Pozoruhodný křemík 2017

Ve čtvrtek 16. 2. 2017 přijel do SPŠST Panská z Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně doc. Zdeněk Bochníček se svou přednáškou Pozoruhodný křemík. Akce, která začala před pěti lety, se stala tradicí. Důvody jsou minimálně dva: Zdeněk Bochníček je odborník na slovo vzatý a neméně zdatný přednášející a experimentátor a navíc téma jeho přednášky je pro žáky naší školy velmi zajímavé - s křemíkem a jeho aplikacemi se setkávají v praxi i v odborných předmětech velmi často. I letos byla přednáška určena pro žáky třetích ročníků technických oborů. Proto se v učebně 2 nejdříve sešli žáci tříd 14M a 14L, aby je za hodinu vystřídali žáci tříd 14A a 14D. Z řad vyučujících se přednášky zúčastnil Jiří Novotný.

Po krátkém úvodu, ve kterém Zdeněk Bochníček přivítal žáky, začal zdůvodňovat, proč právě křemík je tak pozoruhodný prvek, že si zaslouží samostatnou přednášku. Důvod je jasný - „křemíková revoluce“ ovlivnila životy nás všech! Bez počítačů, iVěcí, dálkových ovladačů, digitálních fotoaparátů, … si už život nedovedeme představit. A ve všech těchto zařízeních se vyskytují integrované obvody, polovodičové součástky nebo přímo křemíkové desky jako součásti CCD panelů určených pro záznam obrazu.

Jako příklad vývoje techniky uvedl Zdeněk Bochníček tři skutečnosti:

„Křemík se v přírodě vyskytuje ve formě oxidu,“ začal další část přednášky Zdeněk Bochníček. „A na Zemi ho máme dost. Bohužel, nevyskytuje se čistý, a proto je nutné ho nejdříve získat v čisté podobě. Prvním krokem této metody je chemická cesta, při které se vyrobí z křemene hutní křemík. Ten je ale pro další zpracování velmi nevhodný, a tak pokračuje chemická cesta dále a pomocí vhodné reakce se vyrobí kapalina trichlorsilan, která vře při normálním tlaku při poměrně nízké teplotě. Následnou destilací je pak možné vyrobit vysoce čistý křemík. Ten má ale pro výrobu polovodičových součástek velkou nevýhodu: jedná se o polykrystalický křemík.“

Všechny chemické reakce byly zobrazeny na tabuli, Zdeněk postupoval pomalu, žáci mohli vše sledovat.

Pomocí jednoduchých obrázků pak Zdeněk Bochníček vysvětlil rozdíl mezi polykrystalem a monokrystalem i příčinu, proč v přírodě při tuhnutí taveniny přirozeně vznikají polykrystaly látek.

„Pro výrobu monokrystalu se používá tzv. Czochralského metoda, která byla objevena, jak už to u velkých objevů bývá, náhodnou chybou. Jan Czochralski v roce 1916 namočil omylem psací pero do nádoby s taveninou a na konci pera zkrystalizoval monokrystal taveného kovu. Podobnou metodou, technicky velmi náročnou, se vyrábí monokrystalický křemík průmyslově.“

Při těch slovech začal chystat Zdeněk pomůcky, které s sebou přivezl.

„Všechno, co tu mám, jsou originály, které se skutečně v průmyslu používají nebo které průmyslovou výrobou vznikají,“ upozorňuje Zdeněk a začíná výrobu monokrystalického křemíku velmi živě předvádět. Do křemenné nádoby (o objemu přibližně 10 litrů) umísťuje kusy polykrystalického křemíku.

„Tato vsádka se následně taví, pak se do ní zasune monokrystal křemíku a začne se pomalu vytahovat vzhůru. Fyzikální zákony již samy zařídí, že křemík, který bude na konci krystalizovat, bude ve formě monokrystalu.“

Současně s tím Zdeněk ukazuje dvě krajní části hotového ingotu, které jsou nutným odpadem, aby se nepoškodil samotný ingot. Z ingotu tvořeného monokrystalickým křemíkem se pak řežou desky sloužící pro výrobu integrovaných obvodů. Následně nechal Zdeněk přivezené pomůcky kolovat učebnou, aby si je mohli žáci sami prohlédnout.

„Posledním slajdem je graf závislosti absorpce křemíku pro elektromagnetické záření různých vlnových délek,“ směřuje Zdeněk Bochníček k poslední části své přednášky. „Pokud pochopíme společně tento graf, pochopíme i všechny experimenty, které budu po zbytek času ukazovat!“

Z grafu je zřejmé, že pro lidským okem viditelnou část spektra elektromagnetického záření je křemík neprůsvitný. Směrem do infračervené oblasti absorpce klesá, to znamená, že se křemík stává průsvitnějším.

První experiment je proto triviální: viditelné světlo ze stolní lampy křemíkovou deskou neprochází.

Druhý experiment předvedl Zdeněk Bochníček se spojkou, kterou promítl na připravený panel obraz vlákna žárovky. Když viděl, že to žáky zajímá, promítl vlákno na stěnu učebny, čímž získal několikanásobně zvětšený obraz, který byl opravdu úchvatný! Pak vložil mezi žárovku a čočku křemíkovou desku, na panel připevnil termocitlivou fólii a ta změnila barvu v místě, kde vznikal infračervený (tedy „tepelný“) obraz vlákna žárovky. Infračervené záření tedy křemíkovou deskou prošlo.

„Mám tu starší typ videokamery, která je pro další experimenty velmi vhodná,“ říká Zdeněk a nejdříve ukazuje, že ač se výrobci snaží, kamera přeci jen „vidí“ o trošku více, než lidské oko. Kamerou lze zobrazit infračervené záblesky z dálkového ovladače, které jsou pro lidské oko neviditelné.

„Když dáme před objektiv kamery křemíkovou desku, máme tu těch křemíkových desek nějak mnoho,“ usmívá se Zdeněk. „Důležitý je křemíkový CCD panel, který pohlcuje záření viditelného světla a zaznamenává tak obraz kamery. Další křemíkový filtr je před CCD panelem proto, aby kamera - tedy CCD čip - nezaznamenával i záření z blízké infračervené oblasti. Ten je tam daný výrobcem. A před objektiv jsem postavil svou křemíkovou desku. Ta nepropustí viditelné záření, to jsme viděli. Ale může propustit část záření z blízké infračervené oblasti, což jsme také před chvílí viděli,“ ukazuje Zdeněk vše v grafu promítnutém na tabuli. Když pak postaví před křemíkovou desku zapálenou svíčkou, žáci užasnou: na plátně se objevil obraz plamene svíčky!

„Ale to není nic moc pěkný obraz, že?“ haní obraz Zdeněk. „Jak by mohl být, vždyť před CCD panelem je filtr filtrující infračervené záření! U této kamery lze ale tento filtr vysunout mimo CCD panel,“ vysvětluje Zdeněk a okamžitě tuto operaci pomocí táhla na kameře realizuje. Na plátně je objeví jasný a kontrastní obraz plamene svíčky.

Když pak Zdeněk přiblíží k nejstaršímu zdroji světla ten nejmodernější - LED svítilnu, LED nejsou na plátně vidět. Plamen vyzařuje velké množství infračerveného záření, které křemíkovou deskou před objektivem kamery prochází. Ale viditelné světlo vyzařované LED svítilnou touto deskou neprochází.

Nelze se divit, že když se poté Zdeněk Bochníček se žáky rozloučil, sklidil bouřlivý potlesk.

„Pokud se chcete na něco podívat nebo se optat, klidně se tu stavte,“ vyzval žáky na závěr. Okamžitě se kolem něj shluklo několik žáků s různými typy dotazů.

„Jezdíme s touhle přednáškou už asi 10 let mezi žáky středních škol. Občas narazí člověk na třídu, kterou to zjevně nebaví, tak to si pak říkám, proč jim mám vlastně něco přednášet. Ale to, aby se po přednášce šli žáci ptát, a ty jsi je musel ještě navíc pak vyhánět, aby stihli další hodinu, to jsem zažil jenom tady u vás,“ chválí naše žáky Zdeněk, když si pak balí své pomůcky. „A navíc si jeden žák všiml, že hlava a špice ingotu, které jsem ukazoval, nejsou ze stejného ingotu. Všiml si, že hlava a špice krystalizovaly v jiné modifikaci krychlové soustavy! Toho si nevšimne ani odborný fyzik!“

Průběh přednášky a předvedené experimenty zachycují fotografie.

Poděkování:

Autor fotografií:

© Jaroslav Reichl, 16. 2. 2017