科普硅橡膠原材料的鼻祖:硅元素你了解多少?
地球上的所有資源都都是源于大自然,我們對(duì)任何物質(zhì)產(chǎn)品的材料來(lái)源都是源于本土的資源所換作而成,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(zhì)中的重要物質(zhì),所以你手里面可能隨時(shí)都有它的存在,那么今天我們不說(shuō)最多的,而是第熱門(mén)的硅含量,日常生活中硅原子原材資源豐富,作用僅次于氧,而如今在硅橡膠制品行業(yè)之中硅鏈子離不開(kāi)硅元素的豐富資源,也就是它算得上是推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)進(jìn)步發(fā)展與人類(lèi)發(fā)展史的重要資源之一!
人們往往對(duì)第一名更有印象,比如地殼中含量排名第一的元素是氧,那僅次于它的第二位呢?答案是硅,它約占地殼總質(zhì)量的27%。雖然含量豐富,但在自然界中卻很難找到它的單質(zhì),通常以硅酸鹽和二氧化硅的形式存在,我們可以在巖石中找到它。硅雖然含量比氧少,但卻有著更為驚人的應(yīng)用性。有了硅才有了性能強(qiáng)大的電子設(shè)備,才有了現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)社會(huì)。但硅的應(yīng)用似乎已經(jīng)停滯不前,因此科學(xué)家們嘗試把硅“偽裝”起來(lái),并且得到了傲人的成果。硅的應(yīng)用為何停滯不前?這些“偽裝”的硅又是什么?我們一起來(lái)看一下吧。
硅芯片的速度“到頭了”
在電子設(shè)備中,硅芯片可以說(shuō)是核心裝置。從智能手機(jī)、超薄筆記本電腦到心臟起搏器,它們的芯片均是由硅鏈子基材制成的。幾乎每年都會(huì)制造大約650萬(wàn)平方米的芯片投入使用,它們有一部分投入在計(jì)算機(jī)和太陽(yáng)能電池中,但就目前的情況來(lái)看,硅在計(jì)算機(jī)和太陽(yáng)能電池上的應(yīng)用效率似乎已經(jīng)達(dá)到上限。
目前小小的計(jì)算機(jī)硅芯片上已經(jīng)擁擠不堪,因?yàn)樯厦鏀D著許多的半導(dǎo)體硅制成的硅晶體管。作為計(jì)算機(jī)處理信息的基本設(shè)備,硅晶體管最主要的特性之一,就是充當(dāng)電阻,實(shí)現(xiàn)電壓對(duì)電流的開(kāi)關(guān)控制,這里的開(kāi)關(guān)指的是電流的存在和不存在。為什么會(huì)選擇半導(dǎo)體硅作為主要的原材料呢?
首先,我們要了解為什么選擇半導(dǎo)體。因?yàn)槿绻菍?dǎo)體制作的晶體管,由于導(dǎo)體的導(dǎo)電能力太強(qiáng),當(dāng)施加很小的電壓時(shí),就會(huì)產(chǎn)生電流,因此會(huì)讓晶體管一直處于“開(kāi)”的狀態(tài);如果是絕緣體,無(wú)論施加多大的電壓,它也不會(huì)產(chǎn)生電流,晶體管會(huì)一直處于“關(guān)”的狀態(tài)。這樣的一個(gè)晶體管就不能夠?qū)崿F(xiàn)電壓對(duì)電流的開(kāi)關(guān)控制。但半導(dǎo)體就不一樣了,它的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間,當(dāng)施加較小的電壓時(shí),它跟絕緣體一樣,無(wú)法產(chǎn)生電流,此時(shí)的晶體管處于“關(guān)”的狀態(tài);當(dāng)施加電壓較大時(shí),半導(dǎo)體就跟導(dǎo)體一樣,產(chǎn)生電流,此時(shí)可以傳輸“開(kāi)”的信息。這樣半導(dǎo)體就可以在施加不同電壓時(shí),在開(kāi)關(guān)兩種不同狀態(tài)中來(lái)回轉(zhuǎn)換,也就可以控制電流,所以半導(dǎo)體才成為了晶體管的主要材料。
其次,選擇硅的原因其實(shí)很簡(jiǎn)單,因?yàn)楣柙诘貧ぶ泻控S富,相對(duì)于鍺、砷化鎵來(lái)說(shuō),價(jià)格也比較便宜,可以用于大批量生產(chǎn),因此半導(dǎo)體硅成為了幾十年來(lái)晶體管的首選材料。
一塊芯片上的晶體管數(shù)目越多,意味著可以同時(shí)處理更多的信息,這臺(tái)計(jì)算機(jī)的處理速度就越快。但與此同時(shí),晶體管同時(shí)開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的熱量也會(huì)越多,更多的熱量對(duì)芯片的效率會(huì)產(chǎn)生不利的影響,因此一塊芯片上能裝載的晶體管數(shù)量是有限的。而硅也發(fā)揮了它幾乎100%的可用性,這就是為什么近十年來(lái)計(jì)算機(jī)處理速度基本停滯不前的原因。
光電轉(zhuǎn)換效率低
在太陽(yáng)能電池方面,硅的前景似乎更加黯淡,因?yàn)樗鼘⒐饽苻D(zhuǎn)換為電能的效率太低了,這是為什么呢?原來(lái)在太陽(yáng)能硅電池中,有兩種不同的硅,一種硅上有盈余的電子;另一種硅上有電子空穴,可以用來(lái)存放電子。
光是一束從太陽(yáng)內(nèi)射出的微粒流,一束光里有無(wú)數(shù)個(gè)光子,它們是一個(gè)個(gè)很小的小微粒。當(dāng)光照射在硅電池上,部分光子會(huì)擊中硅原子的盈余電子,并將電子從硅原子里“敲”出來(lái)。被“敲”出來(lái)的電子要找個(gè)地方來(lái)存放它,此時(shí)它就會(huì)移動(dòng)到電子空穴中,而電子的移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生電流。在硅電池中,會(huì)發(fā)生很多類(lèi)似的撞擊,大量被撞擊的電子會(huì)不斷“投奔”電子空穴,而且電子并不只是“定居”在某個(gè)電子空穴上,而是會(huì)在多個(gè)電子空穴中連續(xù)移動(dòng),直到形成一條特定的移動(dòng)路線(xiàn),此時(shí)電子發(fā)生定向移動(dòng)產(chǎn)生電流,這樣光能就被轉(zhuǎn)換成電能。
但是光是會(huì)反射的,在光照射到硅電池表面后,部分光會(huì)發(fā)生反射,這部分光就不能轉(zhuǎn)換成電能。同時(shí),被“敲”出來(lái)的電子在移動(dòng)過(guò)程中,其中的一些電子可能會(huì)被其它硅原子“抓”進(jìn)自己的軌道里,這些電子無(wú)法連續(xù)移動(dòng),也沒(méi)有進(jìn)入特定路線(xiàn),路線(xiàn)內(nèi)流動(dòng)的電子變少,產(chǎn)生的電流強(qiáng)度變?nèi)酰饽苻D(zhuǎn)換為電能的效率就變低。
為此,研究人員曾考慮過(guò)其它的材料如碲化鎘和砷化鎵,但碲、鎵等元素因?yàn)閿?shù)量少,價(jià)格也比較貴,無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)社會(huì)的使用量要求,甚至有些元素還可能是有毒的,會(huì)對(duì)環(huán)境造成威脅??茖W(xué)家們還考慮過(guò)石墨烯,它比硅更堅(jiān)固更輕,而且光電轉(zhuǎn)換效率也遠(yuǎn)比硅電池好,但大批量生產(chǎn)石墨烯是很困難的。生產(chǎn)石墨烯常用的辦法是機(jī)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(lái)說(shuō),儀器越精密,制作越困難,成本也越高。
看來(lái),希望還是只能寄存在硅身上了?!白冃巍惫枞齽?/p>
既然硅依然是計(jì)算機(jī)芯片和太陽(yáng)能電池的“主力干將”,那么科學(xué)家只好繼續(xù)研究該如何讓硅變個(gè)樣子了。而現(xiàn)在,科學(xué)家們已經(jīng)有了傲人的成果。在計(jì)算機(jī)芯片領(lǐng)域,晶體管的一種奇特形式在科學(xué)家的手中誕生——硅烯。硅烯和石墨烯類(lèi)似,只有一層薄薄的平面結(jié)構(gòu),和石墨烯不同的是,它由硅原子組成,平面上都是由6個(gè)硅原子連接起來(lái)的六邊形,它的形狀跟硅晶體簡(jiǎn)直是大相徑庭。
在傳統(tǒng)的硅晶體中,每個(gè)硅原子都有4個(gè)“觸手”,可以連接4個(gè)其它的硅原子,隨著連接的硅原子增多,硅就形成了一個(gè)立方體狀的硅晶體,而硅烯是平面的。我們知道,裝載在芯片上的晶體管是由硅制成的,傳統(tǒng)硅由于是立方體狀的硅晶體,體積大,制成的晶體管也較大,而僅有薄薄一層硅元素制成的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同時(shí)處理更多的信息,計(jì)算機(jī)的處理速度也會(huì)變快。
但體積小并不代表著完美,由于硅烯只是一個(gè)平面,它的結(jié)構(gòu)很不穩(wěn)定,就像四邊形比正方體更容易變形一樣,硅烯會(huì)更容易分解,所以硅烯制造的晶體管可能只有幾分鐘的“生命”,因此硅烯目前還無(wú)法真正應(yīng)用在實(shí)際生活中。
而在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域,硅的同素異形體似乎一直受到科學(xué)家們的青睞。某研究所的工作人員就一直致力于實(shí)現(xiàn)硅的“變形”,并最終有了驚人的成果。開(kāi)發(fā)人員說(shuō),他們已經(jīng)研制出了一種有機(jī)硅膠的新型材料——Na4Si24晶體,這是由硅元素和鈉元素通過(guò)擠壓而成的藍(lán)色閃亮晶體。
研究人員發(fā)現(xiàn),Na4Si24晶體是一種“走廊式”結(jié)構(gòu),就像人在走廊可以隨處走動(dòng)一樣,鈉離子在硅“走廊”里也可以輕易地來(lái)回“走動(dòng)”。研究人員試著加熱這種晶體,發(fā)現(xiàn)鈉離子在熱量的推動(dòng)下可以輕易地滑出“走廊”,當(dāng)鈉離子全部滑出“走廊”后,研究人員就得到了硅的同素異形體——Si24。經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),它將光能轉(zhuǎn)換成電能的效率比普通的硅晶體要高。研究人員認(rèn)為,如果Si24可以大批量生產(chǎn),將會(huì)制造出更高效的太陽(yáng)能電池。
除了Si24之外,另一種硅的同素異形體——硅BC8,也可以應(yīng)用于制作太陽(yáng)能電池。前文提到,在傳統(tǒng)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(fā)生定向移動(dòng)形成電流。在這個(gè)過(guò)程中,一個(gè)光子一般“敲”出一個(gè)電子后就失效了,光子的利用率很低。如果在陰天或是雨天的情況下,光子數(shù)目較少,被撞擊出的電子就更少了,進(jìn)而產(chǎn)生的電流也少,所以硅電池將光能轉(zhuǎn)換為電能的效率就會(huì)變得更差。
但硅BC8可就不一樣了。硅BC8的特殊結(jié)構(gòu)使得單個(gè)光子進(jìn)入后,可以撞擊多個(gè)電子,可以使多個(gè)電子發(fā)生定向移動(dòng),而電子移動(dòng)越多,產(chǎn)生的電流強(qiáng)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(nèi)的大量電子,并發(fā)生定向移動(dòng),光能就會(huì)被大量地轉(zhuǎn)換為電能,從而提高陰天和雨天時(shí)太陽(yáng)能硅電池的轉(zhuǎn)換效率。
把硅“變形”,實(shí)際上就是將硅元素的一種形態(tài)轉(zhuǎn)變成另一種形態(tài),如同素異形體等,它們有的加快了計(jì)算機(jī)芯片的處理速度,有的提高了太陽(yáng)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(shí)世界里大放異彩。即使這樣,科學(xué)家們也不會(huì)就此退縮,因?yàn)椤爸y而上”是科學(xué)的魅力所在。
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