近日，華僑大學迎來校史上第二篇擔任通訊單位的Nature論文，前后兩篇的共同通訊作者均為該校發光材料與信息顯示研究院、材料科學與工程學院教授魏展畫。圖|魏展畫和學生，右二為魏展畫（來源：華僑大學）從發第一篇論文時只有一個學生，到如今有十幾位

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

圖 | 魏展畫和學生，右二為魏展畫（來源：華僑大學）

從發第一篇論文時只有一個學生，到如今有十幾位學生；從起初主動向多倫多大學尋求合作，到這次后者主動邀請合作。這位 32 歲的福建海歸教授用努力和實力，再次給家鄉高校增光添彩。

魏展畫今年 32 歲，生于福建省三明市清流縣嵩口鎮。從廈門大學化學系本科畢業，到去香港科技大學化學系讀博，再到去南洋理工大學物理與應用物理系做博士后。他說，所有這一切都是為了回來建設家鄉，堅定地出國、堅定地回國是從一開始就立下的心志。

如今來看，他絲毫沒有辜負自己的選擇。11 月 24 日，其擔任通訊作者的 Nature 論文，以《分布控制實現高效低維鈣鈦礦發光器件》（Distribution control enables efficient reduced-dimensional perovskite LEDs）為題正式上線[1]。

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

那么，該論文緣何登上 Nature？

據介紹，研究中雙方團隊制備的綠光器件，外量子效率高達 25.6%，在7200 cd m-2 的亮度下，運行壽命可達 2 小時，遠超此前報道的同類器件。

外量子效率高達 25.6%

研究中，通過對鈣鈦礦材料的表面鈍化和阱寬調控，他們大幅提升了鈣鈦礦發光器件性能和壽命，在新型顯示和照明等領域具有一定應用前景。

據介紹，由于具備較高的摩爾消光系數、較長的載流子遷移距離、較高的缺陷容忍度、以及能帶隙可調等優異光電特性，金屬鹵化物鈣鈦礦一直被認為是發光二極管和太陽能電池領域的 “潛力股” 材料。

根據不同的微觀晶體結構，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用潛力最大，它不僅具備量子限域效應、以及較大的激子結合能，而且發光效率比較高、不易產生非輻射復合。

不過，要想用低維金屬鹵化物鈣鈦礦材料，制備出高效且穩定的發光器件，仍需克服兩大問題。

其一，缺陷態會讓材料形成非輻射復合中心，導致離子遷移，進而影響器件的發光效率和穩定性；其二，該材料還會形成多相混合量子阱，當遇到光、電等外部刺激源，能量就會從寬帶隙量子阱傳遞到窄帶隙量子阱，導致能量耗散，影響器件的色純度和發光效率。

如何提高低維鈣鈦礦發光器件的性能？通過雙方合作，愛德華團隊和魏展畫團隊，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—阱寬調控。

在反溶劑引發的結晶過程中，[PbBr6]4-、MA+ 和 Cs+ 離子，會先形成鈣鈦礦薄片，隨后 PEA+ 有機陽離子與鈣鈦礦薄片共同作用，生成低維鈣鈦礦發光薄膜。

在參照組中，他們發現， PEA+ 有機陽離子呈現出無序、快速的擴散，這會產生缺陷中心和雜亂維度的量子阱結構。

而實驗組中，該團隊觀察到，TPPO 和 TFPPO 分子中的 P=O 鍵，會和鈣鈦礦薄片發生 P=O:Pb2+ 相互作用，從而對結晶過程進行有效調控，同時減少缺陷的產生。

另外，TFPPO 中含有氟原子能和 PEA+ 有機陽離子相互作用，起到延緩結晶生長的效果，實現維度均一的高質量鈣鈦礦發光薄膜。

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

國內外聯手，合作共贏

談及雙方分工，魏展畫介紹說，“本文的第一作者，愛德華團隊的馬冬昕博士，在多倫多大學完成材料設計合成、性質表征和初步的器件制備之后，受到疫情影響，回到中國，與華僑大學進行合作，進一步優化器件性能，最終實現了 25.6% 的外量子效率。”

在疫情期間，華僑大學采取封閉管理措施，這給材料購買、設備添置帶來很多麻煩。多倫多大學和華僑大學的實驗條件、設備狀態有所不同，存在很多未知因素，因此，實驗的開展并不順利，在很長一段時間都停滯不前。但是，馬冬昕和林克斌始終保持樂觀的態度，前一天實驗失敗了，會有沮喪，但第二天又會滿血復活，擼起袖子接著干。

如今，林克斌已在今年 6 月從華僑大學獲得博士學位，即將去新加坡國立大學做博士后研究。

魏展畫回國并加入華僑大學之后，在課題組建立伊始并未把方向鋪得太開，始終集中在鈣鈦礦發光材料和器件。他認為，做科研要有愚公移山的精神，不能只追求短平快，一個體系不行立馬換成另一個，而是要認準方向就堅持下去，如果失敗了可能是沒找到竅門，那么繼續堅持就是了。

華大和多大雙方合作可追溯到 2018 年，當時魏展畫團隊和愛德華團隊合作發表了一篇 Nature 論文，論文一作是林克斌，那篇論文也是華僑大學首次擔任通訊單位的 Nature 論文[2]，如今已被引用了 1648 次。

中國在鈣鈦礦領域已具備先發優勢

鈣鈦礦材料大約在 2014 年才被作為發光材料來研究，那時效率很低只有不到 1%。2018 年，該團隊將外量子效率提升到 20%，鈣鈦礦發光器件也開始更受矚目。

魏展畫說，該領域十分有前景的最關鍵原因是，中國在這方面已有一定領先優勢，且已申請到自主知識產權，借此已建立起來技術壁壘。以 OLED 為例，雖然已大規模進入民用市場，中國也有非常多的公司能生產 OLED 顯示屏了，但中國不是最早的研究國，缺少核心材料和設備，很多事情上是被 “卡脖子” 的。

鈣鈦礦發光材料，雖然距離應用仍有不小的距離，但只要解決幾個關鍵性問題，就有機會實現應用。比如，可把它和聚合物混合做成液晶顯示屏里面的色轉化層，目前該領域已有一些初創公司。在鈣鈦礦的電致發光路徑上，如果工況壽命得到大幅提升，也是有希望用在手機顯示屏上的。

魏展畫表示，下一步他將用更嚴苛的測試條件去評估和提高工況穩定性。與此同時他也坦言：“實事求是地說，鈣鈦礦和石墨烯、低溫超導材料一樣，是當下的熱門研究話題，有重大的研究價值，也接連發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或者影響生活。”

還是以 OLED 為例，最早于 20 世紀 80 年代開始發現，真正大規模應用，被廣泛接受是在 2010 年前后。這說明，一個技術從萌芽到真正走向成熟和應用，可能要 20 至 30 年的時間。而鈣鈦礦只走過 6、7 年時間，能取得這樣的成就，說明還是會潛力巨大的。盡管尚未走向應用，但魏展畫認為各界同仁要給鈣鈦礦一些信心。他認為，再接著干 5 年到 10 年，努力提高工況壽命，這個材料和器件是有望真正走進應用的。

魏展畫表示，雖然華僑大學和其他頂尖學校仍有一定差距，但四年內連續兩篇 Nature 的發表，說明這里有足夠的軟硬件條件去支撐重大成果的完成。因此華僑大學的師生都應該自信起來，不要妄自菲薄，而是志存高遠、勇于挑戰。

-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