在太陽能電池中，一種被稱為鈣鈦礦的廉價且容易制造的材料非常擅長將光子轉(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，其效率堪比手機和平板電視中常見的商用有機發(fā)光二極管（LED）。這種材料將來會有什么作用呢？研究人員上周在《科學進展》雜志上發(fā)表報告稱，他們已經(jīng)使用一臺3D打印機在全彩顯示器上用鈣鈦礦打印圖案。

英國劍橋大學物理學家Richard Friend說：“這是一個了不起的研究結果，非常鼓舞人心。”Friend的團隊在2014年研制出第一枚鈣鈦礦LED。這一研究結果為未來的電腦屏幕和巨型顯示器由這些廉價的晶體物質(zhì)（由普通原材料制造）構成帶來了希望。然而，F(xiàn)riend警告說，新的鈣鈦礦顯示器還沒有商業(yè)可行性。

目前半導體LED（包括有機LED）中的材料需要在真空室的高溫下進行處理，從而確保所得到的半導體是純凈的。相比之下，鈣鈦礦只需在室溫下將其化學成分混合在溶液中即可制備。同時只需要簡單的熱處理便可使它們結晶。即使鈣鈦礦晶體最終有缺陷，這些缺陷通常也不會破壞材料的發(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責傳遞電荷。當電荷在“三明治”的中心相遇時，電子就會填補這一空缺，并以光子的形式釋放出一點能量。

光子的顏色取決于鈣鈦礦的化學成分，這使得研究人員可以通過改變鈣鈦礦的配方來調(diào)整光子的顏色。劍橋研究團隊的第一枚鈣鈦礦LED發(fā)出了近紅外、紅色或綠色的光，這取決于它們的構成。從那時起，該團隊和其他團隊陸續(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。這是因為穿過材料的電荷被困在組成材料的無數(shù)晶體之間。如今許多團隊已經(jīng)克服了這個障礙。例如，去年年底，F(xiàn)riend的團隊在《自然—光子學》雜志上報道稱，通過添加一層發(fā)光聚合物，從而引導電荷繞過表面缺陷，他們已經(jīng)制造出了效率為20.1%的紅色鈣鈦礦LED。

加拿大多倫多大學化學家Edward Sargent領導的研究團隊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晶殼。研究人員在《自然》雜志上報告說，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%。這仍然遠遠低于許多無機LED的效率，但對于某些應用來說已經(jīng)足夠。

瑞典林雪平大學物理學家Feng Gao領導的研究人員在3月25日的《自然—光子學》網(wǎng)絡版報道稱，他們開發(fā)了一種方法來解決缺陷問題。研究人員瞄準了鈣鈦礦晶體邊緣的鉛離子捕獲電子的傾向。通過添加一種與鉛結合的物質(zhì)，他們減少了離子對電子的捕獲，創(chuàng)造了一種近紅外LED，效率為21.6%。

Friend表示，過去5年的成績“相當驚人”。不過，這些鈣鈦礦設備的壽命都沒有超過50個小時，遠遠低于商業(yè)使用所需的10000小時。Gao說，鈣鈦礦晶體為什么在幾十小時后就會分解還不清楚。但他指出，早期的有機LED壽命也很短。鈣鈦礦太陽能電池制造商通過保護設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題。Gao說：“我很樂觀，這個領域能快速發(fā)展，鈣鈦礦LED也能得到改善?！?/p>

哈佛大學材料科學家Jennifer Lewis領導的研究團隊的最新成果，可能會為構建顯示器提供新的策略。Lewis和她的同事使用3D打印機在彩色顯示器中排列微小的線狀鈣鈦礦結構。Lewis說，當攜帶納米線的“墨水”通過打印機噴嘴時，剪切力使它們對齊。納米線的共同方向使每個LED發(fā)出的光具有單一的首選振蕩或偏振。

對于他們的原型顯示器，Lewis的團隊并沒有把每一個LED都連接到電極上；相反，研究人員將整個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。然后，它們可以與空位重新組合，發(fā)出可見光。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控制它。

在一個例子中，研究人員使用了3種不同的鈣鈦礦配方來創(chuàng)建顯示器，其中每個像素并排包含一個紅、綠、藍點，每個點的納米線方向偏移60°。通過旋轉(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，鈣鈦礦LED還面臨很多障礙。但他補充說，“這項工作將跨越未來10年，展示出我們可以做哪些很酷的事情?！?/p>