Pozoruhodný křemík 2022

Po roční pauze způsobené opatřeními proti šíření koronaviru jsme ve čtvrtek 9. 6. 2022 opět přivítali ve SPŠST Panská doc. Zdeňka Bochníčka z Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně. Zdeněk Bochníček jezdí do naší školy už od roku 2012 a každý rok přednese svou přednášku Pozoruhodný křemík žákům třetího ročníku. Přednáška spolu s experimenty totiž velmi dobře doplňují výuku fyziky a odborných předmětů jednotlivých studijních oborů naší školy. V učebně 3 se proto sešli v 9:00 žáci tříd 19A a 19D, které po hodině vystřídali žáci třídy 19L a 19M.

V úvodu svého vystoupení Zdeněk Bochníček přivítal žáky a upozornil, proč právě křemík je tak pozoruhodný prvek, že si zaslouží samostatnou přednášku.

„Po železe, které se naučilo lidstvo zpracovávat, a uhlíku resp. uhlí, které hrálo výraznou roli v průmyslové revoluci, je křemík další prvek zasluhující naši pozornost. Nebýt křemíku, bylo by vaše dětství a dospívání zcela jiné!“

Poté uvedl tři příklady vývoje křemíkových technologií:

vývoj výkonu počítačů a kapacity jejich pevných disků za posledních zhruba 40 let, během kterých se o několik řádů zvýšil výkon, ale současně přibližně 100krát klesla (relativní) pořizovací cena;

vývoj poměru kapacita-cena u flash disků - od pětiset megabajtových disků za několik tisíc korun k diskům s kapacitou několik gigabajtů, které jsou v současné době reklamními předměty;

čipová karta mobilního telefonu obsahující tisíce tranzistorů, jejichž rozměry jsou jen o řád vyšší, než jsou rozměry atomů.

„Křemík se v přírodě nevyskytuje samostatně, ale pouze ve formě oxidu,“ pokračoval Zdeněk Bochníček. „Pro výrobu polovodičových součástek je nutný poměrně čistý monokrystalický křemík. Velmi čistý křemík ve formě polykrystalů lze získat z křemene, tedy oxidu křemičitého. 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 polykrystalický křemík. Ten je ale pro výrobu polovodičových součástek nevhodný.“

Všechny chemické reakce promítl Zdeněk na tabuli, takže žáci mohli každý popisovaný krok přípravy křemíku sledovat. Zejména zmínka o destilaci žáky zaujala.

„Destilace je výborná metoda, jak vybrat z kapaliny jen ty správné atomy,“ usmívá se Zdeněk. „Do školy to není sice vhodný příklad, ale všichni to známe z praxe.“

Pomocí jednoduchých obrázků pak Zdeněk Bochníček vysvětlil rozdíl mezi polykrystalem a monokrystalem. Upozornil též na to, že při spontánním tuhnutí taveniny vznikají přirozeně polykrystaly, protože tuhnutí začíná současně na mnoha místech taveniny.

„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 ne do kalamáře, ale do nádoby s taveninou kovu, který právě zkoumal. 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, používaly se nebo které průmyslovou výrobou vznikají,“ upozorňuje Zdeněk a začíná výrobu monokrystalického křemíku vysvětlovat.

„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, přičemž velikost rychlosti pohybu monokrystalu a ohřev taveniny jsou pečlivě řízeny. Fyzikální zákony již samy zařídí, že křemík, který na konci krystalizuje, je 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 mezi žáky, aby si je mohli sami prohlédnout.

„Posledním slajdem, který promítnu, 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 v místě, kde vznikl infračervený obraz vlákna žárovky, svou barvu. Infračervené záření tedy tenkou a oboustranně vyleštěnou křemíkovou deskou prošlo.

„Mám tu starší typ videokamery, která je pro další experimenty velmi vhodná,“ pokračuje Zdeněk Bochníček 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,“ vysvětluje přednášející a příslušné vlastnosti desek ukazuje i v grafu promítnutém na tabuli. Když pak postaví před křemíkovou desku zapálenou svíčku, žáci užasnou: na stěně, kam se promítá obraz z videokamery, se objevil obraz plamene svíčky!

„Před CCD panelem je ale stále filtr odstraňující nežádoucí infračervené záření!“ upozorňuje Zdeněk Bochníček. „U této kamery lze ale tento filtr vysunout mimo cestu paprsků procházejících z objektivu.“ Následně tento filtr vysunuje a na stěně se objeví jasný a kontrastní obraz plamene svíčky.

„Musím ještě trošku přeostřit objektiv,“ dodává s úsměvem Zdeněk, aniž by žákům vysvětlil proč. Všichni žáci sedící v učebně mají už probranou optiku, takže si důvod přeostření odvodí jistě sami.

Když pak Zdeněk přiblíží k nejstaršímu zdroji světla (svíčka) ten nejmodernější (bílým světlem svítící LED mobilního telefonu), svítící LED není na stěně 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. Pouze rozptýlené infračervené záření ozáří část mobilního telefonu, který je tak na stěně za hořící svíčkou částečně vidět.

Poté, téměř přesně se zvoněním na konec hodiny, se Zdeněk Bochníček se žáky loučí. Za přednášku byl žáky odměněn zaslouženým potleskem.

Děkujeme a doufáme, že příští rok se setkáme zase!

Průběh přednášky a předvedené experimenty jsou zobrazeny na fotografiích.

Poděkování:

doc. Zdeněk Bochníček za přednášky s krásnými experimenty;

vedení školy za pomoc při organizaci akce;

Spolek rodičů SPŠST Panská za finanční zajištění akce.

Autor fotografií:

Jaroslav Reichl