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《科学画报》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

由中国科学社于1933年8月创刊,距今已有80年的历史。《科学画报》在80年的办刊历程中,形成了通俗生动、图文并茂地介绍最新科技知识,形式多样地普及科学技术的特点,对提高广大群众的科学水平,启发青年爱好科学、投身科学事业起了很大的作用,当今的不少著名学者、教授、科学家,青少年时代都曾受到它的熏陶和启发。

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硅家族的超级兄弟

2019-07-10 22:36:00

  目前,所有电子设备都依赖硅,但是,硅也有其严重的缺点,越来越不能满足现代化高科技的要求。我们迫切需要了解,硅是不是还有什么秘密可被挖掘出来,以支撑新的世界。

  硅是一种重要的电子材料,以至于美国一个著名高技术园区就命名为硅谷。的确,如果没有硅,就没有当今相互连通的世界。硅制备的芯片,支撑了从智能手机到心脏起搏器的所有大小装备,每年生产这些设备所用的硅片,铺展开来不少于650万平方米,差不多可以覆盖1000个足球场。如今,光伏产业也成为硅材料的需求大户,用大量的硅制造的太阳能电池可以将太阳能转换成电能,这就大大减少了碳的使用。

  硅是地球上储量第二丰富的元素,它有如此广泛而重要的应用,任何其他材料都难以企及。不过,硅有个很严重的缺点:它的原子结构限制了其导电能力,直接降低了计算机的运算速度,也降低了太阳能电池的光电转换效率。如果电子设备能运转得更快、造价更低、占用空间更小,而速度仍能如我们所愿,那就得挖空心思寻找替代硅的新材料,或者进一步探索硅是否还有其他秘密。

  硅,老将老矣

  在寻找硅的替代材料之前,必须先要了解硅。

  众所周知,硅是一种半导体材料,导电能力介于金属导体和绝缘体之间。计算机芯片中,施加一个很低的电压就足以使硅在导电状态和绝缘状态之间切换,产生二进制“1”和“0”的数字信号,从而完成逻辑操作。凭借这种方式,硅控制了电子的流动,加上它的低成本、高稳定性、高利用性(储量大),硅作为电子材料为人类社会服务了60多年。

  问题在于,传统硅芯片的潜力即将开发殆尽,越来越不能满足理想芯片对高性能材料的迫切需要。如今,顶级的硅芯片上已挤进了差不多50亿个晶体管(控制电流开关的基本单元),这数字已经接近了集成度的上限。如果尝试在目前的硅片上更密集地制作晶体管,那就必须考虑密集带来的副作用:硅材料固有的缺陷所引起的发热,会在高密度晶体管同时开关时迅速产生剧量的热,导致温度急剧升高,将极大地影响芯片的工作效率。这就是计算机的微处理器速度在过去十多年中停滞不前的主要原因。

  美国南卡罗来纳军事学院的半导体物理学家洛克·卢·严教授,经过研究得出结论:硅基电子器件几乎已经达到它们电学性能的峰值——再没什么提高的余地了!

  晒太阳也不尽责的硅

  一说到太阳能电池板,硅的前景就显得更为黯淡。国际可再生能源材料领域的专家基本都有个共识:硅不善于吸收太阳光!

  如果要弄清楚为什么硅不善于吸收太阳光,首先要了解硅为什么是一种半导体。根据量子力学原理,物质中的电子自身不可能有任何多余的能量,只能占据原子一系列能级中的一个,在这个能级上自由移动,或可保证这种物质的导电性。

  金属铜中,由于不同原子间的能级重叠,电子可以任意自由移动。但是,诸如硅那样的半导体中,电子需要一个推动力,把它们从低能级推到高能级才能导电。半导体芯片中,使得电子跨越能量“带隙”并产生电流的推动力,是电压;而在太阳能电池中,这个推动力则是太阳光的光子。

  但是,对太阳能电池来说,它需要正确的光来推动电子的移动,而不是任何光都可以。光谱中,一些波段的光(如红外光),就不能提供足够的能量,而其他波段的光又可能提供得能量太多。这意味着,照到硅太阳能电池上的太阳光,大约一半都白白浪费掉了。

  不仅不能高效利用光能,硅还是一种间接带隙半导体,它的电子更难以获得恰当而足够的动量,使其跃迁到更高的能级,因而电子跃迁更不容易实现,造成了传统硅太阳能电池转换效率较低。

  众里寻它千百度

  实际上,寻找替代硅的材料,美国人很早就开始了。近年来,全球的科学家继续探索,寻求突破,提出了多种潜在元素和化合物。

  碲化镉、砷化镓等直接带隙半导体,由于它们的电子只需一次跳跃就能导电,人们觉得其有望抢夺硅太阳能电池的桂冠。但是,这些材料各自都有另外一些弱点,要么组成元素稀有,要么价格昂贵,要么含有剧毒重金属(如镉和砷,容易对环境造成危害)。它们就像一根根鸡肋,弃之可惜,用之勉强。

  对于计算机芯片材料,石墨烯也曾被人们寄予厚望,国际上投入了大量资金去研究。石墨烯不仅强度高,质量比钢轻,而且电子在其表面传输的速度远远胜于硅,似乎很有前景。但是很遗憾,到目前为止还不能高纯度地批量生产石墨烯,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,石墨烯没有一丝希望。

  试来试去,所有这些探索中的新材料均不能令人满意。它们或昂贵,或有毒,或稀有,或难制造,尤其是它们难以满足大批量需求。而全球太阳能电池板需求量很大,这意味着电池材料必须极大丰富又十分便宜才可行。

  找不到优秀的可替代硅的材料,科学家转身又有了新想法:也许,解决问题还需要在硅身上做文章。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”,困难就迎刃而解了。事实证明,这种转变在科学上是可能的。

  直接带隙的Si24

  一种元素的性质,很大程度上取决于其原子间的排列方式。例如,石墨烯是由碳原子以二维晶格的排列方式构成的;同样是碳原子,以另一种方式排列,就能构成熠熠生辉、光彩照人的钻石;如果碳原子排列方式又发生变化,就会形成暗淡无光、默默无闻的石墨。不同的原子排列方式,构成不同的材料,一般都有其特殊的性能,因而具有一些特殊的用途。

  科学家已经在实施这种想法了。2014年,美国华盛顿卡内基研究所的提摩西·斯特罗贝尔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,Si24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,做成了亮闪闪的蓝色晶体Na4Si24,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没有形成笼子晶格,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1000个原子中钠的含量已经不超过1个,温度再提高一些,一种属于硅的同素异形体的新型硅——Si24就做成了。

  同时,其电学性能发生改变。只要把这个Si24轻轻挤压一下,就可避免出现前面说的间接带隙问题。斯特罗贝尔兴奋地说:“我们做出的Si24材料,真正‘酷炫’的是它非常近似直接带隙材料。”虽然本质上讲,它仍属于间接带隙半导体,但仅施加一个小小的物理应力,就足以打开一个跨越带隙的直接通道使电子跳转,而不需要改变动量,可以直接进行光电转换。斯特罗贝尔说:“你只要把它挤压2%就行,就像一个人被挤压一下穿进一件不合身的衣服一样。”更重要的是,Si24可以工业化大规模生产。

  解放电子的BC8

  Si24对快速增长的光伏产业来说,绝对是个好消息。如今,最优秀的硅太阳能电池的转换效率为25%,而人们普遍认为太阳能电池的转换效率最高可以到33%。Si24可使太阳能电池的转换效率接近这个上限,但它能不能再向上突破呢?33%的数字是基于每个入射的光子仅能激发一个电子的假设推导出来的。考虑到微观量子效应,一些材料可能一次激发出不止一个电子。2013年,美国芝加哥大学的朱利亚·加利教授研究提出,一种叫BC8的硅纳米颗粒,理论上能将太阳能电池的转换效率提高至42%。

  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,BC8确实基于单个光子生成了多个电子空穴对,利用BC8可使太阳能电池的转换效率提升至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BC8硅纳米晶体。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——斯特罗贝尔跃跃欲试,打算改进一下他们的Si24,急切地争取达到这个转换率。

  近乎完美的硅烯

  2015年2月,美国德克萨斯大学的德基·阿金旺德宣布,他和同事合成了另一种硅同素异形体——一种奇特的二维层状薄膜硅,并用这种薄膜硅制造了世界上第一个硅烯晶体管。

  如同石墨烯一样,硅烯的许多理想特性,要归因于形成独特的二维层状薄膜结构。石墨烯是完全光滑的二维层状薄膜,而硅烯的薄膜结构上因较大的硅原子挤进到同样规则排列的结构中,形成了很多搭扣,导致额外的自由电子盘旋于这种薄膜材料的表面,使得电子在薄膜上的“旅行”速度比在普通硅立方晶格中要快得多——不是快两三倍,而是快一百万倍。

  电子在硅烯表面的“车道”上快速行驶,可大大减少电子间相互碰撞的机会,特别是电子在高速行驶状态下。这会使密集排布着微型晶体管的芯片,产生的热量也大大减少。由于硅烯制成的晶体管非常薄,因此,相同的芯片空间内可以做出更多、更密的微型晶体管,阿金旺德团队研制的装置就是这个理论的一个佐证。

  不过,这项技术要得到实际应用,还有很多障碍需要克服。硅烯中的电子跑得更快,意味着硅烯也更容易分崩离析。实际上,阿金旺德团队制造的硅烯晶体管只持续工作了几分钟。再者,处理硅烯本身也是一项巨大的挑战,合成它需要高真空装置和高级专业技术人员。目前,这种合成更像是一种艺术,要靠运气。好在这毕竟是一个开始,毕竟之前还都认为用薄膜硅制造硅烯晶体管是不可能的。目前的成果已经是个重大突破。

  BC8和Si24很可能应用于未来的电子器件中,有可能使光学和电子元件集成在单一芯片上。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。

  结构如Si、BC8、Si24的这些“硅家族的兄弟”,如果最终可成功应用于太阳能电池和计算机芯片,那么“硅氏兄弟”将有望成为安全、低成本和可靠的材料,硅元素也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。那时,硅谷也许不必更换名字了。

本文来自《科学画报》

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