地球上的所有資源都都是源於大自（zì）然，我們對任（rèn）何物質產品的材料來源都是源於本土的資源所換作而成，比如地殼上中（zhōng）含量較多的一種元素是氧，氧為多種產（chǎn）品以及物質中的重要物質（zhì），所以你手裏麵可（kě）能隨時都有它的存在，那麽今天我們不說最多的，而是第熱門的矽含量,日常生活中矽原子原材資源豐富，作用僅次於氧（yǎng），而如今在（zài）矽橡膠製品行業之中矽（guī）鏈子離不（bú）開矽元素的豐富資源（yuán），也（yě）就是（shì）它算得上是推動社會經（jīng）濟進步發展與人類發展史的重要資源（yuán）之一！

人們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，那僅次於它的第二位呢?答案是矽，它約占（zhàn）地殼總質量的27%。雖然含量豐富，但在自然界中卻很難找到它（tā）的單（dān）質，通常以矽（guī）酸鹽和二氧化矽（guī）的形式存在，我們可以在岩石中找到它。矽雖然含量比氧（yǎng）少，但卻（què）有著更為驚人的應用性（xìng）。有（yǒu）了矽才有了性能強大的（de）電子設備（bèi），才有（yǒu）了現在（zài）的互聯網社（shè）會。但矽的應用似（sì）乎已經（jīng）停滯不前（qián），因此科學家們嚐試把矽“偽（wěi）裝”起來，並且（qiě）得到了傲人的成果。矽的應用為何停滯（zhì）不前？這些“偽裝”的矽又是什麽（me）？我們一起來看一下吧。

 矽芯片的速度“到頭了”

在電子設備中，矽芯（xīn）片可（kě）以說是（shì）核心（xīn）裝置。從智能手機（jī）、超薄筆記本（běn）電（diàn）腦到心髒起搏器，它們的芯片均是由矽鏈子（zǐ）基材製成的。幾乎每年都會製（zhì）造（zào）大約650萬平方米的芯片投入使用（yòng），它們有一部分投入（rù）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（néng）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（piàn）上已經擁擠不（bú）堪，因為上麵擠著許多的（de）半導體矽製成的矽晶（jīng）體（tǐ）管。作為計算機處理信息的基本設備（bèi），矽晶體管最主要的特性之（zhī）一，就是（shì）充當電阻，實現電（diàn）壓對電流的開關控製，這裏的開關指的是電流的存在和不存在。為什（shí）麽（me）會選擇半（bàn）導體矽作為主要的原材（cái）料呢？

首先，我們要了解為什麽選擇半導體。因（yīn）為如果是導體製作的晶體管，由於導體的導電能力太強，當施加很小（xiǎo）的電壓時，就會產生（shēng）電流，因此會讓晶體（tǐ）管一直處於“開”的狀態；如果是絕緣體，無論施加多大的電壓，它也不會產生電流，晶體管會一直處於“關”的狀態。這樣的一個晶體管就不能夠實現電壓對電流的開關控製（zhì）。但半導體就不一樣了，它的導電能力介於導體和絕緣體之間，當施加（jiā）較小（xiǎo）的電壓時，它跟絕緣體一樣，無法（fǎ）產生電（diàn）流，此時的（de）晶體管處於（yú）“關”的（de）狀（zhuàng）態；當施加電壓較大時（shí），半導（dǎo）體就跟（gēn）導體一樣（yàng），產生電流，此時可以傳輸“開”的（de）信息（xī）。這樣半導體就（jiù）可以在施加不同電（diàn）壓時，在開關兩種不同（tóng）狀態中來回轉換，也就可以控製電流，所以半導體才成為了晶體管的主要材料。

其次，選擇（zé）矽的原因其實很簡單，因（yīn）為矽在地殼中含量豐富，相對於鍺、砷化镓來說，價格也比較便宜，可以用於大批量生（shēng）產，因此半導體矽成為了幾十年來晶體管的首選材料。

一塊芯片上的（de）晶體管數目越（yuè）多，意味（wèi）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。但與此同時，晶體管同時開關產生的熱量也會（huì）越多，更多的熱量（liàng）對芯片的效率會產生不利的影響（xiǎng），因（yīn）此一塊芯片（piàn）上能裝載（zǎi）的晶體管數量是有限的。而矽也發揮了它幾乎100%的可用性，這就是為什麽近十年來計算機處理（lǐ）速度基本停滯不前的原因。

光電轉換（huàn）效率低

在太陽能電池方麵（miàn），矽的前景似乎更加黯淡（dàn），因為它將光（guāng）能轉（zhuǎn）換為電能的效率太低（dī）了，這是為什麽呢？原來在太陽能矽電池中，有兩（liǎng）種不同的矽，一種矽（guī）上有盈餘的電（diàn）子；另一種矽（guī）上有（yǒu）電子空穴，可以用（yòng）來存放電子。

光是一束從太陽（yáng）內射出的微（wēi）粒流，一束光裏有（yǒu）無數個光子，它們是一個個很小的小微粒。當光照射在矽電池上，部分光子會擊中矽原子的盈餘電子，並將電子（zǐ）從矽原子裏“敲”出來。被“敲”出來的電子要找（zhǎo）個地方來存放它，此時它就會移動到電子空穴中，而電子的移動會（huì）產生電流。在矽電池中，會發生很多類似的撞擊（jī），大量被撞擊的電子（zǐ）會不斷“投奔”電子空穴，而且電子並不（bú）隻（zhī）是“定居”在某個電子空穴上，而是會在多（duō）個電（diàn）子空穴中連續移（yí）動，直（zhí）到形成一條特定的移動路線，此時電子發生定向移動產（chǎn）生電流，這（zhè）樣光能就被轉換成電能。

但是（shì）光是會反射的，在光照射到矽電池表麵後，部分光會發生反射，這部分光就不能轉換成電能。同時，被“敲”出（chū）來的電子在移動過程中，其中的（de）一些電子可能會被其它矽原子“抓”進自己（jǐ）的軌道裏，這些（xiē）電子無（wú）法連續移動，也沒有進（jìn）入特（tè）定路線，路線內流動的電子變少，產生的電流強度變弱，光能轉換為電能的（de）效率就變低（dī）。

為此，研究人員曾考慮過其它的材料如碲化鎘和（hé）砷化镓，但碲、镓等元素因為數量少，價格也比較貴，無法滿足當今互聯網（wǎng）社會的使用量（liàng）要求，甚至有（yǒu）些元素還可能是有毒的，會對環境造（zào）成威脅。科學（xué）家們還考（kǎo）慮過石墨烯，它比（bǐ）矽更堅固更輕，而且光（guāng）電轉換效率也遠比矽電池好（hǎo），但大批（pī）量生產石（shí）墨烯是很困（kùn）難的。生產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（de）儀器。一般來說，儀（yí）器越精密，製作越（yuè）困（kùn）難，成本（běn）也越高。

看來，希望還是（shì）隻能寄存在矽身上了。“變形”矽三劍（jiàn）客

既（jì）然矽依然是計算機芯片和太（tài）陽能電池的“主力幹將”，那麽科學家隻好繼續研究該如何讓矽變個樣子了。而現在，科學家們已（yǐ）經有了傲人的成果。在計算機芯片領域，晶體管的（de）一種奇特形式在科學家的手中誕生——矽烯。矽烯（xī）和（hé）石（shí）墨烯類似，隻有一層薄薄的（de）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個矽原子連接起來（lái）的六邊形，它的形狀跟矽晶體（tǐ）簡直是大相徑庭。

在傳統的矽晶體中（zhōng），每個矽原子都有4個“觸手”，可以連接4個其它的矽原子，隨著連接的矽原（yuán）子增多，矽就形成了一個（gè）立（lì）方體狀的（de）矽晶體，而矽烯（xī）是平麵的。我們（men）知道，裝載在芯片上的晶體管是由（yóu）矽製成的，傳統（tǒng）矽（guī）由於（yú）是立方（fāng）體狀的矽晶體，體（tǐ）積大（dà），製成（chéng）的晶體（tǐ）管也較大，而僅（jǐn）有薄薄一層矽元素製成的晶體管體積就比較小，而體積越小，同樣大小（xiǎo）的芯片能裝下的晶體管越多，更多的晶體管就可以同（tóng）時處理更多的（de）信息，計算機的處理速度也會變快。

但體積小並（bìng）不代表著完美，由於矽烯隻是一個平麵，它的結構很不穩定，就像四（sì）邊形（xíng）比正方（fāng）體更容易變形一樣，矽（guī）烯會更容易分解，所（suǒ）以矽烯製造（zào）的（de）晶體（tǐ）管可能隻有幾分（fèn）鍾的“生命”，因（yīn）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（yì）形體似乎一（yī）直受到科學家們的青睞。某研究所的工作人員就一直（zhí）致力於（yú）實（shí）現（xiàn）矽的“變形”，並最終有了驚人的成果。開發人員說，他們已（yǐ）經研製出（chū）了一種有機矽（guī）膠的新型材料（liào）——Na4Si24晶體，這是由矽元素和鈉元素通過擠壓而成（chéng）的藍色（sè）閃（shǎn）亮晶體。

研究人員發現，Na4Si24晶體是一種“走廊式”結構，就（jiù）像人在走廊可以隨處走動（dòng）一樣，鈉離子在矽“走廊”裏也可（kě）以輕易地來回“走動”。研究人員（yuán）試著加熱這種晶體，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（de）同素異形體——Si24。經過對比（bǐ）發（fā）現，它將光（guāng）能轉換成電能（néng）的效（xiào）率（lǜ）比普通的矽（guī）晶體（tǐ）要高。研究人員認為，如果Si24可以大批量生（shēng）產，將會製造出更高效的（de）太陽能電池。

除了Si24之外，另一種矽的同素異形體——矽BC8，也可以應用（yòng）於製作太陽能電池。前文提到，在傳統的矽電池中，光照射在矽電池（chí）表麵，一部分光子被矽電池吸收，光子撞擊矽原子（zǐ）的電子，電子發生定向移動形（xíng）成電流。在這個過程中（zhōng），一個光子一般“敲（qiāo）”出一個電（diàn）子後就失效（xiào）了，光子的利用率很低。如果在陰天或是雨天的情況（kuàng）下（xià），光子數目較少，被撞擊出的電子就更少了，進而產生的電流也少，所以（yǐ）矽電池將光能轉換為電能的效率就會變得更差。

但矽BC8可就不一樣（yàng）了（le）。矽BC8的特殊結構使（shǐ）得單個光子進入後，可以撞擊（jī）多個電子，可以使多（duō）個電子發生（shēng）定向移動，而電子移動越（yuè）多，產生的電流強（qiáng）度可能就越大。這樣，即（jí）使隻是少量的（de）光子，矽BC8也可以充分利用光子，“敲”出矽電池內的大量電子，並發生定向移（yí）動，光能就（jiù）會被大量地轉換為電能，從而提高陰（yīn）天和雨天時太陽能（néng）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（biàn）成另一種形態，如同素（sù）異形體等，它們有的加快了計算機芯片的處理（lǐ）速度（dù），有的提高了太陽能電池的使用效率（lǜ）。但令人遺憾的是，它們（men）還不能真正（zhèng）在真實世界（jiè）裏大放異彩。即使這樣，科學家們也不會就此退縮，因（yīn）為（wéi）“知難而上”是（shì）科學的（de）魅力所在。