2月3日，Nature Nanotechnology 在線刊發了吉林大學物理學院凝聚態物理系王寧教授團隊與吉林大學材料科學與工程學院張立軍教授團隊、河北工業大學張紫輝教授團隊、復旦大學楊迎國教授團隊及上海大學楊緒勇教授團隊在深藍光鈣鈦礦LED領域的合作研究成果：“Multivalent-effect immobilization of reduced-dimensional perovskites for efficient and spectrally stable deep-blue light-emitting diodes”。該研究提出并發展了一種基于多價效應的穩定深藍光鈣鈦礦晶體結構的策略，實現了高效、穩定的深藍光鈣鈦礦LED。

金屬鹵化物鈣鈦礦LED具有高的發光色純度、寬的發光色域及低的制造成本等優點，其在新型顯示、照明和信息技術領域已展現出巨大的應用前景。近年來，基于鈣鈦礦的綠光、紅光、近紅外LED均已實現超過20%的外量子效率（external quantum efficiency, EQE）。由于藍光，特別是深藍光具有更大的本征禁帶寬度，其EQE的進展較為緩慢。按照國際電信聯盟的藍光標準（Rec.2020），深藍光的CIEy通常小于0.06，且其發光波長往往小于460 nm。深藍光不僅是實現下一代高清顯示、固態照明的重要一環，也是未來高速無線通訊與存儲技術的重要手段。

通過鈣鈦礦的表面缺陷鈍化、單價銨離子鍵合、組分及形貌工程等方法，可實現有效的藍光鈣鈦礦LED（發光波長為475-490 nm）。然而，深藍光鈣鈦礦面臨的科學挑戰比純藍光及天藍光鈣鈦礦更為嚴峻和復雜，除了藍光鈣鈦礦中普遍存在的鹵素離子遷移和相偏析等問題，深藍光鈣鈦礦更寬的本征帶隙、不穩定的晶體結構和較差的電學性能，使得實現高效、穩定的深藍光鈣鈦礦LED成為領域內一項關鍵的科學挑戰。

圖1. 多價效應對深藍光鈣鈦礦的固定作用 ©2025 Springer Nature Nanotechnology

鑒于此，王寧教授團隊提出了一種多價效應策略，大幅穩定了低維深藍光鈣鈦礦晶體結構，實現了高效及光譜穩定的深藍光鈣鈦礦LED。通過系統的實驗驗證并輔以第一性原理計算，研究團隊揭示了多功能共軛有機分子與鈣鈦礦之間的多價效應的科學機制：即氫鍵（F——·H-N）、離子鍵（F-Pb）和配位鍵（C=O:Pb ）。分子動力學模擬和原位掠入射廣角X射線散射證實了多價效應不僅能將有機配體固定在鈣鈦礦表面，還能穩定鈣鈦礦的八面體結構（圖1）。

圖2. 深藍光鈣鈦礦LED的激子特性 ©2025 Springer Nature Nanotechnology

圖3. 深藍光鈣鈦礦LED的器件性能 ©2025 Springer Nature Nanotechnology

借助于該效應，其顯著改善了鈣鈦礦晶體生長的優先取向，提高了深藍光鈣鈦礦的激子束縛能。通過對鉛離子的雙重錨定，深藍光鈣鈦礦中的缺陷態密度大幅降低，并有效抑制了其內部的離子遷移。對于深藍光鈣鈦礦LED，多價效應優化了鈣鈦礦的能帶分布，將有源區內的激子濃度和激子復合速率分別提高了1.66倍和1.64倍（圖2）。最終，研究團隊成功實現了電致發光波長為459 nm的高效深藍光鈣鈦礦LED，其EQE達到了15.36%，器件的運行半壽命為144分鐘。此外，在恒定電流下運行60分鐘后，器件仍能穩定維持CIE色度坐標為（0.136, 0.051）的電致發光（圖3）。

該工作報道的多價效應固定策略有效解決了深藍光鈣鈦礦LED面臨的光譜偏移且外量子效率低的科學難題，為未來實現基于鈣鈦礦的高清全彩顯示及白光照明技術提供了一種重要的科學借鑒。

該論文第一完成單位為吉林大學物理學院，第一作者為吉林大學鼎新學者博士后董建超，通訊作者為吉林大學物理學院王寧教授；上海大學楊緒勇教授為論文的共同通訊作者。

該工作得到了國家自然科學基金委面上項目、國家自然科學基金委與香港研究資助局聯合重點項目、吉林省科技廳、吉林省發改委及吉林大學有組織科研專項等項目的支持。該工作也得到了吉林大學物理學院公共測試平臺、上海同步輻射光源相關線站及上海光源用戶實驗輔助系統等單位的支持。