地壳里到处都是硅，为什么高纯的这么难搞？

2026-06-17 15:30

北京

2026 年 6 月 15 日，中核集团发布了一条重磅消息：中国首次实现了丰度超 99.99%的硅-28 同位素自主量产。这是一次关键基础材料方向的突破，由中核集团核工业理化工程研究院团队完成。该团队此前已先后成功实现钼、碲、镍等 12 种元素、26 种稳定同位素的生产，并持续推动稳定同位素分离技术的工程化与产业化。

图片截自央视新闻

那么，这项技术为何如此重要，又为何如此困难呢？

硅-28 纯度的突破，

为什么这么重要？

要理解这项技术的重要性，首先要知道硅-28 究竟是什么。

硅是地壳中含量第二丰富的元素，仅次于氧。但在自然界中，它几乎不以单质形式存在，而是主要以二氧化硅（如石英）和各种硅酸盐矿物的形式存在。而从原子层面来看，硅元素本身由三种稳定同位素组成：硅-28 约占 92.2%，硅-29 约占 4.7%，硅-30 约占 3.1%。它们的化学性质几乎完全相同，但在原子核结构上存在差异。

其中，硅-28 的原子核由 14 个质子和 14 个中子组成，属于“偶-偶核”，核自旋为 0，可以想象为一个安静、几乎不扰动周围环境的微小球体。而硅-29 多一个中子，核自旋为 1/2，更像一只不断旋转的小陀螺，会产生微弱磁场。对普通电子产品而言，这种差异可以忽略不计；但对量子计算和部分高端芯片而言，这种微小差异却可能成为性能的决定性因素。

以硅基量子计算为例，科学家通常利用单个电子的自旋状态来存储信息：电子自旋向上代表一种状态，向下代表另一种状态，从而构成量子比特（qubit）。问题在于，电子对周围环境极其敏感，硅-29 原子核产生的微弱磁场会不断扰动电子状态，使原本稳定的信息难以维持。

为衡量量子比特能稳定保存信息的时间，科学家引入了一个关键指标——“相干时间”（Coherence Time），可简单理解为：量子比特在不受外界干扰的情况下，能够稳定保存信息的时间长度。相干时间越长，量子比特越可靠，可连续完成的计算步骤越多；反之，若相干时间过短，量子信息尚未完成计算就可能发生随机变化甚至丢失，计算结果自然难以保证。

因此，对量子计算而言，一个重要目标就是尽可能减少环境中的各类干扰源，而天然硅中约 4.7%的硅-29，恰恰是重要干扰源之一。高纯硅-28 的价值正在于此：通过同位素分离技术大幅去除硅-29，可显著降低核自旋噪声，为量子比特提供更“安静”的工作环境，从而延长相干时间，提高量子计算系统的稳定性。此外，降低硅-30 的含量虽不直接减少磁场噪声，但有助于提升材料一致性与热导率，对先进半导体器件同样具有重要意义。

此次实现 99.99%的硅-28 丰度，意味着绝大多数可能产生干扰的同位素已被去除，剩余杂散同位素数量的大幅下降，对量子计算这类对材料纯度极度敏感的领域而言，意义尤为重大。

“筛”出硅-28，说着容易做着难

三种硅同位素化学性质几乎一致，无法用常规化学方法提纯，目前主要采用物理方法进行同位素分离。具体来说，这有点像血液离心分层：医院检测血液时，抗凝后的血液装入离心管，在高速旋转下分层，较重成分（比如细胞）偏向外周，位于离心管底部，较轻成分（如血浆）偏向中心，位于离心管浅层。这是在高速旋转形成的稳定离心场中，不同密度成分在力的平衡作用下自然形成空间分布。

左侧抗凝血因离心分层（图源自wiki）

气体离心法的原理与此类似，只是处理对象变为含不同硅同位素的气体分子（如硅烷或三氯硅烷）。在高速旋转时，气体在径向上建立稳定的压力梯度；由于分子质量存在极微小差异，较重同位素分子在统计分布上更倾向于出现在外侧高压区，较轻分子则更多分布在内侧区域。通过连续流动与多级级联收集，这种微小差异被逐步放大，从而实现同位素富集。

气体离心法分离铀同位素原理示意图其中浅蓝色小球表示U235原子，深蓝色小球表示U238原子（来自wiki）

该方法听起来简单，工程难度却极大。首先，要将丰度从 92.2%提升至 99.99%，绝非一步到位，而需多级串联、逐级提纯，像漏斗一样层层递进，级数越多，设备越复杂，能耗也越高。其次，硅烷属于易燃易爆有毒气体，操作风险高，这对设备材料与密封技术都提出了极高要求。

在“十五”期间，核工业理化工程研究院采用专门研制的新型同位素分离装置，以三氯硅烷为工质，对硅-28 同位素单机分离进行了试验研究，获得了相应流态参数与分离系数，验证了硅-28 同位素分离的可行性，并对单机外参量进行了初步优化，确定了较优分离工况，为级联设计奠定了良好基础。在“十一五”期间，该院继续开展硅-28 同位素级联生产技术研究，建成一座小型试验生产级联系统，制备出公斤级、丰度为 99.5%的硅-28 同位素产品。

上述研究验证了离心分离法制备硅-28 的可行性，但丰度仍未能满足量子计算的要求。为将硅-28 同位素富集至更高丰度，核理化院于 2021 年针对硅同位素开展分离设备的单机优化工作，最终研制出的分离设备能力较原型机提升约 50%，为实现超高丰度硅-28 奠定了基础。本次的突破，与之前的技术积累密不可分。

这次的突破意味着什么？

全球范围内，能提纯高纯度硅-28 的国家屈指可数。在此次突破前，全球硅-28 供应长期处于高度集中、对外依赖明显的格局。由于同位素分离属高技术壁垒领域，能够稳定实现工程化生产的国家和机构十分有限，全球供应主要掌握在少数国家和企业手中。从全球格局看，高纯硅-28 不仅产能有限，而且在关键材料环节存在明显的外部约束与供应不确定性。

在此背景下，中国此次实现 99.99%硅-28 的自主制备与工程化生产，使该关键材料首次具备了国内稳定供给的基础能力，也意味着我国在该领域正逐步摆脱外部供应限制，进入自主可控的发展阶段。

值得注意的是，此次突破正值《核技术应用产业高质量发展三年行动方案（2024—2026年）》收官之年。方案明确提出要推动稳定同位素分离技术的工程化与产业化，硅-28 的成功量产，正是向这个目标交出的一份关键答卷。

尽管量子计算是高纯度硅-28 最耀眼的应用场景，但其用途远不止于此。高纯硅-28 至少在以下几方面具有重要价值：

先进制程半导体：芯片制程越小，晶体管密度越高，散热问题越突出。硅-28 的热导率在特定条件下可显著提升，有望降低芯片工作温度并延长载流子寿命。

高端导航：硅-28 的晶格常数更均匀，可用于制造高精度惯性导航器件，使晶体结构更接近理想状态，从而减少微观应力与热扰动对 MEMS 惯性器件的影响，降低零点漂移误差，提升卫星导航与高精度惯性测量等设备性能。

计量基准：超高纯硅-28 的晶体结构近乎完美，可用于定义质量、阿伏伽德罗常数等物理量基准，提升国家计量体系精度。

其他前沿领域：同位素地质年代学、核医学、基础物理研究等，均离不开高纯同位素材料。

换言之，硅-28 是一种典型的基础性关键材料，它不会直接变成消费者手中的手机或电脑，但没有它，硅基自旋量子芯片和部分高端半导体方向的探索就将步履维艰。当然，这并非终点。尽管目前 99.99%的丰度已相当可观，但距离更纯的“六个九”（99.9999%）仍有提升空间；从实验室走向工业量产，从几十公斤迈向吨级产能，也还有较长路程要走。

然而，这是一个至关重要的起点——在关键基础材料上实现自主可控，意味着中国在量子计算、先进半导体、高端导航等战略领域的竞争力，不再受制于材料供应。

参考资料

[1] 中国科协重大科学问题和工程技术难题征集评选系统. "气体离心法制备硅-28同位素". 2024～03-01. https://scique-kc.cast.org.cn/index/questionDetail?id=2220

[2] 中核集团：我国首次实现丰度超99.99%硅-28同位素自主量产. 2026～06-15. https://news.cctv.com/2026/06/15/ARTI9coaszWMx2q8X7RzRr27260615.shtml

[3] Isosilicon. "Silicon-28： Next Generation Material for Semiconductors". 2016． http://isosilicon.com/wp-content/uploads/2016/01/Isosilicon2016-2007-rev-2016-acknowl.pdf

[4] 同位素期刊. "以SiH4为介质扩散法生产Si28技术研究". 2024． https://tws.xml-journal.net/article/doi/10.7538/tws.2024.37.03.0203

[5] 研究人员发现纯硅-228纳米线的导热效率比天然硅纳米线材料高150%.https://www.ime.ac.cn/icac/learning/learning_2/202206/t20220615_6461278.html

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