地球上的所有資源都都是源於大（dà）自然，我們對任何物質產品的材料來源都是源於本土的資（zī）源所（suǒ）換作而（ér）成（chéng），比如地殼上中含量較多的一種元素是氧，氧為多種產（chǎn）品以及物質中的重要物質，所以你手裏麵可能隨時都有它的存在，那麽今天（tiān）我們不說最多的，而是第熱門的矽含量,日常生活（huó）中矽（guī）原子原材資源豐富，作用僅次於氧，而如今在矽橡膠（jiāo）製品行（háng）業之中矽鏈子離不開矽元素的豐富資源，也就是（shì）它算得上是（shì）推動社會經濟進步發展與（yǔ）人類發展史的重要資源之一！

人們（men）往往對第一名更有（yǒu）印象，比如地殼中（zhōng）含量排名第（dì）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%。雖然含量豐富，但在自（zì）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在，我們可以在岩石中找到它。矽雖然含量比氧少，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（huì）。但矽的應用似乎已經停滯不前，因（yīn）此科學家們嚐試把矽“偽裝（zhuāng）”起來，並且（qiě）得到了傲人的（de）成果。矽的應用（yòng）為何停（tíng）滯不前？這些（xiē）“偽裝”的（de）矽又是什麽？我們（men）一起來看一下吧。

 矽芯片的速度“到頭了”

在電子設備中（zhōng），矽芯片可（kě）以說是核心裝置。從（cóng）智能手機、超薄（báo）筆記本電腦（nǎo）到心髒起搏器，它們的芯片均是由矽鏈（liàn）子基材製成的。幾乎（hū）每（měi）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（néng）電池中，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上限。

目前（qián）小小的計（jì）算機矽芯片上（shàng）已經擁擠不堪，因為上（shàng）麵擠著許多的半導體矽製成的矽（guī）晶體管。作為計算機處理信息（xī）的基本設備，矽晶體管最主要（yào）的特性之一（yī），就是充當（dāng）電阻，實現電壓對電流的開關控製（zhì），這裏的開關指的是電流的存在和不存在（zài）。為什麽會選擇半導（dǎo）體矽作為主要的原材料呢？

首先，我們要了解為什麽選擇半導體（tǐ）。因為如果（guǒ）是導體製作的晶體管，由（yóu）於導體的導電能力太強，當（dāng）施加很小的電壓時，就會（huì）產生電流，因此會讓晶體管一直處於“開”的狀態；如果是絕（jué）緣體，無論施（shī）加多大的電壓，它也（yě）不會產生電流，晶（jīng）體管會一直處於“關”的狀態。這樣的一個晶體（tǐ）管（guǎn）就不能夠實現電壓對電流的（de）開關控製。但半導體就不一樣了，它的導電能（néng）力介於導體和（hé）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（diàn）流，此時的晶體管處於（yú）“關”的狀態；當施加電壓較（jiào）大時，半導（dǎo）體（tǐ）就跟導體（tǐ）一（yī）樣，產（chǎn）生電流，此時可以（yǐ）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（liǎng）種不同狀態中來回轉換，也就可以控製電流，所以半導體才成為了晶體（tǐ）管的主要材料。

其次，選擇矽（guī）的原因其實很簡單，因為矽在地殼中含量（liàng）豐（fēng）富，相對（duì）於鍺、砷化镓來說，價格也比較（jiào）便宜，可以用於大批量生產，因此半導體矽成為（wéi）了幾（jǐ）十年來晶體管的首（shǒu）選（xuǎn）材料。

一塊芯片上的晶體管數（shù）目越多，意（yì）味著可以同（tóng）時處理（lǐ）更多的信息，這台計算機的處（chù）理（lǐ）速度就越快。但與此同（tóng）時（shí），晶體管同（tóng）時開關產生的熱量也會越（yuè）多，更多的熱量（liàng）對芯片（piàn）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（hū）100%的可用（yòng）性，這就是為什麽近十年來計算機處理（lǐ）速度基本（běn）停滯（zhì）不前的原因。

光（guāng）電轉（zhuǎn）換效率低

在太陽能電池方麵，矽的前景似乎更加黯淡，因為它將光能轉換為電能的效率（lǜ）太低（dī）了，這是為（wéi）什麽呢？原來在太（tài）陽能矽電池（chí）中，有兩種不同的矽，一種矽上有盈（yíng）餘的電子；另一種矽上有電子空（kōng）穴，可以用來存（cún）放電子。

光是一束（shù）從（cóng）太陽內射出的微粒流，一束（shù）光裏有無數（shù）個光子，它們是一個個很（hěn）小的小微粒。當光照（zhào）射（shè）在矽（guī）電池上，部分光子會擊中矽原（yuán）子的盈餘電（diàn）子，並將電子從矽原子裏“敲”出來。被“敲”出（chū）來（lái）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（zǐ）的（de）移動會產生電流。在（zài）矽電池中，會（huì）發生很多類似的撞擊，大量被撞擊的電子會不斷“投奔（bēn）”電子空穴，而且電子（zǐ）並不隻是“定居”在某個電子空穴（xué）上，而是會在（zài）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（dìng）向移動產生電流，這樣光能就被轉換（huàn）成電能。

但是光是會反射的，在光（guāng）照（zhào）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（tóng）時，被（bèi）“敲（qiāo）”出來的電子在（zài）移動過程中，其中的一些電子可能會被其它矽原子“抓”進自己的軌道裏，這些電子無法連續移動，也（yě）沒有（yǒu）進入特（tè）定路線，路線內（nèi）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（yuán）曾考慮過其它的材料如碲化鎘和砷化镓，但碲（dì）、镓等元素因為數量少，價格也比（bǐ）較貴，無（wú）法滿（mǎn）足當今互聯網社（shè）會的使用量要求，甚至有（yǒu）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（mò）烯，它比（bǐ）矽更堅固更輕，而且光電轉換效率也遠比矽電池好（hǎo），但大批量生產石墨烯是很困難的。生產石（shí）墨烯常用的辦法是機械剝（bāo）離法，單層的石墨（mò）烯非常薄，因此剝離需要精度非常高的儀器。一般來說，儀（yí）器越精密，製作越困難，成本（běn）也越高。

看來，希望還是隻能寄存在矽身上了。“變形（xíng）”矽三劍客（kè）

既然矽依然是計算（suàn）機（jī）芯片和太陽（yáng）能電池的“主（zhǔ）力幹將（jiāng）”，那麽科（kē）學家隻好繼續（xù）研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。在計算機芯片領域，晶體管的一（yī）種奇特形式在科學家的手中誕生——矽烯。矽烯和石墨烯類似，隻有一層（céng）薄薄的平麵結構，和石（shí）墨烯不同的是，它由矽原子組成，平麵（miàn）上都是由6個矽原子（zǐ）連接起來的六邊形，它的形狀跟矽晶（jīng）體（tǐ）簡直是大相徑庭。

在傳統的矽晶體中（zhōng），每個（gè）矽（guī）原子都有（yǒu）4個“觸手”，可以連接（jiē）4個其它的矽原子（zǐ），隨著（zhe）連接的矽原子增多（duō），矽就形成了一個立方體狀的矽晶體，而矽烯（xī）是平麵的。我們知道，裝載在芯片上的晶體管是由矽製成的，傳統矽由（yóu）於（yú）是立方體狀（zhuàng）的矽晶體，體積大，製成的晶體管也較大，而僅有薄薄一層矽（guī）元素製成的晶體管體積就比較小（xiǎo），而體積越小，同樣（yàng）大小的芯片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（de）信息，計算機（jī）的處理速度也會變快。

但體積小並不代表著完美，由於矽烯隻是一個平麵，它的結構很不穩定，就像四（sì）邊（biān）形（xíng）比正方體更容易（yì）變形一樣，矽烯會更容易分解，所以矽烯製造的晶體管可能隻有幾分（fèn）鍾的“生命”，因此矽烯目前還無法真正（zhèng）應用（yòng）在實際生活中。

而在太陽（yáng）能電池領（lǐng）域，矽的同素異形體似乎（hū）一直受到科學家們（men）的青睞。某（mǒu）研究所的工作人員就一直（zhí）致力於實現（xiàn）矽的“變形（xíng）”，並最終有了驚人的成果。開發人員說，他們已經（jīng）研製出（chū）了一種有機矽膠的新（xīn）型材料——Na4Si24晶（jīng）體，這是由矽元素和鈉元素通過擠壓而成的藍色閃（shǎn）亮晶體。

研究人員發現，Na4Si24晶體是一種“走廊式”結（jié）構，就（jiù）像人在走廊可以隨處走動一樣，鈉離子在矽“走廊”裏（lǐ）也可以輕（qīng）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（tuī）動下可以輕（qīng）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（le）矽的（de）同素異形體——Si24。經（jīng）過對比發現，它將光能轉換成（chéng）電能的效率比普通的（de）矽晶體要高。研究人員認為（wéi），如果Si24可以大批量生產，將（jiāng）會製造出更高效的太陽能（néng）電池（chí）。

除了Si24之外，另一種矽的同素異（yì）形體——矽BC8，也可以應用於製作太陽能電池。前文提到，在傳統的矽電池中，光照射在（zài）矽（guī）電池表麵，一部（bù）分光（guāng）子被矽電池吸收，光子撞擊（jī）矽（guī）原子的電子，電子發生定向移動形成電流。在這個（gè）過程中，一個光子一般“敲”出一個電子後（hòu）就失效了，光子的（de）利用率很低（dī）。如果在陰（yīn）天或是（shì）雨（yǔ）天的情況下，光子數目（mù）較少，被撞擊出的電子就更少了，進而產生的電流也少，所以（yǐ）矽電池將光能轉換為電能的效率就會變得（dé）更差。

但矽BC8可就不一樣（yàng）了。矽（guī）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（duō）個電子發生定向移動，而電子移動越多，產生的（de）電流強度可能（néng）就越大。這樣，即使隻是少（shǎo）量的（de）光子，矽BC8也可以充分利用（yòng）光子，“敲”出矽電池內的（de）大量電子，並發生定向移動，光能就會被大量（liàng）地（dì）轉換為電（diàn）能，從而提高陰天和雨天時太陽能矽電（diàn）池的轉換效率。

把矽“變形”，實際上就是將矽元素的一種形態轉變成另一種形態，如同素異形體等，它們有的加快了計算機芯片（piàn）的（de）處理速度，有的（de）提（tí）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裏大（dà）放異（yì）彩。即使這樣，科學家們也（yě）不會（huì）就此退縮，因為“知難而上”是科學的魅力所在。