Pozoruhodný křemík 2023

Další rok uplynul a opět v tradičním únorovém termínu – tentokráte v úterý 7. 2. 2023 – dorazil do SPŠST Panská doc. Zdeněk Bochníček z Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně se svou přednáškou Pozoruhodný křemík. Jeho přednášku nabízíme žákům třetího ročníku jako vhodný doplněk výuky fyziky a odborných předmětů. V učebně 3 se proto sešli v 9:00 žáci tříd 20L a 20M, které po hodině vystřídali žáci tříd 20A a 20D.

V úvodu svého vystoupení Zdeněk Bochníček přivítal žáky a věnoval pár slov historii svých přednášek pro žáky středních škol, a poté začal vysvětlovat, proč si právě křemík zaslouží speciální přednášku.

„Po železe, které se naučilo lidstvo zpracovávat před zhruba tisícem let, a uhlíku resp. uhlí, které hrálo výraznou roli v průmyslové revoluci před přibližně sto lety, je křemík další prvek zasluhující naši pozornost. Nebýt křemíku, bylo by vaše dětství a dospívání zcela jiné! A přitom historie využívání křemíku a polovodičových součástek je stará pouze několik desítek let.“

Poté uvedl tři příklady vývoje křemíkových technologií:

„Křemík se v přírodě nevyskytuje samostatně, ale pouze ve formě oxidu,“ pokračoval Zdeněk Bochníček. „Pro výrobu polovodičových součástek je nutné připravit poměrně čistý monokrystalický křemík. Velmi čistý křemík – ale ve formě polykrystalu – lze získat z křemene, přesněji oxidu křemičitého. Prvním krokem při získávání čistého křemíku je přitom chemická cesta, při které se vyrobí z křemene kapalina trichlorsilan, která má nízkou teplotu varu – přibližně 30 stupňů Celsia. Z této kapaliny lze získat pomocí destilace, která je v Čechách a zejména na Moravě velmi populární, vysoce čistý polykrystalický křemík. Ten je ale pro výrobu polovodičových součástek nevhodný.“

Popisované chemické procesy shrnul Zdeněk Bochníček do chemických rovnic, které promítl na tabuli, takže žáci mohli všechny popisované kroky přípravy křemíku sledovat. Zejména zmínka o destilaci žáky zaujala.

„Destilace je výborná metoda, jak vybrat z kapaliny jen ty správné atomy,“ usmívá se Zdeněk. „A přesně to se provádí v tomto případě.“

S využitím názorných obrázků pak Zdeněk Bochníček vysvětlil rozdíl mezi polykrystalem a monokrystalem. Zdůraznil fakt, že při spontánním tuhnutí taveniny vznikají přirozeně polykrystaly, protože tuhnutí začíná současně na mnoha místech taveniny. A to je pro výrobu polovodičových součástek nežádoucí.

„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. Polský vědec Jan Czochralski v roce 1916 namočil omylem při psaní v zamyšlení psací pero ne do kalamáře, ale do nádoby s taveninou kovu, který právě zkoumal a měl tak položen na stole. K jeho překvapení začal na hrotu pera krystalizovat monokrystal taveného kovu. Podobnou metodou, technicky ovšem velmi náročnou a detailně propracovanou, 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 předměty, 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 třídou kolovat ukázku již vyrobených čipů.

„Před poslední částí přednášky, kterou budou experimenty, je nutné pochopit graf závislosti absorpce křemíku na vlnové délce elektromagnetického záření dopadajícího na křemík,“ pokračuje Zdeněk Bochníček a blíží se k poslední části své přednášky. „Pokud tento graf pochopíme, 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 stává pro záření příslušných vlnových délek 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 (a následně pro větší efekt i na stěnu místnosti) 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.

To ale nebylo vše!

„Přivezl jsem s sebou též 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 proto 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. Poté postaví před křemíkovou desku zapálenou svíčku a 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. Tím se kamera přepne do tzv. nočního vidění.“

Poté Zdeněk tento filtr vysunuje a na stěně se objeví jasný a kontrastní obraz plamene hořící 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 (hořící 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 totiž není infračervené záření přítomno. Pouze rozptýlené infračervené záření ozáří část mobilního telefonu, který je tak na stěně za hořící svíčkou částečně vidět.

Poté, s mírným přesahem do přestávky, se Zdeněk Bochníček se žáky loučí. Za přednášku byl žáky odměněn zaslouženým potleskem.

Děkujeme a doufáme, že příští rok se setkáme opět!

Průběh přednášky a předvedené experimenty zobrazují fotografie.

Poděkování:

Autor fotografií:

© Jaroslav Reichl, 9. 2. 2023