目前，所有電子設備都依賴矽，但是，矽也有其嚴重的缺點，越來越不能滿足現代化高科技的要求。我們迫切需要了解，矽是不是還有什麼秘密可被挖掘出來，以支撐新的世界。
矽是一種重要的電子材料，以至於美國一個著名高技術園區就命名為矽谷。的確，如果沒有矽，就沒有當今相互連通的世界。矽製備的晶片，支撐了從智慧型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矽片，鋪展開來不少於650萬平方米，差不多可以覆蓋1000個足球場。如今，光伏產業也成為矽材料的需求大戶，用大量的矽製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。
矽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，矽有個很嚴重的缺點：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、佔用空間更小，而速度仍能如我們所願，那就得挖空心思尋找替代矽的新材料，或者進一步探索矽是否還有其他秘密。
矽，老將老矣
在尋找矽的替代材料之前，必須先要了解矽。
眾所周知，矽是一種半導體材料，導電能力介於金屬導體和絕緣體之間。計算機晶片中，施加一個很低的電壓就足以使矽在導電狀態和絕緣狀態之間切換，產生二進位「1」和「0」的數位訊號，從而完成邏輯操作。憑藉這種方式，矽控制了電子的流動，加上它的低成本、高穩定性、高利用性（儲量大），矽作為電子材料為人類社會服務了60多年。
問題在於，傳統矽晶片的潛力即將開發殆盡，越來越不能滿足理想晶片對高性能材料的迫切需要。如今，頂級的矽晶片上已擠進了差不多50億個電晶體（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。如果嘗試在目前的矽片上更密集地製作電晶體，那就必須考慮密集帶來的副作用：矽材料固有的缺陷所引起的發熱，會在高密度電晶體同時開關時迅速產生劇量的熱，導致溫度急劇升高，將極大地影響晶片的工作效率。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：矽基電子器件幾乎已經達到它們電學性能的峰值——再沒什麼提高的餘地了！
曬太陽也不盡責的矽
一說到太陽能電池板，矽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：矽不善於吸收太陽光！
如果要弄清楚為什麼矽不善於吸收太陽光，首先要了解矽為什麼是一種半導體。根據量子力學原理，物質中的電子自身不可能有任何多餘的能量，只能佔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，由於不同原子間的能級重疊，電子可以任意自由移動。但是，諸如矽那樣的半導體中，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。半導體晶片中，使得電子跨越能量「帶隙」並產生電流的推動力，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，照到矽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，矽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，造成了傳統矽太陽能電池轉換效率較低。
眾裡尋它千百度
實際上，尋找替代矽的材料，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，由於它們的電子只需一次跳躍就能導電，人們覺得其有望搶奪矽太陽能電池的桂冠。但是，這些材料各自都有另外一些弱點，要麼組成元素稀有，要麼價格昂貴，要麼含有劇毒重金屬（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。
對於計算機晶片材料，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於矽，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，或難製造，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矽的材料，科學家轉身又有了新想法：也許，解決問題還需要在矽身上做文章。畢竟矽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「新矽」，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，很大程度上取決於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、光彩照人的鑽石；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製造出一種新型矽——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矽和鈉壓縮在一起，做成了亮閃閃的藍色晶體Na4Si24，然後，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，通常矽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，一種屬於矽的同素異形體的新型矽——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，它仍屬於間接帶隙半導體，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。
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，最優秀的矽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%的數字是基於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的矽納米顆粒，理論上能將太陽能電池的轉換效率提高至42%。
科研人員藉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。這種矽結構形成於高壓環境，但在正常壓力下也很穩定。模擬結果顯示，BC8確實基於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通過與傳統的矽納米顆粒相結合，目前製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，當普通矽太陽能電池被雷射照射時，雷射所發出的能量足以產生局部的高壓以形成BC8矽納米晶體。因此，如果對現有的太陽能電池施加壓力或者照射雷射，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。
近乎完美的矽烯
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矽同素異形體——一種奇特的二維層狀薄膜矽，並用這種薄膜矽製造了世界上第一個矽烯電晶體。
如同石墨烯一樣，矽烯的許多理想特性，要歸因於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，而矽烯的薄膜結構上因較大的矽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於這種薄膜材料的表面，使得電子在薄膜上的「旅行」速度比在普通矽立方晶格中要快得多——不是快兩三倍，而是快一百萬倍。
電子在矽烯表面的「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電晶體的晶片，產生的熱量也大大減少。由於矽烯製成的電晶體非常薄，因此，相同的晶片空間內可以做出更多、更密的微型電晶體，阿金旺德團隊研製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。矽烯中的電子跑得更快，意味著矽烯也更容易分崩離析。實際上，阿金旺德團隊製造的矽烯電晶體只持續工作了幾分鐘。再者，處理矽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矽製造矽烯電晶體是不可能的。目前的成果已經是個重大突破。
BC8和Si24很可能應用於未來的電子器件中，有可能使光學和電子元件集成在單一晶片上。這種混合晶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「矽家族的兄弟」，如果最終可成功應用於太陽能電池和計算機晶片，那麼「矽氏兄弟」將有望成為安全、低成本和可靠的材料，矽元素也將會有一個夢幻般的前景，繼續佔據著電子工業舞臺的中心。那時，矽谷也許不必更換名字了。
本文來自《科學畫報》