焕然一新的硅？
硅是如此重要的一种物质，以至于人们以它命名了一个山谷——硅谷。但这对于硅来说并不奇怪，因为在今天，人类高度发达的科技都是以硅为基础的。
硅是一种半导体材料，导电性介于金属和绝缘体之间。在计算机芯片中，施加一个很小的电压就可以使硅在导电状态和绝缘状态之间切换，产生二进制的“0”和“1”数字信息，然后完成逻辑运算。这种对电流的控制，加上高稳定性和可靠性，使硅材料在电子行业占据了60多年的主导地位。无论是智能手机还是心脏起搏器，里面的芯片都是用硅制造的，新兴的太阳能行业也把硅作为主要材料，因为它可以把光转化成电。
硅的需求量是如此之大，以至于你可能会有一种错觉，以为硅的上述特性是独一无二的，但事实并非如此。例如，锗也是常见的半导体材料。此外，还有砷化镓、磷化镓、硫化镉、硫化锌等各种半导体材料。硅今天的地位主要是因为它的数量，而不是它的性能。作为地球上第二丰富的元素，硅的低成本让人类非常“有用”。
但硅的原子结构限制了其传导电子的能力，其电学性质的利用已经达到了顶峰。现在一个顶级高端芯片可以集成50亿个晶体管，这些晶体管是控制电流开关的基本单位。这已经接近积分上限了。如果你试图增加更多的晶体管，硅材料的缺陷产生的热量会降低芯片的效率，这是过去十年处理器速度停滞不前的主要原因。如果电子设备想要更快、更便宜、更紧凑，我们今天所知道的硅很可能会被拒绝。
太阳能电池方面，硅的前景其实不太好。硅不太会吸收光，因为它是间接带隙半导体材料(半导体可分为直接带隙半导体和间接带隙半导体，前者可以直接进行光电转换，后者需要声子，也就是晶格振动的能量来进行光电转换)。因此，传统硅太阳能电池的效率非常低。
替代品在哪里？
为了取得实质性突破，人们提出了许多可以替代硅的元素和化合物。对于计算机芯片的材料，有人提出用石墨烯代替硅。这种材料比钢更坚韧，电子在其表面的传输速度远远快于硅。然而，石墨烯很难大规模生产，并且缺乏最关键的特性之一——带隙。带隙允许半导体器件关闭并执行“逻辑”操作。所以就逻辑应用而言，石墨烯可以说是没有希望了。至于太阳能电池的新材料，人们尝试了一些直接带隙的化合物，如碲化镉、砷化镓等，但这些材料要么含有稀有昂贵的元素，要么含有剧毒的重金属，会对环境造成很大的破坏。
试了又试，科学家找不到完美的替代品，他们带着新的想法回来了:也许，要解决问题，我们需要在硅上做文章。毕竟硅是一种成熟的材料，无毒很多，人们已经为它配备了很多工业设施，只要我们能把它变成具有其他材料最佳特性的“新硅”。事实证明，这种转变在科学上是可能的。一种元素根据其原子的排列可以有很大的不同，例如石墨烯，它是碳元素的二维晶格。原子的排列发生了变化，同样的原子也能变成耀眼的钻石。
具有直接带隙的Si24
一些科学家已经在实施这个想法，比如华盛顿卡内基研究所的蒂莫西·斯特罗贝尔。2014年，他和他的同事宣布制造出一种新型硅——Si24，这种硅只需要原子收缩就可以变成直接带隙。
其实Si24的发现只是一个偶然。Strobel和他的同事将硅和钠压缩在一起，制成一种闪亮的蓝色晶体Na4Si24，然后想测量这种复合晶体的电阻。测量电阻，需要用胶水把电极粘在晶体上，需要加热。Strobel发现，当加热到40℃时，晶体中的钠离子开始逃逸，晶体的电学特性也发生了变化。这是一个意想不到的结果。通常，硅化合物会形成笼状晶格，较小的钠离子会被捕获在Si的晶格中，在非常高的温度下无法逃逸。而Na4Si24并没有形成笼状晶格，而是走廊晶格。当温度升高时，钠离子很容易逸出。加热到100℃时，每1000个原子中钠的含量不超过一个。如果温度再升高一点，一种真正的新型硅——Si24就制成了。
虽然从本质上来说，Si24还是被认为是间接带隙半导体，但是只要施加一个很小的应力，比如挤压它2%，电子就可以直接跳跃，直接进行光电转换。目前最好的硅太阳能电池效率只有25%(25%的光能转化为电能)。科学家普遍认为太阳能电池效率的上限是33%，Si24可以让太阳能电池的效率更接近这个上限，甚至更高。
BC8释放电子
33%的上限是基于假设每一个入射光子都会激发一个可以导电的自由电子。事实上，如果考虑微观量子效应，一些材料可能一次激发多个自由电子，一个名为BC8的硅纳米粒子可以基于单个光子产生多个自由电子。
研究人员在劳伦斯伯克利国家实验室的超级计算机的帮助下模拟了BC8的行为。这种硅结构是在高压环境下形成的，但在常压下也是稳定的。模拟结果表明，硅BC8纳米颗粒确实基于单个光子产生多个电子-空穴对。使用BC8可以将太阳能电池的效率提高到42%，超过33%的上限，意义重大。此外，如果使用抛物面反射器为新的太阳能电池收集太阳光，BC8的效率甚至可以达到70%。
可惜BC8只能在紫外辐射下工作，而与传统的硅纳米颗粒结合，在可见光辐射下无法正常工作。然而，来自哈佛大学的科学家发表论文指出，当普通硅太阳能电池受到激光照射时，激光发出的能量足以产生局部高压，形成硅BC8纳米晶体。因此，如果将现有的太阳能电池置于压力下或用激光照射，太阳能电池的效率可能会得到提高——Strobel一直在测试这一想法。
近乎完美的硅烯
在计算机芯片领域，另一种新型硅硅烯一直在取得突破。硅树脂是一种类似石墨烯的材料，由单原子厚度的硅构成。硅烯和石墨烯一样，具有非凡的导电性，但它有带隙，理论上可以实现逻辑运算。
2065438+2005年2月，德克萨斯大学的Deki Akinwand宣布他们制造出了第一个硅烯晶体管。这引起了轩然大波，因为亚硅烷极难制备。与石墨烯不同，这种材料可以用胶带一层一层地从大块石墨上剥离下来。为了获得硅烯，科学家需要在真空中加热硅，然后在银块上沉积蒸汽来获得，这是一个非常复杂的过程。此外，单一的硅烯在空气中极不稳定。甚至直到2014，一些科学家还在质疑硅烯是否真的存在。
虽然Akinwand做的硅烯晶体管的技术很巧妙，但是短时间内无法应用于实际，因为暴露的硅烯两分钟就被破坏了。如果你想延长硅晶体管的寿命，你必须给它加一些保护层。然而，这一突破鼓励了科学家们以各种方式尝试制造硅基晶体管的技术，这将导致电子行业的一场革命。毕竟silene表面的电子传输速度比普通硅快654.38+0万倍，高速电子之间的碰撞大大减少，从而减少密集芯片产生的热量，让电子器件变得更小。此外，硅烯制成的晶体管会非常薄。科学家们还在考虑将BC8和Si24添加到未来的电子产品中，并将光学和电子设备集成到单个芯片上。这种混合芯片可以使用光和电子来传输信号，大大提高了速度和可以携带的数据量。因此，在未来，硅将有着梦幻般的前景，继续占据电子工业舞台的中心。
(本文来自大科技*科学之谜第三期2016)