韩三阳（左）指导学生进行光谱测试。清华大学供图

■本报记者 陈彬

提到发光材料，很多人首先会想到以发光二极管（LED）、有机发光二极管及量子点发光二极管为代表的半导体发光材料。而在上世纪中后期，某些稀土材料曾广泛应用于节能灯、阴极射线显像管等发光器件中，并凭借高亮度、长寿命和出色的色彩表现，“点亮”了一个时代。然而，最终它们大多被半导体发光材料所取代。

“LED是目前主要使用的直流电致发光器件，它可以将电能直接转化为光能，即所谓的‘电致发光’。这是传统稀土发光材料难以做到的。如果能够突破这一限制，稀土发光材料的发光性能有望更加卓越。”接受《中国科学报》采访时，清华大学深圳国际研究生院副教授韩三阳说。

日前，他领导的团队与黑龙江大学和新加坡国立大学团队合作，攻克了稀土纳米晶不能实现电致发光的难题，为解决电致发光器件的研究和应用问题带来新的突破口。近日，相关成果发表于《自然》。

两个难题

所谓稀土纳米晶，可以简单理解为掺杂了稀土离子的纳米级氟化物或氧化物颗粒。由于具有发光颜色可调、发光谱线窄、发光稳定性好等先天优势，这种颗粒一直被认为是电致发光材料的“潜力股”。

但直到今天，这一“潜力股”都未能充分释放潜力。

“我们使用过的节能灯等器具中的确含有稀土发光材料，但这些材料均属于光致发光材料。”黑龙江大学化学化工与材料学院教授许辉介绍说，这种材料并不能直接将电能转化为光能，只能将某些照射其上的光线（如UV射线或阴极射线）转化为可见光，大大限制了发光效率和应用范围。

稀土纳米晶是有可能将电能直接转化为光能的，但要实现这一目标，需要破解两大难题。

“电能在材料中往往以电子和空穴为载体进行传递。”韩三阳说，所谓空穴，可以理解为某种正电荷，其和带有负电荷的电子结合，会形成被称为“激子”的物质。如果激子不能快速转移至稀土纳米晶内部，会造成大量激子聚集，导致激子间出现湮灭现象，损耗大量能量，发光器件的效率和亮度无法提高。

更棘手的是，稀土纳米晶本身具有绝缘性，导致激子根本无法进入其内部，自然也就无法与稀土材料产生作用，遑论发光了。

韩三阳告诉《中国科学报》，尽管科研人员在提升稀土纳米晶光致发光效率方面取得了长足进步，但“电流驱动”的根本瓶颈始终难以突破，严重阻碍了稀土纳米晶材料在现代光电技术中的研究和应用。

给稀土穿一件“能量转换外衣”

对于如何给稀土材料“通电”的问题，韩三阳团队从十几年前就开始研究了。彼时，他还在新加坡国立大学从事化学材料研究。其间，他所在的研究团队察觉到，有机-无机杂化体系可能是打破僵局的关键。

他解释说，如果将稀土纳米晶与某些有机材料相结合，便可将激子能量快速注入稀土纳米颗粒内部。“这如同在‘发光岛’与‘电路大陆’之间架起一座分子桥梁。”

这一发现证实了稀土材料在电致发光中的重要潜力。但究竟如何操作，才能实现从“从0到1”的原理性发现到“从1到N”的技术性、产业化突破？这是此后多年韩三阳团队努力的目标。

最终，他们找到了办法——给稀土纳米晶穿上一件“能量转换外衣”。

这件“外衣”实际上是一种有机半导体材料，将其包裹于稀土纳米晶外部时，两者会在接触面高效配位杂化。这种高度杂化的结果是，借助有机分子的帮助，“外衣”表面的能量不但可以快速进入稀土纳米晶内部，而且传输效率几乎达到100%。

“那些能量的存在形式其实就是‘激子’。”许辉说，这在无形中解决了此前提到的第一个问题。因为纳米晶内部的稀土离子不但数量众多，而且对激子的容纳能力也很强。这就使得进入晶体内部的激子不但不会因“拥挤”而湮灭，反而能最大限度地释放自身能量，激发稀土离子，使其发光。

“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。”韩三阳说。

是起点，而非终点

相较于目前广泛应用的半导体发光材料，稀土纳米晶的优势有两个。

“稀土材料的发光光谱要比半导体材料窄得多，这意味着前者所发光的色纯度更高，其色彩的鲜艳度和信息的保真度也更高。”韩三阳说，同时，由于稀土离子的种类多样，不同离子所发光的色彩与种类也不同。因此，稀土纳米晶很容易发出各种颜色的光。

这就带来了另一个优势。

据韩三阳介绍，不同颜色的光的能级不同。很多半导体发光设备为配合这种光线能级的差别，需要在设备器件的结构上做出调整。“也就是说，设备发蓝光时需要某个器件，发绿光则需要另一个器件。”而使用稀土纳米晶发光时，只需要调整其中掺杂的稀土离子种类和浓度，就可以轻松实现调光。

正是这样的优势，为稀土纳米晶发光材料提供了广阔的应用空间。

比如，在大棚种植时，可以根据不同蔬菜和农作物的喜好，调整不同颜色的光照；在远洋捕鱼中，用稀土纳米晶制成的诱捕灯可以根据不同鱼群对光的喜好，随时调整光照颜色。

“这只是两个很窄的应用场景。”韩三阳告诉《中国科学报》，入职清华大学深圳国际研究生院后，他之所以选择生物医药与健康工程研究院，就是希望将研究视野拓展至医药健康领域。

“在生命健康领域，稀土发光材料大有用武之地。”他说，比如某些用于人体的柔性电子材料可能涉及光电转换，而稀土纳米晶具有长时间稳定发光的特点，可用于对蛋白细胞或癌细胞间相互作用、神经信号传导等现象的长期实时动态追踪。

虽然团队的研究成果已经发表，但对于他们而言，这是一个“起点”，而非“终点”。因为目前学界对于纳米颗粒与有机物复合的研究很少，尚未对背后的机理性内容做深入研究，相关的应用实践也有待进一步拓展。

“我想做具有特色的研究。”韩三阳说，他期待稀土领域的研究成果能为人类医药健康服务。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09717-1