地球上的所有資源都都是源於大自然，我（wǒ）們對任何物質產品的材料（liào）來（lái）源都（dōu）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（zhǒng）元素是氧，氧為多種產品以及物質中的重要物質（zhì），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，而是第熱門的矽含量,日常生活中矽原子原（yuán）材（cái）資源豐富，作用僅次（cì）於（yú）氧，而如今在矽橡膠製（zhì）品行業之中（zhōng）矽鏈子離不開矽元素的豐富資源，也就是它算得上是推動社會經濟進步發展與人類發展史的重要（yào）資（zī）源（yuán）之（zhī）一！

人們（men）往往對第一名更有印象，比如地殼（ké）中含量排名第一的元素是氧，那僅次於它的第（dì）二位呢?答案（àn）是矽，它約（yuē）占地殼總質量的27%。雖然含量豐富，但在自然界中卻很難找到它（tā）的單質，通常以矽酸鹽和二氧化矽的（de）形式存在，我們（men）可以在岩石中找到它。矽雖然含量（liàng）比氧少，但（dàn）卻有著（zhe）更為驚人的應用性。有了矽才有（yǒu）了性能強（qiáng）大的電（diàn）子設（shè）備，才有了現在的互聯網社會。但矽的應用似乎已經停（tíng）滯（zhì）不前（qián），因此科學（xué）家們嚐（cháng）試把矽（guī）“偽裝”起來，並且得到了（le）傲人的成果。矽的應用為何（hé）停滯不前（qián）？這些“偽裝”的矽又是（shì）什麽？我（wǒ）們一起來看一下吧。

 矽芯片的速度（dù）“到頭了”

在電子設備中，矽芯片可以說（shuō）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入使用，它們有一部分投入在計算機和太陽能電（diàn）池中，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似乎已經達到（dào）上限。

目前小小（xiǎo）的計算機矽芯（xīn）片上已（yǐ）經擁擠（jǐ）不堪（kān），因為上麵擠著（zhe）許多的半導體矽製（zhì）成的矽晶體管。作為計算機處理信息的基本設備，矽晶體管最（zuì）主要的特性之一，就是充當電阻，實現電壓對電流的開（kāi）關控（kòng）製，這裏（lǐ）的開關指的是電（diàn）流的存在和（hé）不存在（zài）。為什麽會選擇半導（dǎo）體矽作為（wéi）主要的原材料呢？

首先，我們要了解為什麽（me）選擇半導體。因為如（rú）果是導體製作（zuò）的晶體管，由於導體的導電能力太（tài）強，當施加（jiā）很小的（de）電（diàn）壓時，就會產生電（diàn）流，因此會讓晶體管一直處於（yú）“開（kāi）”的狀態；如果是絕（jué）緣體，無論施加多大的電壓，它也不會產生電流，晶（jīng）體管會一直處於“關”的狀態。這樣的一個晶（jīng）體管就不能夠實現電壓對電流的開（kāi）關控製。但半導體就不一樣了（le），它（tā）的導電能（néng）力介於（yú）導（dǎo）體和絕緣體之間，當施加較小的電壓時，它跟絕（jué）緣體一樣，無法產生電流（liú），此時（shí）的（de）晶（jīng）體管處於“關”的狀（zhuàng）態；當施加電壓較大時，半導（dǎo）體就跟導體一樣，產（chǎn）生電流，此（cǐ）時可以傳輸“開（kāi）”的信息。這樣半導體就可以在施加不（bú）同（tóng）電壓時，在開關兩種不同狀態中（zhōng）來回轉換，也就（jiù）可以控製電流，所以半導體才成為了晶體管（guǎn）的主要材料。

其次，選擇矽（guī）的原因其（qí）實很簡單，因為矽在地（dì）殼中含（hán）量豐富，相對於鍺、砷化镓來說，價格也比較（jiào）便宜，可（kě）以用於大批量生產，因此（cǐ）半導體矽成為了幾十年來晶體管的首選材（cái）料。

一塊芯片上的晶體（tǐ）管數目越多，意味著可以同時處理更多的信息，這台計算機的處理速度（dù）就（jiù）越快（kuài）。但與此同時，晶體管同時（shí）開關產生的熱（rè）量也會越多，更多的熱量對（duì）芯（xīn）片的效率會產生不利的影響，因此一塊芯片上能裝載的晶體管數量是有限的。而矽也發揮了它幾乎100%的（de）可用性（xìng），這就是為什麽近十年來計算機處理速度基本停滯不前的原因。

光電轉換效率低

在太陽能電池（chí）方麵，矽的前景（jǐng）似乎更加黯淡，因為它將光能轉換為電能（néng）的（de）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（de）矽，一種矽上有盈餘的電子；另一種矽上有電子空穴（xué），可以用來存放電子。

光是一束從太（tài）陽內射出的微粒流，一束光裏有無（wú）數個光子（zǐ），它們是一個個很小的小微粒。當光照射在（zài）矽電池上，部分光子會擊中矽原子的盈餘（yú）電子（zǐ），並將（jiāng）電子從矽原子裏（lǐ）“敲”出來。被“敲”出（chū）來（lái）的電子要找個地方來存（cún）放它，此時它就會移動到電子空穴中，而電子的移動會產生電流。在矽電池（chí）中（zhōng），會（huì）發生很多類似的撞擊，大量被撞擊的電子會（huì）不斷（duàn）“投奔”電子空穴，而且電子並不隻是“定居”在某個電子空穴上，而（ér）是會在多個電子空穴中連續（xù）移動，直（zhí）到（dào）形成一條特定（dìng）的移動路線，此時（shí）電（diàn）子發生（shēng）定向移動產生電流，這樣光能就被轉換成電能。

但是光是（shì）會反射的，在（zài）光照射（shè）到矽電池表麵後，部分光會發生反射，這部分光就不能轉換成電能。同時，被“敲”出來的電子在移（yí）動過（guò）程中，其中（zhōng）的一些電子可能會被其它矽原子“抓（zhuā）”進（jìn）自己的軌（guǐ）道裏，這些電子無法連續移動，也沒有進入特定路線，路線內（nèi）流動的電子變（biàn）少，產生的電流強度變弱，光能轉換（huàn）為電能的效率就變低。

為此，研究人員曾（céng）考慮過其它的材料如碲化鎘和砷化（huà）镓，但碲、镓等元素因為數量（liàng）少，價格也比較貴，無法滿足當（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。科學家們（men）還考慮過石墨烯（xī），它比矽更堅固更輕，而且光電（diàn）轉換效率（lǜ）也遠比矽電池好，但大批量生（shēng）產石墨烯是很困（kùn）難（nán）的。生產石墨（mò）烯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。一般來說，儀器（qì）越精密（mì），製作越（yuè）困難，成本也越高。

看來，希望還是隻能寄存在矽身上了。“變形”矽三劍客

既然（rán）矽依然是計（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何讓矽變個樣子了。而（ér）現（xiàn）在，科學家們已經（jīng）有了傲人的成果。在計算機芯片領域，晶體管的一種奇特形式在科學家的手中誕生——矽烯。矽烯和石墨烯（xī）類似，隻有一層薄（báo）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個矽原子連接起來的六邊形，它（tā）的形狀跟矽晶體簡直是大相徑庭。

在傳統的矽晶體中，每個矽原子（zǐ）都有4個“觸手”，可以連接4個其（qí）它的矽原子，隨著連接的矽原子增多，矽就形成了（le）一個立方體（tǐ）狀的矽晶體，而（ér）矽烯是平（píng）麵的。我們知道，裝（zhuāng）載在芯（xīn）片上的晶體管是由矽製成的，傳（chuán）統（tǒng）矽由於是立方體（tǐ）狀的矽晶體，體積（jī）大，製成的晶體管也（yě）較大，而僅有薄薄一層矽元素製成的（de）晶體（tǐ）管體積就比較小（xiǎo），而（ér）體積越小（xiǎo），同樣大小的芯片（piàn）能裝（zhuāng）下的晶體管越多，更多的晶體管就（jiù）可（kě）以同時處理更多的信息，計算機的處理速度也會變快。

但體積小並（bìng）不代表著完美，由於矽烯隻是一個平麵，它的結構很（hěn）不穩（wěn）定，就像四邊形（xíng）比正方體更容易變（biàn）形一樣（yàng），矽烯會更容易（yì）分解，所以矽烯製造（zào）的晶體管可能隻有幾分鍾的“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（lǐng）域（yù），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（lì）於實現矽的“變形”，並最終有了驚人的成果（guǒ）。開發人員說，他們已經研製出了一種有機矽膠的新型材料——Na4Si24晶體，這是由矽元素和鈉元素通過擠壓而成（chéng）的藍色閃亮晶體。

研究人員發現，Na4Si24晶體（tǐ）是一種“走廊式”結構，就（jiù）像人在走廊可（kě）以隨處走動一（yī）樣，鈉離子在（zài）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，發現鈉離子在熱量的推動下可以輕易（yì）地滑出“走廊”，當鈉離子全部滑（huá）出“走廊”後，研（yán）究人員就得到了矽的同素（sù）異形體（tǐ）——Si24。經過對比（bǐ）發現，它將光能轉換成電能的效率比普通的矽晶體要高。研（yán）究人員認為，如果（guǒ）Si24可以大批量生（shēng）產，將會製造出更高效（xiào）的太陽能電池。

除（chú）了Si24之外，另一種矽的同素異（yì）形體——矽BC8，也可（kě）以應用於製作太陽能電池。前文提到（dào），在（zài）傳統的矽電池中，光照射在矽電池表麵，一（yī）部（bù）分（fèn）光子被矽（guī）電池吸收，光子撞擊矽原子的電子（zǐ），電（diàn）子發生定向移動形成（chéng）電流（liú）。在（zài）這個過程中，一個光子一般“敲”出一（yī）個電（diàn）子後就失效（xiào）了，光子的利用率很低。如果在陰天或是（shì）雨天的情況下，光子（zǐ）數目較少，被撞擊出的電子就更少了，進而產生的電流也少，所以矽電（diàn）池將光能轉換為電能的效率（lǜ）就會變得更差。

但矽（guī）BC8可（kě）就不一樣了（le）。矽BC8的特殊結構使得單個光子（zǐ）進入後，可以撞擊多個電子，可以（yǐ）使多個電子發生定向移動，而電（diàn）子移動（dòng）越多，產（chǎn）生的電流強度可能就越大。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（nèi）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（tiān）和雨天（tiān）時太陽能矽電池的轉換效率。

把矽（guī）“變（biàn）形”，實際（jì）上就是（shì）將矽元素的一種形態轉變成另一（yī）種形態，如同素異形體（tǐ）等，它們有的（de）加快了計算機芯（xīn）片的處理速度，有的提高了太（tài）陽能電池（chí）的使（shǐ）用效率。但令人遺憾的是，它們（men）還不能真正在（zài）真實世界裏大放（fàng）異彩。即使（shǐ）這樣，科學家們也不會就此退縮，因為（wéi）“知難而（ér）上（shàng）”是科學的魅力（lì）所在。