【供稿：电子科学与工程学院】3月8日，吉林大学电子科学与工程学院、集成光电子学国家重点实验室张宇教授、白雪教授、武振楠教授联合重庆大学唐青教授、中国科学院上海高等研究院顾颂琦高级工程师在Nature Communications上发表题为“Lighting up metal nanoclusters by the H₂O-dictated electron relaxation dynamics”的研究论文。创新性地利用水分子调控策略将金属纳米团簇材料的发光量子产率提高17倍，从5.3%显著提升至91.6%。这项研究不仅为深入理解金属纳米团簇中缺陷态发光机制提供了范例，还展示了一种简单有效的策略钝化结构缺陷，显著调控金属纳米团簇的发光颜色和量子效率，为金属纳米团簇在生物检测、光电转换等领域的应用奠定重要基础。

缺陷在调控材料的光学与电子性质中发挥着关键作用，其应用已广泛涉及能源存储、催化、光伏及光电子等领域。材料的结构缺陷，包括空位、间隙原子和替代杂质等，常形成于材料的合成、纯化、修饰、存储至应用的全流程中。对于发光材料而言，缺陷通常能够通过引入缺陷态能级捕获电子或改变电子转移路径，从而显著干扰激发态电子弛豫动力学，影响辐射与非辐射复合过程的平衡，最终决定其光致发光性能。因此，结构缺陷的精细调控对材料发光性能的定制和设计至关重要。

图1.吸水前后AuAg纳米团簇的光学性质

图2.水分子调控从团簇本征态到缺陷态电子转移过程

图3.理论模拟和普适性验证

金属纳米团簇由单层配体保护的数个至数百个金属原子组成，遵循“分离和保护”的超原子复合体模型。其兼具的无机金属内核与有机-无机界面“staple motifs”结构使它们被视为“金属分子”，表现出类分子性质。由于金属纳米团簇的超小尺寸（通常<3 nm）及丰富的表面悬挂键/暴露位点，金属团簇对结构缺陷高度敏感。动态结构演变、拓扑复杂性及高结晶性共同促使金属团簇中缺陷的形成，而金属内核与表面有机配体间的相互作用能够进一步诱发晶格应变，加速结构缺陷的产生。近期的研究虽然已经在金属团簇中观察到表面空位与点缺陷，并揭示其可调控物理化学性质，但对缺陷类型与发光性能关联的研究仍存在两大挑战：一方面，缺陷的存在易导致团簇稳定性下降，使其仅能在单晶或溶液中被捕捉到；另一方面，现有工作多聚焦缺陷本身的拓扑结构表征，极少阐明缺陷态发光机制及表界面电子弛豫动力学的调控规律。因此，揭示金属纳米团簇中结构缺陷与发光性能的构效关系，是实现其发光颜色可调可控和超高发光量子效率目标的迫切需求。

研究团队发现，当金属纳米团簇吸附水分子后，水中的氧原子会与材料表面的金属原子结合，形成稳定的化学键，从而修复结构缺陷。“就像魔术师手中的魔杖，水分子在这里起到了神奇的调控作用。”论文第一作者钟圆解释说，通过控制环境湿度，我们可以像调色板一样精确调整材料发光颜色，支持材料和器件的“智”造。实验数据显示，材料在经历多次干湿循环后仍保持稳定性能，展现出良好的应用前景。

上述研究成果的第一完成单位是吉林大学，研究工作得到了重庆大学和中国科学院上海高等研究院的支持与帮助。论文的第一作者为吉林大学电子科学与工程学院钟圆博士、王雪博士、重庆大学黄周博士和中国科学院上海高等研究院韦尧博士，共同通讯作者为吉林大学张宇教授、白雪教授、武振楠教授，重庆大学唐青教授、中国科学院上海高等研究院顾颂琦高级工程师。本工作得到了国家自然科学基金的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-57554-7