人们往往对第一名更有印象，比如地壳中含量排名第一的元素是氧，那仅次于它的第二位呢?答案是硅，它约占地壳总质量的27%。虽然含量丰富，但在自然界中却很难找到它的单质，通常以硅酸盐和二氧化硅的形式存在，我们可以在岩石中找到它。硅虽然含量比氧少，但却有着更为惊人的应用性。有了硅，才有了性能强大的电子设备，才有了现在的互联网社会。
但硅的应用似乎已经停滞不前，因此科学家们尝试把硅“伪装”起来，并且得到了傲人的成果。硅的应用为何停滞不前？这些“伪装”的硅又是什么？我们一起来看一下吧。
硅芯片的速度“到头了”
在电子设备中，硅芯片可以说是核心装置。从智能手机、超薄笔记本电脑到心脏起搏器，它们的芯片均是由硅制成的。几乎每年都会制造大约650万平方米的芯片投入使用，它们有一部分投入在计算机和太阳能电池中，但就目前的情况来看，硅在计算机和太阳能电池上的应用效率似乎已经达到上限。
目前小小的计算机硅芯片上已经拥挤不堪，因为上面挤着许多的半导体硅制成的硅晶体管。作为计算机处理信息的基本设备，硅晶体管最主要的特性之一，就是充当电阻，实现电压对电流的开关控制，这里的开关指的是电流的存在和不存在。为什么会选择半导体硅作为主要的原材料呢？
首先，我们要了解为什么选择半导体。因为如果是导体制作的晶体管，由于导体的导电能力太强，当施加很小的电压时，就会产生电流，因此会让晶体管一直处于“开”的状态；如果是绝缘体，无论施加多大的电压，它也不会产生电流，晶体管会一直处于“关”的状态。这样的一个晶体管就不能够实现电压对电流的开关控制。但半导体就不一样了，它的导电能力介于导体和绝缘体之间，当施加较小的电压时，它跟绝缘体一样，无法产生电流，此时的晶体管处于“关”的状态；当施加电压较大时，半导体就跟导体一样，产生电流，此时可以传输“开”的信息。这样半导体就可以在施加不同电压时，在开关两种不同状态中来回转换，也就可以控制电流，所以半导体才成为了晶体管的主要材料。
其次，选择硅的原因其实很简单，因为硅在地壳中含量丰富，相对于锗、砷化镓来说，价格也比较便宜，可以用于大批量生产，因此半导体硅成为了几十年来晶体管的首选材料。
一块芯片上的晶体管数目越多，意味着可以同时处理更多的信息，这台计算机的处理速度就越快。但与此同时，晶体管同时开关产生的热量也会越多，更多的热量对芯片的效率会产生不利的影响，因此一块芯片上能装载的晶体管数量是有限的。而硅也发挥了它几乎100%的可用性，这就是为什么近十年来计算机处理速度基本停滞不前的原因。
光电转换效率低
在太阳能电池方面，硅的前景似乎更加黯淡，因为它将光能转换为电能的效率太低了，这是为什么呢？原来在太阳能硅电池中，有两种不同的硅，一种硅上有盈余的电子；另一种硅上有电子空穴，可以用来存放电子。
光是一束从太阳内射出的微粒流，一束光里有无数个光子，它们是一个个很小的小微粒。当光照射在硅电池上，部分光子会击中硅原子的盈余电子，并将电子从硅原子里“敲”出来。被“敲”出来的电子要找个地方来存放它，此时它就会移动到电子空穴中，而电子的移动会产生电流。在硅电池中，会发生很多类似的撞击，大量被撞击的电子会不断“投奔”电子空穴，而且电子并不只是“定居”在某个电子空穴上，而是会在多个电子空穴中连续移动，直到形成一条特定的移动路线，此时电子发生定向移动产生电流，这样光能就被转换成电能。
但是光是会反射的，在光照射到硅电池表面后，部分光会发生反射，这部分光就不能转换成电能。同时，被“敲”出来的电子在移动过程中，其中的一些电子可能会被其它硅原子“抓”进自己的轨道里，这些电子无法连续移动，也没有进入特定路线，路线内流动的电子变少，产生的电流强度变弱，光能转换为电能的效率就变低。
为此，研究人员曾考虑过其它的材料如碲化镉和砷化镓，但碲、镓等元素因为数量少，价格也比较贵，无法满足当今互联网社会的使用量要求，甚至有些元素还可能是有毒的，会对环境造成威胁。科学家们还考虑过石墨烯，它比硅更坚固更轻，而且光电转换效率也远比硅电池好，但大批量生产石墨烯是很困难的。生产石墨烯常用的办法是机械剥离法，单层的石墨烯非常薄，因此剥离需要精度非常高的仪器。一般来说，仪器越精密，制作越困难，成本也越高。
看来，希望还是只能寄存在硅身上了。
“变形”硅三剑客
既然硅依然是计算机芯片和太阳能电池的“主力干将”，那么科学家只好继续研究该如何让硅变个样子了。而现在，科学家们已经有了傲人的成果。
在计算机芯片领域，晶体管的一种奇特形式在科学家的手中诞生——硅烯。硅烯和石墨烯类似，只有一层薄薄的平面结构，和石墨烯不同的是，它由硅原子组成，平面上都是由6个硅原子连接起来的六边形，它的形状跟硅晶体简直是大相径庭。
在传统的硅晶体中，每个硅原子都有4个“触手”，可以连接4个其它的硅原子，随着连接的硅原子增多，硅就形成了一个立方体状的硅晶体，而硅烯是平面的。我们知道，装载在芯片上的晶体管是由硅制成的，传统硅由于是立方体状的硅晶体，体积大，制成的晶体管也较大，而仅有薄薄一层硅元素制成的晶体管体积就比较小，而体积越小，同样大小的芯片能装下的晶体管越多，更多的晶体管就可以同时处理更多的信息，计算机的处理速度也会变快。
但体积小并不代表着完美，由于硅烯只是一个平面，它的结构很不稳定，就像四边形比正方体更容易变形一样，硅烯会更容易分解，所以硅烯制造的晶体管可能只有几分钟的“生命”，因此硅烯目前还无法真正应用在实际生活中。
而在太阳能电池领域，硅的同素异形体似乎一直受到科学家们的青睐。某研究所的工作人员就一直致力于实现硅的“变形”，并最终有了惊人的成果。开发人员说，他们已经研制出了一种硅的新型材料——Na4Si24晶体，这是由硅元素和钠元素通过挤压而成的蓝色闪亮晶体。
研究人员发现，Na4Si24晶体是一种“走廊式”结构，就像人在走廊可以随处走动一样，钠离子在硅“走廊”里也可以轻易地来回“走动”。研究人员试着加热这种晶体，发现钠离子在热量的推动下可以轻易地滑出“走廊”，当钠离子全部滑出“走廊”后，研究人员就得到了硅的同素异形体——Si24。经过对比发现，它将光能转换成电能的效率比普通的硅晶体要高。研究人员认为，如果Si24可以大批量生产，将会制造出更高效的太阳能电池。
除了Si24之外，另一种硅的同素异形体——硅BC8，也可以应用于制作太阳能电池。前文提到，在传统的硅电池中，光照射在硅电池表面，一部分光子被硅电池吸收，光子撞击硅原子的电子，电子发生定向移动形成电流。在这个过程中，一个光子一般“敲”出一个电子后就失效了，光子的利用率很低。如果在阴天或是雨天的情况下，光子数目较少，被撞击出的电子就更少了，进而产生的电流也少，所以硅电池将光能转换为电能的效率就会变得更差。
但硅BC8可就不一样了。硅BC8的特殊结构使得单个光子进入后，可以撞击多个电子，可以使多个电子发生定向移动，而电子移动越多，产生的电流强度可能就越大。这样，即使只是少量的光子，硅BC8也可以充分利用光子，“敲”出硅电池内的大量电子，并发生定向移动，光能就会被大量地转换为电能，从而提高阴天和雨天时太阳能硅电池的转换效率。
把硅“变形”，实际上就是将硅元素的一种形态转变成另一种形态，如同素异形体等，它们有的加快了计算机芯片的处理速度，有的提高了太阳能电池的使用效率。但令人遗憾的是，它们还不能真正在真实世界里大放异彩。即使这样，科学家们也不会就此退缩，因为“知难而上”是科学的魅力所在。
