摘要：劳伦斯伯克利国家实验室的团队在《自然》杂志发表论文，用先进电子显微镜拍到了非晶硅的原子级图像——这个一直被认为是“原子乱堆”的材料里，竟然藏着几纳米尺度的短程有序原子簇。这一发现直接推翻了“非晶材料完全无序”的传统认知，更给太阳能电池、薄膜晶体管等核心器件的性

2025年半导体研究领域的第一记“惊雷”，炸在了最不起眼的“非晶硅”材料上。

劳伦斯伯克利国家实验室的团队在《自然》杂志发表论文，用先进电子显微镜拍到了非晶硅的原子级图像——这个一直被认为是“原子乱堆”的材料里，竟然藏着几纳米尺度的短程有序原子簇。这一发现直接推翻了“非晶材料完全无序”的传统认知，更给太阳能电池、薄膜晶体管等核心器件的性能升级，打开了全新的“设计窗口”。

从手机屏幕里的OLED驱动芯片，到屋顶的太阳能板，非晶硅早已渗透进我们的生活。但它的“无序结构”一直是性能提升的“绊脚石”，如今这颗“绊脚石”突然变成了“垫脚石”，半导体材料的研发逻辑，可能要被重新改写。

一、突破百年认知：非晶硅不是“乱麻”，是“局部有序的毛线团”

要理解这个发现的颠覆性，得先搞懂“晶体硅”和“非晶硅”的本质区别——这两种材料的核心差异，在于原子排列的“规矩程度”。

我们熟悉的晶体硅，原子排列像阅兵式的方阵：每个硅原子都精准坐在自己的“格子”里，形成长程、重复的晶格结构，从几纳米到几毫米，甚至更大尺度，原子排列的规律都不会乱。这种高度有序的结构，让晶体硅拥有稳定的电子传输特性，成了计算机芯片、高端太阳能电池的“核心材料”。

而非晶硅，过去一直被定义为“晶体硅的‘混乱兄弟’”。科学家认为，它的原子排列像被打翻的积木——没有固定的晶格，原子随机堆积，既没有长程有序，也没有可预测的局部结构。这种“无序性”让非晶硅的电子特性很不稳定：电荷传输效率只有晶体硅的几十分之一，光学吸收能力也忽高忽低。

但伯克利实验室的团队，用两种“火眼金睛”般的显微镜技术，打破了这个持续百年的认知。

第一种是涨落电子显微镜（Fluctuation Electron Microscopy） ，它能通过电子束的散射信号，捕捉原子排列的“微小规律”。当电子束穿过非晶硅时，局部有序的原子簇会让散射信号出现“异常波动”，通过分析这些波动，就能反推出原子簇的大小和排列模式。

第二种是高分辨率透射电子显微镜（High-Resolution Transmission Electron Microscopy） ，相当于给原子“拍高清照片”。团队将非晶硅样品切成厚度仅几纳米的薄片，用电子束穿透后，直接观察到了直径1-3纳米的“有序原子簇”——这些原子簇里的硅原子，像微型晶体一样排列整齐，只是不同原子簇之间的取向不同，才让整体看起来“无序”。

“如果把晶体硅比作整齐的棋盘，过去认为非晶硅是一堆乱石子，现在发现它其实是一堆小棋子，只是每个小棋子的摆放方向不一样。”团队负责人在论文中形象比喻。这些短程有序的原子簇，占非晶硅总体积的30%-40%，它们的存在，直接解释了非晶硅某些电子特性“比完全无序材料更稳定”的现象——过去科学家以为是实验误差，现在才知道，是这些“隐藏的有序结构”在起作用。

二、为什么这很重要？关系到你家的太阳能板和手机屏幕

非晶硅不是“实验室里的稀罕物”，它早已是千亿级产业的“基础材料”，而这次发现，直接击中了产业的“性能痛点”。

最典型的应用场景是薄膜太阳能电池。相比传统的晶体硅太阳能电池，非晶硅薄膜电池更轻薄、柔性更好，能贴在建筑玻璃、汽车车顶甚至衣服上，成本也低30%以上。但它的转化效率一直上不去——晶体硅电池效率能到25%-30%，非晶硅电池长期卡在10%-12%，核心原因就是“无序结构导致电荷传输效率低”：光子激发的电子在无序原子中“撞来撞去”，还没到达电极就流失了。

而这次发现的“短程有序原子簇”，恰恰是解决这个问题的“钥匙”。这些原子簇相当于电子的“快速通道”——电子可以在有序的原子簇内部快速移动，只有在从一个原子簇跳到另一个原子簇时，才会遇到“混乱区域”。如果能通过技术手段增加原子簇的数量、扩大原子簇的尺寸，甚至让原子簇之间形成“连接通道”，就能大幅提升电子传输效率，让非晶硅太阳能电池效率逼近晶体硅水平。

“按我们的测算，只要把非晶硅中有序原子簇的占比从40%提升到60%，薄膜太阳能电池的转化效率就能突破18%。”团队在论文中给出了明确数据，这个效率足以让非晶硅薄膜电池在分布式光伏、可穿戴设备等领域“碾压”晶体硅电池。

另一个受益领域是薄膜晶体管（TFT） ，它是手机屏幕、平板电脑等显示设备的“核心部件”——每一块OLED屏幕里，都有几百万个薄膜晶体管，负责控制每个像素的亮度和色彩。目前主流的TFT材料是氧化铟镓锌（IGZO），但铟是稀有金属，价格昂贵且资源分布不均；非晶硅虽然成本低，但电子迁移率（决定晶体管响应速度）只有IGZO的十分之一，导致屏幕刷新率上不去。

而短程有序结构的发现，让非晶硅有望替代IGZO。科学家可以通过调控原子簇的排列，提升非晶硅的电子迁移率——比如让原子簇沿着电流方向排列，形成“定向传输通道”。伯克利团队已经在实验室做出了原型器件：经过结构优化的非晶硅TFT，电子迁移率达到了IGZO的70%，足以支撑120Hz的屏幕刷新率，而成本仅为IGZO的一半。

除此之外，这项发现还能推动柔性电子、传感器等领域的发展。比如用结构优化的非晶硅制作柔性压力传感器，既能保持柔性，又能提升灵敏度，可用于智能穿戴设备的心率监测、运动姿态识别；在医疗领域，非晶硅传感器还能贴在人体皮肤上，实时监测体温、血压等生理信号，成本远低于传统传感器。

三、中国团队早已布局！在“非晶材料”领域，我们不只是追随者

当伯克利实验室的成果刷屏时，很多人不知道，中国科研团队在“非晶材料的短程有序结构”领域，早已深耕多年，甚至在某些方向上实现了“并跑”。

早在2022年，中科院物理研究所的团队就发表过类似研究。他们用“球差校正透射电子显微镜”观察非晶硅薄膜，发现了直径2-4纳米的有序原子簇，并通过第一性原理计算，揭示了这些原子簇的形成机制——主要是硅原子在沉积过程中，会自发形成“四面体结构单元”，这些单元进一步聚集，就成了短程有序的原子簇。当时这篇论文发表在《物理评论快报》上，虽然没有像伯克利团队那样引发广泛关注，但为后续研究奠定了理论基础。

2024年，清华大学材料学院在非晶硅的“结构调控”上实现突破。团队开发了一种“脉冲激光沉积技术”，通过控制激光的能量和频率，在非晶硅薄膜生长过程中，诱导更多有序原子簇形成。实验数据显示，经过调控的非晶硅，有序原子簇占比从自然状态的30%提升到55%，电子迁移率提升了2倍，用它制作的薄膜晶体管，已经能满足中端OLED屏幕的需求。目前，清华大学团队已与京东方达成合作，计划将这项技术用于柔性OLED屏幕的量产。

在应用转化层面，中国企业也在积极行动。隆基绿能作为全球最大的太阳能电池制造商，早在2023年就成立了“非晶硅薄膜电池研发中心”，专门研究短程有序结构对电池效率的影响。据内部人士透露，隆基绿能已通过“等离子体增强化学气相沉积（PECVD）”技术，成功制备出有序原子簇占比达50%的非晶硅薄膜，实验室电池效率达到16.8%，预计2026年能实现量产。

“中国在非晶材料领域的研究，最大优势是‘产学研协同’。”一位半导体行业分析师表示，“中科院、清华等科研机构负责基础研究，隆基、京东方等企业负责技术转化，这种‘从实验室到生产线’的快速衔接，让我们能及时跟进国际前沿，甚至在某些应用场景实现领先。”

不过，我们也要清醒认识到差距：伯克利团队使用的“涨落电子显微镜”，分辨率达到0.1纳米，能更精准地分析原子簇的排列模式；而国内目前主流的电子显微镜分辨率在0.5纳米左右，在原子级结构表征上还有提升空间。此外，在非晶硅的“大规模结构调控”技术上，国内企业还处于“实验室验证”阶段，距离量产还有1-2年的距离。

四、未来已来：定制“原子排列”，开启半导体材料的“精准设计时代”

这次非晶硅短程有序结构的发现，最大的意义不是“解决了某个具体问题”，而是颠覆了半导体材料的“研发逻辑”——从“被动选择材料”到“主动设计结构”。

过去，科学家研发半导体材料，主要靠“试错”：通过调整沉积温度、气压、原料配比等参数，制备出不同的材料样品，再测试性能，像“炒菜一样”不断调整配方，效率低且不可控。而现在，既然知道非晶材料里有“短程有序结构”，且这种结构直接影响性能，科学家就能“精准设计”——比如通过计算模拟，确定最优的原子簇尺寸、排列方向和占比，再通过特定的制备技术，“定向”形成这种结构，实现“性能按需定制”。

举个例子，未来研发太阳能电池用的非晶硅材料，科学家可以先通过计算机模拟，算出“原子簇直径2纳米、占比60%、沿光照方向排列”时，电子传输效率最高；然后用“脉冲激光沉积+磁场诱导”技术，让原子簇按这个参数生长，无需反复试错，直接制备出高性能材料。这种“精准设计”模式，能将材料研发周期从过去的3-5年缩短到1-2年，大幅降低研发成本。

更长远来看，这项发现还能推广到其他非晶材料，比如非晶锗、非晶碳，甚至非晶金属合金。比如非晶碳材料，如果能调控其短程有序结构，有望制备出性能接近金刚石但成本更低的耐磨涂层；非晶金属合金则能通过结构优化，提升强度和韧性，用于航空航天、高端制造等领域。

“这就像我们过去以为沙子是无序的，后来发现沙子里有小石子，而且这些小石子的大小、形状能影响混凝土的强度。”伯克利团队负责人在接受采访时说，“现在我们可以通过挑选小石子，来定制混凝土的性能，这就是材料研发的‘精准设计时代’。”

五、结语：从“发现结构”到“掌控结构”，半导体产业的下一个十年

非晶硅里的“短程有序原子簇”，就像一个被忽略了百年的“密码”。现在，科学家终于破解了这个密码，不仅解释了非晶硅材料的“性能之谜”，更打开了半导体材料研发的“新大门”。

对于中国而言，这既是机遇也是挑战：我们有完善的产学研体系，能快速将基础研究成果转化为应用技术；但在高端表征设备、大规模结构调控技术上，还需要持续投入。不过，随着国内电子显微镜技术的进步，以及隆基、京东方等企业的持续研发，这些差距正在快速缩小。

未来十年，半导体材料的竞争，将是“原子结构设计能力”的竞争。谁能更精准地调控材料的短程有序结构，谁就能在太阳能电池、显示器件、柔性电子等领域占据主导地位。而非晶硅的这次发现，只是一个开始——更多非晶材料、更多未知的原子结构，等待着科学家去探索、去掌控。

你觉得这种“精准设计原子结构”的技术，未来能应用到手机芯片上吗？中国在非晶材料领域，能实现从“并跑”到“领跑”吗？评论区聊聊你的看法！

来源：智能学院