劍橋大學的科學家們成功利用長期被認為是電絕緣體的材料，製造出可以運作的 LED。這些材料是絕緣的納米顆粒，傳統的裝置物理學認為這些材料無法以此方式驅動。這項研究於 2026 年 5 月發佈，所製造的裝置使用摻鋂的納米顆粒——一種稀土元素摻雜的晶體，其直徑約為幾納米，作為其發光核心。這些材料所帶來的挑戰是根本性的：絕緣體不導電，因此標準的電激發方法對其無效。
劍橋大學成功開發新型 LED 裝置
劍橋團隊的解決方案是將納米顆粒包覆上小型有機分子，這些分子經過設計以充當中介能量收集器。這些“分子天線”能夠吸收電能，並通過一種名為 Förster 共振能量轉移的過程將其轉移至嵌入納米顆粒核心的鋂離子。該過程是一種非輻射機制，能量在分子之間轉移，卻不會在過程中發射光子。鋂離子隨後將這些能量釋放為光。由於鋂的發光光譜受限於其 4f 電子殼層內部的量子力學轉變，這些轉變受到周圍化學環境的屏蔽，因此產生的光譜窄度極高。
新型 LED 將推動生物醫學成像技術進步
研究人員表示，這款裝置能夠產生超純的近紅外光，且其效率此前未曾通過直接電驅動這類材料實現。近紅外光的輸出範圍通常位於 700 至 1,400 納米之間，正好位於人眼無法檢測的範疇。這一光譜窗口對於生物醫學成像、光纖通信和激光雷達感測都具有重要意義，因為窄線寬的光源可以減少噪音並提高解析度。
鋂納米顆粒的核心工程難題在於電荷注入。在傳統的 LED 中，電子和孔被驅入半導體中，在那裡它們重組並發射光子。然而，絕緣體完全阻隔了這種電荷流動。先前將鋂納米顆粒應用於光子裝置的方法依賴於光學激發，即將另一光源照射到材料上，這限制了它們在緊湊電子系統中的集成。通過電驅動來移除這一依賴性，可以使裝置與標準電路製造相容，這是將其整合到消費電子產品、可穿戴傳感器或植入式診斷工具中的前提。
這項工作與光子學更廣泛的努力相連，旨在解鎖過去對裝置工程師來説不可用的材料，這些材料具有理想的光學特性。對於非常規計算基材的研究同樣突破了假定的物理極限，尋找曾被認為過於簡單或過於被動的系統中的新功能途徑。
劍橋團隊已經展示了概念驗證的運作，但從實驗室裝置到量產產品的過程中，仍存在幾個未解決的工程問題。鋂摻雜的納米顆粒是通過濕化學過程合成的，這可能導致尺寸和成分的變化，從而影響裝置陣列的發射一致性。實驗室規模報告的效率數據在裝置擴大或遭受操作壓力時經常會下降。持續電驅動下有機天線層的長期光穩定性在已發表的數據中尚未確立。
材料來源也是一個需要考慮的因素。鋂元素——包括鋯、釹和釔等一組元素——主要在中國提取，該國目前控制著全球大多數的精煉能力。這種供應集中性為依賴這些材料的裝置製造路線圖增加了地緣政治的複雜性。
如果這種天線耦合納米顆粒架構可以穩定並大規模複製，那麼它所啟用的近紅外 LED 格式將填補固態光子學中的一個已知空白。現有的近紅外 LED 由 III-V 半導體如銦鎵砷製成，發射廣泛的光譜；鋂的窄線寬發射能夠改善光譜學和光學相干斷層掃描的系統性能，而無需外部過濾。該裝置也指向 LED 工程師更廣泛的材料工具包——一個可行的發光體的定義不再受限於導電或半導體化合物。
該工具包是否能夠投入生產，取決於製造挑戰能多快達到可製造的容忍範圍。
項目 規格 發光材料 鋂摻雜納米顆粒 近紅外光範圍 700–1,400 納米 發光效率 高於傳統電驅動
