“通上電”后，稀土材料發光了
文章來源：新能源網 更新時間：2025-11-28 15:58:36
韓三陽（左）指導學生進行光譜測試。清華大學供圖 ■本報記者 陳彬 提到發光材料，很多人首先會想到以發光二極管（LED）、有機發光二極管及量子點發光二極管為代表的半導體發光材料。而在上世紀中后期，某些稀土材料曾廣泛應用于節能燈、陰極射線顯像管等發光器件中，并憑借高亮度、長壽命和出色的色彩表現，“點亮”了一個時代。然而，最終它們大多被半導體發光材料所取代。 “LED是目前主要使用的直流電致發光器件，它可以將電能直接轉化為光能，即所謂的‘電致發光’。這是傳統稀土發光材料難以做到的。如果能夠突破這一限制，稀土發光材料的發光性能有望更加卓越。”接受《中國科學報》采訪時，清華大學深圳國際研究生院副教授韓三陽說。 日前，他領導的團隊與黑龍江大學和新加坡國立大學團隊合作，攻克了稀土納米晶不能實現電致發光的難題，為解決電致發光器件的研究和應用問題帶來新的突破口。近日，相關成果發表于《自然》。 兩個難題 所謂稀土納米晶，可以簡單理解為摻雜了稀土離子的納米級氟化物或氧化物顆粒。由于具有發光顏色可調、發光譜線窄、發光穩定性好等先天優勢，這種顆粒一直被認為是電致發光材料的“潛力股”。 但直到今天，這一“潛力股”都未能充分釋放潛力。 “我們使用過的節能燈等器具中的確含有稀土發光材料，但這些材料均屬于光致發光材料。”黑龍江大學化學化工與材料學院教授許輝介紹說，這種材料并不能直接將電能轉化為光能，只能將某些照射其上的光線（如UV射線或陰極射線）轉化為可見光，大大限制了發光效率和應用范圍。 稀土納米晶是有可能將電能直接轉化為光能的，但要實現這一目標，需要破解兩大難題。 “電能在材料中往往以電子和空穴為載體進行傳遞。”韓三陽說，所謂空穴，可以理解為某種正電荷，其和帶有負電荷的電子結合，會形成被稱為“激子”的物質。如果激子不能快速轉移至稀土納米晶內部，會造成大量激子聚集，導致激子間出現湮滅現象，損耗大量能量，發光器件的效率和亮度無法提高。 更棘手的是，稀土納米晶本身具有絕緣性，導致激子根本無法進入其內部，自然也就無法與稀土材料產生作用，遑論發光了。 韓三陽告訴《中國科學報》，盡管科研人員在提升稀土納米晶光致發光效率方面取得了長足進步，但“電流驅動”的根本瓶頸始終難以突破，嚴重阻礙了稀土納米晶材料在現代光電技術中的研究和應用。 給稀土穿一件“能量轉換外衣” 對于如何給稀土材料“通電”的問題，韓三陽團隊從十幾年前就開始研究了。彼時，他還在新加坡國立大學從事化學材料研究。其間，他所在的研究團隊察覺到，有機-無機雜化體系可能是打破僵局的關鍵。 他解釋說，如果將稀土納米晶與某些有機材料相結合，便可將激子能量快速注入稀土納米顆粒內部。“這如同在‘發光島’與‘電路大陸’之間架起一座分子橋梁。” 這一發現證實了稀土材料在電致發光中的重要潛力。但究竟如何操作，才能實現從“從0到1”的原理性發現到“從1到N”的技術性、產業化突破？這是此后多年韓三陽團隊努力的目標。 最終，他們找到了辦法——給稀土納米晶穿上一件“能量轉換外衣”。 這件“外衣”實際上是一種有機半導體材料，將其包裹于稀土納米晶外部時，兩者會在接觸面高效配位雜化。這種高度雜化的結果是，借助有機分子的幫助，“外衣”表面的能量不但可以快速進入稀土納米晶內部，而且傳輸效率幾乎達到100%。 “那些能量的存在形式其實就是‘激子’。”許輝說，這在無形中解決了此前提到的第一個問題。因為納米晶內部的稀土離子不但數量眾多，而且對激子的容納能力也很強。這就使得進入晶體內部的激子不但不會因“擁擠”而湮滅，反而能最大限度地釋放自身能量，激發稀土離子，使其發光。 “這項成果的意義在于，我們不僅讓稀土材料‘通上了電’，更打開了其在現代光電技術中應用的大門。”韓三陽說。 是起點，而非終點 相較于目前廣泛應用的半導體發光材料，稀土納米晶的優勢有兩個。 “稀土材料的發光光譜要比半導體材料窄得多，這意味著前者所發光的色純度更高，其色彩的鮮艷度和信息的保真度也更高。”韓三陽說，同時，由于稀土離子的種類多樣，不同離子所發光的色彩與種類也不同。因此，稀土納米晶很容易發出各種顏色的光。 這就帶來了另一個優勢。 據韓三陽介紹，不同顏色的光的能級不同。很多半導體發光設備為配合這種光線能級的差別，需要在設備器件的結構上做出調整。“也就是說，設備發藍光時需要某個器件，發綠光則需要另一個器件。”而使用稀土納米晶發光時，只需要調整其中摻雜的稀土離子種類和濃度，就可以輕松實現調光。 正是這樣的優勢，為稀土納米晶發光材料提供了廣闊的應用空間。 比如，在大棚種植時，可以根據不同蔬菜和農作物的喜好，調整不同顏色的光照；在遠洋捕魚中，用稀土納米晶制成的誘捕燈可以根據不同魚群對光的喜好，隨時調整光照顏色。 “這只是兩個很窄的應用場景。”韓三陽告訴《中國科學報》，入職清華大學深圳國際研究生院后，他之所以選擇生物醫藥與健康工程研究院，就是希望將研究視野拓展至醫藥健康領域。 “在生命健康領域，稀土發光材料大有用武之地。”他說，比如某些用于人體的柔性電子材料可能涉及光電轉換，而稀土納米晶具有長時間穩定發光的特點，可用于對蛋白細胞或癌細胞間相互作用、神經信號傳導等現象的長期實時動態追蹤。 雖然團隊的研究成果已經發表，但對于他們而言，這是一個“起點”，而非“終點”。因為目前學界對于納米顆粒與有機物復合的研究很少，尚未對背后的機理性內容做深入研究，相關的應用實踐也有待進一步拓展。 “我想做具有特色的研究。”韓三陽說，他期待稀土領域的研究成果能為人類醫藥健康服務。 相關論文信息： https://doi.org/10.1038/s41586-025-09717-1 《中國科學報》 (2025-11-26 第1版 要聞)
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