地球上的所有資源都都是源于大自然，我們對任何物質產品的材料來源都是源于本土的資源所換作而成，比如地殼上中含量較多的一種元素是氧，氧為多種產品以及物質中的重要物質，所以你手里面可能隨時都有它的存在，那么今天我們不說最多的，而是第熱門的硅含量,日常生活中硅原子原材資源豐富，作用僅次于氧，而如今在硅橡膠制品行業(ye)之中硅鏈(lian)子離不開(kai)硅元素(su)的豐(feng)富資(zi)源，也就是它算得上是推動社會經濟(ji)進步發(fa)展(zhan)(zhan)與(yu)人類發(fa)展(zhan)(zhan)史(shi)的重要資(zi)源之一(yi)！

人們(men)往往對第一(yi)(yi)名更有(you)印(yin)象，比(bi)如地(di)殼中含(han)量(liang)排名第一(yi)(yi)的(de)(de)(de)(de)(de)元素是(shi)氧(yang)，那僅次(ci)于(yu)它(ta)的(de)(de)(de)(de)(de)第二位呢?答案是(shi)硅(gui)，它(ta)約占地(di)殼總質(zhi)量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)27%。雖然含(han)量(liang)豐富，但(dan)在自然界中卻很難找到它(ta)的(de)(de)(de)(de)(de)單質(zhi)，通常(chang)以(yi)硅(gui)酸鹽和二氧(yang)化硅(gui)的(de)(de)(de)(de)(de)形式存在，我(wo)們(men)可以(yi)在巖(yan)石中找到它(ta)。硅(gui)雖然含(han)量(liang)比(bi)氧(yang)少，但(dan)卻有(you)著更為驚人的(de)(de)(de)(de)(de)應用(yong)(yong)性(xing)。有(you)了硅(gui)才有(you)了性(xing)能(neng)強(qiang)大的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)子設備(bei)，才有(you)了現在的(de)(de)(de)(de)(de)互(hu)聯網(wang)社會。但(dan)硅(gui)的(de)(de)(de)(de)(de)應用(yong)(yong)似乎已(yi)經(jing)停滯不(bu)(bu)前，因此科學家(jia)們(men)嘗試(shi)把硅(gui)“偽裝(zhuang)”起來，并且得到了傲(ao)人的(de)(de)(de)(de)(de)成果。硅(gui)的(de)(de)(de)(de)(de)應用(yong)(yong)為何停滯不(bu)(bu)前？這些“偽裝(zhuang)”的(de)(de)(de)(de)(de)硅(gui)又是(shi)什(shen)么？我(wo)們(men)一(yi)(yi)起來看一(yi)(yi)下吧。

 硅芯片的(de)速度“到頭了”

在(zai)電子設備中，硅芯片可以說是核(he)心裝置。從(cong)智能手機(ji)、超薄筆記本電腦到(dao)心臟起搏器，它們(men)的(de)(de)芯片均是由硅鏈子基材(cai)制(zhi)成的(de)(de)。幾(ji)乎每(mei)年都會制(zhi)造大約(yue)650萬平方(fang)米的(de)(de)芯片投入使用(yong)，它們(men)有一部(bu)分投入在(zai)計算(suan)(suan)機(ji)和(he)(he)太陽能電池中，但(dan)就(jiu)目(mu)前的(de)(de)情況來看，硅在(zai)計算(suan)(suan)機(ji)和(he)(he)太陽能電池上(shang)的(de)(de)應用(yong)效率似乎已(yi)經達到(dao)上(shang)限。

目前小小的(de)(de)(de)計算機硅芯片(pian)上已經(jing)擁擠不(bu)堪，因為上面擠著(zhu)許多的(de)(de)(de)半(ban)導體(ti)(ti)硅制成的(de)(de)(de)硅晶(jing)體(ti)(ti)管(guan)。作(zuo)為計算機處理(li)信息的(de)(de)(de)基本設備，硅晶(jing)體(ti)(ti)管(guan)最主要的(de)(de)(de)特性之一(yi)，就是充當(dang)電阻，實現電壓對(dui)電流的(de)(de)(de)開(kai)關控制，這里的(de)(de)(de)開(kai)關指(zhi)的(de)(de)(de)是電流的(de)(de)(de)存(cun)在和不(bu)存(cun)在。為什么會選擇半(ban)導體(ti)(ti)硅作(zuo)為主要的(de)(de)(de)原材料(liao)呢(ni)？

首(shou)先，我們要了解(jie)為(wei)(wei)什(shen)么選擇(ze)半導(dao)體(ti)(ti)。因為(wei)(wei)如果是(shi)導(dao)體(ti)(ti)制作的(de)(de)(de)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)，由(you)于導(dao)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)導(dao)電(dian)(dian)(dian)能(neng)力(li)太強，當(dang)施(shi)加(jia)很小(xiao)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)時(shi)，就(jiu)(jiu)會產生電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)，因此(ci)(ci)會讓晶(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)一(yi)(yi)直處(chu)于“開”的(de)(de)(de)狀態(tai)；如果是(shi)絕(jue)緣(yuan)體(ti)(ti)，無(wu)論施(shi)加(jia)多(duo)大的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)，它也(ye)不(bu)(bu)會產生電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)，晶(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)會一(yi)(yi)直處(chu)于“關”的(de)(de)(de)狀態(tai)。這樣(yang)的(de)(de)(de)一(yi)(yi)個晶(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)就(jiu)(jiu)不(bu)(bu)能(neng)夠實現電(dian)(dian)(dian)壓(ya)對電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)的(de)(de)(de)開關控制。但(dan)半導(dao)體(ti)(ti)就(jiu)(jiu)不(bu)(bu)一(yi)(yi)樣(yang)了，它的(de)(de)(de)導(dao)電(dian)(dian)(dian)能(neng)力(li)介于導(dao)體(ti)(ti)和絕(jue)緣(yuan)體(ti)(ti)之間，當(dang)施(shi)加(jia)較小(xiao)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)時(shi)，它跟(gen)絕(jue)緣(yuan)體(ti)(ti)一(yi)(yi)樣(yang)，無(wu)法產生電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)，此(ci)(ci)時(shi)的(de)(de)(de)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)處(chu)于“關”的(de)(de)(de)狀態(tai)；當(dang)施(shi)加(jia)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)較大時(shi)，半導(dao)體(ti)(ti)就(jiu)(jiu)跟(gen)導(dao)體(ti)(ti)一(yi)(yi)樣(yang)，產生電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)，此(ci)(ci)時(shi)可以(yi)(yi)傳輸(shu)“開”的(de)(de)(de)信(xin)息。這樣(yang)半導(dao)體(ti)(ti)就(jiu)(jiu)可以(yi)(yi)在(zai)施(shi)加(jia)不(bu)(bu)同電(dian)(dian)(dian)壓(ya)時(shi)，在(zai)開關兩種不(bu)(bu)同狀態(tai)中來回轉換，也(ye)就(jiu)(jiu)可以(yi)(yi)控制電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)，所(suo)以(yi)(yi)半導(dao)體(ti)(ti)才成(cheng)為(wei)(wei)了晶(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)的(de)(de)(de)主要材料。

其次，選擇硅(gui)的(de)原因(yin)(yin)其實很簡單，因(yin)(yin)為硅(gui)在(zai)地殼中含量豐(feng)富(fu)，相(xiang)對(dui)于鍺、砷(shen)化鎵來說，價格(ge)也比較便宜(yi)，可以用于大批量生產，因(yin)(yin)此半導體(ti)硅(gui)成(cheng)為了幾十年來晶體(ti)管的(de)首(shou)選材料。

一塊芯片(pian)上的(de)(de)(de)晶(jing)體管數目越多(duo)，意味著可以同(tong)時處理(li)更(geng)多(duo)的(de)(de)(de)信息，這(zhe)臺計(ji)算(suan)機(ji)的(de)(de)(de)處理(li)速度(du)(du)就越快。但與此同(tong)時，晶(jing)體管同(tong)時開關產生的(de)(de)(de)熱(re)量(liang)也會越多(duo)，更(geng)多(duo)的(de)(de)(de)熱(re)量(liang)對芯片(pian)的(de)(de)(de)效(xiao)率會產生不利的(de)(de)(de)影(ying)響，因(yin)此一塊芯片(pian)上能裝載的(de)(de)(de)晶(jing)體管數量(liang)是(shi)(shi)有限的(de)(de)(de)。而硅也發(fa)揮了它(ta)幾乎100%的(de)(de)(de)可用性，這(zhe)就是(shi)(shi)為什么近十年(nian)來計(ji)算(suan)機(ji)處理(li)速度(du)(du)基本停滯不前(qian)的(de)(de)(de)原因(yin)。

光電轉換效率低

在太陽(yang)能電(dian)池方面(mian)，硅(gui)(gui)的(de)前景似乎更(geng)加黯淡，因為(wei)它將(jiang)光能轉(zhuan)換(huan)為(wei)電(dian)能的(de)效(xiao)率太低了，這(zhe)是為(wei)什么呢？原來在太陽(yang)能硅(gui)(gui)電(dian)池中，有(you)兩種不同的(de)硅(gui)(gui)，一種硅(gui)(gui)上有(you)盈余的(de)電(dian)子；另一種硅(gui)(gui)上有(you)電(dian)子空穴，可以用來存放電(dian)子。

光是(shi)一束從(cong)太(tai)陽內射(she)出的(de)(de)(de)微(wei)粒流，一束光里(li)有無數個(ge)光子(zi)(zi)(zi)，它(ta)們是(shi)一個(ge)個(ge)很小(xiao)的(de)(de)(de)小(xiao)微(wei)粒。當(dang)光照射(she)在(zai)硅(gui)電(dian)(dian)(dian)池上，部分光子(zi)(zi)(zi)會(hui)(hui)(hui)擊(ji)(ji)(ji)中硅(gui)原子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)盈余電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)，并將電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)從(cong)硅(gui)原子(zi)(zi)(zi)里(li)“敲”出來(lai)。被“敲”出來(lai)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)要找個(ge)地方來(lai)存放它(ta)，此時它(ta)就會(hui)(hui)(hui)移動(dong)到(dao)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)空穴中，而(er)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)移動(dong)會(hui)(hui)(hui)產生(sheng)電(dian)(dian)(dian)流。在(zai)硅(gui)電(dian)(dian)(dian)池中，會(hui)(hui)(hui)發(fa)生(sheng)很多(duo)類似的(de)(de)(de)撞(zhuang)擊(ji)(ji)(ji)，大量被撞(zhuang)擊(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)會(hui)(hui)(hui)不(bu)斷(duan)“投奔”電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)空穴，而(er)且電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)并不(bu)只是(shi)“定居”在(zai)某個(ge)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)空穴上，而(er)是(shi)會(hui)(hui)(hui)在(zai)多(duo)個(ge)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)空穴中連續(xu)移動(dong)，直到(dao)形成一條特(te)定的(de)(de)(de)移動(dong)路線，此時電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)發(fa)生(sheng)定向移動(dong)產生(sheng)電(dian)(dian)(dian)流，這樣(yang)光能(neng)就被轉換成電(dian)(dian)(dian)能(neng)。

但(dan)是(shi)光(guang)(guang)是(shi)會反射(she)的(de)(de)，在光(guang)(guang)照射(she)到硅電(dian)(dian)(dian)(dian)池表面后，部分光(guang)(guang)會發(fa)生反射(she)，這部分光(guang)(guang)就不能(neng)轉換成電(dian)(dian)(dian)(dian)能(neng)。同時，被“敲”出來的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)在移(yi)動過程中(zhong)，其(qi)中(zhong)的(de)(de)一些(xie)電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)可能(neng)會被其(qi)它(ta)硅原子(zi)“抓”進自己的(de)(de)軌道里，這些(xie)電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)無法連續(xu)移(yi)動，也沒(mei)有進入特定(ding)路線(xian)，路線(xian)內流動的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)變少(shao)，產生的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)流強度變弱，光(guang)(guang)能(neng)轉換為(wei)電(dian)(dian)(dian)(dian)能(neng)的(de)(de)效(xiao)率就變低。

為此，研究人員曾考慮(lv)過其它(ta)的(de)材(cai)料如碲化(hua)鎘和砷化(hua)鎵(jia)，但(dan)碲、鎵(jia)等元素因(yin)為數量(liang)少，價格也(ye)比(bi)較貴(gui)，無(wu)法(fa)滿足(zu)當(dang)今互(hu)聯網社會的(de)使用量(liang)要求，甚至有些元素還可能是有毒的(de)，會對環境造成威脅。科學家們(men)還考慮(lv)過石(shi)墨(mo)(mo)(mo)烯，它(ta)比(bi)硅(gui)更堅固更輕，而且光電轉換(huan)效率也(ye)遠比(bi)硅(gui)電池好，但(dan)大批量(liang)生產石(shi)墨(mo)(mo)(mo)烯是很(hen)困(kun)難的(de)。生產石(shi)墨(mo)(mo)(mo)烯常用的(de)辦法(fa)是機(ji)械剝(bo)離(li)法(fa)，單(dan)層的(de)石(shi)墨(mo)(mo)(mo)烯非常薄，因(yin)此剝(bo)離(li)需要精度非常高的(de)儀器。一般來說，儀器越精密，制作(zuo)越困(kun)難，成本也(ye)越高。

看來，希(xi)望還是(shi)只(zhi)能寄存在硅身上了。“變形(xing)”硅三劍客

既然(ran)硅依(yi)然(ran)是(shi)(shi)計(ji)算機芯片和(he)太陽能電池的(de)“主力(li)干將”，那么科學(xue)家只好繼續(xu)研究(jiu)該如何讓硅變個樣(yang)子(zi)了。而現在，科學(xue)家們已經有(you)了傲人的(de)成(cheng)果。在計(ji)算機芯片領域，晶體管的(de)一種奇(qi)特形式在科學(xue)家的(de)手中誕生——硅烯。硅烯和(he)石(shi)墨烯類似，只有(you)一層薄薄的(de)平面結構(gou)，和(he)石(shi)墨烯不(bu)同的(de)是(shi)(shi)，它由硅原(yuan)(yuan)子(zi)組(zu)成(cheng)，平面上都是(shi)(shi)由6個硅原(yuan)(yuan)子(zi)連(lian)接(jie)起(qi)來(lai)的(de)六邊形，它的(de)形狀跟硅晶體簡直是(shi)(shi)大相徑庭(ting)。

在傳(chuan)統(tong)的(de)(de)(de)(de)硅(gui)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)(ti)中，每(mei)個(ge)(ge)硅(gui)原子(zi)都有4個(ge)(ge)“觸手”，可以連(lian)接(jie)4個(ge)(ge)其它的(de)(de)(de)(de)硅(gui)原子(zi)，隨著連(lian)接(jie)的(de)(de)(de)(de)硅(gui)原子(zi)增多(duo)，硅(gui)就(jiu)形成(cheng)了一個(ge)(ge)立(li)方(fang)體(ti)(ti)(ti)(ti)狀的(de)(de)(de)(de)硅(gui)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)(ti)，而(er)硅(gui)烯是平(ping)面的(de)(de)(de)(de)。我們知(zhi)道，裝載在芯(xin)片(pian)上(shang)的(de)(de)(de)(de)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)(ti)管是由硅(gui)制(zhi)(zhi)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)，傳(chuan)統(tong)硅(gui)由于是立(li)方(fang)體(ti)(ti)(ti)(ti)狀的(de)(de)(de)(de)硅(gui)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)(ti)，體(ti)(ti)(ti)(ti)積大(da)，制(zhi)(zhi)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)(ti)管也較大(da)，而(er)僅有薄薄一層硅(gui)元素制(zhi)(zhi)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)(ti)管體(ti)(ti)(ti)(ti)積就(jiu)比較小，而(er)體(ti)(ti)(ti)(ti)積越小，同(tong)樣大(da)小的(de)(de)(de)(de)芯(xin)片(pian)能裝下的(de)(de)(de)(de)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)(ti)管越多(duo)，更多(duo)的(de)(de)(de)(de)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)(ti)管就(jiu)可以同(tong)時處(chu)理(li)更多(duo)的(de)(de)(de)(de)信息(xi)，計算機的(de)(de)(de)(de)處(chu)理(li)速度(du)也會變快。

但(dan)體積小并不(bu)(bu)代表著完美(mei)，由于硅(gui)烯(xi)(xi)只(zhi)是一(yi)個平面(mian)，它的結(jie)構很不(bu)(bu)穩(wen)定，就像四邊形比正方(fang)體更容易(yi)變形一(yi)樣，硅(gui)烯(xi)(xi)會更容易(yi)分(fen)解，所以硅(gui)烯(xi)(xi)制造的晶(jing)體管可能只(zhi)有幾分(fen)鐘(zhong)的“生命”，因此硅(gui)烯(xi)(xi)目(mu)前還無法真(zhen)正應用在(zai)實際生活中。

而在太陽能電池領域，硅的同素異形體似乎一直受到科學家們的青睞。某研究所的工作人員就一直致力于實現硅的“變形”，并最終有了驚人的成果。開發人員說，他們已經研制出了一種有機硅膠的新型材料——Na4Si24晶(jing)(jing)體(ti)，這是由(you)硅元素和鈉元素通過(guo)擠壓而成的藍(lan)色閃亮(liang)晶(jing)(jing)體(ti)。

研(yan)究(jiu)人(ren)員發現(xian)，Na4Si24晶(jing)體是一種(zhong)“走廊式”結構，就像人(ren)在走廊可(ke)以隨(sui)處走動(dong)一樣，鈉(na)(na)離(li)子在硅“走廊”里也可(ke)以輕(qing)易(yi)地來回(hui)“走動(dong)”。研(yan)究(jiu)人(ren)員試著加熱(re)(re)這(zhe)種(zhong)晶(jing)體，發現(xian)鈉(na)(na)離(li)子在熱(re)(re)量的推動(dong)下可(ke)以輕(qing)易(yi)地滑(hua)出“走廊”，當(dang)鈉(na)(na)離(li)子全部滑(hua)出“走廊”后，研(yan)究(jiu)人(ren)員就得到了硅的同素異形體——Si24。經(jing)過對比發現(xian)，它將(jiang)光能轉換成電能的效率比普(pu)通的硅晶(jing)體要(yao)高(gao)。研(yan)究(jiu)人(ren)員認為，如果Si24可(ke)以大批量生產，將(jiang)會制造出更高(gao)效的太陽能電池。

除(chu)了Si24之外，另一種硅(gui)(gui)的(de)同素異形體——硅(gui)(gui)BC8，也可以應用于制作太陽能(neng)電(dian)(dian)池(chi)。前文提到，在(zai)傳統的(de)硅(gui)(gui)電(dian)(dian)池(chi)中(zhong)，光(guang)照射(she)在(zai)硅(gui)(gui)電(dian)(dian)池(chi)表面，一部分光(guang)子(zi)(zi)被硅(gui)(gui)電(dian)(dian)池(chi)吸收，光(guang)子(zi)(zi)撞擊(ji)硅(gui)(gui)原子(zi)(zi)的(de)電(dian)(dian)子(zi)(zi)，電(dian)(dian)子(zi)(zi)發生定向移(yi)動形成電(dian)(dian)流。在(zai)這個過程中(zhong)，一個光(guang)子(zi)(zi)一般“敲”出一個電(dian)(dian)子(zi)(zi)后就失效了，光(guang)子(zi)(zi)的(de)利用率(lv)很低。如果在(zai)陰天或是(shi)雨天的(de)情況下，光(guang)子(zi)(zi)數目(mu)較(jiao)少(shao)(shao)，被撞擊(ji)出的(de)電(dian)(dian)子(zi)(zi)就更少(shao)(shao)了，進(jin)而產生的(de)電(dian)(dian)流也少(shao)(shao)，所以硅(gui)(gui)電(dian)(dian)池(chi)將(jiang)光(guang)能(neng)轉換為電(dian)(dian)能(neng)的(de)效率(lv)就會(hui)變得更差。

但硅(gui)BC8可(ke)就(jiu)不一樣(yang)了。硅(gui)BC8的特(te)殊結構使(shi)得單個(ge)光(guang)子(zi)進入后，可(ke)以(yi)撞(zhuang)擊多個(ge)電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)，可(ke)以(yi)使(shi)多個(ge)電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)發生(sheng)定向移(yi)動，而電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)移(yi)動越多，產生(sheng)的電(dian)(dian)(dian)(dian)流強度可(ke)能(neng)就(jiu)越大(da)。這(zhe)樣(yang)，即(ji)使(shi)只是少(shao)量(liang)的光(guang)子(zi)，硅(gui)BC8也可(ke)以(yi)充(chong)分利(li)用光(guang)子(zi)，“敲”出(chu)硅(gui)電(dian)(dian)(dian)(dian)池內的大(da)量(liang)電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)，并(bing)發生(sheng)定向移(yi)動，光(guang)能(neng)就(jiu)會被大(da)量(liang)地(di)轉換為電(dian)(dian)(dian)(dian)能(neng)，從(cong)而提(ti)高(gao)陰天和雨天時太陽能(neng)硅(gui)電(dian)(dian)(dian)(dian)池的轉換效率(lv)。

把(ba)硅“變形(xing)(xing)”，實際上就(jiu)是將(jiang)硅元(yuan)素的(de)(de)一(yi)種形(xing)(xing)態轉(zhuan)變成另一(yi)種形(xing)(xing)態，如同素異形(xing)(xing)體(ti)等，它們有的(de)(de)加快了計算機芯片的(de)(de)處理速度，有的(de)(de)提(ti)高了太陽(yang)能電池的(de)(de)使(shi)用效率。但(dan)令人遺(yi)憾(han)的(de)(de)是，它們還(huan)不能真(zhen)正在真(zhen)實世界里大放異彩。即(ji)使(shi)這樣，科學(xue)家們也不會(hui)就(jiu)此退(tui)縮，因為“知難而(er)上”是科學(xue)的(de)(de)魅力所在。