近日，黑龙江大学化学学院许辉教授团队与清华大学深圳国际研究生院、新加坡国立大学合作，在电致发光镧系纳米晶研究方面取得重大进展。镧系掺杂纳米晶具有窄带发射、高色纯度、可调谐发光等优势，但其绝缘特性限制了载流子注入，长期以来难以用于电致发光器件。针对这一难题，研究团队提出有机-无机杂化策略，设计合成了一系列具有给体-受体结构的有机半导体配体（如CzPPOA），并将其锚定在4 nm的NaGdF₄:Tb/Eu/Nd纳米晶表面。成功实现了对绝缘镧系纳米晶的高效、光谱可调的电致发光，并阐明了其界面激子转换与能量传递机制，也为配体功能化纳米晶材料在宽色域显示、近红外通信及生物成像等领域的应用提供了新思路。研究成果以“Electro-generated excitons for tunable lanthanide electroluminescence”为题，发表于《Nature》。

研究团队创新性地提出了有机-无机杂化策略，设计了一系列芳基膦氧化物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为4纳米的纳米晶表面。在电场驱动下，该类功能配体作为界面激子产生位点，率先捕获电荷和空穴，继而发生超快系间窜越，将能量高效传递至纳米晶内的镧系离子，最终通过精准的组分与能级调控，实现了纯净且颜色可调的镧系离子发光。(图1)

图1. 镧系纳米晶-有机分子杂化发光单元的设计制备。

研究团队通过系统的光谱学研究和动力学分析，揭示了配体与纳米晶之间高效的能量转移机制。有机配体与镧系纳米晶的强耦合作用使系间窜越过程缩短至1纳秒以内，系间窜越效率98.6%。其中，咔唑修饰的CzPPOA配体表现出最优的敏化效果，其与镧系离子间实现了高达96.7%的三线态能量转移效率，显著提升了纳米晶的发光效率。进一步的机理研究指出，该快速三线态能量传递过程得益于良好的能级匹配的吸热三线态能量传递，以及杂化界面处无辐射能量损耗的有效抑制。这一超快传递机制的阐明，为三线态激子如何高效注入绝缘纳米晶体系提供了关键理论依据，并指明了后续材料设计与性能优化的方向。(图2)

图2. 有机无机纳米杂化体系的光物理过程。

基于该杂化体系NaGd0.6F4:Tb0.4@CzPPOA构建的电致发光器件，实现了纯绿色特征发射，色坐标为（0.28, 0.54），其外量子效率（EQE）高达5.9%，电流效率达9.99 cd A⁻¹，功率效率为7.66 lm W⁻¹，激子利用率高达88%。。相较于无配体修饰的纳米晶器件，其外量子效率提升了76倍，开启电压仅为4.1 V，发光亮度更是达到油酸修饰纳米晶器件的71倍。相关器件性能测试进一步证实，通过配体功能化策略，该杂化体系能够实现高效的激子捕获与能量注入，从而成功突破了绝缘纳米晶在电致发光应用中长期存在的激子利用困难这一关键瓶颈，为发展高性能镧系纳米晶电致发光器件提供了可行的技术路径。(图3)

图3. 有机无机杂化体系的电致发光器件。

该研究的另一大突破是实现了固定器件结构下的宽光谱可调谐发光。研究团队通过精准调控纳米晶中Tb³⁺、Eu³⁺的掺杂比例，成功实现了从绿光、黄光到暖白光的连续、精准调控。其中，NaGd₀.₆F₄:Tb₀.₃₉Eu₀.₀₁@CzPPOA器件的外量子效率仍保持在5.09%的高水平。此外，通过直接掺杂Nd³⁺离子，该电致发光器件还实现了1064 nm的近红外发射，展现出从可见光到近红外波段的全光谱调控潜力。这种无需改变器件结构、仅通过调节纳米晶掺杂组成即可实现多色发光的特性，突破了传统发光器件依赖复杂多层结构实现多色发射的局限，为高分辨率、广色域显示技术提供了全新的解决方案。(图4)

图4. 器件结构不变的镧系发光多色调控。

这项研究成功攻克了绝缘稀土纳米晶在电致发光器件中应用受限、无法高效发光的长期难题。团队通过巧妙的有机-无机杂化策略，利用有机配体在纳米晶表面有效捕获电生激子，并以“能量接力”的方式实现激发态的高效传递，在绝缘纳米晶体系中实现了高纯度、高效率的电致发光。该工作不仅实现了5.9%的外量子效率，更在固定器件结构中实现了从绿光、暖白光到近红外光的连续光谱调控。这一突破意味着未来的显示器件可能不再需要为每一种发光颜色单独设计复杂结构，为简化制备工艺、降低制造成本开辟了新的技术路径，也展现出配体功能化纳米晶材料在宽色域显示、近红外通信及生物成像等领域的广阔应用前景。

黑龙江大学硕士生谭静为第一作者、清华大学博士生张鹏、黑龙江大学硕士生宋晓晴为共同第一作者。通讯作者为黑龙江大学许辉教授、韩春苗教授，清华大学韩三阳副教授，新加坡国立大学刘小钢院士。研究工作获得了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金等项目的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09717-1(化学化工与材料学院供稿）