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寿命超 18 万小时！中科大钙钛矿 LED 突破稳定性瓶颈，亮度达 116 万尼特登《自然》
来源：
时间：2025-09-25 10:38:29
在新型显示与照明领域，钙钛矿 LED 凭借高发光效率、低成本、制备灵活等优势，被视为有望替代传统 OLED 与 LED 的下一代技术。然而，“效率与寿命难以兼顾” 的痛点长期制约其商业化 —— 传统钙钛矿 LED 为提升发光效率，常采用 “强空间限域” 策略（如制备纳米颗粒或极薄材料层），但这种方式会导致晶体缺陷增多、耐高温性差，不仅限制亮度提升，还让器件寿命普遍停留在数千小时级别，远未达到商业应用标准。6 月 11 日，这一行业困局迎来颠覆性突破：中国科学技术大学肖正国教授团队提出 “弱空间限域” 新方法，成功研制出使用寿命超 18 万小时、亮度达 116 万尼特的超稳定钙钛矿 LED，相关成果发表于国际顶级期刊《自然》，为钙钛矿 LED 走向产业化扫清关键障碍。
要理解这项成果的突破性，首先需厘清传统 “强空间限域” 策略的局限性。钙钛矿材料虽具备优异的发光潜力，但电子与空穴在体相材料中易分散、难以高效复合发光。为解决这一问题，科研人员此前普遍通过 “强空间限域” 压缩材料维度 —— 将钙钛矿制备成纳米颗粒或超薄层，利用空间约束让电子与空穴被迫复合。然而，这种 “以空间换效率” 的方式存在致命缺陷：微小的晶体颗粒会产生大量晶界与表面缺陷，这些缺陷如同 “电流陷阱”，不仅增加非辐射复合损耗，还会在使用过程中加速材料降解；同时，超薄结构的热稳定性极差，在高亮度工作时易因热量积累导致器件失效，最终造成 “效率提升了，寿命却缩短了” 的恶性循环。
肖正国团队提出的 “弱空间限域” 策略，恰恰打破了这一循环。团队摒弃了 “压缩空间” 的传统思路，转而从材料本身的晶体质量入手：通过在全无机钙钛矿材料中精准引入次磷酸和氯化铵，并结合高温退火工艺，引导钙钛矿晶体实现 “定向生长”—— 最终形成的薄膜中，晶体颗粒尺寸大幅增大，缺陷密度显著降低，材料结构的有序性与耐高温性也得到质的提升。这种设计的核心逻辑在于：更大的晶体颗粒减少了晶界缺陷，让电子与空穴无需依赖 “空间约束” 即可高效复合；而更稳定的晶体结构，则从根源上提升了器件的抗老化与耐高温能力，实现 “效率、亮度、寿命” 三者的同步突破。
实验数据印证了这一策略的优越性：基于 “弱空间限域” 方法制备的钙钛矿 LED，发光效率超过 22%，已接近商业化显示产品的性能水平；极限亮度更是达到 116 万尼特 —— 这一数值远超市面常见 OLED 屏幕（约 1000-2000 尼特）与传统 LED 屏幕（约 5000-10000 尼特），即便在户外强光环境下，也能保证清晰的显示效果。而最令人瞩目的是寿命表现：按常规显示场景的 100 尼特亮度计算，该器件的理论寿命超过 18 万小时，若按每天使用 8 小时计算，可连续使用 62 年，完全达到甚至超越商业级 LED 的寿命标准（通常要求 1 万 - 5 万小时），彻底解决了钙钛矿 LED “短命” 的核心痛点。
从行业应用视角来看，这项成果的价值远超技术参数本身。在高端显示领域，超 116 万尼特的亮度让钙钛矿 LED 有望应用于户外巨幕、车载 HUD（抬头显示）等对亮度要求严苛的场景 —— 传统 OLED 在户外强光下易 “泛白”，而该钙钛矿 LED 可实现 “强光下清晰可见”；在照明领域，22% 的发光效率与超 18 万小时的寿命，使其具备替代传统白炽灯、LED 灯的潜力，且低成本的制备工艺能进一步降低应用门槛；此外，全无机钙钛矿材料的特性，还让器件在潮湿、高温等恶劣环境下具备稳定性能，为工业照明、特殊环境显示等场景提供了新选择。
研究团队还指出，“弱空间限域” 策略的意义不仅在于优化钙钛矿 LED，更为其他低维半导体材料的性能提升提供了新思路。此前，“空间限域” 是提升低维材料发光效率的主流思路，但往往伴随稳定性牺牲，而中科大团队的研究证明，通过优化晶体生长工艺、降低缺陷密度，同样能实现高效发光，且兼顾稳定性 —— 这一理念或将推动钙钛矿太阳能电池、探测器等相关领域的技术革新。
据悉，该研究由中国科大物理学院彭琛琛、姚海涛、Othman Ali、特任副研究员陈文静，以及复旦大学微电子学院杨迎国研究员共同完成，肖正国教授为通讯作者。这项成果不仅彰显了中国在钙钛矿材料领域的科研领先地位，更让钙钛矿 LED 从 “实验室明星” 真正迈向 “商业潜力股”。随着后续工艺的进一步优化与规模化制备技术的成熟，未来我们或将在手机屏幕、户外显示、高端照明等场景中，看到基于这项技术的钙钛矿 LED 产品，开启显示与照明行业的 “超长寿命时代”。
要理解这项成果的突破性，首先需厘清传统 “强空间限域” 策略的局限性。钙钛矿材料虽具备优异的发光潜力，但电子与空穴在体相材料中易分散、难以高效复合发光。为解决这一问题，科研人员此前普遍通过 “强空间限域” 压缩材料维度 —— 将钙钛矿制备成纳米颗粒或超薄层，利用空间约束让电子与空穴被迫复合。然而，这种 “以空间换效率” 的方式存在致命缺陷：微小的晶体颗粒会产生大量晶界与表面缺陷，这些缺陷如同 “电流陷阱”，不仅增加非辐射复合损耗，还会在使用过程中加速材料降解；同时，超薄结构的热稳定性极差，在高亮度工作时易因热量积累导致器件失效，最终造成 “效率提升了，寿命却缩短了” 的恶性循环。
肖正国团队提出的 “弱空间限域” 策略，恰恰打破了这一循环。团队摒弃了 “压缩空间” 的传统思路，转而从材料本身的晶体质量入手：通过在全无机钙钛矿材料中精准引入次磷酸和氯化铵，并结合高温退火工艺，引导钙钛矿晶体实现 “定向生长”—— 最终形成的薄膜中，晶体颗粒尺寸大幅增大，缺陷密度显著降低，材料结构的有序性与耐高温性也得到质的提升。这种设计的核心逻辑在于：更大的晶体颗粒减少了晶界缺陷，让电子与空穴无需依赖 “空间约束” 即可高效复合；而更稳定的晶体结构，则从根源上提升了器件的抗老化与耐高温能力，实现 “效率、亮度、寿命” 三者的同步突破。
实验数据印证了这一策略的优越性：基于 “弱空间限域” 方法制备的钙钛矿 LED，发光效率超过 22%，已接近商业化显示产品的性能水平；极限亮度更是达到 116 万尼特 —— 这一数值远超市面常见 OLED 屏幕（约 1000-2000 尼特）与传统 LED 屏幕（约 5000-10000 尼特），即便在户外强光环境下，也能保证清晰的显示效果。而最令人瞩目的是寿命表现：按常规显示场景的 100 尼特亮度计算，该器件的理论寿命超过 18 万小时，若按每天使用 8 小时计算，可连续使用 62 年，完全达到甚至超越商业级 LED 的寿命标准（通常要求 1 万 - 5 万小时），彻底解决了钙钛矿 LED “短命” 的核心痛点。
从行业应用视角来看，这项成果的价值远超技术参数本身。在高端显示领域，超 116 万尼特的亮度让钙钛矿 LED 有望应用于户外巨幕、车载 HUD（抬头显示）等对亮度要求严苛的场景 —— 传统 OLED 在户外强光下易 “泛白”，而该钙钛矿 LED 可实现 “强光下清晰可见”；在照明领域，22% 的发光效率与超 18 万小时的寿命，使其具备替代传统白炽灯、LED 灯的潜力，且低成本的制备工艺能进一步降低应用门槛；此外，全无机钙钛矿材料的特性，还让器件在潮湿、高温等恶劣环境下具备稳定性能，为工业照明、特殊环境显示等场景提供了新选择。
研究团队还指出，“弱空间限域” 策略的意义不仅在于优化钙钛矿 LED，更为其他低维半导体材料的性能提升提供了新思路。此前，“空间限域” 是提升低维材料发光效率的主流思路，但往往伴随稳定性牺牲，而中科大团队的研究证明，通过优化晶体生长工艺、降低缺陷密度，同样能实现高效发光，且兼顾稳定性 —— 这一理念或将推动钙钛矿太阳能电池、探测器等相关领域的技术革新。
据悉，该研究由中国科大物理学院彭琛琛、姚海涛、Othman Ali、特任副研究员陈文静，以及复旦大学微电子学院杨迎国研究员共同完成，肖正国教授为通讯作者。这项成果不仅彰显了中国在钙钛矿材料领域的科研领先地位，更让钙钛矿 LED 从 “实验室明星” 真正迈向 “商业潜力股”。随着后续工艺的进一步优化与规模化制备技术的成熟，未来我们或将在手机屏幕、户外显示、高端照明等场景中，看到基于这项技术的钙钛矿 LED 产品，开启显示与照明行业的 “超长寿命时代”。
