導讀
近日，中國南京大學、東南大學、深圳大學與瑞典林雪平大學的研究人員合作，展示了一種無機鈣鈦礦是如何被製作到便宜且高效的光電探測器中，這種光電探測器可以傳輸文字和音樂。
背景
鈣鈦礦（perovskite）材料，是一類與鈦酸鈣（CaTiO3）晶體結構相同的材料。它的形狀是立方體或八面體，具有光澤，淺色到棕色。
1839年，德國礦物學家古斯塔夫·羅斯（Gustav Rose）在俄羅斯中部的烏拉爾山脈上發現了鈣鈦礦岩石樣本，並以俄羅斯地質學家 Lev Perovski 的名字來命名這種礦石。
不過，現代技術中使用的鈣鈦礦與地球地幔中發現的岩石卻大相徑庭。“鈣鈦礦結構”採用了不同原子的組合，卻保持了礦物中最初觀察到的普遍的三維結構。
鈣鈦礦材料結構式一般為ABX3。如下圖所示：A為有機陽離子, B為金屬離子, X為鹵素基團。該結構中, 金屬離子B位於立方晶胞體心處, 鹵素X原子位於立方體面心, 有機陽離子A位於立方體頂點位置。
相比於共稜、共面形式連接的晶體結構，鈣鈦礦結構更具穩定性, 以及強大的光線吸收能力和電荷傳輸能力。這種結構使得鈣鈦礦具備了許多特殊的物理化學特性，例如電催化性、吸光性等，從而帶來了豐富多彩的應用，例如在太陽能電池、數據存儲設備、可見光通信、太赫茲通信等方面。
接下來，帶大家一起回顧一下筆者之前介紹過的幾個有關鈣鈦礦的科研案例：
案例一：韓國蔚山國立科技研究所（UNIST）發明出一種製造無機-有機混合物鈣鈦礦太陽能電池的低成本方案，並創造了新的世界紀錄：轉換效率在小型電池中達22.1%，在1平方釐米的電池中達19.7%。這項技術的關鍵點在於，它能夠修復“鈣鈦礦-鹵化物”中的主要缺陷，這些缺陷會降低光電轉換效率。
案例二：瑞士洛桑聯邦理工學院的科學家開發出一種磁序可以被迅速改變的新型鈣鈦礦材料。它不會因為加熱而受到破壞，使得存儲系統例如硬盤，具有更高的密度和效率，同時也使得存儲介質能被快速簡便地操作，便於數據讀寫。這項創新研究有望為我們帶來新一代存儲設備。
（圖片來源：László Forró/瑞士洛桑聯邦理工學院 ）
案例三：沙特阿卜杜拉國王科技大學的研究人員，採用鈣鈦礦納米晶體作為光顏色轉化器，通過藍色激光對其照射後發出的綠光，加上氮化物熒光體發出的紅光，三種光混合成白光，不但可以有效地保證室內照明，而且使得可見光通信的帶寬達到 2 Gbps。
案例四：美國猶他大學的研究人員發現了一種特殊的鈣鈦礦，由有機化合物和無機化合物的組合而成，可以分層地堆積在硅晶圓之上。這種材料可以用於製造未來太赫茲通信系統的關鍵組件。該系統將開啟新一代的通信帶寬，使用光取代電傳輸信息，速度高於現在千倍。
（圖片來源：Dan Hixon / 猶他大學工程學院）
案例五：日本沖繩科學技術大學院大學的研究人員發表了兩篇有關鈣鈦礦技術的科技論文。第一篇論文中，他們給太陽能電池又額外添加了一層，這一層由聚合物製成，可以防止氧化鈦層和鈣鈦礦層之間的直接接觸。這樣並不會降低太陽能電池的效率，而且也有效地保護了鈣鈦礦結構。第二篇論文中，他們描述了首個由氣體組裝的鈣鈦礦LED燈，這一工藝稱為化學氣相沉積（CVD）。
創新
今天，讓我們繼續來看鈣鈦礦技術的新成果。
近日，中國南京大學、東南大學、深圳大學與瑞典林雪平大學的研究人員合作，展示了一種無機鈣鈦礦是如何被製作到便宜且高效的光電探測器中，這種光電探測器可以傳輸文字和音樂。
（圖片來源：Thor Balkhed）
林雪平大學講師 Feng Gao 、林雪平大學博士後研究員 Chunxiong Bao、以及深圳大學的科學家們，將這項研究成果發表在國際著名期刊《先進材料（Advanced Materials）》上。
技術
所有的光通信都需要高速且可靠的光電探測器材料，用於捕捉光信號，並將其轉化為電信號。目前的光通信系統所採用的光電探測器，是由硅和銦鎵砷化物等材料製成。但是，這些材料非常昂貴，部分原因是它們製造起來很複雜。更進一步地說，這些材料無法用於一些新設備，例如具有機械柔性的輕量設備，或者大面積設備。
多年來，研究人員一直在尋找廉價的替代材料，或者至少是作為補充的材料，例如研究了有機半導體。然而，這些材料的電荷輸運被證實太慢。然而，光電探測器必須是快速的。
2009年以來，新型鈣鈦礦材料就引起了科研人員的極大興趣，但是研究一直聚焦在太陽能電池和高效發光二極管上。2016年秋季，林雪平大學生物分子學與有機電子學專業的研究人員，獲得了來自歐洲研究委員會的啟動資助金，用於研究鈣鈦礦在發光二極管中的應用。
鈣鈦礦形成了一種全新的半導體材料家族，這些半導體材料由它們的晶體結構來定義。它們可以組成有機物和無機物，具有良好的發光特性，且易於製造。對於諸如發光二極管和高效太陽能電池之類的應用來說，由有機物（含有碳和氫）、金屬、鹵素（氟、氯、溴、碘）離子組成的鈣鈦礦引起了最大的關注。然而，當這種成分用於光電探測器時，卻被證明非常不穩定。
在 Chunxiong Bao 採用了正確的材料，並優化了製造工藝與薄膜結構之後，結果卻變得不同。這種新型鈣鈦礦薄膜，只含有無機元素（銫、鉛、碘和溴），經過光通信系統中的測試，被證實具有快速且穩定地傳輸文字與圖像的能力。在室溫條件下經過2000小時後，這種能力仍然不會退化。
（圖片來源：Thor Balkhed）
價值
Feng Gao 表示：“對於未來的高速光通信來說，這是一種非常有前景的材料。無機材料鈣鈦礦在影響光通信技術開發方面潛力巨大。這些材料具有非常短的響應時間，易於製造，極度穩定。我們已經實現了非常接近於應用的成果，這一點非常令人喜悅。”
（圖片來源：Thor Balkhed）
關鍵字
光學、鈣鈦礦、光通信
【1】https://liu.se/en/news-item/perovskiter-framtidens-material-for-optisk-kommunikation
【2】Liu, M.Z., Johnston, M.B. and Snaith, H.J. (2013) Efficient Planar Heterojunction Perovskite Solar Cells by vaPour Deposition. Nature, 501, 395-398. https://doi.org/10.1038/nature12509
【3】https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201803422
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