电致发光（Electroluminescence, EL）是一种将电能直接转化为光能的技术，广泛应用于显示、传感器、医疗诊断、量子信息系统、神经形态计算和可穿戴设备等领域。随着这些应用对高光谱精度、多色可调性和稳定性的需求不断增长，开发新型电致发光材料成为研究热点。然而，传统的电致发光系统在这些方面仍存在显著局限，尤其是在激发子管理、色彩保真度和需要特定波长的发射层方面，往往需要复杂的多层结构，这限制了其应用的简便性和可扩展性。
镧系纳米晶体因其独特的光物理特性，如狭窄的发射带宽、高光谱纯度、优异的光化学和热稳定性以及长的激发态寿命，成为电致发光材料的有力候选者。然而，这些材料通常具有绝缘性，这使得直接的载流子注入和传输变得困难，从而阻碍了其在电驱动光电器件中的应用。为了解决这一问题，研究人员提出了一种基于分子工程的新型策略，通过在绝缘的镧系氟化物纳米晶体表面引入功能化的有机半导体配体，从而实现高效的电致发光。
在本研究中，科学家们对一种新型的纳米杂化平台进行了系统研究，该平台利用了有机半导体配体与镧系纳米晶体之间的光电协同效应。这些配体具有供体-磷氧化物受体混合结构，具备羧基和P=O配位位点，能够有效调节内分子电荷转移特性，从而实现对纳米晶体的高效敏化。研究团队采用了一种两步配体交换法，将这些配体引入4纳米大小的NaGdF₄:Tb/Eu纳米晶体中，形成了一种新的纳米杂化结构。与未修饰的纳米晶体相比，这些纳米杂化材料在形成薄膜时表现出更好的薄膜形成性和表面平滑度，为实际应用提供了更好的基础。
实验结果表明，这些功能化的纳米杂化材料在电致发光性能方面表现出显著优势。例如，当使用CzPPOA配体修饰的NaGdF₄:Tb纳米晶体时，其电致发光效率得到了显著提升，达到了5.9%的外部量子效率（EQE）。这一效率远高于未修饰的纳米晶体和使用其他配体（如OA）修饰的纳米晶体。此外，这些纳米杂化材料在不同温度下的发光强度也有所增强，表明其在宽温度范围内的稳定性。研究还发现，通过调整掺杂成分和浓度，可以实现从绿色到橙红色的连续发光颜色变化，这为多色发光材料的设计提供了新的思路。
在光物理特性方面，这些纳米杂化材料表现出优异的激发子分配和能量转移效率。例如，使用CzPPOA配体的纳米晶体在激发子重组过程中，实现了高效的激发子转移至Tb³⁺发射态，同时抑制了非辐射衰减。这种高效的能量转移机制使得纳米杂化材料在电致发光过程中能够表现出更长的发光寿命和更高的亮度。此外，通过时间分辨光致发光和瞬态吸收光谱分析，研究人员进一步揭示了这些材料在激发子传输和能量转移过程中的动态特性，包括快速的三重态形成和高效的三重态能量转移。
在实际应用方面，研究团队基于这些纳米杂化材料构建了四层结构的发光二极管（LED）器件。结果显示，这些LED器件不仅具有高亮度和高外部量子效率，还表现出优异的运行寿命。特别是在与传统量子点和有机材料LED的对比中，纳米杂化材料LED的性能更优，显示出在多色电致发光领域的巨大潜力。此外，通过直接掺杂Nd³⁺离子，研究团队还实现了近红外波段的发光，这为扩展电致发光材料的应用范围提供了新的可能。
总的来说，这项研究提出了一种创新的分子工程策略，通过设计和引入特定的有机半导体配体，有效克服了传统绝缘性材料在电致发光中的主要障碍。这种配体功能化的纳米晶体平台不仅提供了对激发子和载流子的高效控制，还实现了高光谱纯度和宽色域的电致发光，为未来高性能、高稳定性的发光器件开发奠定了基础。研究还指出，尽管当前的方法仍存在一些局限，如亮度受限于镧系f-f跃迁的长辐射寿命，以及简单溶液工艺结构对载流子注入和传输的限制，但这些挑战为后续研究提供了明确的方向。通过进一步优化配体化学、载流子传输工程和器件结构设计，有望实现更高效、更实用的电致发光材料，推动其在显示技术和其他光电子应用中的广泛应用。
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