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科普硅橡胶原材料的鼻祖:硅元素你了解多少?

文章出处:澳门新濠天地娱乐 人气:-发表时间:2019-01-15


地球上的所有资源都都是源于大自然,澳门新濠天地官网对任何物质产品的材料来源都是源于本土的资源所换作而成,比如地壳上中含量较多的一种元素是氧,氧为多种产品以及物质中的重要物质,所以你手里面可能随时都有它的存在,那么今天澳门新濠天地官网不说最多的,而是第热门的硅含量,日常生活中硅原子原材资源丰富,作用仅次于氧,而如今在硅橡胶制品行业之中硅链子离不开硅元素的丰富资源,也就是它算得上是推动社会经济进步发展与人类发展史的重要资源之一!


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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,澳门新濠天地官网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?澳门新濠天地官网一起来看一下吧。



 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链子基材制成的。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。

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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,澳门新濠天地官网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。

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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。

 

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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。澳门新濠天地官网知道,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。

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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有机硅胶的新型材料——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。



此文关键词:硅,硅胶,有机硅胶,硅胶产品,制品

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