颠覆常识：科学家点亮绝缘的稀土纳米晶，实现96.7%能量传递效率

“我们绕开了直接向绝缘纳米晶注入电荷这条走不通的老路，转而利用有机分子作为‘能量中转站’，把电激发产生的能量高效地递送到了稀土发光中心。”论文通讯作者、黑龙江大学许辉教授向 DeepTech 介绍说。

他所指的，是镧系掺杂纳米晶长期在电致发光领域面临的关键瓶颈：材料本身具有高度绝缘性，电荷难以注入，使其在器件中的应用始终受限。

最近，黑龙江大学许辉教授、韩春苗教授团队、清华大学深圳国际研究生院韩三阳教授团队、香港城市大学王锋教授团队与新加坡国立大学刘小钢教授团队合作，提出了一种有机-无机杂化策略，通过精准设计界面分子，实现了对绝缘镧系纳米晶的高效、光谱可调的直流电致发光，为材料在电场驱动下从“发不亮”到“亮得起来”的高效电致发光提供了新的思路。

基于该技术制备的 Tb3+ 绿色电致发光器件，外量子效率达 5.9%，比未功能化的绝缘纳米晶器件提升了 76 倍，电流效率为 9.99 cd A⁻¹，激子利用率高达 88%。

该策略在不同组成的镧系纳米晶（如 NaGdF₄）中显示出良好的通用性，无需改变器件结构即可实现多色与近红外发光。研究团队通过简单地调整纳米晶中掺杂的稀土离子（如 Eu³⁺、Nd³⁺），在完全相同的器件结构中实现了从绿色到暖白色，再到近红外光的发光颜色调控，且效率保持在高位。

“这意味着未来的显示器件可能并不需要为每一种颜色都重新设计结构，工艺成本能大幅减少。”许辉表示。

北京时间 11 月 20 日，相关论文以《电生激子实现可调谐镧系元素电致发光》（Electro-generated excitons for tunable lanthanide electroluminescence）为题发表在 Nature[1]。

巧妙转向：从“进不去的电荷”到“能量捕手”

镧系掺杂纳米晶具备色纯、稳定性高和能级丰富等优势，其中稀土离子发光特性尤其独特。然而，构成这些纳米晶的氧化物、氟化物天生绝缘，电荷难以注入，这在传统器件结构中几乎无法克服。

“就像你试图用干木头当电线，传统的电致发光器件结构对此无能为力。”韩三阳解释道。

研究团队没有坚持“硬塞电荷”的传统路径，而是借鉴有机发光体系中的激子机制，设计了一种更自然的能量迁移方式。

他们设计并合成了一系列芳基膦氧羧酸衍生物作为配体，这些分子通过羧基像“锚”一样牢固地结合在尺寸仅约 4 纳米的纳米晶表面。当施加电压时，有机配体率先捕获电子和空穴形成激子，随后发生超快系间窜越，再以高效率将能量传递给纳米晶内部的镧系离子，由后者完成发光。

“其中，咔唑修饰的膦氧化物（CzPPOA）表现最佳，它就像是一个使电子和空穴复合形成激子的‘能量捕手’，以高达 96.7% 的效率将三重态能量传递给纳米晶内部的镧系离子。”韩春苗介绍道。

韩三阳用一个比喻总结道：我们不是硬要把“货物”（电荷）搬进一栋“不让进的大楼”（绝缘纳米晶），而是让“门卫”（有机配体）在门口签收“提货单”（激子能量），再把消息传给“住户”（稀土离子）。最终发出的那束光，就是它们接到“通知”后做出的回应。

未来之路：从实验室走向产业应用

稀土纳米晶本身是一种绝缘材料，无法在电场条件下形成激子。该研究通过结合有机材料和无机材料的功能优势，用有机材料的电致激子驱动无机稀土纳米晶，实现了从 0 到 1 的突破。这种研究范式为未来新的功能材料开发提供了新的思路。

从光电材料研究来看，稀土纳米晶重塑了光电材料研发过程中对材料性质的要求，颠覆了此前的传统常识。这种越来越倾向于多体系、多系统的集成，有望在此前存在技术壁垒和瓶颈的研究方向上取得突破。

该材料不仅在超高清的 8K 显示方面性能显著优于其他类型的电致发光材料，而且由于其发光覆盖了可见光区和近红外区，尤其是在近红外二区甚至更长波段同样具有优势。因此，在高清显示、生物医学和光通讯等领域具有潜在的应用前景。

谈到这项工作最初的起点，刘小钢指出，其实早在 2011 年，研究团队就提出过这样的想法。当时听上去新鲜，但也伴随着很多不确定性和挑战。“许辉和韩三阳最初的实验，只能看到几乎看不见的一点光，效率低得难以测量。但我们没有停下来。14 年里，我们一直保持合作，一次次尝试、一次次重来，慢慢积累经验，终于摸索出一些可行的方法，让我们看到这种材料和电致发光之间能够建立联系的可能性。”

他停顿片刻，说道：“我们今天看到的光，不仅仅来自器件本身。更来自这些年一点点坚持下来的努力、彼此的支持，以及我们始终未曾放弃的信念——只要愿意不断地去理解和探索，即便是看似不会发光的材料，也终有一天会被‘点亮’。

尽管这项技术展现出巨大的潜力，但研究团队坦言，从实验室的突破到产业的成熟应用仍有很长的路要走。未来，他们计划沿两条路线推进：一是深入探索有机-无机界面激子动力学的微观机制，并拓展至更多镧系离子和纳米晶体系，以能够覆盖从近紫外、可见光到近红外的整个光谱范围，并挖掘其在激光、量子信息等前沿领域的潜力。二是与产业界合作，探索其在宽色域显示、近红外通信、生物成像等方向的应用。

参考资料：

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

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