清華SIGS年度第5篇Nature：為稀土穿上“能量轉換外衣”

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“點亮”

成為其實現(xiàn)光電技術產(chǎn)業(yè)化應用的根本瓶頸

清華SIGS韓三陽副教授團隊與合作者

為稀土納米晶設計了一件獨特的

“能量轉換外衣”

將能量高效傳遞給稀土納米晶的有機分子界面

為解決電致發(fā)光器件中的研究和應用難題

帶來了新的突破口

《自然》網(wǎng)站文章截圖

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北京時間11月20日零時

研究成果以

“捕獲電生激子實現(xiàn)可調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）與其學生、共同一作張鵬

（點擊圖片查看該科研新聞報道詳情）

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、發(fā)光譜線窄、發(fā)光穩(wěn)定性高等先天優(yōu)勢，通過調控納米晶內部摻雜離子組分可使該材料體系實現(xiàn)廣色域的多色發(fā)光，一直被認為是電致發(fā)光材料的“潛力股”。

電致發(fā)光，能夠將電能直接轉換為光能，是現(xiàn)代顯示技術和照明技術的基石。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)應用中“點亮”了20世紀。然而，當21世紀的技術浪潮轉向了以發(fā)光二極管（LED）、有機發(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電的稀土材料，陷入了“絕緣困境”。

“這就像人在‘穿著棉襖跑步’?！表n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，因此其無法像半導體材料那樣被電流直接高效點亮?！北M管科研人員在提升其光致發(fā)光效率方面取得了長足進步，但這個“電流驅動”的根本瓶頸始終難以突破，嚴重阻礙了稀土材料在現(xiàn)代光電技術中的研究和應用。

另辟蹊徑，聯(lián)合攻關

為稀土納米晶穿上“能量轉換外衣”

針對上述根本性難題，韓三陽副教授團隊與黑龍江大學許輝、韓春苗教授團隊和新加坡國立大學劉小鋼院士團隊聯(lián)合攻關，創(chuàng)新性地通過表面修飾為鑭系摻雜納米晶穿上“能量轉換外衣”，采用有機-無機雜化策略，精確調控能級結構，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、輸運和注入的核心難題，實現(xiàn)了高色純度、光譜可調的高效電致發(fā)光。

鑭系納米晶-有機分子雜化發(fā)光單元的設計制備

“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(xiàn)代光電技術中應用的大門。”韓三陽介紹道，多個實驗結果顯示，這種配體功能化納米晶體平臺在多種波段電致發(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中，無需大幅改動器件結構，僅通過調控稀土離子，即可實現(xiàn)多色發(fā)光。

有機無機雜化體系的電致發(fā)光器件

這項成果不僅助力推動稀土發(fā)光在柔性顯示、近紅外器件等領域的應用，突破國產(chǎn)光電技術，未來有望進一步應用到人體健康監(jiān)測、無創(chuàng)檢測，乃至開拓農(nóng)作物補光技術等場景中。

十四年淬鋒，刃見新芒

從發(fā)現(xiàn)到突破，從點亮到應用的稀土之緣

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

當時，團隊敏銳地察覺到：有機-無機雜化體系可能是打破僵局的關鍵，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……一個個技術難題，如同科研路上的險峰，需要逐一翻越。在新加坡國立大學醫(yī)學院、英國劍橋大學卡文迪許實驗室做博士后期間，韓三陽不斷積累，持續(xù)攻堅，與團隊在稀土發(fā)光領域持續(xù)深耕，不斷取得關鍵技術突破。

2020年韓三陽以第一作者身份發(fā)表的《自然》文章

他和團隊研究發(fā)現(xiàn)，利用鑭系納米晶與界面分子進行結合，可實現(xiàn)三線態(tài)激子的自旋調控以及快速將激子能量注入稀土納米顆粒。這項成果于2020年發(fā)表在《自然》（Nature）期刊，題為“鑭系摻雜無機納米顆粒點亮分子三線態(tài)激子”（Lanthanide-doped inorganic nanoparticles turn molecular triplet excitons bright）。

這項研究成果，是韓三陽在稀土領域的一次重要進展——解決了光致發(fā)光中三線態(tài)激子的“點亮”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)應用？這也就成為了韓三陽下一步研究的契機。而今年的《自然》成果，正是將這一機制成功應用于電致發(fā)光領域，構建了從光驅動到電驅動的完整技術鏈條。

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

材料科學+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，將研究視野進一步拓展至醫(yī)藥健康領域。對此，他表示：“我雖是化學背景出身，聚焦的領域看上去也更偏向材料方向，但我想做具有特色的研究，讓稀土領域的研究成果為人類醫(yī)藥健康服務?！?strong>

稀土納米晶，在高端生物醫(yī)學成像、精準診療一體化、即時檢測等方面都具備廣闊的應用前景，這也進一步堅定了韓三陽深入稀土研究、賦能醫(yī)藥健康領域的決心。

做獨具特色的前沿研究，是吸引韓三陽加入清華SIGS的核心動力。立足在國民經(jīng)濟主戰(zhàn)場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)實需求、推動學科深度交叉的關鍵載體。研究院突出工程科學支撐和學科交叉融合特色，打通應用轉化渠道，創(chuàng)建基于工程科學支撐、多學科融合的生物醫(yī)藥與健康工程新領域，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、化學工程、過程控制、材料工程、人工智能等先進學科集群進行重點布局和建設，發(fā)展粵港澳大灣區(qū)生命健康領域的產(chǎn)學研合作網(wǎng)絡。

韓三陽工作照

清華SIGS的交叉學科特色，為團隊帶來了獨特的科研生態(tài)。韓三陽的課題組中，既有善于材料合成的化學背景學生，也有熟悉生命機制的生物醫(yī)學工程成員，還有擅長算法開發(fā)的人工智能研究者。化學材料、生物醫(yī)學與人工智能的交叉融合，正持續(xù)推動團隊開發(fā)新型長時程、實時動態(tài)成像技術，為在體觀測生命活動過程提供了強大的方法學支撐。

“‘交叉融合’不是一句簡單的口號，是我們團隊不斷創(chuàng)新的源動力?！表n三陽說道，“科研既要‘上書架’，推動基礎研究和學科發(fā)展；也要‘上貨架’，服務國家重大戰(zhàn)略需求?！蔽磥恚n三陽團隊計劃進一步優(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、光動力治療等生物醫(yī)學場景的應用。

堅持長期主義

甘于坐“冷板凳”

論文共同第一作者、清華SIGS 2024級化學工程與技術專業(yè)博士生張鵬說，科研的過程并非線性前行。研究過程中，團隊成員長時間駐扎實驗室測試樣品信號，在周而復始的嘗試和挫折中摸索前行?！绊n老師不止一次地告訴我們，事物的發(fā)展是螺旋進行的，有起伏是正常的，研究過程中遇到的失敗，或許正是一個前進的契機。”韓三陽的教導，令張鵬印象深刻。

據(jù)課題組回憶，論文評審過程中，他們也曾受到質疑。其一，審稿人曾指出材料內部的“能量轉移機理”不清晰，對此，團隊補充了一系列光譜學測試分析，如同給反應過程拍攝了一次“慢動作回放”，厘清了鑭系納米晶和有機分子之間的超快能量轉移過程。

有機無機納米雜化體系的光物理過程

而針對審稿人對稀土納米晶材料應用潛力的質疑，團隊夜以繼日開展科研攻關，將器件效率提升至遠超主流器件初次報道的水平，并通過實驗數(shù)據(jù)證明該體系的理論亮度還有顯著提升的空間，同時做到不改變器件結構即可實現(xiàn)近紅外區(qū)發(fā)光的應用展示，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)光器件的獨特優(yōu)勢，有力印證了稀土納米晶在電致發(fā)光領域的重要潛力。

器件結構不變的鑭系發(fā)光多色調控

每一次的審稿質疑，都沒有讓團隊產(chǎn)生畏難情緒，反而恰恰成為了團隊進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力和新的知識?！表n三陽說。經(jīng)過多輪的回復與論證，團隊系統(tǒng)地闡釋了其新體系如何規(guī)避絕緣特性帶來的負面影響，并充分發(fā)揮其發(fā)光顏色可調節(jié)優(yōu)勢，最終得到審稿人的認可。

在韓三陽看來，與科研成果相比，他更關注課題組的學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，主動找人討論、請教，最終找到解決方法，這個過程給學生帶來的成長是無法取代的。”他希望以自身經(jīng)歷，鼓勵學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‘坑’其實都是給自己加深研究認知的基石。”韓三陽認為，培養(yǎng)學生具備從逆境中走出來的能力，會讓他們更加受益。

從博士期間的愈挫愈勇，到如今帶領團隊攻堅克難，韓三陽深切體會到“坐冷板凳”對科研工作者的意義?！罢嬲袃r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，更需要堅持的勇氣?！表n三陽表示，深圳的科研創(chuàng)新環(huán)境、經(jīng)費支持與深度交叉融合的產(chǎn)學研生態(tài)，為科研工作者提供了堅實的后盾。

入職清華SIGS以后，團隊的研究還得到了鵬瑞青年教師啟航計劃、交叉研究基金、科研啟動經(jīng)費、海外科研合作基金以及清華化工系-iBHE專項合作聯(lián)合基金等支持，這也成為了韓三陽團隊從項目啟動到科研合作的全面“助推器”，進一步激發(fā)了團隊的創(chuàng)新活力，他們敢于試錯、不懼失敗，潛心從事具有長遠價值的探索。

韓三陽（左）、張鵬合影

回國入職清華SIGS以來三年的攻堅之路，不僅見證了韓三陽從一名青年學者到科研團隊引領者和教學工作者的成長，更記錄著韓三陽實驗室的原始創(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”，在實現(xiàn)光電技術與醫(yī)藥健康領域的高水平自立自強、服務“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劉小鋼院士，黑龍江大學許輝教授、韓春苗教授，清華大學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2023級碩士生譚靜、清華大學深圳國際研究生院2024級博士生張鵬以及黑龍江大學2019級碩士生宋曉晴。其他作者包括黑龍江大學張靜教授、段春波副教授，香港城市大學王鋒教授和華南理工大學張志龍教授。

論文鏈接：

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文|吳鴻瑤 葉思佳

圖|受訪團隊 宣傳辦公室

審核|聶曉梅 林洲璐

排版|曹芷若