)產(chǎn)生的能量高效地遞送到了稀土發(fā)光中心。”論文通訊作者、黑龍江大學(xué)許輝教授向 DeepTech 介紹說。

他所指的，是鑭系摻雜納米晶長(zhǎng)期在電致發(fā)光領(lǐng)域面臨的關(guān)鍵瓶頸：材料本身具有高度絕緣性，電荷難以注入，使其在器件中的應(yīng)用始終受限。

最近，黑龍江大學(xué)許輝教授、韓春苗教授團(tuán)隊(duì)、清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院韓三陽教授團(tuán)隊(duì)、香港城市大學(xué)王鋒教授團(tuán)隊(duì)與新加坡國(guó)立大學(xué)劉小鋼教授團(tuán)隊(duì)合作，提出了一種有機(jī)-無機(jī)雜化策略，通過精準(zhǔn)設(shè)計(jì)界面分子，實(shí)現(xiàn)了對(duì)絕緣鑭系納米晶的高效、光譜可調(diào)的直流電致發(fā)光，為材料在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下從“發(fā)不亮”到“亮得起來”的高效電致發(fā)光提供了新的思路。

基于該技術(shù)制備的 Tb3+ 綠色電致發(fā)光器件，外量子效率達(dá) 5.9%，比未功能化的絕緣納米晶器件提升了 76 倍，電流效率為 9.99 cd A?1，激子利用率高達(dá) 88%。

該策略在不同組成的鑭系納米晶（如 NaGdF?）中顯示出良好的通用性，無需改變器件結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)多色與近紅外發(fā)光。研究團(tuán)隊(duì)通過簡(jiǎn)單地調(diào)整納米晶中摻雜的稀土離子（如 Eu3?、Nd3?），在完全相同的器件結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了從綠色到暖白色，再到近紅外光的發(fā)光顏色調(diào)控，且效率保持在高位。

“這意味著未來的顯示器件可能并不需要為每一種顏色都重新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，工藝成本能大幅減少。”許輝表示。

北京時(shí)間 11 月 20 日，相關(guān)論文以《電生激子實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧鑭系元素電致發(fā)光》（Electro-generated excitons for tunable lanthanide electroluminescence）為題發(fā)表在 Nature[1]。

圖丨相關(guān)論文（來源：Nature）

巧妙轉(zhuǎn)向：從“進(jìn)不去的電荷”到“能量捕手”

鑭系摻雜納米晶具備色純、穩(wěn)定性高和能級(jí)豐富等優(yōu)勢(shì)，其中稀土離子發(fā)光特性尤其獨(dú)特。然而，構(gòu)成這些納米晶的氧化物、氟化物天生絕緣，電荷難以注入，這在傳統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)中幾乎無法克服。

“就像你試圖用干木頭當(dāng)電線，傳統(tǒng)的電致發(fā)光器件結(jié)構(gòu)對(duì)此無能為力。”韓三陽解釋道。

研究團(tuán)隊(duì)沒有堅(jiān)持“硬塞電荷”的傳統(tǒng)路徑，而是借鑒有機(jī)發(fā)光體系中的激子機(jī)制，設(shè)計(jì)了一種更自然的能量遷移方式。

他們?cè)O(shè)計(jì)并合成了一系列芳基膦氧羧酸衍生物作為配體，這些分子通過羧基像“錨”一樣牢固地結(jié)合在尺寸僅約 4 納米的納米晶表面。當(dāng)施加電壓時(shí)，有機(jī)配體率先捕獲電子和空穴形成激子，隨后發(fā)生超快系間竄越，再以高效率將能量傳遞給納米晶內(nèi)部的鑭系離子，由后者完成發(fā)光。

（來源：Nature）

“其中，咔唑修飾的膦氧化物（CzPPOA）表現(xiàn)最佳，它就像是一個(gè)使電子和空穴復(fù)合形成激子的‘能量捕手’，以高達(dá) 96.7% 的效率將三重態(tài)能量傳遞給納米晶內(nèi)部的鑭系離子。”韓春苗介紹道。

韓三陽用一個(gè)比喻總結(jié)道：我們不是硬要把“貨物”（電荷）搬進(jìn)一棟“不讓進(jìn)的大樓”（絕緣納米晶），而是讓“門衛(wèi)”（有機(jī)配體）在門口簽收“提貨單”（激子能量），再把消息傳給“住戶”（稀土離子）。最終發(fā)出的那束光，就是它們接到“通知”后做出的回應(yīng)。

未來之路：從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用

稀土納米晶本身是一種絕緣材料，無法在電場(chǎng)條件下形成激子。該研究通過結(jié)合有機(jī)材料和無機(jī)材料的功能優(yōu)勢(shì)，用有機(jī)材料的電致激子驅(qū)動(dòng)無機(jī)稀土納米晶，實(shí)現(xiàn)了從 0 到 1 的突破。這種研究范式為未來新的功能材料開發(fā)提供了新的思路。

從光電材料研究來看，稀土納米晶重塑了光電材料研發(fā)過程中對(duì)材料性質(zhì)的要求，顛覆了此前的傳統(tǒng)常識(shí)。這種越來越傾向于多體系、多系統(tǒng)的集成，有望在此前存在技術(shù)壁壘和瓶頸的研究方向上取得突破。

該材料不僅在超高清的 8K 顯示方面性能顯著優(yōu)于其他類型的電致發(fā)光材料，而且由于其發(fā)光覆蓋了可見光區(qū)和近紅外區(qū)，尤其是在近紅外二區(qū)甚至更長(zhǎng)波段同樣具有優(yōu)勢(shì)。因此，在高清顯示、生物醫(yī)學(xué)和光通訊等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。

圖丨有機(jī)無機(jī)雜化體系的電致發(fā)光器件（來源：Nature）

談到這項(xiàng)工作最初的起點(diǎn)，劉小鋼指出，其實(shí)早在 2011 年，研究團(tuán)隊(duì)就提出過這樣的想法。當(dāng)時(shí)聽上去新鮮，但也伴隨著很多不確定性和挑戰(zhàn)。“許輝和韓三陽最初的實(shí)驗(yàn)，只能看到幾乎看不見的一點(diǎn)光，效率低得難以測(cè)量。但我們沒有停下來。14 年里，我們一直保持合作，一次次嘗試、一次次重來，慢慢積累經(jīng)驗(yàn)，終于摸索出一些可行的方法，讓我們看到這種材料和電致發(fā)光之間能夠建立聯(lián)系的可能性。”

他停頓片刻，說道：“我們今天看到的光，不僅僅來自器件本身。更來自這些年一點(diǎn)點(diǎn)堅(jiān)持下來的努力、彼此的支持，以及我們始終未曾放棄的信念——只要愿意不斷地去理解和探索，即便是看似不會(huì)發(fā)光的材料，也終有一天會(huì)被‘點(diǎn)亮’。

盡管這項(xiàng)技術(shù)展現(xiàn)出巨大的潛力，但研究團(tuán)隊(duì)坦言，從實(shí)驗(yàn)室的突破到產(chǎn)業(yè)的成熟應(yīng)用仍有很長(zhǎng)的路要走。未來，他們計(jì)劃沿兩條路線推進(jìn)：一是深入探索有機(jī)-無機(jī)界面激子動(dòng)力學(xué)的微觀機(jī)制，并拓展至更多鑭系離子和納米晶體系，以能夠覆蓋從近紫外、可見光到近紅外的整個(gè)光譜范圍，并挖掘其在激光、量子信息等前沿領(lǐng)域的潛力。二是與產(chǎn)業(yè)界合作，探索其在寬色域顯示、近紅外通信、生物成像等方向的應(yīng)用。

參考資料：

1.Tan, J., Zhang, P., Song, X. et al. Electro-generated excitons for tunable lanthanide electroluminescence. Nature 647, 632–638 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09717-1

運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍