Nature：稀土電發光領域取得新進展！

稀土納米晶在電致發光（EL）領域具有獨特優勢，如窄帶發射、高色純度以及可通過組分調控的輸出特性。

然而，它們本征的絕緣特性使載流子傳輸與注入面臨挑戰，從而限制了其在電驅動光電器件中的應用。

在此，來自新加坡國立大學的劉小鋼院士、清華大學的韓三陽以及黑龍江大學的韓春苗以及許輝等研究者提出了來自絕緣型氟化稀土納米晶（4 nm；NaGdF?:X；X = Tb3?、Eu3? 或 Nd3?）的高效電致發光，這些納米晶表面包覆了一系列功能化的2-(二苯基膦酰)苯甲酸（ArPPOA）配體。相關論文以題為“Electro-generated excitons for tunable lanthanide electroluminescence”于2025年11月19日發表在Nature上。

電致發光（EL）能夠將電能直接轉化為光能，在顯示器、傳感器、健康診斷、量子信息系統、類腦計算以及可穿戴設備等眾多光電應用中具有重要意義。

隨著這些領域的迅速發展，人們對兼具高光譜精度、多色可調性及優異操作穩定性的電致發光材料需求不斷增長，同時也希望其能適用于結構簡化、具備可擴展性的器件體系。

盡管有機發光材料、量子點及雜化鈣鈦礦已取得顯著進展，傳統 EL 系統仍面臨諸多限制，特別是在激子管理、電壓下的色彩保真度以及依賴波長特定發射層的多層載流子注入結構方面。

稀土摻雜納米晶為 EL 工程提供了一條截然不同的策略。

其原子級定義的 4f–4f 躍遷導致發射線極窄（半高寬 <10 nm）、具備卓越的光化學與熱穩定性、毫秒級長壽命以及缺陷不敏感的發射特征，這些性質使其非常適用于高光譜精度、穩定的 EL 操作。

同時，依賴組分的可調性也使得在同一材料體系中實現多色輸出成為可能。

然而，這些優勢伴隨著顯著挑戰：如 NaLnF? 這類稀土摻雜基體本征為絕緣體，而局域化的 4f 軌道又導致直接載流子注入效率極低。

這些因素使得稀土基電致發光體系的發展受限，也使關于激子產生、輸運及能量轉移的基礎機制長期未被充分揭示。

在此，研究者提出一種經過分子工程調控的稀土納米雜化平臺，通過將電荷傳輸與光子發射有效解耦，突破了實現高效 EL 的關鍵瓶頸。

研究者對氟化稀土納米晶（NaGdF?:X，X = Tb3?、Eu3? 或 Nd3?）進行功能化修飾，錨定精心設計的咔唑–膦氧配體（如 CzPPOA），該類配體同時承擔電荷傳輸介質與激子收集者的角色。

配體構筑的柔性電子界面可實現快速且具方向性的能量傳遞至局域化的 4f 能級，從而無需額外載流子注入層即可激活電驅動的稀土發光。

研究者系統研究了這些納米雜化材料的 EL 機制，包括界面激子轉移動力學、配體分子設計原則以及在統一器件結構中實現多色輸出的策略。

綜上所述，本研究首次通過配體工程策略實現了來自稀土氟化物納米晶的高效電致發光（EL）。借助有機半導體配體的光電協同效應，研究者建立了一種超越傳統表面鈍化的新型通用策略。

這些工程化配體能夠有效調控納米雜化體系中的電荷與激子行為，實現激子的有效分配并高效傳遞至稀土發光中心。

由此獲得的EL 不僅具備卓越的色純度，也在光譜可調性與能量效率方面表現突出。

值得注意的是，通過精確控制納米晶的摻雜成分與濃度，在保持器件結構完全不變的前提下，研究者實現了從可見光延伸至1,000nm 以上的寬光譜可調發射。

這些結果表明，基于配體功能化的納米晶平臺在多波段EL 輸出方面展現出巨大潛力，尤其適用于高分辨率和寬色域顯示技術。

然而，研究者也認識到當前策略存在若干局限：其一，稀土f–f 躍遷的長輻射壽命限制了器件亮度；其二，采用簡單的溶液加工三層結構，使得器件性能尚有提升空間；其三，納米晶核心的絕緣特性在一定程度上阻礙了載流子的注入與傳輸，限制了發光層內部的載流子遷移率與復合效率。

盡管如此，本研究為將絕緣但具高光學效率的納米材料整合到功能性光電器件中奠定了重要基礎。

所展示的配體賦能策略不僅顯著簡化了器件結構，也為納米尺度發光系統的創新提供了前沿方向。

未來，通過在配體化學、電荷傳輸工程以及器件結構優化方面持續推進，該類新興發光材料的實際應用潛力有望被進一步全面釋放。

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

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

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