清华SIGS年度第5篇Nature：为稀土穿上“能量转换外衣”

稀土纳米晶

是发光材料中的“绝缘宝石”

虽具有巨大的发光潜力

却因自身局限无法被电流直接“点亮”

成为其实现光电技术产业化应用的根本瓶颈

清华SIGS韩三阳副教授团队与合作者

为稀土纳米晶设计了一件独特的

“能量转换外衣”

将能量高效传递给稀土纳米晶的有机分子界面

为解决电致发光器件中的研究和应用难题

带来了新的突破口

《自然》网站文章截图

（点击图片查看论文成果详情）

北京时间11月20日零时

研究成果以

“捕获电生激子实现可调谐的稀土纳米晶电致发光”（Electro-generated excitons for tunable lanthanide electroluminescence）为题

在线发表于《自然》（Nature）期刊

这是清华SIGS今年发表的

第五篇《自然》成果

共同通讯作者韩三阳（左）与其学生、共同一作张鹏

（点击图片查看该科研新闻报道详情）

作为电致发光“潜力股”

稀土纳米晶长期面临“绝缘困境”

稀土纳米晶（镧系掺杂纳米晶），具有发光颜色可调、发光谱线窄、发光稳定性高等先天优势，通过调控纳米晶内部掺杂离子组分可使该材料体系实现广色域的多色发光，一直被认为是电致发光材料的“潜力股”。

电致发光，能够将电能直接转换为光能，是现代显示技术和照明技术的基石。稀土发光材料，凭借高亮度、长寿命和出色的色彩表现，在照明与显示技术的发展史上曾立下“汗马功劳”——从节能灯到阴极射线显像管等间接激发应用中“点亮”了20世纪。然而，当21世纪的技术浪潮转向了以发光二极管（LED）、有机发光二极管（OLED）为代表的直流电致发光器件，性能卓越却无法直接导电的稀土材料，陷入了“绝缘困境”。

“这就像人在‘穿着棉袄跑步’。”韩三阳解释道，“稀土材料的绝缘特性，使电流难以注入和传输其中，因此其无法像半导体材料那样被电流直接高效点亮。”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，严重阻碍了稀土材料在现代光电技术中的研究和应用。

另辟蹊径，联合攻关

为稀土纳米晶穿上“能量转换外衣”

针对上述根本性难题，韩三阳副教授团队与黑龙江大学许辉、韩春苗教授团队和新加坡国立大学刘小钢院士团队联合攻关，创新性地通过表面修饰为镧系掺杂纳米晶穿上“能量转换外衣”，采用有机-无机杂化策略，精确调控能级结构，借助配体工程将激子能量高效分配给镧系离子发光体，成功解决了电致发光中激子产生、输运和注入的核心难题，实现了高色纯度、光谱可调的高效电致发光。

镧系纳米晶-有机分子杂化发光单元的设计制备

“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。”韩三阳介绍道，多个实验结果显示，这种配体功能化纳米晶体平台在多种波段电致发光方面具备潜力，特别是在高分辨率、宽色域显示以及近红外技术中，无需大幅改动器件结构，仅通过调控稀土离子，即可实现多色发光。

有机无机杂化体系的电致发光器件

这项成果不仅助力推动稀土发光在柔性显示、近红外器件等领域的应用，突破国产光电技术，未来有望进一步应用到人体健康监测、无创检测，乃至开拓农作物补光技术等场景中。

十四年淬锋，刃见新芒

从发现到突破，从点亮到应用的稀土之缘

韩三阳与稀土研究的不解之缘，在他攻读博士期间就已结下。这一次的创新突破，是他在该领域发表的第二篇《自然》文章。早在14年前他在新加坡国立大学从事化学材料研究期间，就曾与合作者反复探讨稀土发光的路在何方。

当时，团队敏锐地察觉到：有机-无机杂化体系可能是打破僵局的关键，这就如同在“发光岛”与“电路大陆”之间架起一座分子桥梁。

然而，探索之路充满坎坷。纳米晶表面配体不稳定、分子耦合效率低……一个个技术难题，如同科研路上的险峰，需要逐一翻越。在新加坡国立大学医学院、英国剑桥大学卡文迪许实验室做博士后期间，韩三阳不断积累，持续攻坚，与团队在稀土发光领域持续深耕，不断取得关键技术突破。

2020年韩三阳以第一作者身份发表的《自然》文章

他和团队研究发现，利用镧系纳米晶与界面分子进行结合，可实现三线态激子的自旋调控以及快速将激子能量注入稀土纳米颗粒。这项成果于2020年发表在《自然》（Nature）期刊，题为“镧系掺杂无机纳米颗粒点亮分子三线态激子”（Lanthanide-doped inorganic nanoparticles turn molecular triplet excitons bright）。

这项研究成果，是韩三阳在稀土领域的一次重要进展——解决了光致发光中三线态激子的“点亮”问题，即发现了稀土材料在电致发光的重要潜力。

虽有潜力，但是因稀土纳米晶自身的绝缘局限性，如何真正破除瓶颈，将其投入产业应用？这也就成为了韩三阳下一步研究的契机。而今年的《自然》成果，正是将这一机制成功应用于电致发光领域，构建了从光驱动到电驱动的完整技术链条。

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，14年的淬炼，不仅是这场“稀土之缘”的延续，更是一场从认知破壁到应用落地的系统性攻坚。

材料科学+医药健康=？

交叉融合，按下创新“加速键”！

2022年，韩三阳加入清华SIGS生物医药与健康工程研究院，将研究视野进一步拓展至医药健康领域。对此，他表示：“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。”

稀土纳米晶，在高端生物医学成像、精准诊疗一体化、即时检测等方面都具备广阔的应用前景，这也进一步坚定了韩三阳深入稀土研究、赋能医药健康领域的决心。

做独具特色的前沿研究，是吸引韩三阳加入清华SIGS的核心动力。立足在国民经济主战场和改革开放的前沿阵地，他所在的生物医药与健康工程研究院，正是清华SIGS“6+1”学科布局中，聚焦“健康中国”战略和深圳生命健康产业的现实需求、推动学科深度交叉的关键载体。研究院突出工程科学支撑和学科交叉融合特色，打通应用转化渠道，创建基于工程科学支撑、多学科融合的生物医药与健康工程新领域，围绕大健康的重大需求融合医药工程、生物工程、生物医学、化学工程、过程控制、材料工程、人工智能等先进学科集群进行重点布局和建设，发展粤港澳大湾区生命健康领域的产学研合作网络。

韩三阳工作照

清华SIGS的交叉学科特色，为团队带来了独特的科研生态。韩三阳的课题组中，既有善于材料合成的化学背景学生，也有熟悉生命机制的生物医学工程成员，还有擅长算法开发的人工智能研究者。化学材料、生物医学与人工智能的交叉融合，正持续推动团队开发新型长时程、实时动态成像技术，为在体观测生命活动过程提供了强大的方法学支撑。

“‘交叉融合’不是一句简单的口号，是我们团队不断创新的源动力。”韩三阳说道，“科研既要‘上书架’，推动基础研究和学科发展；也要‘上货架’，服务国家重大战略需求。”未来，韩三阳团队计划进一步优化稀土纳米晶在近红外区域的性能，拓展其在深组织成像、光动力治疗等生物医学场景的应用。

坚持长期主义

甘于坐“冷板凳”

论文共同第一作者、清华SIGS 2024级化学工程与技术专业博士生张鹏说，科研的过程并非线性前行。研究过程中，团队成员长时间驻扎实验室测试样品信号，在周而复始的尝试和挫折中摸索前行。“韩老师不止一次地告诉我们，事物的发展是螺旋进行的，有起伏是正常的，研究过程中遇到的失败，或许正是一个前进的契机。”韩三阳的教导，令张鹏印象深刻。

据课题组回忆，论文评审过程中，他们也曾受到质疑。其一，审稿人曾指出材料内部的“能量转移机理”不清晰，对此，团队补充了一系列光谱学测试分析，如同给反应过程拍摄了一次“慢动作回放”，厘清了镧系纳米晶和有机分子之间的超快能量转移过程。

有机无机纳米杂化体系的光物理过程

而针对审稿人对稀土纳米晶材料应用潜力的质疑，团队夜以继日开展科研攻关，将器件效率提升至远超主流器件初次报道的水平，并通过实验数据证明该体系的理论亮度还有显著提升的空间，同时做到不改变器件结构即可实现近红外区发光的应用展示，证明了该种新型镧系纳米晶在器件通用性方面相较传统电致发光器件的独特优势，有力印证了稀土纳米晶在电致发光领域的重要潜力。

器件结构不变的镧系发光多色调控

每一次的审稿质疑，都没有让团队产生畏难情绪，反而恰恰成为了团队进一步深化研究的催化剂。“在回答审稿人问题的过程中，我们也不断获得新的动力和新的知识。”韩三阳说。经过多轮的回复与论证，团队系统地阐释了其新体系如何规避绝缘特性带来的负面影响，并充分发挥其发光颜色可调节优势，最终得到审稿人的认可。

在韩三阳看来，与科研成果相比，他更关注课题组的学生能否从科研中锻炼发现问题、解决问题的能力。“遇到问题不要害怕，主动找人讨论、请教，最终找到解决方法，这个过程给学生带来的成长是无法取代的。”他希望以自身经历，鼓励学生正确看待科研中的失败。“博士前两年，我经历了无数次失败。但科研没有白走的路，每个‘坑’其实都是给自己加深研究认知的基石。”韩三阳认为，培养学生具备从逆境中走出来的能力，会让他们更加受益。

从博士期间的愈挫愈勇，到如今带领团队攻坚克难，韩三阳深切体会到“坐冷板凳”对科研工作者的意义。“真正有价值的创新往往需要长期积累。攀登科技高峰不仅需要智慧，更需要坚持的勇气。”韩三阳表示，深圳的科研创新环境、经费支持与深度交叉融合的产学研生态，为科研工作者提供了坚实的后盾。

入职清华SIGS以后，团队的研究还得到了鹏瑞青年教师启航计划、交叉研究基金、科研启动经费、海外科研合作基金以及清华化工系-iBHE专项合作联合基金等支持，这也成为了韩三阳团队从项目启动到科研合作的全面“助推器”，进一步激发了团队的创新活力，他们敢于试错、不惧失败，潜心从事具有长远价值的探索。

韩三阳（左）、张鹏合影

回国入职清华SIGS以来三年的攻坚之路，不仅见证了韩三阳从一名青年学者到科研团队引领者和教学工作者的成长，更记录着韩三阳实验室的原始创新，从原理突破的“星星之火”，逐渐汇成国家战略的“产业之光”，在实现光电技术与医药健康领域的高水平自立自强、服务“健康中国”战略的征程中，淬砺见新芒。

论文的共同通讯作者为新加坡国立大学刘小钢院士，黑龙江大学许辉教授、韩春苗教授，清华大学深圳国际研究生院韩三阳副教授，共同第一作者为黑龙江大学2023级硕士生谭静、清华大学深圳国际研究生院2024级博士生张鹏以及黑龙江大学2019级硕士生宋晓晴。其他作者包括黑龙江大学张静教授、段春波副教授，香港城市大学王锋教授和华南理工大学张志龙教授。

论文链接：

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文|吴鸿瑶 叶思佳

图|受访团队 宣传办公室

审核|聂晓梅 林洲璐

排版|曹芷若