地球上的（de）所有資源都都是源於大自然，我們（men）對任何物質產品的材料來源都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（yī）種元素是氧，氧為多種產品（pǐn）以及物質（zhì）中的重要（yào）物質，所以你手裏麵可能隨時都有它的存（cún）在，那麽今天我們不（bú）說最多的，而是第熱門的（de）矽含量,日常生活中矽原子原材資源（yuán）豐富，作用僅次於氧（yǎng），而如今在矽橡膠製（zhì）品行業之中矽鏈子（zǐ）離不開矽元（yuán）素的豐（fēng）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資源（yuán）之（zhī）一！

人們（men）往往對第一名更有印象，比如地殼中（zhōng）含量排名第一的元素（sù）是氧，那僅次於它（tā）的第二位呢?答案是矽，它約占地殼總質量（liàng）的（de）27%。雖然（rán）含量豐富，但在自然界中卻很難找到它的單質，通常以矽酸鹽和二氧化矽的形式存（cún）在，我們可以（yǐ）在岩石中找到它。矽雖然含量比氧少，但卻有（yǒu）著更為驚人的應用性（xìng）。有了矽才有了性能強大的電子（zǐ）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，因此科學家們嚐試把矽“偽裝（zhuāng）”起來，並且得到了傲人的成果。矽的應用（yòng）為何停滯不前？這（zhè）些（xiē）“偽（wěi）裝”的矽又是什麽？我們一起（qǐ）來看一下吧。

 矽芯片的速度“到（dào）頭了”

在電子設備中，矽芯片可以說是核心裝置。從（cóng）智能手機、超薄筆記（jì）本電腦到心髒（zāng）起搏器，它們的芯（xīn）片均是由矽鏈子基材製成（chéng）的。幾乎每年都會製造大約650萬平方米的芯（xīn）片投入使用，它們有一部分投入在計算機和太陽能電池中，但就目前（qián）的情況來看，矽在計算機和太陽能電池上的應用效率似（sì）乎已（yǐ）經達到上限。

目前（qián）小小的計（jì）算機矽芯片上已經（jīng）擁擠（jǐ）不堪，因為上麵擠著許多的半導體矽製成的矽晶（jīng）體管。作為計算機處理信息的基本（běn）設備，矽晶體管最主要的特性之一，就是充當電阻，實（shí）現電（diàn）壓（yā）對電流的開關控製，這裏的開關指的是（shì）電流的存在（zài）和不存在。為什麽會（huì）選擇半導體矽作為主要的原材（cái）料（liào）呢？

首先，我們要（yào）了解為什麽選擇半（bàn）導體。因為（wéi）如果是導體製作的晶體（tǐ）管，由於導體的導電能力太強，當施（shī）加很小的電壓時，就會產生（shēng）電流，因此會讓晶體管一直（zhí）處（chù）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（diàn）流，晶體管會一直處（chù）於（yú）“關”的狀態。這樣（yàng）的一個晶體管就不能夠實現電壓對電流的開關（guān）控（kòng）製。但半導體就不一樣了，它的（de）導電能力介（jiè）於導體和絕緣體之間，當施加較小的（de）電壓時，它跟絕緣體一樣，無法產生電（diàn）流，此時的晶體管處於“關”的狀態；當施加電壓較（jiào）大時，半導體就跟導體一樣，產生電流，此時可以傳輸“開（kāi）”的信息。這樣半導體就可（kě）以（yǐ）在施加不同電壓時，在開關兩種不同狀態中來回轉換，也就可以（yǐ）控製電流，所以半導體才（cái）成為了（le）晶體管的主要材料。

其次（cì），選擇矽的原因其實（shí）很簡單，因為（wéi）矽在地殼中含量豐富，相對於（yú）鍺、砷（shēn）化（huà）镓來說，價格也比較便宜（yí），可以用於大批量生產（chǎn），因（yīn）此半導（dǎo）體（tǐ）矽（guī）成為了幾十年來晶體（tǐ）管的首選材料。

一塊芯片上的晶體管數目（mù）越多，意味著可以同時處（chù）理更多的（de）信息，這台計算機的處（chù）理速度就越快。但與此同（tóng）時，晶體管同時（shí）開關產（chǎn）生的熱（rè）量也會越多，更多的熱量（liàng）對芯片的效率會產（chǎn）生不利的影響，因此一塊芯片上能（néng）裝載的晶體（tǐ）管（guǎn）數量是有限的。而矽也（yě）發揮了它幾乎100%的可用性，這（zhè）就是為什（shí）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（yáng）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（de）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（yíng）餘的電子；另一種矽上有電子空穴，可（kě）以用來存放電（diàn）子。

光是一束（shù）從太陽內（nèi）射出的微粒流，一束光裏有無數個光子，它們是一個個很小的小微粒。當光照射在矽電池上，部分光子會擊中矽原（yuán）子的盈餘（yú）電子，並將電子從矽原（yuán）子裏“敲（qiāo）”出來。被“敲”出來的電子要（yào）找個地方來存放它，此時它就會移動到電子空穴中（zhōng），而電子（zǐ）的（de）移動會產（chǎn）生電流。在矽電池中，會發生很多類似的撞擊，大量被撞擊的電子會不斷“投奔”電子空穴，而且電子並不隻是“定居”在某個電子空穴（xué）上（shàng），而是會（huì）在多個（gè）電（diàn）子（zǐ）空穴中（zhōng）連（lián）續移動，直到形成一條特定的移動路線，此時電子發生定向移動產生電流，這樣（yàng）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，部分光會（huì）發生反射，這部（bù）分光就不（bú）能轉換成電能。同時，被“敲”出來的電子在移動過程中，其中的一些電子（zǐ）可能會被（bèi）其它矽原子（zǐ）“抓”進自己的軌道（dào）裏，這些電子無法連續移動，也沒有（yǒu）進入特（tè）定路線，路線內流（liú）動的電子變少，產生的電流強度變弱，光能轉換為電（diàn）能的（de）效率就變低。

為此，研究人員（yuán）曾考慮過其它的材料如碲化鎘（gé）和（hé）砷化镓，但碲（dì）、镓等元素因（yīn）為（wéi）數量（liàng）少，價格也比較貴，無（wú）法滿足當今互聯網社（shè）會的（de）使用量要求，甚至有些元素還（hái）可能是有（yǒu）毒的，會對環境造成威脅（xié）。科學家們還考慮（lǜ）過（guò）石墨烯，它比矽更堅固更輕，而且光電轉換效率也（yě）遠比（bǐ）矽電（diàn）池好（hǎo），但大批量生產（chǎn）石墨烯是很困難的（de）。生產石（shí）墨烯常用的（de）辦法是機械（xiè）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，儀器越精密，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

既然矽依然是計算機芯片和太陽能（néng）電池的“主（zhǔ）力幹將”，那麽科學家隻（zhī）好繼（jì）續（xù）研（yán）究該如何讓矽變個樣子了。而現在，科學家們已經有了傲人的成果。在計算機芯（xīn）片領域，晶體管的一種奇特形式在科學家（jiā）的手中誕（dàn）生——矽烯。矽烯和石墨烯（xī）類似，隻有一層薄薄的（de）平麵結構，和石（shí）墨（mò）烯（xī）不同的是，它由（yóu）矽原子組成，平麵上都是由6個矽原（yuán）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（tǐ）中，每個（gè）矽原子都有（yǒu）4個“觸手”，可以連接4個（gè）其它的矽原子，隨著連接的矽原子（zǐ）增多，矽就形（xíng）成了一個立方體狀的矽（guī）晶體，而矽烯是平麵的。我們知道，裝載在芯片上的（de）晶體管是由矽製成的，傳（chuán）統矽由（yóu）於是（shì）立方體（tǐ）狀（zhuàng）的矽晶體，體積大，製成的晶（jīng）體管也較大，而僅有薄薄一層矽元（yuán）素製成的（de）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）同時處理更多的信息，計算機（jī）的處理速度也會變快。

但體積（jī）小並不代表著完美，由於矽烯隻是一個平麵，它的結（jié）構很不穩定，就（jiù）像四邊形（xíng）比正方體更容易（yì）變形一樣（yàng），矽烯會更（gèng）容易分解，所（suǒ）以矽烯製造的晶體管可能隻有幾（jǐ）分（fèn）鍾的“生（shēng）命（mìng）”，因此矽烯目前還無法真正應用（yòng）在實（shí）際（jì）生活中（zhōng）。

而（ér）在太（tài）陽能電（diàn）池領域，矽的同素異形（xíng）體似乎一直受到科學家們的青睞。某研究所的工作人員就（jiù）一直致（zhì）力於實現矽的“變形（xíng）”，並最終有了驚人的成（chéng）果。開發人（rén）員（yuán）說，他們已經研製出了一種有（yǒu）機矽膠的新型材料（liào）——Na4Si24晶體，這是（shì）由（yóu）矽元素和鈉元素通過擠壓而成的藍色閃亮（liàng）晶體。

研究人員發現，Na4Si24晶體是一種（zhǒng）“走（zǒu）廊（láng）式”結構，就（jiù）像人在走（zǒu）廊可以隨處走動一樣，鈉離子在（zài）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（xià）可以輕易地滑出“走廊”，當鈉離子全部滑出“走（zǒu）廊”後，研究人員就得到了（le）矽的同素異形體——Si24。經過對（duì）比發現，它（tā）將光能轉換成電能的效率比普通的矽晶體要高（gāo）。研究人員認為，如果Si24可以大批量生產，將會製造出更高效的太陽能電（diàn）池。

除了（le）Si24之外，另一種（zhǒng）矽的同（tóng）素異形（xíng）體——矽BC8，也可以（yǐ）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（chí）吸收，光（guāng）子撞擊矽原（yuán）子的電子，電子（zǐ）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（yī）個電子後就失效了，光（guāng）子（zǐ）的利用率很低。如（rú）果在陰天或是雨天的情況下（xià），光子數目（mù）較少，被撞擊出的電子就更少了，進（jìn）而產生的電流也少，所以矽（guī）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（de）特殊結構使得單個光子進入後，可以（yǐ）撞擊多個（gè）電子，可以（yǐ）使多個電子發生定向移動，而電子移動（dòng）越多，產生的電流強度可能就越大。這樣，即使（shǐ）隻是少量的光子，矽BC8也可以充分（fèn）利用光子，“敲（qiāo）”出矽電池內的大量電（diàn）子，並發生（shēng）定（dìng）向移動（dòng），光能就會被大量地轉換為（wéi）電能，從而提高（gāo）陰天和雨天時太陽能矽電池的轉換效率。

把矽（guī）“變形”，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（sù）異形體等，它們有的加快（kuài）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。但令人遺憾（hàn）的是，它們還不能（néng）真正在真實世（shì）界裏大放異彩。即使這樣，科學家們也不會就（jiù）此退縮，因為“知難而上（shàng）”是科學的魅力所在。