文|《中国科学报》记者王敏

2024年1月13日凌晨1点多，宋永慧终于敲下“发送”键。这是他第一次向《自然》投稿。因为不熟悉系统，操作时异常紧张。好在导师、中国科学技术大学教授姚宏斌一直在线指导，秒回各种“截图”信息。

发送后，他立即关掉电脑，赶往医院陪产。这天，是他妻子的预产期。次日下午6点，女儿出生了。

今年5月7日，这篇论文终于在《自然》发表。他们基于在钙钛矿材料10年的研究积累，揭示了空穴泄漏是制约混合卤素纯红钙钛矿发光二极管（LED）在高亮度下实现高效率的关键因素，并开发出一种三维异质结发光层，制备出高性能纯红钙钛矿LED。

《自然》审稿人评价该工作：“机理解析和三维异质结材料的设计十分新颖，器件性能极具吸引力。”

7月，30岁的宋永慧即将博士后出站，前往安徽大学担任教职，独立组建课题组。

宋永慧受访者供图

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打破“高亮度必低效”魔咒

寻找在高亮度下依然保持高效率的LED发光层材料，一直是发光显示领域的科研追求。

钙钛矿材料因具有优异的载流子传输性能、高色纯度和宽色域发光特性，成为制备下一代LED的理想选择。然而，纯红光钙钛矿LED有个“魔咒”：发光器件在保持高亮度时，发光效率急剧下降。业界称之为“效率滚降”，制约了器件进一步发展。

“它就好比一辆电动车加速到一定程度后电耗飙升，难以兼顾性能与节能。”姚宏斌介绍。

钙钛矿LED的发光原理，本质上是电子和空穴的“相遇派对”。LED内部类似于“三明治”结构，从上到下分别是金属电极、空穴传输层、钙钛矿发光层、电子传输层和底部电极。电子和空穴从器件的电极两端被注入，经过传输层抵达发光层，成功“牵手”，最终释放出光子。理想情况下，电子和空穴“牵手”的对数越多，发光效率越高。但实际上“牵手”的成功率较低，影响因素也不明晰。

此次工作中，姚宏斌团队设计了一种全新的三维异质结发光层，材料内部存在窄带隙发光体和限制载流子的宽带隙能垒。“宽带隙能垒可以想象为在发光层边缘筑起的水坝，快速注入的空穴被水坝阻拦在发光层内部用于发光，而不能冲出水坝。”姚宏斌说。

基于该发光层，团队制备出高性能纯红钙钛矿LED，外量子效率达到24.2%，最大亮度为24600坎德拉每平方米。值得一提的是，器件亮度为22670坎德拉每平方米时，外量子效率依然超过10%。这是目前国际上已报道的最好结果，打破高亮度必低效的“魔咒”。

姚宏斌（右）在指导宋永慧（左）做实验 周欣宇/摄

分子“进入”三维钙钛矿晶格

姚宏斌介绍，这项研究始于宋永慧在实验中一次偶然发现。

溶液法是制备钙钛矿发光层最为常用且基础的方法，但由于结晶过程太快，发光层容易产生缺陷，限制钙钛矿LED性能。通常，人们多采用“抑制缺陷”的方式提升器件性能。

初期，宋永慧同样遵循该思路，在钙钛矿溶液中添加具有多个锚定官能团的功能分子。令人惊喜的是，钙钛矿发光层的发光效率一下从40%提高到70%，而且组装的器件亮度和效率同时得到大幅度提升。

“长期实验直觉告诉我，这种大幅度的性能提升可能不仅仅是通过抑制缺陷实现的。”宋永慧猜测，有可能是功能分子的使用影响了钙钛矿发光层的晶格，进而对器件中电子和空穴行为产生影响。

他用高分辨透射电镜，观察到晶格出现膨胀。“我第一反应怀疑是自己看错了。因为文献中的普遍结论是，分子与晶格在尺寸、化学性质上不兼容，所以稳定的三维钙钛矿晶格内部不会存在任何有机分子。”尽管难以置信，宋永慧还是第一时间在组会上提出了自己的发现。

姚宏斌早期师从中国科学院院士俞书宏，从事仿生材料的研究。他听了宋永慧的数据汇报后，回想到自己读博时看到的自然界中有很多无机材料晶格中存在有机分子的实例。他判断，“强作用的功能有机分子进入三维钙钛矿晶格是有可能的”，建议进一步做表征分析，寻找直接证据。

传统的透射电镜难以解析三维钙钛矿晶格。于是姚宏斌联系了中国科大教授、论文共同通讯作者林岳课题组。他们利用原子级球差电镜，清晰看到部分钙钛矿晶格的尺寸由正常0.6纳米膨胀到0.85纳米。

“我记得那天是农历腊月二十八，从早上6点开始，一直看到下午6点。当看到清晰的图像时，在场的人都非常激动。”宋永慧说，正是分子进入了晶格，导致晶格膨胀，进而拓宽了钙钛矿发光层带隙，使得发光层内部出现两种不同带隙区域。这是国际上首次观察到如此奇特的三维钙钛矿异质结构。

研究团队合影 周欣宇/摄

重投送审后，10天被原则性接收

为证实观察到的现象，姚宏斌又联手中国科大教授、论文共同通讯作者胡伟，通过系统的理论计算，解释了分子能很好地插入晶格、改变发光层晶体结构，并在内部形成“水坝”的原因。

与此同时，宋永慧忙着优化“最佳”有机分子，开发更优的三维钙钛矿异质结发光层。

但钙钛矿发光层性能的提升，并不意味着器件性能同步大幅度提升。“因为LED内部分层较多，各层中几纳米厚度的改变，足以对器件性能产生很大影响。”宋永慧说，他们优化了几千次的变量，终于制备出高性能纯红钙钛矿LED。

彼时，宋永慧已是博士三年级，面临着修改毕业学位论文和撰写上述研究论文的双重压力。

“我当时差点没能顺利毕业。因为一位盲审专家给毕业论文评了C级。我必须要在规定时间内修稿再返稿。得到专家同意后，才能毕业。另外，研究论文的写作进度也不能耽误，因为有时效性。投稿一滞后，论文新颖性可能会受到很大影响。”宋永慧对当初的焦虑记忆犹新。

2023年，宋永慧顺利博士毕业并继续留组做博士后。2024年，这项研究进行了首次投稿。当被问及为何选择1月13日投稿，宋永慧笑着说：“姚老师了解我家庭的情况，考虑到后期要陪产，无暇顾及论文，于是抓紧投稿。巧的是我女儿第二天出生了。”

投稿后，编辑很快送外审。然而，近5个月的等待结果却是拒稿，理由是“缺乏直接证据证明是三维异质结的设计提升了器件性能”。

这一结果令宋永慧很沮丧，但同时也受到一些鼓舞。“比如，多位审稿专家肯定了器件的性能。这让我感觉，我们做得也没那么差，应该还有机会。”

实际上，国际上一直缺乏钙钛矿LED运行机制的原位表征仪器。中国科大教授、论文通讯作者樊逢佳早期在国外做研究时，注意到这个问题。回国后，他带领团队研发了世界首台电激发瞬态吸收光谱仪。

“人骨折就医，得先拍片子才能诊断。这台仪器相当于为LED‘拍片子’的CT机，能够对LED内部进行全面‘体检’。”樊逢佳介绍。

有了这台“CT”机的加持，他们发现空穴“翻墙逃逸”到电子传输层，是导致纯红钙钛矿LED“效率滚降”的关键因素，并且证实三维异质结的设计可以有效抑制空穴泄漏，从而提升器件性能。

“紧接着，我们又花了6个月的时间，逐条回复审稿人的意见，并且写了一篇新版本的论文。”宋永慧说，尽管每晚改完论文到家已是凌晨2点多，但看到熟睡的女儿，宋永慧心里依然倍感温暖。

2025年1月23日，宋永慧第二次投递论文，编辑很快决定再次送外审。经过10天审稿，论文顺利地被原则性接收；2025年3月6日，论文被正式接收。

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钙钛矿三维异质结抑制LED中空穴泄露示意图 课题组供图

不迷信已有结论

宋永慧最初的研究方向并非钙钛矿材料。

他本科就读于中南大学新能源材料与器件专业。大三时，他参加了中国科大优秀大学生夏令营。机缘巧合下，在导师见面会上认识了非常“抢手”的姚宏斌。

详聊中，姚宏斌了解到宋永慧既有锂离子电池又有半导体材料相关的基础知识和实验经历，这恰好是自己实验室的两个研究方向。他当场表示，“无论是保研或考研，我的课题组都会给你预留一个名额。”

2018年4月，宋永慧通过中国科大研究生考试。复试成绩一出来，姚宏斌就提前让他进了实验室。“我的本科毕业论文与锂离子电池相关，于是就选择了继续做锂离子电池的研究。”

很快，在姚宏斌的指导下，研一在读的宋永慧运用仿生学原理构建出仿珍珠层膈膜，有效保护锂离子电池并降低安全隐患。相关研究成果发表于《先进材料》。

令宋永慧意外的是，完成上述工作后，姚宏斌让他转做钙钛矿材料。

钙钛矿LED研究可追溯到20世纪90年代，但当时的LED只能在液氮温度下工作。直到2014年，英国剑桥大学卡文迪许实验室首次报道了在室温下工作的钙钛矿LED，才引发人们对钙钛矿材料的关注。2018年，《自然》以背靠背的形式在线发表了两篇来自中国科学家的重要成果，彻底掀起这一材料的研究热潮。

姚宏斌2015年回国后，便开展钙钛矿材料的研究。受限于实验条件及对材料属性的认知，当时制备出的LED效率仅为4.8%，而同时期国际同行制备出的器件效率已超15%。

“接手这个课题时，我就想着先要提高效率，追上同行。”宋永慧说，那时姚宏斌每天都与团队成员讨论实验设计，第二天早上再了解实验进展，提出改进建议。日复一日，他们尝试很多方法，有了质的飞跃。

受生物材料高质量矿化过程启发，他们提出一种钙钛矿亚稳相结晶方法，有效消除钙钛矿晶格内的面缺陷，从而将LED效率提升到17.8%，追上国际同行水平。

宋永慧清晰记得，就在自己举行婚礼的前夕，上述论文被《科学进展》正式接收。新婚第三天，他又立即回到实验室。

“在提高效率后，我们自然想解决其他重要的问题，比如能不能在获取高亮度的同时达到高效率？也就是‘效率滚降’问题。”宋永慧说，钙钛矿材料属于新兴领域，仍有很多未知问题亟须解决。

在宋永慧眼中，姚宏斌就是自己的伯乐。“他总是鼓励我去探索新的课题。在科研中遇到任何问题，我随时可以请教他。是他教会我要对文献中已有的结论保持怀疑态度，大胆设想，认真做实验，小心求证。”

今年7月份，30岁的宋永慧即将博士后出站，前往安徽大学材料科学与工程学院担任教职，独立组建课题组。“我希望把我在实验室所学的知识传授给我的学生。同时，我将继续做钙钛矿材料研究，为这一材料早日落地应用贡献一份力量。”

对于未来，宋永慧充满期待。

相关论文信息：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-08867-6