科普 | 亦金屬亦非金屬：走進準金屬的奇妙世界

摘要：準金屬是一類介于金屬與非金屬之間的特殊元素，既具備一定的導電性與金屬性，又展現出非金屬的多樣性與反應活性，廣泛應用于電子、能源、航空航天等高技術領域。隨著科技的發展，準金屬在納米材料、催化反應與功能器件中的潛力不斷被發掘，有望推動新材料、新能源及綠色化學的突破。本文系統介紹了準金屬的定義、物理化學性質、典型應用以及未來發展方向，旨在為讀者全面理解這一類關鍵元素提供科學參考。

關鍵詞：準金屬、物理化學性質、半導體、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被系統地分類，其中金屬和非金屬是最常見的兩類[1]。金屬以良好的導電性、延展性和光澤著稱，而非金屬通常具備絕緣性和結構多樣性[2]。然而，位于這兩類之間的準金屬（metalloids，又稱類金屬或半金屬）因同時具備金屬與非金屬的一些性質而顯得尤為特別。2025年7月6日，第二十七屆中國科協年會主論壇上，將“準金屬替代過渡金屬用于精準合成與催化反應的可行性研究”定為2025年十大前沿科學問題。

準金屬的最大特點在于“亦金屬亦非金屬”的中間性，這使它們在現代科技中扮演著關鍵角色，尤其在電子、半導體和能源材料等領域。以硅和鍺為例，它們是電子設備如計算機芯片和太陽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，也推動了材料科學的發展。本文將簡要介紹準金屬的定義、在周期表中的位置，以及其物理和化學特征。接著，重點說明幾種具有代表性的準金屬元素的功能和用途，特別是在高科技產業中的應用價值。

2. 準金屬簡介

準金屬（Metalloids），又稱類金屬或半金屬（Semimetals），是一類在性質上處于金屬與非金屬之間的元素[4]。盡管目前尚無統一的嚴格定義，人們通常根據其綜合的物理和化學特征來進行分類。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出“過渡性”或“混合性”行為。例如，準金屬的電負性一般介于1.8～2.4之間，導電能力處于金屬與非金屬之間，同時具備較低的延展性，質地較脆。

2.1準金屬的發現歷史

“準金屬”概念的提出，源于人類在探索化學元素過程中對傳統分類方式的挑戰。最初，化學家主要依據元素的外觀與物理性質（如光澤、延展性、導電性）將其劃分為金屬與非金屬。然而，隨著研究深入，一些元素表現出兼具金屬與非金屬特征的行為，讓這種二元分類變得不再適用。例如，砷和銻早已為古人所利用，盡管它們表面有金屬光澤，但質地脆弱、延展性差[5]；在化學反應中，有時表現為金屬，有時又偏向非金屬，引發了當時科學界的廣泛討論。

圖1. 硅和鍺的發現者（來源：https://en.m.wikipedia.org（左）和https://www.chemistryworld.com（右））

硅的研究更推動了準金屬概念的形成。公元前幾千年，人類就已利用二氧化硅制作陶瓷和玻璃。到了1823年，瑞典化學家J?ns Jacob Berzelius（圖1a）首次分離出純硅，發現其既有金屬光澤，又具半導體特性[6]。這種“介于兩者之間”的導電行為，為半導體科技打下基礎。鍺的發現更是驗證了門捷列夫周期表的科學預見性。1886年，德國化學家Clemens Winkler（圖1b）發現鍺，其性質幾乎完全符合門捷列夫15年前對“類硅”元素的預測[7-8]，鞏固了這類元素的獨特定位。隨著科學的進步，金屬性與非金屬性已不再被視為截然對立，而是被理解為連續變化的“光譜”；準金屬正處于這一光譜的過渡區域，填補了元素分類中的空白。

圖2. 準金屬在元素周期表中的位置（來源：https://sciencenotes.org）

2.2準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）的階梯式分界線作為參考，這條線右側的元素歸類為非金屬，而左側的元素則歸類為金屬（圖2）。準金屬位于金屬和非金屬之間的“分界線”上，這條線通常被稱為“階梯線”或“鋸齒線”[9]。這條線從硼（B）開始，向下延伸到硅（Si）、鍺（Ge）、砷（As）、銻（Sb）和碲（Te）。釙（Po）和砹（At）也被認為是準金屬，但其性質的準金屬特征不如前6種元素明顯。

圖3. 塊狀準金屬樣品[10]

2.3準金屬的物理化學性質

準金屬在物理性質上體現出“金屬與非金屬之間”的雙重特性。它們大多在室溫下呈固態，具有金屬般的光澤（圖3），但質地脆弱，缺乏延展性[10-11]。其最典型的特征是半導體性質：導電性介于導體和絕緣體之間，且可通過溫度或摻雜進行調控，因此被廣泛應用于電子與信息技術領域。此外，準金屬的密度、熔點、沸點和熱導率也通常處于金屬與非金屬之間。

在化學性質上，準金屬也像“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。它們的氧化物通常是兩性的，既能和酸反應，也能和堿反應，化學反應非常靈活。準金屬更喜歡形成共價鍵，既能和鹵素結合生成鹵化物，也能和金屬結合形成合金，這讓它們在材料科學中用途廣泛[4,11]。它們的電負性適中，有時候會像金屬一樣失去電子，有時候又會像非金屬一樣獲得電子（圖4）。正因為這種“雙重性格”，準金屬在半導體、光電器件和高性能合金等領域都扮演著不可替代的角色。

圖4. 金屬、準金屬和絕緣體的電子結構特征（自制）

3. 不同的準金屬及其應用

3.1硅：電子工業的支柱

硅是地殼中含量豐富、應用最廣的準金屬，具備優異的半導體性能。通過摻雜可實現導電性調控，廣泛用于集成電路、太陽能電池和各類電子元件中（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、計算機、家電、汽車等設備中。在新能源領域，硅也是制造太陽能電池的主要材料，單晶硅和多晶硅光伏組件能夠將太陽光直接轉化為電能，廣泛應用于屋頂發電、太陽能電站和航天設備等。太陽能電站通過大規模鋪設光伏組件集中收集太陽能，將其轉化為電能并輸送至電網（圖6），能夠在白天高效供電，滿足城市、工業園區甚至偏遠地區的用電需求。此類電站多建于光照資源豐富的地區，如荒漠、戈壁或沿海灘涂，不僅能規模化利用清潔能源，還可減少化石燃料消耗和溫室氣體排放。此外，硅化合物還廣泛應用于硅橡膠、硅油等高性能材料的制造。硅橡膠具有優異的耐高低溫、耐老化和絕緣性能，被用于醫療器械、建筑密封件及航天器部件等；硅油則因其穩定性好、潤滑性強，被廣泛用于潤滑、絕緣、消泡及減震等場景。這些材料在醫療、建筑及航天等領域發揮著不可替代的作用[13]。

圖5. 硅單質的形態及應用[12]

3.2硼：輕質高強材料與核防護核心

硼因其高強度、輕質和耐高溫的特性，在航空航天領域具有廣泛應用。硼纖維材料不僅能顯著增強復合材料的機械性能，還能在保證強度的同時有效減輕結構重量，被用于飛機機翼、航天器外殼等關鍵部件。碳化硼因其超高硬度和優異的耐磨性，被用于制造輕質防護裝甲和高溫陶瓷部件；氮化硼則具備優良的熱穩定性與潤滑性能，可作為固體潤滑劑應用于真空或極端溫度環境下的機械裝置[14]。此外，10B同位素具有極強的中子吸收能力，在核防護材料和航天器輻射屏蔽中發揮著不可替代的作用[15]，有效提升飛行器在高輻射環境中的安全性。

圖6. 動畫版太陽能電站（自制）

3.3碲：提升金屬性能的隱形功臣

碲的應用價值日益受到重視，尤其在提升材料性能方面表現突出（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）是性能優異的紅外探測材料和光伏材料[17]。在半導體領域，碲化合物如碲化鎘也具備優良的光電特性，廣泛應用于光電器件與熱電材料。

圖7. 碲的應用[16]

3.4鍺：高效能太陽能與紅外技術的核心材料

鍺擁有優異的半導體性質和紅外透明性，是高效多結太陽能電池的理想襯底材料，尤其用于太空和聚光光伏系統[18]。鍺還廣泛用于紅外光學、光纖通信及紅外探測器，具備高電子遷移率，適合高速電子器件開發。

3.5其他準金屬的多樣用途

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

3.6準金屬在精準合成與催化反應中的應用

除材料科學領域外，準金屬在催化化學中也展現出巨大潛力。在多相催化體系中，準金屬常以摻雜、合金化、界面構建或單原子負載的形式參與催化劑設計。例如，硼摻雜可誘導電子重排，穩定CO2加氫反應中的中間體；而碲修飾金屬表面能有效調控電子密度，提升逆水煤氣變換（RWGS）反應中CO的選擇性（圖8）[19]。此外，準金屬與貴金屬或過渡金屬形成的異質結構界面，在氧還原（ORR）、析氫（HER）及醇類選擇性氧化等反應中，展現出優異的協同催化效果。它們可通過調控電子轉移行為和中間體吸附能，實現更高效且可控的催化路徑。

硅、硼、銻、砷等準金屬也被廣泛用于有機合成。硅基試劑（如TMS醚、硅烯）反應活性強、可調性好，是構筑官能團的常用工具[20]。硼因其Lewis酸性和空p軌道，廣泛用于Suzuki偶聯、酯化與還原胺化等反應[21]。含砷或銻的手性配體還可與金屬形成穩定絡合物，實現不對稱催化中高對映與區域選擇性。

圖8. 碲元素用于調節逆水煤氣變換（RWGS）反應的CO選擇性[19]

4. 結語

準金屬是介于金屬與非金屬之間的一類特殊元素，兼具兩者的物理與化學特性，在現代科技中扮演著重要角色。它們既具有金屬的導電性，又展現出非金屬的反應多樣性，是連接兩類元素世界的橋梁。硅是電子芯片的核心材料，硼被廣泛用于制造輕質高強復合材料，鍺是航天太陽能電池的關鍵基礎，而碲則可提升鋼材加工性能。準金屬廣泛應用于電子、能源、航空航天等領域，不僅推動技術革新，也加深了人們對物質結構與功能之間關系的理解。隨著納米技術和電子結構研究的發展，準金屬在新型材料設計與高效催化中的應用潛力不斷拓展，未來有望引領更多關鍵技術的突破，成為支撐綠色、高性能科技的核心元素。

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