清華SIGS年度第5篇Nature：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(diǎn)亮”

成為其實(shí)現(xiàn)光電技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的根本瓶頸

清華SIGS韓三陽副教授團(tuán)隊(duì)與合作者

為稀土納米晶設(shè)計(jì)了一件獨(dú)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(jī)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

《自然》網(wǎng)站文章截圖

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北京時(shí)間11月20日零時(shí)

研究成果以

“捕獲電生激子實(shí)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

在線發(fā)表于《自然》（Nature）期刊

這是清華SIGS今年發(fā)表的

第五篇《自然》成果

共同通訊作者韓三陽（左）與其學(xué)生、共同一作張鵬

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作為電致發(fā)光“潛力股”

稀土納米晶長期面臨“絕緣困境”

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(shì)，通過調(diào)控納米晶內(nèi)部摻雜離子組分可使該材料體系實(shí)現(xiàn)廣色域的多色發(fā)光，一直被認(rèn)為是電致發(fā)光材料的“潛力股”。

電致發(fā)光，能夠?qū)㈦娔苤苯愚D(zhuǎn)換為光能，是現(xiàn)代顯示技術(shù)和照明技術(shù)的基石。稀土發(fā)光材料，憑借高亮度、長壽命和出色的色彩表現(xiàn)，在照明與顯示技術(shù)的發(fā)展史上曾立下“汗馬功勞”——從節(jié)能燈到陰極射線顯像管等間接激發(fā)應(yīng)用中“點(diǎn)亮”了20世紀(jì)。然而，當(dāng)21世紀(jì)的技術(shù)浪潮轉(zhuǎn)向了以發(fā)光二極管（LED）、有機(jī)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”。

“這就像人在‘穿著棉襖跑步’。”韓三陽解釋道，“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(diǎn)亮。”盡管科研人員在提升其光致發(fā)光效率方面取得了長足進(jìn)步，但這個(gè)“電流驅(qū)動(dòng)”的根本瓶頸始終難以突破，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。

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(duì)上述根本性難題，韓三陽副教授團(tuán)隊(duì)與黑龍江大學(xué)許輝、韓春苗教授團(tuán)隊(duì)和新加坡國立大學(xué)劉小鋼院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合攻關(guān)，創(chuàng)新性地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(jī)-無機(jī)雜化策略，精確調(diào)控能級(jí)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(yùn)和注入的核心難題，實(shí)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(jī)分子雜化發(fā)光單元的設(shè)計(jì)制備

“這項(xiàng)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(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，這種配體功能化納米晶體平臺(tái)在多種波段電致發(fā)光方面具備潛力，特別是在高分辨率、寬色域顯示以及近紅外技術(shù)中，無需大幅改動(dòng)器件結(jié)構(gòu)，僅通過調(diào)控稀土離子，即可實(shí)現(xiàn)多色發(fā)光。

有機(jī)無機(jī)雜化體系的電致發(fā)光器件

這項(xiàng)成果不僅助力推動(dòng)稀土發(fā)光在柔性顯示、近紅外器件等領(lǐng)域的應(yīng)用，突破國產(chǎn)光電技術(shù)，未來有望進(jìn)一步應(yīng)用到人體健康監(jiān)測(cè)、無創(chuàng)檢測(cè)，乃至開拓農(nóng)作物補(bǔ)光技術(shù)等場(chǎng)景中。

十四年淬鋒，刃見新芒

從發(fā)現(xiàn)到突破，從點(diǎn)亮到應(yīng)用的稀土之緣

韓三陽與稀土研究的不解之緣，在他攻讀博士期間就已結(jié)下。這一次的創(chuàng)新突破，是他在該領(lǐng)域發(fā)表的第二篇《自然》文章。早在14年前他在新加坡國立大學(xué)從事化學(xué)材料研究期間，就曾與合作者反復(fù)探討稀土發(fā)光的路在何方。

當(dāng)時(shí)，團(tuán)隊(duì)敏銳地察覺到：有機(jī)-無機(jī)雜化體系可能是打破僵局的關(guān)鍵，這就如同在“發(fā)光島”與“電路大陸”之間架起一座分子橋梁。

然而，探索之路充滿坎坷。納米晶表面配體不穩(wěn)定、分子耦合效率低……一個(gè)個(gè)技術(shù)難題，如同科研路上的險(xiǎn)峰，需要逐一翻越。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(shí)驗(yàn)室做博士后期間，韓三陽不斷積累，持續(xù)攻堅(jiān)，與團(tuán)隊(duì)在稀土發(fā)光領(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

他和團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，利用鑭系納米晶與界面分子進(jìn)行結(jié)合，可實(shí)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(xiàng)成果于2020年發(fā)表在《自然》（Nature）期刊，題為“鑭系摻雜無機(jī)納米顆粒點(diǎn)亮分子三線態(tài)激子”（Lanthanide-doped inorganic nanoparticles turn molecular triplet excitons bright）。

這項(xiàng)研究成果，是韓三陽在稀土領(lǐng)域的一次重要進(jìn)展——解決了光致發(fā)光中三線態(tài)激子的“點(diǎn)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？這也就成為了韓三陽下一步研究的契機(jī)。而今年的《自然》成果，正是將這一機(jī)制成功應(yīng)用于電致發(fā)光領(lǐng)域，構(gòu)建了從光驅(qū)動(dòng)到電驅(qū)動(dòng)的完整技術(shù)鏈條。

從“從0到1”的原理性發(fā)現(xiàn)，到“從1到N”的技術(shù)性、產(chǎn)業(yè)化突破，14年的淬煉，不僅是這場(chǎng)“稀土之緣”的延續(xù)，更是一場(chǎng)從認(rèn)知破壁到應(yīng)用落地的系統(tǒng)性攻堅(jiān)。

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SIGS生物醫(yī)藥與健康工程研究院，將研究視野進(jìn)一步拓展至醫(yī)藥健康領(lǐng)域。對(duì)此，他表示：“我雖是化學(xué)背景出身，聚焦的領(lǐng)域看上去也更偏向材料方向，但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(shí)檢測(cè)等方面都具備廣闊的應(yīng)用前景，這也進(jìn)一步堅(jiān)定了韓三陽深入稀土研究、賦能醫(yī)藥健康領(lǐng)域的決心。

做獨(dú)具特色的前沿研究，是吸引韓三陽加入清華SIGS的核心動(dòng)力。立足在國民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)和改革開放的前沿陣地，他所在的生物醫(yī)藥與健康工程研究院，正是清華SIGS“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(shí)需求、推動(dòng)學(xué)科深度交叉的關(guān)鍵載體。研究院突出工程科學(xué)支撐和學(xué)科交叉融合特色，打通應(yīng)用轉(zhuǎn)化渠道，創(chuàng)建基于工程科學(xué)支撐、多學(xué)科融合的生物醫(yī)藥與健康工程新領(lǐng)域，圍繞大健康的重大需求融合醫(yī)藥工程、生物工程、生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)工程、過程控制、材料工程、人工智能等先進(jìn)學(xué)科集群進(jìn)行重點(diǎn)布局和建設(shè)，發(fā)展粵港澳大灣區(qū)生命健康領(lǐng)域的產(chǎn)學(xué)研合作網(wǎng)絡(luò)。

韓三陽工作照

清華SIGS的交叉學(xué)科特色，為團(tuán)隊(duì)帶來了獨(dú)特的科研生態(tài)。韓三陽的課題組中，既有善于材料合成的化學(xué)背景學(xué)生，也有熟悉生命機(jī)制的生物醫(yī)學(xué)工程成員，還有擅長算法開發(fā)的人工智能研究者。化學(xué)材料、生物醫(yī)學(xué)與人工智能的交叉融合，正持續(xù)推動(dòng)團(tuán)隊(duì)開發(fā)新型長時(shí)程、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)成像技術(shù)，為在體觀測(cè)生命活動(dòng)過程提供了強(qiáng)大的方法學(xué)支撐。

“‘交叉融合’不是一句簡單的口號(hào)，是我們團(tuán)隊(duì)不斷創(chuàng)新的源動(dòng)力。”韓三陽說道，“科研既要‘上書架’，推動(dòng)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。”未來，韓三陽團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)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(dòng)力治療等生物醫(yī)學(xué)場(chǎng)景的應(yīng)用。

堅(jiān)持長期主義

甘于坐“冷板凳”

論文共同第一作者、清華SIGS 2024級(jí)化學(xué)工程與技術(shù)專業(yè)博士生張鵬說，科研的過程并非線性前行。研究過程中，團(tuán)隊(duì)成員長時(shí)間駐扎實(shí)驗(yàn)室測(cè)試樣品信號(hào)，在周而復(fù)始的嘗試和挫折中摸索前行。“韓老師不止一次地告訴我們，事物的發(fā)展是螺旋進(jìn)行的，有起伏是正常的，研究過程中遇到的失敗，或許正是一個(gè)前進(jìn)的契機(jī)。”韓三陽的教導(dǎo)，令張鵬印象深刻。

據(jù)課題組回憶，論文評(píng)審過程中，他們也曾受到質(zhì)疑。其一，審稿人曾指出材料內(nèi)部的“能量轉(zhuǎn)移機(jī)理”不清晰，對(duì)此，團(tuán)隊(duì)補(bǔ)充了一系列光譜學(xué)測(cè)試分析，如同給反應(yīng)過程拍攝了一次“慢動(dòng)作回放”，厘清了鑭系納米晶和有機(jī)分子之間的超快能量轉(zhuǎn)移過程。

有機(jī)無機(jī)納米雜化體系的光物理過程

而針對(duì)審稿人對(duì)稀土納米晶材料應(yīng)用潛力的質(zhì)疑，團(tuán)隊(duì)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(bào)道的水平，并通過實(shí)驗(yàn)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(shí)做到不改變器件結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)近紅外區(qū)發(fā)光的應(yīng)用展示，證明了該種新型鑭系納米晶在器件通用性方面相較傳統(tǒng)電致發(fā)光器件的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，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

每一次的審稿質(zhì)疑，都沒有讓團(tuán)隊(duì)產(chǎn)生畏難情緒，反而恰恰成為了團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步深化研究的催化劑。“在回答審稿人問題的過程中，我們也不斷獲得新的動(dòng)力和新的知識(shí)。”韓三陽說。經(jīng)過多輪的回復(fù)與論證，團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地闡釋了其新體系如何規(guī)避絕緣特性帶來的負(fù)面影響，并充分發(fā)揮其發(fā)光顏色可調(diào)節(jié)優(yōu)勢(shì)，最終得到審稿人的認(rèn)可。

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。“遇到問題不要害怕，主動(dòng)找人討論、請(qǐng)教，最終找到解決方法，這個(gè)過程給學(xué)生帶來的成長是無法取代的。”他希望以自身經(jīng)歷，鼓勵(lì)學(xué)生正確看待科研中的失敗。“博士前兩年，我經(jīng)歷了無數(shù)次失敗。但科研沒有白走的路，每個(gè)‘坑’其實(shí)都是給自己加深研究認(rèn)知的基石。”韓三陽認(rèn)為，培養(yǎng)學(xué)生具備從逆境中走出來的能力，會(huì)讓他們更加受益。

從博士期間的愈挫愈勇，到如今帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)攻堅(jiān)克難，韓三陽深切體會(huì)到“坐冷板凳”對(duì)科研工作者的意義。“真正有價(jià)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(jiān)持的勇氣。”韓三陽表示，深圳的科研創(chuàng)新環(huán)境、經(jīng)費(fèi)支持與深度交叉融合的產(chǎn)學(xué)研生態(tài)，為科研工作者提供了堅(jiān)實(shí)的后盾。

入職清華SIGS以后，團(tuán)隊(duì)的研究還得到了鵬瑞青年教師啟航計(jì)劃、交叉研究基金、科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)、海外科研合作基金以及清華化工系-iBHE專項(xiàng)合作聯(lián)合基金等支持，這也成為了韓三陽團(tuán)隊(duì)從項(xiàng)目啟動(dòng)到科研合作的全面“助推器”，進(jìn)一步激發(fā)了團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新活力，他們敢于試錯(cuò)、不懼失敗，潛心從事具有長遠(yuǎn)價(jià)值的探索。

韓三陽（左）、張鵬合影

回國入職清華SIGS以來三年的攻堅(jiān)之路，不僅見證了韓三陽從一名青年學(xué)者到科研團(tuán)隊(duì)引領(lǐng)者和教學(xué)工作者的成長，更記錄著韓三陽實(shí)驗(yàn)室的原始創(chuàng)新，從原理突破的“星星之火”，逐漸匯成國家戰(zhàn)略的“產(chǎn)業(yè)之光”，在實(shí)現(xiàn)光電技術(shù)與醫(yī)藥健康領(lǐng)域的高水平自立自強(qiáng)、服務(wù)“健康中國”戰(zhàn)略的征程中，淬礪見新芒。

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(jí)碩士生譚靜、清華大學(xué)深圳國際研究生院2024級(jí)博士生張鵬以及黑龍江大學(xué)2019級(jí)碩士生宋曉晴。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。

論文鏈接：

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文|吳鴻瑤 葉思佳

圖|受訪團(tuán)隊(duì) 宣傳辦公室

審核|聶曉梅 林洲璐

排版|曹芷若