稀土纳米晶是发光材料中的“绝缘宝石”，虽具有巨大的发光潜力，却因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。

清华大学深圳国际研究生院韩三阳副教授团队与合作者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。

相关研究成果以“捕获电生激子实现可调谐的稀土纳米晶电致发光”（Electro-generated excitons for tunable lanthanide electroluminescence）为题于北京时间11月20日在线发表于《自然》（Nature）。

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，一直被视为电致发光材料的“潜力股”。

然而，当21世纪的技术浪潮转向以发光二极管（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”。

韩三阳表示：“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。”这一“电流驱动”的根本瓶颈，严重阻碍了稀土材料在现代光电技术中的研究和应用。

共同通讯作者韩三阳（左）与其学生、共同一作张鹏在实验室

另辟蹊径，联合攻关

为稀土纳米晶穿上“能量转换外衣”

针对上述难题，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，通过表面修饰为镧系掺杂纳米晶穿上“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

“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，无需大幅改动器件结构，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，突破了国产光电技术，未来还有望进一步应用到人体健康监测、无创检测，进而拓展到农作物补光技术等场景中。

有机无机杂化体系的电致发光器件

十四年淬锋，刃见新芒

从发现到突破，从“点亮”到应用

此次创新突破，是韩三阳在稀土研究领域发表的第二篇《自然》文章。他与稀土研究的不解之缘，早在14年前攻读博士期间就已结下。当时他在新加坡国立大学从事化学材料研究，曾与合作者反复探讨“稀土发光”领域路在何方。

在新加坡国立大学医学院、英国剑桥大学卡文迪许实验室做博士后期间，韩三阳不断积累、持续攻坚，与团队在该领域持续深耕，不断取得关键技术突破。

2020年韩三阳以第一作者身份发表的《自然》文章

2020年，韩三阳以第一作者身份发表《自然》文章，展示团队研究成果：利用镧系纳米晶与界面分子进行结合，可实现三线态激子的自旋调控以及快速将激子能量注入稀土纳米颗粒。

这项研究成果，是韩三阳团队在稀土领域的一次重要进展——解决了光致发光中三线态激子的“点亮”问题，即发现了稀土材料在电致发光的重要潜力。

虽有潜力，但是因稀土纳米晶自身的绝缘局限性，如何真正破除瓶颈，将其投入产业应用，成为了韩三阳下一步研究的契机。

而今年发表的研究成果，正是将这一机制成功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。

材料科学+医药健康=？

交叉融合，按下创新“加速键”！

2022年，韩三阳加入清华大学深圳国际研究生院生物医药与健康工程研究院，将研究视野进一步拓展至医药健康领域。他表示：“我想做具有特色的研究，让稀土领域的研究成果为人类医药健康服务。”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，这也进一步坚定了韩三阳深入稀土研究的决心。

深圳国际研究生院的交叉学科特色，为科研团队带来了独特的科研生态。韩三阳所在的生物医药与健康工程研究院，正是深圳国际研究生院“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。

韩三阳工作照

韩三阳课题组成员涵盖化学材料、生物医学、人工智能等多元背景。“‘交叉融合’不是一句简单的口号，更是我们团队不断创新的源动力。”在韩三阳看来，“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。”

坚持长期主义

甘于坐“冷板凳”

“韩老师不止一次地告诉我们，事物的发展是螺旋进行的，研究过程中遇到的失败，或许正是一个前进的契机。”本文共同第一作者、深圳国际研究生院2024级化学工程与技术专业博士生张鹏分享道。论文评审过程中，审稿人曾指出材料内部的“能量转移机理”不清晰，团队进而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。

有机无机纳米杂化体系的光物理过程

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，有力印证了稀土纳米晶在电致发光领域的重要潜力。

器件结构不变的镧系发光多色调控

“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。”在韩三阳看来，与科研成果相比，他更关注课题组的学生能否从科研中锻炼发现问题、解决问题的能力。“科研没有白走的路，每个‘坑’其实都是给自己加深研究认知的基石。”

从博士期间的愈挫愈勇，到如今带领团队攻坚克难，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。”韩三阳表示，深圳的科研创新环境与深度交叉融合的产学研生态，以及学院的全方位支持，都为科研工作者提供了坚实的后盾。

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。