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【Gene思書齋】七種元素改變世界

Gene Ng_96
・2018/07/14 ・2523字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 549 ・八年級

《改變世界的七種元素》Seven Elements That Have Changed the World)這本書的書名,對非理工宅來說,所謂的七種元素,可能是各種你能想到的東西,可是對理工宅來說,除了是指化學元素,還會是什麼呢?

《改變世界的七種元素》書名還可能產生誤導──你會認為它就是本化學的書吧?當然,《改變世界的七種元素》是要談鈾、碳、鐵、鈦、金、銀、矽這七種化學元素,然而這本書並不是本單純的化學科普書。

作者布朗(John Browne)是英國皇家學會會士及英國皇家工程院院士,一如本書,他也不是單純的化學家,他在英國石油公司工作四十餘年,其中有十二年時間為執行長,在位期間讓英國石油市值增加四倍。台灣現在為婚姻平權立法在立法院爭辯得沸沸揚揚,布朗本人就是位同性戀者,因為沒有合法結婚的權力,所以在 2007 年「被出櫃」給鬥下台。

布朗(John Browne)英國皇家學會會士及英國皇家工程院院士。圖/wikipedia

《改變世界的七種元素》中,他談的其實是這七種元素在工商業、政治、社會、文化以及環境的鉅大影響,還有圍繞它們的全球商業戰略佈局!其中許多材料來自他的工商業經驗和人脈。

鈾、碳、鐵、鈦、金、銀、矽七種化學元素,改變了我們的生活,形塑了這個世紀的科技和商業面貌。鐵帶來更堅固的軍艦,鋼帶來如台北 101 般的摩天大樓;黃金成了貨幣,銀除了當貨幣還帶給我們的攝影,讓我們進入有圖有真相的圖史時代。可裂變鈾給我們帶來核彈和核能;沒有鈦,就沒有冷戰時代時的黑鳥偵察機,網球場上的白線和白色球衣看起來就不那麼白;沒有了矽,我也寫不出這篇文章,你也讀不到。

各種巨幅工商業、政治、社會、文化以及環境的影響

但它們帶來的不總是幸福。它們也激發了人類的貪婪,尤其是資本家為了駕馭使用這些元素資源的權力,這幾百年到最近幾十年,世界各地燒殺擄掠的事件層出不窮。市場的建立也沒外行人想像的簡單,像是能源豐富的俄羅斯和對能源饑餓的中國之間,就因為互相建立互信而少有往來。

人類的貪婪,使得世界各地燒殺擄掠的事件層出不窮。圖/Public Domain, wikimedia commons.

一克黃金可以打造成長度超過兩公里的線或一平方米的金箔,很少人不會被黃金製品的魅力蠱惑,黃金的魅力在於其不被玷污的光澤;布朗本身就是個美洲黃金藝術品收藏家,十六世紀的西班牙征服者為了黃金在印加人領地上肆虐尋找黃金,沿途大肆屠殺當地原住民。西班牙征服者在尋找銀幣方面也極端殘暴,他們在南美洲發現了壯觀、豐富的銀色礦脈,數以百萬計的原住民就被捉去當奴隸操到死。

不僅是貴金屬會暴露出人類強大的貪婪。關於鐵那章提及,美國最著名的工業家之一卡內基(Andrew Carnegie,1835–1919)削減鋼鐵工人的工資,導致罷工的緊張對立,民兵武力鎮壓造成工人被槍殺;在關於碳的章節,洛克菲勒(John D. Rockefeller,1839–1937 )剝削勞工,無情地摧毀標準石油公司的競爭者和反對者。兩個邪惡資本家後來捐贈他們的大部分的財富,各別成立慈善基金會和世界最頂尖的大學:芝加哥大學與洛克斐勒大學和卡內基美隆大學,作育了很多傑出的英才。

企業石油的爭奪戰中充斥著真實上演的腥風血雨。圖/CC0 Community @ publicdomainpictures.net

卡內基和洛克菲勒是極具爭議性的人物,布朗也不遑多讓──他當過賣碳氫化合物的商人。碳氫化合物讓我們輕輕一扭就能驅動汽車,2005 年,美國第三大煉油廠 BP 德克薩斯城煉油廠發生爆炸,一百多人受傷,十五人確認罹難。BP 已經承認事故起因是管理不當:液面指示器失靈,導致加熱器超量填充,輕烴蔓延整個地區。一個無法確認的火源引起了爆炸。美國政府調查認定這是削減成本導致的問題,成了布朗 CEO 任內最大危機之一。

布朗很清楚人類長期因碳得利,自己也有在哥倫比亞叢林鑽探石油、面對游擊隊綁架攻擊的親身體驗。但人類也因為消耗太多碳資源,改變了氣候,影響了未來。布朗自己曾經貓哭耗子地在中國北京高碑店華能電廠欣賞碳捕獲技術,表達對減少碳排放的希望。不過持平而論,英國石油公司在他主導下,把「BP」定義成「Beyond Petroleum」(超越石油),大量投資再生能源,並且呼籲石油工業認真面對氣候變遷,也關注窮國有沒有把石油收入用在人民上,算是比較有遠見的石油公司。

會引發戰爭的碳不僅是石油,還有口號上能恆久遠的鑽石。求婚要用鑽戒是文化傳統嗎?才怪!那是商人的陰謀,商業廣告的徹底洗腦。鑽石並非最稀有的寶石,藍、綠寶石都比鑽石稀有。鑽石價格居高不下,是因為有高達七、八成供應量,過去一度嚴格控制在戴比爾斯(De Beers)一家手上,這是商業界公開的秘密。為了爭獲鑽石資源,非洲一些國家軍閥混戰,生靈塗炭。

一顆永流傳的幸福象徵背後,其實是商業壟斷和操作手法。圖/Seth Lemmons @ Flickr

雖然我不喜歡《血鑽石》的狗血煽情,但是這部電影的確讓世人見識到許多人為一生的幸福而買的鑽石,有多血腥噁心。

《改變世界的七種元素》讓我們見識到優秀 CEO 的高度,和他對世界的好奇及探索,不過我得抱怨一下:這本書居然忽略了銅,而且似乎暗示 3C 宅才會關心銅。可是如果沒有銅,電流要怎麼輸送到電腦、讓他寫書呢?就算銅太 LOW 了,那麼鋁呢?鋁本身在地球的儲量是超級豐富,但是煉鋁需要耗費大量電力。所以怎麼能把銅和鋁給忽略了呢?

本文原刊登於閱讀.最前線【GENE思書軒】,並同步刊登於The Sky of Gene





文章難易度
Gene Ng_96
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來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋

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醞釀兩千年才誕生的「原子論」,源頭竟然是古希臘哲學?——《奇怪的生物知識增加了》
聚光文創_96
・2021/10/08 ・2059字 ・閱讀時間約 4 分鐘

  • 作者/蘇仁福、曾明騰
  • 繪者/Oliver Wei、卡斯威爾

此原子非彼原子

俗話說:「眼見為憑」,除了民間習俗或是崇拜超自然的宗教信仰以外,面對於無法親眼所見的事物,人們普遍抱持著懷疑與不信任的態度,過去的科學研究也是如此。

前面兩章的故事告訴我們,早期的科學,就是專注於眼前看得到、摸得到的明確對象。隨著科學技術的進步,時至今日,科學家們卻是反其道而行,投身於肉眼看不見的微觀世界中,發掘其中的蛛絲馬跡。

「原子」(atom),是組成物質的最小單位。

舉凡我們身上穿的衣服、呼吸的空氣,甚至是代步的交通工具,這一切的一切,都是由「原子」——這是在我們生活中看不見、摸不著卻又確實存在的東西——所構成。

若是你認為書寫所使用的「原子筆」(ballpoint pen)跟這裡的「原子」是一樣的話,那可就是「張飛打岳飛,打得滿天飛」啦!

萬物起源

原子的概念,是距今兩千四百年前左右,由希臘哲學家德謨克利特(Democritus)所提出。

德謨克利特認為,宇宙中有無限多個質點,它們無法被進一步分解或是破壞。萬事萬物,都是由一大堆(究竟有多少他也不知道)、非常微小(小到多小他也莫宰羊)的質點所組成。

他將這些質點稱為「原子」,或者又叫「不可分割的東西」。他認為,正是因為這些原子的大小不一,形狀也不盡相同,造成世間萬物的存在型態、顏色、味道等種種不同。

或許在德謨克利特的眼中,我們這些麻瓜口中的物質與空間,根本就是原子和虛空。

圖/聚光文創提供

同樣的哲學時代,另一位希臘哲學家恩培多克利(Empedocles),則依據當時人們對化學較為粗淺的認知,提出了自己的原子理論。

恩培多克利認為,物質是由「火、氣、水、土」這四大元素所組成。這四大元素會依據不同的成分與比例混合,構成這個大千世界裡的萬事萬物。

圖/聚光文創提供

用現代的眼光來看,這些與原子相關的學說或理論,根本可以算是神作——這艱澀難懂的程度,恐怕也只有神才能夠通盤理解了——更別提,當代人受教育的比例不高,不夠通俗易懂的話,還真沒有多少人能夠消化。

正因為如此,原子論被古代哲學家棄置一旁。在之後,歐洲陷入了一段宗教狂熱的黑暗時期,一直到十九世紀,科學研究才再次登上世界的大舞臺。

曼徹斯特的驕傲

由於太過微小,可想而知,原子並非顯而易見的存在。

一七九三年,英國科學家道耳吞(John Dalton)搬到曼徹斯特,成為曼徹斯特新學院的數學和自然科學教師,揭開了原子研究的序幕。

出生於貧窮家庭的他,不僅對數學與自然科學天賦極高,還具備著科學家最重要的特質:好奇心。這個特質在他的生活中處處顯現,身為一個色盲患者,他甚至好奇的研究自己的視覺缺陷,因此成為第一個發表色盲研究論文的科學家。

圖/聚光文創提供

除了自己的疾病,道耳吞也熱愛氣象研究。終其一生,他都在進行長期的氣象觀測,直到他登出人生 online,持續了整整五十七年。

有人認為,正是這持續終身的氣象研究,讓道耳吞對大氣的成分產生了興趣。他那著名的原子論,也是在研究氣體的過程中逐漸成形。

在此之前,化學家已經發現,並且證實了許多定律,例如著名的「波以耳定律」、「質量守恆定律」、「定比定律」 等等。

這些定律,為早期的化學界逐漸建立化學元素的概念,卻依然缺乏一個完整的理論來整合說明。

一八〇三年九月六日,是道耳吞的三十七歲生日,他並沒有舉行宴會慶生,而是寫下了原子學說的基本假設。

圖/聚光文創提供

道耳吞的原子基本假設,是簡明扼要的三項原則:

  1. 原子是物質的最小單位,每種元素(element),都是由一種具有特定質量的原子所組成。
  2. 當兩種元素反應,生成不同的化合物時,其中一元素與另一種元素的質量,會構成簡單的整數比。
  3. 在化學反應過程中,不會產生新的原子,也不會有原子消失(或是變成其他原子)。
圖/聚光文創提供

一八〇八年,道耳吞出版了《化學哲學的新體系》(A New System of Chemical Philosophy)一書。在書中,道耳吞詳細的闡述了他的原子論,並且以獨特的符號,向人們展示他的原子。

——本文摘自《奇怪的生物知識增加了》,2021 年 10 月,聚光文創

聚光文創_96
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據說三人出版社就算得上中型規模,也許是島嶼南方太過溫暖,我們對出版業的寒冬始終抱持著浪漫與天真。 作者們說,出版市場很艱困,但我們依然想在翻譯領軍的文學市場中,為本土的作者、原創故事發聲。 喜歡做為升學孩子減輕壓力的書,不要厚重百科類型、沒有艱澀的專有名詞,很多重大發現的背後故事更值得我們好好品味。

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【Gene思書齋】七種元素改變世界
Gene Ng_96
・2018/07/14 ・2523字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 549 ・八年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

《改變世界的七種元素》Seven Elements That Have Changed the World)這本書的書名,對非理工宅來說,所謂的七種元素,可能是各種你能想到的東西,可是對理工宅來說,除了是指化學元素,還會是什麼呢?

《改變世界的七種元素》書名還可能產生誤導──你會認為它就是本化學的書吧?當然,《改變世界的七種元素》是要談鈾、碳、鐵、鈦、金、銀、矽這七種化學元素,然而這本書並不是本單純的化學科普書。

作者布朗(John Browne)是英國皇家學會會士及英國皇家工程院院士,一如本書,他也不是單純的化學家,他在英國石油公司工作四十餘年,其中有十二年時間為執行長,在位期間讓英國石油市值增加四倍。台灣現在為婚姻平權立法在立法院爭辯得沸沸揚揚,布朗本人就是位同性戀者,因為沒有合法結婚的權力,所以在 2007 年「被出櫃」給鬥下台。

布朗(John Browne)英國皇家學會會士及英國皇家工程院院士。圖/wikipedia

《改變世界的七種元素》中,他談的其實是這七種元素在工商業、政治、社會、文化以及環境的鉅大影響,還有圍繞它們的全球商業戰略佈局!其中許多材料來自他的工商業經驗和人脈。

鈾、碳、鐵、鈦、金、銀、矽七種化學元素,改變了我們的生活,形塑了這個世紀的科技和商業面貌。鐵帶來更堅固的軍艦,鋼帶來如台北 101 般的摩天大樓;黃金成了貨幣,銀除了當貨幣還帶給我們的攝影,讓我們進入有圖有真相的圖史時代。可裂變鈾給我們帶來核彈和核能;沒有鈦,就沒有冷戰時代時的黑鳥偵察機,網球場上的白線和白色球衣看起來就不那麼白;沒有了矽,我也寫不出這篇文章,你也讀不到。

各種巨幅工商業、政治、社會、文化以及環境的影響

但它們帶來的不總是幸福。它們也激發了人類的貪婪,尤其是資本家為了駕馭使用這些元素資源的權力,這幾百年到最近幾十年,世界各地燒殺擄掠的事件層出不窮。市場的建立也沒外行人想像的簡單,像是能源豐富的俄羅斯和對能源饑餓的中國之間,就因為互相建立互信而少有往來。

人類的貪婪,使得世界各地燒殺擄掠的事件層出不窮。圖/Public Domain, wikimedia commons.

一克黃金可以打造成長度超過兩公里的線或一平方米的金箔,很少人不會被黃金製品的魅力蠱惑,黃金的魅力在於其不被玷污的光澤;布朗本身就是個美洲黃金藝術品收藏家,十六世紀的西班牙征服者為了黃金在印加人領地上肆虐尋找黃金,沿途大肆屠殺當地原住民。西班牙征服者在尋找銀幣方面也極端殘暴,他們在南美洲發現了壯觀、豐富的銀色礦脈,數以百萬計的原住民就被捉去當奴隸操到死。

不僅是貴金屬會暴露出人類強大的貪婪。關於鐵那章提及,美國最著名的工業家之一卡內基(Andrew Carnegie,1835–1919)削減鋼鐵工人的工資,導致罷工的緊張對立,民兵武力鎮壓造成工人被槍殺;在關於碳的章節,洛克菲勒(John D. Rockefeller,1839–1937 )剝削勞工,無情地摧毀標準石油公司的競爭者和反對者。兩個邪惡資本家後來捐贈他們的大部分的財富,各別成立慈善基金會和世界最頂尖的大學:芝加哥大學與洛克斐勒大學和卡內基美隆大學,作育了很多傑出的英才。

企業石油的爭奪戰中充斥著真實上演的腥風血雨。圖/CC0 Community @ publicdomainpictures.net

卡內基和洛克菲勒是極具爭議性的人物,布朗也不遑多讓──他當過賣碳氫化合物的商人。碳氫化合物讓我們輕輕一扭就能驅動汽車,2005 年,美國第三大煉油廠 BP 德克薩斯城煉油廠發生爆炸,一百多人受傷,十五人確認罹難。BP 已經承認事故起因是管理不當:液面指示器失靈,導致加熱器超量填充,輕烴蔓延整個地區。一個無法確認的火源引起了爆炸。美國政府調查認定這是削減成本導致的問題,成了布朗 CEO 任內最大危機之一。

布朗很清楚人類長期因碳得利,自己也有在哥倫比亞叢林鑽探石油、面對游擊隊綁架攻擊的親身體驗。但人類也因為消耗太多碳資源,改變了氣候,影響了未來。布朗自己曾經貓哭耗子地在中國北京高碑店華能電廠欣賞碳捕獲技術,表達對減少碳排放的希望。不過持平而論,英國石油公司在他主導下,把「BP」定義成「Beyond Petroleum」(超越石油),大量投資再生能源,並且呼籲石油工業認真面對氣候變遷,也關注窮國有沒有把石油收入用在人民上,算是比較有遠見的石油公司。

會引發戰爭的碳不僅是石油,還有口號上能恆久遠的鑽石。求婚要用鑽戒是文化傳統嗎?才怪!那是商人的陰謀,商業廣告的徹底洗腦。鑽石並非最稀有的寶石,藍、綠寶石都比鑽石稀有。鑽石價格居高不下,是因為有高達七、八成供應量,過去一度嚴格控制在戴比爾斯(De Beers)一家手上,這是商業界公開的秘密。為了爭獲鑽石資源,非洲一些國家軍閥混戰,生靈塗炭。

一顆永流傳的幸福象徵背後,其實是商業壟斷和操作手法。圖/Seth Lemmons @ Flickr

雖然我不喜歡《血鑽石》的狗血煽情,但是這部電影的確讓世人見識到許多人為一生的幸福而買的鑽石,有多血腥噁心。

《改變世界的七種元素》讓我們見識到優秀 CEO 的高度,和他對世界的好奇及探索,不過我得抱怨一下:這本書居然忽略了銅,而且似乎暗示 3C 宅才會關心銅。可是如果沒有銅,電流要怎麼輸送到電腦、讓他寫書呢?就算銅太 LOW 了,那麼鋁呢?鋁本身在地球的儲量是超級豐富,但是煉鋁需要耗費大量電力。所以怎麼能把銅和鋁給忽略了呢?

本文原刊登於閱讀.最前線【GENE思書軒】,並同步刊登於The Sky of Gene





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Gene Ng_96
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來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋

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新好材料鈣鈦礦,改造太陽能電池
科技大觀園_96
・2021/06/17 ・2345字 ・閱讀時間約 4 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

隨著現代科技的發展,人類對能源的需求也逐漸增加,因此科學家一直努力尋找著合適的替代能源。其中最受矚目的能源之一,莫過於取之不盡、用之不竭的太陽能,因此科學家也一直想研發出理想的太陽能電池,能夠把太陽的能量盡可能的轉化為電能,並且長時間儲存起來。

一直以來,太陽能電池的材料都以最常使用的半導體材料——矽晶為主,然而自 2009 年開始,一種特殊的有機金屬鹵化物材料「鈣鈦礦」引起了科學家的注意。「鈣鈦礦」原本是指鈣與鈦的氧化物 CaTiO3(結構可表示為 ABX3),因為有機金屬鹵化物的結構與鈣鈦礦 ABX3 同類型,所以統稱為鈣鈦礦(見圖 1)。太陽能電池用的鈣鈦礦,吸收光的效率很高,吸收光子後,可以很快地分離成電子與電洞,傳送到電極而產生電流。這樣的高效率讓科學家想到,何不用鈣鈦礦來製作太陽能電池呢?

圖 1、鈣鈦礦晶體結構示意圖。用做太陽能電池的鈣鈦礦通常為有機金屬鹵化物。(圖/林唯芳、王彥錡)

臺灣大學材料科學與工程學系教授林唯芳的研究領域一直以高分子材料為主,也研究過以有機材料來製作太陽能電池。鈣鈦礦的出現,很快就吸引了林唯芳的眼球。「鈣鈦礦這種材料簡直不得了。」談起鈣鈦礦,林唯芳透露著興奮的心情,因為和傳統的矽晶相比,以鈣鈦礦製作太陽能電池的製程簡單太多了!

製作太陽能電池,竟和刷油漆一樣簡單

首先,以矽晶做為材料時,為了減低晶格裡的缺陷數量,必須經過約 900℃ 的高溫長時間處理,然後再以半導體高真空高溫製程製作成二極體太陽能電池,工序繁瑣嚴苛。但鈣鈦礦太陽能電池是以溶液塗佈薄膜的形式來製作,所以不需這麼高溫,也不需要真空環境,只要在一般環境裡就可以製作。 

鈣鈦礦太陽能電池的結構如圖 2,在製造時,每一層都只需要簡單的塗佈,再以紅外線快速烘乾長晶[註1]即可,烘乾需要的時間甚至不到一分鐘。林唯芳形容:「整個過程就像刷油漆一樣簡單。」而因為鈣鈦礦太陽能電池的製作就像刷油漆一樣,因此比起矽晶,鈣鈦礦更容易做出大面積的太陽能電池,甚至是塗佈在各種基材上,做出可撓曲、各種色彩的太陽能電池,應用更加廣泛。

圖2、鈣鈦礦太陽能電池結構示意圖。(圖/林唯芳、王彥錡)

不過林唯芳也說,目前鈣鈦礦和矽晶相比,使用壽命短了許多,矽晶太陽能電池一般認為具有 30 年左右的壽命,但鈣鈦礦的結構大約只能維持 10 年。這是因為鈣鈦礦的晶體結構中,ABX3 各成分之間只是單純的彼此堆疊及配位鍵[註2] ,並非以共價鍵結合,鍵結不夠強的情況下,容易受到破壞。林唯芳的團隊也嘗試著用加入不同離子的方式,增加鈣鈦礦的穩定度,延長使用壽命。

鈣鈦礦與矽晶的合作無間

林唯芳強調:「我們對太陽能電池的期許,除了大面積、長壽命外,更重要的是高轉換效率。」這幾年來,在林唯芳團隊及全世界科學家的努力下,鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率已經追上矽晶太陽能電池,約在 20-25% 左右。不過,鈣鈦礦和矽晶並不是對立的角色,包括林唯芳在內的許多科學家,都正在嘗試讓這兩種材料「合作」——他們將鈣鈦礦與矽晶疊起來,達到更高的光電轉換效率!

鈣鈦礦與矽晶的比較表。(圖/何庭劭繪)

這是因為鈣鈦礦能吸收轉換的光波段和矽晶不同,鈣鈦礦主要吸收較高能量的短波波段,矽晶則以較低能量的長波波段為主,所以若讓太陽光先後穿透鈣鈦礦太陽能電池與矽晶太陽能電池,就能更有效率的利用太陽光裡各種不同波段的光。

在疊層的做法上,有些研究團隊是在製作太陽能電池時,改變製程,設法將矽晶與鈣鈦礦疊層。不過林唯芳和聯合再生能源公司合作,將兩種太陽能電池獨立製作,只是將鈣鈦礦太陽能電池的電極轉換成可透光的材料,然後直接機械式的疊起。林唯芳解釋:「這樣做的好處在於可以維持現有的矽晶太陽能電池的製程,再加上簡單的鈣鈦礦太陽能電池製程,在現階段的技術上是最有商機的。而且現在鈣鈦礦太陽能電池還是比較容易損壞,如果它先損壞了,我們可以只要替換新的鈣鈦礦太陽能電池上去就好。」

圖 3、鈣鈦礦太陽能電池與矽晶太陽能電池疊層,可以增加光電轉換效率。(圖/林唯芳、吳庭慈)

談起這幾年鈣鈦礦的興起,林唯芳認為這是非常有希望的一種材料!在這幾年的積極努力下,林唯芳不但在鈣鈦礦太陽能電池的研究上有進展,還為技術的產業化努力,鼓勵畢業同學廖學中與許哲溥,創立前創科技公司,專精於鈣鈦礦太陽能電池材料的製造和生產,並和臺大機械系的黃秉鈞教授、億尚精密機械公司合作,共同研發了專門塗佈製作鈣鈦礦太陽能電池的機器(如圖 4)。另外也和生產矽晶太陽能電池的聯合再生公司合作,發展大面積高效率層疊太陽能電池,形成了上中下游完全自主整合的一條鞭生產鏈。

林唯芳說:「這對我們臺灣的產業界也帶來了貢獻,雖然我是做學術研究的,但能幫助到臺灣的產業,我也覺得很開心。」而鈣鈦礦這個「大自然的禮物」,將為太陽能以及人類生活帶來的改變,也值得我們期待。

圖 4、鈣鈦礦太陽能電池薄膜製造機。(圖/黃秉鈞)

備註

  1. 製作有結晶的鈣鈦礦薄膜。
  2. 配位鍵的鍵結能量比共價鍵低。 

科技大觀園_96
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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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改變在一「矽」之間——半導體的誕生│《電腦簡史》數位時代(十六)
張瑞棋_96
・2021/04/05 ・6669字 ・閱讀時間約 13 分鐘 ・SR值 542 ・八年級

本文為系列文章,上一篇請見:邁向商用化——電腦產業的形成│《電腦簡史》數位時代(十五)

真空管的先天缺陷:易報銷

二次大戰後,電腦全面使用真空管後,速度大幅提升,隨著需要大量計算的企業越來越多,電腦前景看似一片光明。不過當電腦上線運作後,真空管的先天缺陷終於曝露出來,嚴重阻礙電腦產業的發展。

真空管是靠加熱極細的燈絲而產生游離電子,電子被吸引至做為正極的金屬片而產生單向電流。由於燈絲與電極都會逐漸耗損,真空管的壽命原本就不長;即使是特別為電腦生產的真空管,在正常狀況下也不過能用兩千個小時。更何況在進行高速運算時,真空管不斷開開關關,燈絲很容易因此燒斷而提早報銷。

真空管二極體的構造。圖:Wikipedia

一部電腦至少有幾千個真空管,只要有一、二個壞掉,就會影響整體電路的運作。以 UNIVAC 為例,平均故障間隔 (MTBF, Mean Time Between Failures) 的時間不超過 24 小時;美軍的 ENIAC 用的真空管超過一萬七千個,MTBF 更是只有 12 小時。而一旦發生問題,要排除故障也相當耗費時間,平均得花幾個小時才能找出損壞的真空管,予以更換。

電腦如果動不動就得停機檢修,不僅效益大打折扣,還會影響正常作業,誰想花大錢購置電腦卻惹來內部抱怨連連。可靠性的問題沒有解決,電腦就難以獲得全面採用,只是真空管的物理特性就是如此,能再改善的空間有限,只能期待全新的電子元件出現。

如今我們知道,這革命性的電子元件就是電晶體。它不僅解決了可靠性的問題,而且大幅降低成本、縮小體積、提升速度,讓電腦改頭換面,並催生出各種電子產品,人類文明從此邁入新紀元。電晶體之所以能帶來革命性的改變,乃因它是奠基於一種革命性的材料——半導體。要知道電晶體如何發明,得先知道什麼是半導體。

半導電性:導體與絕緣體之間

顧名思義,半導體就是具有半導電性的物體。但何謂半導電性?

我們知道不同元素有不同電子數,以原子核為核心,由內而外分布於不同殼層。越外層的電子能量越高,其中最外層的電子稱為「價電子」,所處的能階稱為「價帶」。價電子仍被束縛在原子內,所以無法導電,必須獲得能量躍遷到「傳導帶」才能導電。傳導帶與價帶的能量差距稱為「能隙」,導電性便取決於能隙的大小。

金屬的能隙非常小,甚至傳導帶與價帶有部分重疊,所以導電性很高;反之,絕緣體的能隙很大,價電子無法跨越,因此無法導電。半導電的能隙則介於金屬與絕緣體之間。

三種不同導電性。圖:Wikipedia

能隙的大小與價電子的個數有關。每個殼層可容納的電子數都有上限,當價電子殼層越接近填滿狀態,就越穩定,需要越多能量才能激發價電子跳到傳導帶;當價電子越少,就越容易脫離束縛,跑到傳導帶。

金屬的價電子通常不超過 3 個(過渡金屬除外),很容易形成自由電子,到處移動。絕緣體通常有 5 個或以上的價電子。碳、矽、鍺、錫、鉛等 IV 族元素有 4 個價電子,剛好是半滿狀態,導電性介於導體與絕緣體之間,屬於半導體。

IV 族元素如果摻雜其它元素,導電性也會跟著改變。例如把磷摻到矽裡面,因為磷有 5 個價電子,其中 4 個與矽共用後,還多一個價電子,就更容易跑到傳導帶成為自由電子,這種半導體稱為 n 型 (n 代表 negative)。

矽如果摻的是有三個價電子的硼,只差一個價電子就是最穩定的狀態,猶如有個「電洞」讓經過的電子落入陷阱。旁邊的電子掉進這個電洞後又產生一個新的電洞,形成骨牌效應,從另一個角度看,就像是帶正電的電洞會移動一樣,因此稱為 p 型半導體 (p 代表 positive)。

偶然發現半導體

除了摻雜,化合物也可能形成半導體。半導體最早被發現,就是與 IV 族元素無關的化合物。1833 年,法拉第有一次在做電力實驗時,無意間將燈火靠近硫化銀,結果發現導電能力竟然大增;一旦移走燈火,導電性又隨著溫度下降而降低。一般金屬在高溫時,導電性會變差,硫化銀卻剛好相反,令法拉第大感訝異。

硫化銀就是一種半導體。高溫之所以增加半導體的導電性,是因為熱能會讓更多價電子躍遷到傳導帶,因此增加了導電性。一般金屬原本僅需一點能量就能產生自由電子,集體往正極方向移動。但電子如果吸收太多熱能,反而四處亂竄,原本的定向性受到破壞,導電能力也就隨之下降了。

法拉第雖然發現半導體這個特性,卻無法了解其中原理。畢竟當時距離道爾吞提出原子說還不到 30 年,是否有所謂的基本粒子仍頗受質疑,更無從想像原子內部還有電子與原子核。因此法拉第發表這個奇特的現象後,就不了了之,也沒有人想到在導體與絕緣體之外,還有一種半導體。下次半導體再度躍上檯面,已是四十年之後。

1874 年,才 24 歲的德國物理學家布勞恩 (Ferdinand Braun) 在研究各種硫化物的導電性時,將硫化鉛接上電,卻發現檢流計的指針紋風不動。他試著調換正負極,結果指針馬上就有反應。這實在太奇怪了,一個物體的導電性應該是一致的,怎麼會因為正負極不同接法,一下是絕緣體,一下又是導體?

發現半導體具有單向導電性的布勞恩。圖:Wikipedia

單向導電性是半導體另一項重要特性。硫有 6 個價電子,所以硫化鉛是 n 型半導體,一般情況下,電子只能從硫化鉛往正極移動,才會從另一個方向測不到電流。同樣地,由於當時仍然不清楚原子的構造(湯姆森於 1897 年才發現電子),不知如何解釋這個奇特現象。

大家毫無頭緒,單向導電性又看不出有何用途,因此布勞恩發表實驗結果後,並沒有激起任何漣漪。半導體再次受到忽視,要等到赫茲於 1888 年發表無線電波的實驗後,硫化鉛這類的半導體礦石才引起大家的興趣。

接收無線電波

赫茲的實驗吸引很多人投入無線電波的研究,印度科學家博斯 (Jagadish Chandra Bose) 也是其中之一。他發現 IV 族元素的礦石不但有單向導電性,而且不遵守歐姆定律:電流與電壓成正比。當施予礦石的電壓小於某個臨界值時,電流微乎其微;一但超過臨界電壓,電流便突然大幅增加。

博斯想到可以利用這個特性偵測微弱的無線電波。只要先對接收裝置施以適當電壓,讓無線電波所產生的感應電壓恰好超過臨界電壓,電流便會出現明顯變化,就能如實呈現無線電波。

1894 年,博斯將金屬天線的一端與硫化鉛的表面接觸,做成無線電偵測器(也稱「檢波器」),成功接收到一英哩之外的無線電波,這中間還隔了三道磚牆。

博斯發明的無線電收發器。圖:Wikipedia

馬可尼 (Guglielmo Marconi) 也在這一年發明無線電報系統,兩年後他和博斯在倫敦會面,不過博斯對商業應用不感興趣,並未與馬可尼合作。馬可尼也沒有採用博斯這個技術,而是利用感應電流產生的磁場變化,來吸引金屬屑或發出聲響,作為判斷電波的依據。

事實上,博斯自己後來也改用別種技術設計檢波器,因為礦石檢波器的確不是很靈光。礦石中的雜質分布並不均勻,不是每次用金屬線接觸硫化鉛表面都能形成迴路,往往得嘗試很多次才能找到「熱點」,得到訊號。

儘管如此,AT&T 的工程師匹卡德 (Greenleaf Pickard) 仍看好礦石檢波器的潛力,試圖找出收訊效果更好的礦石。

1902 年,匹卡德檢測一塊礦石的熱點時,懷疑施加的電流造成背景雜訊太大,於是伸手拿掉部分電池,結果雜訊果然馬上消失,無線電的訊號變得清楚許多。這時他看了一眼器材,才發現他剛剛不小心把電池的接線弄掉了,也就是礦石檢波器竟然不需要電,就可以接收無線電。

這個奇妙的現象完全違背過去的認知,於是匹卡德更加專心研究還有哪些礦石不用電就可以當檢波器。他花了三、四年的時間測試上千種礦石,發現有 250 種可以做為天然檢波器,其中又以熔融後的矽(原本用來製造石英玻璃)收訊效果最佳。

礦石收音機

匹卡德進行實驗的這段期間,無線電也正在發展另一項應用:傳送聲音。當時電話已是成熟的技術,可以將聲音轉換為音頻訊號,但音頻是連續波形,無線電波卻是脈衝電波,因此只能靠長/短、有/無來代表摩斯密碼,無法傳送音頻訊號。

1900 年,加拿大發明家范信達 (Reginald Fessenden) 發明一種高速交流發電機,終於能產生連續波形的無線電波(稱為「載波」,波形為規律的正弦波)。

原本規律的載波與音頻疊加後,變成起伏變化的無線電波,電波的振幅大小便代表音訊的變化。這種調變電波振幅的技術便稱為「調幅」(Amplitude Modulation, 簡稱AM),就是現在 AM 廣播所用的技術。

調幅示意圖。圖:Wikipedia

調幅無線電到了接收端,還得經過「解調」才能還原成原來的音訊。首先,由於天線接收無線電波後,所產生的感應電流也是交流電,因此必須先把反方向的電流去掉,成為單一方向的直流電;這個步驟便稱為「整流」。接著再濾掉其中的載波,留下的就是原來的音頻訊號。

范信達直到 1904 年才成功做出有整流功能的檢波器,並於 1906 年的聖誕夜成功發送 AM 廣播到大西洋上的美國軍艦。不過范信達所發明的檢波器不易製造,又常需要調校,只適合專業人士使用。而半導體的單向導電性恰好可以將交流電整流為直流電,這類礦石便可直接做為無線廣播的檢波器。

1906 年,匹卡德獲得矽石檢波器的專利,並在隔年創立公司,製造用耳機收聽的礦石收音機,銷售給一般大眾。由於價格低廉、體積小巧又不需要電,因此頗受歡迎。礦石收音機成為史上第一個半導體商品;誰會想到如今半導體與各種電子產品密不可分,但最早卻是以不用電為訴求。

匹卡德於1916年發明的矽石檢波器。圖:Wikipedia

三極真空管橫空出世

就在匹卡德於 1906 年申請專利這一年,美國專利局也收到另一項影響更深遠的專利申請,那就是由德佛瑞斯特 (Lee De Forest) 改良的新型真空管。

原本弗萊明 (John A. Fleming) 於1904 年發明的真空管只有正負兩極,德佛瑞斯特用金屬柵格擋在金屬片與燈絲之間,變成除了正、負極,還多了「柵極」(Grid) 的三極管

柵極用來控制電流大小。當柵極施以負電壓,產生的電場與電子相斥,部分電子便被擋下,無法抵達正極金屬片,電流也就變小了。負電壓越大,被擋下的電子越多,電流也就越小;柵極就像家裡的水龍頭,不用動到水管的閥門,就可以各自調節水流大小。

三極管在金屬片與燈絲之間多了金屬柵格。圖:Wikipedia

德佛瑞斯特原本設計三極管只是為了調節電流,他沒想到六年之後,這項設計竟被發掘出放大訊號的功能。

原本只有二極管時,若要調整電流大小,正極電壓就要有相對幅度的改變,就如前面水管的比喻,沒有水龍頭的話,只能從源頭閥門控制水量。例如要讓電流從 12 mA 減半降為 6 mA,電壓要從 110 V 降到 60 V;但若使用三極管,則無須改變正極電壓,只要對柵極施以 -2 V 的電壓就可以了。

三級管的電壓變化只需二級管的 1/25 ,便能達到同樣的效果(若搭配適當的阻抗,相差還能到百倍以上),就像水龍頭那樣,轉動一點點,出水量就差很多。如果讓柵極做為訊號的輸入端,正極做為輸出端,那麼原本微弱的訊號,就會放大成強烈的訊號。

有了三極管做為訊號放大器,無線電可以傳得更遠,收訊效果也更好,而且收音機還可以配上喇叭。隨著廣播電台自 1920 年代開始快速發展,真空管收音機也進入一般家庭,成為民眾重要的休閒娛樂與資訊來源。相對地,礦石收音機的收訊效果與方便性都遠遠不如,自然不受青睞,逐漸沒落。好不容易找到舞台的半導體於是又被棄置一旁,沒想到十幾年後,同樣是由來自 AT&T 的工程師,再度讓半導體起死回生。

德佛瑞斯特於1914年用三極管打造的訊號放大器。圖:Wikipedia

真空管搞不定短波

三極真空管有助於無線廣播,當然也有助於電話傳得更遠。 AT&T 利用真空管擴大電話網路,於 1915 年開通橫跨東西兩岸的長途電話。1927 年 1 月 7 日, AT&T 總裁進一步透過無線電波,從紐約打電話到倫敦,完成史上第一通越洋電話。不過這通電話只是試驗性質,真要提供越洋電話服務,還有項技術問題須要克服。

紐約與倫敦相隔甚遠,無線電波無法橫越地表弧度直接送達,必須經大氣的電離層反射到地面。然而一年四季、晴雨晨昏,大氣條件都不一樣,對電波的影響也大不相同。因此若要維持越洋電話全年暢通,通訊設備須要能夠收發不同波長的無線電波。不過真空管在高頻(也就是短波)的表現不是很好,如何克服這個問題便成為貝爾實驗室的首要任務。

貝爾實驗室於 1925 年成立,初期的工程師大多從 AT&T 陸續轉調過來,歐偉 (Russell Ohl) 也是其中之一,他對無線電的興趣始自大學時期。1914 年第一次世界大戰爆發,當時大學二年級的歐偉,在課堂上第一次聽到礦石收音機發出聲音,而且竟然是遠在大西洋的英國船隻,遭到德國潛艇攻擊所發出的求救訊號,從此他便對無線電深深著迷。

歐偉原本在 AT&T 就是負責短波的研發,1927 年轉到貝爾實驗室後仍繼續這個項目。他們不斷將無線電電波推向更高的頻率,但最終遇到瓶頸難以跨越。當其他同事仍執著於真空管時,歐偉於 1935 年決定從頭開始,一一檢視過去無線電的各種實驗與論文,從中發掘可行方案。最後他把目標瞄準礦石收音機的矽石,相信這才是解答。

歐偉 (Russell Ohl) 在他的實驗室裡。圖:Engineering and Technology History Wiki

一道裂痕開啟「矽」的半導體時代

礦石收音機不是才被真空管淘汰嗎?同事與主管都認為歐偉異想天開,但他認為只要去除矽石中的雜質,就能收發頻率更高的無線電波。歐偉自己多次嘗試用矽粉製造,卻不得其果,最後終於在 1939 年找到具有冶金專長的同事,用高溫熔製的方法精煉出高純度的矽。

1940 年 2 月 23 日,歐偉決定檢測一塊去年製出的矽石,據他的同事說,這塊矽石相當奇特,每次測的導電性都不一樣。歐偉仔細檢查這塊矽石,發現中間有條裂痕,他猜想這就是導電性不一致的原因,原本不以為意。但他接上示波器,赫然發現矽石在檯燈的照射下,竟然會產生電流。

光電效應是會產生電流,但那是以紫外線照射金屬,而這顆 40 W 的燈泡發出的是可見光,矽的導電性也遠遠不如金屬。雖然美國發明家弗里茲 (Charles Fritts) 曾於 1884 年將硒鍍上金箔,做成太陽能電池,但這樣的光伏效應 (Photovoltaic effect,也稱「光生伏特效應」) 轉換效率非常低,只有 1% 左右。歐偉所測到的電壓,超過當時所知的光電效應與光伏效應十倍以上,絕對是項前所未有的發現。

歐偉趕緊找主管來看,同時和同事繼續深入研究這塊矽石。他們發現電流總是由裂痕的上半部流往下半部,而不會反向而行。經過進一步分析發現,裂痕兩邊含有不同的雜質,上半部含有少許的硼,而下半部的雜質則是磷。

他們推測應該是這塊矽石經過高溫熔化,在自然冷卻的過程中,較重的磷下沉得比較快,較輕的硼下沉得比較慢,裂痕出現的地方剛好將這兩種元素阻隔開,以致矽石的上、下半部各有不同的雜質。

歐偉推測電流就是兩邊不同的雜質所致。磷有 5 個價電子,而硼有 3 個價電子,在白熾燈泡的照射下,磷的多餘電子被激發而越過裂痕,填補含硼那一邊矽石的電洞,而產生電流。這就類似電池的負極提供電子給正極,於是歐偉也用「n型」、「p型」來稱呼這兩種矽石,然後把劃分兩邊的裂痕——也就是這兩種半導體的接觸面——叫做「p-n 接面」(p-n junction)。這幾個名稱便一直沿用到現今的半導體。

半體體的基本名稱不但源自歐偉的命名,如今我們懂得利用摻雜來改變半導體的導電性,也是始自他這次的發現。不過對歐偉而言,他一心只想研究無線電波,發現半導體的光伏效應只是偶然,他無意也沒有能力再深究其中原理。

半導體的後續研究隨即由貝爾實驗室另一個團隊接手,這群有量子力學背景的物理學家將釐清 p-n 接面的奧秘,進而發明改變世界的電晶體。

張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。