Science 封面 | 多级壳层锁定钙钛矿“软晶格”，实现高效稳定的光子循环发光

高效发光材料是现代显示与照明技术的核心基础。从手机、电视到 AR/VR 微显示，从固态照明到生物光电子传感，几乎所有光电系统都依赖高效、稳定的光转换材料将电能或光能转化为可见光输出。在实际工作条件下，理想的发光材料不仅需要具备高的辐射发光效率，还必须在长期光照、热和环境应力下保持性能稳定。

然而，在几乎所有已知的固态发光体系中，高吸收、高发光量子效率和长期稳定性这三个条件往往难以同时实现。提升吸收通常需要提高发光中心的浓度，但在高浓度固态薄膜中，自吸收、能量迁移和非辐射复合不可避免地出现，导致发光效率快速下降。这一根本性的权衡关系，长期将固态发光材料的整体光转换效率限制在较低水平。在实际应用中，发光材料的光转换能力通常由外量子效率（EQY）来衡量。

在当前商业化显示与照明系统中，这一效率瓶颈尤为突出。主流显示技术和LED照明技术多采用蓝色背光源配合光转换材料实现红、绿和白色发光，而真正基于 RGB 主动发光的 OLED 技术仍主要局限于中小尺寸屏幕，市场份额占据较小。因此，在显示和照明系统中，光转换材料的效率直接决定了整机的能耗水平与亮度表现。这一效率损失并非微不足道。据估算，由于光转换效率受限，全球显示与照明系统每年浪费的电能超过 2000 TWh，约占全球总用电量的 8%，其能耗和碳排放影响不容忽视。

在众多新型发光材料中，胶体钙钛矿量子点凭借超高吸收系数、极窄发射谱以及高的溶液态荧光量子效率，被认为是突破这一效率瓶颈的理想候选。然而，与传统共价半导体不同，钙钛矿是一类离子型晶体，其晶格柔软、表面高度活泼，在光照、热和湿度等服役条件下极易发生结构和化学退化，导致效率和寿命迅速衰减。

鉴于此，研究人员实现了一种多级壳层（Hierarchical Shell, HS）稳定化策略，通过在钙钛矿量子点外部构建 PbSO₄–SiO₂–硅氧烷聚合物 逐级互锁的保护结构，从晶格和界面两个层面同时抑制退化过程。该策略在固态体系中实现了接近 100% 的荧光量子效率、91.4% 的外量子效率，并同时满足商业化应用所需的长期稳定性要求，为高效、低能耗光转换材料迈向实际应用奠定了关键基础。

与传统共价半导体不同，钙钛矿量子点是一类典型的离子晶体。其晶格由 Pb–X（X = Cl, Br, I）离子键构成，键能相对较低，晶格柔软。这种“软晶格”在光照和加热条件下极易发生微小但持续的晶格膨胀 （图1A）。

该论文研究发现，这种光致或热致晶格膨胀并非无害的热涨冷缩，而是会显著削弱离子键强度，降低离子迁移和化学降解的势垒，进而触发一系列连锁反应：卤素离子迁移加速、表面配体失稳、氧气和水分子更易吸附并参与反应，最终导致表面氧化、水解以及晶体结构破坏 （图1B）。

图1：钙钛矿量子点的降解与稳定策略。

图源：Zeng et al., Science (2026)

在量子点薄膜这一高浓度固态体系中，这一过程尤为严重，表现为发光效率快速下降、光谱漂移以及寿命急剧缩短。即使采用常规聚合物封装，量子点薄膜在湿热（60 °C、90% 相对湿度）或蓝光 LED 辐照条件下的 T₉₀寿命仍仅为 10–70 小时。

因此，钙钛矿量子点的失效并非单一表面问题，而是一个 “晶格—界面相互耦合”的退化过程：晶格膨胀软化促进界面反应，界面反应又反过来加速晶格崩塌。

针对以上的降解机理，李泰雨团队提出了一种多级壳层（Hierarchical Shell, HS）稳定化策略 （图1C），该策略不再停留于传统的“简单包覆”，而是从化学和力学层面同时实现晶格与界面的协同锁定。

该多级壳层由三层相互化学互锁的结构组成（图1D）：最内层 PbSO₄ 直接锚定在钙钛矿表面，具有极高的晶格能，可有效固定表面 Pb 位点，抑制晶格膨胀和离子迁移；中间层 SiO₂ 通过硅烷偶联剂与内层化学连接，形成稳定的无机骨架，进一步增强界面稳定性；最外层硅氧烷聚合物 则与 SiO₂ 共价连接，提供机械约束和环境隔离，同时保持优异的溶液加工性。

这种“无机—无机—有机”逐级互锁的结构，使钙钛矿量子点在光照、热和湿度等严苛服役条件下，晶格不再自由“呼吸”，界面反应被有效钝化，从源头切断了退化通道。以 HS-MAPbBr₃和HS-CsPbBr₃为例，其在湿热（60 °C、90% 相对湿度）和蓝光 LED 辐照条件下的 T₉₀寿命提升至数千小时量级，相比传统聚合物封装体系提高了两个数量级以上 （图2）；同时，该多级壳层赋予量子点优异的水稳定性，在长时间水浸条件下仍能保持稳定发光。进一步的溶出与生物相容性测试表明，多级壳层能够有效抑制 Pb 离子的释放，显著降低潜在生物毒性，为钙钛矿发光材料在显示、照明及生物相关应用中的安全使用提供了关键保障。

图2： HS-钙钛矿量子点的湿热（60 °C、90% 相对湿度）和蓝光 LED辐照稳定性

图源：Zeng et al., Science (2026)

在多级壳层保护下，MAPbBr₃ 钙钛矿量子点固态薄膜实现了接近 100% 的荧光量子效率（平均 98.6%）。在这一条件下，被重新吸收的光子几乎不会通过非辐射过程损失，而是再次以辐射方式发射出来，使自吸收过程转化为高效的光子循环——光子在薄膜内部多次经历“吸收—再发射”，最终逃逸出材料体系（图3B）。

图3：HS-钙钛矿量子点中的光子循环机制及高外量子效率表现

图源：Zeng et al., Science (2026)

得益于这一机制，该材料体系在高浓度条件下同时保持了高吸收率与超高发光效率，成功打破了外量子效率长期受限于约 65% 的瓶颈。实验结果显示，在 20 wt% 的高浓度固态薄膜中，该体系实现了 91.4% 的外量子效率，逼近理论极限，显著优于此前报道的固态发光材料体系（图3C）。

多级壳层钙钛矿量子点不仅在效率和稳定性上实现突破，还兼具可规模化加工与器件集成能力。该体系与卷对卷打印（图4A）、喷墨打印及光刻工艺高度兼容，可实现超过 3500 PPI 的高分辨图案化，满足 AR/VR 微显示对像素密度的严苛要求。

在显示应用中，研究团队成功制备并展示了从 10.1 英寸平板、28–32 英寸显示器到 43–75 英寸电视的原型器件，色域面积覆盖超过 97% Rec.2020，亮度均匀、色彩纯净。在固态照明领域，其高光转换效率有望显著降低能耗损失（图4B-D）。

图4：HS-钙钛矿量子点显示器的制备展示

图源：Zeng et al., Science (2026)

此外，由于多级壳层有效阻止铅泄漏并具备良好生物相容性，该材料体系也展现出在生物光电子传感（如光电容积脉搏波描记，PPG）等领域的应用潜力。

该研究通过多级壳层（Hierarchical Shell, HS）策略，在固态体系中同时实现了接近理论极限的外量子效率与商业级长期稳定性，突破了钙钛矿发光材料长期面临的效率—稳定性权衡，为高效光转换材料提供了一条具有普适意义的稳定化路径。多级壳层对晶格膨胀、界面反应及有害铅离子泄露的协同抑制表明，钙钛矿量子点的退化并非不可避免，而是可以通过结构与化学设计从源头加以控制。

面向实际应用，该多级壳层策略已在多种钙钛矿组成中展现出显著的稳定性和效率提升效果。其中，绿光体系（如 CsPbBr₃ 和 MAPbBr₃）已率先达到商业化应用所需的稳定性水平；而对于其他发射波长的组分，尤其是含碘比例更高的红光体系，卤素氧化与化学不稳定性更为突出，仍有待进一步针对性优化。这一差异也反映出，不同钙钛矿组成在化学稳定性上的本征挑战，为多级壳层策略的持续发展指明了明确方向。

在器件层面，未来仍需将高效率光子循环机制与真实显示和照明系统的光学架构进一步协同优化。同时，图案化制备工艺仍是制约高分辨率显示应用的关键因素之一。如何在微米级甚至更小尺寸的像素中，同时维持高外量子效率与长期稳定性，对于实现高效、高分辨率的微型 LED（µLED）显示至关重要，也将是推动该材料体系走向规模化应用的重要研究方向。

Qingsen Zeng et al. , A hierarchical shell locks and stabilizes perovskite nanocrystals with near-unity quantum yield. Science391, eady1370 (2026).

https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.ady1370

编辑：赵阳