Pozoruhodný křemík 2020
Na den přesně po roce přijel opět do pražské SPŠST Panská doc. Zdeněk Bochníček z Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně se svou přednáškou Pozoruhodný křemík. Zdeňka Bochníčka zveme do školy pravidelně již od roku 2012, protože jeho přednáška i experimenty velmi dobře doplňují výuku fyziky i odborných předmětů na naší škole. Přednáška je každý rok určena pro žáky třetích ročníků technických oborů. Proto se v úterý 4. 2. 2020 v učebně 11 sešli žáci tříd 17A a 17D, které po hodině vystřídali žáci třídy 17L a s mírním zpožděním kvůli přeběhu z naší druhé budovy i dobíhající 17M.
Po krátkém úvodu, ve kterém Zdeněk Bochníček přivítal žáky a vyzdvihl spolupráci s naší školou, žákům zdůvodnil, proč právě křemík je tak pozoruhodný prvek, že si zaslouží samostatnou přednášku. Dříve než přistoupil ke křemíku, zmínil uhlí a další fosilní paliva, která pomohla zlikvidovat bídu mezi lidmi.
„Snahy o záchranu planety a omezení fosilních paliv jsou jistě velmi záslužné,“ uznával snažení současných politiků, „ale v zájmu této dobré věci se nic nesmí přehánět! Každá taková snaha může přinést bídu a teror - vzpomeňme na roky před rokem 1989. Vím, že to není v souladu s politickými proslovy, ale jedná se hlavně o vaší budoucnost - buďte proto velmi obezřetní!“ varoval žáky před politickými sliby a leckdy velmi fyzikálně neuváženými činy nejen našich politiků. Pak už přistoupil ke křemíku.
„Křemíková revoluce ovlivnila životy nás všech! Bez využívání křemíku a z něj vyráběných polovodičů by byly náš život i vaše dětství jiné. Zda lepší nebo horší je otázka jiná,“ začal Zdeněk Bochníček zdůvodňovat, čím je křemík tak pozoruhodný.
Jako příklad vývoje techniky založené na křemíku uvedl Zdeněk Bochníček tři skutečnosti:
„Křemík se v přírodě nevyskytuje samostatně, ale pouze ve formě oxidu,“ pokračoval Zdeněk Bochníček. „Pro výrobu polovodičových součástek je nutný poměrně čistý křemík. Ten lze získat z křemene, což jak všichni víme, je oxid křemičitý, který se v přírodě hojně vyskytuje. Prvním krokem při získávání čistého křemíku je chemická cesta, při které se vyrobí z křemene kapalina trichlorsilan. Ta má teplotu varu při běžném tlaku relativně nízkou - přibližně 30 stupňů Celsia. Následnou destilací je možné vyrobit vysoce čistý křemík. Ten je ale pro výrobu polovodičových součástek nevhodný, protože krystalizuje ve formě polykrystalů.“
Všechny chemické reakce promítl Zdeněk na tabuli, takže žáci mohli každý popisovaný krok přípravy křemíku sledovat. Zejména zmínka o destilaci žáky zaujala.
„Ale vždyť to je dobrá metoda, jak vybrat z kapaliny jen ty správné atomy,“ usmívá se Zdeněk. „Do školy to není sice vhodný příklad, ale všichni to asi znáte: z poměrně špinavého ovocného kvasu se destilací vyberou jen ty správné atomy, které tvoří finální produkt.“
Pomocí jednoduchých obrázků pak Zdeněk Bochníček vysvětlil rozdíl mezi polykrystalem a monokrystalem. Upozornil též na to, že při spontánním tuhnutí taveniny vznikají přirozeně polykrystaly.
„Více jak 95 % v průmyslu používaného monokrystalického křemíku se získává tzv. Czochralského metodou, která byla objevena, jak už to u velkých objevů nejen ve vědě bývá, náhodnou chybou. Polák Jan Czochralski v roce 1916 namočil omylem psací pero do nádoby s taveninou, místo do kalamáře. K jeho překvapení na hrotu pera začal krystalizovat monokrystal taveného kovu. Podobnou metodou, technicky ovšem velmi náročnou, se vyrábí monokrystalický křemík průmyslově v současné době.“
Výklad doprovázel Zdeněk ukázkou autentických pomůcek, které s sebou přivezl a které demonstrovaly jednotlivé kroky výroby křemíku.
„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 dostatečně velkou teplotu a která křemík znečistí maximálně kyslíkem, což se ukazuje jako velmi praktické, 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 na konci krystalizuje, je 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 více než dva metry, který se běžně vyrábí.“
Následně nechal Zdeněk přivezené pomůcky kolovat mezi žáky, aby si je mohli sami prohlédnout.
„Posledním slajdem mé prezentace je graf závislosti absorpce křemíku na vlnové délce na křemík dopadajícího elektromagnetického záření,“ 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 světlo viditelné lidským okem je křemík neprůsvitný. Směrem k infračervené oblasti absorpce záření křemíkem klesá - křemík se tedy pro toto záření stává průsvitnějším.
První experiment je proto triviální: viditelné světlo ze stolní lampy oboustranně leštěnou křemíkovou deskou, kterou Zdeněk též s sebou přivezl, neprochází.
Druhý experiment předvedl Zdeněk Bochníček se spojkou, pomocí níž promítl na připravený panel obraz vlákna žárovky. Pak vložil mezi žárovku a čočku křemíkovou desku, na panel připevnil termocitlivou fólii a ta změnila barvu v místě, kde vznikl infračervený obraz vlákna žárovky. Infračervené záření tedy tenkou a oboustranně vyleštěnou křemíkovou deskou prošlo.
„Mám tu starší typ videokamery, která je pro další experimenty velmi vhodná,“ říká Zdeněk a velmi opatrně 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, a svit infračervených LED z kapesní svítilny.
„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 v kameře, který pohlcuje záření viditelného světla a zaznamenává tak kamerou snímaný obraz. Další křemíkový filtr je před CCD panelem proto, aby kamera nezaznamenávala i záření z blízké infračervené oblasti, které by rušilo zaznamenávaný obraz. Tento filtr je v kameře instalován výrobcem. A před objektiv jsem postavil svou křemíkovou desku. Ta nepropustí viditelné záření, to jsme viděli. Ale propouští 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 svíčku, žáci užasnou: na stěně se objevil obraz plamene svíčky!
Obraz byl trošku rušen svítícím sluncem, což Zdeněk okamžitě okomentuje: „Dnešní cesta přes Vysočinu byla opravdu špatná - mlha, sníh, zataženo. Tak jsem si říkal, že s promítáním obrazu z této malé kamery nebude problém! A ono nakonec svítí i sluníčko!“ Po dnešním propršeném ránu a dopoledni je to opravdu překvapení.
„Ale to není nic moc pěkný obraz, že?“ pokračuje v experimentování Zdeněk. „Před CCD panelem je totiž filtr odstraňující nežádoucí 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 stěně se objeví jasný a kontrastní obraz plamene svíčky.
„Musím ještě trošku přeostřit objektiv - promyslete si samostatně proč,“ dodává s úsměvem Zdeněk.
Když pak Zdeněk přiblíží k nejstaršímu zdroji světla (svíčka) ten nejmodernější (bílým světlem svítící LED mobilního telefonu), svítící LED není na plátně vidět. Plamen vyzařuje velké množství infračerveného záření, které křemíkovou deskou před objektivem kamery prochází. Ale viditelné světlo vyzařované LED z mobilního telefonu touto deskou neprochází - v jeho spektru není infračervené záření přítomno.
Když se poté Zdeněk Bochníček se žáky rozloučil, sklidil zasloužený bouřlivý potlesk.
Děkujeme a doufáme, že za rok zase na viděnou!
Průběh přednášky a předvedené experimenty jsou zobrazeny na fotografiích.
Poděkování:
Autor fotografií:
© Jaroslav Reichl, 5. 2. 2020