近日，華僑大學(xué)迎來(lái)校史上第二篇擔(dān)任通訊單位的Nature論文，前后兩篇的共同通訊作者均為該校發(fā)光材料與信息顯示研究院、材料科學(xué)與工程學(xué)院教授魏展畫(huà)。圖|魏展畫(huà)和學(xué)生，右二為魏展畫(huà)（來(lái)源：華僑大學(xué)）從發(fā)第一篇論文時(shí)只有一個(gè)學(xué)生，到如今有十幾位

近日，華僑大學(xué)迎來(lái)校史上第二篇擔(dān)任通訊單位的Nature論文，前后兩篇的共同通訊作者均為該校發(fā)光材料與信息顯示研究院、材料科學(xué)與工程學(xué)院教授魏展畫(huà)。

圖 | 魏展畫(huà)和學(xué)生，右二為魏展畫(huà)（來(lái)源：華僑大學(xué)）

從發(fā)第一篇論文時(shí)只有一個(gè)學(xué)生，到如今有十幾位學(xué)生；從起初主動(dòng)向多倫多大學(xué)尋求合作，到這次后者主動(dòng)邀請(qǐng)合作。這位 32 歲的福建海歸教授用努力和實(shí)力，再次給家鄉(xiāng)高校增光添彩。

魏展畫(huà)今年 32 歲，生于福建省三明市清流縣嵩口鎮(zhèn)。從廈門(mén)大學(xué)化學(xué)系本科畢業(yè)，到去香港科技大學(xué)化學(xué)系讀博，再到去南洋理工大學(xué)物理與應(yīng)用物理系做博士后。他說(shuō)，所有這一切都是為了回來(lái)建設(shè)家鄉(xiāng)，堅(jiān)定地出國(guó)、堅(jiān)定地回國(guó)是從一開(kāi)始就立下的心志。

如今來(lái)看，他絲毫沒(méi)有辜負(fù)自己的選擇。11 月 24 日，其擔(dān)任通訊作者的 Nature 論文，以《分布控制實(shí)現(xiàn)高效低維鈣鈦礦發(fā)光器件》（Distribution control enables efficient reduced-dimensional perovskite LEDs）為題正式上線[1]。

多倫多大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系愛(ài)德華·薩金特（Edward H. Sargent）教授與魏展畫(huà)為本文的共同通訊作者，多倫多大學(xué)博士后馬冬昕為本文的第一作者，華僑大學(xué)博士畢業(yè)生林克斌為第二作者。

那么，該論文緣何登上 Nature？

據(jù)介紹，研究中雙方團(tuán)隊(duì)制備的綠光器件，外量子效率高達(dá) 25.6%，在7200 cd m-2 的亮度下，運(yùn)行壽命可達(dá) 2 小時(shí)，遠(yuǎn)超此前報(bào)道的同類(lèi)器件。

外量子效率高達(dá) 25.6%

研究中，通過(guò)對(duì)鈣鈦礦材料的表面鈍化和阱寬調(diào)控，他們大幅提升了鈣鈦礦發(fā)光器件性能和壽命，在新型顯示和照明等領(lǐng)域具有一定應(yīng)用前景。

據(jù)介紹，由于具備較高的摩爾消光系數(shù)、較長(zhǎng)的載流子遷移距離、較高的缺陷容忍度、以及能帶隙可調(diào)等優(yōu)異光電特性，金屬鹵化物鈣鈦礦一直被認(rèn)為是發(fā)光二極管和太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的 “潛力股” 材料。

根據(jù)不同的微觀晶體結(jié)構(gòu)，該材料可分為零維、低維和三維等。其中，低維鈣鈦礦材料的應(yīng)用潛力最大，它不僅具備量子限域效應(yīng)、以及較大的激子結(jié)合能，而且發(fā)光效率比較高、不易產(chǎn)生非輻射復(fù)合。

不過(guò)，要想用低維金屬鹵化物鈣鈦礦材料，制備出高效且穩(wěn)定的發(fā)光器件，仍需克服兩大問(wèn)題。

其一，缺陷態(tài)會(huì)讓材料形成非輻射復(fù)合中心，導(dǎo)致離子遷移，進(jìn)而影響器件的發(fā)光效率和穩(wěn)定性；其二，該材料還會(huì)形成多相混合量子阱，當(dāng)遇到光、電等外部刺激源，能量就會(huì)從寬帶隙量子阱傳遞到窄帶隙量子阱，導(dǎo)致能量耗散，影響器件的色純度和發(fā)光效率。

如何提高低維鈣鈦礦發(fā)光器件的性能？通過(guò)雙方合作，愛(ài)德華團(tuán)隊(duì)和魏展畫(huà)團(tuán)隊(duì)，共同提出了一種新策略——低維金屬鹵化物鈣鈦礦的表面鈍化—阱寬調(diào)控。

在反溶劑引發(fā)的結(jié)晶過(guò)程中，[PbBr6]4-、MA+ 和 Cs+ 離子，會(huì)先形成鈣鈦礦薄片，隨后 PEA+ 有機(jī)陽(yáng)離子與鈣鈦礦薄片共同作用，生成低維鈣鈦礦發(fā)光薄膜。

在參照組中，他們發(fā)現(xiàn)， PEA+ 有機(jī)陽(yáng)離子呈現(xiàn)出無(wú)序、快速的擴(kuò)散，這會(huì)產(chǎn)生缺陷中心和雜亂維度的量子阱結(jié)構(gòu)。

而實(shí)驗(yàn)組中，該團(tuán)隊(duì)觀察到，TPPO 和 TFPPO 分子中的 P=O 鍵，會(huì)和鈣鈦礦薄片發(fā)生 P=O:Pb2+ 相互作用，從而對(duì)結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行有效調(diào)控，同時(shí)減少缺陷的產(chǎn)生。

另外，TFPPO 中含有氟原子能和 PEA+ 有機(jī)陽(yáng)離子相互作用，起到延緩結(jié)晶生長(zhǎng)的效果，實(shí)現(xiàn)維度均一的高質(zhì)量鈣鈦礦發(fā)光薄膜。

該薄膜具有均勻、致密的表面形貌，發(fā)光波長(zhǎng)為 517 nm，發(fā)光半峰寬僅有 20 nm，光致發(fā)光效率則接近 100%。

國(guó)內(nèi)外聯(lián)手，合作共贏

談及雙方分工，魏展畫(huà)介紹說(shuō)，“本文的第一作者，愛(ài)德華團(tuán)隊(duì)的馬冬昕博士，在多倫多大學(xué)完成材料設(shè)計(jì)合成、性質(zhì)表征和初步的器件制備之后，受到疫情影響，回到中國(guó)，與華僑大學(xué)進(jìn)行合作，進(jìn)一步優(yōu)化器件性能，最終實(shí)現(xiàn)了 25.6% 的外量子效率?！?/p>

在疫情期間，華僑大學(xué)采取封閉管理措施，這給材料購(gòu)買(mǎi)、設(shè)備添置帶來(lái)很多麻煩。多倫多大學(xué)和華僑大學(xué)的實(shí)驗(yàn)條件、設(shè)備狀態(tài)有所不同，存在很多未知因素，因此，實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展并不順利，在很長(zhǎng)一段時(shí)間都停滯不前。但是，馬冬昕和林克斌始終保持樂(lè)觀的態(tài)度，前一天實(shí)驗(yàn)失敗了，會(huì)有沮喪，但第二天又會(huì)滿血復(fù)活，擼起袖子接著干。

如今，林克斌已在今年 6 月從華僑大學(xué)獲得博士學(xué)位，即將去新加坡國(guó)立大學(xué)做博士后研究。

魏展畫(huà)回國(guó)并加入華僑大學(xué)之后，在課題組建立伊始并未把方向鋪得太開(kāi)，始終集中在鈣鈦礦發(fā)光材料和器件。他認(rèn)為，做科研要有愚公移山的精神，不能只追求短平快，一個(gè)體系不行立馬換成另一個(gè)，而是要認(rèn)準(zhǔn)方向就堅(jiān)持下去，如果失敗了可能是沒(méi)找到竅門(mén)，那么繼續(xù)堅(jiān)持就是了。

華大和多大雙方合作可追溯到 2018 年，當(dāng)時(shí)魏展畫(huà)團(tuán)隊(duì)和愛(ài)德華團(tuán)隊(duì)合作發(fā)表了一篇 Nature 論文，論文一作是林克斌，那篇論文也是華僑大學(xué)首次擔(dān)任通訊單位的 Nature 論文[2]，如今已被引用了 1648 次。

中國(guó)在鈣鈦礦領(lǐng)域已具備先發(fā)優(yōu)勢(shì)

鈣鈦礦材料大約在 2014 年才被作為發(fā)光材料來(lái)研究，那時(shí)效率很低只有不到 1%。2018 年，該團(tuán)隊(duì)將外量子效率提升到 20%，鈣鈦礦發(fā)光器件也開(kāi)始更受矚目。

魏展畫(huà)說(shuō)，該領(lǐng)域十分有前景的最關(guān)鍵原因是，中國(guó)在這方面已有一定領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，且已申請(qǐng)到自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，借此已建立起來(lái)技術(shù)壁壘。以 OLED 為例，雖然已大規(guī)模進(jìn)入民用市場(chǎng)，中國(guó)也有非常多的公司能生產(chǎn) OLED 顯示屏了，但中國(guó)不是最早的研究國(guó)，缺少核心材料和設(shè)備，很多事情上是被 “卡脖子” 的。

鈣鈦礦發(fā)光材料，雖然距離應(yīng)用仍有不小的距離，但只要解決幾個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題，就有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。比如，可把它和聚合物混合做成液晶顯示屏里面的色轉(zhuǎn)化層，目前該領(lǐng)域已有一些初創(chuàng)公司。在鈣鈦礦的電致發(fā)光路徑上，如果工況壽命得到大幅提升，也是有希望用在手機(jī)顯示屏上的。

魏展畫(huà)表示，下一步他將用更嚴(yán)苛的測(cè)試條件去評(píng)估和提高工況穩(wěn)定性。與此同時(shí)他也坦言：“實(shí)事求是地說(shuō)，鈣鈦礦和石墨烯、低溫超導(dǎo)材料一樣，是當(dāng)下的熱門(mén)研究話題，有重大的研究?jī)r(jià)值，也接連發(fā)表了許多高水平論文。但是，大家好像很難一下子就看到這些論文里的東西走進(jìn)或者影響生活?！?/p>

還是以 OLED 為例，最早于 20 世紀(jì) 80 年代開(kāi)始發(fā)現(xiàn)，真正大規(guī)模應(yīng)用，被廣泛接受是在 2010 年前后。這說(shuō)明，一個(gè)技術(shù)從萌芽到真正走向成熟和應(yīng)用，可能要 20 至 30 年的時(shí)間。而鈣鈦礦只走過(guò) 6、7 年時(shí)間，能取得這樣的成就，說(shuō)明還是會(huì)潛力巨大的。盡管尚未走向應(yīng)用，但魏展畫(huà)認(rèn)為各界同仁要給鈣鈦礦一些信心。他認(rèn)為，再接著干 5 年到 10 年，努力提高工況壽命，這個(gè)材料和器件是有望真正走進(jìn)應(yīng)用的。

魏展畫(huà)表示，雖然華僑大學(xué)和其他頂尖學(xué)校仍有一定差距，但四年內(nèi)連續(xù)兩篇 Nature 的發(fā)表，說(shuō)明這里有足夠的軟硬件條件去支撐重大成果的完成。因此華僑大學(xué)的師生都應(yīng)該自信起來(lái)，不要妄自菲薄，而是志存高遠(yuǎn)、勇于挑戰(zhàn)。

-End-

參考：1、Ma, D., Lin, K., Dong, Y. et al. Distribution controlenables efficient reduced-dimensional perovskite LEDs. Nature 599, 594–598(2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03997-z

2、Lin, K., Xing, J., Quan, L.N. et al.Perovskite light-emitting diodes with external quantum efficiency exceeding 20per cent. Nature 562, 245–248 (2018).https://doi.org/10.1038/s41586-018-0575-3