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旧貌换新颜的硅
苏秀英/文
几乎所有的电子设备都要依靠硅,但是硅却使电子工业的发展陷入了瓶颈.硅会被淘汰么？也许不会,因为改头换面的“新硅”能够挽救这一老牌工业元素的命运.
“旧硅”的瓶颈
硅是一种很重要的物质,以致于人们用它的名字命名了一个山谷——硅谷.但这对硅来说不足为奇,因为在今天,人类高度发达的科技就是以硅为基础的.
硅属于半导体材料,导电能力介于金属和绝缘体之间.在一个电脑芯片中,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“0”和“1”的数字信息,进而可以完成逻辑操作.这种对电流的控制,加上高稳定性和高可靠性,使硅材料在电子行业中称霸了60多年.不论是智能手机,还是心脏起搏器,其中的芯片全都是用硅做成的,而新兴的太阳能产业也将硅视为主要材料,因为它能将光转化成电.
硅的需求量是如此之大,以至于你可能会产生一种错觉,误以为硅的上述特性是独一无二的,而实际情况并非完全如此.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.硅之所以能有今天的江湖地位,这主要归功于它的数量,而不是性能.作为地球上储量第二丰富的元素,硅的低成本让人类非常“受用”.
但硅的原子结构限制了它传导电子的能力,人类对其电学性能的利用已经达到峰值了.现在,一个顶级的高端芯片上可以集成5 0亿个晶体管,这些晶体管是控制电流开关的基本单位.这已经接近了可以集成度的上限.如果尝试加入更多的晶体管,硅材料的缺陷所产生的热量都会降低芯片的效率,这就是处理器速度在过去十年内停滞不前的主要原因.如果电子设备想要做得更快、更便宜和更紧凑,我们现今所知的硅恐怕就要被拒之门外了.
在太阳能电池方面,硅的前景其实也并不太好.硅不是很善于吸收光线,因为它是间接带隙半导体材料（半导体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,后者需要借助于声子,也就是借助晶格振动的能量才可以进行光电转换）,其结果就是,传统的硅太阳能电池效率非常低.替代品在哪？
为了取得实质性的突破,许多被视为可以替代硅的元素和化合物被提了出来.对于电脑芯片的材料,有人提出用石墨烯来代替硅,这种材料比钢还坚韧,而且电子在其表面的运输速度远胜过硅,但是石墨烯很难量产,而且它缺少一种最关键的特性——带隙.带隙使半导体设备可以关闭,执行“合乎逻辑”的操作.所以,就逻辑应用来说,石墨烯可以说没有一丝希望.而对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,比如碲化镉、砷化镓,但这些材料或者含有珍稀昂贵的元素,或者含有剧毒重金属,对环境会造成很大的破坏.
试来试去,科学家们找不到非常完美的替代品,他们回过头来有一个新想法：也许,解决问题还需要从硅身上做文章.毕竟硅是无毒量多的成熟材料,人们早已为之配备了大量工业设施,只要我们能够将它变成拥有其他材料最佳特性的“新硅”就好了.事实证明,这种转变在科学上是可能的.一种元素可以根据其原子排列方式的不同而变的很不一样,比如石墨烯,它就是碳元素的二维晶格,原子排列方式变化了,相同的原子又可以变成耀眼的.
直接带隙的Si24
一些科学家已经在实施这种想法了,比如华盛顿卡内基研究所的提摩西·斯特罗贝尔.2014年,他和同事宣布制造出一种新型硅——Si24,它仅仅通过原子紧缩就可以变成直接带隙.
其实,S i 2 4的发现只是一个偶然事件.斯特罗贝尔和同事将硅和钠压缩在一起,做成了闪亮的蓝色晶体Na4 Si24,然后想测一下这种化合物晶体的电阻.测量电阻就需要用胶把电极粘到晶体上,这一过程需要加热.斯特罗贝尔发现,加热到40℃时,晶体中的钠离子就开始逃离,晶体的电学特性也会变化.这是一个意想不到的结果,通常硅的化合物会形成笼子状的晶格,较小的钠离子会被困在Si的晶格中振动,在很高温度下也无法逃脱.但是Na4Si24不形成笼子晶格,而是形成走廊状的晶格,当温度上升时,钠离子很容易滑出来.当加热到100℃的时候,每10 0 0个原子中钠的含量已经不超过一个,温度再提高一些,一个真正的新型硅— —Si24就做成了.
虽然本质上讲,Si24仍然算是间接带隙半导体,但仅仅施加一个小小的应力,比如把它挤压2%,就可使电子直接跃迁,可以直接进行光电转换.目前,最好的硅太阳能电池效率只有25%（25%的光能转化成电能）,科学家们普遍认为,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加接近这个上限,甚至更高.
解放电子的BC8
3 3%这个上限是基于一个假设提出的,那就是每一个入射的光子都会激发一个可以导电的自由电子.其实,如果考虑微观的量子效应,一些材料有可能一次激发出多个自由电子,一种名为BC8的硅纳米颗粒就能够基于单个光子产生多个自由电子.
科研人员借助劳伦斯伯克利国家实验室的超级计算机模拟了BC8的行为.这种硅结构形成于高压环境,但在正常压力下也很稳定.模拟结果显示,硅BC8纳米颗粒确实基于单个光子生成了多个电子空穴对,利用BC8可使太阳能电池的效率提升至42%,超越33%的上限,意义十分重大.而且,如果利用抛物面反射镜为新型太阳能电池聚集阳光,BC8的效率甚至可以达到70%.
有些遗憾的是,BC8通过与传统的硅纳米颗粒相结合,目前制成的太阳能电池模型仅能在紫外线的照射下工作,还不能在可见光照射下正常工作.但哈佛大学的科学家发表论文指出,当普通硅太阳能电池被激光照射时,激光所发出的能量足以产生局部的高压以形成硅BC8纳米晶体.因此,如果对现有的太阳能电池施加压力或者照射激光,也许可以提高太阳能电池的效率——斯特罗贝尔已经在测试这种想法了.近乎完美的硅烯
在计算机芯片的领域,另一种新型的硅——硅烯一直在取得突破.硅烯是一种类似于石墨烯的材料,它由单个原子厚度的硅制成.硅烯和石墨烯一样,具有超凡的导电性能,但是硅烯有带隙,理论上能够实现逻辑操作.
2015年2月,美国德克萨斯大学的德基·阿金旺德宣布,他们已经制作出第一个硅烯晶体管.这引起了不小的轰动,因为硅烯是极难制备的.这种材料不像石墨烯那样,可以用胶带从块状石墨上面一层一层剥下来.为了得到硅烯,科学家们需要将硅放在真空中加热,然后让蒸汽沉积到银块上来获取它,这是一个非常复杂的过程.而且,单片的硅烯在空气中极不稳定,甚至直到2 014年,一些科学家还在质疑硅烯究竟是否存在.
阿金旺德制作出来的硅烯晶体管尽管技术十分巧妙,但短期内还无法得到实际应用,因为外露的硅烯在两分钟内就破坏了.想要延长硅烯晶体管的寿命,就必须给它加涂一些保护层.但不管怎样,这次突破鼓励了科学家们通过各种方法去尝试制作硅烯晶体管的技术,这将会引起电子工业的革命.毕竟,电子在硅烯表面中的传输速度要比在普通硅中快100万倍,而且高速电子之间的碰撞大大减少,进而减少了密集芯片所产生的热量,可以使电子器件变得更小.另外,由硅烯做成的晶体管会非常薄,科学家们还考虑将BC8和Si24一起加入到未来的电子产品中,在单一的芯片上集成光学和电子器件,这种混合芯片可以使用光和电子传递信号,大大提高速度和可以携带的数据量.所以,在未来,硅元素将会有一个梦幻般的前景,继续占据着电子工业舞台的中心.
旧貌换新颜的硅论文范文结:
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