发光材料，Science！

研究背景

发光材料是显示、照明和传感等技术的核心。钙钛矿纳米晶体（PeNCs）离子晶格较软且表面不稳定，在光、热、水分等环境压力下极易发生化学和结构降解，导致效率大幅下降。如何兼顾近乎100%的量子产率与符合商业标准的长期稳定性，是该领域面临的重大挑战。

关键问题

目前，发光材料的研究主要存在以下问题：

1、现有的封装策略无法锁定晶体内部的动力学变化

研究发现，光或热诱导的晶格膨胀会软化钙钛矿的离子晶格，减弱离子键合，从而加速离子迁移以及表面的氧化和水解反应。现有的封装策略（如聚合物包裹、氧化物壳层）多为被动屏障，无法锁定晶体内部的动力学变化。

2、浓度猝灭与自吸收效率损失

在固体发射器中，高浓度集成往往导致非辐射复合和严重的自吸收损失，使得外部量子效率（EQY）普遍低于65%。目前尚无系统能同时实现100%的PLQY并消除自吸收导致的能量损耗。

新思路

有鉴于此，首尔大学Tae-Woo Lee等人引入了一种由PbSO₄-SiO₂-硅氧烷层组成的分级壳层（HS），形成晶格-界面锁定网络。HS-PeNCs薄膜表现出商业化的稳定性（T₉₀超过3000-12000小时）。该策略具有成分普适性，使 HS-MAPbBr₃实现了100.0%的PLQY，并将自吸收转化为高效的光子循环，EQY达到91.4%，接近理论极限。这种材料适用于大面积、高分辨率显示和生物光电子模块。

技术方案：

1、合成并表征了分级壳层（HS）

研究人员通过多步合成工艺，在CsPbBr₃纳米晶体表面依次构建PbSO₄单层、SiO₂层和聚合物壳层，显著提升PLQY和存储稳定性，制备出高稳定性的固体薄膜。

2、验证了晶格-界面锁定机制

研究团队通过GIWAXS验证了晶格锁定效果，HS-PeNCs晶格膨胀受限，DFT计算证实了其抑制离子迁移和环境吸附，HS-CsPbBr₃薄膜在加速老化测试中表现出极强稳定性，具备商业应用潜力。

3、验证了HS策略的普适性

HS策略具有成分普适性，可应用于多种钙钛矿体系，实现了高PLQY和光子循环，20 wt%浓度薄膜EQY达91.4%，突破了浓度猝灭和效率极限。

4、展示了HS-PeNCs的加工性能与工业化应用展示

HS-PeNCs兼具高效率和加工兼容性，适配多种制造工艺，可实现高像素密度微图样，通过生物毒性测试，色域覆盖广，性能优于现有技术。

技术优势：

1、首次提出了“晶格-界面锁定”稳定机制

研究通过化学键合的多层壳层，不仅提供了环境屏障，还通过物理约束抑制了钙钛矿晶格的“呼吸”运动，从源头阻断了由晶格软化驱动的离子迁移和表面反应。

2、打破了固体效率极限的光子循环

作者利用近乎100%的PLQY，将通常有害的自吸收转化为有益的光子重复利用过程，使固体薄膜的EQY达到91.4%，超越了包括量子点、稀土荧光粉在内的传统材料体系。

技术细节

分级壳层（HS）的合成与表征

研究人员设计了一种多步合成工艺来构建分级壳层。首先，利用新开发的(APTES)₂SO₄试剂处理CsPbBr₃纳米晶体，该试剂能精确蚀刻表面不稳定的离子，并形成一层约0.2 nm 厚的PbSO₄单层。这层薄壳通过高晶格能直接锚定钙钛矿，钝化表面缺陷，使溶液中的PLQY从46%跃升至99%。随后，通过TMOS的控制水解在外部生长一层约2.5 nm的SiO₂，该层通过共价键与APTES连接，进一步强化了界面结构。最后，将其引入硅氧烷树脂中进行原位聚合，形成聚合物壳层。这种三层化学连锁体系确保了PeNCs在树脂中的均匀分散和机械稳固性，实现了长达400天以上的存储稳定性，且制备出的固体薄膜能保持约95.0%的高PLQY，远优于未受保护的对照组（32%）。

图  HSs限制钙钛矿晶格

晶格-界面锁定机制的深度验证

为了验证晶格锁定的效果，研究团队采用了原位同步辐射广角 X 射线散射（GIWAXS）光/热诱导的晶格膨胀，这种膨胀会导致晶格软化并增加离子迁移的风险。相比之下，HS-PeNCs在相同应力下衍射峰几乎没有偏移，其热膨胀系数降低了约4倍，证明分级壳层有效地约束了晶格的动态膨胀。DFT计算进一步证实，即使是0.1%的晶格膨胀也会降低离子的迁移能垒，并增强水分和氧气的吸附，而HS的锁定作用阻止了这一晶格-界面连锁降解路径。得益于此，HS-CsPbBr₃薄膜在加速老化测试（60°C, 90%相对湿度）中T₉₀达到3211小时，蓝光照射下T₉₀达12000小时，表现出极强的商业应用潜力。

图  HS-PeNCs的老化稳定性

普适性扩展与光子循环效应

HS 策略展现了极高的成分普适性，成功应用于包括全无机、有机-无机杂化、混合卤素及纯碘化物在内的多种钙钛矿体系，发射光谱覆盖409至783 nm。特别是在HS-MAPbBr₃体系中，研究实现了100.0%的PLQY（平均 98.6%）。在这种极高效率下，薄膜内的自吸收损失不再是终点，而是转化为光子循环（Photon Recycling）：被吸收的光子能以极高的概率被重新发射，从而在膜内多次重复利用。建模显示，随着浓度增加，光子循环次数显著提升，这使得20 wt %浓度的薄膜外部量子效率（EQY）高达91.4%，接近92.0%的理论极限。这不仅解决了浓度猝灭问题，还打破了固体发光材料长期以来无法逾越的效率屏障，性能超越了市售的CdSe量子点和各类荧光粉。

图  分级外壳的广泛适用性

加工性能与工业化应用展示

HS-PeNCs在保持超高效率的同时，还具有优异的加工兼容性。它们能稳定分散在硅氧烷树脂中，适配卷对卷印刷、喷墨打印以及高分辨率的光刻工艺，实现了像素密度高达3522 PPI的微图样制作，满足AR/VR微显示的需求。此外，HS壳层充当了牢固的铅隔离屏障，经90天水浸泡后PLQY保持不变，且无铅泄漏，通过了生物毒性测试。研究团队展示了从10.1英寸平板到75英寸电视的各类原型设备，色域覆盖范围超过Rec.2020的97%，在色彩纯度和亮度均匀性上均优于现有的液晶和有机LED技术。这些结果证明了HS-PeNCs是一种从化学稳定性、生物安全性到大规模工业制造都极具竞争力的发光材料，为柔性传感和新一代显示器提供了核心支撑。

图  HS-PeNCs的可加工性和显示应用

展望

该研究通过创新的分级壳层（HS）设计，成功解决了钙钛矿纳米晶体稳定性和效率不可兼得的难题。该策略不仅实现了创纪录的91.4%外部量子效率和卓越的商业级老化稳定性，还展示了其在从大尺寸显示器到微型柔性传感器的广泛应用潜力。这种“晶格-界面锁定”的概念为稳定其他软材料系统和光电器件提供了普适性的设计准则。

参考文献：

QINGSEN ZENG, et al. A hierarchical shell locks and stabilizes perovskite nanocrystals with near-unity quantum yield. Science, 2026, 391(6782).

DOI: 10.1126/science.ady1370

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ady1370#tab-contributors

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