小小硅元素的 「變形記」

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?答案是硅，它約佔地殼總質量的27%。雖然含量豐富，但在自然界中卻很難找到它的單質，通常以硅酸鹽和二氧化硅的形式存在，我們可以在岩石中找到它。硅雖然含量比氧少，但卻有著更為驚人的應用性。有了硅，才有了性能強大的電子設備，才有了現在的互聯網社會。

但硅的應用似乎已經停滯不前，因此科學家們嘗試把硅「偽裝」起來，並且得到了傲人的成果。硅的應用為何停滯不前？這些「偽裝」的硅又是什麼？我們一起來看一下吧。

硅晶元的速度「到頭了」

在電子設備中，硅晶元可以說是核心裝置。從智能手機、超薄筆記本電腦到心臟起搏器，它們的晶元均是由硅製成的。幾乎每年都會製造大約650萬平方米的晶元投入使用，它們有一部分投入在計算機和太陽能電池中，但就目前的情況來看，硅在計算機和太陽能電池上的應用效率似乎已經達到上限。

目前小小的計算機硅晶元上已經擁擠不堪，因為上面擠著許多的半導體硅製成的硅晶體管。作為計算機處理信息的基本設備，硅晶體管最主要的特性之一，就是充當電阻，實現電壓對電流的開關控制，這裡的開關指的是電流的存在和不存在。為什麼會選擇半導體硅作為主要的原材料呢？

首先，我們要了解為什麼選擇半導體。因為如果是導體製作的晶體管，由於導體的導電能力太強，當施加很小的電壓時，就會產生電流，因此會讓晶體管一直處於「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控制。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」的信息。這樣半導體就可以在施加不同電壓時，在開關兩種不同狀態中來迴轉換，也就可以控制電流，所以半導體才成為了晶體管的主要材料。

其次，選擇硅的原因其實很簡單，因為硅在地殼中含量豐富，相對於鍺、砷化鎵來說，價格也比較便宜，可以用於大批量生產，因此半導體硅成為了幾十年來晶體管的首選材料。

一塊晶元上的晶體管數目越多，意味著可以同時處理更多的信息，這台計算機的處理速度就越快。但與此同時，晶體管同時開關產生的熱量也會越多，更多的熱量對晶元的效率會產生不利的影響，因此一塊晶元上能裝載的晶體管數量是有限的。而硅也發揮了它幾乎100%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

在太陽能電池方面，硅的前景似乎更加黯淡，因為它將光能轉換為電能的效率太低了，這是為什麼呢？原來在太陽能硅電池中，有兩種不同的硅，一種硅上有盈餘的電子；另一種硅上有電子空穴，可以用來存放電子。

光是一束從太陽內射出的微粒流，一束光里有無數個光子，它們是一個個很小的小微粒。當光照射在硅電池上，部分光子會擊中硅原子的盈餘電子，並將電子從硅原子里「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。在硅電池中，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，而且電子並不只是「定居」在某個電子空穴上，而是會在多個電子空穴中連續移動，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，這樣光能就被轉換成電能。

但是光是會反射的，在光照射到硅電池表面後，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硅原子「抓」進自己的軌道里，這些電子無法連續移動，也沒有進入特定路線，路線內流動的電子變少，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鎵，但碲、鎵等元素因為數量少，價格也比較貴，無法滿足當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，會對環境造成威脅。科學家們還考慮過石墨烯，它比硅更堅固更輕，而且光電轉換效率也遠比硅電池好，但大批量生產石墨烯是很困難的。生產石墨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，儀器越精密，製作越困難，成本也越高。

看來，希望還是只能寄存在硅身上了。

「變形」硅三劍客

既然硅依然是計算機晶元和太陽能電池的「主力幹將」，那麼科學家只好繼續研究該如何讓硅變個樣子了。而現在，科學家們已經有了傲人的成果。

在計算機晶元領域，晶體管的一種奇特形式在科學家的手中誕生——硅烯。硅烯和石墨烯類似，只有一層薄薄的平面結構，和石墨烯不同的是，它由硅原子組成，平面上都是由6個硅原子連接起來的六邊形，它的形狀跟硅晶體簡直是大相徑庭。

在傳統的硅晶體中，每個硅原子都有4個「觸手」，可以連接4個其它的硅原子，隨著連接的硅原子增多，硅就形成了一個立方體狀的硅晶體，而硅烯是平面的。我們知道，裝載在晶元上的晶體管是由硅製成的，傳統硅由於是立方體狀的硅晶體，體積大，製成的晶體管也較大，而僅有薄薄一層硅元素製成的晶體管體積就比較小，而體積越小，同樣大小的晶元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，由於硅烯只是一個平面，它的結構很不穩定，就像四邊形比正方體更容易變形一樣，硅烯會更容易分解，所以硅烯製造的晶體管可能只有幾分鐘的「生命」，因此硅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，硅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硅的「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硅的新型材料——Na4Si24晶體，這是由硅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，鈉離子在硅「走廊」里也可以輕易地來回「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，研究人員就得到了硅的同素異形體——Si24。經過對比發現，它將光能轉換成電能的效率比普通的硅晶體要高。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，另一種硅的同素異形體——硅BC8，也可以應用於製作太陽能電池。前文提到，在傳統的硅電池中，光照射在硅電池表面，一部分光子被硅電池吸收，光子撞擊硅原子的電子，電子發生定向移動形成電流。在這個過程中，一個光子一般「敲」出一個電子後就失效了，光子的利用率很低。如果在陰天或是雨天的情況下，光子數目較少，被撞擊出的電子就更少了，進而產生的電流也少，所以硅電池將光能轉換為電能的效率就會變得更差。

但硅BC8可就不一樣了。硅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大。這樣，即使只是少量的光子，硅BC8也可以充分利用光子，「敲」出硅電池內的大量電子，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硅電池的轉換效率。

把硅「變形」，實際上就是將硅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晶元的處理速度，有的提高了太陽能電池的使用效率。但令人遺憾的是，它們還不能真正在真實世界裡大放異彩。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。

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