地球上（shàng）的（de）所有資源都都（dōu）是源於大自然，我（wǒ）們對任何（hé）物質產品的材料來源都是源於本土的資源所換作而成，比如地殼上中含量較多的一種元素是氧，氧為（wéi）多種產品（pǐn）以及物質中的重（chóng）要物質，所以你手裏麵可能隨時都有它的存在，那麽今天我們不說最多的，而是（shì）第熱門的矽含量,日常生活中矽原子原（yuán）材資源豐富，作用僅（jǐn）次於氧，而如今在矽橡膠製品行業之中矽鏈子離不開矽元素的豐富資源，也就是（shì）它算（suàn）得上是推動社會（huì）經濟進步發展與（yǔ）人（rén）類發展史的重要資（zī）源之一！

人們往（wǎng）往對第一名更有印象（xiàng），比如地殼中（zhōng）含量排名第一的元素是氧，那僅次於（yú）它的第二位呢（ne）?答案是矽，它約占地殼總質量的27%。雖（suī）然含量豐富（fù），但在自然界中卻很難找到它的（de）單質，通常以矽酸鹽和二氧（yǎng）化矽（guī）的形式存在，我們可以在岩石（shí）中找到它。矽雖然含量比氧少，但卻有（yǒu）著（zhe）更為驚人的應用性。有了矽才有（yǒu）了（le）性能強大的電（diàn）子設備，才有了現在的互聯網社會。但矽的應用似乎已（yǐ）經停滯不前，因此科學家們嚐試把矽“偽裝”起來（lái），並且得到了（le）傲人的成果。矽的應（yīng）用為何停滯不（bú）前？這些“偽裝”的矽又是什麽？我們一起（qǐ）來看一（yī）下吧。

 矽芯片的速度“到頭了”

在電子設備中（zhōng），矽芯片可以說是（shì）核心裝置。從（cóng）智能手（shǒu）機（jī）、超薄筆記本電腦到心髒起搏器，它們的芯片均是由（yóu）矽（guī）鏈（liàn）子基材製成的。幾（jǐ）乎每（měi）年都會製造大（dà）約650萬平方米的芯片投入使用，它們有一（yī）部（bù）分投入在計算（suàn）機和太陽能電池中，但就目前的情（qíng）況來看（kàn），矽在計算機和太陽（yáng）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（jīng）擁擠不堪（kān），因為上麵（miàn）擠著許多的半導體矽製成的矽晶體管。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一，就是充當電阻，實（shí）現（xiàn）電壓對電流的開關控製，這裏的開關指的是電流（liú）的存在和不存在。為什麽會選擇半（bàn）導體矽作為主要的原材料呢？

首先，我們要了解為什麽選擇半導體。因（yīn）為如果是導（dǎo）體製作的晶（jīng）體管，由於導體的導電能力太強，當施加很小的電壓時，就會產生電流，因此會讓晶體管一直處於“開”的狀態；如果是絕緣體（tǐ），無論施加多大的（de）電壓，它（tā）也不會產生電流，晶體管會一直處於“關”的狀態。這（zhè）樣的一個晶體管就（jiù）不能夠實現電壓（yā）對電流的開關控製。但半導體就（jiù）不一樣了，它的導電能力介（jiè）於導體和絕（jué）緣體之間，當施加較小的電壓時，它跟（gēn）絕緣體（tǐ）一樣，無法產生電流，此（cǐ）時的晶體管處於“關”的狀態；當施（shī）加電壓較大時，半導體就跟導體一（yī）樣，產生電流，此時可以傳輸“開”的信息。這樣半導體就可以在施加不同電壓時，在開關兩種不（bú）同狀態（tài）中（zhōng）來回轉換，也就（jiù）可以控製電（diàn）流，所以半導體才成為了晶體管的主要材料。

其（qí）次，選擇矽的（de）原因其實很簡單，因為矽在地殼中含量豐富，相對於鍺、砷化（huà）镓來說，價格也比較便（biàn）宜，可以用於大批（pī）量生產，因此半導體矽（guī）成為了幾十年來晶體管的首選材料（liào）。

一塊芯片上的晶體管數目越多，意味著可以同時處理（lǐ）更多的信息，這台計算機的處理速度就（jiù）越快。但與此同時（shí），晶體管同時開關產生的熱量也會越多，更多的熱量對芯片的（de）效率會產生不（bú）利的影響，因此一塊芯片上能裝載（zǎi）的晶體管數（shù）量是有限的。而矽也發揮了它幾乎100%的可用性，這就是為什（shí）麽近十年來（lái）計算機處理速度基本（běn）停（tíng）滯不前的原因。

光電轉換效率低

在太陽能電（diàn）池（chí）方麵（miàn），矽的前景似乎更加（jiā）黯淡，因為它將光能轉換為（wéi）電（diàn）能的效率太低了（le），這是為什麽呢？原來在太陽能矽電池中，有兩種不同（tóng）的矽，一種矽上有盈餘的電（diàn）子；另一種矽上有電子空穴，可以用（yòng）來存放（fàng）電子。

光是一束（shù）從太陽內射出的微粒流，一（yī）束光裏有無數個光（guāng）子，它們是（shì）一個個很小的（de）小微粒。當光（guāng）照射（shè）在矽電池上，部分光子會擊中矽原子的盈餘電子，並將電子從（cóng）矽原子裏“敲”出來（lái）。被“敲”出來的電子要找個（gè）地方（fāng）來存放它，此時它就會移動（dòng）到電子空穴中，而電子的移動會產生電流。在矽電池中，會發生很多類似的撞擊，大量被撞擊的電子會不斷“投奔”電子空穴，而且電子並不隻是“定居”在（zài）某個電子空穴上，而是會在多個電子空穴中（zhōng）連（lián）續移動，直到形成一（yī）條特定的移動路線，此時電子發生定向移動產生電流，這樣光能就被轉換成電能。

但是光是會反射的，在光照射到矽電池表麵（miàn）後，部分光會發生反射，這部分光就不（bú）能（néng）轉（zhuǎn）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（néng）會被其它矽原子“抓”進自己（jǐ）的軌道裏，這些電子無法連續移（yí）動，也沒有進（jìn）入特定路線，路線內流動的電（diàn）子變少，產生的（de）電流強度（dù）變弱（ruò），光能轉換為電能的效率就變低。

為此，研究人員曾考慮（lǜ）過其它的材（cái）料如碲化鎘和砷化镓，但碲、镓等元（yuán）素因為數量少，價格也比較貴，無法滿足當今互（hù）聯網社會的（de）使用量要求，甚至有些元（yuán）素還可能是有毒的，會對環境造成威脅。科學家們還（hái）考慮過石墨（mò）烯，它比（bǐ）矽更（gèng）堅固更輕，而且光電轉換效（xiào）率也遠比矽電池好，但大批（pī）量生產石墨烯是很困難的（de）。生產石墨烯常用的辦法是機械剝離法，單（dān）層的石墨烯非常薄（báo），因此剝離（lí）需要精度非常（cháng）高的儀（yí）器。一般來說，儀（yí）器越精密，製作越困難，成本也越（yuè）高。

看來，希望還是隻（zhī）能寄存在矽身上了。“變形”矽三劍客

既然矽（guī）依（yī）然是計算機芯（xīn）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（hé）讓矽變個樣子了。而現在（zài），科（kē）學家們已經有了（le）傲人（rén）的成果。在計算機芯片領域，晶體管的一種奇特形式在（zài）科學（xué）家的手（shǒu）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個矽原（yuán）子連接起來的六邊形，它的形狀跟矽晶體簡直是（shì）大相徑庭。

在傳統的矽晶體中，每個矽（guī）原子都有4個“觸手”，可以連接4個（gè）其它的矽（guī）原子，隨著連（lián）接的矽原（yuán）子增多，矽（guī）就形成了一個立方體狀的矽晶體，而矽烯是平（píng）麵的。我們知道，裝載在芯片上的晶體管是由矽製成的，傳統矽（guī）由於是立方體狀的矽晶體，體積大，製（zhì）成的晶體管也較大，而僅有薄薄一層矽元素製成的晶（jīng）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（jiù）可以同時處理更多的信息，計算機的處理速度也會變快。

但（dàn）體積小並不代表（biǎo）著完美，由於矽烯隻是一個平麵，它的結構很不（bú）穩定，就像四邊（biān）形比正方（fāng）體更容易變形一樣，矽（guī）烯會更容（róng）易分解，所以矽烯製造的晶體管（guǎn）可能隻（zhī）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於實現矽的“變形”，並最終有了驚人的成果（guǒ）。開發人員說，他（tā）們已經研製出了一種有機矽（guī）膠的新型材料——Na4Si24晶體，這是由矽元素和鈉（nà）元素通過（guò）擠（jǐ）壓而成的藍色閃（shǎn）亮晶體。

研究（jiū）人員發現（xiàn），Na4Si24晶體是（shì）一種“走廊式”結構，就像人在走廊可以隨處走動一樣（yàng），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，發現鈉離（lí）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（yì）形體——Si24。經過對比發現，它將光能轉換成電能的效率比普（pǔ）通的矽晶體要高。研究（jiū）人員認為（wéi），如果Si24可以大批量生產，將會製造出更高效的太陽（yáng）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（néng）電池。前文提（tí）到，在（zài）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成電流。在這個過程中，一個光子一般“敲”出一個電子後就失效了，光子的利用率很低（dī）。如果在陰天或是雨（yǔ）天的情況下，光子數目較少，被撞擊（jī）出的電子就更少了（le），進而產生的電流也少，所以矽（guī）電池將光能轉換為電能的效率（lǜ）就會變得更差。

但矽BC8可就不一樣了。矽BC8的特殊結構使得單個光子進入後，可以（yǐ）撞擊多（duō）個電子，可以使多個電子發生定向（xiàng）移動，而電子移（yí）動越多，產生的電流強（qiáng）度可能就越大（dà）。這樣，即使隻是少量的光子，矽BC8也可以充分利用光子，“敲”出矽電池內的大量電子，並發生定向移動，光能就會被大量地轉換為電能，從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（tóng）素異形（xíng）體等，它們有的加快了計算機芯片的處（chù）理速（sù）度，有的提高（gāo）了太陽能電池的使（shǐ）用效率。但令人遺憾的是，它們還不能真正在真實世界裏大放異（yì）彩。即（jí）使這樣，科學家們也不會就此退縮，因為“知難而上”是（shì）科學的魅力所在。