文 |《中国科学报》记者王敏
“你博士4年到底干了啥？”朋友常常这样打趣彭琛琛。夜深人静时，她也这般问自己。
近日，这个问题，终于有了像样的回答。
6月11日，彭琛琛以第一作者身份在《自然》上发表论文。在中国科学技术大学（以下简称中国科大）教授肖正国的指导下，团队提出了一种被称作“弱空间限域”的新方法，制备出了晶体颗粒更大、更耐高温的全无机钙钛矿薄膜，成功将钙钛矿发光二极管（LED）亮度提高到116万尼特以上，使用寿命超18万小时。
这项突破性技术不仅克服了以往钙钛矿LED在效率和稳定性上难以兼得的技术瓶颈，更有望在未来广泛应用于高端显示屏、超高亮度照明等领域，推动LED技术进入一个崭新时代。
这是彭琛琛4年读博期间发表的唯一一篇论文。
肖正国（左）与彭琛琛（右）讨论实验结果周欣宇/摄
更纠结的是彭琛琛。“我那时已经博士二年级，即将面临论文开题。我却不知道以什么内容开题，因为没有可以串起来的工作，也不知接下来怎么办。迷茫时，我甚至想到了退学。以硕士学历找工作，或许也是不错的出路。”
这时，肖正国想了个折中办法——安排组里一半以上的同学转做钙钛矿太阳能电池，其他人做钙钛矿LED。
彭琛琛留下来了。“我不甘心，我想再试一试。而且钙钛矿太阳能电池和钙钛矿LED属于两条赛道，不是想转就能很快进入状态。”这个看似文文弱弱的女生，骨子里自带科研人的倔强。
将晶体尺寸往大了做
钙钛矿LED的发光原理，本质上是电子和空穴的“相遇派对”。电子和空穴“牵手”的对数越多，发光效率越高。但在传统的钙钛矿发光层中，电子和空穴很难“相遇”。因此，人们提出了一种“强空间限域”方法。
要理解“强空间限域”，还得从钙钛矿发光层的制备说起。“在常温下，将钙钛矿溶液像摊饼一样，‘刷’在衬底上，再通过高温加热把残留的溶剂蒸干，让内部形成更加牢固的结构，即可得到钙钛矿发光层。”肖正国说，人眼看到的发光层是一张薄膜，但在扫描电镜下可以观察到薄膜里排列着无数颗晶体，电子和空穴正是在晶体里“相遇”、发光。
钙钛矿LED研究初期，人们为了提高发光效率，将晶体制作得非常小。因为晶体一变小，其内部空间随之变小，电子和空穴“相遇”的概率得以大幅度提高。这就是所谓的“强空间限域”方法。
有意思的是，肖正国正是这一方法的提出者之一。2017年，在美国普林斯顿大学做博士后研究的他，与国际上另外两个顶尖研究团队不约而同先后提出了该方法，并被业界沿用至今。
作为该方法的提出者之一，肖正国也更早地意识到这条“路”不通——器件的稳定性特别差。“这主要原因在于小晶体堆积后，会产生大量缝隙（晶界）。而钙钛矿离子晶体的化学键不强，离子就沿着这些孔隙‘逃跑’，导致钙钛矿发光层产生缺陷和分解。”肖正国说。
团队合影周欣宇/摄
如果将晶体尺寸往大了做，使它们紧密贴合在一起，不给离子留“逃跑”通道，是否就可以解决稳定性问题？肖正国再次提出完全相反的策略——“弱空间限域”方法。对此，彭琛琛第一反应是“这能行吗？”
不管“有枣没枣”，彭琛琛决定先打一竿试试。她首先排除了“强空间限域”方法里用的所有添加剂，确定了新添加剂应具备的大致属性。
在依次添加多种小分子仍以失败告终后，彭琛琛很快将目标进一步锁定在挥发性小分子上。这类分子可以通过高温加热挥发掉，而不影响薄膜的导电性能。
在阅读文献时，彭琛琛曾注意到一种叫磷酸基团的分子可以减少缺陷，提高钙钛矿太阳能电池稳定性。“当时，我们实验室虽然也尝试过添加次磷酸到钙钛矿里，但这种酸性小分子是溶解在水中保存的，而钙钛矿薄膜‘怕’水。”于是她想到了一种减压蒸馏的方法。
简单来说，就是利用水与次磷酸的沸点不同，将水分离出，得到较纯净的次磷酸。将其添加到钙钛矿溶液里后，他们发现钙钛矿薄膜的稳定性明显提升。
按照该思路，彭琛琛不断优化实验，将晶体尺寸由原先的20纳米扩大至接近200纳米，制备出晶体尺寸更大、缺陷更少的新型钙钛矿薄膜。
研究表明，在效率方面，这种新型钙钛矿LED的发光效率超过22%，与商业化显示产品的发光效率持平。与目前市场上的主流商用OLED或LED屏幕相比，新型钙钛矿LED的极限亮度达到116万尼特。
116万尼特意味着什么？“我们日常使用的显示屏幕，比如手机，正常亮度为几百尼特。所以按照100尼特计算，新型钙钛矿LED理论上能使用超过18万个小时。”肖正国说，这已经达到商业化LED产品的一般标准。
“一个重要里程碑”
2024年4月9日，肖正国正式向《自然》投稿。4月22日，编辑通知“文章已送外审”。这令他们很开心。
一个月后，他们收到4位审稿人共40条修改意见。4位审稿人对研究成果表示认可——“我们对其卓越的亮度和寿命感到震撼，这无疑是钙钛矿LED领域的一个重要里程碑。”“器件运行寿命超过10万小时，这将成为钙钛矿LED研究领域的一项重大突破。”
但审稿人对实验过程、机理解释仍持有诸多意见，尤其是需要借助第三方验证，测试器件稳定性问题。
对此，肖正国他们花了4个月时间，一一回复审稿意见，并前往南京工业大学教授王建浦实验室做测试。“两个实验室所用的测试方法不同，正好可以做交叉验证。”
刚开始时，为避免接触水和氧气，影响测试效果，彭琛琛小心翼翼将打包好的钙钛矿LED器件邮寄到王建浦实验室，拜托实验室同学帮忙做测试。但一直未得到理想的结果。
时间紧迫，彭琛琛就自己去南京做测试。“王老师实验室有两台设备，等着排队做实验的校内学生非常多，所以每次去之前要提前约好时间，并不是去了就能马上做测试。”
彭琛琛记得，刚开始在王建浦实验室测试器件性能时，器件发光亮度直接超过百万尼特，这样的超高亮度甚至让仪器“爆表”了，导致程序报错。这一结果令实验室的同学都很震惊。他们随后调整了测试设备和程序参数，才完成了后续的测试。
2024年10月4日，肖正国团队提交了第一轮审稿意见回复。两个月后，编辑竟然拒稿了。
“这是不是有点太草率了。”此时，彭琛琛心里充满了疑惑和焦虑，“要不转投其他‘差点’的期刊？因为再拖下去，我的毕业真的遥遥无期了……”
但经验丰富的肖正国认为，虽然审稿人又提出了许多问题，但意见均偏正面，有必要再申诉。2025年2月6日，他们回复了第二轮审稿意见，并追加了更多实验数据。20天后，编辑表示，“该稿件已经非常接近我们可以接受发表的状态”。
2025年5月12日，论文被正式接收；6月11日，正式发表。
回看四年的博士生涯，彭琛琛感触最深的是组会上肖正国常常强调的那句“做科研要走‘极端’”。“如果一直跟随前人的脚步，走最‘安全’的研究路线，可能将无法创造具有突破性的成果。要创新，就必须打破固定思维，在一定的研究基础上往极致的边界探索。”
例如，大部分研究人员都认为钙钛矿不耐高温，加热温度都在100摄氏度以下，但肖正国坚持稳定的材料必须承受高温的淬炼。所以在研究工作初期，他们一直采用高温加热的方法来选择优化路径，这才有了此次稳定性的重大突破。
彭琛琛受访者供图
如今，彭琛琛一边忙着撰写毕业论文，一边处理一些后续工作。对于未来，她说还在思考中，是出国做博士后研究还是进高校当老师，都不确定。唯一可以肯定的是，“我会继续做科研”。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-025-09137-1
本文链接：http://www.gihot.com/news-8-5416-0.html博士4年“死磕”一项成果！她说：做科研要往极致的边界探索
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