提到发光材料，很多人首先会想到以LED、OLED以及QLED为代表的半导体发光材料。但在上世纪中后期，某些稀土材料曾被广泛应用于节能灯、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，它们最终却大多被半导体发光材料所取代。

“LED发光二极管是目前主要使用的直流电致发光器件，它们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。但如果能突破这一限制，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生物医药与健康工程研究院副教授韩三阳说。

日前，他所领导的团队便与黑龙江大学团队和新加坡国立大学团队合作，解决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中的研究和应用问题带来新的突破口。相关成果近期在《自然》发表。

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、发光稳定性高等先天优势，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，这个“潜力股”都没有能充分释放自己的潜力。

“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。”韩三阳团队的合作伙伴、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，这就大大限制了这些材料的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，需要克服两个很大的难题。

“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”，可以大致理解为某种正电荷，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，会造成大量激子的聚集，导致激子彼此之间出现湮灭现象，损耗大量能量，发光器件的效率和亮度自然提不上去。”

更棘手的是，稀土纳米晶本身具有绝缘性，这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，更遑论发光了。

韩三阳告诉《中国科学报》，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的研究。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进行结合，便可实现将激子能量快速注入稀土纳米颗粒内部的目的。“这就如同在‘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，才能将这个从“从0到1”的原理性发现，转化成“从1到N”的技术性、产业化突破，这成为了此后多年，韩三阳团队努力的目标。

最终，他们找到了方式——给稀土纳米晶穿上一件“能量转换外衣”。

这件“外衣”其实是一种有机半导体材料，将其包裹于稀土纳米晶外部后，两者会在接触面高效配位杂化，这种高度杂化的结果便是——借助有机分子的帮助，在“外衣”表面的能量不但可以快速进入稀土纳米晶内部，而且其传输效率几乎可以达到百分之百。

“那些能量的存在形式其实就是‘激子’。”许辉说，这在无形中也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会因“拥挤”而产生湮灭，反而可以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，稀土纳米晶的优势可以简单归纳为两个方面。

“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要更高，其色彩的鲜艳度和信息的保真度也会更高。”韩三阳说，同时，由于稀土离子的种类多样，不同种类离子所发光的色彩与种类也有不同。因此，稀土纳米晶可以很容易地发出各种颜色的光，甚至可以发出近红外光等。

这就带来了另一个优势。

据韩三阳介绍，不同颜色的光所拥有的能级不同，很多半导体发光设备为了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”。

相比之下，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，给了稀土纳米晶发光材料广阔的应用空间。

比如，农业中的大棚养殖，可以根据不同蔬菜和农作物的喜好，调整不同颜色的光照；类似的情况也包括远洋捕鱼，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。

“这只是两个很小的应用场景。”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，他之所以选择进入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会涉及光电之间的转化，而稀土纳米晶可以长时间稳定发光的特点，更可以被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。

目前，虽然团队的研究成果已经刊发，但对于他们而言，这更像是一个“起点”，而非“终点”。因为目前科学界对于纳米颗粒与有机物相互复合的研究还很稀少，很多背后的机理性内容尚未做深入研究，相关的应用实践也有待进一步拓展。

正如韩三阳所言，“我虽是化学背景出身，聚焦的领域看上去也更偏向材料方向，但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”。

相关论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09717-1