稀土納米晶

像大海中一座 “絕緣小島”

唯有光能飛躍“天塹”

激發(fā)她絢麗多彩的光芒

電卻無路可達(dá)

黑龍江大學(xué)許輝教授團(tuán)隊(duì)與合作者

在“小島”周圍架起

無數(shù)有機(jī)“光電橋梁”

天塹變通途

讓“電激發(fā)絕緣體發(fā)光”的不可能變?yōu)榭赡?/strong>

北京時(shí)間2025年11月20日

這項(xiàng)被團(tuán)隊(duì)打磨了十四年的研究成果

以“捕獲電生激子實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧的鑭系納米晶電致發(fā)光”為題

在線發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊《Nature》

這是黑龍江大學(xué)首篇《Nature》論文

也是黑龍江省化學(xué)學(xué)科首篇《Nature》論文

《自然》網(wǎng)站文章截圖

從左到右依次為第一作者譚靜，通訊作者許輝教授和韓春苗教授

緣起：一個(gè)“天真”的想法與一道世界性難題

時(shí)間回溯到2011年。

當(dāng)時(shí)，在有機(jī)電致發(fā)光領(lǐng)域已小有成績(jī)的許輝教授正在新加坡國(guó)立大學(xué)劉小鋼院士指導(dǎo)下從事博士后研究，方向是有機(jī)分子敏化稀土納米晶。一次與同為博士后，現(xiàn)在香港城市大學(xué)任教的王鋒教授閑聊后，萌生了一個(gè)大膽的念頭：“能不能讓稀土納米晶產(chǎn)生電致發(fā)光？”

這個(gè)想法顯然“異想天開”。因?yàn)橄⊥良{米晶（鑭系摻雜納米晶）雖然是公認(rèn)的“發(fā)光寶石”，色純度高、穩(wěn)定性好、寬色域可調(diào)，但它天生絕緣。這導(dǎo)致電荷無法注入，就像一座美麗的海中小島，可望不可及。

“絕緣”二字，斷絕了稀土納米晶與平板顯示、柔性電子、生物成像等光電領(lǐng)域的緣分，成為一道世界性的難題。

破局：不去“硬闖孤島”，而是“巧建橋梁”

面對(duì)這道難題，傳統(tǒng)思路是“硬闖”——試圖將電荷強(qiáng)行注入納米晶內(nèi)部，但這條路被證明走不通。

許輝教授、韓春苗教授與韓三陽副教授、劉小鋼院士等組成的跨校團(tuán)隊(duì)，在長(zhǎng)達(dá)十四年的合作中，逐漸達(dá)成一種共識(shí)：電荷既然自己進(jìn)不去，我們能不能把電荷所攜帶的“能量”送進(jìn)去？

他們另辟蹊徑，借鑒自然界“光合作用”的智慧，在稀土納米晶表面架起了無數(shù)座精巧的“有機(jī)光電橋梁”——一系列精心設(shè)計(jì)的功能配體。

“我們不再試圖‘生吞’，而是選擇了‘運(yùn)化’?！痹S輝教授比喻道，“這些有機(jī)配體對(duì)于納米晶就像‘葉綠素’對(duì)于‘植物’，植物（納米晶）無法直接利用光（載流子），而是通過葉綠素（有機(jī)配體）的光合作用（半導(dǎo)體性質(zhì)）先把光能（載流子）儲(chǔ)存到營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（能量）中，再供給植物（納米晶）生長(zhǎng)（發(fā)光）?！?/p>

韓春苗教授補(bǔ)充道：“我們篩選出的最佳分子CzPPOA，捕獲電激發(fā)產(chǎn)生能量的效率接近100%，傳遞能量的效率同樣高達(dá)96.7%，實(shí)現(xiàn)了能量的精準(zhǔn)遞送?！?/p>

團(tuán)隊(duì)所提出的有機(jī)-無機(jī)雜化發(fā)光單元設(shè)計(jì)與能量傳遞機(jī)制示意圖。研究團(tuán)隊(duì)供圖

淬煉：十四年“死磕”，從微弱星光到燦若星海

自許輝教授2013年回國(guó)，到韓春苗教授2018年再赴新加坡國(guó)立大學(xué)接續(xù)研究，三支團(tuán)隊(duì)始終緊密協(xié)作，不斷深化對(duì)課題的理解。十四年間，他們投入大量時(shí)間與精力，持續(xù)積累、不斷試錯(cuò)，克服重重困難，最終實(shí)現(xiàn)了基于絕緣稀土納米晶的高效電致發(fā)光器件。

“最初，我們做出來的器件，只能在暗室里能看到一絲無法用儀器測(cè)量的微光。”回憶起最初的艱難，許輝教授感慨道。但這微弱的光，卻成了團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持下去的信念之火。

十四年里，他們“死磕”每一個(gè)細(xì)節(jié)。

為了找到最優(yōu)秀的“葉綠素”（有機(jī)配體），他們遴選了上百種分子，在一次次失敗中積累經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)規(guī)律。

為了合成出最完美的稀土納米晶，他們?cè)诔叽纭诫s濃度上追求極致，力求精確到原子級(jí)別的調(diào)控。

在器件優(yōu)化階段，他們更是進(jìn)行了成千上萬次的實(shí)驗(yàn)，反復(fù)調(diào)整結(jié)構(gòu)，尋找最優(yōu)組合。

許輝教授2011年博士后研究時(shí)期的原始實(shí)驗(yàn)記錄

許輝教授指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)開展光電性能測(cè)試

論文第一作者譚靜從師兄宋曉晴手中接過這個(gè)已開展三年的課題時(shí)，器件信號(hào)仍微弱難測(cè)。她迎難而上，歷經(jīng)一個(gè)多月的反復(fù)調(diào)試，在無數(shù)次“調(diào)整-測(cè)試-失敗”的循環(huán)中積累經(jīng)驗(yàn)。直到那個(gè)下午，一束純凈明亮的綠光穩(wěn)定亮起，所有疲憊瞬間消散。她深刻體會(huì)到：“科研最珍貴的不是最閃亮的瞬間，而是經(jīng)歷無數(shù)次失敗后，依然堅(jiān)信‘那束光’一定存在的勇氣?！?/p>

論文的評(píng)審過程同樣是一場(chǎng)攻堅(jiān)戰(zhàn)。面對(duì)審稿人提出的“電致與光致發(fā)光顏色存在差異”的質(zhì)疑，團(tuán)隊(duì)認(rèn)真研究原因，通過周密精巧的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)證明這一差異源于電致與光致不同的物理過程。團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了納米晶的近紅外電致發(fā)光，在更大光譜范圍內(nèi)驗(yàn)證了這一策略的普適性與應(yīng)用潛力。這一輪扎實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為審稿人展示了一幅美麗的“全色域”稀土畫卷。

綻放：一“器”呵成的多彩世界與無限未來

歷經(jīng)淬煉，終見鋒芒?；谠摬呗缘碾娭掳l(fā)光器件性能實(shí)現(xiàn)數(shù)量級(jí)的飛躍。

團(tuán)隊(duì)制備的綠色電致發(fā)光器件，其外量子效率達(dá)到5.9%，比未功能化的納米晶器件提升了76倍。

更令人驚嘆的是，無需改變器件結(jié)構(gòu)，僅通過調(diào)整納米晶中摻雜的稀土離子，就能在同一器件上實(shí)現(xiàn)從綠色、暖白色到近紅外光的連續(xù)、精準(zhǔn)調(diào)控。

許輝教授指導(dǎo)譚靜制備電致發(fā)光器件

“這意味著，未來的顯示器件可能不需要為每一種顏色都重新設(shè)計(jì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這為簡(jiǎn)化工藝、降低成本打開了全新的想象空間。”許輝教授展望道。

這項(xiàng)成果的意義，遠(yuǎn)不止于“讓一類材料電致發(fā)光”。

它打破了“絕緣體無法電致發(fā)光”的傳統(tǒng)認(rèn)知，為整個(gè)光電材料家族開辟了新的方向。

更重要的是，它展示了一種新的科學(xué)研究范式。“我們證明了，通過巧妙的復(fù)合技術(shù)，可以把不同類型材料的功能集成到一個(gè)系統(tǒng)里，取長(zhǎng)補(bǔ)短，實(shí)現(xiàn)性能的最優(yōu)化?！痹S輝教授表示，“這種新的研究范式可以推廣到能源、生物、醫(yī)藥等多個(gè)領(lǐng)域。”

遠(yuǎn)征：寶石終被“電”亮，傳奇剛剛開始

回首十四年征程，從最初那一點(diǎn)微光，到如今《Nature》期刊的突破，支撐團(tuán)隊(duì)的是對(duì)科學(xué)的信念與不懈的堅(jiān)持。

“今天我們看到的光，不僅僅來自器件本身?！痹S輝教授動(dòng)情地說，“更來自三支團(tuán)隊(duì)十四年來不離不棄的信任與合作，來自每一位成員在失敗面前的堅(jiān)韌，來自我們始終相信——即便看似‘絕緣’的材料，也終有一天能被堅(jiān)持和努力所‘電亮’?！?/p>

如今，連接“絕緣小島”與光電世界的橋梁已然建成。團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)向著更亮、更高效、更穩(wěn)定的目標(biāo)進(jìn)軍，推動(dòng)該技術(shù)在未來顯示、生物醫(yī)學(xué)成像、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用，將“科技之光”轉(zhuǎn)化為推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“產(chǎn)業(yè)之光”。

論文信息

通訊作者：劉小鋼院士（新加坡國(guó)立大學(xué)），許輝教授、韓春苗教授（黑龍江大學(xué)），韓三陽副教授（清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院）

第一作者：譚靜（黑龍江大學(xué)2023級(jí)碩士生），張鵬（清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2024級(jí)博士生），宋曉晴（黑龍江大學(xué)2019級(jí)碩士生）

其他作者：張靜教授、段春波副教授（黑龍江大學(xué)），王鋒教授（香港城市大學(xué)），張志龍教授（華南理工大學(xué)）。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09717-1

許輝教授團(tuán)隊(duì)介紹

許輝教授領(lǐng)導(dǎo)的磷基光電功能材料團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于磷基光功能材料研究，從理論設(shè)計(jì)到性能優(yōu)化，從應(yīng)用探索到產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化，不斷取得新突破。團(tuán)隊(duì)11人次入選國(guó)家及省級(jí)人才計(jì)劃，包括國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者、百千萬人才工程國(guó)家級(jí)人選、國(guó)家級(jí)高層次青年人才等。團(tuán)隊(duì)承擔(dān)50余項(xiàng)國(guó)家和省部級(jí)科研項(xiàng)目，包括國(guó)家自然科學(xué)基金重大研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目、中央支持地方高校發(fā)展人才培養(yǎng)計(jì)劃等。發(fā)表SCI論文300余篇，其中在Nature、Nature Photonics、Nature Communications、Science Advances、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie和Advanced Materials等化學(xué)材料學(xué)科頂尖期刊上發(fā)表論文50篇。團(tuán)隊(duì)開發(fā)的藍(lán)光主體材料DPEPO被全球2000余篇論文引用應(yīng)用，成為國(guó)際公認(rèn)的電致發(fā)光明星材料之一。

許輝教授介紹

許輝，博士，二級(jí)教授、博士生導(dǎo)師。本科及碩士畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，博士畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)，曾于新加坡國(guó)立大學(xué)、德國(guó)科隆大學(xué)從事博士后、洪堡資深學(xué)者研究。獲國(guó)家杰出青年科學(xué)基金資助，入選教育部國(guó)家級(jí)青年人才、百千萬人才工程國(guó)家級(jí)人選。長(zhǎng)期從事功能磷化學(xué)基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，在芳香膦氧主客體材料及其超低壓驅(qū)動(dòng)全色電致發(fā)光器件、雙發(fā)射電致發(fā)光材料構(gòu)筑及其高效器件等方向處于國(guó)際前沿。主持國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃重點(diǎn)支持項(xiàng)目、國(guó)際（地區(qū)）合作與交流項(xiàng)目等30余項(xiàng)。在Nature、Nat. Photonics等期刊上發(fā)表論文200余篇，授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利50余項(xiàng)，以第一完成人獲黑龍江省科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、2021年中國(guó)光學(xué)十大進(jìn)展提名獎(jiǎng)等榮譽(yù)。

來源 | 化學(xué)化工與材料學(xué)院

排版 | 金松琦

責(zé)任編輯 | 王思聰 孫晟偉 金松琦

二審 | 張笑雷

三審 | 肖博宇