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科普硅橡膠原材料的鼻祖:硅元素你了解多少?

文章出處:廣東帝博科技有限公司 人氣:-發表時間:2019-01-15


地球上的所有資源都都是源于大自然,我們對任何物質產品的材料來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,氧為多種產品以及物質中的重要物質,所以你手里面可能隨時都有它的存在,那么今天我們不說最多的,而是第熱門的硅含量,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之中硅鏈子離不開硅元素的豐富資源,也就是它算得上是推動社會經濟進步發展與人類發展史的重要資源之一!


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人們往往對第一名更有印象,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,它約占地殼總質量的27%。雖然含量豐富,但在自然界中卻很難找到它的單質,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用性。有了硅才有了性能強大的電子設備,才有了現在的互聯網社會。但硅的應用似乎已經停滯不前,因此科學家們嘗試把硅“偽裝”起來,并且得到了傲人的成果。硅的應用為何停滯不前?這些“偽裝”的硅又是什么?我們一起來看一下吧。



 硅芯片的速度“到頭了”

在電子設備中,硅芯片可以說是核心裝置。從智能手機、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。幾乎每年都會制造大約650萬平方米的芯片投入使用,它們有一部分投入在計算機和太陽能電池中,但就目前的情況來看,硅在計算機和太陽能電池上的應用效率似乎已經達到上限。

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目前小小的計算機硅芯片上已經擁擠不堪,因為上面擠著許多的半導體硅制成的硅晶體管。作為計算機處理信息的基本設備,硅晶體管最主要的特性之一,就是充當電阻,實現電壓對電流的開關控制,這里的開關指的是電流的存在和不存在。為什么會選擇半導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體。因為如果是導體制作的晶體管,由于導體的導電能力太強,當施加很小的電壓時,就會產生電流,因此會讓晶體管一直處于“開”的狀態;如果是絕緣體,無論施加多大的電壓,它也不會產生電流,晶體管會一直處于“關”的狀態。這樣的一個晶體管就不能夠實現電壓對電流的開關控制。但半導體就不一樣了,它的導電能力介于導體和絕緣體之間,當施加較小的電壓時,它跟絕緣體一樣,無法產生電流,此時的晶體管處于“關”的狀態;當施加電壓較大時,半導體就跟導體一樣,產生電流,此時可以傳輸“開”的信息。這樣半導體就可以在施加不同電壓時,在開關兩種不同狀態中來回轉換,也就可以控制電流,所以半導體才成為了晶體管的主要材料。

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其次,選擇硅的原因其實很簡單,因為硅在地殼中含量豐富,相對于鍺、砷化鎵來說,價格也比較便宜,可以用于大批量生產,因此半導體硅成為了幾十年來晶體管的首選材料。


一塊芯片上的晶體管數目越多,意味著可以同時處理更多的信息,這臺計算機的處理速度就越快。但與此同時,晶體管同時開關產生的熱量也會越多,更多的熱量對芯片的效率會產生不利的影響,因此一塊芯片上能裝載的晶體管數量是有限的。而硅也發揮了它幾乎100%的可用性,這就是為什么近十年來計算機處理速度基本停滯不前的原因。


光電轉換效率低


在太陽能電池方面,硅的前景似乎更加黯淡,因為它將光能轉換為電能的效率太低了,這是為什么呢?原來在太陽能硅電池中,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,可以用來存放電子。

光是一束從太陽內射出的微粒流,一束光里有無數個光子,它們是一個個很小的小微粒。當光照射在硅電池上,部分光子會擊中硅原子的盈余電子,并將電子從硅原子里“敲”出來。被“敲”出來的電子要找個地方來存放它,此時它就會移動到電子空穴中,而電子的移動會產生電流。在硅電池中,會發生很多類似的撞擊,大量被撞擊的電子會不斷“投奔”電子空穴,而且電子并不只是“定居”在某個電子空穴上,而是會在多個電子空穴中連續移動,直到形成一條特定的移動路線,此時電子發生定向移動產生電流,這樣光能就被轉換成電能。

 

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但是光是會反射的,在光照射到硅電池表面后,部分光會發生反射,這部分光就不能轉換成電能。同時,被“敲”出來的電子在移動過程中,其中的一些電子可能會被其它硅原子“抓”進自己的軌道里,這些電子無法連續移動,也沒有進入特定路線,路線內流動的電子變少,產生的電流強度變弱,光能轉換為電能的效率就變低。

為此,研究人員曾考慮過其它的材料如碲化鎘和砷化鎵,但碲、鎵等元素因為數量少,價格也比較貴,無法滿足當今互聯網社會的使用量要求,甚至有些元素還可能是有毒的,會對環境造成威脅。科學家們還考慮過石墨烯,它比硅更堅固更輕,而且光電轉換效率也遠比硅電池好,但大批量生產石墨烯是很困難的。生產石墨烯常用的辦法是機械剝離法,單層的石墨烯非常薄,因此剝離需要精度非常高的儀器。一般來說,儀器越精密,制作越困難,成本也越高。



看來,希望還是只能寄存在硅身上了。“變形”硅三劍客

既然硅依然是計算機芯片和太陽能電池的“主力干將”,那么科學家只好繼續研究該如何讓硅變個樣子了。而現在,科學家們已經有了傲人的成果。在計算機芯片領域,晶體管的一種奇特形式在科學家的手中誕生——硅烯。硅烯和石墨烯類似,只有一層薄薄的平面結構,和石墨烯不同的是,它由硅原子組成,平面上都是由6個硅原子連接起來的六邊形,它的形狀跟硅晶體簡直是大相徑庭。


在傳統的硅晶體中,每個硅原子都有4個“觸手”,可以連接4個其它的硅原子,隨著連接的硅原子增多,硅就形成了一個立方體狀的硅晶體,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處理更多的信息,計算機的處理速度也會變快。

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但體積小并不代表著完美,由于硅烯只是一個平面,它的結構很不穩定,就像四邊形比正方體更容易變形一樣,硅烯會更容易分解,所以硅烯制造的晶體管可能只有幾分鐘的“生命”,因此硅烯目前還無法真正應用在實際生活中。


而在太陽能電池領域,硅的同素異形體似乎一直受到科學家們的青睞。某研究所的工作人員就一直致力于實現硅的“變形”,并最終有了驚人的成果。開發人員說,他們已經研制出了一種有機硅膠的新型材料——Na4Si24晶體,這是由硅元素和鈉元素通過擠壓而成的藍色閃亮晶體。


研究人員發現,Na4Si24晶體是一種“走廊式”結構,就像人在走廊可以隨處走動一樣,鈉離子在硅“走廊”里也可以輕易地來回“走動”。研究人員試著加熱這種晶體,發現鈉離子在熱量的推動下可以輕易地滑出“走廊”,當鈉離子全部滑出“走廊”后,研究人員就得到了硅的同素異形體——Si24。經過對比發現,它將光能轉換成電能的效率比普通的硅晶體要高。研究人員認為,如果Si24可以大批量生產,將會制造出更高效的太陽能電池。


除了Si24之外,另一種硅的同素異形體——硅BC8,也可以應用于制作太陽能電池。前文提到,在傳統的硅電池中,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,電子發生定向移動形成電流。在這個過程中,一個光子一般“敲”出一個電子后就失效了,光子的利用率很低。如果在陰天或是雨天的情況下,光子數目較少,被撞擊出的電子就更少了,進而產生的電流也少,所以硅電池將光能轉換為電能的效率就會變得更差。


但硅BC8可就不一樣了。硅BC8的特殊結構使得單個光子進入后,可以撞擊多個電子,可以使多個電子發生定向移動,而電子移動越多,產生的電流強度可能就越大。這樣,即使只是少量的光子,硅BC8也可以充分利用光子,“敲”出硅電池內的大量電子,并發生定向移動,光能就會被大量地轉換為電能,從而提高陰天和雨天時太陽能硅電池的轉換效率。


把硅“變形”,實際上就是將硅元素的一種形態轉變成另一種形態,如同素異形體等,它們有的加快了計算機芯片的處理速度,有的提高了太陽能電池的使用效率。但令人遺憾的是,它們還不能真正在真實世界里大放異彩。即使這樣,科學家們也不會就此退縮,因為“知難而上”是科學的魅力所在。



此文關鍵詞:硅,硅膠,有機硅膠,硅膠產品,制品

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