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《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“天真”的想法與一道世界性難題

時間回溯到2011年。

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

這個想法顯然“異想天開”。因為稀土納米晶（鑭系摻雜納米晶）雖然是公認的“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”

面對這道難題，傳統(tǒng)思路是“硬闖”——試圖將電荷強行注入納米晶內(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隊，在長達十四年的合作中，逐漸達成一種共識：電荷既然自己進不去，我們能不能把電荷所攜帶的“能量”送進去？

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“有機光電橋梁”——一系列精心設(shè)計的功能配體。

“我們不再試圖‘生吞’，而是選擇了‘運化’?！痹S輝教授比喻道，“這些有機配體對于納米晶就像‘葉綠素’對于‘植物’，植物（納米晶）無法直接利用光（載流子），而是通過葉綠素（有機配體）的光合作用（半導體性質(zhì)）先把光能（載流子）儲存到營養(yǎng)物質(zhì)（能量）中，再供給植物（納米晶）生長（發(fā)光）。”

韓春苗教授補充道：“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96.7%，實現(xiàn)了能量的精準遞送?！?/span>

團隊所提出的有機-無機雜化發(fā)光單元設(shè)計與能量傳遞機制示意圖。研究團隊供圖

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，到韓春苗教授2018年再赴新加坡國立大學接續(xù)研究，三支團隊始終緊密協(xié)作，不斷深化對課題的理解。十四年間，他們投入大量時間與精力，持續(xù)積累、不斷試錯，克服重重困難，最終實現(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量的微光?！被貞浧鹱畛醯钠D難，許輝教授感慨道。但這微弱的光，卻成了團隊堅持下去的信念之火。

十四年里，他們“死磕”每一個細節(jié)。

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

為了合成出最完美的稀土納米晶，他們在尺寸、摻雜濃度上追求極致，力求精確到原子級別的調(diào)控。

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

許輝教授2011年博士后研究時期的原始實驗記錄

許輝教授指導團隊開展光電性能測試

論文第一作者譚靜從師兄宋曉晴手中接過這個已開展三年的課題時，器件信號仍微弱難測。她迎難而上，歷經(jīng)一個多月的反復(fù)調(diào)試，在無數(shù)次“調(diào)整-測試-失敗”的循環(huán)中積累經(jīng)驗。直到那個下午，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，依然堅信‘那束光’一定存在的勇氣。”

論文的評審過程同樣是一場攻堅戰(zhàn)。面對審稿人提出的“電致與光致發(fā)光顏色存在差異”的質(zhì)疑，團隊認真研究原因，通過周密精巧的實驗設(shè)計證明這一差異源于電致與光致不同的物理過程。團隊還進一步實現(xiàn)了納米晶的近紅外電致發(fā)光，在更大光譜范圍內(nèi)驗證了這一策略的普適性與應(yīng)用潛力。這一輪扎實的實驗數(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。基于該策略的電致發(fā)光器件性能實現(xiàn)數(shù)量級的飛躍。

團隊制備的綠色電致發(fā)光器件，其外量子效率達到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現(xiàn)從綠色、暖白色到近紅外光的連續(xù)、精準調(diào)控。

許輝教授指導譚靜制備電致發(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)計復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這為簡化工藝、降低成本打開了全新的想象空間?！痹S輝教授展望道。

這項成果的意義，遠不止于“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)認知，為整個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研究范式?！拔覀冏C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系統(tǒng)里，取長補短，實現(xiàn)性能的最優(yōu)化。”許輝教授表示，“這種新的研究范式可以推廣到能源、生物、醫(yī)藥等多個領(lǐng)域?！?/span>

遠征：寶石終被“電”亮，傳奇剛剛開始

回首十四年征程，從最初那一點微光，到如今《Nature》期刊的突破，支撐團隊的是對科學的信念與不懈的堅持。

“今天我們看到的光，不僅僅來自器件本身?！痹S輝教授動情地說，“更來自三支團隊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，也終有一天能被堅持和努力所‘電亮’?！?/span>

如今，連接“絕緣小島”與光電世界的橋梁已然建成。團隊將繼續(xù)向著更亮、更高效、更穩(wěn)定的目標進軍，推動該技術(shù)在未來顯示、生物醫(yī)學成像、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用，將“科技之光”轉(zhuǎn)化為推動社會經(jīng)濟發(fā)展的“產(chǎn)業(yè)之光”。

論文信息

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

第一作者：譚靜（黑龍江大學2023級碩士生），張鵬（清華大學深圳國際研究生院2024級博士生），宋曉晴（黑龍江大學2019級碩士生）

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

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

許輝教授團隊介紹

許輝教授領(lǐng)導的磷基光電功能材料團隊長期致力于磷基光功能材料研究，從理論設(shè)計到性能優(yōu)化，從應(yīng)用探索到產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化，不斷取得新突破。團隊11人次入選國家及省級人才計劃，包括國家杰出青年科學基金獲得者、百千萬人才工程國家級人選、國家級高層次青年人才等。團隊承擔50余項國家和省部級科研項目，包括國家自然科學基金重大研發(fā)計劃重點項目、中央支持地方高校發(fā)展人才培養(yǎng)計劃等。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等化學材料學科頂尖期刊上發(fā)表論文50篇。團隊開發(fā)的藍光主體材料DPEPO被全球2000余篇論文引用應(yīng)用，成為國際公認的電致發(fā)光明星材料之一。

許輝教授介紹

許輝，博士，二級教授、博士生導師。本科及碩士畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學，博士畢業(yè)于復(fù)旦大學，曾于新加坡國立大學、德國科隆大學從事博士后、洪堡資深學者研究。獲國家杰出青年科學基金資助，入選教育部國家級青年人才、百千萬人才工程國家級人選。長期從事功能磷化學基礎(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際前沿。主持國家自然科學基金重大研究計劃重點支持項目、國際（地區(qū)）合作與交流項目等30余項。在Nature、Nat. Photonics等期刊上發(fā)表論文200余篇，授權(quán)中國發(fā)明專利50余項，以第一完成人獲黑龍江省科學技術(shù)一等獎、2021年中國光學十大進展提名獎等榮譽。