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發布時間：2024-01-31 來源：元祿光電
如果你去關注一下近幾年材料科學的研究進展，你就會發現一種趨勢：有大量的研究人員把研究熱情投入到了鈣鈦礦身上。鈣鈦礦可以制成太陽能電池，還可以制成發光二極管、催化劑，甚至可以制成未來量子計算機的元件。
那么，什么是鈣鈦礦呢？它為何有著如此非凡的本領
鈣鈦礦是個大家族
從某種程度上來說，鈣鈦礦之所以在多個領域有著廣泛的應用前景，是因為它是一個大家族。鈣鈦礦并不是專指一種含鈣和鈦的某種化合物，而是一類具有ABX3結構的晶體材料的總稱，其中A是較大的陽離子，B是較小的陽離子，X是陰離子，每個A離子被B和X離子一起構成的八面體所包圍（如上圖）。歷史上所發現的頭一種鈣鈦礦，是天然礦物鈦酸鈣（CaTiO3），它是1839年德國化學家古斯塔夫·羅斯在俄羅斯烏拉爾山探險時發現的。隨后，研究人員把所有具有ABX3結構的晶體材料都稱為鈣鈦礦。鈣鈦礦之所以會被許多研究人員寵愛，那是因為很多種離子都可以在一起組合成ABX3的結構，比如BiFeO3、CsPbI3等。事實上，元素周期表中90%的金屬元素都可以成為鈣鈦礦的A或B離子。當科學家需要一種特別的材料時，研究人員就制造出了大量的有著相同結構但元素組成不同的晶體，通過實驗對比，能很快找到表現較好的材料。
下面，我們就來列舉一些鈣鈦礦主要的應用前景。
制成催化劑
早在20世紀70年代，美國貝爾實驗室的研究人員就指出，鈣鈦礦氧化物（X由氧離子填充，各種金屬離子填充位置A和B）可以當作不錯的催化劑。
把鈣鈦礦氧化物制成催化劑的一個辦法是，在鈣鈦礦結構中加入少量具有高度催化活性的金屬。例如，可以用釕代替鈣鈦礦氧化物中約5%的B陽離子，測試顯示，與其他釕化合物催化劑相比，這樣的鈣鈦礦氧化物可以在只使用少量釕金屬的情況下，提供同等催化效果。此外，直接使用金屬顆粒作為催化劑的一個問題是，這些顆粒會傾向于聚成團塊，從而降低了表面積和催化活性。如果將金屬嵌入到鈣鈦礦氧化物中，就可以完全避免了聚成團塊的發生。
研究人員用上面的辦法制成了各種高效的催化劑，一些催化劑可以把汽車尾氣中一氧化碳、氮氧化物和碳氫化合物等有毒氣體迅速氧化，來起到過濾作用；一些催化劑可將二氧化碳還原為有用的碳氫化合物，并減少這種溫室氣體的排放；還有一些催化劑可以在電解水的反應中發揮催化作用。
最近，澳大利亞悉尼大學的研究人員另辟思路，專注于研究分層多孔鈣鈦礦氧化物以及其他金屬氧化物材料。使鈣鈦礦氧化物變為一種分層多孔的結構，可以較大限度地增加了催化的表面積，并提高了它們的催化效果。此外，分層多孔鈦礦氧化物還可以成為一個很好的載體，讓小孔裝載一些有催化效果的納米金屬顆粒。這些研究人員已經制造了一種分層多孔的鈣鈦礦，內含銠-鎳納米顆粒，而這種顆粒是一種高活性、高穩定性的催化劑，可以使氫與二氧化碳反應生成甲烷。他們當前的研究計劃是，讓分層多孔鈣鈦礦氧化物承載更小的催化金屬顆粒。甚至是單個原子，以進一步提高催化效果。
可把光電互為轉換
在鈣鈦礦的ABX3結構中，除了在A和B位置上換上不同的金屬陽離子之外，還可以換上一些有機陽離子。
20世紀70年代末，人們就研制出了有機鹵化鉛鈣鈦礦，其中甲基銨（CH3NH3+）或甲脒氫（CH(NH2)2+）離子形成了鈣鈦礦結構中的A陽離子，鉛為B陽離子，氯、溴或碘陰離子則為X陰離子。在最近20幾年，研究人員就發現有機鹵化鉛鈣鈦礦具有光伏特性，換句話說，可以把光能轉換為電能。這種鈣鈦礦制造成本低，光電轉化效率高等優勢（當前其轉換效率已提高到約21%）。于是，鈣鈦礦太陽能電池已成為近幾年熱門的研究課題。
此外，有機鹵化鉛鈣鈦礦還可以把電能轉換為光能，所以它也可以用來制成照明或顯示器中所使用的發光二極管，甚至可以制成激光器。
在制造有機鹵化鉛鈣鈦礦的過程中，其晶體內部結構的完整性受到破壞，即出現晶體缺陷。對于許多其他晶體材料來說，這種缺陷會影響其性能，降低光-電或電-光的轉換效率。但不知何故，有晶體缺陷的有機鹵化鉛鈣鈦礦的性能卻不受任何影響。這是有機鹵化鉛鈣鈦礦的另一大優勢，雖然研究人員還沒有完全搞清楚這背后的原因。
當然，有機鹵化鉛鈣鈦礦包含鉛元素，而鉛對人來說是有毒的，所以這種材料仍然不太理想。研究人員試圖找到其他具有相同性質的鈣鈦礦，但除了有機鹵化鉛鈣鈦礦以外，其他所有的鈣鈦礦都不太理想。所以沒有辦法，鉛元素似乎是必不可少的。
前面提到鈣鈦礦可以把光能轉換為電能，即鈣鈦礦可以吸收可見光，科學家還發現，鈣鈦礦不僅能吸收可見光，一些鈣鈦礦也能吸收伽馬射線。目前市面上可買到的用于伽馬射線探測的材料非常昂貴。最近的研究表明，溴鉛銫（CsPbBr3）可以成為一種低成本的替代品，其性能也表現不錯。
成為量子計算機的元件
如果使有機鹵化鉛鈣鈦礦足夠小，小到成為了納米晶體的話，那么它就可成為一種每次發射出單個光子的發射
對于傳統的單光子發射器，比如用硒化鎘制成的納米晶體，你必須非常努力地消除晶體缺陷，否則出現一個缺陷就會導致它發不出任何光。但是，鈣鈦礦納米晶體卻不受晶體缺陷的影響，使得這種材料擁有了另一個巨大的優勢。
這種鈣鈦礦納米晶體可以在量子通信中得到很大的應用。量子力學原理告訴我們，任何對量子系統的測量都會對系統產生干擾，如果有第三方嘗試竊聽，那么就會破壞這些光子的量子狀態，這樣發送和接受消息的雙方會馬上察覺，并可以直接中斷此次通信。所以說，量子通信是很安全的。而鈣鈦礦制成的單光子發射器，可以為量子通信提供所使用的光子。
此外，如果研究人員能找到利用多個鈣鈦礦納米晶體產生大量處于糾纏狀態的光子對的辦法，那么鈣鈦礦納米晶體另一個應用則是光量子計算機。
量子計算機是以量子比特為基礎的計算機。量子比特是量子信息的基本單位，在傳統的計算機中，一個比特在同一時間只能是0或1，只存在一種狀態，但量子比特可以是1的同時也可以是0，兩種狀態同時存在，這種效果叫量子疊加態，這種獨特的性質給了量子計算機超強的計算能力。此外，量子糾纏現象，即一個微觀粒子可以瞬間影響到另一個微觀粒子的現象，可以讓量子比特之間相互通信，也就是說，測量一個量子比特可以提供另一個量子比特的狀態信息。量子糾纏是量子計算機進行大規模計算所必需的。
光量子計算機的量子比特就是用光子的某些量子狀態來表示的。當前，光量子計算機的研究挑戰是找到能夠快速產生大量糾纏光子的材料。到目前為止研制的器件產生糾纏光子的速度都非常慢，但鈣鈦礦納米晶體可能會改變這種情況。最近，瑞士蘇黎世聯邦理工學院的研究人員就利用許多鈣鈦礦納米晶體組成的集合，快速地產生了多個可能處于糾纏狀態的光子對。當然這個研究還需進一步驗證，但他們確信他們已朝著目標邁出了關鍵的一步。
全有機鈣鈦礦
2018年，中國東南大學的研究人員創造了總共23種不含金屬的鈣鈦礦，其中鈣鈦礦中A和B離子全都是有機陽離子組成的，而陰離子則是氯、溴或碘陰離子，這就是全有機鈣鈦礦。這一發現為鈣鈦礦家族開辟了一個重要的新分支。因為有機分子的種類很多，這使得鈣鈦礦的家族更加壯大，其應用范圍比以前變得更加廣泛了。
東南大學的研究人員想用全有機鈣鈦礦制造一種更好的壓電材料。壓電材料是一種可在壓力作用下產生電能的材料，它們廣泛應用于聲納和超聲波成像、車輛安全氣囊傳感器和計算機部件等領域中。
鈦酸鋇（BaTiO3）是一種無機鈣鈦礦氧化物，是目前應用較為廣泛的壓電材料之一，它的生產成本相對較低，還可以制成粉末，但其物理性質類似于陶瓷，非常堅硬，不容易彎曲，所以無法應用于柔性結構中。當前的確存在著一些柔性壓電材料，但其性能遠不如鈦酸鋇。研究人員已經找到了幾種全有機鈣鈦礦，可以做到既有柔韌性，又有非常好的壓電性能，這種材料在未來可以應用于各種穿戴設備中，包括可檢測心跳的運動背心、義肢中可產生觸摸感應的人造皮膚，等等。
當然，壓電材料只是有機鈣鈦礦潛在的眾多應用中的一個，隨著更多研究人員的加入，全有機鈣鈦礦將會成為研究的新熱門。
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