◆ ◆ ◆
文/翟萬銀
目前，所有電子設備都依賴硅，但是，硅也有其嚴重的缺點，越來越不能滿足現代化高科技的要求。我們迫切需要了解，硅是不是還有什么秘密可被挖掘出來，以支撐新的世界。
硅是一種重要的電子材料，以至于美國一個著名高技術園區就命名為硅谷。的確，如果沒有硅，就沒有當今相互連通的世界。硅制備的芯片，支撐了從智能手機到心臟起搏器的所有大小裝備，每年生產這些設備所用的硅片，鋪展開來不少于650萬平方米，差不多可以覆蓋1000個足球場。如今，光伏產業也成為硅材料的需求大戶，用大量的硅制造的太陽能電池可以將太陽能轉換成電能，這就大大減少了碳的使用。
硅是地球上儲量第二豐富的元素，它有如此廣泛而重要的應用，任何其他材料都難以企及。不過，硅有個很嚴重的缺點：它的原子結構限制了其導電能力，直接降低了計算機的運算速度，也降低了太陽能電池的光電轉換效率。如果電子設備能運轉得更快、造價更低、占用空間更小，而速度仍能如我們所愿，那就得挖空心思尋找替代硅的新材料，或者進一步探索硅是否還有其他秘密。
在尋找硅的替代材料之前，必須先要了解硅。
眾所周知，硅是一種半導體材料，導電能力介于金屬導體和絕緣體之間。計算機芯片中，施加一個很低的電壓就足以使硅在導電狀態和絕緣狀態之間切換，產生二進制“1”和“0”的數字信號，從而完成邏輯操作。憑借這種方式，硅控制了電子的流動，加上它的低成本、高穩定性、高利用性（儲量大），硅作為電子材料為人類社會服務了60多年。
問題在于，傳統硅芯片的潛力即將開發殆盡，越來越不能滿足理想芯片對高性能材料的迫切需要。如今，頂級的硅芯片上已擠進了差不多50億個晶體管（控制電流開關的基本單元），這數字已經接近了集成度的上限。如果嘗試在目前的硅片上更密集地制作晶體管，那就必須考慮密集帶來的副作用：硅材料固有的缺陷所引起的發熱，會在高密度晶體管同時開關時迅速產生劇量的熱，導致溫度急劇升高，將極大地影響芯片的工作效率。這就是計算機的微處理器速度在過去十多年中停滯不前的主要原因。
美國南卡羅來納軍事學院的半導體物理學家洛克·盧·嚴教授，經過研究得出結論：硅基電子器件幾乎已經達到它們電學性能的峰值——再沒什么提高的余地了！
一說到太陽能電池板，硅的前景就顯得更為黯淡。國際可再生能源材料領域的專家基本都有個共識：硅不善于吸收太陽光！
如果要弄清楚為什么硅不善于吸收太陽光，首先要了解硅為什么是一種半導體。根據量子力學原理，物質中的電子自身不可能有任何多余的能量，只能占據原子一系列能級中的一個，在這個能級上自由移動，或可保證這種物質的導電性。
金屬銅中，由于不同原子間的能級重疊，電子可以任意自由移動。但是，諸如硅那樣的半導體中，電子需要一個推動力，把它們從低能級推到高能級才能導電。半導體芯片中，使得電子跨越能量“帶隙”并產生電流的推動力，是電壓；而在太陽能電池中，這個推動力則是太陽光的光子。
但是，對太陽能電池來說，它需要正確的光來推動電子的移動，而不是任何光都可以。光譜中，一些波段的光（如紅外光），就不能提供足夠的能量，而其他波段的光又可能提供得能量太多。這意味著，照到硅太陽能電池上的太陽光，大約一半都白白浪費掉了。
不僅不能高效利用光能，硅還是一種間接帶隙半導體，它的電子更難以獲得恰當而足夠的動量，使其躍遷到更高的能級，因而電子躍遷更不容易實現，造成了傳統硅太陽能電池轉換效率較低。
實際上，尋找替代硅的材料，美國人很早就開始了。近年來，全球的科學家繼續探索，尋求突破，提出了多種潛在元素和化合物。
碲化鎘、砷化鎵等直接帶隙半導體，由于它們的電子只需一次跳躍就能導電，人們覺得其有望搶奪硅太陽能電池的桂冠。但是，這些材料各自都有另外一些弱點，要么組成元素稀有，要么價格昂貴，要么含有劇毒重金屬（如鎘和砷，容易對環境造成危害）。它們就像一根根雞肋，棄之可惜，用之勉強。
對于計算機芯片材料，石墨烯也曾被人們寄予厚望，國際上投入了大量資金去研究。石墨烯不僅強度高，質量比鋼輕，而且電子在其表面傳輸的速度遠遠勝于硅，似乎很有前景。但是很遺憾，到目前為止還不能高純度地批量生產石墨烯，而且它缺少一種最關鍵的特性——帶隙。帶隙使半導體設備可以關閉，執行“合乎邏輯”的操作。所以，就邏輯應用來說，石墨烯沒有一絲希望。
試來試去，所有這些探索中的新材料均不能令人滿意。它們或昂貴，或有毒，或稀有，或難制造，尤其是它們難以滿足大批量需求。而全球太陽能電池板需求量很大，這意味著電池材料必須極大豐富又十分便宜才可行。
找不到優秀的可替代硅的材料，科學家轉身又有了新想法：也許，解決問題還需要在硅身上做文章。畢竟硅是無毒量多的成熟材料，人們早已為之配備了大量工業設施，只要我們能夠將它變成擁有其他材料最佳特性的“新硅”，困難就迎刃而解了。事實證明，這種轉變在科學上是可能的。
一種元素的性質，很大程度上取決于其原子間的排列方式。例如，石墨烯是由碳原子以二維晶格的排列方式構成的；同樣是碳原子，以另一種方式排列，就能構成熠熠生輝、光彩照人的鉆石；如果碳原子排列方式又發生變化，就會形成暗淡無光、默默無聞的石墨。不同的原子排列方式，構成不同的材料，一般都有其特殊的性能，因而具有一些特殊的用途。
科學家已經在實施這種想法了。2014年，美國華盛頓卡內基研究所的提摩西·斯特羅貝爾和同事宣布制造出一種新型硅——Si24，它僅僅通過原子緊縮就可以變成直接帶隙。
其實，Si24的發現只是一個偶然事件。斯特羅貝爾和同事將硅和鈉壓縮在一起，做成了亮閃閃的藍色晶體Na4Si24，然后，想測一下這種化合物晶體的電阻。測量電阻就需要用膠把電極粘到晶體上，這一過程需要加熱。斯特羅貝爾發現，加熱到40℃時，晶體中的鈉離子就開始逃離，晶體的電學特性也會變化。這是一個意想不到的結果，通常硅的化合物會形成籠子狀的晶格，較小的鈉離子會被困在Si的晶格中振動，在很高溫度下也無法逃脫。但是Na4Si24沒有形成籠子晶格，而是形成走廊狀的晶格，當溫度上升時，鈉離子很容易滑出來。當加熱到100℃的時候，每1000個原子中鈉的含量已經不超過1個，溫度再提高一些，一種屬于硅的同素異形體的新型硅——Si24就做成了。
同時，其電學性能發生改變。只要把這個Si24輕輕擠壓一下，就可避免出現前面說的間接帶隙問題。斯特羅貝爾興奮地說：“我們做出的Si24材料，真正‘酷炫’的是它非常近似直接帶隙材料。”雖然本質上講，它仍屬于間接帶隙半導體，但僅施加一個小小的物理應力，就足以打開一個跨越帶隙的直接通道使電子跳轉，而不需要改變動量，可以直接進行光電轉換。斯特羅貝爾說：“你只要把它擠壓2%就行，就像一個人被擠壓一下穿進一件不合身的衣服一樣。”更重要的是，Si24可以工業化大規模生產。
Si24對快速增長的光伏產業來說，絕對是個好消息。如今，最優秀的硅太陽能電池的轉換效率為25%，而人們普遍認為太陽能電池的轉換效率最高可以到33%。Si24可使太陽能電池的轉換效率接近這個上限，但它能不能再向上突破呢？33%的數字是基于每個入射的光子僅能激發一個電子的假設推導出來的。考慮到微觀量子效應，一些材料可能一次激發出不止一個電子。2013年，美國芝加哥大學的朱利亞·加利教授研究提出，一種叫BC8的硅納米顆粒，理論上能將太陽能電池的轉換效率提高至42%。
科研人員借助勞倫斯伯克利國家實驗室的超級計算機模擬了BC8的行為。這種硅結構形成于高壓環境，但在正常壓力下也很穩定。模擬結果顯示，BC8確實基于單個光子生成了多個電子空穴對，利用BC8可使太陽能電池的轉換效率提升至42%，超越33%的上限，意義十分重大。而且，如果利用拋物面反射鏡為新型太陽能電池聚集陽光，BC8的效率甚至可以達到70%。
有些遺憾的是，BC8通過與傳統的硅納米顆粒相結合，目前制成的太陽能電池模型僅能在紫外線的照射下工作，還不能在可見光照射下正常工作。但哈佛大學的科學家發表論文指出，當普通硅太陽能電池被激光照射時，激光所發出的能量足以產生局部的高壓以形成BC8硅納米晶體。因此，如果對現有的太陽能電池施加壓力或者照射激光，也許可以提高太陽能電池的效率——斯特羅貝爾躍躍欲試，打算改進一下他們的Si24，急切地爭取達到這個轉換率。
2015年2月，美國德克薩斯大學的德基·阿金旺德宣布，他和同事合成了另一種硅同素異形體——一種奇特的二維層狀薄膜硅，并用這種薄膜硅制造了世界上第一個硅烯晶體管。
如同石墨烯一樣，硅烯的許多理想特性，要歸因于形成獨特的二維層狀薄膜結構。石墨烯是完全光滑的二維層狀薄膜，而硅烯的薄膜結構上因較大的硅原子擠進到同樣規則排列的結構中，形成了很多搭扣，導致額外的自由電子盤旋于這種薄膜材料的表面，使得電子在薄膜上的“旅行”速度比在普通硅立方晶格中要快得多——不是快兩三倍，而是快一百萬倍。
電子在硅烯表面的“車道”上快速行駛，可大大減少電子間相互碰撞的機會，特別是電子在高速行駛狀態下。這會使密集排布著微型晶體管的芯片，產生的熱量也大大減少。由于硅烯制成的晶體管非常薄，因此，相同的芯片空間內可以做出更多、更密的微型晶體管，阿金旺德團隊研制的裝置就是這個理論的一個佐證。
不過，這項技術要得到實際應用，還有很多障礙需要克服。硅烯中的電子跑得更快，意味著硅烯也更容易分崩離析。實際上，阿金旺德團隊制造的硅烯晶體管只持續工作了幾分鐘。再者，處理硅烯本身也是一項巨大的挑戰，合成它需要高真空裝置和高級專業技術人員。目前，這種合成更像是一種藝術，要靠運氣。好在這畢竟是一個開始，畢竟之前還都認為用薄膜硅制造硅烯晶體管是不可能的。目前的成果已經是個重大突破。
BC8和Si24很可能應用于未來的電子器件中，有可能使光學和電子元件集成在單一芯片上。這種混合芯片可以使用光和電子傳遞信號，大大提高速度和可以攜帶的數據量。
結構如Si、BC8、Si24的這些“硅家族的兄弟”，如果最終可成功應用于太陽能電池和計算機芯片，那么“硅氏兄弟”將有望成為安全、低成本和可靠的材料，硅元素也將會有一個夢幻般的前景，繼續占據著電子工業舞臺的中心。那時，硅谷也許不必更換名字了。
END
本文選自《科學畫報》
微信發表時有改動
轉載請保留作者，注明轉載自科學畫報
科學畫報
中國歷史最悠久的綜合性科普期刊
