本文发表于Nature期刊，发布日期为2026年1月（在线发表日期为2026年1月8日）。研究团队主要由韩国首尔国立大学材料科学与工程系的Sungjin Kim、Sun-Ah Kim、Tae-Woo Lee及其合作者领衔，成员还来自韩国大邱庆北科学技术院、基础科学研究所、韩国基础科学研究所等多家科研单位。
本研究的学术背景属于材料科学、纳米技术与光电子领域的交叉范畴，具体聚焦于金属卤化物钙钛矿纳米晶（Perovskite Nanocrystals, PeNCs）的合成化学。钙钛矿纳米晶因其卓越的色纯度、可调谐的发光波长和高光致发光量子产率（Photoluminescence Quantum Yield, PLQY），被认为是下一代高效发光材料，在显示与照明领域具有广阔应用前景。然而，其产业化道路面临合成方法上的重大挑战。目前主流的合成方法主要有两种：一是热注入法（hot-injection method），该方法需要高温、惰性气体保护和快速冷却，条件苛刻且存在安全隐患，难以规模化放大；二是室温配体辅助再沉淀法（ligand-assisted reprecipitation, LARP），该方法虽然条件温和，但通常使用极低的前驱体浓度和快速的再沉淀动力学，导致生产效率低下。因此，开发一种能在温和条件下实现高质量、高效率、可规模化生产的钙钛矿纳米晶合成方法，是推动其走向商业化应用的关键。本研究旨在解决这一难题，目标是开发一种新型的、可扩展的合成方法，以获得具有近100%PLQY的高性能钙钛矿纳米晶，并理解其背后的生长机制。
详细研究流程如下：
第一，冷注入合成方法的建立与优化。 研究团队提出了一种基于“准乳液”机制的冷注入法（cold-injection method， CI-method）。该方法使用两种溶液：一是包含钙钛矿前驱体（如溴化铅PbBr₂与溴化甲脒FABr等）的极性溶液（如DMF），其特点是使用了比传统LARP方法高8-10倍的浓度以及更高的ABr:PbBr₂比例；另一部分是溶解于甲苯等非极性溶剂中的配体（如油酸、癸胺）和破乳剂（如1-丁醇）。研究的关键创新在于，在合成起始阶段，将低温（≤4°C）冷却的前驱体溶液注入同样处于低温的配体/破乳剂溶液中。通过系统研究，他们发现注射温度（Tinj）对产物的PLQY和重现性有决定性影响。温度越低（从20°C降至0°C），所得纳米晶的PLQY越高，在Tinj ≤ 4°C时，溶液和薄膜的PLQY均可达到接近100%的近单位效率。研究对象为FA0.9GA0.1PbBr₃钙钛矿纳米晶（因其是纯绿色发射体的理想候选），并对其他多种钙钛矿材料（如FAPbBr₃, MAPbBr₃, CsPbBr₃以及混合卤化物体系）进行了普适性验证。实验涉及使用紫外-可见吸收光谱、光致发光光谱、动态光散射等手段对前驱体溶液进行表征，并使用稳态PL光谱仪配合积分球对合成的纳米晶溶液和薄膜进行精确的PLQY测量。
第二，“准乳液”机制的揭示与表征。 为了阐明低温下实现高效率的内在机制，研究团队深入研究了合成过程中的中间态。他们发现，当使用高ABr:PbBr₂比例的前驱体溶液时，注入配体/甲苯溶液后并未立即形成纳米晶，而是形成了一种“准乳液”态。这种状态并非真正的液-液相分离乳状液，而是一种不溶性的中间体，其中被过量A位阳离子包裹的高度卤素配位的多溴代铅酸盐（polybromide plumbates）以胶体形式分散在混合溶剂中，外观呈乳白色，在紫外光下呈深蓝色荧光。研究通过实验证明，没有破乳剂的存在，这种准乳液无法进一步生长为纳米晶。这一发现与传统的LARP机制（基于反溶剂中溶解度差的再沉淀）截然不同。为了研究这一过程，他们使用高速摄像机和低温扫描透射电子显微镜（cryo-STEM）实时观察和成像了从准乳液到纳米晶的形成过程，并进行了原位PL测量，追踪了不同ABr:PbBr₂比例下产物随时间的演变。
第三，低温对纳米晶生长动力学及缺陷抑制的作用机理探究。 研究团队深入分析了低温如何影响配体行为、破乳剂作用以及最终的纳米晶生长路径。他们通过测量不同温度下含配体甲苯溶液的电导率，发现低温促进了铵盐配体（如癸胺转化为癸铵离子DAMH+）和羧酸盐配体的形成。通过变温¹H核磁共振（NMR）研究了配体与溴化铅的相互作用，发现低温下DAMH+的峰明显展宽，表明PbBr₂的存在增强了配体与铅卤骨架之间的相互作用，减慢了配体交换速率。这些效应加上低温下分子（尤其是破乳剂）迁移率的降低，共同导致了准乳液的缓慢破裂和铅酸盐组装过程的延缓。通过原位PL和原位吸收光谱监测生长过程，他们发现低温下合成的纳米晶（CI-PeNCs）的生长是“逐步的”，起始于由2-4个PbBr₆八面体组成的小尺寸纳米晶，随后逐步融合生长为更大的结构。相比之下，室温下合成的纳米晶（RT-PeNCs）起始就形成了尺寸较大的颗粒，生长过程快速且突然。这种缓慢、可控的生长动力学有效地抑制了缺陷的形成。研究使用了高分辨率扫描透射电镜（HR-STEM）观察形貌，通过固态¹H魔角旋转核磁共振（MAS NMR）、X射线光电子能谱（XPS）、卢瑟福背散射光谱（RBS）和高分辨积分微分相位衬度（iDPC）-STEM等手段，确认了CI-PeNCs表面配体覆盖更佳（更多DAMH+替代了表面有机A位阳离子）、溴空位缺陷更少、结晶度更高、尺寸和形状更均匀。
第四，材料的光物理性质与器件性能评估。 在获得高质量纳米晶的基础上，研究团队对其光电性能进行了系统表征。时间相关单光子计数（TCSPC）测量显示，CI-PeNCs的PL寿命随Tinj降低而缩短，结合其PLQY升高，表明这并非陷阱辅助复合占主导，而是由于小尺寸纳米晶中强的一阶激子复合所致。激发强度依赖的PL寿命测量以及温度依赖的PL分析进一步证实了这一点：CI-PeNCs表现出主导的激子复合和更高的光致发光猝灭热激活能（233 meV），说明缺陷得到有效抑制，激子限域增强。为了展示其应用潜力，研究团队使用CI-PeNCs制备了钙钛矿发光二极管（PeLEDs）。器件结构为ITO/缓冲层/PeNCs发射层/TBTB/TPBI/LiF/Al。获得的CI-PeLEDs表现出优异的电致发光性能：在4.3 mm²的像素面积上，最大电流效率达到134.9 cd A⁻¹，通过全角度电致发光分布计算的外部量子效率（EQE）高达29.6%。通过添加半球透镜进行光取出优化后，EQE进一步提升至48.3%。器件发射峰位于531 nm的半峰宽约21 nm的纯绿色光，CIE坐标（0.200, 0.761）满足Rec. 2020标准对绿色原色的要求。此外，CI-PeLEDs的器件寿命（T50，亮度衰减至初始值50%的时间）在100尼特下达到4.2小时，是RT-PeLEDs的两倍以上。研究还制备了彩色转换膜（CCF），CI-PeNCs制成的CCF在60°C/90%湿度下的稳定性（T85=200小时）也显著优于对照组。
研究的主要结果环环相扣：首先，通过优化合成条件（低温、高前驱体比例、使用破乳剂），成功获得了PLQY近100%的钙钛矿纳米晶。其次，通过一系列表征实验，证实了“准乳液”这一独特中间态的存在，并揭示了它是实现可控生长的关键。再次，深入机理研究表明，低温通过调节配体化学和减缓动力学，引导了铅酸盐的缓慢组装和纳米晶的逐步生长，这是抑制缺陷、提升质量的根本原因。这些材料学上的优势最终直接转化为了卓越的光物理性能和器件性能：高PLQY、强激子限域、均匀的形貌带来了高效率、高色纯度和改善稳定性的PeLEDs。规模放大实验从2.5毫升到20升反应器均成功保持了近单位PLQY，有力证明了该方法的可扩展性。
结论在于，本研究开发了一种基于准乳液机制的冷注入合成方法，该方法条件温和（室温或低温、无需惰性气体），工艺简单，能够实现高前驱体浓度下的可规模化生产，并制备出具有近单位PLQY、高色纯度、高稳定性的钙钛矿纳米晶。该方法深刻揭示了通过调控前驱体配位状态和生长动力学来实现缺陷抑制的新机制。这项研究不仅在钙钛矿纳米晶合成化学上取得了重要突破，而且为钙钛矿发光材料在显示和照明领域的商业化应用提供了极具前景的解决方案。
本研究的亮点在于：1. 方法学的创新性：提出了全新的“冷注入-准乳液”合成策略，区别于传统的热注入和LARP法，解决了规模化生产中的核心矛盾。2. 性能的突破性：在纯绿色发射区域实现了溶液和薄膜状态下的近100% PLQY，并成功放大到20升规模，这在PeNCs领域是前所未有的。3. 机理的深刻性：系统阐明了从“高配位铅酸盐前驱体”到“准乳液中间态”，再到“低温调控缓慢组装”的完整生长路径与缺陷抑制机制，为理性设计合成方法提供了理论指导。4. 应用的示范性：不仅展示了高效率、高色纯度的PeLED器件，还验证了其在彩色转换膜中的应用潜力，综合性能满足行业（Rec. 2020）标准，展示了明确的产业化前景。
其他有价值的内容包括该方法对不同钙钛矿成分（从溴化物到碘化物、氯化物，从有机无机杂化到全无机体系）的广泛适用性，以及通过光学模拟证实所得PeLED的效率已接近当前器件结构下的理论极限，凸显了材料本征质量的优异。