地（dì）球（qiú）上的所（suǒ）有資源都都是源於大自然，我（wǒ）們對任何物質產品的材料來源都是源於本土的資源（yuán）所換作而成，比如地殼上中含量較多的（de）一（yī）種元素是氧，氧為多（duō）種產品以（yǐ）及物質中的重要物質，所（suǒ）以你手裏麵可能隨時都有它的存在，那麽今天我們（men）不說最多的，而是第熱（rè）門的矽（guī）含量,日常生活中矽原子原材資源（yuán）豐富，作用僅次於氧，而如今（jīn）在矽橡膠製品行業（yè）之中矽鏈子離不開矽元素的豐（fēng）富資源，也就是它算得上是推（tuī）動社會經濟進步發展與人類發展史的重要資源之一！

人們往往對第一名（míng）更有印象，比如地殼中含量排名第一（yī）的（de）元素（sù）是氧，那僅（jǐn）次於（yú）它的第二位呢?答案是矽，它約占地殼總質量的27%。雖然含量豐富，但在自然界中卻很難（nán）找到它的單質，通常以矽酸鹽和二氧化矽的形式存在，我們可以在岩石中找到（dào）它。矽雖然含量比氧少，但卻有著（zhe）更為驚（jīng）人的應（yīng）用性。有了矽才有了性能強大的（de）電子設備，才有了現在的互聯網社會。但矽的應用似乎已經停滯不前，因此科學家（jiā）們嚐試把矽“偽裝”起來（lái），並且得到（dào）了傲人的成果。矽的應（yīng）用為何停滯不（bú）前？這些“偽裝”的矽又是什麽？我們一起來看一下吧。

 矽芯（xīn）片的（de）速度“到頭了”

在電子設備中，矽芯片可以（yǐ）說是核心裝置。從智能手機、超薄筆記本（běn）電腦到心髒起搏器，它們的芯片均是由矽鏈子基（jī）材製成（chéng）的。幾乎每年都會製造大（dà）約（yuē）650萬平方米的（de）芯片投入使用，它們有一部分（fèn）投入在計算機和（hé）太陽能電池中，但就目前的（de）情況來看，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，因為上麵擠著許（xǔ）多的半導體矽製成的矽晶體管。作（zuò）為計算機處理信息的基本設備，矽晶體（tǐ）管最主（zhǔ）要的特性之一，就是充當電阻，實現電壓對電流（liú）的開關控製，這裏的開關指的是電流的存在和不存在。為（wéi）什麽會選擇半導體矽作為主要的原材料呢（ne）？

首（shǒu）先，我們要了解為什麽選（xuǎn）擇半導體。因為如果是導體製作的晶體管，由於導體的導電能力太強，當施加很（hěn）小（xiǎo）的電壓時，就會產生電流，因此會讓晶體（tǐ）管一直處（chù）於“開”的狀態；如果是絕緣（yuán）體，無論施（shī）加（jiā）多大（dà）的電壓（yā），它也不會產生電流，晶體管會一直（zhí）處於“關”的狀態。這樣（yàng）的一個晶體管就不能夠實（shí）現電壓對電流的開關控製。但半（bàn）導體就不一樣了，它的導電能力介於（yú）導體和絕緣體（tǐ）之間，當施加較小的電壓時，它跟（gēn）絕緣體一樣，無法產生電流，此時（shí）的（de）晶體管處於“關”的狀（zhuàng）態；當施（shī）加電壓較（jiào）大時，半導（dǎo）體就跟導體一樣，產生電流，此時可以傳輸“開”的信（xìn）息。這樣半導體（tǐ）就可（kě）以在（zài）施（shī）加不同電壓（yā）時（shí），在開關兩種（zhǒng）不同狀態中來回轉換，也就可以控（kòng）製電流，所以半導體才成為了晶體管的主要材料（liào）。

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

一塊芯片上的晶（jīng）體管數目越多，意味著可以同時處理更多的信息，這台計算機的（de）處（chù）理速度就越快。但（dàn）與此同時，晶體管同時（shí）開關產生的熱量也會越多，更多的熱量（liàng）對芯（xīn）片的效率（lǜ）會產生不利的影響，因此一塊芯片上能裝載的晶體管數量是有限的。而（ér）矽（guī）也發（fā）揮了它幾乎100%的可（kě）用性，這就是為什（shí）麽近十年（nián）來計算機處理速度基本停滯不前的原因。

光電轉換效率低

在太陽（yáng）能電（diàn）池方麵，矽的前景（jǐng）似乎更加黯淡，因為它將光能轉換為電能的效率太低了，這是為什麽呢？原來在太陽能矽電（diàn）池中，有兩種不同的矽，一（yī）種（zhǒng）矽上有盈（yíng）餘的電子；另（lìng）一種矽上有電子空穴，可以用來存放電（diàn）子。

光是（shì）一束從太陽內射出的微粒流，一束光裏有無數個光子，它們是一個個很小（xiǎo）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，並將電子從（cóng）矽（guī）原子裏“敲”出來。被“敲”出來的電子要找個地方（fāng）來存放它（tā），此時它就會移動到電子空（kōng）穴中（zhōng），而電子的（de）移動會產生電流。在矽電池（chí）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（jū）”在某個電子（zǐ）空穴上，而是會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（shí）電（diàn）子（zǐ）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（diàn）池表麵後，部分光會發生反射，這部分光就不能轉換成（chéng）電能。同時，被“敲”出（chū）來的電子在移動過程中，其中的一（yī）些電（diàn）子可能會被（bèi）其它矽原子“抓”進自己的軌道裏，這些電子無法連續移動，也沒有進入（rù）特定路線（xiàn），路線（xiàn）內流動的電（diàn）子變少（shǎo），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（jiū）人員曾考慮過（guò）其它的（de）材料如碲化鎘和砷化镓，但碲、镓等元素因為數量少，價（jià）格也比（bǐ）較貴，無法滿足（zú）當今互聯網社（shè）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（huán）境（jìng）造成威脅。科學家們還考慮過石（shí）墨烯，它比矽更堅固更輕，而且光（guāng）電轉換效率也遠比矽電池好，但（dàn）大批量生產（chǎn）石（shí）墨烯是很困難的。生產石墨烯（xī）常用的辦法是機（jī）械剝離法（fǎ），單（dān）層的石墨烯非常（cháng）薄，因此剝離（lí）需要（yào）精（jīng）度非常高的（de）儀器。一般來說，儀器越精密，製作越（yuè）困難，成本也越高。

看來，希望還是（shì）隻能寄存在矽（guī）身（shēn）上了。“變形”矽三劍客

既然矽依然（rán）是計（jì）算機芯片和太陽能電池的“主力幹將”，那麽科學家隻好繼續研究該如（rú）何讓矽（guī）變個樣子了。而現在，科學家們已經（jīng）有了傲人的成果。在計算機芯片領域，晶體管的一（yī）種奇特形式在科學家的手中誕生——矽烯。矽烯和石墨烯類似，隻有一層薄薄的（de）平麵結構，和石墨烯不（bú）同的是，它由矽原（yuán）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（jìng）庭（tíng）。

在傳統的矽晶體中，每（měi）個矽原子都有4個“觸手”，可（kě）以（yǐ）連接（jiē）4個（gè）其它的矽原子（zǐ），隨著連接的矽原子增多，矽就形成了一個（gè）立方體狀的矽晶體，而矽烯是平麵的。我們知道，裝載在（zài）芯片上的（de）晶體管是由矽（guī）製成的，傳統矽由於是立方體（tǐ）狀的矽（guī）晶體，體積（jī）大，製成的（de）晶體管也較大，而僅有薄薄一（yī）層矽元素製成的晶體管體（tǐ）積就比較小，而體積越小，同樣大小的芯片能裝下的晶（jīng）體管越多，更多的晶（jīng）體（tǐ）管就可以同時處理更多的信息，計算（suàn）機的處理速度也會變快。

但體積小並不代（dài）表著完美，由於矽烯隻是一個平麵，它的結（jié）構（gòu）很不穩定，就像四邊形比正方體更容易變（biàn）形一樣，矽烯會更容易分解，所以矽烯製造的晶體管可能（néng）隻有幾（jǐ）分鍾（zhōng）的“生命”，因此矽烯目前還無法真正應（yīng）用在實際生活中。

而在太陽能電（diàn）池領域，矽的（de）同素異形體似乎一直受到科學家們的青睞（lài）。某研究所的工作人員就一直致力（lì）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（jiāo）的新型材料——Na4Si24晶體，這（zhè）是（shì）由（yóu）矽元素和鈉元素通過擠壓而成的藍色閃亮晶體。

研究人員發（fā）現，Na4Si24晶體是一種“走廊式（shì）”結構，就像人在（zài）走廊可以隨處（chù）走動一樣，鈉離子在（zài）矽（guī）“走廊”裏也可以輕易地（dì）來回“走動”。研究人員試（shì）著加熱這種晶體，發現（xiàn）鈉離子在熱量的推動下可（kě）以輕易地滑出“走廊”，當鈉離子全部滑出（chū）“走（zǒu）廊”後，研究人員就（jiù）得（dé）到了矽的同素異形體——Si24。經過對比發現，它將光能轉換成電能的（de）效率（lǜ）比普通的矽晶體要（yào）高。研究人員認為，如果Si24可以大批量生產，將會製（zhì）造出（chū）更高效的太陽能電（diàn）池（chí）。

除了Si24之外，另一種矽的（de）同素異形體——矽BC8，也可以應用於製作太陽能電池。前文提到，在傳統的矽電池中（zhōng），光照射在矽電池表（biǎo）麵（miàn），一部（bù）分光子被矽電池吸收，光子撞擊矽原子的電子，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（shī）效了，光子的利用率很低。如果在陰天或是雨天的情況下，光（guāng）子數目較少，被撞擊出的電子就更少了，進而產生的電流（liú）也少，所以矽電池將光（guāng）能轉換為（wéi）電能的效（xiào）率（lǜ）就（jiù）會變得（dé）更差。

但矽BC8可就不一樣了。矽BC8的特殊（shū）結構使（shǐ）得單個光（guāng）子進入後，可以撞擊多個電子，可以使多（duō）個（gè）電子發生定向移動，而電子移動越多，產生的電流強度可能就越大（dà）。這樣，即使（shǐ）隻是少量的光子，矽BC8也可以充分利（lì）用光子（zǐ），“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（huàn）為（wéi）電能，從而提高陰天和雨天（tiān）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（biàn）成另一種形態，如同素（sù）異形體（tǐ）等，它（tā）們有（yǒu）的加快了（le）計（jì）算（suàn）機芯片（piàn）的（de）處理速度，有的提高了太陽能（néng）電池的使用效率。但令人遺憾的是，它們還不能真正在真（zhēn）實世界裏（lǐ）大放異彩。即使（shǐ）這樣，科學家們也不會就此退縮，因為“知難而上”是科學的魅力所（suǒ）在。