提到發(fā)光材料，很多人首先會(huì)想到以L(fǎng)ED、OLED以及QLED為代表的半導(dǎo)體發(fā)光材料。但在上世紀(jì)中后期，某些稀土材料曾被廣泛應(yīng)用于節(jié)能燈、陰極射線(xiàn)顯像管等發(fā)光器件中，并憑借高亮度、長(zhǎng)壽命和出色的色彩表現(xiàn)，“點(diǎn)亮”了一個(gè)時(shí)代。
然而，它們最終卻大多被半導(dǎo)體發(fā)光材料所取代。
“LED發(fā)光二極管是目前主要使用的直流電致發(fā)光器件，它們可以將電能直接轉(zhuǎn)化為光能，即所謂的‘電致發(fā)光’。這是傳統(tǒng)稀土發(fā)光材料難以做到的。但如果能突破這一限制，稀土發(fā)光材料的發(fā)光性能有望更加卓越?！苯邮堋吨袊?guó)科學(xué)報(bào)》采訪(fǎng)時(shí)，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院生物醫(yī)藥與健康工程研究院副教授韓三陽(yáng)說(shuō)。
日前，他所領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)便與黑龍江大學(xué)團(tuán)隊(duì)和新加坡國(guó)立大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作，解決了稀土納米晶不能實(shí)現(xiàn)電致發(fā)光的難題，為解決電致發(fā)光器件中的研究和應(yīng)用問(wèn)題帶來(lái)新的突破口。相關(guān)成果近期在《自然》發(fā)表。
兩個(gè)難題
所謂“稀土納米晶”，可以簡(jiǎn)單理解為摻雜了稀土離子的納米級(jí)氟化物或氧化物顆粒。由于具有發(fā)光顏色可調(diào)、發(fā)光譜線(xiàn)窄、發(fā)光穩(wěn)定性高等先天優(yōu)勢(shì)，這種顆粒一直被認(rèn)為是電致發(fā)光材料的“潛力股”。
但直到今天，這個(gè)“潛力股”都沒(méi)有能充分釋放自己的潛力。
“我們使用過(guò)的節(jié)能燈等器具中的確含有稀土發(fā)光材料，但這些材料均屬于‘光致發(fā)光’材料。”韓三陽(yáng)團(tuán)隊(duì)的合作伙伴、黑龍江大學(xué)化學(xué)化工與材料學(xué)院教授許輝介紹說(shuō)，這種材料并不能直接將電能轉(zhuǎn)化為光能，只能將某些照射其上的光線(xiàn)（如UV射線(xiàn)或陰極射線(xiàn)）轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光，這就大大限制了這些材料的發(fā)光效率和應(yīng)用范圍。
稀土納米晶是有可能將電能直接轉(zhuǎn)化為光能的，但要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要克服兩個(gè)很大的難題。
“電能在材料中往往以電子和空穴為載體進(jìn)行傳遞?！表n三陽(yáng)說(shuō)，所謂“空穴”，可以大致理解為某種正電荷，其和帶有負(fù)電荷的電子結(jié)合，會(huì)形成被稱(chēng)為“激子”的物質(zhì)，如果激子不能快速轉(zhuǎn)移至稀土納米晶內(nèi)部，會(huì)造成大量激子的聚集，導(dǎo)致激子彼此之間出現(xiàn)湮滅現(xiàn)象，損耗大量能量，發(fā)光器件的效率和亮度自然提不上去?！?/p>
更棘手的是，稀土納米晶本身具有絕緣性，這導(dǎo)致激子根本無(wú)法進(jìn)入其內(nèi)部，自然也就無(wú)法與稀土材料產(chǎn)生作用，更遑論發(fā)光了。
韓三陽(yáng)告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，盡管科研人員在提升其光致發(fā)光效率方面取得了長(zhǎng)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)重阻礙了稀土納米晶材料在現(xiàn)代光電技術(shù)中的研究和應(yīng)用。
給稀土穿一件“能量轉(zhuǎn)換外衣”
對(duì)于如何給稀土材料“通電”的問(wèn)題，韓三陽(yáng)團(tuán)隊(duì)從十幾年前就開(kāi)始研究了。彼時(shí)，他還在新加坡國(guó)立大學(xué)從事化學(xué)材料的研究。其間，他所在的研究團(tuán)隊(duì)察覺(jué)到，有機(jī)—無(wú)機(jī)雜化體系可能是打破僵局的關(guān)鍵。
他解釋說(shuō)，如果將稀土納米晶與某些有機(jī)材料進(jìn)行結(jié)合，便可實(shí)現(xiàn)將激子能量快速注入稀土納米顆粒內(nèi)部的目的?！斑@就如同在‘發(fā)光島’與‘電路大陸’之間架起一座分子橋梁?！?/p>
這一發(fā)現(xiàn)證實(shí)了稀土材料在電致發(fā)光中的重要潛力。但究竟如何操作，才能將這個(gè)從“從0到1”的原理性發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)化成“從1到N”的技術(shù)性、產(chǎn)業(yè)化突破，這成為了此后多年，韓三陽(yáng)團(tuán)隊(duì)努力的目標(biāo)。
最終，他們找到了方式——給稀土納米晶穿上一件“能量轉(zhuǎn)換外衣”。
這件“外衣”其實(shí)是一種有機(jī)半導(dǎo)體材料，將其包裹于稀土納米晶外部后，兩者會(huì)在接觸面高效配位雜化，這種高度雜化的結(jié)果便是——借助有機(jī)分子的幫助，在“外衣”表面的能量不但可以快速進(jìn)入稀土納米晶內(nèi)部，而且其傳輸效率幾乎可以達(dá)到百分之百。
“那些能量的存在形式其實(shí)就是‘激子’?！痹S輝說(shuō)，這在無(wú)形中也解決了此前提到的第一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)榧{米晶內(nèi)部的稀土離子不但數(shù)量眾多，而且對(duì)激子的容納能力也很強(qiáng)。這就使得進(jìn)入晶體內(nèi)部的激子不會(huì)因“擁擠”而產(chǎn)生湮滅，反而可以最大限度地釋放自身能量，激發(fā)稀土離子使其發(fā)光。
“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(kāi)了其在現(xiàn)代光電技術(shù)中應(yīng)用的大門(mén)?！表n三陽(yáng)說(shuō)。
是起點(diǎn)，而非終點(diǎn)
相較于目前廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體發(fā)光材料，稀土納米晶的優(yōu)勢(shì)可以簡(jiǎn)單歸納為兩個(gè)方面。
“稀土材料的發(fā)光光譜要比半導(dǎo)體材料窄得多，這意味著前者所發(fā)光的色純度要更高，其色彩的鮮艷度和信息的保真度也會(huì)更高。”韓三陽(yáng)說(shuō)，同時(shí)，由于稀土離子的種類(lèi)多樣，不同種類(lèi)離子所發(fā)光的色彩與種類(lèi)也有不同。因此，稀土納米晶可以很容易地發(fā)出各種顏色的光，甚至可以發(fā)出近紅外光等。
這就帶來(lái)了另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。
據(jù)韓三陽(yáng)介紹，不同顏色的光所擁有的能級(jí)不同，很多半導(dǎo)體發(fā)光設(shè)備為了配合這種光線(xiàn)能級(jí)的差別，需要在設(shè)備器件的結(jié)構(gòu)上做出調(diào)整?！耙簿褪钦f(shuō)，設(shè)備發(fā)藍(lán)光時(shí)需要某個(gè)器件，發(fā)綠光則需要另一個(gè)器件”。
相比之下，使用稀土納米晶發(fā)光時(shí)，只需要調(diào)整其中摻雜的稀土離子種類(lèi)和濃度，就可以輕松實(shí)現(xiàn)調(diào)光。
正是這樣的優(yōu)勢(shì)，給了稀土納米晶發(fā)光材料廣闊的應(yīng)用空間。
比如，農(nóng)業(yè)中的大棚養(yǎng)殖，可以根據(jù)不同蔬菜和農(nóng)作物的喜好，調(diào)整不同顏色的光照；類(lèi)似的情況也包括遠(yuǎn)洋捕魚(yú)，用稀土納米晶制成的誘捕燈可以根據(jù)不同魚(yú)群對(duì)光的喜好，隨時(shí)調(diào)整光照顏色。
“這只是兩個(gè)很小的應(yīng)用場(chǎng)景?！表n三陽(yáng)告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，入職清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院后，他之所以選擇進(jìn)入生物醫(yī)藥與健康工程研究院，就是希望將研究視野拓展至醫(yī)藥健康領(lǐng)域。
“在生命健康領(lǐng)域，稀土發(fā)光材料大有用武之地。”他說(shuō)，比如某些用于人體的柔性電子材料可能會(huì)涉及光電之間的轉(zhuǎn)化，而稀土納米晶可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定發(fā)光的特點(diǎn)，更可以被用于對(duì)蛋白細(xì)胞或癌細(xì)胞間相互作用、神經(jīng)信號(hào)傳導(dǎo)等現(xiàn)象的長(zhǎng)期實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)追蹤。
目前，雖然團(tuán)隊(duì)的研究成果已經(jīng)刊發(fā)，但對(duì)于他們而言，這更像是一個(gè)“起點(diǎn)”，而非“終點(diǎn)”。因?yàn)槟壳翱茖W(xué)界對(duì)于納米顆粒與有機(jī)物相互復(fù)合的研究還很稀少，很多背后的機(jī)理性?xún)?nèi)容尚未做深入研究，相關(guān)的應(yīng)用實(shí)踐也有待進(jìn)一步拓展。
正如韓三陽(yáng)所言，“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(lèi)醫(yī)藥健康服務(wù)”。
相關(guān)論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09717-1
編輯：李華山
