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                    《科學畫報》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    由中國科學社于1933年8月創刊,距今已有80年的歷史?!犊茖W畫報》在80年的辦刊歷程中,形成了通俗生動、圖文并茂地介紹最新科技知識,形式多樣地普及科學技術的特點,對提高廣大群眾的科學水平,啟發青年愛好科學、投身科學事業起了很大的作用,當今的不少著名學者、教授、科學家,青少年時代都曾受到它的熏陶和啟發。

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                    硅家族的超級兄弟

                    2019-07-10 22:36:00

                      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。

                      硅,老將老矣

                      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!

                      曬太陽也不盡責的硅

                      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。

                      眾里尋它千百度

                      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。

                      直接帶隙的Si24

                      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?!彪m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?!备匾氖?,Si24可以工業化大規模生產。

                      解放電子的BC8

                      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??紤]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。

                      近乎完美的硅烯

                      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。

                    本文來自《科學畫報》

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