文 |《中國科學(xué)報》記者王敏
“你博士4年到底干了啥？”朋友常常這樣打趣彭琛琛。夜深人靜時，她也這般問自己。
近日，這個問題，終于有了像樣的回答。
6月11日，彭琛琛以第一作者身份在《自然》上發(fā)表論文。在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡稱中國科大）教授肖正國的指導(dǎo)下，團隊提出了一種被稱作“弱空間限域”的新方法，制備出了晶體顆粒更大、更耐高溫的全無機鈣鈦礦薄膜，成功將鈣鈦礦發(fā)光二極管（LED）亮度提高到116萬尼特以上，使用壽命超18萬小時。
這項突破性技術(shù)不僅克服了以往鈣鈦礦LED在效率和穩(wěn)定性上難以兼得的技術(shù)瓶頸，更有望在未來廣泛應(yīng)用于高端顯示屏、超高亮度照明等領(lǐng)域，推動LED技術(shù)進入一個嶄新時代。
這是彭琛琛4年讀博期間發(fā)表的唯一一篇論文。
肖正國（左）與彭琛?。ㄓ遥┯懻搶嶒灲Y(jié)果周欣宇/攝
更糾結(jié)的是彭琛琛。“我那時已經(jīng)博士二年級，即將面臨論文開題。我卻不知道以什么內(nèi)容開題，因為沒有可以串起來的工作，也不知接下來怎么辦。迷茫時，我甚至想到了退學(xué)。以碩士學(xué)歷找工作，或許也是不錯的出路。”
這時，肖正國想了個折中辦法——安排組里一半以上的同學(xué)轉(zhuǎn)做鈣鈦礦太陽能電池，其他人做鈣鈦礦LED。
彭琛琛留下來了?！拔也桓市?，我想再試一試。而且鈣鈦礦太陽能電池和鈣鈦礦LED屬于兩條賽道，不是想轉(zhuǎn)就能很快進入狀態(tài)?！边@個看似文文弱弱的女生，骨子里自帶科研人的倔強。
將晶體尺寸往大了做
鈣鈦礦LED的發(fā)光原理，本質(zhì)上是電子和空穴的“相遇派對”。電子和空穴“牽手”的對數(shù)越多，發(fā)光效率越高。但在傳統(tǒng)的鈣鈦礦發(fā)光層中，電子和空穴很難“相遇”。因此，人們提出了一種“強空間限域”方法。
要理解“強空間限域”，還得從鈣鈦礦發(fā)光層的制備說起?！霸诔叵?，將鈣鈦礦溶液像攤餅一樣，‘刷’在襯底上，再通過高溫加熱把殘留的溶劑蒸干，讓內(nèi)部形成更加牢固的結(jié)構(gòu)，即可得到鈣鈦礦發(fā)光層?！毙ふ龂f，人眼看到的發(fā)光層是一張薄膜，但在掃描電鏡下可以觀察到薄膜里排列著無數(shù)顆晶體，電子和空穴正是在晶體里“相遇”、發(fā)光。
鈣鈦礦LED研究初期，人們?yōu)榱颂岣甙l(fā)光效率，將晶體制作得非常小。因為晶體一變小，其內(nèi)部空間隨之變小，電子和空穴“相遇”的概率得以大幅度提高。這就是所謂的“強空間限域”方法。
有意思的是，肖正國正是這一方法的提出者之一。2017年，在美國普林斯頓大學(xué)做博士后研究的他，與國際上另外兩個頂尖研究團隊不約而同先后提出了該方法，并被業(yè)界沿用至今。
作為該方法的提出者之一，肖正國也更早地意識到這條“路”不通——器件的穩(wěn)定性特別差?！斑@主要原因在于小晶體堆積后，會產(chǎn)生大量縫隙（晶界）。而鈣鈦礦離子晶體的化學(xué)鍵不強，離子就沿著這些孔隙‘逃跑’，導(dǎo)致鈣鈦礦發(fā)光層產(chǎn)生缺陷和分解。”肖正國說。
團隊合影周欣宇/攝
如果將晶體尺寸往大了做，使它們緊密貼合在一起，不給離子留“逃跑”通道，是否就可以解決穩(wěn)定性問題？肖正國再次提出完全相反的策略——“弱空間限域”方法。對此，彭琛琛第一反應(yīng)是“這能行嗎？”
不管“有棗沒棗”，彭琛琛決定先打一竿試試。她首先排除了“強空間限域”方法里用的所有添加劑，確定了新添加劑應(yīng)具備的大致屬性。
在依次添加多種小分子仍以失敗告終后，彭琛琛很快將目標進一步鎖定在揮發(fā)性小分子上。這類分子可以通過高溫加熱揮發(fā)掉，而不影響薄膜的導(dǎo)電性能。
在閱讀文獻時，彭琛琛曾注意到一種叫磷酸基團的分子可以減少缺陷，提高鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性?！爱敃r，我們實驗室雖然也嘗試過添加次磷酸到鈣鈦礦里，但這種酸性小分子是溶解在水中保存的，而鈣鈦礦薄膜‘怕’水?！庇谑撬氲搅艘环N減壓蒸餾的方法。
簡單來說，就是利用水與次磷酸的沸點不同，將水分離出，得到較純凈的次磷酸。將其添加到鈣鈦礦溶液里后，他們發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)定性明顯提升。
按照該思路，彭琛琛不斷優(yōu)化實驗，將晶體尺寸由原先的20納米擴大至接近200納米，制備出晶體尺寸更大、缺陷更少的新型鈣鈦礦薄膜。
研究表明，在效率方面，這種新型鈣鈦礦LED的發(fā)光效率超過22%，與商業(yè)化顯示產(chǎn)品的發(fā)光效率持平。與目前市場上的主流商用OLED或LED屏幕相比，新型鈣鈦礦LED的極限亮度達到116萬尼特。
116萬尼特意味著什么？“我們?nèi)粘Ｊ褂玫娘@示屏幕，比如手機，正常亮度為幾百尼特。所以按照100尼特計算，新型鈣鈦礦LED理論上能使用超過18萬個小時?！毙ふ龂f，這已經(jīng)達到商業(yè)化LED產(chǎn)品的一般標準。
“一個重要里程碑”
2024年4月9日，肖正國正式向《自然》投稿。4月22日，編輯通知“文章已送外審”。這令他們很開心。
一個月后，他們收到4位審稿人共40條修改意見。4位審稿人對研究成果表示認可——“我們對其卓越的亮度和壽命感到震撼，這無疑是鈣鈦礦LED領(lǐng)域的一個重要里程碑。”“器件運行壽命超過10萬小時，這將成為鈣鈦礦LED研究領(lǐng)域的一項重大突破?！?span style="display:none">8kg即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com
但審稿人對實驗過程、機理解釋仍持有諸多意見，尤其是需要借助第三方驗證，測試器件穩(wěn)定性問題。
對此，肖正國他們花了4個月時間，一一回復(fù)審稿意見，并前往南京工業(yè)大學(xué)教授王建浦實驗室做測試?！皟蓚€實驗室所用的測試方法不同，正好可以做交叉驗證?！?span style="display:none">8kg即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com
剛開始時，為避免接觸水和氧氣，影響測試效果，彭琛琛小心翼翼將打包好的鈣鈦礦LED器件郵寄到王建浦實驗室，拜托實驗室同學(xué)幫忙做測試。但一直未得到理想的結(jié)果。
時間緊迫，彭琛琛就自己去南京做測試?！巴趵蠋煂嶒炇矣袃膳_設(shè)備，等著排隊做實驗的校內(nèi)學(xué)生非常多，所以每次去之前要提前約好時間，并不是去了就能馬上做測試?！?span style="display:none">8kg即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com
彭琛琛記得，剛開始在王建浦實驗室測試器件性能時，器件發(fā)光亮度直接超過百萬尼特，這樣的超高亮度甚至讓儀器“爆表”了，導(dǎo)致程序報錯。這一結(jié)果令實驗室的同學(xué)都很震驚。他們隨后調(diào)整了測試設(shè)備和程序參數(shù)，才完成了后續(xù)的測試。
2024年10月4日，肖正國團隊提交了第一輪審稿意見回復(fù)。兩個月后，編輯竟然拒稿了。
“這是不是有點太草率了?！贝藭r，彭琛琛心里充滿了疑惑和焦慮，“要不轉(zhuǎn)投其他‘差點’的期刊？因為再拖下去，我的畢業(yè)真的遙遙無期了……”
但經(jīng)驗豐富的肖正國認為，雖然審稿人又提出了許多問題，但意見均偏正面，有必要再申訴。2025年2月6日，他們回復(fù)了第二輪審稿意見，并追加了更多實驗數(shù)據(jù)。20天后，編輯表示，“該稿件已經(jīng)非常接近我們可以接受發(fā)表的狀態(tài)”。
2025年5月12日，論文被正式接收；6月11日，正式發(fā)表。
回看四年的博士生涯，彭琛琛感觸最深的是組會上肖正國常常強調(diào)的那句“做科研要走‘極端’”?！叭绻恢备S前人的腳步，走最‘安全’的研究路線，可能將無法創(chuàng)造具有突破性的成果。要創(chuàng)新，就必須打破固定思維，在一定的研究基礎(chǔ)上往極致的邊界探索。”
例如，大部分研究人員都認為鈣鈦礦不耐高溫，加熱溫度都在100攝氏度以下，但肖正國堅持穩(wěn)定的材料必須承受高溫的淬煉。所以在研究工作初期，他們一直采用高溫加熱的方法來選擇優(yōu)化路徑，這才有了此次穩(wěn)定性的重大突破。
彭琛琛受訪者供圖
如今，彭琛琛一邊忙著撰寫畢業(yè)論文，一邊處理一些后續(xù)工作。對于未來，她說還在思考中，是出國做博士后研究還是進高校當老師，都不確定。唯一可以肯定的是，“我會繼續(xù)做科研”。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-025-09137-1
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