Pozoruhodný křemík 2024

Po roce opět dorazil do SPŠST Panská doc. Zdeněk Bochníček z Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně se svou přednáškou Pozoruhodný křemík. Tentokráte jsme se domluvili na pondělí 22. 1. 2024. Přednáška byla určena žákům třetího ročníku jako vhodný doplněk výuky fyziky a odborných předmětů, proto se v učebně 3 sešli v 9:00 žáci tříd 21L a 21M, které po hodině vystřídali žáci tříd 21A a 21D.

V úvodu své přednášky Zdeněk Bochníček přivítal žáky a věnoval několik vět 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,“ říká Zdeněk Bochníček na vysvětlenou, proč právě křemík je pozoruhodný. „Kdyby nepřišlo tak masivní využívání křemíku pro výrobu polovodičů, bylo by vaše dětství a dospívání zcela jiné! A přitom se tímto způsobem křemík využívá pouze několik desítek let.“

Poté uvedl tři příklady vývoje křemíkových technologií:

  • vývoj výkonu počítačů a kapacity jejich pevných disků za posledních přibližně 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 dárkovými předměty řady firem;
  • čipová karta mobilního telefonu obsahující tisíce tranzistorů, jejichž rozměry jsou asi tisícinou průměru lidského vlasu.

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

    Zmínka o destilaci žáky zaujala: „Vždyť to je ale výborná metoda, jak vybrat z kapaliny jen ty správné atomy a molekuly,“ usmívá se Zdeněk. „A přesně to se provádí i při výrobě křemíku.“

    S využitím názorných obrázků a reálných produktů různých mezifází výroby křemíku pak Zdeněk Bochníček vysvětlil rozdíl mezi polykrystalem a monokrystalem. Zdůraznil, že pro výrobu polovodičových součástek je nežádoucí, aby tuhnutí taveniny začalo na více místech současně. Tomu lze zabránit vhodnou metodou výroby.

    „Většina 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 také na stole. K jeho překvapení se objevil na hrotu pera 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:

  • vysoce čistý polykrystal křemíku;
  • monokrystal, který se spouští do taveniny polykrystalu v křemenné nádobě a následně se přesně danou rychlostí z taveniny dané teploty vytahuje;
  • krček a hlavu, která tvoří začátek budoucího ingotu, z něhož se posléze řežou křemíkové desky;
  • špici, která je nutnou součástí konce ingotu, aby ten zůstal po ukončení růstu monokrystalu neporušen k dalšímu zpracování.

    • „Všechno, co tu mám, jsou předměty, které se skutečně v průmyslu používají, používaly se nebo které průmyslovou výrobou vznikají,“ upozorňuje Zdeněk.

    „V křemenné nádobě, která vydrží dostatečně velkou 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, 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.“

    Z hotového ingotu tvořeného monokrystalickým křemíkem se pak řežou desky sloužící pro výrobu integrovaných obvodů.

    „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 graf detailně vysvětluje.

    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 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 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 výsledný 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.

    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 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 se Zdeněk Bochníček se žáky loučí. Za přednášku byl žáky odměněn zaslouženým potleskem.

    Děkujeme a doufáme, že příští rok opět na shledanou!

    Průběh přednášky a předvedené experimenty zobrazují fotografie.

    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

    • © Jaroslav Reichl, 22. 1. 2024