稀土，被認為是很多尖端科技的命門。許多科學家在描述稀土時，也毫無保留地稱其為21世紀的戰略元素。稀土元素因其特殊的電子層結構，其原子具有未充滿的4f及5d電子組態，有豐富的電子能級和4f軌域電子躍遷特性，可以產生豐富的輻射吸收和發射，稀土發光是由稀土4f電子在不同能級間躍出而產生的，幾乎覆蓋了從紫外、可見到紅外的範圍，特別在可見光區有很強的發射能力。稀土發光材料還具有發光效率高，色純度高，色彩鮮艷；發射波長分布區域寬；螢光壽命從奈秒跨越到毫秒達多個數量級；物理和化學性質穩定，耐高溫，可承受高能輻射和大功率電子束等特點，因而稀土化合物成為新型高性能發光材料的新寵。現有應用的發光材料，不論是以稀土元素為發光中心，或是將其作為發光材料的基質組成，幾乎都離不開稀土元素。

稀土應用於發光領域專利占比

分析稀土在各領域應用的專利，並以國際專利分類號（International Patent Classification, IPC）統計其占比分布（請見圖1），發現所有稀土元素應用於發光（Luminescent）領域的專利占比為8.2%，在稀土的所有應用領域中排名第六。

圖1 、稀土於各領域應用分布(按國際專利分類號統計分析)

圖片來源：作者自行繪製

前五大稀土元素發光材料

近年來稀土材料大量應用於新興材料領域，如永磁材料、發光材料、拋光材料等。而稀土之發光特性，可廣泛應用於LED、平板和螢光粉等高科技影像顯示產品。涉及發光材料之國際專利分類號為C09K 11/00 Luminescent，其中涉及稀土金屬之發光材料之IPC為C09K11/77。統計涉及稀土元素發光材料的專利數量，如圖2之稀土元素發光材料專利數量雷達分布，揭示前五大稀土元素發光材料分別為：銪Eu、釔Y、鈰Ce、鑭La、鋱Tb。諸如美商通用電機股份有限公司(General Electric Company，簡稱GE)發明一種化學式為Ca1-xEuxAlB3O7(其中0<x<0.5)之磷光體組成物[1]，其係由碳酸鈣、氧化硼、氧化鋁及氧化銪等混合並燒製而形成，其中氧化銪占其組合約3%的重量百分比，可適用於照明系統之發綠光的磷光體。美國專利US8771548B2涉及一種可用於顯示裝置和照明裝置的釔鋁石榴石型螢光粉[2]。台灣專利TWI390016B1涉及一種以釓鑥鈰為基質的暖白光發光二極體及其螢光粉[3]，當其波長λ＝420~500nm的半導體異質結輻射激發時，螢光粉在橙紅色發光最大光譜λ>575nm，半波寬大於135nm，演色指數Ra＝80。中國專利CN107603599A涉及一種鑭錯合物藍色發光材料及其合成方法[4]，可在465 nm波長處產生強度為104673 a.u.的藍色螢光。美國專利US8765016B2涉及一種真空紫外光激發的摻鋱的硼酸釓鹽綠色發光材料及其製備方法[5]。

圖 2 、稀土元素發光材料專利數量雷達分布

圖片來源：作者自行繪製

稀土發光材料生物醫學新興應用

稀土發光材料作為新一代螢光標記材料，具有其他材料所無法比擬的發光特性，例如豐富的能級、較長的發光壽命、窄的發射線以及高的色純等特性，其基於摻雜的稀土離子自身特殊的電子排列而獲得從紫外到可見再到紅外光區的豐富的發光[6]。而可見和近紅外發射在生物體中，表現出在生物組織中有非常低的自發螢光、高的檢測靈敏度和深的光穿透深度等優勢。由於無機材料比較穩定，利用稀土發光材料作為螢光標記材料可以大幅度降低雜訊的影響，因此稀土發光材料可應用於諸如紅外光探測、奈米探針、短波雷射、光熱治療、溫度傳感及生物螢光標記等領域。

近年來，基於近紅外光激發的稀土發光材料有降低背景自發螢光的干擾、相對較高的組織穿透能力及優良的光穩定性等一系列優勢，稀土摻雜的奈米發光材料，在生物組織腫瘤治療中得到越來越廣泛的關注。利用近紅外光激發的稀土摻雜發光奈米材料，用於生物體治療不僅需要對生物體進行溫度檢測，還要對其進行有效的光熱治療。

稀土在奈米探針的應用，涉及化療、放療、光熱治療、光動力學治療以及免疫治療和基因治療等諸多癌症治療模式的組合，復旦大學發明一種上轉換發光－熱化療複合奈米探針，利用兩層稀土氟化物為核心[7]，中間層為負載有光熱材料的中空二氧化矽殼層，外層為負載有小分子化療藥物的有機分子膜，圖3是該發明複合奈米探針進行聯合癌症治療的示意圖，透過構建一種具備聯合治療功能的上轉換發光奈米複合材料，稀土摻雜的上轉換發光奈米內核用以檢測奈米顆粒的溫度，中空結構的二氧化矽殼層中負載具有光熱轉換功能的小分子，氧化矽殼層上包裹含有化療藥物的熱敏塗層。在近紅外光的照射下，光熱分子產生熱能促使熱敏塗層的解離，化療藥物分子得以釋放，實現癌症化療，同時光熱分子產生的熱能又可以實現癌細胞的熱殺傷，從而降低化療藥物以及熱能的劑量，為新型癌症治療策略的開發，實現更溫和的治療條件以及更低的副作用。

圖3、複合奈米探針進行聯合癌症治療示意圖

圖片來源：CN108079297B

為了提高稀土摻雜奈米材料的上轉換螢光效率，國際期刊上發表利用染料分子作為無機上轉換材料的吸光天線可以大幅的提高材料的上轉換螢光效率[8]，其原因在於染料分子具有遠高於稀土離子的紅外波段吸收截面，因而可以吸收更多的入射光子進而傳遞給發光的稀土離子。

稀土上轉換材料具有較高的發光效率、較小的光漂白、較長的螢光壽命以及較低的長期毒性等，是用於多重檢測的一種很有前景的螢光探針。但由於上轉換材料摻雜的稀土離子具有多能級的特性，不同稀土離子摻雜或是不同濃度的摻雜，得到的材料具有多個發射峰，不同的材料具有光譜重疊，限制了它的應用，如果能夠透過一些結構設計得到單波長發射的上轉換奈米顆粒，將是一種理想的多重檢測螢光探針，在生物分析和疾病檢測方面有更廣闊的應用，期待國際間該領域學者專家有進一步突破性的研究進展。

建立城市礦山回收機制、開發基於稀土的高端下游產品

稀土螢光材料以其優異的螢光性能在發光材料領域受到廣泛關注，隨著人們對稀土發光材料的不斷深入研究，稀土發光材料會成為本世紀重要的、不可缺少的新興功能材料，未來會有更多的稀土發光產品問世。台灣面對前無開採、提煉技術，後無礦山資源支持的稀土產業供應鏈窘境，可思考以城市礦山理念建立回收機制，積極開發基於稀土的高端下游產品，發揮稀土在螢光、磁性、雷射、光纖通信、儲氫能源、超導等材料領域不可替代的作用，並持續發揮既有產業結構效益以及產業技術與市場趨勢應用的競爭優勢，有助開創台灣發展稀土產業的新契機。

備註：

【本文僅反映專家作者意見，不代表本報及其任職單位之立場。】

作者： 芮嘉瑋 現任： 中技社科技暨工程研究中心組長 學歷： 國立清華大學 奈米工程與微系統研究所 博士 中原大學 財經法律研究所 碩士 國立台灣科技大學 材料科學與工程研究所 碩士 經歷： 工研院技術移轉與法律中心執行長室 工研院電子與光電研究所專利副主委 光電產業智權經理 專長： 長期從事產業研究、專利智財與投資評估等工作，專注於能源、產業、環境、經濟等議題。擅長創新技術策略分析、科技預測及評估、專利分析與布局、產業分析、智慧財產權管理與經營策略、專利的商業化與貨幣化。熟捻產業技術發展趨勢，並常在各媒體平台發表文章、應邀演講，成功引領技術前瞻與產業關鍵議題。

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