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北京時(shí)間2025年11月20日，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《Nature》在線(xiàn)發(fā)表了以黑龍江大學(xué)為第一完成單位，化學(xué)化工與材料學(xué)院許輝教授與韓春苗教授作為共同通訊作者的研究論文《Electro-generated excitons for tunable lanthanide electroluminescence》。該研究提出了一種基于有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化體系的電致發(fā)光新機(jī)制，突破了絕緣鑭系納米晶在電致發(fā)光領(lǐng)域長(zhǎng)期存在的電荷注入難題。

《自然》網(wǎng)站文章截圖

電致發(fā)光是將電能直接轉(zhuǎn)換為光能的關(guān)鍵技術(shù)，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代顯示與照明燈領(lǐng)域，其材料創(chuàng)新是推動(dòng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)步的核心驅(qū)動(dòng)力。鑭系摻雜納米晶具有發(fā)光色純度高、穩(wěn)定性優(yōu)異、光譜可調(diào)范圍寬等本征優(yōu)勢(shì)，被視為下一代高性能發(fā)光材料的重要候選體系。然而，該類(lèi)材料固有的絕緣特性導(dǎo)致電荷無(wú)法有效注入，嚴(yán)重制約了其在電致發(fā)光器件中的應(yīng)用，成為該領(lǐng)域長(zhǎng)期未解的科學(xué)難題。

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，黑龍江大學(xué)許輝教授與韓春苗教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院韓三陽(yáng)副教授團(tuán)隊(duì)、新加坡國(guó)立大學(xué)劉小鋼院士團(tuán)隊(duì)，創(chuàng)新性地提出了有機(jī)半導(dǎo)體配體與鑭系摻雜納米晶復(fù)合策略，成功實(shí)現(xiàn)了絕緣納米晶的高效電致發(fā)光。

研究團(tuán)隊(duì)突破傳統(tǒng)電荷注入思路的局限，設(shè)計(jì)合成了一系列芳基膦氧化物羧酸衍生物作為功能配體。該類(lèi)配體通過(guò)羧基與納米晶表面牢固結(jié)合，在電場(chǎng)作用下優(yōu)先捕獲電子與空穴形成激子，隨后通過(guò)超快（<1 ns）且高效（系間竄越效率98.6%）的界面能量傳遞過(guò)程，將能量精準(zhǔn)遞送至納米晶內(nèi)部的鑭系發(fā)光中心。其中，優(yōu)化配體CzPPOA的三線(xiàn)態(tài)能量轉(zhuǎn)移效率高達(dá)96.7%，有效規(guī)避了材料的絕緣特性，實(shí)現(xiàn)了光譜純凈、顏色可調(diào)的鑭系離子特征發(fā)光。

有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化發(fā)光單元設(shè)計(jì)與能量傳遞機(jī)制示意圖（研究團(tuán)隊(duì)供圖）

基于該策略構(gòu)建的電致發(fā)光器件展現(xiàn)出突破性性能：

效率顯著提升：Tb³⁺摻雜綠色電致發(fā)光器件的外量子效率（EQE）達(dá)5.9%，較未功能化納米晶器件提升76倍，激子利用率高達(dá)88%；

光譜靈活調(diào)控：利用鑭系離子4f能級(jí)特性，無(wú)需改變器件結(jié)構(gòu)，僅通過(guò)調(diào)控納米晶中摻雜離子種類(lèi)與濃度（如Eu3?、Nd3?），即實(shí)現(xiàn)從綠光、暖白光到近紅外光的連續(xù)精準(zhǔn)調(diào)控；

機(jī)制清晰明確：通過(guò)系統(tǒng)瞬態(tài)光譜分析，深度揭示了界面處超快能量轉(zhuǎn)移的物理機(jī)制，為材料設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。

本研究的意義不僅在于實(shí)現(xiàn)了絕緣性稀土納米晶的高效電致發(fā)光，更在于：

開(kāi)辟了新路徑：為一系列因絕緣特性受限的高性能發(fā)光材料提供了全新的電致發(fā)光實(shí)現(xiàn)方案；

展示了新范式：建立了通過(guò)有機(jī)-無(wú)機(jī)功能復(fù)合實(shí)現(xiàn)性能最優(yōu)化的材料設(shè)計(jì)新范式，對(duì)能源、生物、醫(yī)藥等跨領(lǐng)域研究具有重要啟示；

拓展了應(yīng)用前景：為發(fā)展低成本、廣色域的超高清顯示及近紅外通信、生物成像等光電器件奠定了材料基礎(chǔ)。

論文信息

論文標(biāo)題：Electro-generated excitons for tunable lanthanide electroluminescence

通訊作者：劉小鋼院士（新加坡國(guó)立大學(xué)），許輝教授、韓春苗教授（黑龍江大學(xué)），韓三陽(yáng)副教授（清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院）

第一作者：譚靜（黑龍江大學(xué)2023級(jí)碩士生），張鵬（清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2024級(jí)博士生），宋曉晴（黑龍江大學(xué)2019級(jí)碩士生）

其他作者：張靜教授、段春波副教授（黑龍江大學(xué)），王鋒教授（香港城市大學(xué)），張志龍教授（華南理工大學(xué)）。

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