地壳里到处都是硅，为什么高纯的这么难造？

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（核理化院）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

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，就像有人在旁边不停晃动桌子，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。

为什么要自主量产？

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，目前全球仅有俄罗斯等极少数国家具备规模化生产高丰度硅-28的能力，西方国家在这一领域的商业化进程也正在加速推进。

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，打破了国外技术垄断，填补了我国在该领域的空白，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。

高纯硅-28 能用来做什么？

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：

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。基于高纯硅-28 制备的半导体器件，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，在高端芯片制造领域具备广阔应用潜力。

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。

精密计量：超高纯硅-28 的晶体结构近乎完美，可用于制作计量单位“千克”基准的硅球，精确测量阿伏伽德罗常数，推动质量计量基准的精准化发展，助力国际计量体系变革。

其他前沿领域：同位素地质年代学、核医学、基础物理研究、先进医疗、空间探测等，均离不开高纯同位素材料。

稳定同位素——现代社会的关键材料

在了解硅-28的同时，我们不妨稍微拓展一下视野。稳定同位素是指某种元素中不发生或极不易发生放射性衰变的同位素，和放射性同位素相比，它性质稳定安全，没有放射性危害。在现代社会中，稳定同位素已经成为诸多关键领域离不开的材料——生物医药领域的PET-CT诊断、环境科学领域的污染物溯源、核工业中的反应堆防护，乃至前文提到的量子计算与精密计量，都离不开它们的支撑。

长期以来，全球仅极少数国家具备稳定同位素规模化生产能力。我国稳定同位素高端产品长期依赖进口，对相关产业发展和关键领域安全造成影响。核理化院开展稳定同位素研发，正是践行国家战略、保障关键领域产业链供应链安全的重要举措。目前多个稳定同位素产品已实现国产化供应，正向着产能规模化、产品系列化的目标稳步推进。

最后总结一下，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。从实验室走向工业量产，丰度和产能尚有提升空间，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。

参考文献

[1] 央视网. 中国“纯硅”成功突破!我国攻克硅基量子芯片关键材料[N/OL]. (2026-06-15)[2026-06-22]. https://news.cctv.com/2026/06/15/ARTI9coaszWMx2q8X7RzRr27260615.shtml

[2] 唐珂, 刘娇, 邢金娟. 以SiH₄为介质扩散法生产²⁸Si技术研究[J/OL]. 同位素, 2024, 37(03): 203. [2026-06-22]. https://tws.xml-journal.net/article/doi/10.7538/tws.2024.37.03.0203

[3] 中国科学院微电子研究所. 研究人员发现纯硅-28纳米线的导热效率比天然硅纳米线材料高150%[EB/OL]. (2022-06-15)[2026-06-22]. https://www.ime.ac.cn/icac/learning/learning_2/202206/t20220615_6461278.html

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出品丨科普中国 X 中核集团

审核丨谢全新 核理化院稳同领域首席专家、中核新科总工程师

策划丨丁崝