科学家们已经开发出一种通过改变稀土元素所处的化学环境来改变其发光颜色和亮度的方法，从而能够设计出先进的发光材料。

俄罗斯高等经济学院和俄罗斯科学院石油化工合成研究所的研究人员发现了一种方法，可以控制稀土元素发出的光的颜色和亮度。通常，这些元素的发光性具有高度可预测性。例如，铈离子通常会发出紫外线范围内的光。

然而，科学家们证实这种发射是可以改变的。他们通过创造一种特定的化学环境，使铈离子发出黄色光而不是通常的紫外线。这些发现有望推动先进光源、显示技术和激光系统的发展。相关研究已发表在《光学材料》期刊上。

稀土元素在微电子、发光二极管和荧光材料领域非常重要，因为它们能发出颜色精确界定的光。这种能力源自其电子在吸收和释放能量时的行为。

当原子从光或电流等光源吸收能量时，其一个电子可以跃迁到更高的能级。这种激发态是不稳定的。一段时间后，电子会返回到其原始能级，并以光的形式释放多余能量。这一过程被称为发光。

轨道跃迁及其典型稳定性

在稀土元素中，发光是由4f轨道（电子可以围绕原子核停留的区域）之间的电子跃迁产生的。通常，这些跃迁的能量是固定的，这意味着发光的颜色保持不变：铈会发出不可见的紫外线，而铽会发出绿光。

4f轨道位于原子深处，与周围环境的相互作用极小。相比之下，5d轨道对外界影响敏感，但由于其能量过高，通常对镧系元素的发光没有贡献。

然而，来自俄罗斯国立高等经济大学（HSE University）和俄罗斯科学院石油化工合成研究所的科学家们已经证明，通过调整金属的化学环境可以改变辐射的颜色。他们使用有机配体（围绕金属离子的分子）合成了铈、镨和铽的配合物。这些配体决定了配合物的几何形状并影响其性质。在所有情况下，三个环戊二烯阴离子都对称地排列在金属周围。

这些阴离子由规则的碳原子五边形组成，大的有机碎片附着在上面，为络合物提供所需的结构。这种环境在离子周围产生了特定的静电场，从而改变了5d轨道的能量，进而影响了发光光谱。

揭示变化背后的机制

“先前，我们观察到发光的颜色发生了变化，但其潜在机制尚不清楚。如今，在我们的物理学家同事的协助下，我们得以了解这种效应背后的机制。我们特意设计了一系列具有镧系元素所不具备的典型电子结构的化合物。我们并非只关注单个例子，而是合成了从铈到铽的一系列化合物，以观察它们的性质如何变化并找出其中的共同规律，”HSE化学系硕士研究生达尼尔·巴尔多诺夫评论道。

在传统的化合物中，铈会发射波长为300至400纳米的紫外线。而在新型络合物中，其发射光转移到了红色光区，波长达到了655纳米。这表明4f和5d能级间的能隙减小了。在其他所研究的镧系元素中也观察到了类似的电子能级重新排布现象，这同样会导致它们的发光特性发生改变。

“为了理解这一过程是如何运作的，首先要了解能量转移的机制至关重要。通常，配体分子吸收紫外线，进入激发态，然后将能量转移到金属原子上，使其发光，”分子系统与材料化学项目学术负责人兼论文合著者德米特里·罗伊特施泰因解释道。“然而，在新的化合物中，这一过程有所不同：能量不是直接转移到4f电子上，而是通过中间5d态进行转移。”

研究人员认为，如果能预测发光光谱，就可以通过省去耗时的反复试验，更有效地设计出具有所需特性的材料。这可以促进新型先进光源的创造。

“我们能够准确地证明原子环境是如何影响其电子跃迁和镧系元素发光的，”高等经济学院化学系本科生费奥多尔·切尔内斯基表示，“现在我们可以有意选择化合物的结构来控制发光，并生产具有特定光学特性的材料。”

参考文献：《二芳基环戊二烯基配位体络合物中Ln3+离子5d态的能量传递效率》，作者：Lada N. Puntus、Evgenia A. Varaksina、Daniil A. Bardonov、Mikhail E. Minyaev、Konstantin A. Lyssenko、Theodor A. Chernenkiy、Ilya V. Taydakov、Ilya E. Nifant’ev和Dmitrii M. Roitershtein，发表于2025年1月27日，《光学材料》期刊。DOI：10.1016/j.optmat.2025.116734

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