地球上的所有資源都都是源於(yu) 大自然，我們(men) 對任何物質產(chan) 品的材料來源都是源於(yu) 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(wei) 多種產(chan) 品以及物質中的重要物質，所以你手裏麵可能隨時都有它的存在，那麽(me) 今天我們(men) 不說最多的，而是第熱門的矽含量,日常生活中矽原子原材資源豐(feng) 富，作用僅(jin) 次於(yu) 氧，而如今在矽橡膠製品行業(ye) 之中矽鏈子離不開矽元素的豐(feng) 富資源，也就是它算得上是推動社會(hui) 經濟進步發展與(yu) 人類發展史的重要資源之一！

人們(men) 往往對第一名更有印象，比如地殼中含量排名第一的元素是氧，那僅(jin) 次於(yu) 它的第二位呢?答案是矽，它約占地殼總質量的27%。雖然含量豐(feng) 富，但在自然界中卻很難找到它的單質，通常以矽酸鹽和二氧化矽的形式存在，我們(men) 可以在岩石中找到它。矽雖然含量比氧少，但卻有著更為(wei) 驚人的應用性。有了矽才有了性能強大的電子設備，才有了現在的互聯網社會(hui) 。但矽的應用似乎已經停滯不前，因此科學家們(men) 嚐試把矽“偽(wei) 裝”起來，並且得到了傲人的成果。矽的應用為(wei) 何停滯不前？這些“偽(wei) 裝”的矽又是什麽(me) ？我們(men) 一起來看一下吧。

 矽芯片的速度“到頭了”

在電子設備中，矽芯片可以說是核心裝置。從(cong) 智能手機、超薄筆記本電腦到心髒起搏器，它們(men) 的芯片均是由矽鏈子基材製成的。幾乎每年都會(hui) 製造大約650萬(wan) 平方米的芯片投入使用，它們(men) 有一部分投入在計算機和太陽能電池中，但就目前的情況來看，矽在計算機和太陽能電池上的應用效率似乎已經達到上限。

目前小小的計算機矽芯片上已經擁擠不堪，因為(wei) 上麵擠著許多的半導體(ti) 矽製成的矽晶體(ti) 管。作為(wei) 計算機處理信息的基本設備，矽晶體(ti) 管最主要的特性之一，就是充當電阻，實現電壓對電流的開關(guan) 控製，這裏的開關(guan) 指的是電流的存在和不存在。為(wei) 什麽(me) 會(hui) 選擇半導體(ti) 矽作為(wei) 主要的原材料呢？

首先，我們(men) 要了解為(wei) 什麽(me) 選擇半導體(ti) 。因為(wei) 如果是導體(ti) 製作的晶體(ti) 管，由於(yu) 導體(ti) 的導電能力太強，當施加很小的電壓時，就會(hui) 產(chan) 生電流，因此會(hui) 讓晶體(ti) 管一直處於(yu) “開”的狀態；如果是絕緣體(ti) ，無論施加多大的電壓，它也不會(hui) 產(chan) 生電流，晶體(ti) 管會(hui) 一直處於(yu) “關(guan) ”的狀態。這樣的一個(ge) 晶體(ti) 管就不能夠實現電壓對電流的開關(guan) 控製。但半導體(ti) 就不一樣了，它的導電能力介於(yu) 導體(ti) 和絕緣體(ti) 之間，當施加較小的電壓時，它跟絕緣體(ti) 一樣，無法產(chan) 生電流，此時的晶體(ti) 管處於(yu) “關(guan) ”的狀態；當施加電壓較大時，半導體(ti) 就跟導體(ti) 一樣，產(chan) 生電流，此時可以傳(chuan) 輸“開”的信息。這樣半導體(ti) 就可以在施加不同電壓時，在開關(guan) 兩(liang) 種不同狀態中來回轉換，也就可以控製電流，所以半導體(ti) 才成為(wei) 了晶體(ti) 管的主要材料。

其次，選擇矽的原因其實很簡單，因為(wei) 矽在地殼中含量豐(feng) 富，相對於(yu) 鍺、砷化镓來說，價(jia) 格也比較便宜，可以用於(yu) 大批量生產(chan) ，因此半導體(ti) 矽成為(wei) 了幾十年來晶體(ti) 管的首選材料。

一塊芯片上的晶體(ti) 管數目越多，意味著可以同時處理更多的信息，這台計算機的處理速度就越快。但與(yu) 此同時，晶體(ti) 管同時開關(guan) 產(chan) 生的熱量也會(hui) 越多，更多的熱量對芯片的效率會(hui) 產(chan) 生不利的影響，因此一塊芯片上能裝載的晶體(ti) 管數量是有限的。而矽也發揮了它幾乎100%的可用性，這就是為(wei) 什麽(me) 近十年來計算機處理速度基本停滯不前的原因。

光電轉換效率低

在太陽能電池方麵，矽的前景似乎更加黯淡，因為(wei) 它將光能轉換為(wei) 電能的效率太低了，這是為(wei) 什麽(me) 呢？原來在太陽能矽電池中，有兩(liang) 種不同的矽，一種矽上有盈餘(yu) 的電子；另一種矽上有電子空穴，可以用來存放電子。

光是一束從(cong) 太陽內(nei) 射出的微粒流，一束光裏有無數個(ge) 光子，它們(men) 是一個(ge) 個(ge) 很小的小微粒。當光照射在矽電池上，部分光子會(hui) 擊中矽原子的盈餘(yu) 電子，並將電子從(cong) 矽原子裏“敲”出來。被“敲”出來的電子要找個(ge) 地方來存放它，此時它就會(hui) 移動到電子空穴中，而電子的移動會(hui) 產(chan) 生電流。在矽電池中，會(hui) 發生很多類似的撞擊，大量被撞擊的電子會(hui) 不斷“投奔”電子空穴，而且電子並不隻是“定居”在某個(ge) 電子空穴上，而是會(hui) 在多個(ge) 電子空穴中連續移動，直到形成一條特定的移動路線，此時電子發生定向移動產(chan) 生電流，這樣光能就被轉換成電能。

但是光是會(hui) 反射的，在光照射到矽電池表麵後，部分光會(hui) 發生反射，這部分光就不能轉換成電能。同時，被“敲”出來的電子在移動過程中，其中的一些電子可能會(hui) 被其它矽原子“抓”進自己的軌道裏，這些電子無法連續移動，也沒有進入特定路線，路線內(nei) 流動的電子變少，產(chan) 生的電流強度變弱，光能轉換為(wei) 電能的效率就變低。

為(wei) 此，研究人員曾考慮過其它的材料如碲化鎘和砷化镓，但碲、镓等元素因為(wei) 數量少，價(jia) 格也比較貴，無法滿足當今互聯網社會(hui) 的使用量要求，甚至有些元素還可能是有毒的，會(hui) 對環境造成威脅。科學家們(men) 還考慮過石墨烯，它比矽更堅固更輕，而且光電轉換效率也遠比矽電池好，但大批量生產(chan) 石墨烯是很困難的。生產(chan) 石墨烯常用的辦法是機械剝離法，單層的石墨烯非常薄，因此剝離需要精度非常高的儀(yi) 器。一般來說，儀(yi) 器越精密，製作越困難，成本也越高。

看來，希望還是隻能寄存在矽身上了。“變形”矽三劍客

既然矽依然是計算機芯片和太陽能電池的“主力幹將”，那麽(me) 科學家隻好繼續研究該如何讓矽變個(ge) 樣子了。而現在，科學家們(men) 已經有了傲人的成果。在計算機芯片領域，晶體(ti) 管的一種奇特形式在科學家的手中誕生——矽烯。矽烯和石墨烯類似，隻有一層薄薄的平麵結構，和石墨烯不同的是，它由矽原子組成，平麵上都是由6個(ge) 矽原子連接起來的六邊形，它的形狀跟矽晶體(ti) 簡直是大相徑庭。

在傳(chuan) 統的矽晶體(ti) 中，每個(ge) 矽原子都有4個(ge) “觸手”，可以連接4個(ge) 其它的矽原子，隨著連接的矽原子增多，矽就形成了一個(ge) 立方體(ti) 狀的矽晶體(ti) ，而矽烯是平麵的。我們(men) 知道，裝載在芯片上的晶體(ti) 管是由矽製成的，傳(chuan) 統矽由於(yu) 是立方體(ti) 狀的矽晶體(ti) ，體(ti) 積大，製成的晶體(ti) 管也較大，而僅(jin) 有薄薄一層矽元素製成的晶體(ti) 管體(ti) 積就比較小，而體(ti) 積越小，同樣大小的芯片能裝下的晶體(ti) 管越多，更多的晶體(ti) 管就可以同時處理更多的信息，計算機的處理速度也會(hui) 變快。

但體(ti) 積小並不代表著完美，由於(yu) 矽烯隻是一個(ge) 平麵，它的結構很不穩定，就像四邊形比正方體(ti) 更容易變形一樣，矽烯會(hui) 更容易分解，所以矽烯製造的晶體(ti) 管可能隻有幾分鍾的“生命”，因此矽烯目前還無法真正應用在實際生活中。

而在太陽能電池領域，矽的同素異形體(ti) 似乎一直受到科學家們(men) 的青睞。某研究所的工作人員就一直致力於(yu) 實現矽的“變形”，並最終有了驚人的成果。開發人員說，他們(men) 已經研製出了一種有機矽膠的新型材料——Na4Si24晶體(ti) ，這是由矽元素和鈉元素通過擠壓而成的藍色閃亮晶體(ti) 。

研究人員發現，Na4Si24晶體(ti) 是一種“走廊式”結構，就像人在走廊可以隨處走動一樣，鈉離子在矽“走廊”裏也可以輕易地來回“走動”。研究人員試著加熱這種晶體(ti) ，發現鈉離子在熱量的推動下可以輕易地滑出“走廊”，當鈉離子全部滑出“走廊”後，研究人員就得到了矽的同素異形體(ti) ——Si24。經過對比發現，它將光能轉換成電能的效率比普通的矽晶體(ti) 要高。研究人員認為(wei) ，如果Si24可以大批量生產(chan) ，將會(hui) 製造出更高效的太陽能電池。

除了Si24之外，另一種矽的同素異形體(ti) ——矽BC8，也可以應用於(yu) 製作太陽能電池。前文提到，在傳(chuan) 統的矽電池中，光照射在矽電池表麵，一部分光子被矽電池吸收，光子撞擊矽原子的電子，電子發生定向移動形成電流。在這個(ge) 過程中，一個(ge) 光子一般“敲”出一個(ge) 電子後就失效了，光子的利用率很低。如果在陰天或是雨天的情況下，光子數目較少，被撞擊出的電子就更少了，進而產(chan) 生的電流也少，所以矽電池將光能轉換為(wei) 電能的效率就會(hui) 變得更差。

但矽BC8可就不一樣了。矽BC8的特殊結構使得單個(ge) 光子進入後，可以撞擊多個(ge) 電子，可以使多個(ge) 電子發生定向移動，而電子移動越多，產(chan) 生的電流強度可能就越大。這樣，即使隻是少量的光子，矽BC8也可以充分利用光子，“敲”出矽電池內(nei) 的大量電子，並發生定向移動，光能就會(hui) 被大量地轉換為(wei) 電能，從(cong) 而提高陰天和雨天時太陽能矽電池的轉換效率。

把矽“變形”，實際上就是將矽元素的一種形態轉變成另一種形態，如同素異形體(ti) 等，它們(men) 有的加快了計算機芯片的處理速度，有的提高了太陽能電池的使用效率。但令人遺憾的是，它們(men) 還不能真正在真實世界裏大放異彩。即使這樣，科學家們(men) 也不會(hui) 就此退縮，因為(wei) “知難而上”是科學的魅力所在。