电致发光（EL）能将电能直接转化为光，是显示、传感、医疗诊断、量子信息等众多光电应用的核心技术。当前，市场对兼具高色纯度、颜色可调性和高稳定性的电致发光材料需求迫切。掺杂镧系离子的纳米晶为电致发光器件的设计提供了一种根本不同的思路。其源于4f-4f跃迁的发光具有极窄的发射线宽（半高宽<10 nm）、卓越的光化学与热稳定性、毫秒级的激发态寿命，以及对缺陷不敏感等特性，非常有利于实现高色纯度和高稳定性的电致发光。此外，通过调控掺杂组分，可在同一材料体系内集成多种发光颜色。然而，这些优势也伴随着严峻挑战—以NaLnF4为代表的镧系掺杂基质本质上是电绝缘体，且由于4f轨道高度局域化，难以通过电注入直接激发。这些限制迄今严重阻碍了基于镧系材料的电致发光器件的发展，也使得此类杂化体系中的激子如何产生、传输及实现能量转移等基本科学问题长期未被深入探索。
二、【创新成果】
基于此，黑龙江大学韩春苗教授、许辉教授，清华大学韩三阳副教授和新加坡国立大学刘小钢教授联合在Nature上发表了题为“Electro-generated excitons for tunable lanthanide electroluminescence”的论文，首次报道了通过分子工程配体功能化的镧系氟化物纳米晶实现高效电致发光。具体地，研究人员展示了由一系列功能化的2-(二苯基膦酰基)苯甲酸（ArPPOA）配体包覆的绝缘性镧系氟化物纳米晶（粒径约4 nm；NaGdF₄:X，X = Tb3+、Eu3+ 或 Nd3+）所实现的高效电致发光（EL）。这些配体具有给体-膦氧受体杂化结构，并含有羧基和P=O双配位位点，可通过调控配体内的电荷转移特性，有效敏化镧系纳米晶的发光。超快光谱研究表明，ArPPOA与镧系纳米晶之间存在强耦合作用，可促进系间窜越（ISC，< 1 ns），并将三重态能量高效传递至纳米晶（能量转移效率高达96.7%）。通过精确调控纳米晶中掺杂离子的种类与浓度，在不改变器件结构的前提下，本研究实现了覆盖可见光至近红外波段的宽范围多色电致发光，其中Tb3+器件的外量子效率超过5.9%。这一配体功能化的纳米晶平台为绝缘性纳米晶体系中的激子调控提供了一种模块化策略，为开发光谱精准的电致发光材料开辟了新路径。
三、【图文解析】
图1 膦氧化物–镧系氟化物纳米晶发光体的体系设计 © 2025 Springer Nature
图2 NaGd1-xF4:Tbx@ArPPOA 纳米杂化体的光物理性质 © 2025 Springer Nature
图3 NaGd0.6F4:Tb0.4@配体器件的电致发光性能 © 2025 Springer Nature
图4 双掺杂 NaGd0.6F4:Tb0.4-xEux@CzPPOA纳米晶的发光特性 © 2025 Springer Nature
四、【科学启迪】
综上，本研究首次通过配体工程策略实现了镧系氟化物纳米晶的高效电致发光，突破了其因绝缘性和f–f跃迁禁阻而难以用于电驱动器件的长期瓶颈。研究人员设计了一类兼具光电功能的有机半导体配体（ArPPOA），不仅实现表面钝化，更通过光电协同效应将电荷与激子有效限域在纳米杂化体系内，促进激子高效传递至镧系离子，从而获得高色纯、高效率（Tb³⁺器件外量子效率超5.9%）且覆盖可见光至1000 nm以上近红外波段的可调谐电致发光，且全程无需改变器件结构。尽管当前性能仍受限于镧系离子固有的长辐射寿命、纳米晶核的绝缘特性以及简单的溶液加工三层器件架构，但该工作为将光学优异但电学惰性的纳米材料整合进功能性光电器件提供了开创性范式，不仅简化了器件设计，也为高色域显示、多波段光源等应用开辟了新路径。
原文详情：Electro-generated excitons for tunable lanthanide electroluminescence (Nature 2025, 647, 632-638)
本文由大兵哥供稿。
