无所不能的钙钛矿

武狄仑

如果你去关注一下近几年材料科学的研究进展，你就会发现一种趋势：有大量的研究人员把研究热情投入到了钙钛矿身上。钙钛矿可以制成太阳能电池，还可以制成发光二极管、催化剂，甚至可以制成未来量子计算机的元件。

那么，什么是鈣钛矿呢？它为何有着如此非凡的本领呢？

钙钛矿是个大家族

从某种程度上来说，钙钛矿之所以在多个领域有着广泛的应用前景，是因为它是一个大家族。钙钛矿并不是专指一种含钙和钛的某种化合物，而是一类具有ABX3结构的晶体材料的总称，其中A是较大的阳离子，B是较小的阳离子，X是阴离子，每个A离子被B和X离子一起构成的八面体所包围（如上图）。历史上所发现的第一种钙钛矿，是天然矿物钛酸钙（CaTiO3），它是1839年德国化学家古斯塔夫·罗斯在俄罗斯乌拉尔山探险时发现的。随后，研究人员把所有具有ABX3结构的晶体材料都称为钙钛矿。

钙钛矿之所以会被许多研究人员宠爱，那是因为很多种离子都可以在一起组合成ABX3的结构，比如BiFeO3、CsPbI3等。事实上，元素周期表中90%的金属元素都可以成为钙钛矿的A或B离子。当科学家需要一种特别的材料时，研究人员就制造出了大量的有着相同结构但元素组成不同的晶体，通过实验对比，能很快找到表现最佳的材料。

下面，我们就来列举一些钙钛矿主要的应用前景。

制成催化剂

早在20世纪70年代，美国贝尔实验室的研究人员就指出，钙钛矿氧化物（X由氧离子填充，各种金属离子填充位置A和B）可以当作不错的催化剂。

把钙钛矿氧化物制成催化剂的一个办法是，在钙钛矿结构中加入少量具有高度催化活性的金属。例如，可以用钌代替钙钛矿氧化物中约5%的B阳离子，测试显示，与其他钌化合物催化剂相比，这样的钙钛矿氧化物可以在只使用少量钌金属的情况下，提供同等催化效果。此外，直接使用金属颗粒作为催化剂的一个问题是，这些颗粒会倾向于聚成团块，从而降低了表面积和催化活性。如果将金属嵌入到钙钛矿氧化物中，就可以完全避免了聚成团块的发生。

研究人员用上面的办法制成了各种高效的催化剂，一些催化剂可以把汽车尾气中一氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物等有毒气体迅速氧化，来起到过滤作用;一些催化剂可将二氧化碳还原为有用的碳氢化合物，并减少这种温室气体的排放;还有一些催化剂可以在电解水的反应中发挥催化作用。

最近，澳大利亚悉尼大学的研究人员另辟思路，专注于研究分层多孔钙钛矿氧化物以及其他金属氧化物材料。使钙钛矿氧化物变为一种分层多孔的结构，可以最大限度地增加了催化的表面积，并提高了它们的催化效果。此外，分层多孔钛矿氧化物还可以成为一个很好的载体，让小孔装载一些有催化效果的纳米金属颗粒。这些研究人员已经制造了一种分层多孔的钙钛矿，内含铑-镍纳米颗粒，而这种颗粒是一种高活性、高稳定性的催化剂，可以使氢与二氧化碳反应生成甲烷。他们当前的研究计划是，让分层多孔钙钛矿氧化物承载更小的催化金属颗粒。甚至是单个原子，以进一步提高催化效果。

可把光电互为转换

在钙钛矿的ABX3结构中，除了在A和B位置上换上不同的金属阳离子之外，还可以换上一些有机阳离子。

20世纪70年代末，人们就研制出了有机卤化铅钙钛矿，其中甲基铵（CH3NH3+）或甲脒氢（CH（NH2）2+）离子形成了钙钛矿结构中的A阳离子，铅为B阳离子，氯、溴或碘阴离子则为X阴离子。在最近20几年，研究人员就发现有机卤化铅钙钛矿具有光伏特性，换句话说，可以把光能转换为电能。这种钙钛矿制造成本低，光电转化效率高等优势（当前其转换效率已提高到约21%）。于是，钙钛矿太阳能电池已成为近几年热门的研究课题。

此外，有机卤化铅钙钛矿还可以把电能转换为光能，所以它也可以用来制成照明或显示器中所使用的发光二极管，甚至可以制成激光器。

在制造有机卤化铅钙钛矿的过程中，其晶体内部结构的完整性受到破坏，即出现晶体缺陷。对于许多其他晶体材料来说，这种缺陷会影响其性能，降低光-电或电-光的转换效率。但不知何故，有晶体缺陷的有机卤化铅钙钛矿的性能却不受任何影响。这是有机卤化铅钙钛矿的另一大优势，虽然研究人员还没有完全搞清楚这背后的原因。

当然，有机卤化铅钙钛矿包含铅元素，而铅对人来说是有毒的，所以这种材料仍然不太理想。研究人员试图找到其他具有相同性质的钙钛矿，但除了有机卤化铅钙钛矿以外，其他所有的钙钛矿都不太理想。所以没有办法，铅元素似乎是必不可少的。

前面提到钙钛矿可以把光能转换为电能，即钙钛矿可以吸收可见光，科学家还发现，钙钛矿不仅能吸收可见光，一些钙钛矿也能吸收伽马射线。目前市面上可买到的用于伽马射线探测的材料非常昂贵。最近的研究表明，溴铅铯（CsPbBr3）可以成为一种低成本的替代品，其性能也表现不错。

成为量子计算机的元件

如果使有机卤化铅钙钛矿足够小，小到成为了纳米晶体的话，那么它就可成为一种每次发射出单个光子的发射器。

对于传统的单光子发射器，比如用硒化镉制成的纳米晶体，你必须非常努力地消除晶体缺陷，否则出现一个缺陷就会导致它发不出任何光。但是，钙钛矿纳米晶体却不受晶体缺陷的影响，使得这种材料拥有了另一个巨大的优势。

这种钙钛矿纳米晶体可以在量子通信中得到很大的应用。量子力学原理告诉我们，任何对量子系统的测量都会对系统产生干扰，如果有第三方尝试窃听，那么就会破坏这些光子的量子状态，这样发送和接受消息的双方会马上察觉，并可以直接中断此次通信。所以说，量子通信是极为安全的。而钙钛矿制成的单光子发射器，可以为量子通信提供所使用的光子。

此外，如果研究人员能找到利用多个钙钛矿纳米晶体产生大量处于纠缠状态的光子对的办法，那么钙钛矿纳米晶体另一个应用则是光量子计算机。

量子计算机是以量子比特为基础的计算机。量子比特是量子信息的基本单位，在传统的计算机中，一个比特在同一时间只能是0或1，只存在一种状态，但量子比特可以是1的同时也可以是0，两种状态同时存在，这种效果叫量子叠加态，这种独特的性质给了量子计算机超强的计算能力。此外，量子纠缠现象，即一个微观粒子可以瞬间影响到另一个微观粒子的现象，可以让量子比特之间相互通信，也就是说，测量一个量子比特可以提供另一个量子比特的状态信息。量子纠缠是量子计算机进行大规模计算所必需的。

光量子计算机的量子比特就是用光子的某些量子状态来表示的。当前，光量子计算机的研究挑战是找到能够快速产生大量纠缠光子的材料。到目前为止研制的器件产生纠缠光子的速度都非常慢，但钙钛矿纳米晶体可能会改变这种情况。最近，瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员就利用许多钙钛矿纳米晶体组成的集合，快速地产生了多个可能处于纠缠状态的光子对。当然这个研究还需进一步验证，但他们确信他们已朝着目标迈出了关键的一步。

全有机钙钛矿

2018年，中国东南大学的研究人员创造了总共23种不含金属的钙钛矿，其中钙钛矿中A和B离子全都是有机阳离子组成的，而阴离子则是氯、溴或碘阴离子，这就是全有机钙钛矿。这一发现为钙钛矿家族开辟了一个重要的新分支。因为有机分子的种类极多，这使得钙钛矿的家族更加壮大，其应用范围比以前变得更加广泛了。

东南大学的研究人员想用全有机钙钛矿制造一种更好的压电材料。压电材料是一种可在压力作用下产生电能的材料，它们广泛应用于声纳和超声波成像、车辆安全气囊传感器和计算机部件等领域中。

钛酸钡（BaTiO3）是一种无机钙钛矿氧化物，是目前应用最广泛的压电材料之一，它的生产成本相对较低，还可以制成粉末，但其物理性质类似于陶瓷，非常坚硬，不容易弯曲，所以无法应用于柔性结构中。当前的确存在着一些柔性压电材料，但其性能远不如钛酸钡。研究人员已经找到了几种全有机钙钛矿，可以做到既有柔韧性，又有极好的压电性能，这种材料在未来可以应用于各种穿戴设备中，包括可检测心跳的运动背心、义肢中可产生触摸感应的人造皮肤，等等。

当然，压电材料只是有机钙钛矿潜在的众多应用中的一个，随着更多研究人员的加入，全有机钙钛矿将会成为研究的新热门。