文 |《中國(guó)科學(xué)報(bào)》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(shí)，她也這般問(wèn)自己。
近日，這個(gè)問(wèn)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱中國(guó)科大）教授肖正國(guó)的指導(dǎo)下，團(tuán)隊(duì)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(wú)機(jī)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(wàn)尼特以上，使用壽命超18萬(wàn)小時(shí)。
這項(xiàng)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(lái)廣泛應(yīng)用于高端顯示屏、超高亮度照明等領(lǐng)域，推動(dòng)LED技術(shù)進(jìn)入一個(gè)嶄新時(shí)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(guó)（左）與彭琛琛（右）討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果周欣宇/攝
更糾結(jié)的是彭琛琛?！拔夷菚r(shí)已經(jīng)博士二年級(jí)，即將面臨論文開(kāi)題。我卻不知道以什么內(nèi)容開(kāi)題，因?yàn)闆](méi)有可以串起來(lái)的工作，也不知接下來(lái)怎么辦。迷茫時(shí)，我甚至想到了退學(xué)。以碩士學(xué)歷找工作，或許也是不錯(cuò)的出路。”
這時(shí)，肖正國(guó)想了個(gè)折中辦法——安排組里一半以上的同學(xué)轉(zhuǎn)做鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其他人做鈣鈦礦LED。
彭琛琛留下來(lái)了。“我不甘心，我想再試一試。而且鈣鈦礦太陽(yáng)能電池和鈣鈦礦LED屬于兩條賽道，不是想轉(zhuǎn)就能很快進(jìn)入狀態(tài)?！边@個(gè)看似文文弱弱的女生，骨子里自帶科研人的倔強(qiáng)。
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(duì)”。電子和空穴“牽手”的對(duì)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(qiáng)空間限域”方法。
要理解“強(qiáng)空間限域”，還得從鈣鈦礦發(fā)光層的制備說(shuō)起。“在常溫下，將鈣鈦礦溶液像攤餅一樣，‘刷’在襯底上，再通過(guò)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?guó)說(shuō)，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(wú)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?yàn)榫w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(qiáng)空間限域”方法。
有意思的是，肖正國(guó)正是這一方法的提出者之一。2017年，在美國(guó)普林斯頓大學(xué)做博士后研究的他，與國(guó)際上另外兩個(gè)頂尖研究團(tuán)隊(duì)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(guó)也更早地意識(shí)到這條“路”不通——器件的穩(wěn)定性特別差。“這主要原因在于小晶體堆積后，會(huì)產(chǎn)生大量縫隙（晶界）。而鈣鈦礦離子晶體的化學(xué)鍵不強(qiáng)，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(guó)說(shuō)。
團(tuán)隊(duì)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(wèn)題？肖正國(guó)再次提出完全相反的策略——“弱空間限域”方法。對(duì)此，彭琛琛第一反應(yīng)是“這能行嗎？”
不管“有棗沒(méi)棗”，彭琛琛決定先打一竿試試。她首先排除了“強(qiáng)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(biāo)進(jìn)一步鎖定在揮發(fā)性小分子上。這類分子可以通過(guò)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(xiàn)時(shí)，彭琛琛曾注意到一種叫磷酸基團(tuán)的分子可以減少缺陷，提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池穩(wěn)定性?！爱?dāng)時(shí)，我們實(shí)驗(yàn)室雖然也嘗試過(guò)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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是利用水與次磷酸的沸點(diǎn)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(shí)驗(yàn)，將晶體尺寸由原先的20納米擴(kuò)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(guò)22%，與商業(yè)化顯示產(chǎn)品的發(fā)光效率持平。與目前市場(chǎng)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(dá)到116萬(wàn)尼特。
116萬(wàn)尼特意味著什么？“我們?nèi)粘Ｊ褂玫娘@示屏幕，比如手機(jī)，正常亮度為幾百尼特。所以按照100尼特計(jì)算，新型鈣鈦礦LED理論上能使用超過(guò)18萬(wàn)個(gè)小時(shí)。”肖正國(guó)說(shuō)，這已經(jīng)達(dá)到商業(yè)化LED產(chǎn)品的一般標(biāo)準(zhǔn)。
“一個(gè)重要里程碑”
2024年4月9日，肖正國(guó)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(kāi)心。
一個(gè)月后，他們收到4位審稿人共40條修改意見(jiàn)。4位審稿人對(duì)研究成果表示認(rèn)可——“我們對(duì)其卓越的亮度和壽命感到震撼，這無(wú)疑是鈣鈦礦LED領(lǐng)域的一個(gè)重要里程碑?！薄捌骷\(yùn)行壽命超過(guò)10萬(wàn)小時(shí)，這將成為鈣鈦礦LED研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破。”
但審稿人對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程、機(jī)理解釋仍持有諸多意見(jiàn)，尤其是需要借助第三方驗(yàn)證，測(cè)試器件穩(wěn)定性問(wèn)題。
對(duì)此，肖正國(guó)他們花了4個(gè)月時(shí)間，一一回復(fù)審稿意見(jiàn)，并前往南京工業(yè)大學(xué)教授王建浦實(shí)驗(yàn)室做測(cè)試?！皟蓚€(gè)實(shí)驗(yàn)室所用的測(cè)試方法不同，正好可以做交叉驗(yàn)證?！?span style="display:none">C1F即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
剛開(kāi)始時(shí)，為避免接觸水和氧氣，影響測(cè)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(shí)驗(yàn)室，拜托實(shí)驗(yàn)室同學(xué)幫忙做測(cè)試。但一直未得到理想的結(jié)果。
時(shí)間緊迫，彭琛琛就自己去南京做測(cè)試?！巴趵蠋煂?shí)驗(yàn)室有兩臺(tái)設(shè)備，等著排隊(duì)做實(shí)驗(yàn)的校內(nèi)學(xué)生非常多，所以每次去之前要提前約好時(shí)間，并不是去了就能馬上做測(cè)試?！?span style="display:none">C1F即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
彭琛琛記得，剛開(kāi)始在王建浦實(shí)驗(yàn)室測(cè)試器件性能時(shí)，器件發(fā)光亮度直接超過(guò)百萬(wàn)尼特，這樣的超高亮度甚至讓儀器“爆表”了，導(dǎo)致程序報(bào)錯(cuò)。這一結(jié)果令實(shí)驗(yàn)室的同學(xué)都很震驚。他們隨后調(diào)整了測(cè)試設(shè)備和程序參數(shù)，才完成了后續(xù)的測(cè)試。
2024年10月4日，肖正國(guó)團(tuán)隊(duì)提交了第一輪審稿意見(jiàn)回復(fù)。兩個(gè)月后，編輯竟然拒稿了。
“這是不是有點(diǎn)太草率了?！贝藭r(shí)，彭琛琛心里充滿了疑惑和焦慮，“要不轉(zhuǎn)投其他‘差點(diǎn)’的期刊？因?yàn)樵偻舷氯ィ业漠厴I(yè)真的遙遙無(wú)期了……”
但經(jīng)驗(yàn)豐富的肖正國(guó)認(rèn)為，雖然審稿人又提出了許多問(wèn)題，但意見(jiàn)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(jiàn)，并追加了更多實(shí)驗(yàn)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(huì)上肖正國(guó)常常強(qiáng)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(wú)法創(chuàng)造具有突破性的成果。要?jiǎng)?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?！?span style="display:none">C1F即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
例如，大部分研究人員都認(rèn)為鈣鈦礦不耐高溫，加熱溫度都在100攝氏度以下，但肖正國(guó)堅(jiān)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(lái)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(duì)于未來(lái)，她說(shuō)還在思考中，是出國(guó)做博士后研究還是進(jìn)高校當(dāng)老師，都不確定。唯一可以肯定的是，“我會(huì)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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