地球上的所有資源都都是源於大自然，我們對任何物質產品的材料來源都是源於本土的資源所換作（zuò）而成，比如（rú）地（dì）殼上中含量較多的（de）一種元素是氧，氧為多種產品以及物質中的重要物質，所以你手裏（lǐ）麵（miàn）可能隨時都有它的存在，那麽今天我（wǒ）們不說最多的，而是第熱門的矽含量,日（rì）常生活中矽原子原（yuán）材資源豐富（fù），作用僅次於氧，而如今在（zài）矽橡膠製品行業之中矽鏈子（zǐ）離不開矽元素的豐富（fù）資源，也就是它算得上是推動社會經濟進步發展與人（rén）類發展史的重要資源之（zhī）一！

人們往往對第（dì）一名更有印象（xiàng），比如地殼中含量（liàng）排名第一的元（yuán）素是氧，那僅次於它的第二位呢?答案是矽（guī），它約（yuē）占地（dì）殼總質量的27%。雖然含量豐富，但（dàn）在自然界中卻很（hěn）難找到它的單質，通常以（yǐ）矽酸鹽和二氧化矽的形式存在，我們可以在岩石中找到它。矽雖然含量比氧少，但卻有著（zhe）更為驚人的應用性。有了矽才有了性能強大的電子設備，才有了現（xiàn）在的互（hù）聯網社會。但矽的應用似乎已經停滯不（bú）前，因此科（kē）學家們嚐試把矽“偽裝”起來，並且得到了傲人的成果。矽的應用為何停滯不（bú）前？這些（xiē）“偽裝”的矽又是什麽？我（wǒ）們一起來看一下吧。

 矽芯片（piàn）的速度“到頭了”

在電子設備中，矽芯片可以說是核心裝置。從智能手機、超薄筆記本電腦到心髒起搏器，它們的芯片均是由矽鏈子基材製成的。幾乎每年都會製造大約650萬平方米的芯片投（tóu）入使用，它們有一部分投入（rù）在計算機和太陽能電池中（zhōng），但就目前的情況來看（kàn），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（wéi）上麵（miàn）擠著許多（duō）的半（bàn）導體矽製成的矽晶體管。作為計算機處理信息（xī）的基本設備，矽晶體管最（zuì）主要（yào）的特性之一，就是充當電阻，實現電壓對電流的開關控製，這裏的開（kāi）關指的是電流的存在和（hé）不存在。為什麽會選擇半導體矽作為主要的原材料呢？

首先，我（wǒ）們要了解為（wéi）什麽選擇半導體。因為如果是導體製作的晶體管，由於導體的導電能（néng）力太強，當（dāng）施（shī）加很小的電壓時，就會產（chǎn）生電流，因（yīn）此會讓晶體管一直處於“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（guǎn）會一直處於（yú）“關”的狀態。這樣的（de）一個晶體管就不能夠實現電壓對電流的開關控製。但半導體就不一樣了，它的導電能力介於導體和絕緣體（tǐ）之間，當施加較小的電壓時，它跟絕緣體一樣，無法（fǎ）產生電（diàn）流，此時的晶體管處於“關（guān）”的狀態；當（dāng）施加電壓較大時，半導（dǎo）體就跟導體一樣，產生電流，此（cǐ）時可以傳輸（shū）“開”的信息。這樣半導體就可以在施加不同電壓時，在（zài）開關兩種不同狀態中來回轉換，也就可以控製電流，所以半導體才成為了晶體（tǐ）管的主要材料。

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

一塊芯片上的晶體管數（shù）目越多（duō），意味著可以同時（shí）處理（lǐ）更多的信息，這台計算機的處理速度就越（yuè）快。但與此（cǐ）同時，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效率會產生不利的影響，因此一塊芯片上能裝載（zǎi）的晶體管數量是有限的。而矽也發揮（huī）了它幾（jǐ）乎100%的可用性，這就是為什麽近十年來計算機處理速度（dù）基本停滯不前的原因。

光電轉換（huàn）效率（lǜ）低

在太陽能電池方麵，矽的前景似乎（hū）更加黯淡，因為它將光能（néng）轉換為（wéi）電能的（de）效率太低了，這是為什麽呢？原（yuán）來在太陽（yáng）能矽（guī）電池中，有兩種不（bú）同的矽，一種矽上有盈餘的電子；另（lìng）一種矽上有電子（zǐ）空穴，可以用（yòng）來（lái）存（cún）放電子（zǐ）。

光是一束從太陽內射出的（de）微粒流，一束光（guāng）裏有無數個光子，它們是一個個很小的（de）小微粒。當光（guāng）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”出來的電子要找個地方來存放它，此時（shí）它就會移動到電子（zǐ）空穴中，而電子的（de）移動會產生電流。在矽電池中，會發生很多類似（sì）的撞擊，大（dà）量被撞擊的電子會不斷“投奔”電子空穴，而且電（diàn）子並（bìng）不隻是“定居（jū）”在某（mǒu）個電子空（kōng）穴上，而是會（huì）在多（duō）個（gè）電子空穴中（zhōng）連續移動，直到形成一條特定的移動路線，此時電子（zǐ）發生定（dìng）向移動產生電流，這樣光能就被轉換成電能。

但是光（guāng）是會反射的，在（zài）光照射到矽電池表麵後，部分光會發生（shēng）反射，這（zhè）部分光就不能轉換（huàn）成電能。同時（shí），被“敲”出來的電子在移動過程中（zhōng），其中的一些電子可能會被其它矽原子“抓”進自己（jǐ）的軌道裏（lǐ），這些電子無法連（lián）續移動（dòng），也沒有進入特定路線（xiàn），路線內流動的電子變少，產生的電流強度（dù）變（biàn）弱，光能轉換為電能的效（xiào）率就變低。

為此，研究人員曾考（kǎo）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社會的使用量（liàng）要求，甚至有些元素還可能是有毒的，會對環境造（zào）成威脅（xié）。科學家們還考慮過石墨烯（xī），它比矽更堅固更輕，而且光（guāng）電轉換效率（lǜ）也遠比矽（guī）電池好，但大（dà）批量生（shēng）產石（shí）墨烯是很困難的（de）。生產石墨烯常用的辦法是機械剝離法，單層的（de）石墨烯非常薄，因此剝離需要精度非常高的儀器。一般來說，儀器越精密，製作越困難，成本也越高。

看來，希望還是隻（zhī）能寄存在矽身上了。“變形”矽三劍（jiàn）客

既然矽依然是計算機芯片和太陽能電（diàn）池（chí）的“主（zhǔ）力幹將”，那麽科學家隻好繼續研究該如何讓（ràng）矽變個樣子了。而現在，科學家們已經有了傲人的成果。在計算機芯片領域，晶體管的一種奇特形式在科學家的手中誕（dàn）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（mò）烯（xī）不同的是，它由矽原子組成，平麵上都是由6個矽原子連接起來的（de）六邊形，它的形狀跟矽晶體簡直是大相徑庭。

在傳統的矽晶體中，每（měi）個矽原子都有4個“觸手”，可以連接4個其它的矽原子，隨著連接的矽原子增多，矽就形成了一（yī）個立方體狀（zhuàng）的矽（guī）晶（jīng）體，而矽烯是平麵的。我們知道，裝載（zǎi）在芯（xīn）片上的（de）晶體管是由矽（guī）製成的，傳統矽由（yóu）於是立方（fāng）體狀的矽晶體，體積大，製成的晶體管（guǎn）也較（jiào）大，而僅有薄薄一（yī）層矽元（yuán）素製成的晶體管體積就比較小，而體積越小，同樣大小的芯（xīn）片能裝下的晶體管越多，更多的晶體管就可以同時處（chù）理更多的信息，計算機的處理速（sù）度也會變快。

但體積小並不代表著完美，由於矽烯隻是一個平麵，它的結構很不（bú）穩定，就像四邊形比正（zhèng）方（fāng）體更容易變（biàn）形一樣（yàng），矽烯會更容（róng）易分解，所以矽烯製造的晶體管可（kě）能隻（zhī）有幾分鍾的“生命”，因此矽烯目前還無法真（zhēn）正應用（yòng）在實際生活中。

而在太陽能電池領域，矽的同素（sù）異形體（tǐ）似乎一直受到（dào）科學家們的（de）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。開發人員說，他（tā）們已經研製出（chū）了一種有（yǒu）機矽膠的新型材料——Na4Si24晶體，這是由矽元素和鈉元（yuán）素通過擠壓而成的藍色閃亮晶體。

研究人員發現，Na4Si24晶體是一種“走廊（láng）式”結構，就像人在走（zǒu）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（yán）究人員試著加熱這種晶體，發現鈉離子在熱量的推動下可（kě）以輕易地滑出“走廊”，當鈉離子全部（bù）滑出“走廊”後，研究人員就得到了矽的同素異形體——Si24。經過對比發現，它將光能轉換成電（diàn）能的效率比普通的矽晶體要高。研究人員認為，如果Si24可以大批量生產，將會（huì）製造出更高效的太陽能電池。

除（chú）了Si24之外，另一種矽的同素異形體——矽BC8，也可以應用於製作太陽能電池。前（qián）文提到（dào），在（zài）傳統的矽電（diàn）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（shēng）定向移動形成電流。在這（zhè）個（gè）過程中，一個光子（zǐ）一般“敲”出（chū）一個電子後就失效（xiào）了，光子的利用率很低。如果在陰天或是雨天（tiān）的情況下，光子數目較少，被撞擊（jī）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（lǜ）就會變得更差。

但矽BC8可（kě）就不一（yī）樣了。矽BC8的特殊結構使得單個光子進入後，可以撞擊多個電子，可以（yǐ）使多個電子發生（shēng）定向移動，而電子移動越多，產生的電流強度可能就越大。這（zhè）樣，即使隻是少量的（de）光（guāng）子，矽BC8也可（kě）以充分（fèn）利用光子，“敲”出矽電池內的大量電（diàn）子，並發生定向移動，光能就會被大量地轉（zhuǎn）換為電（diàn）能，從而提高陰天和雨（yǔ）天（tiān）時（shí）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（tài）轉變成（chéng）另一種形態，如同素異形體等，它們有的加快了計（jì）算機芯片的處理速（sù）度，有的提高了太陽能電池的使用效（xiào）率。但令人遺憾的是，它們（men）還不能真正在真（zhēn）實世界裏（lǐ）大放異彩。即使這樣，科（kē）學家們也不會（huì）就此退縮，因為“知難而上”是科學的魅力所在。