地球上的所有資源都都是源於大自然，我們對任何物質產品的材料來源都是源於本（běn）土的（de）資源所（suǒ）換作而成，比（bǐ）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（dōu）有它的存在，那麽今天我們不說最多的，而是第熱門（mén）的矽含量,日常生活中矽原子原材資源豐富，作用僅次於氧，而如今在矽橡膠製品行業之中矽鏈子（zǐ）離不開矽元素（sù）的豐富資源，也就（jiù）是它算（suàn）得上是推動社會經濟進步發展與人（rén）類發展史的重要資源之一！

人們往往對第一名更有印象，比如地殼中含量排名第一的（de）元素是氧，那僅次於它的第二位呢?答案是矽（guī），它約（yuē）占地殼總質量的27%。雖然含量豐富（fù），但在自然界中卻很難找到它的單質，通（tōng）常以矽酸鹽和二氧化（huà）矽的形式存在，我們可以在岩石中找到它（tā）。矽（guī）雖然含量比氧少，但卻有著更為驚人的應用性。有了矽才有了性能強大的電子設備，才有了現在的互聯網社會。但矽的應用似乎（hū）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（de）成（chéng）果。矽的應用為何停滯不前？這些“偽裝”的矽又是什麽？我們一起來看一下吧。

 矽芯片的速度“到（dào）頭了”

在電子設備中，矽芯片可以說（shuō）是核心裝（zhuāng）置。從智能手機、超薄（báo）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（hū）每年都會（huì）製造大約650萬平方米的（de）芯片投入使用，它們有一部分投入在計算機（jī）和太陽能（néng）電（diàn）池中，但就（jiù）目前的情況來看，矽在計算機和太陽能（néng）電池（chí）上的應用效率（lǜ）似乎已經達到上限。

目前小小的計算機矽芯片（piàn）上已經擁擠不堪，因為上麵擠（jǐ）著許多的（de）半導體矽製成（chéng）的矽晶體（tǐ）管。作為計算機處理信息的（de）基本設備，矽晶體管最主要的特性之一，就是充（chōng）當電阻，實現電壓（yā）對電流的（de）開關控製，這裏的開關指的是電流的存在和不存在。為什麽會選擇半導體矽作為主要的原材料呢？

首（shǒu）先，我們（men）要了（le）解為什麽選擇半導體。因為如果是導體製作（zuò）的晶體管，由於導體的導電能力太強，當（dāng）施加很小的電壓時，就（jiù）會產生電流，因此會讓晶體管一直處於“開”的狀（zhuàng）態；如果是絕緣體，無論施加多大的電壓，它（tā）也不（bú）會產（chǎn）生電流，晶體管會一直處於“關”的狀態。這樣的一個晶體管就不能夠實現電壓對電流的開關（guān）控製。但半導體就不一樣了，它的導電能力介於導體和絕緣體之間，當施加較小的電壓時，它跟絕緣體一樣，無法產生電流，此時的晶體管處於“關”的（de）狀態；當施加電壓較大（dà）時，半導體就跟導（dǎo）體一（yī）樣，產生電流，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，在開關兩種不同狀（zhuàng）態中來回轉換，也就可以控製電流，所以半導體才成為了（le）晶體管的主要（yào）材料。

其次（cì），選擇矽的原（yuán）因其實很（hěn）簡單，因為矽（guī）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（tǐ）矽成為了幾十年來晶（jīng）體管的首選材（cái）料。

一塊芯片上的晶（jīng）體管（guǎn）數（shù）目（mù）越多，意味著（zhe）可（kě）以同時處理（lǐ）更（gèng）多（duō）的信息，這台計算機的處理速度就越快。但（dàn）與此同時，晶體管同時（shí）開關產生的熱量（liàng）也會越多，更多的（de）熱量對芯片的效率會（huì）產生不利的影響，因此一塊芯片上能裝載的晶體管數量（liàng）是有限的。而矽也發揮了它幾乎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不前的原因。

光電轉換效率低（dī）

在太陽能電池方麵，矽的前景似乎更（gèng）加黯淡，因（yīn）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）的矽，一種矽上有盈餘的（de）電子；另一種（zhǒng）矽上有電子空穴，可（kě）以用（yòng）來存放電子。

光是一束從太陽內射出的微粒流，一（yī）束光裏有（yǒu）無數個（gè）光子，它們是一個（gè）個很小（xiǎo）的小微粒。當光照射在矽（guī）電池（chí）上，部分光子會擊中矽原子的盈餘電子，並將（jiāng）電子從（cóng）矽原子裏（lǐ）“敲”出來。被“敲”出來的電子要找個地方來存放它，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（ér）且電子並不隻是“定居”在（zài）某個電（diàn）子空穴上，而是（shì）會在多個電（diàn）子空穴中（zhōng）連續移動，直到形（xíng）成一條特定的移動路線，此時電子發生定向移動產生電流，這樣光能就（jiù）被（bèi）轉換成電能。

但是光是會反射的，在光照射到（dào）矽電池表麵後，部分光會發生反射，這部分（fèn）光就不能（néng）轉換成電能。同時，被（bèi）“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”進自己的軌（guǐ）道裏，這（zhè）些電子無法連續移動，也沒有進（jìn）入特（tè）定（dìng）路線，路線內流動的電子（zǐ）變少，產生的電流強度變弱，光能轉換為電能的效率就變低。

為此，研究人員曾考慮過其它的材料如碲化鎘和砷化镓，但（dàn）碲、镓等元素因為數（shù）量少，價格也比較貴，無法滿足當今互聯（lián）網社會的（de）使用量要求（qiú），甚至有些（xiē）元（yuán）素還可能是（shì）有（yǒu）毒（dú）的，會對環境造成威脅。科學家們還考慮過石墨烯，它比矽更堅固更輕，而且光電轉換效率也遠比矽（guī）電池好，但大批量生產石墨烯是很困難的。生產石墨烯（xī）常用的辦法是機械剝離法，單層的石墨烯非常薄，因（yīn）此剝（bāo）離需要精度非常高的儀器。一般來說，儀器越精密，製作越困難，成（chéng）本也越（yuè）高。

看來，希（xī）望還（hái）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（hé）太陽能電池的“主（zhǔ）力幹將”，那麽科學家隻好繼（jì）續研究該如何讓矽變個樣子了。而現在，科學家們已經（jīng）有了（le）傲人的（de）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（guī）烯和（hé）石墨烯類似，隻（zhī）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（biān）形，它的形狀跟（gēn）矽（guī）晶體簡直是大相徑庭。

在傳統的矽（guī）晶體（tǐ）中，每（měi）個矽原（yuán）子都有4個“觸手”，可以連接4個其它的（de）矽原子，隨（suí）著連接的（de）矽原子增多，矽就（jiù）形成了一個立方體狀的矽晶體，而矽烯是平麵的。我們知道，裝（zhuāng）載在芯片上的晶體管是由矽製成的，傳統矽由於是立方體狀的矽晶（jīng）體，體積大，製成的晶體管也較大，而僅（jǐn）有薄薄一層（céng）矽元素製成的晶體（tǐ）管體（tǐ）積就比較小，而體積越小，同樣（yàng）大小的芯片（piàn）能裝下的晶體管越多，更多的晶體管就可以同時處理更多的信息，計算機的處理速度也會變快。

但體積小並不代表著完美，由於矽烯（xī）隻是一個平麵，它的結構很不穩定，就像四邊形比（bǐ）正方體更容易變形一樣，矽（guī）烯會更容易分解，所（suǒ）以矽烯製造（zào）的晶體管可能隻有幾分鍾的“生（shēng）命”，因此矽烯目前還無法真正應用在實際生活中。

而在（zài）太陽能電池領域（yù），矽的（de）同素異形體似乎一直受到科學家們（men）的（de）青睞。某（mǒu）研究所的工作人員就一直（zhí）致力於實現矽的“變形”，並最終有了驚人（rén）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，這是由矽元素和鈉元素通過（guò）擠壓而成（chéng）的藍色閃（shǎn）亮晶體。

研究人員發現，Na4Si24晶體是一種“走廊式”結構（gòu），就像人在走廊可以隨處走動一樣，鈉離子在矽“走廊（láng）”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（lí）子全部（bù）滑出（chū）“走廊”後，研究人員就得到了矽的同素（sù）異形體——Si24。經過對比（bǐ）發現，它（tā）將（jiāng）光能轉換成電能的效率比（bǐ）普通的矽晶體（tǐ）要高。研究人員認為，如果（guǒ）Si24可以大批量生產，將會（huì）製造出更高效的太陽能電池（chí）。

除了Si24之外，另一種矽的同（tóng）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（guī）電池中，光照射在矽電池表麵，一部分光子被矽電池吸收，光子撞擊矽原子的電子，電（diàn）子發生定向移動形成電流。在這個過程中，一個光（guāng）子一般“敲”出一個電（diàn）子後就失效了，光（guāng）子的利用率（lǜ）很低。如果在陰天或是雨天的情況下，光子數目較（jiào）少，被撞擊出的電子就更少了，進而產生的電流也少，所以矽電池將光能轉換為電能（néng）的（de）效率就會（huì）變（biàn）得更（gèng）差。

但（dàn）矽BC8可就不一樣了。矽BC8的特殊結構使得單個光子進入後，可以撞擊多個電子，可以使多個電（diàn）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（yuè）大。這樣，即使隻是少（shǎo）量的光子，矽BC8也可以充分利用光子，“敲”出矽（guī）電池內的（de）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（zhuǎn）換效率。

把矽“變形”，實際上就是將矽元素（sù）的一種形（xíng）態轉變成另一種形態（tài），如同素異形體等，它們有的加快了計算（suàn）機芯片的處理速度，有的提高了太陽能電池的使用效率。但令人遺憾的是，它們（men）還不能真正在真實世界裏大放異彩。即使這樣，科學家們也不會就此退縮，因為“知難而上”是科學的魅力所在。