地di球qiu上shang的de所suo有you資zi源yuan都dou都dou是shi源yuan於yu大da自zi然ran，我wo們men對dui任ren何he物wu質zhi產chan品pin的de材cai料liao來lai源yuan都dou是shi源yuan於yu本ben土tu的de資zi源yuan所suo換huan作zuo而er成cheng
，比bi如ru地di殼ke上shang中zhong含han量liang較jiao多duo的de一yi種zhong元yuan素su是shi氧yang，氧yang為wei多duo種zhong產chan品pin以yi及ji物wu質zhi中zhong的de重zhong要yao物wu質zhi，所suo以yi你ni手shou裏li麵mian可ke能neng隨sui時shi都dou有you它ta的de存cun在zai，那na麼me今jin天tian我wo們men不bu說shuo最zui多duo的de，而er是shi第di熱re門men的de矽gui含han量liang,richangshenghuozhongguiyuanziyuancaiziyuanfengfu，zuoyongjinciyuyang，errujinzaiguixiangjiaozhipinxingyezhizhongguilianzilibukaiguiyuansudefengfuziyuan，yejiushitasuandeshangshituidongshehuijingjijinbufazhanyurenleifazhanshidezhongyaoziyuanzhiyi！

人們往往對第一名更有印象，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，它約占地殼總質量的27%。雖sui然ran含han量liang豐feng富fu，但dan在zai自zi然ran界jie中zhong卻que很hen難nan找zhao到dao它ta的de單dan質zhi，通tong常chang以yi矽gui酸suan鹽yan和he二er氧yang化hua矽gui的de形xing式shi存cun在zai，我wo們men可ke以yi在zai岩yan石shi中zhong找zhao到dao它ta。矽gui雖sui然ran含han量liang比bi氧yang少shao，但dan卻que有you著zhe更geng為wei驚jing人ren的de應ying用yong性xing。有you了le矽gui才cai有you了le性xing能neng強qiang大da的de電dian子zi設she備bei，才cai有you了le現xian在zai的de互hu聯lian網wang社she會hui。但dan矽gui的de應ying用yong似si乎hu已yi經jing停ting滯zhi不bu前qian，因yin此ci科ke學xue家jia們men嚐chang試shi把ba矽gui“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”的矽又是什麼
？我們一起來看一下吧。

 矽芯片的速度“到頭了”

在電子設備中，矽芯片可以說是核心裝置。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wan平ping方fang米mi的de芯xin片pian投tou入ru使shi用yong，它ta們men有you一yi部bu分fen投tou入ru在zai計ji算suan機ji和he太tai陽yang能neng電dian池chi中zhong，但dan就jiu目mu前qian的de情qing況kuang來lai看kan
，矽gui在zai計ji算suan機ji和he太tai陽yang能neng電dian池chi上shang的de應ying用yong效xiao率lv似si乎hu已yi經jing達da到dao上shang限xian。

muqianxiaoxiaodejisuanjiguixinpianshangyijingyongjibukan，yinweishangmianjizhexuduodebandaotiguizhichengdeguijingtiguan。zuoweijisuanjichulixinxidejibenshebei，guijingtiguanzuizhuyaodetexingzhiyi
，jiushichongdangdianzu，shixiandianyaduidianliudekaiguankongzhi

，zhelidekaiguanzhideshidianliudecunzaihebucunzai。weishenmehuixuanzebandaotiguizuoweizhuyaodeyuancailiaone？

shouxian，womenyaolejieweishenmexuanzebandaoti。yinweiruguoshidaotizhizuodejingtiguan
，youyudaotidedaodiannenglitaiqiang，dangshijiahenxiaodedianyashi，jiuhuichanshengdianliu
，yincihuirangjingtiguanyizhichuyu“開”的狀態
；如果是絕緣體，無論施加多大的電壓
，它也不會產生電流，晶體管會一直處於“關”dezhuangtai。zheyangdeyigejingtiguanjiubunenggoushixiandianyaduidianliudekaiguankongzhi。danbandaotijiubuyiyangle


，tadedaodiannenglijieyudaotihejueyuantizhijian，dangshijiajiaoxiaodedianyashi，tagenjueyuantiyiyang，wufachanshengdianliu，cishidejingtiguanchuyu“關”的狀態；當施加電壓較大時

，半導體就跟導體一樣，產生電流，此時可以傳輸“開”dexinxi。zheyangbandaotijiukeyizaishijiabutongdianyashi，zaikaiguanliangzhongbutongzhuangtaizhonglaihuizhuanhuan
，yejiukeyikongzhidianliu，suoyibandaoticaichengweilejingtiguandezhuyaocailiao。

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

yikuaixinpianshangdejingtiguanshumuyueduo，yiweizhekeyitongshichuligengduodexinxi，zhetaijisuanjidechulisudujiuyuekuai。danyucitongshi，jingtiguantongshikaiguanchanshengdereliangyehuiyueduo，gengduodereliangduixinpiandexiaolvhuichanshengbulideyingxiang
，yinciyikuaixinpianshangnengzhuangzaidejingtiguanshuliangshiyouxiande。erguiyefahuiletajihu100%的可用性，這就是為什麼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(zai)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)方(fang)麵(mian)，矽(gui)的(de)前(qian)景(jing)似(si)乎(hu)更(geng)加(jia)黯(an)淡(dan)，因(yin)為(wei)它(ta)將(jiang)光(guang)能(neng)轉(zhuan)換(huan)為(wei)電(dian)能(neng)的(de)效(xiao)率(lv)太(tai)低(di)了(le)，這(zhe)是(shi)為(wei)什(shen)麼(me)呢(ne)？原(yuan)來(lai)在(zai)太(tai)陽(yang)能(neng)矽(gui)電(dian)池(chi)中(zhong)
，有(you)兩(liang)種(zhong)不(bu)同(tong)的(de)矽(gui)

，一(yi)種(zhong)矽(gui)上(shang)有(you)盈(ying)餘(yu)的(de)電(dian)子(zi)；另一種矽上有電子空穴
，可以用來存放電子。

光(guang)是(shi)一(yi)束(shu)從(cong)太(tai)陽(yang)內(nei)射(she)出(chu)的(de)微(wei)粒(li)流(liu)
，一(yi)束(shu)光(guang)裏(li)有(you)無(wu)數(shu)個(ge)光(guang)子(zi)，它(ta)們(men)是(shi)一(yi)個(ge)個(ge)很(hen)小(xiao)的(de)小(xiao)微(wei)粒(li)。當(dang)光(guang)照(zhao)射(she)在(zai)矽(gui)電(dian)池(chi)上(shang)，部(bu)分(fen)光(guang)子(zi)會(hui)擊(ji)中(zhong)矽(gui)原(yuan)子(zi)的(de)盈(ying)餘(yu)電(dian)子(zi)，並(bing)將(jiang)電(dian)子(zi)從(cong)矽(gui)原(yuan)子(zi)裏(li)“敲”出來。被“敲”出chu來lai的de電dian子zi要yao找zhao個ge地di方fang來lai存cun放fang它ta，此ci時shi它ta就jiu會hui移yi動dong到dao電dian子zi空kong穴xue中zhong
，而er電dian子zi的de移yi動dong會hui產chan生sheng電dian流liu。在zai矽gui電dian池chi中zhong

，會hui發fa生sheng很hen多duo類lei似si的de撞zhuang擊ji，大da量liang被bei撞zhuang擊ji的de電dian子zi會hui不bu斷duan“投奔”電子空穴，而且電子並不隻是“定居”在(zai)某(mou)個(ge)電(dian)子(zi)空(kong)穴(xue)上(shang)，而(er)是(shi)會(hui)在(zai)多(duo)個(ge)電(dian)子(zi)空(kong)穴(xue)中(zhong)連(lian)續(xu)移(yi)動(dong)
，直(zhi)到(dao)形(xing)成(cheng)一(yi)條(tiao)特(te)定(ding)的(de)移(yi)動(dong)路(lu)線(xian)

，此(ci)時(shi)電(dian)子(zi)發(fa)生(sheng)定(ding)向(xiang)移(yi)動(dong)產(chan)生(sheng)電(dian)流(liu)
，這(zhe)樣(yang)光(guang)能(neng)就(jiu)被(bei)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)電(dian)能(neng)。

但是光是會反射的
，在光照射到矽電池表麵後

，部分光會發生反射
，這部分光就不能轉換成電能。同時
，被“敲”出來的電子在移動過程中
，其中的一些電子可能會被其它矽原子“抓”進jin自zi己ji的de軌gui道dao裏li
，這zhe些xie電dian子zi無wu法fa連lian續xu移yi動dong，也ye沒mei有you進jin入ru特te定ding路lu線xian，路lu線xian內nei流liu動dong的de電dian子zi變bian少shao，產chan生sheng的de電dian流liu強qiang度du變bian弱ruo
，光guang能neng轉zhuan換huan為wei電dian能neng的de效xiao率lv就jiu變bian低di。

為此，研究人員曾考慮過其它的材料如碲化鎘和砷化镓，但碲、jiadengyuansuyinweishuliangshao
，jiageyebijiaogui
，wufamanzudangjinhulianwangshehuideshiyongliangyaoqiu

，shenzhiyouxieyuansuhaikenengshiyoudude，huiduihuanjingzaochengweixie。kexuejiamenhaikaolvguoshimoxi，tabiguigengjiangugengqing，erqieguangdianzhuanhuanxiaolvyeyuanbiguidianchihao，dandapiliangshengchanshimoxishihenkunnande。shengchanshimoxichangyongdebanfashijixiebolifa，dancengdeshimoxifeichangbo，yincibolixuyaojingdufeichanggaodeyiqi。yibanlaishuo，yiqiyuejingmi
，zhizuoyuekunnan

，chengbenyeyuegao。

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電池的“主力幹將”
，那na麼me科ke學xue家jia隻zhi好hao繼ji續xu研yan究jiu該gai如ru何he讓rang矽gui變bian個ge樣yang子zi了le。而er現xian在zai，科ke學xue家jia們men已yi經jing有you了le傲ao人ren的de成cheng果guo。在zai計ji算suan機ji芯xin片pian領ling域yu，晶jing體ti管guan的de一yi種zhong奇qi特te形xing式shi在zai科ke學xue家jia的de手shou中zhong誕dan生sheng——矽烯。矽烯和石墨烯類似，隻有一層薄薄的平麵結構
，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，每個矽原子都有4個“觸手”，可以連接4個(ge)其(qi)它(ta)的(de)矽(gui)原(yuan)子(zi)，隨(sui)著(zhe)連(lian)接(jie)的(de)矽(gui)原(yuan)子(zi)增(zeng)多(duo)，矽(gui)就(jiu)形(xing)成(cheng)了(le)一(yi)個(ge)立(li)方(fang)體(ti)狀(zhuang)的(de)矽(gui)晶(jing)體(ti)
，而(er)矽(gui)烯(xi)是(shi)平(ping)麵(mian)的(de)。我(wo)們(men)知(zhi)道(dao)

，裝(zhuang)載(zai)在(zai)芯(xin)片(pian)上(shang)的(de)晶(jing)體(ti)管(guan)是(shi)由(you)矽(gui)製(zhi)成(cheng)的(de)，傳(chuan)統(tong)矽(gui)由(you)於(yu)是(shi)立(li)方(fang)體(ti)狀(zhuang)的(de)矽(gui)晶(jing)體(ti)，體(ti)積(ji)大(da)，製(zhi)成(cheng)的(de)晶(jing)體(ti)管(guan)也(ye)較(jiao)大(da)
，而(er)僅(jin)有(you)薄(bo)薄(bo)一(yi)層(ceng)矽(gui)元(yuan)素(su)製(zhi)成(cheng)的(de)晶(jing)體(ti)管(guan)體(ti)積(ji)就(jiu)比(bi)較(jiao)小(xiao)，而(er)體(ti)積(ji)越(yue)小(xiao)，同(tong)樣(yang)大(da)小(xiao)的(de)芯(xin)片(pian)能(neng)裝(zhuang)下(xia)的(de)晶(jing)體(ti)管(guan)越(yue)多(duo)，更(geng)多(duo)的(de)晶(jing)體(ti)管(guan)就(jiu)可(ke)以(yi)同(tong)時(shi)處(chu)理(li)更(geng)多(duo)的(de)信(xin)息(xi)，計(ji)算(suan)機(ji)的(de)處(chu)理(li)速(su)度(du)也(ye)會(hui)變(bian)快(kuai)。

但dan體ti積ji小xiao並bing不bu代dai表biao著zhe完wan美mei
，由you於yu矽gui烯xi隻zhi是shi一yi個ge平ping麵mian，它ta的de結jie構gou很hen不bu穩wen定ding，就jiu像xiang四si邊bian形xing比bi正zheng方fang體ti更geng容rong易yi變bian形xing一yi樣yang

，矽gui烯xi會hui更geng容rong易yi分fen解jie，所suo以yi矽gui烯xi製zhi造zao的de晶jing體ti管guan可ke能neng隻zhi有you幾ji分fen鍾zhong的de“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。某研究所的工作人員就一直致力於實現矽的“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料——Na4Si24晶體，這是由矽元素和鈉元素通過擠壓而成的藍色閃亮晶體。

研究人員發現，Na4Si24晶體是一種“走廊式”結構
，就像人在走廊可以隨處走動一樣，鈉離子在矽“走廊”裏也可以輕易地來回“走動”。研究人員試著加熱這種晶體，發現鈉離子在熱量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，它將光能轉換成電能的效率比普通的矽晶體要高。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池。

除了Si24之外
，另一種矽的同素異形體——矽BC8，yekeyiyingyongyuzhizuotaiyangnengdianchi。qianwentidao，zaichuantongdeguidianchizhong，guangzhaoshezaiguidianchibiaomian
，yibufenguangzibeiguidianchixishou，guangzizhuangjiguiyuanzidedianzi，dianzifashengdingxiangyidongxingchengdianliu。zaizhegeguochengzhong，yigeguangziyiban“敲”chuyigedianzihoujiushixiaole

，guangzideliyonglvhendi。ruguozaiyintianhuoshiyutiandeqingkuangxia，guangzishumujiaoshao
，beizhuangjichudedianzijiugengshaole，jinerchanshengdedianliuyeshao，suoyiguidianchijiangguangnengzhuanhuanweidiannengdexiaolvjiuhuibiandegengcha。

但矽BC8可就不一樣了。矽BC8的(de)特(te)殊(shu)結(jie)構(gou)使(shi)得(de)單(dan)個(ge)光(guang)子(zi)進(jin)入(ru)後(hou)
，可(ke)以(yi)撞(zhuang)擊(ji)多(duo)個(ge)電(dian)子(zi)，可(ke)以(yi)使(shi)多(duo)個(ge)電(dian)子(zi)發(fa)生(sheng)定(ding)向(xiang)移(yi)動(dong)，而(er)電(dian)子(zi)移(yi)動(dong)越(yue)多(duo)
，產(chan)生(sheng)的(de)電(dian)流(liu)強(qiang)度(du)可(ke)能(neng)就(jiu)越(yue)大(da)。這(zhe)樣(yang)，即(ji)使(shi)隻(zhi)是(shi)少(shao)量(liang)的(de)光(guang)子(zi)，矽(gui)BC8也可以充分利用光子
，“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為電能，從而提高陰天和雨天時太陽能矽電池的轉換效率。

把矽“變形”，實(shi)際(ji)上(shang)就(jiu)是(shi)將(jiang)矽(gui)元(yuan)素(su)的(de)一(yi)種(zhong)形(xing)態(tai)轉(zhuan)變(bian)成(cheng)另(ling)一(yi)種(zhong)形(xing)態(tai)，如(ru)同(tong)素(su)異(yi)形(xing)體(ti)等(deng)，它(ta)們(men)有(you)的(de)加(jia)快(kuai)了(le)計(ji)算(suan)機(ji)芯(xin)片(pian)的(de)處(chu)理(li)速(su)度(du)，有(you)的(de)提(ti)高(gao)了(le)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)的(de)使(shi)用(yong)效(xiao)率(lv)。但(dan)令(ling)人(ren)遺(yi)憾(han)的(de)是(shi)，它(ta)們(men)還(hai)不(bu)能(neng)真(zhen)正(zheng)在(zai)真(zhen)實(shi)世(shi)界(jie)裏(li)大(da)放(fang)異(yi)彩(cai)。即(ji)使(shi)這(zhe)樣(yang)，科(ke)學(xue)家(jia)們(men)也(ye)不(bu)會(hui)就(jiu)此(ci)退(tui)縮(suo)，因(yin)為(wei)“知難而上”是科學的魅力所在。