清華團隊新突破！為稀土穿上“能量轉(zhuǎn)換外衣”

稀土納米晶

是發(fā)光材料中的“絕緣寶石”

雖具有巨大的發(fā)光潛力

卻因自身局限無法被電流直接“點亮”

成為其

實現(xiàn)光電技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的根本瓶頸

清華大學(xué)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(shè)計了一件獨特的

“能量轉(zhuǎn)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(fā)光器件中的研究和應(yīng)用難題

帶來了新的突破口

Nature 網(wǎng)站論文截圖

相關(guān)研究成果以

“捕獲電生激子實現(xiàn)可調(diào)諧的稀土納米晶電致發(fā)光”

（Electro-generated excitons for tunable lanthanide electroluminescence）為題

于北京時間11月20日

在線發(fā)表于《自然》（Nature）

稀土納米晶（鑭系摻雜納米晶），具有發(fā)光顏色可調(diào)、發(fā)光譜線窄、發(fā)光穩(wěn)定性高等先天優(yōu)勢，一直被視為電致發(fā)光材料的“潛力股”。

然而，當(dāng)21世紀(jì)的技術(shù)浪潮轉(zhuǎn)向以發(fā)光二極管（LED）、有機發(fā)光二極管（OLED）為代表的直流電致發(fā)光器件，性能卓越卻無法直接導(dǎo)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(dǎo)體材料那樣被電流直接高效點亮?！边@一“電流驅(qū)動”的根本瓶頸，嚴(yán)重阻礙了稀土材料在現(xiàn)代光電技術(shù)中的研究和應(yīng)用。

共同通訊作者韓三陽（左）與其學(xué)生、共同一作張鵬在實驗室

另辟蹊徑，聯(lián)合攻關(guān)

為稀土納米晶穿上“能量轉(zhuǎn)換外衣”

針對上述難題，韓三陽副教授團隊與黑龍江大學(xué)許輝、韓春苗教授團隊和新加坡國立大學(xué)劉小鋼院士團隊聯(lián)合攻關(guān)，通過表面修飾為鑭系摻雜納米晶穿上“能量轉(zhuǎn)換外衣”，采用有機-無機雜化策略，精確調(diào)控能級結(jié)構(gòu)，借助配體工程將激子能量高效分配給鑭系離子發(fā)光體，成功解決了電致發(fā)光中激子產(chǎn)生、輸運和注入的核心難題，實現(xiàn)了高色純度、光譜可調(diào)的高效電致發(fā)光。

鑭系納米晶-有機分子雜化發(fā)光單元的設(shè)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(xiàn)代光電技術(shù)中應(yīng)用的大門。”韓三陽介紹道，多個實驗結(jié)果顯示，這種配體功能化納米晶體平臺在多種波段電致發(fā)光方面具備潛力，無需大幅改動器件結(jié)構(gòu)，僅通過調(diào)控稀土離子，即可實現(xiàn)多色發(fā)光。

這項成果不僅助力推動稀土發(fā)光在柔性顯示、近紅外器件等領(lǐng)域的應(yīng)用，突破了國產(chǎn)光電技術(shù)，未來還有望進一步應(yīng)用到人體健康監(jiān)測、無創(chuàng)檢測，進而拓展到農(nóng)作物補光技術(shù)等場景中。

有機無機雜化體系的電致發(fā)光器件

十四年淬鋒，刃見新芒

從發(fā)現(xiàn)到突破，從“點亮”到應(yīng)用

此次創(chuàng)新突破，是韓三陽在稀土研究領(lǐng)域發(fā)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(jié)下。當(dāng)時他在新加坡國立大學(xué)從事化學(xué)材料研究，曾與合作者反復(fù)探討“稀土發(fā)光”領(lǐng)域路在何方。

在新加坡國立大學(xué)醫(yī)學(xué)院、英國劍橋大學(xué)卡文迪許實驗室做博士后期間，韓三陽不斷積累、持續(xù)攻堅，與團隊在該領(lǐng)域持續(xù)深耕，不斷取得關(guān)鍵技術(shù)突破。

2020年韓三陽以第一作者身份發(fā)表的《自然》文章

2020年，韓三陽以第一作者身份發(fā)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(jié)合，可實現(xiàn)三線態(tài)激子的自旋調(diào)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(lǐng)域的一次重要進展——解決了光致發(fā)光中三線態(tài)激子的“點亮”問題，即發(fā)現(xiàn)了稀土材料在電致發(fā)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(chǎn)業(yè)應(yīng)用，成為了韓三陽下一步研究的契機。

而今年發(fā)表的研究成果，正是將這一機制成功應(yīng)用于電致發(fā)光領(lǐng)域，構(gòu)建了從光驅(qū)動到電驅(qū)動的完整技術(shù)鏈條。

材料科學(xué)+醫(yī)藥健康=？

交叉融合，按下創(chuàng)新“加速鍵”！

2022年，韓三陽加入清華大學(xué)深圳國際研究生院生物醫(yī)藥與健康工程研究院，將研究視野進一步拓展至醫(yī)藥健康領(lǐng)域。他表示：“我想做具有特色的研究，讓稀土領(lǐng)域的研究成果為人類醫(yī)藥健康服務(wù)。”稀土納米晶，在高端生物醫(yī)學(xué)成像、精準(zhǔn)診療一體化、即時檢測等方面都具備廣闊的應(yīng)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(xué)科特色，為科研團隊帶來了獨特的科研生態(tài)。韓三陽所在的生物醫(yī)藥與健康工程研究院，正是深圳國際研究生院“6+1”學(xué)科布局中，聚焦“健康中國”戰(zhàn)略和深圳生命健康產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)實需求、推動學(xué)科深度交叉的關(guān)鍵載體。

韓三陽工作照

韓三陽課題組成員涵蓋化學(xué)材料、生物醫(yī)學(xué)、人工智能等多元背景?！啊徊嫒诤稀皇且痪浜唵蔚目谔枺俏覀儓F隊不斷創(chuàng)新的源動力?！痹陧n三陽看來，“科研既要‘上書架’，推動基礎(chǔ)研究和學(xué)科發(fā)展；也要‘上貨架’，服務(wù)國家重大戰(zhàn)略需求?！?/span>

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(fā)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?！北疚墓餐谝蛔髡摺⑸钲趪H研究生院2024級化學(xué)工程與技術(shù)專業(yè)博士生張鵬分享道。論文評審過程中，審稿人曾指出材料內(nèi)部的“能量轉(zhuǎn)移機理”不清晰，團隊進而補充了一系列光譜學(xué)測試分析，如同給反應(yīng)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(zhuǎn)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(yīng)用潛力的質(zhì)疑，團隊夜以繼日開展科研攻關(guān)，將器件效率提升至遠(yuǎn)超主流器件初次報道的水平，并通過實驗數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)即可實現(xiàn)近紅外區(qū)發(fā)光的應(yīng)用展示，有力印證了稀土納米晶在電致發(fā)光領(lǐng)域的重要潛力。

器件結(jié)構(gòu)不變的鑭系發(fā)光多色調(diào)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(guān)注課題組的學(xué)生能否從科研中鍛煉發(fā)現(xiàn)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(rèn)知的基石。”

從博士期間的愈挫愈勇，到如今帶領(lǐng)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(chuàng)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(chuàng)新環(huán)境與深度交叉融合的產(chǎn)學(xué)研生態(tài)，以及學(xué)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(yōu)化稀土納米晶在近紅外區(qū)域的性能，拓展其在深組織成像、光動力治療等生物醫(yī)學(xué)場景的應(yīng)用。

論文的共同通訊作者為新加坡國立大學(xué)劉小鋼院士，黑龍江大學(xué)許輝教授、韓春苗教授，清華大學(xué)深圳國際研究生院韓三陽副教授，共同第一作者為黑龍江大學(xué)2023級碩士生譚靜、清華大學(xué)深圳國際研究生院2024級博士生張鵬以及黑龍江大學(xué)2022屆碩士畢業(yè)生宋曉晴。其他作者包括黑龍江大學(xué)張靜教授、段春波副教授，香港城市大學(xué)王鋒教授和華南理工大學(xué)張志龍教授。