硅——计算机时代的宠儿

硅是一种非金属元素，元素符号为Si，位于元素周期表第三周期、第IVA族，原子序数14，相对原子质量28.0855，晶胞为立方金刚石型。单质硅为深灰色晶体，泛蓝色光泽（图1），是计算机时代的新宠儿，可以说，它为我们的各种电子产品注入了灵魂。

图1 硅单质（源于网络）

发现

硅最早是以硅化合物的形式出现在人们的视野当中的。古时，人们为了增强竹制容器的耐火性便制出了陶瓷，这是人类用火制造出来的第一种自然界不存在的物质[1]。

由于硅对氧具有高度化学亲和力，因此单质硅的制取经历了许多的艰难。1789年，法国化学家拉瓦锡在《化学基础论》中将元素分为了四类，土质物质就位列其中。硅的化合物硅土就属于土质，在当时硅土被定义为一种元素。1807年，英国化学家戴维成功制取了钾、钠，打破了土质不可再分的固有思想。1808 年，盖·吕萨克和泰纳尔成功制得单质硼，同年戴维也用相同的方法制得。硼酸基的成功激发了科学家们探究石英中隐藏的某种成酸元素的决心。戴维制得单质硼后投身于提取硅土中新的物质，可是戴维却被其独特的性质误导，以为这是一种金属化合物最终导致戴维并未制得纯硅。

1811年，法国化学家盖-吕萨克（图2）制得了四氟化硅，用钾还原后得到了一些无定形硅，但由于纯度太低便没有进行深入研究。基于一众科学家的成果，终于瑞典化学家贝采尼乌斯（图3）于1823年首次分离出硅。贝采尼乌斯将金属钾（K）和氟硅酸钾( K2SiF6 ) 共热，最终得到了无定形硅单质[2]。发现硅元素30多年后，法国人化学家德维尔在运用电解法制取铝时以外制得了晶体硅[1] 。经实验验证，晶体硅与无定形硅二者互为同素异形体。至此，硅被正式确认为一种新元素。

图2 法国化学家盖-吕萨克（Joseph Louis Gay-Lussac，1778-1850，源于网络）

图3 瑞典化学家贝采尼乌斯（Jons Jakob Berzelius，1779－1848，源于网络）

分布

由于硅是易熔组分，在熔化过程中更倾向于进入熔体，在地壳或是地幔部分熔融的过程中，硅都容易在熔体中富集，毋庸置疑，硅最终成为了地壳含量名列前茅（第二）的元素，占地壳总质量的26.4%，仅次于氧（49.6%）。硅在宇宙中的储量排名第八，是自然界分布十分广泛的非金属元素，在自然界多以化合态存在，地壳中超过九成的物质是硅酸盐类[3]。如果说碳是地球上所有生物的基石，那么硅就是地球的基石[4]。此外，硅也是人体必须的微量元素之一，占体重的0.026%，根据动物实验推算人体每天的推荐摄入量为5-10 mg[5]。

应用

3.1硅单质

硅晶体中没有明显的自由电子，是良好的半导体材料，其分子结构排布如图4所示，图中正电荷表示硅原子，负电荷表示电子[6]。20世纪60年代，人们发现在硅晶体中掺入极微量的第ⅢA族或第ⅤA族元素后，就会表现出活跃的半导体性能[2]。晶体管就是利用半导体的导电性可以人为控制这一特性，控制晶体管的开关状态[7]。因此，晶体管实际上就是一个开关（图5），一个芯片上整合了数以百万计的晶体管，它们通过影响相互的状态来处理信息[8]。由于硅原材料供应丰富、易开采、价格低廉，硅晶体更容易实施氧化、光刻等工艺。因此，硅材料是当今产量最大、应用范围最广的半导体材料。

图4 硅的分子结构排布（源于参考文献6）

图5硅芯片的工艺原理（源于参考文献8）

硅光电池即太阳能电池，同样，良好的半导体性能也决定了硅系太阳能电池在太阳能电池中的主导地位，从人造卫星的太阳翼到光伏发电的太阳板，都属于硅光电池的大家族。人类对于太阳能的利用具有十分悠久的历史，但是最初只是局限于对光和热的直接利用。利用太阳光来进行发电，则是20世纪50年代以后的事情了。1839年，法国科学家贝克勒尔发现光照能使半导体材料的不同部位产生电压，即“光伏效应”。根据光伏效应设计的硅光电池，是人们利用太阳能的一种有效方式。当掺入第ⅢA族元素硼时，硅晶体中就会缺少电子而形成P型半导体。当掺入第ⅤA族元素磷时，硅晶体中就会因为有剩余电子而形成N型半导体。当P型和N型半导体结合在一起时，就会形成一个特殊薄膜，由于电子扩散而形成一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，这样一个特殊的薄层就会形成电势差，从而形成PN结（如图6）。当晶片受光后，PN 结中就会因为电子流动而形成从 N 区到P区的电流。然后在 PN 结中形成电势差，这就形成了电源[6]。当硅光电池表面受到太阳光的照射时，外电路中就会有电流通过。相比非晶硅电池，单晶硅和多晶硅太阳能电池的转换效率、寿命、成本、原料供应等都更有优势，这已经成为目前最理想的太阳能电池[9]。

图6 PN结（源于参考文献6）

3.2二氧化硅

光导纤维，简称光纤，是依靠光在线缆中进行全反射从而达到用光进行载体传输信息的介质。既然要用光来传输，就要求介质尽可能透明，纯二氧化硅可制得高透明度的玻璃纤维（图7），且造价低，一根头发丝那么细的玻璃纤维可以同时传输256路电话，通信容量高，不受电磁干扰，不怕窃听，具有高保密性，因此该纤维便成了光导纤维界的领军人物。

图7 二氧化硅光导纤维（源于网络）

此外，多彩的玛瑙（图8）、海岸边的沙砾、美丽的水晶、坚硬的燧石（图9）等等，这些东西的主要成分都是二氧化硅。在不同人眼中二氧化硅有不同的身份，在地质学家眼中二氧化硅是石英、燧石、沙子等，在热爱珠宝的人面前它又是紫水晶、蛋白石、玛瑙等装饰品。其中，燧石致密坚硬，是古代人类开始使用工具时最早采用的矿物之一。我们的祖先将其锤击制成刮刀、锤子、斧头等用以获取食物，维持生活所需。

图8 玛瑙（源于网络）

图9 燧石（源于网络）

3.3 硅酸盐

陶瓷、玻璃、水泥三大硅酸盐产品是使用量最大的无机非金属材料[10]。

水泥是现代建筑的基础材料，水泥的主原料为石灰或硅酸盐、铝硅酸盐。全世界每年水泥的产量约40亿吨，其中一半左右由中国生产的。目前最常用的硅酸水泥是1824年英国人阿斯普丁发明的[3]。

玻璃也是一种硅酸盐产物。有趣的是，自然界存在天然玻璃——黑曜石（图10）。黑曜石的化学组成为含水二氧化硅，颜色以黑色居多，碎片刃口十分锋利 。石器时代，远古人类曾大量使用黑曜石，现代还有用黑曜石制作的外科手术刀片。普通的玻璃中含75 % 的二氧化硅。在玻璃中加入各种金属和金属氧化物可以改变玻璃的颜色和光学性质。由玻璃制成的透镜诞生了两大科学利器——望远镜和显微镜，人类凭借它们“大开眼界”，极大推动了科学发展进程。

图10 黑曜石（源于网络）

瓷器是中国人率先发明的硅酸盐产品。瓷器的配方成分变化很大，但基本原料依然是黏土和高岭土 (主要成分为铝硅酸盐)。在电气行业，瓷绝缘子是很好的高压绝缘材料；瓷砖美观、耐磨、不透水、易于清洁，是浴室装修的首选；牙科瓷器由陶瓷或复合材料制成，能更好地模仿自然牙齿的外观结构、色泽、硬度，适口感堪比真牙。

结语

作为自然界分布极广的元素，硅不仅是计算机时代的宠儿，更是地球的基石。它早就融入了人类生活的方方面面，不但藏身于历史的长河中见证宇宙的沧海桑田，到了如今，更是出现在各种高科技领域中，成为元素中的“精英”[11]。低调到尘土中的元素也能在历史长河和信息时代里熠熠生辉。