ZnO可见光区的荧光发射具有非常悠久而复杂的历史。

先前的工作将可见光区的荧光发射均归因于杂质或结构缺陷（如氧空位，锌空位，锌间隙，表面态）的存在。但是，对于结晶性良好，高发光效率的ZnO纳米晶仍归因于缺陷发光是相互矛盾的，也极大的限制了ZnO的发展。

因此，其可见光区的发光机制仍存在一定的争议，进一步深入探究ZnO纳米晶高效发光机制，有望开拓其新的应用领域给ZnO的发展带来新机遇。

近日，郑州大学刘凯凯和单崇新教授课题组在ZnO纳米晶发光机制研究方面取得重要进展，其首次提出并证实ZnO纳米晶中多光子激发的单重态/三重态混合自限域激子的发光。该模型澄清了长期以来备受争议的ZnO可见光区发射问题，基于优异的多光子特性和良好的生物相容性，成功实现体外细胞和体内三维生物组织的双光子荧光成像。

相关成果以“Multiphoton Excited Singlet/Triplet Mixed Self-Trapped Exciton Emission”为题发表在Nature Communications。该论文的第一作者为郑州大学博士研究生周蕊和和中科院大连化物所隋来志，通讯作者为郑州大学刘凯凯和单崇新教授。

单重态和三重态：在量子力学中，一个系统具有自旋量子数S=0的量子态称之为单重态，其自旋分量有一个允许值，Ms=0；一个系统具有自旋量子数S=1的量子态称之为三重态，其自旋分量有三个允许值，Ms=-1，0，+1。

在本文中作者结合ZnO纳米晶的结构，激发依赖性，电声耦合强弱，激子的复合速率以及理论计算等七个方面详细阐明其具体的发光机制（图1）。具体分析如下：

在结构上，由高分辨球差电镜证实了ZnO纳米晶具有高质量单晶结构；

在激发依赖上，通过不同发光位置的激发光谱重合，低于激子能量范围均不能实现激发，以及发光与激发功率变化超三个数量级时仍保持良好线性关系，排除了缺陷发光机制；

在电声耦合作用上，适宜且较大的黄昆因子初步证实了自限态激子发光；

在发光开启时间上，低能量光子发光的开启时间要晚于高能量光子的开启时间，从而证实了自限态激子发光；

在瞬态发光光谱上，通过63%和37%的不同寿命组分确定了混合自限域激子发光；

在瞬态电子顺磁共振光谱上，证实了单重态/三重态混合自限域激子发光，相应的单重态到三重态的转换示意图如图2所示；

在第一性原理理论计算上，证实了光诱导的晶格畸变以及大的自旋轨道耦合作用是发生上述发光的原因。