剑桥大学卡文迪什实验室的一项突破性研究打破了光电领域的长期禁忌，通过分子天线技术成功激活了本应绝缘的镧系元素纳米粒子。这一发现不仅挑战了传统半导体物理学的认知，更为下一代超纯近红外光源在深层组织成像及光通信领域的应用铺平了道路。
剑桥，2025年11月23日 —— 在光电子学的教科书中，一条金科玉律长期支配着发光二极管（LED）的设计：如果你想让一种材料在电流驱动下发光，这种材料首先必须能够导电。然而，剑桥大学的一组物理学家刚刚改写了这一规则。他们通过一种巧妙的“分子天线”机制，成功让本质上是电绝缘体的镧系元素掺杂纳米粒子（LnNPs）在低电压下发出了明亮的光。
这项发表于《自然》（Nature）杂志的最新研究，标志着一种全新的混合光电材料的诞生。它巧妙地规避了电荷注入的物理瓶颈，利用量子力学中的“暗态”能量转移，实现了前所未有的电致发光效率。对于寻求更高精度医疗诊断和更高速数据传输的科技界而言，这无疑是一次里程碑式的跨越。
驾驭“暗态”：打破电荷注入的物理屏障
长期以来，镧系元素掺杂的纳米材料因其卓越的光学特性而备受推崇。与常见的有机染料或量子点不同，镧系离子的发射光谱极窄，源于其受保护的原子内f-f电子跃迁。这意味着它们能产生色彩纯度极高、且在环境中极其稳定的光。然而，这些材料有一个致命的弱点：它们本质上是绝缘体，就像玻璃一样，无法让电流通过。
“这些纳米粒子是完美的发光体，但我们一直面临一个看似不可逾越的障碍：无法用电来驱动它们，”领导该项研究的剑桥大学卡文迪什实验室教授阿克谢·拉奥（Akshay Rao）解释道。“传统的LED依赖于电子和空穴在半导体材料中的直接复合，但这对于绝缘的镧系粒子来说是不可能的。它们一直被锁定在只能通过激光激发的光致发光领域，无法进入消费级电子产品的核心。”
为了攻克这一难题，拉奥教授的团队，包括该研究的主要作者于忠正（Zhongzheng Yu）博士和邓云洲（Yunzhou Deng）博士，采取了一种非传统的策略。他们不再试图强行让电流穿过绝缘的纳米晶体，而是设计了一种能够捕获电能并将其转化为激发能的有机“外骨骼”。
研究人员在镧系纳米粒子的表面修饰了一种名为9-蒽甲酸（9-ACA）的有机分子。在他们构建的新型LED器件结构中，电流实际上是流经这些有机分子层的。这正是该设计的精妙之处：有机分子充当了微型天线，负责接收注入的电荷载流子（电子和空穴）。
当电子和空穴在9-ACA分子上相遇时，它们形成了一种称为激子（exciton）的能量包。在量子力学统计中，这种复合过程会产生两种状态：单重态（singlet）和三重态（triplet）。在传统的有机发光材料中，占据总数75%的三重态往往因为无法直接辐射发光而被称为“暗态”，其能量通常以热的形式白白浪费。
然而，剑桥团队正是利用了这通常被遗弃的“暗态”。通过一种称为德克斯特能量转移（Dexter energy transfer）的量子机制，9-ACA分子上的三重态激子能够将其能量“悄无声息”地传递给邻近的镧系离子。这一过程规避了自旋禁阻规则，使得超过98%的三重态能量被成功转移，进而激发镧系离子发射出特征性的近红外光。

在这幅极富想象力的艺术作品中，掺杂镧系元素的纳米粒子呈现出蜘蛛的形态，而蜘蛛织成的网则由9-蒽甲酸构成。9-蒽甲酸是一种有机天线，旨在捕获电荷载流子并高效收集难以捉摸的“暗”分子三重态激子。图片来源：于忠正
“我们实际上找到了一个后门，”拉奥教授形象地比喻道，“有机分子就像是一个高效的能量收集网，捕获电荷，将其转化为这种特殊的‘暗’能量包，然后将其注入到绝缘的纳米粒子核心中。整个过程的效率高得惊人。”
这一机制的成功验证，意味着科学家们首次在约5伏的低工作电压下，实现了绝缘纳米材料的电致发光，且完全绕过了材料本身导电性差的物理限制。
超越量子点：光谱纯度与生物光子学的革新
这项技术的直接受益者是近红外二区（NIR-II，波长范围1000-1700纳米）的应用领域。目前，该波段的主流发光材料是量子点（Quantum Dots）。虽然量子点可以通过调整尺寸来改变发光波长，但它们往往面临着光谱较宽、色彩纯度不足以及潜在的重金属毒性问题。
相比之下，剑桥团队开发的“LnLED”展现出了压倒性的优势。由于镧系发光基于原子能级跃迁，其发射光谱呈现出针尖般锐利的峰值。这种极高的光谱纯度对于精密传感和通信至关重要。
于忠正博士指出：“在生物医学传感或光通信中，波长的精确性就是一切。如果你想在复杂的生物背景噪音中检测特定的信号，或者在光纤中密集传输数据，你需要的是激光般的纯度，而不是泛光灯般的弥散。我们的器件能轻松提供这种特定波长的光，而这对于其他纳米材料来说是极难实现的。”
特别是在生物成像领域，NIR-II窗口被称为“生物透明窗口”。在这个波段，生物组织（如皮肤和血液）对光的散射和吸收作用降至最低，且自发荧光干扰极小。这意味着使用LnLED作为光源，医生和研究人员可以看得更深、更清晰。
这一技术的潜力不仅限于基础研究。微型化、可注射甚至可穿戴的LnLED设备有望彻底改变医学诊断的方式。例如，这种光源可以植入体内，用于实时监测器官功能，或者作为精准的光源激活深层组织中的光敏药物，治疗癌症等疾病，而无需进行侵入性手术。
在光通信领域，LnLED窄带宽特性意味着在同一根光纤或同一自由空间信道中，可以并行传输更多路不同波长的信号而不发生干扰，从而显著提升数据传输带宽。
开启混合光电子学的新纪元
该团队不仅在原理上取得了突破，更在工程实践上交出了令人满意的答卷。他们的第一代NIR-II LED器件已经实现了超过0.6%的峰值外部量子效率（EQE）。虽然这一数字与成熟的商用LED相比仍有差距，但对于一种全新的器件架构而言，这是一个极具前景的起点。考虑到镧系材料的理论效率上限极高，未来的优化空间巨大。
卡文迪什实验室的博士后研究员邓云洲博士强调，这项研究的意义远超出了单一器件的性能指标。“这仅仅是个开始。我们实际上解锁了一类全新的光电子材料体系，”他说道，“这种‘有机天线+无机核心’的混合策略具有极强的通用性。我们现在可以探索无数种有机分子与绝缘纳米材料的组合，定制出具有前所未有特性的器件，用于那些我们甚至还未构想出的应用场景。”
随着研究的深入，剑桥团队已经确定了明确的改进路径，旨在进一步提高能量转移速率和器件的整体亮度。这项工作得到了英国研究与创新署（UKRI）前沿研究基金及玛丽·居里奖学金的支持，不仅展示了跨学科合作的力量，也再次证明了基础物理研究在推动现代技术变革中的核心作用。
从某种意义上说，剑桥的科学家们不仅点亮了绝缘的纳米粒子，更点亮了光电子学未来的一条新路——在导电与绝缘的边界之外，寻找能量传递的第三种可能。