近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)肖正國(guó)教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在提高鈣鈦礦發(fā)光二極管（LED）壽命方面取得了重要進(jìn)展。他們提出了一種被稱作“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LED亮度提高到116萬(wàn)尼特以上，使用壽命超過(guò)18萬(wàn)小時(shí)。6月11日，相關(guān)成果以“Weakly space-confined all-inorganic perovskites for light-emitting diodes”為題，發(fā)表在《Nature》期刊上。

鈣鈦礦是一種性能優(yōu)越的新型材料，具有高發(fā)光效率、成本低廉和制作靈活的優(yōu)點(diǎn)，在太陽(yáng)能電池、LED和探測(cè)器中應(yīng)用前景廣泛。然而，由于傳統(tǒng)的鈣鈦礦材料中，電子和空穴（負(fù)責(zé)發(fā)光的電荷）難以有效碰撞發(fā)光，因此科研人員之前多采用“強(qiáng)空間限域”的方法——例如制作非常小的納米顆粒或極薄的材料層，來(lái)提高發(fā)光效率。但這種方法的缺點(diǎn)是LED很難達(dá)到高亮度，而且使用壽命短，通常只能持續(xù)工作數(shù)小時(shí)，很難用在實(shí)際生活中的產(chǎn)品中。

圖1. 不同空間限域的鈣鈦礦

為了解決這一難題，肖正國(guó)教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種完全不同的“弱空間限域”技術(shù)。他們?cè)阝}鈦礦材料里添加了特定的化合物（次磷酸和氯化銨），通過(guò)高溫退火工藝，制備出晶體顆粒更大、缺陷更少的新型鈣鈦礦薄膜。這種新材料內(nèi)部更加有序，避免了傳統(tǒng)方法的小晶體所帶來(lái)的缺陷問(wèn)題，極大地提升了LED的穩(wěn)定性和亮度。

在效率方面，新型鈣鈦礦LED的發(fā)光效率超過(guò)22%，已經(jīng)和商業(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)到了116萬(wàn)尼特（顯示屏幕的最高亮度通常在數(shù)千尼特以內(nèi)），按照正常亮度100尼特計(jì)算，理論上能使用超過(guò)18萬(wàn)小時(shí)，已經(jīng)達(dá)到商業(yè)化LED產(chǎn)品的廣泛標(biāo)準(zhǔn)。這項(xiàng)突破性技術(shù)不僅成功克服了以往鈣鈦礦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)嶄新的時(shí)代。

圖2. a.鈣鈦礦LED結(jié)構(gòu);b.鈣鈦礦LED工作時(shí)照片;c.三種不同空間限域鈣鈦礦LED的亮度和效率關(guān)系曲線；d.弱空間限域鈣鈦礦LED壽命外推擬合曲線；e, f.目前已發(fā)表的綠光鈣鈦礦LED效率分別和亮度（e），壽命（f）的統(tǒng)計(jì)對(duì)比圖

該研究由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院博士研究生彭琛琛、姚海濤、Othman Ali、特任副研究員陳文靜和復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院楊迎國(guó)研究員共同完成，肖正國(guó)教授為通訊作者。這項(xiàng)工作獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和安徽省高校協(xié)同創(chuàng)新計(jì)劃專項(xiàng)資金的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09137-1