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。近日，清华大学韩叁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。相关研究成果在线发表于国际期刊《自然》。
稀土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”。
而电致发光，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（尝贰顿）、有机发光二极管（翱尝贰顿）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’。”韩叁阳解释道，“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。
针对上述根本性难题，韩叁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教授团队联合攻关，创新性地通过表面修饰为稀土纳米晶穿上“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。
“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。”韩叁阳介绍道，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。
他进一步表示，这项成果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。
编辑：李华山
