劍橋大學近期發表一項重要研究，成功利用氣相製程在二維鈣鈦礦基板上精準地逐層堆疊出無機鈣鈦礦 CsPbBr₃，並把厚度控制到「Å 等級」的原子尺度，並發表於《Science》。第一次讓鈣鈦礦材料能像半導體晶片一樣被「原子級精準生長」──整齊、可控，而且穩定性更高。
氣相製程，讓鈣鈦礦長得更精準
這次研究最關鍵的突破，是把過去難以控制的鈣鈦礦生長方式，改成能原子級精準操作的氣相沉積。研究團隊使用「熱共蒸鍍」（thermal co-evaporation）技術，是一種屬於 PVD（物理氣相沉積）的氣相製程。
他們把 CsBr 和 PbBr₂ 加熱成氣態，讓原子直接在基板上一層層落下、像堆積木一樣排列。這種做法就像用極細的筆畫出原子等級的線條，每一層都能控制得非常準。
這與傳統的「溶液法」完全不同。溶液法是把材料溶在液體裡塗上去，等它乾燥自行結晶，就像讓糖水自然形成結晶。這個過程中分子會亂跑，容易造成厚度不均、缺陷多，而且晶體之間還會留有空隙或殘餘溶劑，使材料在光、熱與濕氣下很快老化。
相比之下，氣相沉積能讓原子間貼合得更緊密、表面更平整，不但能帶與界面可被精準調整，也讓材料本身更耐光耐熱。
量產與無鉛化的挑戰
然而，氣相製成還是有缺點。首先，它需要真空環境、精準的溫度控制與緩慢的沉積速率，短期內仍屬於實驗室型製程，與大規模太陽能板所需的平方公尺級面積仍有不小差距。
另外，這種高精準度的層狀結構能否在工廠中穩定複製，仍需要更多驗證。
值得注意的是，大多數高性能鈣鈦礦仍含鉛，若要真正商用，如何無鉛化、並維持同等效率，依然是材料科學界尚未解決的難題。
雷射、LED、太陽能出現新可能
即便如此，這項研究的意義仍然重大。氣相逐層生長讓量子侷限現象可被精準控制，單層、雙層到厚膜的能階差異都能清楚調整，不同界面組合也可形成 type I 或 type II 異質接面，能帶差甚至可調超過 0.5 eV。
這使鈣鈦礦第一次真正進入「功能性半導體」的等級，能像設計晶片一樣設計它的能階排列。未來，它能帶來亮度更高的 LED、低門檻雷射、超薄太陽能電池、靈敏影像感測器，甚至是依賴量子侷限的量子光源與超晶格光電元件。
（首圖來源：University of Rochester）
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