氢气也能“点气成金”

在美国国家点火装置（NIF）实验室中，小小测试室里的氢样品正承受着巨大的压力。压力是如此巨大，以至于氢气改变了状态，变成了液体。不过，这才只是开始，在压力逐渐变得更大时，小液滴还要经历一系列的变化。

氢是宇宙中含量最多的元素，木星和土星等气体行星的主要组成成分就是氢，不过在行星内部，氢的存在形式并不是气态的，而是金属氢。因此，小小的氢液滴的变化可以告诉我们很多关于木星和土星等行星的情况。同时，固态的金属氢将会是一种神奇的未来材料，它可以作为燃料，让航天器飞得更远；还可以作为超导体，让电流毫无阻力地流动。

简单物质的多种状态

氢有三种同位素：氕、氘、氚，自然界中99.985%的氢为氕，它有着世界上最简单的原子结构，一个质子外围绕着一个电子。另外，氘的原子核由一个质子和一个中子组成，在大自然中的含量一般约为所有氢元素的七千分之一。而氚的原子核由一个质子和两个中子组成，它具有放射性，在自然界存在极少。在实验室里，还可以用人工方法合成氢的另外4种同位素：氢4、氢5、氢6、氢7。

在我们的自然界中，氢主要以氢气的形式存在，它由两个原子结合在一起，形成一个分子。不过，随着压力和温度的改变，原子的密度和排布都会改变，因此氢实际上有多种状态。在常压下当温度降低到-252.88℃时，氢就会成为液体，再降低到-259.125℃时，氢就会变为固体。

但是在高温下，随着压力增加，氢气会先变成清澈的液态氢，此时分子可以自由地流动；再变成一种不透明的液态氢，此时液体内部既有分子也有原子；最后分子键完全断裂，变成一种由原子组成的液态金属氢气。最后随着压力增大，氢原子核整齐排列在一起，电子可以自由地移动，此时为固态金属氢状态。

目前，研究人员的重点在于液态和固态的金属氢。2018年8月，美国NIF实验室的研究人员找到了将氘转变为金属形式的准确方法，条件为726.85℃以上的温度和200万大气压力。尽管实验室中的液态金属氢十分不稳定，但是可以让研究人员了解一些液态金属氢的性质，比如液态金属氢是否是一种超流体液体。

如果液态金属氢是超流体液体，它将对科学家理解气体行星内部的运动模式和外部磁场情况起到至关重要的作用。据天文学家推测，木星和土星等气体行星的内部存在着液态金属的海洋，这些巨行星的80%是由液态金属氢构成的，而不是单纯的气体。在超流体液体中，粒子流动不会遇到任何阻力，一旦液体开始运动，便可以无限地运动下去，这很可能是木星具有强烈磁场的原因。

寻找固态金属氢

制造固态金属氢的道路虽然任重道远，但是一旦成功，就将带来金属氢研究领域的重大飞跃。

固态金属氢的研究始于1935年，当时美国物理学家尤金·威格纳和希拉德·亨廷顿预测，在超大的压力下，氢气可以转化为具有金属性质的固体物质，而且原子结构要紧凑10倍。同时固态物质一旦产生，即使在常压下也能保持其状态和金属性质，就好比钻石一样。钻石由碳在地球内部的高压和高温下形成，当钻石从地下被开采出来时，它仍能保持紧凑的原子结构，而不是膨胀成石墨。

科学家最接近成功的一次是在2017年，美国哈佛大学的科学家在极低的温度下，利用金刚石对顶砧（由相对的两颗金刚石和密封垫组成，样品置于金刚石和密封垫中央）对氢样品施加了495万倍的大气压力（地核压力为大气压的360倍左右）。随着压力的逐渐加大，氢从一种不能导电的透明绝缘体转变成一种黑色半导体，最后转变成一种光泽耀眼的金属固体。此时，氢原子之间的作用力转化为金属键，氢核外的电子摆脱了束缚，原子核共享一群电子。

令人遗憾的是，这颗世界上唯一的金属氢存在仅一个月左右就消失了。固态金属氢生成后便一直被保存在金刚石对顶砧中，在样品被送往美国阿贡国家实验室之前，研究人员想利用激光最后测试一遍压力，结果造成金刚石破碎，固态金属氢样品就这样掺杂在金刚石的碎屑中，找不到了。现在科学家们一直在改进和重复该实验。

未来的技术革命

今天，许多火箭都是由液氢（在一个标准大气压，温度为-253℃的条件下，液化制备而成）驱动的，如果我们使用固态金属氢作为燃料，当它燃烧时，会先从固态转化为氢气，此时，固态金属氢变成氢气时的能量都将被释放出来，然后再燃烧。因此，与液氢燃料相比，这种超级金属能够产生更大的能量。研究人员预测，固态金属氢的效率是液氢的3.7倍。

现代火箭往往要在太空中航行很长一段时间，因此需要很多燃料，为此需要装备有巨大的燃料箱，火箭往往很大。一旦固态金属氢研制成功，未来的火箭可以变得更轻便更高效， 大大 降低太空航行的难度和成本。

除了作为燃料，固态金属氢的另一重要应用是作为超导体。目前的超导体必须用液氮冷却到-269℃才能保持极低的电阻率，这既昂贵又需要能量。然而根据理论预测，固态金属氢是一种室温下的超导体，电阻率为0。这可能为一场技术性革命铺平道路，我们可以将来自绿色能源的电储存在由固态金属氢组成的大型超导线圈中，由于电阻率完全为0，电流在其中流动不会消耗任何能量，可以一直流动下去。

虽然研制固体金属氢、并实现商业量产化的道路看上去还很长，但每个新技术的开始都是困难的。随着近几年该领域的突破，相信我们很快就能在室温下看到氢金属块了。

杂质半导体： 通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，可得到杂质半导体。 P型半导体的导电特性：掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性能也就越强。结论：多子的浓度决定于杂质浓度。少子的浓度决定于温度。 PN结的形成：将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成PN结。PN结的特点：具有单向导电性。半导体杂质 半导体中的杂质对电阻率的影响非常大。半导体中掺入微量杂质时，杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚状态，在禁带中产加的杂质能级。例如四价元素锗或硅晶体中掺入五价元素磷、砷、锑等杂质原子时，杂质原子作为晶格的一分子，其五个价电子中有四个与周围的锗（或硅）原子形成共价结合，多余的一个电子被束缚于杂质原子附近，产生类氢能级。杂质能级位于禁带上方靠近导带底附近。杂质能级上的电子很易激发到导带成为电子载流子。这种能提供电子载流子的杂质称为施主，相应能级称为施主能级。施主能级上的电子跃迁到导带所需能量比从价带激发到导带所需能量小得多（图2）。在锗或硅晶体中掺入微量三价元素硼、铝、镓等杂质原子时，杂质原子与周围四个锗（或硅）原子形成共价结合时尚缺少一个电子，因而存在一个空位，与此空位相应的能量状态就是杂质能级，通常位于禁带下方靠近价带处。价带中的电子很易激发到杂质能级上填补这个空位，使杂质原子成为负离子。价带中由于缺少一个电子而形成一个空穴载流子（图3）。这种能提供空穴的杂质称为受主杂质。存在受主杂质时，在价带中形成一个空穴载流子所需能量比本征半导体情形要小得多。半导体掺杂后其电阻率大大下降。加热或光照产生的热激发或光激发都会使自由载流子数增加而导致电阻率减小，半导体热敏电阻和光敏电阻就是根据此原理制成的。对掺入施主杂质的半导体，导电载流子主要是导带中的电子，属电子型导电，称N型半导体。掺入受主杂质的半导体属空穴型导电，称P型半导体。半导体在任何温度下都能产生电子-空穴对，故N型半导体中可存在少量导电空穴，P型半导体中可存在少量导电电子，它们均称为少数载流子。在半导体器件的各种效应中，少数载流子常扮演重要角色。 半导体掺杂半导体之所以能广泛应用在今日的数位世界中，凭借的就是其能借由在其晶格中植入杂质改变其电性，这个过程称之为掺杂（doping）。掺杂进入本质半导体（intrinsic semiconductor）的杂质浓度与极性皆会对半导体的导电特性产生很大的影响。而掺杂过的半导体则称为外质半导体（extrinsic semiconductor）。半导体掺杂物哪种材料适合作为某种半导体材料的掺杂物（dopant）需视两者的原子特性而定。一般而言，掺杂物依照其带给被掺杂材料的电荷正负被区分为施体（donor）与受体（acceptor）。施体原子带来的价电子（valence electrons）大多会与被掺杂的材料原子产生共价键，进而被束缚。而没有和被掺杂材料原子产生共价键的电子则会被施体原子微弱地束缚住，这个电子又称为施体电子。和本质半导体的价电子比起来，施体电子跃迁至传导带所需的能量较低，比较容易在半导体材料的晶格中移动，产生电流。虽然施体电子获得能量会跃迁至传导带，但并不会和本质半导体一样留下一个电洞，施体原子在失去了电子后只会固定在半导体材料的晶格中。因此这种因为掺杂而获得多余电子提供传导的半导体称为n型半导体（n-type semiconductor），n代表带负电荷的电子。和施体相对的，受体原子进入半导体晶格后，因为其价电子数目比半导体原子的价电子数量少，等效上会带来一个的空位，这个多出的空位即可视为电洞。受体掺杂后的半导体称为p型半导体（p-type semiconductor），p代表带正电荷的电洞。以一个硅的本质半导体来说明掺杂的影响。硅有四个价电子，常用于硅的掺杂物有三价与五价的元素。当只有三个价电子的三价元素如硼（boron）掺杂至硅半导体中时，硼扮演的即是受体的角色，掺杂了硼的硅半导体就是p型半导体。反过来说，如果五价元素如磷（phosphorus）掺杂至硅半导体时，磷扮演施体的角色，掺杂磷的硅半导体成为n型半导体。一个半导体材料有可能先后掺杂施体与受体，而如何决定此外质半导体为n型或p型必须视掺杂后的半导体中，受体带来的电洞浓度较高或是施体带来的电子浓度较高，亦即何者为此外质半导体的“多数载子”（majority carrier）。和多数载子相对的是少数载子（minority carrier）。对于半导体元件的 *** 作原理分析而言，少数载子在半导体中的行为有着非常重要的地位。

---