科普 | 亦金屬亦非金屬：走進(jìn)準(zhǔn)金屬的奇妙世界

摘要：準(zhǔn)金屬是一類(lèi)介于金屬與非金屬之間的特殊元素，既具備一定的導(dǎo)電性與金屬性，又展現(xiàn)出非金屬的多樣性與反應(yīng)活性，廣泛應(yīng)用于電子、能源、航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域。隨著科技的發(fā)展，準(zhǔn)金屬在納米材料、催化反應(yīng)與功能器件中的潛力不斷被發(fā)掘，有望推動(dòng)新材料、新能源及綠色化學(xué)的突破。本文系統(tǒng)介紹了準(zhǔn)金屬的定義、物理化學(xué)性質(zhì)、典型應(yīng)用以及未來(lái)發(fā)展方向，旨在為讀者全面理解這一類(lèi)關(guān)鍵元素提供科學(xué)參考。

關(guān)鍵詞：準(zhǔn)金屬、物理化學(xué)性質(zhì)、半導(dǎo)體、催化合成

Abstract:Metalloids are a unique class of elements situated between metals and nonmetals on the periodic table. They possess moderate electrical conductivity and metallic character, while also exhibiting the chemical diversity and reactivity of nonmetals. Due to this dual nature, metalloids find broad applications in high-tech fields such as electronics, energy, and aerospace. With advancing technology, their potential in nanomaterials, catalytic reactions, and functional devices continues to emerge, offering promising breakthroughs in new materials, sustainable energy, and green chemistry. This article provides a comprehensive overview of metalloids, including their definition, physicochemical properties, representative applications, and future development prospects, aiming to offer readers a scientific foundation for understanding these critical elements.

Keywords:metalloids, physicochemical properties, semiconductors, catalytic synthesis

1. 引言

元素周期表將元素按其性質(zhì)被系統(tǒng)地分類(lèi)，其中金屬和非金屬是最常見(jiàn)的兩類(lèi)[1]。金屬以良好的導(dǎo)電性、延展性和光澤著稱(chēng)，而非金屬通常具備絕緣性和結(jié)構(gòu)多樣性[2]。然而，位于這兩類(lèi)之間的準(zhǔn)金屬（metalloids，又稱(chēng)類(lèi)金屬或半金屬）因同時(shí)具備金屬與非金屬的一些性質(zhì)而顯得尤為特別。2025年7月6日，第二十七屆中國(guó)科協(xié)年會(huì)主論壇上，將“準(zhǔn)金屬替代過(guò)渡金屬用于精準(zhǔn)合成與催化反應(yīng)的可行性研究”定為2025年十大前沿科學(xué)問(wèn)題。

準(zhǔn)金屬的最大特點(diǎn)在于“亦金屬亦非金屬”的中間性，這使它們?cè)诂F(xiàn)代科技中扮演著關(guān)鍵角色，尤其在電子、半導(dǎo)體和能源材料等領(lǐng)域。以硅和鍺為例，它們是電子設(shè)備如計(jì)算機(jī)芯片和太陽(yáng)能電池中的核心材料[3]。正是這些元素模糊了金屬與非金屬之間的界限，也推動(dòng)了材料科學(xué)的發(fā)展。本文將簡(jiǎn)要介紹準(zhǔn)金屬的定義、在周期表中的位置，以及其物理和化學(xué)特征。接著，重點(diǎn)說(shuō)明幾種具有代表性的準(zhǔn)金屬元素的功能和用途，特別是在高科技產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用價(jià)值。

2. 準(zhǔn)金屬簡(jiǎn)介

準(zhǔn)金屬（Metalloids），又稱(chēng)類(lèi)金屬或半金屬（Semimetals），是一類(lèi)在性質(zhì)上處于金屬與非金屬之間的元素[4]。盡管目前尚無(wú)統(tǒng)一的嚴(yán)格定義，人們通常根據(jù)其綜合的物理和化學(xué)特征來(lái)進(jìn)行分類(lèi)。它們不像典型金屬那樣具備明顯的金屬性，也不完全符合非金屬的特性，而是在兩者之間展現(xiàn)出“過(guò)渡性”或“混合性”行為。例如，準(zhǔn)金屬的電負(fù)性一般介于1.8～2.4之間，導(dǎo)電能力處于金屬與非金屬之間，同時(shí)具備較低的延展性，質(zhì)地較脆。

2.1準(zhǔn)金屬的發(fā)現(xiàn)歷史

“準(zhǔn)金屬”概念的提出，源于人類(lèi)在探索化學(xué)元素過(guò)程中對(duì)傳統(tǒng)分類(lèi)方式的挑戰(zhàn)。最初，化學(xué)家主要依據(jù)元素的外觀與物理性質(zhì)（如光澤、延展性、導(dǎo)電性）將其劃分為金屬與非金屬。然而，隨著研究深入，一些元素表現(xiàn)出兼具金屬與非金屬特征的行為，讓這種二元分類(lèi)變得不再適用。例如，砷和銻早已為古人所利用，盡管它們表面有金屬光澤，但質(zhì)地脆弱、延展性差[5]；在化學(xué)反應(yīng)中，有時(shí)表現(xiàn)為金屬，有時(shí)又偏向非金屬，引發(fā)了當(dāng)時(shí)科學(xué)界的廣泛討論。

圖1. 硅和鍺的發(fā)現(xiàn)者（來(lái)源：https://en.m.wikipedia.org（左）和https://www.chemistryworld.com（右））

硅的研究更推動(dòng)了準(zhǔn)金屬概念的形成。公元前幾千年，人類(lèi)就已利用二氧化硅制作陶瓷和玻璃。到了1823年，瑞典化學(xué)家J?ns Jacob Berzelius（圖1a）首次分離出純硅，發(fā)現(xiàn)其既有金屬光澤，又具半導(dǎo)體特性[6]。這種“介于兩者之間”的導(dǎo)電行為，為半導(dǎo)體科技打下基礎(chǔ)。鍺的發(fā)現(xiàn)更是驗(yàn)證了門(mén)捷列夫周期表的科學(xué)預(yù)見(jiàn)性。1886年，德國(guó)化學(xué)家Clemens Winkler（圖1b）發(fā)現(xiàn)鍺，其性質(zhì)幾乎完全符合門(mén)捷列夫15年前對(duì)“類(lèi)硅”元素的預(yù)測(cè)[7-8]，鞏固了這類(lèi)元素的獨(dú)特定位。隨著科學(xué)的進(jìn)步，金屬性與非金屬性已不再被視為截然對(duì)立，而是被理解為連續(xù)變化的“光譜”；準(zhǔn)金屬正處于這一光譜的過(guò)渡區(qū)域，填補(bǔ)了元素分類(lèi)中的空白。

圖2. 準(zhǔn)金屬在元素周期表中的位置（來(lái)源：https://sciencenotes.org）

2.2準(zhǔn)金屬在元素周期表中的位置

在元素周期表中，將從硼（B）到釙（Po）的階梯式分界線(xiàn)作為參考，這條線(xiàn)右側(cè)的元素歸類(lèi)為非金屬，而左側(cè)的元素則歸類(lèi)為金屬（圖2）。準(zhǔn)金屬位于金屬和非金屬之間的“分界線(xiàn)”上，這條線(xiàn)通常被稱(chēng)為“階梯線(xiàn)”或“鋸齒線(xiàn)”[9]。這條線(xiàn)從硼（B）開(kāi)始，向下延伸到硅（Si）、鍺（Ge）、砷（As）、銻（Sb）和碲（Te）。釙（Po）和砹（At）也被認(rèn)為是準(zhǔn)金屬，但其性質(zhì)的準(zhǔn)金屬特征不如前6種元素明顯。

圖3. 塊狀準(zhǔn)金屬樣品[10]

2.3準(zhǔn)金屬的物理化學(xué)性質(zhì)

準(zhǔn)金屬在物理性質(zhì)上體現(xiàn)出“金屬與非金屬之間”的雙重特性。它們大多在室溫下呈固態(tài)，具有金屬般的光澤（圖3），但質(zhì)地脆弱，缺乏延展性[10-11]。其最典型的特征是半導(dǎo)體性質(zhì)：導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間，且可通過(guò)溫度或摻雜進(jìn)行調(diào)控，因此被廣泛應(yīng)用于電子與信息技術(shù)領(lǐng)域。此外，準(zhǔn)金屬的密度、熔點(diǎn)、沸點(diǎn)和熱導(dǎo)率也通常處于金屬與非金屬之間。

在化學(xué)性質(zhì)上，準(zhǔn)金屬也像“夾在中間”的選手，既有金屬的部分特征，也保留了非金屬的性質(zhì)。它們的氧化物通常是兩性的，既能和酸反應(yīng)，也能和堿反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)非常靈活。準(zhǔn)金屬更喜歡形成共價(jià)鍵，既能和鹵素結(jié)合生成鹵化物，也能和金屬結(jié)合形成合金，這讓它們?cè)诓牧峡茖W(xué)中用途廣泛[4,11]。它們的電負(fù)性適中，有時(shí)候會(huì)像金屬一樣失去電子，有時(shí)候又會(huì)像非金屬一樣獲得電子（圖4）。正因?yàn)檫@種“雙重性格”，準(zhǔn)金屬在半導(dǎo)體、光電器件和高性能合金等領(lǐng)域都扮演著不可替代的角色。

圖4. 金屬、準(zhǔn)金屬和絕緣體的電子結(jié)構(gòu)特征（自制）

3. 不同的準(zhǔn)金屬及其應(yīng)用

3.1硅：電子工業(yè)的支柱

硅是地殼中含量豐富、應(yīng)用最廣的準(zhǔn)金屬，具備優(yōu)異的半導(dǎo)體性能。通過(guò)摻雜可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性調(diào)控，廣泛用于集成電路、太陽(yáng)能電池和各類(lèi)電子元件中（圖5）[12]。在集成電路方面，硅是制造芯片的核心材料，廣泛用于智能手機(jī)、計(jì)算機(jī)、家電、汽車(chē)等設(shè)備中。在新能源領(lǐng)域，硅也是制造太陽(yáng)能電池的主要材料，單晶硅和多晶硅光伏組件能夠?qū)⑻?yáng)光直接轉(zhuǎn)化為電能，廣泛應(yīng)用于屋頂發(fā)電、太陽(yáng)能電站和航天設(shè)備等。太陽(yáng)能電站通過(guò)大規(guī)模鋪設(shè)光伏組件集中收集太陽(yáng)能，將其轉(zhuǎn)化為電能并輸送至電網(wǎng)（圖6），能夠在白天高效供電，滿(mǎn)足城市、工業(yè)園區(qū)甚至偏遠(yuǎn)地區(qū)的用電需求。此類(lèi)電站多建于光照資源豐富的地區(qū)，如荒漠、戈壁或沿海灘涂，不僅能規(guī)模化利用清潔能源，還可減少化石燃料消耗和溫室氣體排放。此外，硅化合物還廣泛應(yīng)用于硅橡膠、硅油等高性能材料的制造。硅橡膠具有優(yōu)異的耐高低溫、耐老化和絕緣性能，被用于醫(yī)療器械、建筑密封件及航天器部件等；硅油則因其穩(wěn)定性好、潤(rùn)滑性強(qiáng)，被廣泛用于潤(rùn)滑、絕緣、消泡及減震等場(chǎng)景。這些材料在醫(yī)療、建筑及航天等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用[13]。

圖5. 硅單質(zhì)的形態(tài)及應(yīng)用[12]

3.2硼：輕質(zhì)高強(qiáng)材料與核防護(hù)核心

硼因其高強(qiáng)度、輕質(zhì)和耐高溫的特性，在航空航天領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。硼纖維材料不僅能顯著增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)械性能，還能在保證強(qiáng)度的同時(shí)有效減輕結(jié)構(gòu)重量，被用于飛機(jī)機(jī)翼、航天器外殼等關(guān)鍵部件。碳化硼因其超高硬度和優(yōu)異的耐磨性，被用于制造輕質(zhì)防護(hù)裝甲和高溫陶瓷部件；氮化硼則具備優(yōu)良的熱穩(wěn)定性與潤(rùn)滑性能，可作為固體潤(rùn)滑劑應(yīng)用于真空或極端溫度環(huán)境下的機(jī)械裝置[14]。此外，10B同位素具有極強(qiáng)的中子吸收能力，在核防護(hù)材料和航天器輻射屏蔽中發(fā)揮著不可替代的作用[15]，有效提升飛行器在高輻射環(huán)境中的安全性。

圖6. 動(dòng)畫(huà)版太陽(yáng)能電站（自制）

3.3碲：提升金屬性能的隱形功臣

碲的應(yīng)用價(jià)值日益受到重視，尤其在提升材料性能方面表現(xiàn)突出（圖7），碲具備改善金屬可加工性的能力，常用于鋼、銅和鉛合金中以提升切削性能、硬度與耐腐蝕性[16]。碲與其他元素如鎘（Cd）或汞（Hg）形成的化合物，如碲化鎘（CdTe）和碲化汞鎘（HgCdTe）是性能優(yōu)異的紅外探測(cè)材料和光伏材料[17]。在半導(dǎo)體領(lǐng)域，碲化合物如碲化鎘也具備優(yōu)良的光電特性，廣泛應(yīng)用于光電器件與熱電材料。

圖7. 碲的應(yīng)用[16]

3.4鍺：高效能太陽(yáng)能與紅外技術(shù)的核心材料

鍺擁有優(yōu)異的半導(dǎo)體性質(zhì)和紅外透明性，是高效多結(jié)太陽(yáng)能電池的理想襯底材料，尤其用于太空和聚光光伏系統(tǒng)[18]。鍺還廣泛用于紅外光學(xué)、光纖通信及紅外探測(cè)器，具備高電子遷移率，適合高速電子器件開(kāi)發(fā)。

3.5其他準(zhǔn)金屬的多樣用途

砷被用于化合物半導(dǎo)體（如砷化鎵），廣泛應(yīng)用于高速通信與光電設(shè)備；銻則常見(jiàn)于合金強(qiáng)化和阻燃劑添加，也參與某些半導(dǎo)體材料的制備。它們雖不如硅和鍺廣為人知，但在工業(yè)與科技中的作用同樣不可忽視。

3.6準(zhǔn)金屬在精準(zhǔn)合成與催化反應(yīng)中的應(yīng)用

除材料科學(xué)領(lǐng)域外，準(zhǔn)金屬在催化化學(xué)中也展現(xiàn)出巨大潛力。在多相催化體系中，準(zhǔn)金屬常以摻雜、合金化、界面構(gòu)建或單原子負(fù)載的形式參與催化劑設(shè)計(jì)。例如，硼摻雜可誘導(dǎo)電子重排，穩(wěn)定CO2加氫反應(yīng)中的中間體；而碲修飾金屬表面能有效調(diào)控電子密度，提升逆水煤氣變換（RWGS）反應(yīng)中CO的選擇性（圖8）[19]。此外，準(zhǔn)金屬與貴金屬或過(guò)渡金屬形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面，在氧還原（ORR）、析氫（HER）及醇類(lèi)選擇性氧化等反應(yīng)中，展現(xiàn)出優(yōu)異的協(xié)同催化效果。它們可通過(guò)調(diào)控電子轉(zhuǎn)移行為和中間體吸附能，實(shí)現(xiàn)更高效且可控的催化路徑。

硅、硼、銻、砷等準(zhǔn)金屬也被廣泛用于有機(jī)合成。硅基試劑（如TMS醚、硅烯）反應(yīng)活性強(qiáng)、可調(diào)性好，是構(gòu)筑官能團(tuán)的常用工具[20]。硼因其Lewis酸性和空p軌道，廣泛用于Suzuki偶聯(lián)、酯化與還原胺化等反應(yīng)[21]。含砷或銻的手性配體還可與金屬形成穩(wěn)定絡(luò)合物，實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)催化中高對(duì)映與區(qū)域選擇性。

圖8. 碲元素用于調(diào)節(jié)逆水煤氣變換（RWGS）反應(yīng)的CO選擇性[19]

4. 結(jié)語(yǔ)

準(zhǔn)金屬是介于金屬與非金屬之間的一類(lèi)特殊元素，兼具兩者的物理與化學(xué)特性，在現(xiàn)代科技中扮演著重要角色。它們既具有金屬的導(dǎo)電性，又展現(xiàn)出非金屬的反應(yīng)多樣性，是連接兩類(lèi)元素世界的橋梁。硅是電子芯片的核心材料，硼被廣泛用于制造輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料，鍺是航天太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵基礎(chǔ)，而碲則可提升鋼材加工性能。準(zhǔn)金屬?gòu)V泛應(yīng)用于電子、能源、航空航天等領(lǐng)域，不僅推動(dòng)技術(shù)革新，也加深了人們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能之間關(guān)系的理解。隨著納米技術(shù)和電子結(jié)構(gòu)研究的發(fā)展，準(zhǔn)金屬在新型材料設(shè)計(jì)與高效催化中的應(yīng)用潛力不斷拓展，未來(lái)有望引領(lǐng)更多關(guān)鍵技術(shù)的突破，成為支撐綠色、高性能科技的核心元素。

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