鈣鈦礦LED走進(jìn)千戶萬(wàn)家的可能性

在太陽(yáng)能電池中，一種被稱為鈣鈦礦的廉價(jià)且容易制造的材料非常擅長(zhǎng)將光子轉(zhuǎn)化為電能。如今，鈣鈦礦將派上新的用途，將電子轉(zhuǎn)化為光，其效率堪比手機(jī)和平板電視中常見(jiàn)的商用有機(jī)發(fā)光二極管（LED）。這種材料將來(lái)會(huì)有什么作用呢？研究人員上周在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上發(fā)表報(bào)告稱，他們已經(jīng)使用一臺(tái)3D打印機(jī)在全彩顯示器上用鈣鈦礦打印圖案。

英國(guó)劍橋大學(xué)物理學(xué)家Richard Friend說(shuō)：“這是一個(gè)了不起的研究結(jié)果，非常鼓舞人心?！盕riend的團(tuán)隊(duì)在2014年研制出第一枚鈣鈦礦LED。這一研究結(jié)果為未來(lái)的電腦屏幕和巨型顯示器由這些廉價(jià)的晶體物質(zhì)（由普通原材料制造）構(gòu)成帶來(lái)了希望。然而，F(xiàn)riend警告說(shuō)，新的鈣鈦礦顯示器還沒(méi)有商業(yè)可行性。

目前半導(dǎo)體LED（包括有機(jī)LED）中的材料需要在真空室的高溫下進(jìn)行處理，從而確保所得到的半導(dǎo)體是純凈的。相比之下，鈣鈦礦只需在室溫下將其化學(xué)成分混合在溶液中即可制備。同時(shí)只需要簡(jiǎn)單的熱處理便可使它們結(jié)晶。即使鈣鈦礦晶體最終有缺陷，這些缺陷通常也不會(huì)破壞材料的發(fā)光功能。

在大多數(shù)鈣鈦礦LED中，夾在發(fā)光材料中間的電極負(fù)責(zé)傳遞電荷。當(dāng)電荷在“三明治”的中心相遇時(shí)，電子就會(huì)填補(bǔ)這一空缺，并以光子的形式釋放出一點(diǎn)能量。

光子的顏色取決于鈣鈦礦的化學(xué)成分，這使得研究人員可以通過(guò)改變鈣鈦礦的配方來(lái)調(diào)整光子的顏色。劍橋研究團(tuán)隊(duì)的第一枚鈣鈦礦LED發(fā)出了近紅外、紅色或綠色的光，這取決于它們的構(gòu)成。從那時(shí)起，該團(tuán)隊(duì)和其他團(tuán)隊(duì)陸續(xù)制作出全光譜顏色的鈣鈦礦LED。

最早的鈣鈦礦LED僅能將0.76%的電子轉(zhuǎn)化為光子。這是因?yàn)榇┻^(guò)材料的電荷被困在組成材料的無(wú)數(shù)晶體之間。如今許多團(tuán)隊(duì)已經(jīng)克服了這個(gè)障礙。例如，去年年底，F(xiàn)riend的團(tuán)隊(duì)在《自然—光子學(xué)》雜志上報(bào)道稱，通過(guò)添加一層發(fā)光聚合物，從而引導(dǎo)電荷繞過(guò)表面缺陷，他們已經(jīng)制造出了效率為20.1%的紅色鈣鈦礦LED。

加拿大多倫多大學(xué)化學(xué)家Edward Sargent領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)去年采用了另一種不同的方法，在鈣鈦礦配方中加入一種添加劑，從而在鈣鈦礦晶體周圍形成結(jié)晶殼。研究人員在《自然》雜志上報(bào)告說(shuō)，這些外殼阻止了表面缺陷捕獲電荷，從而產(chǎn)生了一種綠色鈣鈦礦，其效率為20.3%。這仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于許多無(wú)機(jī)LED的效率，但對(duì)于某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠。

瑞典林雪平大學(xué)物理學(xué)家Feng Gao領(lǐng)導(dǎo)的研究人員在3月25日的《自然—光子學(xué)》網(wǎng)絡(luò)版報(bào)道稱，他們開(kāi)發(fā)了一種方法來(lái)解決缺陷問(wèn)題。研究人員瞄準(zhǔn)了鈣鈦礦晶體邊緣的鉛離子捕獲電子的傾向。通過(guò)添加一種與鉛結(jié)合的物質(zhì)，他們減少了離子對(duì)電子的捕獲，創(chuàng)造了一種近紅外LED，效率為21.6%。

Friend表示，過(guò)去5年的成績(jī)“相當(dāng)驚人”。不過(guò)，這些鈣鈦礦設(shè)備的壽命都沒(méi)有超過(guò)50個(gè)小時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于商業(yè)使用所需的10000小時(shí)。Gao說(shuō)，鈣鈦礦晶體為什么在幾十小時(shí)后就會(huì)分解還不清楚。但他指出，早期的有機(jī)LED壽命也很短。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池制造商通過(guò)保護(hù)設(shè)備免受空氣和濕度的影響，在很大程度上解決了類似的壽命問(wèn)題。Gao說(shuō)：“我很樂(lè)觀，這個(gè)領(lǐng)域能快速發(fā)展，鈣鈦礦LED也能得到改善?！?/p>

哈佛大學(xué)材料科學(xué)家Jennifer Lewis領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)的最新成果，可能會(huì)為構(gòu)建顯示器提供新的策略。Lewis和她的同事使用3D打印機(jī)在彩色顯示器中排列微小的線狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。Lewis說(shuō)，當(dāng)攜帶納米線的“墨水”通過(guò)打印機(jī)噴嘴時(shí)，剪切力使它們對(duì)齊。納米線的共同方向使每個(gè)LED發(fā)出的光具有單一的首選振蕩或偏振。

對(duì)于他們的原型顯示器，Lewis的團(tuán)隊(duì)并沒(méi)有把每一個(gè)LED都連接到電極上；相反，研究人員將整個(gè)顯示器暴露在紫外線下。就像施加電壓一樣，紫外光將電子踢出它們的正常狀態(tài)，允許它們移動(dòng)。然后，它們可以與空位重新組合，發(fā)出可見(jiàn)光。但是由于發(fā)出的光是偏振的，Lewis和她的同事需要用偏振濾波器來(lái)控制它。

在一個(gè)例子中，研究人員使用了3種不同的鈣鈦礦配方來(lái)創(chuàng)建顯示器，其中每個(gè)像素并排包含一個(gè)紅、綠、藍(lán)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)的納米線方向偏移60°。通過(guò)旋轉(zhuǎn)偏振濾光片，研究人員可以混合顏色或分離單一顏色。

Sargent說(shuō)，鈣鈦礦LED還面臨很多障礙。但他補(bǔ)充說(shuō)，“這項(xiàng)工作將跨越未來(lái)10年，展示出我們可以做哪些很酷的事情?！?/p>