稀土纳米晶是发光材料中的“绝缘宝石”，具有巨大的发光潜力，却因为自身局限无法被电流直接“点亮”，成为其实现光电技术产业化应用的根本瓶颈。而如今，清华大学研究团队与黑龙江大学教授许辉、韩春苗团队和新加坡国立大学教授刘小钢团队为稀土纳米晶设计了一件独特的“能量转换外衣”，将能量高效传递给稀土纳米晶的有机分子界面，为解决电致发光器件中的研究和应用难题带来了新的突破口。

北京时间11月20日零时，研究团队与合作者在《自然》（Nature）期刊在线发表了最新研究成果“捕获电生激子实现可调谐的稀土纳米晶电致发光”。这也是清华SIGS今年发表的第五篇《自然》成果。

论文共同通讯作者韩三阳（左）与其学生、共同一作张鹏。清华大学供图

另辟蹊径，解决稀土纳米晶“绝缘困境”

稀土纳米晶（镧系掺杂纳米晶），具有发光颜色可调、发光谱线窄、发光稳定性高等先天优势，通过调控纳米晶内部掺杂离子组分可使该材料体系实现广色域的多色发光，一直被认为是电致发光材料的“潜力股”。

电致发光，能够将电能直接转换为光能，是现代显示技术和照明技术的基石。稀土发光材料，凭借高亮度、长寿命和出色的色彩表现，在照明与显示技术的发展史上曾立下“汗马功劳”——从节能灯到阴极射线显像管等间接激发应用中“点亮”了20世纪。然而，当21世纪的技术浪潮转向了以发光二极管（LED）、有机发光二极管（OLED）为代表的直流电致发光器件，性能卓越却无法直接导电的稀土材料，陷入了“绝缘困境”。

“这就像人在‘穿着棉袄跑步’。”清华大学副教授韩三阳解释道，“稀土材料的绝缘特性，使电流难以注入和传输其中，因此其无法像半导体材料那样被电流直接高效点亮。”尽管科研人员在提升其光致发光效率方面取得了长足进步，但这个“电流驱动”的根本瓶颈始终难以突破，严重阻碍了稀土材料在现代光电技术中的研究和应用。

针对这一根本性难题，韩三阳副教授团队与黑龙江大学许辉、韩春苗教授团队和新加坡国立大学刘小钢院士团队联合攻关，创新地通过表面修饰为稀土纳米晶穿上“能量转换外衣”，采用有机-无机杂化策略，精确调控能级结构，借助配体工程将激子能量高效分配给镧系离子发光体，成功解决了电致发光中激子产生、输运和注入的核心难题，实现了高色纯度、光谱可调的高效电致发光。

镧系纳米晶-有机分子杂化发光单元的设计制备。清华大学供图

“这项成果的意义在于，我们不仅让稀土材料‘通上了电’，更打开了其在现代光电技术中应用的大门。”韩三阳介绍道，多个实验结果显示，这种配体功能化纳米晶体平台在多种波段电致发光方面具备潜力，特别是在高分辨率、宽色域显示以及近红外技术中，无须大幅改动器件结构，仅通过调控稀土离子，即可实现多色发光。

这项成果不仅助力推动稀土发光在柔性显示、近红外器件等领域的应用，突破国产光电技术，未来有望进一步应用到人体健康监测、无创检测，乃至开拓农作物补光技术等场景中。

学科交叉融合，为研究带来创新动力

韩三阳在攻读博士期间，已与稀土研究结下不解之缘。早在14年前，他就曾与合作者反复探讨稀土发光的路在何方。当时，团队敏锐地察觉到：有机-无机杂化体系可能是打破僵局的关键。

然而，探索之路充满坎坷。纳米晶表面配体不稳定、分子耦合效率低……一个个技术难题，如同科研路上的险峰，需要逐一翻越。韩三阳不断积累、持续攻坚，与团队在稀土发光领域持续深耕，不断取得关键技术突破。

2020年，韩三阳和团队在《自然》（Nature）期刊发表了“镧系掺杂无机纳米颗粒点亮分子三线态激子”研究成果，发现了稀土材料在电致发光的重要潜力。而今年的《自然》成果，则成功将这一机制应用于电致发光领域，构建了从光驱动到电驱动的完整技术链条。实现“从0到1”的原理性发现，到“从1到N”的技术性、产业化突破。

韩三阳工作照。清华大学供图

2022年，韩三阳加入清华大学深圳国际研究生院（下称“清华SIGS”），将研究视野进一步拓展至医药健康领域。清华SIGS生物医药与健康工程研究院是清华SIGS“6+1”学科布局中，聚焦“健康中国”战略和深圳生命健康产业的现实需求、推动学科深度交叉的关键载体。稀土纳米晶在高端生物医学成像、精准诊疗一体化、即时检测等方面都具备广阔的应用前景，进一步坚定了韩三阳深入稀土研究的决心。

清华SIGS的交叉学科特色，为团队带来了独特的科研生态。韩三阳的课题组中，既有善于材料合成的化学背景的学生，也有熟悉生命机制的生物医学工程成员，还有擅长算法开发的人工智能研究者。化学材料、生物医学与人工智能的交叉融合，正持续推动团队开发新型长时程、实时动态成像技术，为在体观测生命活动过程提供了强大的方法论支撑。

“‘交叉融合’不是一句简单的口号，是我们团队不断创新的源动力。”韩三阳说道，“科研既要‘上书架’，推动基础研究和学科发展；也要‘上货架’，服务国家重大战略需求。”未来，韩三阳团队计划进一步优化稀土纳米晶在近红外区域的性能，拓展其在深组织成像、光动力治疗等生物医学场景的应用。

“攀登科技高峰不仅需要智慧，更需要坚持的勇气”

“韩老师不止一次地告诉我们，科研的过程并非线性前行。”本文共同第一作者、清华SIGS 2024级化学工程与技术专业博士生张鹏提到，研究过程中，团队成员长时间驻扎实验室测试样品信号，在周而复始的尝试和挫折中摸索前行。“事物的发展是螺旋进行的，有起伏是正常的，研究过程中遇到的失败，或许正是一个前进的契机。”

据课题组回忆，论文评审过程中，他们也曾受到质疑。审稿人曾指出材料内部的“能量转移机理”不清晰，对此，团队补充了一系列光谱学测试分析，如同给反应过程拍摄了一次“慢动作回放”，厘清了镧系纳米晶和有机分子之间的超快能量转移过程。

而针对审稿人对稀土纳米晶材料应用潜力的质疑，团队夜以继日开展科研攻关，将器件效率提升至远超主流器件初次报道的水平，并通过实验数据证明该体系的理论亮度还有显著提升的空间，同时做到不改变器件结构即可实现近红外区发光的应用展示，证明了该种新型镧系纳米晶在器件通用性方面相较传统电致发光器件的独特优势，有力印证了稀土纳米晶在电致发光领域的重要潜力。

每一次的审稿质疑，没有让团队产生畏难情绪，反而成了团队进一步深化研究的催化剂。“在回答审稿人问题的过程中，我们也不断获得新的动力和新的知识。”韩三阳说。经过多轮的回复与论证，团队系统地阐释了其新体系如何规避绝缘特性带来的负面影响，并充分发挥其发光颜色可调节优势，最终得到审稿人的认可。

从研究初期的愈挫愈勇，到带领团队攻坚克难，韩三阳深切体会到“坐冷板凳”对科研工作者的意义。“真正有价值的创新往往需要长期积累。攀登科技高峰不仅需要智慧，更需要坚持的勇气。”

新京报记者 徐彦琳

编辑 缪晨霞

校对 卢茜