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帶你認(rèn)識(shí)無(wú)所不能的鈣鈦礦

發(fā)布時(shí)間:2024-01-31 來(lái)源:元祿光電

如果你去關(guān)注一下近幾年材料科學(xué)的研究進(jìn)展,你就會(huì)發(fā)現(xiàn)一種趨勢(shì):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(yáng)能電池,還可以制成發(fā)光二極管、催化劑,甚至可以制成未來(lái)量子計(jì)算機(jī)的元件。

那么,什么是鈣鈦礦呢?它為何有著如此非凡的本領(lǐng)

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鈣鈦礦是個(gè)大家族

從某種程度上來(lái)說(shuō),鈣鈦礦之所以在多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景,是因?yàn)樗且粋€(gè)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(jié)構(gòu)的晶體材料的總稱,其中A是較大的陽(yáng)離子,B是較小的陽(yáng)離子,X是陰離子,每個(gè)A離子被B和X離子一起構(gòu)成的八面體所包圍(如上圖)。歷史上所發(fā)現(xiàn)的頭一種鈣鈦礦,是天然礦物鈦酸鈣(CaTiO3),它是1839年德國(guó)化學(xué)家古斯塔夫·羅斯在俄羅斯烏拉爾山探險(xiǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。隨后,研究人員把所有具有ABX3結(jié)構(gòu)的晶體材料都稱為鈣鈦礦。鈣鈦礦之所以會(huì)被許多研究人員寵愛(ài),那是因?yàn)楹芏喾N離子都可以在一起組合成ABX3的結(jié)構(gòu),比如BiFeO3、CsPbI3等。事實(shí)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(dāng)科學(xué)家需要一種特別的材料時(shí),研究人員就制造出了大量的有著相同結(jié)構(gòu)但元素組成不同的晶體,通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比,能很快找到表現(xiàn)較好的材料。

下面,我們就來(lái)列舉一些鈣鈦礦主要的應(yīng)用前景。

制成催化劑

早在20世紀(jì)70年代,美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)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(dāng)作不錯(cuò)的催化劑。

把鈣鈦礦氧化物制成催化劑的一個(gè)辦法是,在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)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(yáng)離子,測(cè)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(gè)問(wèn)題是,這些顆粒會(huì)傾向于聚成團(tuán)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(tuán)塊的發(fā)生。

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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?xì)浠衔锏扔卸練怏w迅速氧化,來(lái)起到過(guò)濾作用;一些催化劑可將二氧化碳還原為有用的碳?xì)浠衔铮p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(yīng)中發(fā)揮催化作用。

最近,澳大利亞悉尼大學(xué)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?yōu)橐环N分層多孔的結(jié)構(gòu),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(gè)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(jīng)制造了一種分層多孔的鈣鈦礦,內(nèi)含銠-鎳納米顆粒,而這種顆粒是一種高活性、高穩(wěn)定性的催化劑,可以使氫與二氧化碳反應(yīng)生成甲烷。他們當(dāng)前的研究計(jì)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(gè)原子,以進(jìn)一步提高催化效果。

可把光電互為轉(zhuǎn)換

在鈣鈦礦的ABX3結(jié)構(gòu)中,除了在A和B位置上換上不同的金屬陽(yáng)離子之外,還可以換上一些有機(jī)陽(yáng)離子。

20世紀(jì)70年代末,人們就研制出了有機(jī)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(jié)構(gòu)中的A陽(yáng)離子,鉛為B陽(yáng)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(fā)現(xiàn)有機(jī)鹵化鉛鈣鈦礦具有光伏特性,換句話說(shuō),可以把光能轉(zhuǎn)換為電能。這種鈣鈦礦制造成本低,光電轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)勢(shì)(當(dāng)前其轉(zhuǎn)換效率已提高到約21%)。于是,鈣鈦礦太陽(yáng)能電池已成為近幾年熱門的研究課題。

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此外,有機(jī)鹵化鉛鈣鈦礦還可以把電能轉(zhuǎn)換為光能,所以它也可以用來(lái)制成照明或顯示器中所使用的發(fā)光二極管,甚至可以制成激光器。

在制造有機(jī)鹵化鉛鈣鈦礦的過(guò)程中,其晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整性受到破壞,即出現(xiàn)晶體缺陷。對(duì)于許多其他晶體材料來(lái)說(shuō),這種缺陷會(huì)影響其性能,降低光-電或電-光的轉(zhuǎn)換效率。但不知何故,有晶體缺陷的有機(jī)鹵化鉛鈣鈦礦的性能卻不受任何影響。這是有機(jī)鹵化鉛鈣鈦礦的另一大優(yōu)勢(shì),雖然研究人員還沒(méi)有完全搞清楚這背后的原因。

當(dāng)然,有機(jī)鹵化鉛鈣鈦礦包含鉛元素,而鉛對(duì)人來(lái)說(shuō)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(zhì)的鈣鈦礦,但除了有機(jī)鹵化鉛鈣鈦礦以外,其他所有的鈣鈦礦都不太理想。所以沒(méi)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(zhuǎn)換為電能,即鈣鈦礦可以吸收可見(jiàn)光,科學(xué)家還發(fā)現(xiàn),鈣鈦礦不僅能吸收可見(jiàn)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(cè)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(xiàn)不錯(cuò)。

成為量子計(jì)算機(jī)的元件

如果使有機(jī)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(fā)射出單個(gè)光子的發(fā)射

對(duì)于傳統(tǒng)的單光子發(fā)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(xiàn)一個(gè)缺陷就會(huì)導(dǎo)致它發(fā)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(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)。

這種鈣鈦礦納米晶體可以在量子通信中得到很大的應(yīng)用。量子力學(xué)原理告訴我們,任何對(duì)量子系統(tǒng)的測(cè)量都會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾,如果有第三方嘗試竊聽(tīng),那么就會(huì)破壞這些光子的量子狀態(tài),這樣發(fā)送和接受消息的雙方會(huì)馬上察覺(jué),并可以直接中斷此次通信。所以說(shuō),量子通信是很安全的。而鈣鈦礦制成的單光子發(fā)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(gè)鈣鈦礦納米晶體產(chǎn)生大量處于糾纏狀態(tài)的光子對(duì)的辦法,那么鈣鈦礦納米晶體另一個(gè)應(yīng)用則是光量子計(jì)算機(jī)。

量子計(jì)算機(jī)是以量子比特為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)。量子比特是量子信息的基本單位,在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)中,一個(gè)比特在同一時(shí)間只能是0或1,只存在一種狀態(tài),但量子比特可以是1的同時(shí)也可以是0,兩種狀態(tài)同時(shí)存在,這種效果叫量子疊加態(tài),這種獨(dú)特的性質(zhì)給了量子計(jì)算機(jī)超強(qiáng)的計(jì)算能力。此外,量子糾纏現(xiàn)象,即一個(gè)微觀粒子可以瞬間影響到另一個(gè)微觀粒子的現(xiàn)象,可以讓量子比特之間相互通信,也就是說(shuō),測(cè)量一個(gè)量子比特可以提供另一個(gè)量子比特的狀態(tài)信息。量子糾纏是量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行大規(guī)模計(jì)算所必需的。

光量子計(jì)算機(jī)的量子比特就是用光子的某些量子狀態(tài)來(lái)表示的。當(dāng)前,光量子計(jì)算機(jī)的研究挑戰(zhàn)是找到能夠快速產(chǎn)生大量糾纏光子的材料。到目前為止研制的器件產(chǎn)生糾纏光子的速度都非常慢,但鈣鈦礦納米晶體可能會(huì)改變這種情況。最近,瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)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(chǎn)生了多個(gè)可能處于糾纏狀態(tài)的光子對(duì)。當(dāng)然這個(gè)研究還需進(jìn)一步驗(yàn)證,但他們確信他們已朝著目標(biāo)邁出了關(guān)鍵的一步。

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全有機(jī)鈣鈦礦

2018年,中國(guó)東南大學(xué)的研究人員創(chuàng)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(jī)陽(yáng)離子組成的,而陰離子則是氯、溴或碘陰離子,這就是全有機(jī)鈣鈦礦。這一發(fā)現(xiàn)為鈣鈦礦家族開(kāi)辟了一個(gè)重要的新分支。因?yàn)橛袡C(jī)分子的種類很多,這使得鈣鈦礦的家族更加壯大,其應(yīng)用范圍比以前變得更加廣泛了。

東南大學(xué)的研究人員想用全有機(jī)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(chǎn)生電能的材料,它們廣泛應(yīng)用于聲納和超聲波成像、車輛安全氣囊傳感器和計(jì)算機(jī)部件等領(lǐng)域中。

鈦酸鋇(BaTiO3)是一種無(wú)機(jī)鈣鈦礦氧化物,是目前應(yīng)用較為廣泛的壓電材料之一,它的生產(chǎn)成本相對(duì)較低,還可以制成粉末,但其物理性質(zhì)類似于陶瓷,非常堅(jiān)硬,不容易彎曲,所以無(wú)法應(yīng)用于柔性結(jié)構(gòu)中。當(dāng)前的確存在著一些柔性壓電材料,但其性能遠(yuǎn)不如鈦酸鋇。研究人員已經(jīng)找到了幾種全有機(jī)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(lái)可以應(yīng)用于各種穿戴設(shè)備中,包括可檢測(cè)心跳的運(yùn)動(dòng)背心、義肢中可產(chǎn)生觸摸感應(yīng)的人造皮膚,等等。

當(dāng)然,壓電材料只是有機(jī)鈣鈦礦潛在的眾多應(yīng)用中的一個(gè),隨著更多研究人員的加入,全有機(jī)鈣鈦礦將會(huì)成為研究的新熱門。


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