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奇蹟材料的維度躍遷：鈣鈦礦將引領一場超越能源、橫跨多領域的應用革命

如果說，矽晶太陽能電池點亮了再生能源的黎明，那麼被譽為「奇蹟材料」的鈣鈦礦，正以超乎想像的速度，從單一的能源應用，向更廣闊的產業藍圖擴展。這場變革的浪潮，不僅是技術的進化，更是一種材料特性的「維度躍遷」，將光電轉換的思維從單純的能量捕獲，提升至感知、傳輸與智慧運算的全新境界。


本篇文章將帶領您深入這場維度躍遷的旅程，全面剖析鈣鈦礦如何以其獨特的材料特徵，在感測器、顯示器兩大核心產業中掀起一場技術革命，並揭開一項鮮為人知的「第三超能力」，展示其在引領下一波智慧光電新紀元的關鍵角色。


鈣鈦礦將成為引領感測、顯示與智慧運算的核心力量（AI生圖）
鈣鈦礦將成為引領感測、顯示與智慧運算的核心力量（AI生圖）


第一部曲：感測器革命—從高解析度影像到醫學透視眼


您可以透過我們的文章《超越太陽能：鈣鈦礦如何引爆感測與顯示的未來新革命？》，對鈣鈦礦在感測器領域的潛力有基礎的了解，但其技術突破的深度，遠超過單純的「高靈敏度」。傳統感測器多使用矽基半導體，雖然技術成熟，卻受限於材料特性，難以在微型化、多光譜感應和超高靈敏度之間取得平衡。然而，鈣鈦礦的超寬光譜響應與高光電增益，為感測器帶來了前所未有的革命性變革，不僅在商業攝影與機器視覺上實現質的飛躍，更為醫學影像帶來更安全、更精準的未來。


1. 顛覆性技術：堆疊像素的維度進化


  • 顛覆傳統的維度思維：


    • 傳統感測器：必須在二維平面上，將紅、綠、藍（RGB）三種濾光片與矽基像素並排排列。這導致光線捕捉效率降低，同時因為像素間的空隙，容易產生摩爾紋（Moiré Effect）與偽影，影響影像的真實性。

    • 鈣鈦礦感測器：可直接以三層垂直堆疊的方式，將三種不同發光頻譜的鈣鈦礦材料層層疊加。這種結構讓每個像素都能同時捕捉三種原色，從根本上解決了二維排列的弊端。


      矽基與鈣鈦礦影像感測器結構比較（資料來源：ETH Zurich, 2025）
      矽基與鈣鈦礦影像感測器結構比較（資料來源：ETH Zurich, 2025）

  • 技術躍進帶來的四大優勢：


    • 解析度與色彩的全面躍進：堆疊架構讓每個像素都能獨立運作，有效將影像解析度提升3倍，同時消除傳統並排像素產生的摩爾紋與偽影，使影像更為純粹與真實。

    • 超高靈敏度：黑暗中的高光視界：鈣鈦礦的高光電增益，使其在低照度環境下的感測靈敏度，最高可達傳統矽基感測器的1,000倍。這不僅能大幅提升夜間攝影的畫質，更讓機器視覺在昏暗環境下的辨識與判斷能力得到質的飛躍。

    • 低功耗運算：由於高靈敏度能減少所需的曝光時間，大幅降低感測器的功耗，這對於需要長時間運行的物聯網（IoT）設備、無人機或穿戴式裝置至關重要。

    • 多元應用潛力：這種技術不僅限於日常攝影，其高精準度與低功耗特性，讓它在工業檢測、環境監測、無人車自動駕駛等領域都具備巨大的潛在應用價值。


2. 醫學影像新紀元：無創透視的未來


除了可見光感測，鈣鈦礦材料對高能光子（如X光和伽瑪射線）的極高感應能力，也為醫療影像技術帶來巨大突破。在醫學核能造影中，精準捕捉單一高能光子是提升影像品質的關鍵，而鈣鈦礦正成為該領域的明日之星。


  • 醫學影像的革新優勢：


    • 高靈敏度與低輻射劑量：鈣鈦礦閃爍體（scintillators）能夠高效將高能光子轉換為可見光，其偵測效率比傳統材料高出數倍，大幅減少對受測者的輻射劑量，使醫療檢查更為安全。

    • 成本與靈活性：傳統偵測器成本高昂且製程複雜，而鈣鈦礦材料可以透過溶液處理的方式簡單製備，不僅能降低成本，還能根據需求製作成各種形狀的軟性偵測器，讓醫學影像的應用更具彈性。

    • 精準診斷：這項技術已在美國西北大學等頂尖學術機構取得進展，相關成果已被應用於下一代 SPECT（單光子發射電腦斷層掃描）等醫學影像設備中，預期將為癌症診斷、藥物追蹤等領域帶來更安全、更精準的革命性改變。


  • 台灣的關鍵角色：從研發到產業化


    • 值得驕傲的是，台灣在鈣鈦礦 X 光偵測器的商業化佈局上已取得重要進展。工研院（ITRI）與睿生光電（Rayz）的合作，成功開發出大面積的軟性鈣鈦礦X光感測器。

    • 該感測器不僅具備高解析度與高靈敏度，更因為其柔性特點，能夠應用於牙科、醫療手術或寵物醫療等需要彎曲成像的特殊場景。此項技術的突破，讓台灣在全球鈣鈦礦 X 光偵測器產業鏈中，佔據了從材料、製程到產品應用的關鍵地位。


      可撓式鈣鈦礦 X 光閃爍體感測 X 光實圖。（資料來源：工研院）
      可撓式鈣鈦礦 X 光閃爍體感測 X 光實圖。（資料來源：工研院）


第二部曲：顯示器革命—超高色域的像素進化論


在顯示器產業，鈣鈦礦材料正以其驚人的發光特性，挑戰OLED（有機發光二極體）的霸主地位，開啟一場全新的像素革命。其在色彩、效率與成本上具備的潛力，足以讓其成為下一個世代顯示器的核心材料。


1. 亮度與色域的極致表現：鈣鈦礦發光二極體（PeLED）


PeLEDs與OLEDs的主要區別在於其發光材料的基礎 。PeLEDs的性能優勢更為突出，例如其外部量子效率（EQE）可超過30% ，亮度可達470,000 cd/m2 。比利時研究中心Imec的實驗成果更顯示，PeLEDs的發光亮度可比現有OLED高出一千倍 。這項突破不僅意味著更明亮的顯示畫面，也為戶外高亮度應用提供了理想解方 。   



  • PeLED 相較於 OLED 的技術優勢：

    • 無可比擬的色彩純度：鈣鈦礦發光材料具有極窄的半峰寬（FWHM），這代表其發出的光譜非常集中，沒有多餘的雜色，從而實現近乎完美的色彩純度，讓顯示器能呈現更廣、更真實的色彩範圍（色域）。

    • 超高效率與低耗能：PeLED 的光電轉換效率（EQE）已達到與OLED相當甚至更高的水準，在未來有望打造出更節能、續航力更長的顯示產品。

    • 製程成本優勢：相較於OLED複雜且高溫的蒸鍍製程，PeLED可以採用溶液製程，類似於噴墨或印刷的方式，大幅降低製造成本，使大尺寸或柔性顯示器的普及化成為可能。


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2. 量子點顯示器的再進化：鈣鈦礦量子點（PQD）


量子點（Quantum Dots, QD）顯示器以其出色的色彩表現力，已成為高階電視的主流技術。然而，傳統量子點通常含有鎘等有毒重金屬。


  • 鈣鈦礦量子點的顛覆性創新：


    • 更環保：鈣鈦礦量子點（PQD）的出現，為顯示器產業提供了一個更環保、無毒的替代方案，解決了鎘等重金屬所帶來的環境與健康問題。

    • 光譜可調性：PQD同樣具有高發光效率和窄帶寬的優勢，但其發射波長可以透過改變晶體尺寸或組成，在整個可見光譜範圍內精準調控，這讓其在顏色控制上具備更高的彈性。

    • 新一代顯示器核心材料：PQD除了作為LCD的背光顏色轉換層之外，未來更將直接作為下一代MicroLED顯示器的顏色轉換材料，徹底釋放其在色彩表現上的全部潛力。


第三部曲：超感官材料的第三種超能力—從潔淨能源到仿生計算


如果說鈣鈦礦在感測器和顯示器中，是將光能高效轉換為電能或將電能高效轉換為光能，那麼它的第三個「超能力」則更具顛覆性：光電催化與仿生計算。這兩項應用將鈣鈦礦從被動的光電轉換材料，提升為能夠主動驅動化學反應、甚至模仿生物智慧的「超感官材料」。


1. 光電催化：點燃綠色氫能革命


鈣鈦礦材料可以同時吸收光能、電能與熱能，並將這些能量轉化為驅動化學反應的催化力。這種光、電、熱三位一體的協同催化機制，使其成為解決當前全球能源與環境危機的關鍵材料。


  • 催化：溫室氣體變黃金：鈣鈦礦材料在催化領域的潛力，特別是其多功能性，能同時表現光、熱、電三種催化活性。例如在熱催化中，鈣鈦礦的晶格可以形成可控的「氧空位」，這些空位不僅能作為反應物的吸附位點，還能調節過渡金屬的價態，從而顯著提高催化活性與選擇性 。以CO₂甲烷化為例，一項研究利用部分鈣替代鎳鈦鈣鈦礦（NiTiO3​），成功提高了熱催化CO₂​甲烷化的選擇性，其CO₂​轉化率和CH₄​產率分別高達84.73%和78.84% 。此外，在電催化中，鈣鈦礦複合氧化物因其優異的氧化還原性能，已成為電催化水分解產氧（OER）的關鍵材料 。


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  • 熱電：廢熱回收的綠色能源

    鈣鈦礦材料不僅能將光能轉化為電能，更能作為高效的熱電材料，將工業生產或交通運輸中產生的「廢熱」（溫差）直接轉化為有價值的電能。這種技術對於能源回收與效率提升至關重要。


    鈣鈦礦熱電材料的優勢在於其低毒性、高元素豐度、以及製程相對簡單。特別是氧化物鈣鈦礦材料，例如鈣錳礦（CaMnO3​），在將熱能轉換為電能的過程中展現出高穩定性與高熱電轉換效率。透過在晶格中摻雜如稀土元素等其他離子，研究人員可以精確地調控材料的電氣特性，例如提升載流子濃度而不犧牲塞貝克係數（Seebeck coefficient），從而有效提升其熱電性能。這項技術為未來需要獨立電源的感測器系統，以及汽車、發電廠等領域的廢熱回收提供了全新的解決方案。


2. 仿生計算：模仿人腦的智慧新材料


鈣鈦礦的潛力不僅止於能量與化學轉換，其獨特的離子動力學與光電協同效應，使其成為新一代記憶體裝置與類腦計算的核心候選材料。憑藉混合離子–電子傳導性與可控的離子遷移，鈣鈦礦能模仿人腦神經突觸的動態行為，為神經形態計算（Neuromorphic Computing）帶來革命性突破。


研究人員已經利用鈣鈦礦開發出記憶體電阻（memristor）陣列，這種元件能根據先前的電壓歷史改變其電阻狀態，實現非揮發性記憶儲存，同時模仿人腦神經突觸的學習與記憶功能。與傳統記憶體相比，它能顯著降低功耗，為下一代低功耗、高效率的 AI 晶片打下基礎。


更令人期待的是，在腦機介面（Brain-Machine Interface, BMI）的應用前景中，某些鈣鈦礦材料（如鈣鈦礦鎳酸鹽，perovskite nickelates）能可逆地接受與生物神經元相同的微小離子，並將其轉換為電信號。這使得它們有望成為連接生物與電子世界的「橋樑」，不僅能監測早期疾病，還可能用於控制義肢、恢復感知，甚至協助重度殘疾患者重獲行動能力。


在台灣，成功大學研究團隊也展示了這一領域的突破。他們利用全無機鈣鈦礦量子點，開發出光學神經形態突觸元件，能夠同時整合感測、記憶與運算功能，並在彩色影像辨識測試中達到超過 90% 的準確率。這不僅證明了鈣鈦礦在類腦計算上的實力，也凸顯了其作為未來智慧感測與 AI 應用基石的潛能。


成大團隊研發出基於全無機鈣鈦礦量子點光學仿生神經形態突觸元件的結構，及其模擬人類視覺系統運作的示意圖（資料來源：成大新聞中心）
成大團隊研發出基於全無機鈣鈦礦量子點光學仿生神經形態突觸元件的結構，及其模擬人類視覺系統運作的示意圖（資料來源：成大新聞中心）

總結：跨界共榮的鈣鈦礦生態系


鈣鈦礦的潛力早已超越太陽能電池的範疇。在感測器、顯示器和光電催化等領域，它正以前所未有的速度改變著我們的生活與產業。從高解析度的相機，到下一代節能顯示器，再到解決全球能源危機的綠色催化，鈣鈦礦不僅是單一產業的技術突破，更是一場跨領域的材料革命。


這場革命正加速從實驗室走向市場。全球的產學界正積極投入，透過聯盟與合作，共同克服技術挑戰，加速這場光電新紀元的到來。作為這場變革的關鍵推手，我們有幸見證一個跨界共榮的鈣鈦礦生態系，將光與電的無限潛能，轉化為人類未來的美好現實。



參考資料



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