稀土納米晶是發光材料中的“絕緣寶石”，雖具有巨大的發光潛力，卻因自身局限無法被電流直接“點亮”，成為其實現光電技術產業化應用的根本瓶頸。
清華大學深圳國際研究生院韓三陽副教授團隊與合作者為稀土納米晶設計了一件獨特的“能量轉換外衣”，將能量高效傳遞給稀土納米晶的有機分子界面，為解決電致發光器件中的研究和應用難題帶來了新的突破口。
相關研究成果以“捕獲電生激子實現可調諧的稀土納米晶電致發光”（Electro-generated excitons for tunable lanthanide electroluminescence）為題于北京時間11月20日在線發表于《自然》（Nature）。
稀土納米晶（鑭系摻雜納米晶），具有發光顏色可調、發光譜線窄、發光穩定性高等先天優勢，一直被視為電致發光材料的“潛力股”。
然而，當21世紀的技術浪潮轉向以發光二極管（LED）、有機發光二極管（OLED）為代表的直流電致發光器件，性能卓越卻無法直接導電的稀土材料陷入了“絕緣困境”。
韓三陽表示：“稀土材料的絕緣特性，使電流難以注入和傳輸其中，因此其無法像半導體材料那樣被電流直接高效點亮。”這一“電流驅動”的根本瓶頸，嚴重阻礙了稀土材料在現代光電技術中的研究和應用。
共同通訊作者韓三陽（左）與其學生、共同一作張鵬在實驗室另辟蹊徑，聯合攻關
為稀土納米晶穿上“能量轉換外衣”
針對上述難題，韓三陽副教授團隊與黑龍江大學許輝、韓春苗教授團隊和新加坡國立大學劉小鋼院士團隊聯合攻關，通過表面修飾為鑭系摻雜納米晶穿上“能量轉換外衣”，采用有機-無機雜化策略，精確調控能級結構，借助配體工程將激子能量高效分配給鑭系離子發光體，成功解決了電致發光中激子產生、輸運和注入的核心難題，實現了高色純度、光譜可調的高效電致發光。
鑭系納米晶-有機分子雜化發光單元的設計制備“這項成果的意義在于，我們不僅讓稀土材料‘通上了電’，更打開了其在現代光電技術中應用的大門。”韓三陽介紹道，多個實驗結果顯示，這種配體功能化納米晶體平臺在多種波段電致發光方面具備潛力，無需大幅改動器件結構，僅通過調控稀土離子，即可實現多色發光。
這項成果不僅助力推動稀土發光在柔性顯示、近紅外器件等領域的應用，突破了國產光電技術，未來還有望進一步應用到人體健康監測、無創檢測，進而拓展到農作物補光技術等場景中。
有機無機雜化體系的電致發光器件十四年淬鋒，刃見新芒
從發現到突破，從“點亮”到應用
此次創新突破，是韓三陽在稀土研究領域發表的第二篇《自然》文章。他與稀土研究的不解之緣，早在14年前攻讀博士期間就已結下。當時他在新加坡國立大學從事化學材料研究，曾與合作者反復探討“稀土發光”領域路在何方。
在新加坡國立大學醫學院、英國劍橋大學卡文迪許實驗室做博士后期間，韓三陽不斷積累、持續攻堅，與團隊在該領域持續深耕，不斷取得關鍵技術突破。
2020年韓三陽以第一作者身份發表的《自然》文章2020年，韓三陽以第一作者身份發表《自然》文章，展示團隊研究成果：利用鑭系納米晶與界面分子進行結合，可實現三線態激子的自旋調控以及快速將激子能量注入稀土納米顆粒。
這項研究成果，是韓三陽團隊在稀土領域的一次重要進展——解決了光致發光中三線態激子的“點亮”問題，即發現了稀土材料在電致發光的重要潛力。
雖有潛力，但是因稀土納米晶自身的絕緣局限性，如何真正破除瓶頸，將其投入產業應用，成為了韓三陽下一步研究的契機。
而今年發表的研究成果，正是將這一機制成功應用于電致發光領域，構建了從光驅動到電驅動的完整技術鏈條。
材料科學+醫藥健康=？
交叉融合，按下創新“加速鍵”！
2022年，韓三陽加入清華大學深圳國際研究生院生物醫藥與健康工程研究院，將研究視野進一步拓展至醫藥健康領域。他表示：“我想做具有特色的研究，讓稀土領域的研究成果為人類醫藥健康服務。”稀土納米晶，在高端生物醫學成像、精準診療一體化、即時檢測等方面都具備廣闊的應用前景，這也進一步堅定了韓三陽深入稀土研究的決心。
深圳國際研究生院的交叉學科特色，為科研團隊帶來了獨特的科研生態。韓三陽所在的生物醫藥與健康工程研究院，正是深圳國際研究生院“6+1”學科布局中，聚焦“健康中國”戰略和深圳生命健康產業的現實需求、推動學科深度交叉的關鍵載體。
韓三陽工作照韓三陽課題組成員涵蓋化學材料、生物醫學、人工智能等多元背景。“‘交叉融合’不是一句簡單的口號，更是我們團隊不斷創新的源動力。”在韓三陽看來，“科研既要‘上書架’，推動基礎研究和學科發展；也要‘上貨架’，服務國家重大戰略需求。”
堅持長期主義
甘于坐“冷板凳”
“韓老師不止一次地告訴我們，事物的發展是螺旋進行的，研究過程中遇到的失敗，或許正是一個前進的契機。”本文共同第一作者、深圳國際研究生院2024級化學工程與技術專業博士生張鵬分享道。論文評審過程中，審稿人曾指出材料內部的“能量轉移機理”不清晰，團隊進而補充了一系列光譜學測試分析，如同給反應過程拍攝了一次“慢動作回放”，厘清了鑭系納米晶和有機分子之間的超快能量轉移過程。
有機無機納米雜化體系的光物理過程而針對審稿人對稀土納米晶材料應用潛力的質疑，團隊夜以繼日開展科研攻關，將器件效率提升至遠超主流器件初次報道的水平，并通過實驗數據證明該體系的理論亮度還有顯著提升的空間，同時做到不改變器件結構即可實現近紅外區發光的應用展示，有力印證了稀土納米晶在電致發光領域的重要潛力。
器件結構不變的鑭系發光多色調控“在回答審稿人問題的過程中，我們也不斷獲得新的動力和新的知識。”在韓三陽看來，與科研成果相比，他更關注課題組的學生能否從科研中鍛煉發現問題、解決問題的能力。“科研沒有白走的路，每個‘坑’其實都是給自己加深研究認知的基石。”
從博士期間的愈挫愈勇，到如今帶領團隊攻堅克難，韓三陽深切體會到“坐冷板凳”對科研工作者的意義。“真正有價值的創新往往需要長期積累，攀登科技高峰不僅需要智慧，更需要堅持的勇氣。”韓三陽表示，深圳的科研創新環境與深度交叉融合的產學研生態，以及學院的全方位支持，都為科研工作者提供了堅實的后盾。
未來，韓三陽團隊計劃進一步優化稀土納米晶在近紅外區域的性能，拓展其在深組織成像、光動力治療等生物醫學場景的應用。
（原標題：清華團隊新突破！為稀土穿上“能量轉換外衣”）
本文鏈接：清華團隊為稀土穿上“能量轉換外衣”http://www.sq15.cn/show-11-28472-0.html
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