地球上的所有資源（yuán）都（dōu）都是（shì）源於大自然，我們對任（rèn）何物質產品的材料來源都是源於（yú）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（yǎng）為多種（zhǒng）產品以及（jí）物質中的重要物質，所以你手（shǒu）裏麵（miàn）可能隨時（shí）都有它的存在，那麽今天我們不說（shuō）最多的，而是第熱（rè）門的矽含量,日常生活中矽原子原（yuán）材資源豐富，作用（yòng）僅次於氧，而如今在矽橡膠（jiāo）製品（pǐn）行業之中矽鏈子離不開矽元素（sù）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類發展史（shǐ）的重要資源之一！

人們（men）往往（wǎng）對第一名更有印象，比如地殼中含量排名第一（yī）的元素是氧，那僅（jǐn）次於它（tā）的第二位呢?答案是矽，它約占（zhàn）地殼（ké）總質量的27%。雖然含（hán）量豐富，但在自然界中（zhōng）卻很難找到它的單質，通常（cháng）以矽酸鹽和（hé）二氧化矽的形式存在，我們可以在岩石中（zhōng）找到它。矽雖然含量比氧少，但卻有著更為驚人的應用性。有了矽才有了（le）性能強（qiáng）大的電子設備，才有（yǒu）了現在的互聯網社會。但矽（guī）的應（yīng）用似乎已經停滯不（bú）前，因（yīn）此科學（xué）家們嚐試把矽“偽裝”起來，並且得到了傲人（rén）的成果。矽的應用為何停滯（zhì）不前？這些“偽裝”的矽又是什麽？我們一起來（lái）看一下吧（ba）。

 矽芯片（piàn）的速度“到頭了（le）”

在電子設備中，矽芯片可以說（shuō）是核心裝置。從智能手（shǒu）機、超（chāo）薄筆記本電腦到心（xīn）髒起（qǐ）搏器，它們（men）的芯片均是由矽鏈子基材製成的。幾（jǐ）乎每年（nián）都（dōu）會製造大約（yuē）650萬（wàn）平方米的芯片投入使用，它們有一部分投（tóu）入在計算機和太陽能（néng）電池中，但就目前的（de）情況來看，矽在計算機和（hé）太陽能電池上的應用效率似乎（hū）已經達到（dào）上限。

目（mù）前小小的計算機矽芯片上已經擁擠不堪，因為上麵擠著許（xǔ）多的半導體（tǐ）矽製成的（de）矽（guī）晶體管。作（zuò）為計算機處理信息的（de）基本設備，矽晶體管最主要的特性（xìng）之一，就是充當電阻，實現電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。為什麽會選擇（zé）半導體矽作為主要的原材料呢？

首先，我們（men）要了解為什麽選擇半（bàn）導體。因為如果是導體製作的晶（jīng）體管，由於導體的（de）導（dǎo）電能（néng）力（lì）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（rú）果是絕緣（yuán）體，無論施加多大的電壓（yā），它也不會產生電（diàn）流，晶體管會一直處於“關”的狀（zhuàng）態。這樣的一（yī）個晶體管就不能夠實現電（diàn）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（yuán）體之間，當施加較小（xiǎo）的電壓（yā）時，它跟絕緣體一樣，無法產生（shēng）電流，此時的晶（jīng）體管處於（yú）“關”的狀態；當施加電壓較大時，半導體（tǐ）就跟（gēn）導體一樣，產（chǎn）生電流（liú），此時可以傳輸“開”的信息。這樣半導體（tǐ）就可以在施加不同電壓時，在開關兩種不同狀態中來回轉換，也就可（kě）以控製電流，所以半導體才成為（wéi）了（le）晶（jīng）體管的主要（yào）材（cái）料。

其次，選擇矽（guī）的原因其實很簡單，因為矽在地殼中（zhōng）含量豐富，相對（duì）於鍺、砷化镓來說，價格也比較便（biàn）宜，可以用於大批量生產，因此半導體（tǐ）矽成為（wéi）了幾十年來晶體管的首選材料。

一塊芯片上的晶體管數目越多，意味著可以同時（shí）處理更多的信息（xī），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越多，更（gèng）多的熱量對（duì）芯片的效率會產生不利的影（yǐng）響，因此一塊芯片上能（néng）裝（zhuāng）載的晶體管數量是（shì）有限的。而矽也發揮了它（tā）幾乎100%的可用（yòng）性，這就是為什麽近十年來計算機（jī）處理速度基本（běn）停滯不前的原因。

光（guāng）電轉換效率低

在太陽能電池方麵，矽的前景似乎更加黯淡，因為它將光能轉換為（wéi）電能的效率太低了，這是為什麽呢？原來在太陽能矽電池中，有兩種不同的矽，一種矽上（shàng）有盈餘的電子；另一種矽上有電子空穴，可以（yǐ）用來存放電子。

光是一束從太陽內射出（chū）的微粒流（liú），一束光裏有（yǒu）無數個光子，它們是（shì）一個個很小的小微粒。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，並將電子從矽原子（zǐ）裏“敲”出來。被“敲”出來的電子要（yào）找個地方來存放它，此（cǐ）時它就會移動到電子空穴中，而（ér）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（diàn）子會不斷“投奔”電子空穴（xué），而且電子並不隻是“定居”在某個電子空穴上，而是會（huì）在多個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（xiàng）移動產生電（diàn）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後，部（bù）分光會發生反射（shè），這部（bù）分光就不能轉換成電能。同時，被“敲”出來的電子在移（yí）動過程中，其中的一些電子（zǐ）可能會被其它矽原子“抓”進自（zì）己的軌道裏，這些電子無法連續移動，也沒有進入特（tè）定（dìng）路（lù）線（xiàn），路線內流動的電子變少，產生的電流強度變弱，光能轉換為電能的效率就變低。

為此，研究人員曾考慮過其它的材料如碲化鎘和砷化镓，但（dàn）碲、镓（jiā）等元素因為（wéi）數量少，價格也比較貴，無法滿足當今互聯網社會的使用量要求，甚至有些（xiē）元素還可能（néng）是有毒的，會對環境造成威脅。科學家們還（hái）考慮過石墨烯（xī），它比矽更堅固更輕（qīng），而且光（guāng）電（diàn）轉換效率也遠比矽電池好，但大批量生產石墨烯是很困難的。生產石墨烯（xī）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器。一（yī）般來說，儀器越精（jīng）密，製作越困難（nán），成本也越高。

看來，希望還是隻能寄存在矽身上（shàng）了。“變（biàn）形”矽三劍客（kè）

既然矽依然（rán）是計算機芯片和太陽能電池的（de）“主力幹將”，那麽科（kē）學家隻好繼續研究該如何讓矽變個（gè）樣子（zǐ）了。而現在，科學家們已經有了傲人的（de）成果。在（zài）計算機芯片領域，晶體管的一（yī）種（zhǒng）奇特形式在科學（xué）家的手中誕生——矽烯。矽（guī）烯和石墨烯（xī）類似，隻有一層薄薄的平麵結構，和（hé）石墨烯不（bú）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（gè）其（qí）它的矽原（yuán）子，隨著連接的矽原子增多，矽就形成了一個立（lì）方體狀的矽晶（jīng）體，而矽烯是平麵（miàn）的。我們知道，裝（zhuāng）載在芯片上的晶體管是由矽製成的，傳統（tǒng）矽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（jǐn）有薄薄一（yī）層矽元素（sù）製成的晶體管體積就比較小（xiǎo），而體（tǐ）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）體積小並不代表著（zhe）完美，由於矽烯隻是一個平麵，它的結構很不穩定，就像四邊形（xíng）比正方體更容易變形一樣，矽烯會更容易分解，所以（yǐ）矽烯製造的晶體管可能隻有幾分鍾的“生命”，因此矽烯目前（qián）還無法真正應用在實際生活中。

而在太陽（yáng）能電池領域，矽的（de）同素異形體似乎（hū）一直受到科學（xué）家們的青睞。某研究所（suǒ）的工（gōng）作人員就一直（zhí）致力於實現矽的“變形”，並最終有了驚人的成果。開發人員說，他們已經研製出了一種有機矽膠的新型材（cái）料——Na4Si24晶體，這是由矽（guī）元素和鈉元素通過擠壓（yā）而成的（de）藍色閃亮晶體。

研究人員（yuán）發現，Na4Si24晶（jīng）體是一種“走廊式”結構，就像人（rén）在走廊可以隨（suí）處走動一樣，鈉離子在矽“走廊”裏也可以（yǐ）輕易地（dì）來回“走動”。研（yán）究人（rén）員（yuán）試著（zhe）加熱這種晶體，發現鈉離子在熱（rè）量的推動下可（kě）以輕易地滑出“走廊”，當鈉離子全（quán）部滑出“走廊”後，研究人員就得到了矽的同素異形體——Si24。經（jīng）過對比發現，它將光（guāng）能（néng）轉換成（chéng）電能的效率比普通的矽（guī）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。

除了（le）Si24之外，另一種矽的同素異形體——矽BC8，也（yě）可以應用於製作太陽能電池。前文提到，在傳統的矽電池中，光照射在矽電池表麵，一部分光子被矽電池吸收，光子撞（zhuàng）擊矽（guī）原子的電子，電子發生定向移動形成電流。在這（zhè）個過程中，一個光子（zǐ）一般“敲”出一個電子後就失效了，光子（zǐ）的利用率（lǜ）很低。如（rú）果在陰天（tiān）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（chǎn）生的電流也少，所以矽（guī）電（diàn）池將光能轉換（huàn）為電能的效率就會變得更差。

但矽BC8可就不一樣了。矽BC8的特殊結構使（shǐ）得單個（gè）光子進入後，可以（yǐ）撞擊多個電子，可以使多個電子發生定向移（yí）動，而電子移動越多（duō），產生（shēng）的電流強度可能（néng）就越大。這樣，即使隻是少量的光子（zǐ），矽BC8也可以充分（fèn）利用光子，“敲”出（chū）矽電池內的大量電子，並發生定向移動（dòng），光能就會被大（dà）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（zhuǎn）換效率。

把矽“變（biàn）形”，實際上就是將矽元素的一種形態轉變（biàn）成另一種形態，如同素異形體等，它們有的加快了計算機芯片的處理速度，有的提高了太陽能電（diàn）池的使用效率。但令人遺憾的（de）是，它們還不能真正在真實世界裏大放異彩。即使這樣，科學家們也不會就此退（tuì）縮，因為（wéi）“知難而上（shàng）”是科學的（de）魅力所在。