新型钙钛矿组件：超高速太赫兹通信发展的里程碑！
导读
最近，美国犹他大学的研究人员发现了一种特殊的钙钛矿，它是有机化合物和无机化合物的组合，能分层堆积在硅晶圆之上。这种材料可以用于制造未来太赫兹通信系统的关键组件。该系统将开启新一代的通信带宽，使用光取代电传输信息，速度高于现在千倍。
背景
钙钛矿（perovskite ）材料是一类有着与钛酸钙（CaTiO3）相同晶体结构的材料。1839年，德国矿物学家古斯塔夫·罗斯（Gustav Rose）于俄罗斯中部境内的乌拉尔山脉上发现钙钛矿岩石样本，并以俄罗斯地质学家 Lev Perovski 来命名这种矿石。
（图片来源：维基百科）
钙钛矿材料结构式一般为ABX3，其中A为有机阳离子, B为金属离子, X为卤素基团。该结构中, 金属B原子位于立方晶胞体心处, 卤素X原子位于立方体面心, 有机阳离子A位于立方体顶点位置。
（图片来源：参考资料【3】）
相比于以共棱、共面形式连接的结构，钙钛矿结构更加稳定, 有利于缺陷的扩散迁移。这种特殊结构使钙钛矿具备了许多特殊的物理化学特性，例如电催化性、吸光性等等。钙钛矿系列材料中已经包含导体、半导体、绝缘体等等，应用前景广阔。
之前，笔者重点介绍过一些与钙钛矿相关的创新研究案例，让我们一起回顾一下。
案例一：在太阳能电池领域，韩国蔚山国立科技研究所（UNIST）发明出一种低成本方案，用于制造无机-有机混合物钙钛矿太阳能电池，并创造了新的世界纪录：转换效率在小型电池中达22.1%，在1平方厘米的电池中达19.7%。这项技术的关键在于，它能够修复“钙钛矿-卤化物”中的主要缺陷，这些缺陷会降低光电转换效率。
（图片来源：UNIST）
案例二：在计算机存储领域，瑞士洛桑联邦理工学院的科学家开发出一种新型钙钛矿材料，它的磁序可以被迅速改变，不会因为加热而受到破坏，使得存储系统例如硬盘，具备更高的密度和效率，同时也使得存储介质可被快速简便地操作，便于数据读写。这项创新研究有望为我们带来新一代的存储设备。
（图片来源：László Forró/瑞士洛桑联邦理工学院 ）
案例三：在可见光通信领域，阿卜杜拉国王科技大学的研究人员，使用钙钛矿纳米晶体作为光颜色转化器，通过蓝色激光对其照射后发出的绿光，加上氮化物荧光体发出的红光，三种光混合成白光，不但可以有效地保证室内照明，而且使得可见光通信的带宽达到 2 Gbps。
（图片来源：阿卜杜拉国王科技大学）
创新
今天，我们要介绍一项新的研究成果，它体现了钙钛矿在超高速通信和计算方面的所起到的关键作用。
最近，美国犹他大学电气与计算机工程系和物理与天文学系的研究人员发现了一种特殊的钙钛矿，它是有机化合物和无机化合物的组合，与原始矿物具有同样的结构，能够分层堆积在硅晶圆之上，制造出未来通信系统的关键组件。该系统将使用太赫兹频谱，开启新一代的通信带宽，使用光取代电进行数据传输，未来手机与网络用户将以高于今天千倍的速度传输信息。
这项新研究由犹他大学电气和计算机工程系教授 Ajay Nahata 和物理与天文学系特聘教授 Valy Vardeny 领导，于11月6日星期一发表于最新版的《自然通信》（Nature Communications）杂志。
（图片来源：Dan Hixon / 犹他大学工程学院）
技术
太赫兹辐射是指频率范围在 100GHz 到 10THz 之间（普通的手机通常工作在2.4GHz），介于微波和红外线之间的电磁波。
（图片来源：维基百科）
科学家一直都在致力于研究如何使用太赫兹波段传输数据，因为它在提高网络调制解调器和手机等设备的通信速度方面，具有非常巨大的潜力。例如，笔者曾经介绍过，荷兰内梅亨大学 FELIX 研究所的研究人员研发出一种通过现有光纤网络，稳定传输太赫兹频率信号波的技术。
Nahata 和 Vardeny 解决了一个关键性难题：通过将一种特殊形式的多层钙钛矿沉积到硅晶圆上，他们使用一个简单的卤素灯，就可以调制太赫兹波通过它。太赫兹辐射的振幅调制非常重要，因为在这种通信系统中，数据正是这样传输的。
之前，相关的尝试通常需要使用昂贵、高功耗的激光器。而这项研究的不同之处，不仅仅在于灯的功率就可以进行这种调制，而且还在于光线的颜色。因此，他们能够将不同的钙钛矿放到同样的硅衬底上，那里的每个区域可以通过不同颜色的灯光控制。当使用传统的半导体例如硅时，这一点并不容易实现。
Nahata 在解释这种新型结构的作用时表示：
“我们可以将它看成两种与十种功能之间的差距。硅只响应于光线的功率而不是颜色。这个技术实际上给了你更多的功能，即对于信息处理或者其他情况而言。”
这项技术不不仅为实现太赫兹技术（它将带来下一代的通信系统和以及千倍高速的计算能力）打开了大门，而且通过使用一种称为“旋转涂膜”的制程，在硅上面分层堆积钙钛矿的工艺简单而且廉价。在这个制程中，通过旋转晶圆，将材料沉积到硅晶圆上，并且通过离心力将钙钛矿均匀扩散。
Vardeny 表示，这种他们正在使用的这种钙钛矿的独特之处在于，它既是一种像岩石一样的无机材料，又是一种像塑料一样的有机材料，让它既可以方便地沉积到硅之上，同时也具有实现这种制程所必要的光学特性。他说：
“这是一种错配，我们称之为‘混合’。”
价值
Nahata 表示，离太赫兹技术在通信和计算领域的商用产品出现，很可能还需要10年实现。但是，这项新型研究是通往目标的道路上的一个重要里程碑。
Nahata 表示：
“这个基本功能是通往成熟的通信系统的道路上的重要一步。如果你想要摆脱今天正在使用的调制解调器和标准的无线通信系统，得到千倍更快的速度，你就必须大幅地变革技术。”
参考资料
【1】https://unews.utah.edu/lightning-fast-communications/
【2】Ashish Chanana, Yaxin Zhai, Sangita Baniya, Chuang Zhang, Z. Valy Vardeny, Ajay Nahata. Colour selective control of terahertz radiation using two-dimensional hybrid organic inorganic lead-trihalide perovskites. Nature Communications, 2017; 8 (1) DOI: 10.1038/s41467-017-01517-0
【3】Liu, M.Z., Johnston, M.B. and Snaith, H.J. (2013) Efficient Planar Heterojunction Perovskite Solar Cells by vaPour Deposition. Nature, 501, 395-398. https://doi.org/10.1038/nature12509
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