科學家開發出一種通過改變化學環境調控稀土元素發光顏色與亮度的方法，為設計先進發光材料開闢了新途徑。
高等經濟大學與俄羅斯科學院石油化工合成研究所的研究團隊發現了一種可同時調控稀土元素髮光顏色和亮度的方法。通常情況下，這些元素的發光特性具有高度可預測性，例如鈰離子通常發射紫外線。
但科學家證實這種發光特性可被改變。通過構建特定化學環境，他們成功使鈰離子發出黃色熒光而非慣常的紫外光。這一突破可能推動新型光源、顯示技術和激光系統的研發。相關研究成果已發表於《光學材料》。
稀土元素在微電子、LED和熒光材料領域具有重要應用價值，因其能發射精確界定顏色的光線。這種特性源於其電子在吸收與釋放能量時的獨特行為。
當原子從光或電流等能源吸收能量時，其某個電子會躍遷至高能級。這種激發態並不穩定，電子會迅速返回基態，並以光的形式釋放多餘能量，此過程即為發光現象。
軌道躍遷及其典型穩定性
稀土元素的發光源於4f軌道間的電子躍遷 —— 這些圍繞原子核的電子駐留區域。通常此類躍遷能量固定，導致發光顏色恆定：鈰發射不可見紫外光，鋱則發出綠光。
4f軌道深藏原子內部，與外界環境相互作用微弱。相較之下，5d軌道雖易受外部影響，但由於能量過高通常不參與鑭系元素的發光過程。
然而，高等經濟大學與俄羅斯科學院的研究團隊證實，通過調整金屬的化學環境可改變輻射顏色。他們使用有機配體（包圍金屬離子的分子）合成了鈰、鐠、鋱配合物。這些配體不僅構建了配合物的幾何結構，更影響其特性。在所有案例中，三個環戊二烯陰離子對稱分佈於金屬周圍。
這些陰離子由規則的五邊形碳環構成，連接大體積有機基團以提供所需結構。這種特殊環境在離子周圍形成特定靜電場，改變5d軌道能量從而影響發光光譜。
揭示變化機制
"先前雖觀察到發光顏色變化，但其機理尚未明確。如今通過與物理學家合作，我們終於揭示了其作用機制。我們刻意設計了具有非典型鑭系電子結構的化合物。不同於單一案例研究，我們系統合成了從鈰到鋱的系列化合物，以觀察其性質變化並尋找共性規律。"高等經濟大學化學系碩士生丹尼爾·巴爾東諾夫解釋道。
傳統化合物中，鈰發射300-400納米紫外光。在新配合物中，其發射光譜紅移至655納米，表明4f與5d能級間能量差縮小。其他鑭系元素也觀察到類似能級重組現象，並伴隨發光特性改變。
"理解此過程需先掌握能量傳遞機制。通常配體分子吸收紫外光進入激發態，再將能量轉移至金屬原子促使其發光。"論文通訊作者、分子系統與材料化學項目學術主管德米特里·羅伊特施泰因解釋道，"但在新化合物中，能量傳遞路徑發生改變：並非直接轉移至4f電子，而是通過中間5d態進行。"
研究團隊認為，能夠預測發光光譜將大幅提升材料設計效率，避免耗時的試錯過程。這一突破有望加速新型先進光源的研發。
"我們精確揭示了原子環境如何影響電子躍遷和鑭系發光特性。"高等經濟大學化學系本科生費奧多爾·切爾年基表示，"現在我們可以通過定向選擇化合物結構來調控發光，製備具有特定光學性能的材料。"
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