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壽命超 18 萬小時(shí)！中科大鈣鈦礦 LED 突破穩(wěn)定性瓶頸，亮度達(dá) 116 萬尼特登《自然》
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時(shí)間：2025-09-25 10:38:29
在新型顯示與照明領(lǐng)域，鈣鈦礦 LED 憑借高發(fā)光效率、低成本、制備靈活等優(yōu)勢，被視為有望替代傳統(tǒng) OLED 與 LED 的下一代技術(shù)。然而，“效率與壽命難以兼顧” 的痛點(diǎn)長期制約其商業(yè)化 —— 傳統(tǒng)鈣鈦礦 LED 為提升發(fā)光效率，常采用 “強(qiáng)空間限域” 策略（如制備納米顆粒或極薄材料層），但這種方式會(huì)導(dǎo)致晶體缺陷增多、耐高溫性差，不僅限制亮度提升，還讓器件壽命普遍停留在數(shù)千小時(shí)級別，遠(yuǎn)未達(dá)到商業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。6 月 11 日，這一行業(yè)困局迎來顛覆性突破：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)肖正國教授團(tuán)隊(duì)提出 “弱空間限域” 新方法，成功研制出使用壽命超 18 萬小時(shí)、亮度達(dá) 116 萬尼特的超穩(wěn)定鈣鈦礦 LED，相關(guān)成果發(fā)表于國際頂級期刊《自然》，為鈣鈦礦 LED 走向產(chǎn)業(yè)化掃清關(guān)鍵障礙。?
要理解這項(xiàng)成果的突破性，首先需厘清傳統(tǒng) “強(qiáng)空間限域” 策略的局限性。鈣鈦礦材料雖具備優(yōu)異的發(fā)光潛力，但電子與空穴在體相材料中易分散、難以高效復(fù)合發(fā)光。為解決這一問題，科研人員此前普遍通過 “強(qiáng)空間限域” 壓縮材料維度 —— 將鈣鈦礦制備成納米顆粒或超薄層，利用空間約束讓電子與空穴被迫復(fù)合。然而，這種 “以空間換效率” 的方式存在致命缺陷：微小的晶體顆粒會(huì)產(chǎn)生大量晶界與表面缺陷，這些缺陷如同 “電流陷阱”，不僅增加非輻射復(fù)合損耗，還會(huì)在使用過程中加速材料降解；同時(shí)，超薄結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性極差，在高亮度工作時(shí)易因熱量積累導(dǎo)致器件失效，最終造成 “效率提升了，壽命卻縮短了” 的惡性循環(huán)。?
肖正國團(tuán)隊(duì)提出的 “弱空間限域” 策略，恰恰打破了這一循環(huán)。團(tuán)隊(duì)摒棄了 “壓縮空間” 的傳統(tǒng)思路，轉(zhuǎn)而從材料本身的晶體質(zhì)量入手：通過在全無機(jī)鈣鈦礦材料中精準(zhǔn)引入次磷酸和氯化銨，并結(jié)合高溫退火工藝，引導(dǎo)鈣鈦礦晶體實(shí)現(xiàn) “定向生長”—— 最終形成的薄膜中，晶體顆粒尺寸大幅增大，缺陷密度顯著降低，材料結(jié)構(gòu)的有序性與耐高溫性也得到質(zhì)的提升。這種設(shè)計(jì)的核心邏輯在于：更大的晶體顆粒減少了晶界缺陷，讓電子與空穴無需依賴 “空間約束” 即可高效復(fù)合；而更穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，則從根源上提升了器件的抗老化與耐高溫能力，實(shí)現(xiàn) “效率、亮度、壽命” 三者的同步突破。?
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)印證了這一策略的優(yōu)越性：基于 “弱空間限域” 方法制備的鈣鈦礦 LED，發(fā)光效率超過 22%，已接近商業(yè)化顯示產(chǎn)品的性能水平；極限亮度更是達(dá)到 116 萬尼特 —— 這一數(shù)值遠(yuǎn)超市面常見 OLED 屏幕（約 1000-2000 尼特）與傳統(tǒng) LED 屏幕（約 5000-10000 尼特），即便在戶外強(qiáng)光環(huán)境下，也能保證清晰的顯示效果。而最令人矚目的是壽命表現(xiàn)：按常規(guī)顯示場景的 100 尼特亮度計(jì)算，該器件的理論壽命超過 18 萬小時(shí)，若按每天使用 8 小時(shí)計(jì)算，可連續(xù)使用 62 年，完全達(dá)到甚至超越商業(yè)級 LED 的壽命標(biāo)準(zhǔn)（通常要求 1 萬 - 5 萬小時(shí)），徹底解決了鈣鈦礦 LED “短命” 的核心痛點(diǎn)。?
從行業(yè)應(yīng)用視角來看，這項(xiàng)成果的價(jià)值遠(yuǎn)超技術(shù)參數(shù)本身。在高端顯示領(lǐng)域，超 116 萬尼特的亮度讓鈣鈦礦 LED 有望應(yīng)用于戶外巨幕、車載 HUD（抬頭顯示）等對亮度要求嚴(yán)苛的場景 —— 傳統(tǒng) OLED 在戶外強(qiáng)光下易 “泛白”，而該鈣鈦礦 LED 可實(shí)現(xiàn) “強(qiáng)光下清晰可見”；在照明領(lǐng)域，22% 的發(fā)光效率與超 18 萬小時(shí)的壽命，使其具備替代傳統(tǒng)白熾燈、LED 燈的潛力，且低成本的制備工藝能進(jìn)一步降低應(yīng)用門檻；此外，全無機(jī)鈣鈦礦材料的特性，還讓器件在潮濕、高溫等惡劣環(huán)境下具備穩(wěn)定性能，為工業(yè)照明、特殊環(huán)境顯示等場景提供了新選擇。?
研究團(tuán)隊(duì)還指出，“弱空間限域” 策略的意義不僅在于優(yōu)化鈣鈦礦 LED，更為其他低維半導(dǎo)體材料的性能提升提供了新思路。此前，“空間限域” 是提升低維材料發(fā)光效率的主流思路，但往往伴隨穩(wěn)定性犧牲，而中科大團(tuán)隊(duì)的研究證明，通過優(yōu)化晶體生長工藝、降低缺陷密度，同樣能實(shí)現(xiàn)高效發(fā)光，且兼顧穩(wěn)定性 —— 這一理念或?qū)⑼苿?dòng)鈣鈦礦太陽能電池、探測器等相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)革新。?
據(jù)悉，該研究由中國科大物理學(xué)院彭琛琛、姚海濤、Othman Ali、特任副研究員陳文靜，以及復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院楊迎國研究員共同完成，肖正國教授為通訊作者。這項(xiàng)成果不僅彰顯了中國在鈣鈦礦材料領(lǐng)域的科研領(lǐng)先地位，更讓鈣鈦礦 LED 從 “實(shí)驗(yàn)室明星” 真正邁向 “商業(yè)潛力股”。隨著后續(xù)工藝的進(jìn)一步優(yōu)化與規(guī)模化制備技術(shù)的成熟，未來我們或?qū)⒃谑謾C(jī)屏幕、戶外顯示、高端照明等場景中，看到基于這項(xiàng)技術(shù)的鈣鈦礦 LED 產(chǎn)品，開啟顯示與照明行業(yè)的 “超長壽命時(shí)代”。
要理解這項(xiàng)成果的突破性，首先需厘清傳統(tǒng) “強(qiáng)空間限域” 策略的局限性。鈣鈦礦材料雖具備優(yōu)異的發(fā)光潛力，但電子與空穴在體相材料中易分散、難以高效復(fù)合發(fā)光。為解決這一問題，科研人員此前普遍通過 “強(qiáng)空間限域” 壓縮材料維度 —— 將鈣鈦礦制備成納米顆粒或超薄層，利用空間約束讓電子與空穴被迫復(fù)合。然而，這種 “以空間換效率” 的方式存在致命缺陷：微小的晶體顆粒會(huì)產(chǎn)生大量晶界與表面缺陷，這些缺陷如同 “電流陷阱”，不僅增加非輻射復(fù)合損耗，還會(huì)在使用過程中加速材料降解；同時(shí)，超薄結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性極差，在高亮度工作時(shí)易因熱量積累導(dǎo)致器件失效，最終造成 “效率提升了，壽命卻縮短了” 的惡性循環(huán)。?
肖正國團(tuán)隊(duì)提出的 “弱空間限域” 策略，恰恰打破了這一循環(huán)。團(tuán)隊(duì)摒棄了 “壓縮空間” 的傳統(tǒng)思路，轉(zhuǎn)而從材料本身的晶體質(zhì)量入手：通過在全無機(jī)鈣鈦礦材料中精準(zhǔn)引入次磷酸和氯化銨，并結(jié)合高溫退火工藝，引導(dǎo)鈣鈦礦晶體實(shí)現(xiàn) “定向生長”—— 最終形成的薄膜中，晶體顆粒尺寸大幅增大，缺陷密度顯著降低，材料結(jié)構(gòu)的有序性與耐高溫性也得到質(zhì)的提升。這種設(shè)計(jì)的核心邏輯在于：更大的晶體顆粒減少了晶界缺陷，讓電子與空穴無需依賴 “空間約束” 即可高效復(fù)合；而更穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，則從根源上提升了器件的抗老化與耐高溫能力，實(shí)現(xiàn) “效率、亮度、壽命” 三者的同步突破。?
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)印證了這一策略的優(yōu)越性：基于 “弱空間限域” 方法制備的鈣鈦礦 LED，發(fā)光效率超過 22%，已接近商業(yè)化顯示產(chǎn)品的性能水平；極限亮度更是達(dá)到 116 萬尼特 —— 這一數(shù)值遠(yuǎn)超市面常見 OLED 屏幕（約 1000-2000 尼特）與傳統(tǒng) LED 屏幕（約 5000-10000 尼特），即便在戶外強(qiáng)光環(huán)境下，也能保證清晰的顯示效果。而最令人矚目的是壽命表現(xiàn)：按常規(guī)顯示場景的 100 尼特亮度計(jì)算，該器件的理論壽命超過 18 萬小時(shí)，若按每天使用 8 小時(shí)計(jì)算，可連續(xù)使用 62 年，完全達(dá)到甚至超越商業(yè)級 LED 的壽命標(biāo)準(zhǔn)（通常要求 1 萬 - 5 萬小時(shí)），徹底解決了鈣鈦礦 LED “短命” 的核心痛點(diǎn)。?
從行業(yè)應(yīng)用視角來看，這項(xiàng)成果的價(jià)值遠(yuǎn)超技術(shù)參數(shù)本身。在高端顯示領(lǐng)域，超 116 萬尼特的亮度讓鈣鈦礦 LED 有望應(yīng)用于戶外巨幕、車載 HUD（抬頭顯示）等對亮度要求嚴(yán)苛的場景 —— 傳統(tǒng) OLED 在戶外強(qiáng)光下易 “泛白”，而該鈣鈦礦 LED 可實(shí)現(xiàn) “強(qiáng)光下清晰可見”；在照明領(lǐng)域，22% 的發(fā)光效率與超 18 萬小時(shí)的壽命，使其具備替代傳統(tǒng)白熾燈、LED 燈的潛力，且低成本的制備工藝能進(jìn)一步降低應(yīng)用門檻；此外，全無機(jī)鈣鈦礦材料的特性，還讓器件在潮濕、高溫等惡劣環(huán)境下具備穩(wěn)定性能，為工業(yè)照明、特殊環(huán)境顯示等場景提供了新選擇。?
研究團(tuán)隊(duì)還指出，“弱空間限域” 策略的意義不僅在于優(yōu)化鈣鈦礦 LED，更為其他低維半導(dǎo)體材料的性能提升提供了新思路。此前，“空間限域” 是提升低維材料發(fā)光效率的主流思路，但往往伴隨穩(wěn)定性犧牲，而中科大團(tuán)隊(duì)的研究證明，通過優(yōu)化晶體生長工藝、降低缺陷密度，同樣能實(shí)現(xiàn)高效發(fā)光，且兼顧穩(wěn)定性 —— 這一理念或?qū)⑼苿?dòng)鈣鈦礦太陽能電池、探測器等相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)革新。?
據(jù)悉，該研究由中國科大物理學(xué)院彭琛琛、姚海濤、Othman Ali、特任副研究員陳文靜，以及復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院楊迎國研究員共同完成，肖正國教授為通訊作者。這項(xiàng)成果不僅彰顯了中國在鈣鈦礦材料領(lǐng)域的科研領(lǐng)先地位，更讓鈣鈦礦 LED 從 “實(shí)驗(yàn)室明星” 真正邁向 “商業(yè)潛力股”。隨著后續(xù)工藝的進(jìn)一步優(yōu)化與規(guī)模化制備技術(shù)的成熟，未來我們或?qū)⒃谑謾C(jī)屏幕、戶外顯示、高端照明等場景中，看到基于這項(xiàng)技術(shù)的鈣鈦礦 LED 產(chǎn)品，開啟顯示與照明行業(yè)的 “超長壽命時(shí)代”。
