地球上的所有資源都都是源于大自然，我們對(duì)任何物質(zhì)產(chǎn)品的材料來(lái)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(chǎn)品以及物質(zhì)中的重要物質(zhì)，所以你手里面可能隨時(shí)都有它的存在，那么今天我們不說(shuō)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(yè)之中硅鏈子離不開硅元素的豐富資源，也就是它算得上是推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)進(jìn)步發(fā)展與人類發(fā)展史的重要資源之一！

人們往往對(duì)第一名更有印象，比如地殼中含量排名第一的元素是氧，那僅次于它的第二位呢?答案是硅，它約占地殼總質(zhì)量的27%。雖然含量豐富，但在自然界中卻很難找到它的單質(zhì)，通常以硅酸鹽和二氧化硅的形式存在，我們可以在巖石中找到它。硅雖然含量比氧少，但卻有著更為驚人的應(yīng)用性。有了硅才有了性能強(qiáng)大的電子設(shè)備，才有了現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)社會(huì)。但硅的應(yīng)用似乎已經(jīng)停滯不前，因此科學(xué)家們嘗試把硅“偽裝”起來(lái)，并且得到了傲人的成果。硅的應(yīng)用為何停滯不前？這些“偽裝”的硅又是什么？我們一起來(lái)看一下吧。

 硅芯片的速度“到頭了”

在電子設(shè)備中，硅芯片可以說(shuō)是核心裝置。從智能手機(jī)、超薄筆記本電腦到心臟起搏器，它們的芯片均是由硅鏈子基材制成的。幾乎每年都會(huì)制造大約650萬(wàn)平方米的芯片投入使用，它們有一部分投入在計(jì)算機(jī)和太陽(yáng)能電池中，但就目前的情況來(lái)看，硅在計(jì)算機(jī)和太陽(yáng)能電池上的應(yīng)用效率似乎已經(jīng)達(dá)到上限。

目前小小的計(jì)算機(jī)硅芯片上已經(jīng)擁擠不堪，因?yàn)樯厦鏀D著許多的半導(dǎo)體硅制成的硅晶體管。作為計(jì)算機(jī)處理信息的基本設(shè)備，硅晶體管最主要的特性之一，就是充當(dāng)電阻，實(shí)現(xiàn)電壓對(duì)電流的開關(guān)控制，這里的開關(guān)指的是電流的存在和不存在。為什么會(huì)選擇半導(dǎo)體硅作為主要的原材料呢？

首先，我們要了解為什么選擇半導(dǎo)體。因?yàn)槿绻菍?dǎo)體制作的晶體管，由于導(dǎo)體的導(dǎo)電能力太強(qiáng)，當(dāng)施加很小的電壓時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電流，因此會(huì)讓晶體管一直處于“開”的狀態(tài)；如果是絕緣體，無(wú)論施加多大的電壓，它也不會(huì)產(chǎn)生電流，晶體管會(huì)一直處于“關(guān)”的狀態(tài)。這樣的一個(gè)晶體管就不能夠?qū)崿F(xiàn)電壓對(duì)電流的開關(guān)控制。但半導(dǎo)體就不一樣了，它的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，當(dāng)施加較小的電壓時(shí)，它跟絕緣體一樣，無(wú)法產(chǎn)生電流，此時(shí)的晶體管處于“關(guān)”的狀態(tài)；當(dāng)施加電壓較大時(shí)，半導(dǎo)體就跟導(dǎo)體一樣，產(chǎn)生電流，此時(shí)可以傳輸“開”的信息。這樣半導(dǎo)體就可以在施加不同電壓時(shí)，在開關(guān)兩種不同狀態(tài)中來(lái)回轉(zhuǎn)換，也就可以控制電流，所以半導(dǎo)體才成為了晶體管的主要材料。

其次，選擇硅的原因其實(shí)很簡(jiǎn)單，因?yàn)楣柙诘貧ぶ泻控S富，相對(duì)于鍺、砷化鎵來(lái)說(shuō)，價(jià)格也比較便宜，可以用于大批量生產(chǎn)，因此半導(dǎo)體硅成為了幾十年來(lái)晶體管的首選材料。

一塊芯片上的晶體管數(shù)目越多，意味著可以同時(shí)處理更多的信息，這臺(tái)計(jì)算機(jī)的處理速度就越快。但與此同時(shí)，晶體管同時(shí)開關(guān)產(chǎn)生的熱量也會(huì)越多，更多的熱量對(duì)芯片的效率會(huì)產(chǎn)生不利的影響，因此一塊芯片上能裝載的晶體管數(shù)量是有限的。而硅也發(fā)揮了它幾乎100%的可用性，這就是為什么近十年來(lái)計(jì)算機(jī)處理速度基本停滯不前的原因。

光電轉(zhuǎn)換效率低

在太陽(yáng)能電池方面，硅的前景似乎更加黯淡，因?yàn)樗鼘⒐饽苻D(zhuǎn)換為電能的效率太低了，這是為什么呢？原來(lái)在太陽(yáng)能硅電池中，有兩種不同的硅，一種硅上有盈余的電子；另一種硅上有電子空穴，可以用來(lái)存放電子。

光是一束從太陽(yáng)內(nèi)射出的微粒流，一束光里有無(wú)數(shù)個(gè)光子，它們是一個(gè)個(gè)很小的小微粒。當(dāng)光照射在硅電池上，部分光子會(huì)擊中硅原子的盈余電子，并將電子從硅原子里“敲”出來(lái)。被“敲”出來(lái)的電子要找個(gè)地方來(lái)存放它，此時(shí)它就會(huì)移動(dòng)到電子空穴中，而電子的移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生電流。在硅電池中，會(huì)發(fā)生很多類似的撞擊，大量被撞擊的電子會(huì)不斷“投奔”電子空穴，而且電子并不只是“定居”在某個(gè)電子空穴上，而是會(huì)在多個(gè)電子空穴中連續(xù)移動(dòng)，直到形成一條特定的移動(dòng)路線，此時(shí)電子發(fā)生定向移動(dòng)產(chǎn)生電流，這樣光能就被轉(zhuǎn)換成電能。

但是光是會(huì)反射的，在光照射到硅電池表面后，部分光會(huì)發(fā)生反射，這部分光就不能轉(zhuǎn)換成電能。同時(shí)，被“敲”出來(lái)的電子在移動(dòng)過(guò)程中，其中的一些電子可能會(huì)被其它硅原子“抓”進(jìn)自己的軌道里，這些電子無(wú)法連續(xù)移動(dòng)，也沒(méi)有進(jìn)入特定路線，路線內(nèi)流動(dòng)的電子變少，產(chǎn)生的電流強(qiáng)度變?nèi)酰饽苻D(zhuǎn)換為電能的效率就變低。

為此，研究人員曾考慮過(guò)其它的材料如碲化鎘和砷化鎵，但碲、鎵等元素因?yàn)閿?shù)量少，價(jià)格也比較貴，無(wú)法滿足當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)社會(huì)的使用量要求，甚至有些元素還可能是有毒的，會(huì)對(duì)環(huán)境造成威脅。科學(xué)家們還考慮過(guò)石墨烯，它比硅更堅(jiān)固更輕，而且光電轉(zhuǎn)換效率也遠(yuǎn)比硅電池好，但大批量生產(chǎn)石墨烯是很困難的。生產(chǎn)石墨烯常用的辦法是機(jī)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器。一般來(lái)說(shuō)，儀器越精密，制作越困難，成本也越高。

看來(lái)，希望還是只能寄存在硅身上了。“變形”硅三劍客

既然硅依然是計(jì)算機(jī)芯片和太陽(yáng)能電池的“主力干將”，那么科學(xué)家只好繼續(xù)研究該如何讓硅變個(gè)樣子了。而現(xiàn)在，科學(xué)家們已經(jīng)有了傲人的成果。在計(jì)算機(jī)芯片領(lǐng)域，晶體管的一種奇特形式在科學(xué)家的手中誕生——硅烯。硅烯和石墨烯類似，只有一層薄薄的平面結(jié)構(gòu)，和石墨烯不同的是，它由硅原子組成，平面上都是由6個(gè)硅原子連接起來(lái)的六邊形，它的形狀跟硅晶體簡(jiǎn)直是大相徑庭。

在傳統(tǒng)的硅晶體中，每個(gè)硅原子都有4個(gè)“觸手”，可以連接4個(gè)其它的硅原子，隨著連接的硅原子增多，硅就形成了一個(gè)立方體狀的硅晶體，而硅烯是平面的。我們知道，裝載在芯片上的晶體管是由硅制成的，傳統(tǒng)硅由于是立方體狀的硅晶體，體積大，制成的晶體管也較大，而僅有薄薄一層硅元素制成的晶體管體積就比較小，而體積越小，同樣大小的芯片能裝下的晶體管越多，更多的晶體管就可以同時(shí)處理更多的信息，計(jì)算機(jī)的處理速度也會(huì)變快。

但體積小并不代表著完美，由于硅烯只是一個(gè)平面，它的結(jié)構(gòu)很不穩(wěn)定，就像四邊形比正方體更容易變形一樣，硅烯會(huì)更容易分解，所以硅烯制造的晶體管可能只有幾分鐘的“生命”，因此硅烯目前還無(wú)法真正應(yīng)用在實(shí)際生活中。

而在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，硅的同素異形體似乎一直受到科學(xué)家們的青睞。某研究所的工作人員就一直致力于實(shí)現(xiàn)硅的“變形”，并最終有了驚人的成果。開發(fā)人員說(shuō)，他們已經(jīng)研制出了一種有機(jī)硅膠的新型材料——Na4Si24晶體，這是由硅元素和鈉元素通過(guò)擠壓而成的藍(lán)色閃亮晶體。

研究人員發(fā)現(xiàn)，Na4Si24晶體是一種“走廊式”結(jié)構(gòu)，就像人在走廊可以隨處走動(dòng)一樣，鈉離子在硅“走廊”里也可以輕易地來(lái)回“走動(dòng)”。研究人員試著加熱這種晶體，發(fā)現(xiàn)鈉離子在熱量的推動(dòng)下可以輕易地滑出“走廊”，當(dāng)鈉離子全部滑出“走廊”后，研究人員就得到了硅的同素異形體——Si24。經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，它將光能轉(zhuǎn)換成電能的效率比普通的硅晶體要高。研究人員認(rèn)為，如果Si24可以大批量生產(chǎn)，將會(huì)制造出更高效的太陽(yáng)能電池。

除了Si24之外，另一種硅的同素異形體——硅BC8，也可以應(yīng)用于制作太陽(yáng)能電池。前文提到，在傳統(tǒng)的硅電池中，光照射在硅電池表面，一部分光子被硅電池吸收，光子撞擊硅原子的電子，電子發(fā)生定向移動(dòng)形成電流。在這個(gè)過(guò)程中，一個(gè)光子一般“敲”出一個(gè)電子后就失效了，光子的利用率很低。如果在陰天或是雨天的情況下，光子數(shù)目較少，被撞擊出的電子就更少了，進(jìn)而產(chǎn)生的電流也少，所以硅電池將光能轉(zhuǎn)換為電能的效率就會(huì)變得更差。

但硅BC8可就不一樣了。硅BC8的特殊結(jié)構(gòu)使得單個(gè)光子進(jìn)入后，可以撞擊多個(gè)電子，可以使多個(gè)電子發(fā)生定向移動(dòng)，而電子移動(dòng)越多，產(chǎn)生的電流強(qiáng)度可能就越大。這樣，即使只是少量的光子，硅BC8也可以充分利用光子，“敲”出硅電池內(nèi)的大量電子，并發(fā)生定向移動(dòng)，光能就會(huì)被大量地轉(zhuǎn)換為電能，從而提高陰天和雨天時(shí)太陽(yáng)能硅電池的轉(zhuǎn)換效率。

把硅“變形”，實(shí)際上就是將硅元素的一種形態(tài)轉(zhuǎn)變成另一種形態(tài)，如同素異形體等，它們有的加快了計(jì)算機(jī)芯片的處理速度，有的提高了太陽(yáng)能電池的使用效率。但令人遺憾的是，它們還不能真正在真實(shí)世界里大放異彩。即使這樣，科學(xué)家們也不會(huì)就此退縮，因?yàn)椤爸y而上”是科學(xué)的魅力所在。