提到發光材料，很多人首先會想到以LED、OLED以及QLED為代表的半導體發光材料。但在上世紀中后期，某些稀土材料曾被廣泛應用于節能燈、陰極射線顯像管等發光器件中，并憑借高亮度、長壽命和出色的色彩表現，“點亮”了一個時代。
然而，它們最終卻大多被半導體發光材料所取代。
“LED發光二極管是目前主要使用的直流電致發光器件，它們可以將電能直接轉化為光能，即所謂的‘電致發光’。這是傳統稀土發光材料難以做到的。但如果能突破這一限制，稀土發光材料的發光性能有望更加卓越。”接受《中國科學報》采訪時，清華大學深圳國際研究生院生物醫藥與健康工程研究院副教授韓三陽說。
日前，他所領導的團隊便與黑龍江大學團隊和新加坡國立大學團隊合作，解決了稀土納米晶不能實現電致發光的難題，為解決電致發光器件中的研究和應用問題帶來新的突破口。相關成果近期在《自然》發表。
兩個難題
所謂“稀土納米晶”，可以簡單理解為摻雜了稀土離子的納米級氟化物或氧化物顆粒。由于具有發光顏色可調、發光譜線窄、發光穩定性高等先天優勢，這種顆粒一直被認為是電致發光材料的“潛力股”。
但直到今天，這個“潛力股”都沒有能充分釋放自己的潛力。
“我們使用過的節能燈等器具中的確含有稀土發光材料，但這些材料均屬于‘光致發光’材料。”韓三陽團隊的合作伙伴、黑龍江大學化學化工與材料學院教授許輝介紹說，這種材料并不能直接將電能轉化為光能，只能將某些照射其上的光線（如UV射線或陰極射線）轉化為可見光，這就大大限制了這些材料的發光效率和應用范圍。
稀土納米晶是有可能將電能直接轉化為光能的，但要實現這一目標，需要克服兩個很大的難題。
“電能在材料中往往以電子和空穴為載體進行傳遞。”韓三陽說，所謂“空穴”，可以大致理解為某種正電荷，其和帶有負電荷的電子結合，會形成被稱為“激子”的物質，如果激子不能快速轉移至稀土納米晶內部，會造成大量激子的聚集，導致激子彼此之間出現湮滅現象，損耗大量能量，發光器件的效率和亮度自然提不上去。”
更棘手的是，稀土納米晶本身具有絕緣性，這導致激子根本無法進入其內部，自然也就無法與稀土材料產生作用，更遑論發光了。
韓三陽告訴《中國科學報》，盡管科研人員在提升其光致發光效率方面取得了長足進步，但這個“電流驅動”的根本瓶頸始終難以突破，嚴重阻礙了稀土納米晶材料在現代光電技術中的研究和應用。
給稀土穿一件“能量轉換外衣”
對于如何給稀土材料“通電”的問題，韓三陽團隊從十幾年前就開始研究了。彼時，他還在新加坡國立大學從事化學材料的研究。其間，他所在的研究團隊察覺到，有機—無機雜化體系可能是打破僵局的關鍵。
他解釋說，如果將稀土納米晶與某些有機材料進行結合，便可實現將激子能量快速注入稀土納米顆粒內部的目的。“這就如同在‘發光島’與‘電路大陸’之間架起一座分子橋梁。”
這一發現證實了稀土材料在電致發光中的重要潛力。但究竟如何操作，才能將這個從“從0到1”的原理性發現，轉化成“從1到N”的技術性、產業化突破，這成為了此后多年，韓三陽團隊努力的目標。
最終，他們找到了方式——給稀土納米晶穿上一件“能量轉換外衣”。
這件“外衣”其實是一種有機半導體材料，將其包裹于稀土納米晶外部后，兩者會在接觸面高效配位雜化，這種高度雜化的結果便是——借助有機分子的幫助，在“外衣”表面的能量不但可以快速進入稀土納米晶內部，而且其傳輸效率幾乎可以達到百分之百。
“那些能量的存在形式其實就是‘激子’。”許輝說，這在無形中也解決了此前提到的第一個問題，因為納米晶內部的稀土離子不但數量眾多，而且對激子的容納能力也很強。這就使得進入晶體內部的激子不會因“擁擠”而產生湮滅，反而可以最大限度地釋放自身能量，激發稀土離子使其發光。
“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。”韓三陽說。
是起點，而非終點
相較于目前廣泛應用的半導體發光材料，稀土納米晶的優勢可以簡單歸納為兩個方面。
“稀土材料的發光光譜要比半導體材料窄得多，這意味著前者所發光的色純度要更高，其色彩的鮮艷度和信息的保真度也會更高。”韓三陽說，同時，由于稀土離子的種類多樣，不同種類離子所發光的色彩與種類也有不同。因此，稀土納米晶可以很容易地發出各種顏色的光，甚至可以發出近紅外光等。
這就帶來了另一個優勢。
據韓三陽介紹，不同顏色的光所擁有的能級不同，很多半導體發光設備為了配合這種光線能級的差別，需要在設備器件的結構上做出調整。“也就是說，設備發藍光時需要某個器件，發綠光則需要另一個器件”。
相比之下，使用稀土納米晶發光時，只需要調整其中摻雜的稀土離子種類和濃度，就可以輕松實現調光。
正是這樣的優勢，給了稀土納米晶發光材料廣闊的應用空間。
比如，農業中的大棚養殖，可以根據不同蔬菜和農作物的喜好，調整不同顏色的光照；類似的情況也包括遠洋捕魚，用稀土納米晶制成的誘捕燈可以根據不同魚群對光的喜好，隨時調整光照顏色。
“這只是兩個很小的應用場景。”韓三陽告訴《中國科學報》，入職清華大學深圳國際研究生院后，他之所以選擇進入生物醫藥與健康工程研究院，就是希望將研究視野拓展至醫藥健康領域。
“在生命健康領域，稀土發光材料大有用武之地。”他說，比如某些用于人體的柔性電子材料可能會涉及光電之間的轉化，而稀土納米晶可以長時間穩定發光的特點，更可以被用于對蛋白細胞或癌細胞間相互作用、神經信號傳導等現象的長期實時動態追蹤。
目前，雖然團隊的研究成果已經刊發，但對于他們而言，這更像是一個“起點”，而非“終點”。因為目前科學界對于納米顆粒與有機物相互復合的研究還很稀少，很多背后的機理性內容尚未做深入研究，相關的應用實踐也有待進一步拓展。
正如韓三陽所言，“我雖是化學背景出身，聚焦的領域看上去也更偏向材料方向，但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”。
相關論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09717-1
本文鏈接：被“通上電”后，稀土材料發光了http://www.sq15.cn/show-11-28548-0.html
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