Nature：稀土电发光领域取得新进展！

稀土纳米晶在电致发光（EL）领域具有独特优势，如窄带发射、高色纯度以及可通过组分调控的输出特性。

然而，它们本征的绝缘特性使载流子传输与注入面临挑战，从而限制了其在电驱动光电器件中的应用。

在此，来自新加坡国立大学的刘小钢院士、清华大学的韩三阳以及黑龙江大学的韩春苗以及许辉等研究者提出了来自绝缘型氟化稀土纳米晶（4 nm；NaGdF₄:X；X = Tb³⁺、Eu³⁺ 或 Nd³⁺）的高效电致发光，这些纳米晶表面包覆了一系列功能化的2-(二苯基膦酰)苯甲酸（ArPPOA）配体。相关论文以题为“Electro-generated excitons for tunable lanthanide electroluminescence”于2025年11月19日发表在Nature上。

电致发光（EL）能够将电能直接转化为光能，在显示器、传感器、健康诊断、量子信息系统、类脑计算以及可穿戴设备等众多光电应用中具有重要意义。

随着这些领域的迅速发展，人们对兼具高光谱精度、多色可调性及优异操作稳定性的电致发光材料需求不断增长，同时也希望其能适用于结构简化、具备可扩展性的器件体系。

尽管有机发光材料、量子点及杂化钙钛矿已取得显著进展，传统 EL 系统仍面临诸多限制，特别是在激子管理、电压下的色彩保真度以及依赖波长特定发射层的多层载流子注入结构方面。

稀土掺杂纳米晶为 EL 工程提供了一条截然不同的策略。

其原子级定义的 4f–4f 跃迁导致发射线极窄（半高宽 <10 nm）、具备卓越的光化学与热稳定性、毫秒级长寿命以及缺陷不敏感的发射特征，这些性质使其非常适用于高光谱精度、稳定的 EL 操作。

同时，依赖组分的可调性也使得在同一材料体系中实现多色输出成为可能。

然而，这些优势伴随着显著挑战：如 NaLnF₄ 这类稀土掺杂基体本征为绝缘体，而局域化的 4f 轨道又导致直接载流子注入效率极低。

这些因素使得稀土基电致发光体系的发展受限，也使关于激子产生、输运及能量转移的基础机制长期未被充分揭示。

在此，研究者提出一种经过分子工程调控的稀土纳米杂化平台，通过将电荷传输与光子发射有效解耦，突破了实现高效 EL 的关键瓶颈。

研究者对氟化稀土纳米晶（NaGdF₄:X，X = Tb³⁺、Eu³⁺ 或 Nd³⁺）进行功能化修饰，锚定精心设计的咔唑–膦氧配体（如 CzPPOA），该类配体同时承担电荷传输介质与激子收集者的角色。

配体构筑的柔性电子界面可实现快速且具方向性的能量传递至局域化的 4f 能级，从而无需额外载流子注入层即可激活电驱动的稀土发光。

研究者系统研究了这些纳米杂化材料的 EL 机制，包括界面激子转移动力学、配体分子设计原则以及在统一器件结构中实现多色输出的策略。

综上所述，本研究首次通过配体工程策略实现了来自稀土氟化物纳米晶的高效电致发光（EL）。借助有机半导体配体的光电协同效应，研究者建立了一种超越传统表面钝化的新型通用策略。

这些工程化配体能够有效调控纳米杂化体系中的电荷与激子行为，实现激子的有效分配并高效传递至稀土发光中心。

由此获得的EL 不仅具备卓越的色纯度，也在光谱可调性与能量效率方面表现突出。

值得注意的是，通过精确控制纳米晶的掺杂成分与浓度，在保持器件结构完全不变的前提下，研究者实现了从可见光延伸至1,000nm 以上的宽光谱可调发射。

这些结果表明，基于配体功能化的纳米晶平台在多波段EL 输出方面展现出巨大潜力，尤其适用于高分辨率和宽色域显示技术。

然而，研究者也认识到当前策略存在若干局限：其一，稀土f–f 跃迁的长辐射寿命限制了器件亮度；其二，采用简单的溶液加工三层结构，使得器件性能尚有提升空间；其三，纳米晶核心的绝缘特性在一定程度上阻碍了载流子的注入与传输，限制了发光层内部的载流子迁移率与复合效率。

尽管如此，本研究为将绝缘但具高光学效率的纳米材料整合到功能性光电器件中奠定了重要基础。

所展示的配体赋能策略不仅显著简化了器件结构，也为纳米尺度发光系统的创新提供了前沿方向。

未来，通过在配体化学、电荷传输工程以及器件结构优化方面持续推进，该类新兴发光材料的实际应用潜力有望被进一步全面释放。

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

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

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