华中科技大学团队在高熵发光材料领域取得新进展

近日，华中科技大学化学与化工学院张卓磊课题组、杨利明课题组联合相关研究团队在Angewandte Chemie International Edition发表研究工作，提出了一种由“熵稳定”走向“熵功能”的高熵发光材料设计思路。相关研究以“High-Entropy Rare-Earth Halide Double Perovskites Convert Compositional Disorder Into Ion-Transport-Stabilized Broadband Near-Infrared Emission for LEDs”为题发表于Angewandte Chemie International Edition。

宽谱近红外光源在光谱分析、无损检测、先进成像和机器视觉等领域具有重要价值。随着检测对象日益复杂，单一波长所提供的信息逐渐难以满足材料识别和内部结构探测需求，能够覆盖多个光谱窗口的宽谱、多通道光源因此受到越来越多关注。

但对于发光材料而言，“宽谱”并不是简单地拓宽一条发射带。多个发光通道往往涉及不同的能级结构、能量传递及弛豫过程。如何在同一材料中组织这些光物理过程，同时兼顾光谱可调性和材料稳定性，是构筑新型宽谱近红外发光材料的重要科学问题。

研究团队构筑了高熵稀土卤化物Cs2Na(Sb,RE)Cl6，将多种具有不同光物理特性的金属离子整合于同一晶格。不同于传统高熵设计主要关注多组分带来的结构稳定化效应，该研究进一步利用组分复杂性组织宽带吸收、能量敏化与多通道近红外发射，使“高熵”从一种稳定材料的策略，进一步转化为一种设计发光功能的方法。其中，Sb3+提供宽带吸收和敏化通道，多种稀土离子的特征能级共同形成互补的近红外发射窗口。在单一激发条件下，材料实现约850–1600 nm的宽谱近红外输出，并表现出996、1220和1540 nm等特征发射通道；通过调节稀土组成，还可进一步改变不同发射通道的相对强度。

这一结果表明，高熵材料中的多组分不仅能够贡献构型熵，还可以成为调节能级结构和光谱输出的设计变量。换言之，高熵体系的“复杂性”不再只是需要被容忍的结构特征，而可以进一步被利用来组织光学功能。与此同时，研究还揭示了高熵体系稳定性提升的微观来源。实验及理论分析表明，高熵结构在湿度和氧化环境下具有更好的结构和发光稳定性，其原因并非主要来自H2O或O2表面吸附能力的降低，而与高熵晶格中RE3+和Cl⁻离子迁移受到抑制密切相关。受限的离子输运能够延缓离子迁移诱导的晶格重构和材料降解。

在此基础上，研究团队进一步构筑了宽谱近红外荧光转换LED，实现稳定的多通道近红外输出，并进行了成像和无损检测演示。器件连续工作50小时后仍保持98.4%的初始发光强度。多个特征发射峰还可进一步用于构建自参照比率型光谱检测模式，为降低光源强度和光路波动带来的检测误差提供新的思路。宽谱、多通道近红外光源未来可进一步面向光谱分析、材料识别、工业视觉和无损检测等场景，并有望拓展至先进制造及硅基器件内部结构检测等应用方向。

该工作的核心意义在于拓展了高熵材料的设计边界：高熵不仅可以“以熵稳结构”，还可以进一步“以熵组功能”。当不同元素的电子结构、吸收特性和发光行为被共同纳入材料设计，高熵便不再只是结构稳定化策略，而开始成为构筑复杂光功能的新维度。