Pozoruhodný křemík 2018

V úterý 13. 2. 2018 přijel do SPŠST Panská z Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně téměř přesně po roce doc. Zdeněk Bochníček se svou přednáškou Pozoruhodný křemík. Letošní přednáška byla ve vzniklé tradici již sedmá v naší škole! Zdeňka Bochníčka zveme pravidelně, protože jako přednášející, experimentátor i popularizátor fyziky je výborný, navíc téma přednášky velmi dobře doplňuje výuku fyziky i odborných předmětů na naší škole. I letos byla přednáška určena primárně pro žáky třetích ročníků technických oborů. Proto se v učebně 3 nejdříve sešli žáci tříd 15A a 15D a ti byli vystřídáni další hodinu žáky tříd 15L a 15M. Z řad vyučujících se přednášky zúčastnili Milomír Berka, Martin Novotný a Helena Škodová.

Po krátkém úvodu, ve kterém Zdeněk Bochníček přivítal žáky, začal zdůvodňovat, proč právě křemík je tak pozoruhodný prvek, že si zaslouží samostatnou přednášku. „Křemíková revoluce“ totiž 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 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, takže žáci mohli vše sledovat. Zejména zmínka o destilaci žáky zaujala.

„Ale vždyť to je dobrá metoda, jak vybrat z kapaliny jen ty správné atomy,“ dodává Zdeněk. „O tom my na Moravě víme své. Z toho špinavého ovocného kvasu se destilací vyberou jen ty správné atomy, které tvoří finální slivovici.“

Pomocí jednoduchých obrázků pak Zdeněk Bochníček vysvětlil rozdíl mezi polykrystalem a monokrystalem a následně také důvod, proč v případě tuhnutí taveniny vzniká přirozeně materiál ve formě polykrystalů.

„Pro výrobu monokrystalu se používá většinou 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.“

Výklad doprovázel Zdeněk jak názornými gesty, tak i pomůckami, 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.

„V křemenné nádobě, která vydrží příslušnou teplotu a která křemík znečistí maximálně kyslíkem, probíhá tavení velmi čistého polykrystalického křemíku. Do taveniny se pak 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. A právě monokrystal se používá pro další aplikace - například výrobu integrovaných obvodů, CCD a dalších.“

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.

„Krystalizace probíhá rychlostí přibližně jeden milimetr za minutu, tak si můžete spočítat, jak dlouho trvá krystalizace ingotu dlouhého 2,5 metru, který se běžně vyrábí.“

Následně nechal Zdeněk přivezené pomůcky kolovat učebnou, aby si je mohli žáci sami prohlédnout.

„Posledním slajdem prezentace je graf závislosti absorpce křemíku pro elektromagnetické záření různých vlnových délek,“ pokračuje Zdeněk Bochníček a blíží se 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 záření křemíkem 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 více,“ usmívá se Zdeněk. „Je potřeba se v nich ale zorientovat. 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.

„Musím ještě trošku přeostřit objektiv - mimochodem proč?“ ptá se s úsměvem Zdeněk. Když se nikdo nemá k odpovědi, pokračuje dále: „Příčinou je jiný index lomu skla objektivu pro viditelné světlo a pro infračervené záření. Proto má tak spojka objektivu vlastně více ohnisek - pro záření různých vlnových délek různá ohniska.“

Když pak Zdeněk přiblíží k nejstaršímu zdroji světla (svíčka) ten nejmodernější (LED svítilna), svítící 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.

Když se poté Zdeněk Bochníček se žáky rozloučil, sklidil zasloužený bouřlivý potlesk.

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

Někteří žáci zkoumali termocitlivou fólii, kterou jim Zdeněk ochotně ukazoval.

„Tak, teď mi kolega sebral experiment, který bych vám býval také ukázal,“ zlobím se naoko. Ve třech třídách, které se přednášky zúčastnily, budu totiž sám za několik týdnů začínat termodynamiku.

„Tak to se omlouvám,“ usmívá se Zdeněk.

„To nevadí,“ uklidňuji ho.

„Ale uvidíme to, že?“ ujišťují se žáci.

Zatímco si Zdeněk po skončení druhé přednášky balí pomůcky, opět chválí zájem našich žáků.

„Obě skupiny mě opět překvapily, že je to zajímalo a na konci se přišli žáci ptát, měli zájem a dokonce mě přivedli na několik nových experimentů,“ chválí si žáky školy Zdeněk.

Pak se loučíme slovy: „Tak za rok zase!“

Průběh přednášky a předvedené experimenty zachycují fotografie.

Poděkování:

Autor fotografií:

© Jaroslav Reichl, 13. 2. 2018