地球上的（de）所有資源都都是源於大自然，我們對任何物質（zhì）產品（pǐn）的材料來源都是源（yuán）於本土的資源所換作（zuò）而成，比如地殼上中含量較（jiào）多的一種元素是氧，氧為多種產品以及物質中的重要物質，所以你手裏麵可能隨時都有它的（de）存在（zài），那麽今（jīn）天我們不說最多的，而是第熱門的矽含量（liàng）,日常生活中矽（guī）原子原材（cái）資源豐富，作用僅（jǐn）次於氧，而如今（jīn）在矽橡膠製品行（háng）業之中矽鏈子離不開矽元素的豐富資源，也就是它算（suàn）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！

人們往往對第一名更有印（yìn）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，它約占地殼（ké）總質量的27%。雖然含量（liàng）豐富，但在自然界中卻很難找（zhǎo）到它的單質，通常以矽酸鹽和二氧化矽的形式存在，我們（men）可以在岩石中找到它。矽雖然含（hán）量比氧少，但卻有著更為驚人的應用性（xìng）。有了矽（guī）才有了性能強大的電子設備，才有了現（xiàn）在（zài）的互聯網社會。但（dàn）矽的應用似乎已經停滯不前，因此科學家們嚐試把矽“偽裝”起來，並且得到了傲人的成果。矽的應用為何停滯不前？這些“偽裝”的矽又是什麽？我們一（yī）起來看一下吧。

 矽芯片的速度（dù）“到頭了”

在電子設備中（zhōng），矽芯片可以說是核心裝置。從智能手機、超薄（báo）筆記本電（diàn）腦到心髒（zāng）起搏器（qì），它們的芯片均是由矽鏈子基材製成的（de）。幾乎每年都（dōu）會製造大約650萬平（píng）方米的芯片投（tóu）入使用，它們有一部分投入在計算機和太陽能電池（chí）中，但就目前的情況來看，矽在計算機和太陽能電池上的應用效率（lǜ）似乎已經達（dá）到上限。

目前小小的計算機矽芯片上（shàng）已（yǐ）經擁擠不堪，因為上麵擠著許多的半導體矽（guī）製成的矽晶體管。作為計（jì）算機處理信息的基本設備，矽晶體（tǐ）管最主要的特性之一，就是充當電阻，實現電壓對電流的（de）開關控製，這裏的開關指的是電（diàn）流的存在和不存在。為什（shí）麽會選擇半導體矽作為主要（yào）的原材料呢？

首先，我們要了解為什麽選擇（zé）半導體。因為如果是導體製作的晶體管，由（yóu）於導體的導電能力（lì）太強，當施加很小的電壓時，就會產（chǎn）生電流，因此會讓晶（jīng）體管一直處於“開”的（de）狀態；如果是絕緣體，無論施加多大的電壓，它也不會產（chǎn）生電流，晶體管會一直處於“關”的狀態（tài）。這樣（yàng）的一個晶體管就不能夠實現電壓對電（diàn）流的開關控製。但半導（dǎo）體就不一樣（yàng）了，它的導電能力介於導體和絕緣體之（zhī）間，當施加較（jiào）小的電壓時，它跟絕緣體一樣，無（wú）法產生電流，此時的晶體管處於（yú）“關”的狀（zhuàng）態；當施加電壓較大時，半導體就跟導體一樣，產生電流（liú），此時可以傳輸“開”的信息。這樣半導體就可（kě）以在施加不同電壓時，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（tǐ）才成為了晶體管的主要材料。

其次，選擇矽的原因其實很簡單（dān），因為矽在地殼中含量豐富，相（xiàng）對於鍺（zhě）、砷化镓來說，價格也（yě）比（bǐ）較便宜，可以用於大批量生產，因（yīn）此半導（dǎo）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目越多，意味著（zhe）可以同時處理（lǐ）更（gèng）多的信息，這台計算機的處理（lǐ）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效率會產生不利的影響，因此一塊芯片上能裝（zhuāng）載的晶體管數量是有限的。而（ér）矽也發（fā）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速度基本停滯（zhì）不前的原因。

光電轉換效率低

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電能的效率太（tài）低了，這是為什麽呢？原來在太（tài）陽能矽電池中，有兩種不同的矽，一種（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（fàng）電子。

光是一束從太陽內射出的微粒流，一束光裏有無數個（gè）光子，它（tā）們（men）是一個個很小的小微粒。當光照射在矽電池上（shàng），部分光子會擊中矽原子的盈（yíng）餘電子，並將電子從矽原子裏“敲”出來。被（bèi）“敲”出來的電子要找個地方來存放它，此時（shí）它就會移（yí）動到電子空穴中，而電子的移動會產生（shēng）電流。在矽電池中，會發生很（hěn）多類似的撞擊，大量被撞擊的電（diàn）子會不斷“投奔”電（diàn）子空穴，而且（qiě）電子（zǐ）並不隻是“定居”在某個（gè）電子空穴上，而是會在（zài）多個電子空（kōng）穴中連續（xù）移動，直到（dào）形成一條特定的（de）移動路線，此時電子發生（shēng）定向（xiàng）移動產生電流，這樣光能就被轉換成電能。

但是光是會反（fǎn）射的，在光照射到矽電池表麵後，部分光會（huì）發生反射，這部分光就不能轉換成電能。同時，被“敲”出來的電子在移動過（guò）程中，其中的一些電子可能會被其它矽原（yuán）子“抓”進自（zì）己的軌道裏，這些電子無法（fǎ）連續（xù）移動，也沒有進入特定（dìng）路線，路線內流動的電子變少，產生的電流強度變弱，光（guāng）能轉換為（wéi）電能的效率就變低。

為此（cǐ），研究人員曾考慮過其它（tā）的材料如（rú）碲化（huà）鎘和砷化镓，但碲（dì）、镓等元素因為數（shù）量少，價格也比較貴（guì），無法滿（mǎn）足當（dāng）今互聯網社會的使用量要求，甚至有些元素還可能是有毒的，會對環境（jìng）造成威脅。科學家（jiā）們還考（kǎo）慮過石墨烯，它比矽更堅固更輕（qīng），而且光電轉換效（xiào）率也遠比矽電池好，但大批量生產石墨烯是很困難的。生（shēng）產石墨烯常用的辦法是機械剝離（lí）法，單層的石墨烯非常薄，因此剝離需要（yào）精度非常（cháng）高的儀器。一（yī）般來說，儀（yí）器越精密，製作越困難，成本也越高。

看來（lái），希望還是隻能寄存在矽身上了。“變形”矽三劍客

既然矽依然是計（jì）算機芯片和太陽能電（diàn）池的“主力幹將”，那麽（me）科學家隻好（hǎo）繼續研究該如何讓矽變個樣子了。而現在，科學家們（men）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（shì）在科學（xué）家的手中（zhōng）誕生——矽烯。矽烯和石墨烯類似，隻有一層薄薄的平（píng）麵結構，和石墨烯不同的是（shì），它由矽原子組成，平麵上（shàng）都是由6個矽（guī）原子（zǐ）連接起來的六邊形，它的形狀跟矽晶（jīng）體簡直（zhí）是大相徑庭（tíng）。

在傳統的（de）矽晶體中，每個矽（guī）原（yuán）子都有4個“觸手（shǒu）”，可以（yǐ）連接4個（gè）其它的矽原子，隨著連接的矽（guī）原子增多，矽就形成了一（yī）個立方體狀的矽晶（jīng）體，而矽烯是平麵的。我們知道，裝載在芯片上的晶體（tǐ）管是由矽製成的，傳統矽由於是（shì）立方體狀的矽晶體，體積大，製（zhì）成的晶體（tǐ）管（guǎn）也較大，而僅有薄薄一層（céng）矽元素（sù）製成的晶體管體積就比較小，而體積越小，同樣大小的芯片能裝下的晶體管越多，更多的晶體管就可以（yǐ）同時處理更多的信（xìn）息，計算機的處（chù）理（lǐ）速度也（yě）會變快（kuài）。

但體積小並不代（dài）表著完美，由於矽烯隻是一個（gè）平麵，它的結（jié）構很不穩（wěn）定，就像（xiàng）四邊形比正方體更容易變形一樣，矽烯會更容易分解，所以矽烯製造的晶體管可能隻有幾分鍾的（de）“生（shēng）命”，因此矽烯目前還無法真正應用在實際生（shēng）活中。

而在太陽（yáng）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（gōng）作人員就（jiù）一直致力於實現（xiàn）矽的“變（biàn）形”，並最（zuì）終有了驚人的成果（guǒ）。開發人員說，他們已經研製（zhì）出了一種有機（jī）矽（guī）膠的新型材料——Na4Si24晶體，這是由矽（guī）元素和鈉元素通過擠壓而成的藍色閃亮晶體。

研究人員（yuán）發現，Na4Si24晶體是一種“走廊式”結構，就像人在走廊可以隨處走（zǒu）動一樣，鈉離子在矽“走廊”裏也可以輕易地來回“走動”。研究人員（yuán）試著加熱這種晶體，發現鈉離子在熱量（liàng）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（guī）晶體要高。研究人員認為，如果Si24可以（yǐ）大批量生產，將（jiāng）會製造出更高（gāo）效的太陽能電池。

除了Si24之外，另一（yī）種矽的同素異形體（tǐ）——矽BC8，也可以應用於製作太陽能電池。前文提（tí）到，在傳統的矽電池中（zhōng），光照射在（zài）矽（guī）電池表麵，一部分光子（zǐ）被（bèi）矽電池吸收，光子撞擊矽（guī）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（bān）“敲”出一個電子後就（jiù）失效了，光子的利用率很低（dī）。如果在陰天或是雨（yǔ）天的（de）情況下，光子數目較少（shǎo），被撞擊出的電子就更少了，進而產生的電流也少，所以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（jiù）不一樣了。矽BC8的特殊結（jié）構（gòu）使得單個光子進（jìn）入後，可以撞擊（jī）多個電子，可以使多個電子發生定向移動，而電子移動越多，產生的（de）電流強度可能就越大（dà）。這樣，即使隻是少量的光子（zǐ），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（shēng）定向移動，光能就會被大量地轉換為電能，從而提高陰（yīn）天和雨天時太陽能矽電池的轉換效率。

把矽“變（biàn）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池的使用效率。但（dàn）令人（rén）遺憾的是，它們還不能真正在真實世界裏大放（fàng）異彩。即使這樣（yàng），科學（xué）家們也不會就此退縮，因（yīn）為“知難（nán）而上”是（shì）科學的（de）魅力所在（zài）。