Piidi: Fyysiset ja optiset ominaisuudet
Linas JuozenasJaa
Fyysiset ja optiset ominaisuudet
Pii: siniharmaa metalloidi, infrapunaikkuna ja puolijohdekide
Kohdennettu profiili alkuainepiistä: sen timanttikubinen kiderakenne, hauras konkoidinen halkeama, korkea infrapunan taitekerroin, näkyvä läpinäkymättömyys, pinnan oksidikalvot, wafer-muodot ja käytännön tunnistusominaisuudet.
- Si
- Atomiluku 14
- Ryhmän 14 metalloidi
- Timanttikubinen kiderakenne
- Epäsuora kapeakaista noin 1,12 eV
Alkuainepii on harmaa metalloidi, joka on waferien, integroitujen piirien, aurinkokennojen, infrapunaoptiikan ja monien opetusesineiden taustalla. Luonnossa näkyvä alkuperäinen pii on poikkeuksellisen harvinaista; useimmat näyttökappaleet, waferit, palat ja kiillotetut viipaleet ovat jalostettua teollisuusmateriaalia. Sen ulkonäköä ohjaavat kiteen muoto, pinnan viimeistely, oksidikalvot, halkeamat, rakeiden rakenne ja näkyvän valon läpinäkymättömyyden ja infrapunan läpinäkyvyyden kontrasti.
Materiaalin tunnistus
Pii on alkuaine Si, atomiluku 14: hauras, siniharmaa metalloidi hiiliryhmässä, kemiallisesti erilainen kuin piioksidi, silikaatit, silikoni ja piikarbidit.
Kiteinen pii omaksuu timanttikubisen rakenteen, mikä tarkoittaa, että jokainen piiatomi on tetraedrisesti sidottu neljään naapuripiin kovalenttisessa verkostossa. Tämä on sama laaja rakenteellinen tyyli kuin timantilla, mutta piin suuremmat atomit ja kapeampi kapeakaista antavat sille hyvin erilaiset fyysiset ja optiset ominaisuudet.
Kokoelmissa ja teknisissä näyttelyissä pii esiintyy yleisesti rikkinäisinä polykristallisinä kappaleina, valukappaleina, dendriittisinä tai rakeisina raaka-aineina, waferin palasina, ingottiviipaleina tai peilipinnoitettuina yksikiteisinä wafer-levyinä. Luonnollista alkuperäistä piitä koskeva merkintä tulee käsitellä varoen, ellei sitä tue luotettava analyysi- ja paikallistiedotus.
Terminologia on tärkeää: pii on alkuaine Si; piioksidi on SiO2, mukaan lukien kvartsi ja kalcedoni; silikaatit ovat piin ja hapen tetraedrisista rakenteista koostuvia mineraaleja; silikoni on synteettinen polymeeriperhe. Piikarbidit, SiC, ovat erillinen yhdiste.
Fyysiset ja optiset ominaisuudet yhdellä silmäyksellä
Arvot vaihtelevat puhtauden, lämpötilan, kiteisen muodon, dopauksen, raerakenteen, pinnan valmistelun ja mittausaallonpituuden mukaan. Seuraava taulukko tiivistää käytännön viitearvot alkeelliselle piille näytteissä, levyissä ja teknisessä materiaalissa.
| Ominaisuus | Tyypillinen käyttäytyminen tai arvo | Tulkintamuistiinpanot |
|---|---|---|
| Kemiallinen identiteetti | Pi, Si | Alkeellinen metalloidi, atomiluku 14, ryhmässä 14 jaksollisessa järjestelmässä. |
| Atomipaino | Noin 28,085 | Luonnollinen pii on hallitsevasti 28Si, kanssa 29Si ja 30Si myös läsnä. |
| Kiderakenne | Timanttikubi; kuutiollinen/isometrinen symmetria | Yksikiteiset levyt leikataan suunnatuista bouleista; monikiteinen materiaali sisältää monia eri suuntiin olevia rakeita. |
| Yleinen ulkonäkö | Siniharmaasta hopeanharmaaseen, metallinen tai puolimetallinen | Kiillotetut levyt ovat peilimäisen kirkkaita; murtuneet palat näyttävät sirpaleisilta tai porrastetuilta heijastavilta pinnoilta. |
| Kiilto | Metallinen tai puolimetallinen; kiiltävä kiillotettuna | Pinta näyttää metalliselta, mutta materiaali on puolijohde eikä aito metalli. |
| Läpinäkyvyys | Läpinäkymätön näkyvässä valossa; läpinäkyvä osassa infrapunasäteilyä | Korkeapuhdas pii läpäisee infrapunasäteilyä kapeakaistan yläpuolella, mikä tekee siitä hyödyllisen IR-optiikassa. |
| Kovuus | Noin Mohsin kovuus 6,5–7 | Vertailukelpoinen kvartsin naarmunkestoon, mutta hauras eikä sitkeä. |
| Halkeaminen ja murtuma | Halkeaa helposti {111}-tasolla yksikiteisessä materiaalissa; sirpaleinen tai lähes sirpaleinen murtuma paloissa | Murtuneet reunat voivat olla teräviä. Levyn tasot, lovet ja viillot heijastavat kontrolloitua kiteen suuntaa. |
| Suhteellinen tiheys | Noin 2,33 | Kevyempi kuin useimmat metalliset mineraalit ja monet sulfideistä; lähellä joitakin laseja ja silikaattimineraaleja. |
| Sulamispiste | Noin 1414 °C | Teollinen käsittely vaatii erikoistuneita korkealämpötilalaitteita ja kontrolloituja olosuhteita. |
| Optinen luonne | Isotrooppinen yksikiteisessä muodossa | Kuutiollinen symmetria tarkoittaa, ettei yksikiteisessä piissä ole kaksoismurtumista. |
| Taitekerroin | Korkea infrapunasäteilyn alueella, yleisesti noin 3,4–3,5 lähellä lähi- ja keski-infrapuna-aluetta | Korkea taitekerroin aiheuttaa voimakkaan pinnan heijastuksen, ellei käytetä heijastuksenestopinnoitteita tai -rakenteita. |
| Kapeakaista | Epäsuora kapeakaista noin 1,12 eV huoneenlämpötilassa | Tämä säätelee näkyvää läpinäkymättömyyttä, infrapunasäteilyn läpäisyrajaa, valosähköistä käyttäytymistä ja puolijohdesovelluksia. |
| Sähköinen käyttäytyminen | Puolijohde | Johtavuus riippuu voimakkaasti epäpuhtauksista, dopauksesta, lämpötilasta ja kiteen laadusta. |
| Lämpökäyttäytyminen | Korkea lämmönjohtavuus verrattuna moniin laseihin ja kiviin | Raerajat, virheet ja dopaus voivat heikentää lämmönjohtavuutta verrattuna ihanteelliseen yksikiteiseen piihin. |
Optinen käyttäytyminen
Piin optinen luonne vaihtelee aallonpituuden mukaan: se näyttää läpinäkymättömältä ja metalliselta näkyvässä valossa, mutta korkean puhtauden materiaali voi muuttua läpinäkyväksi infrapunassa.
Näkyvä läpinäkymättömyys
Pii imee näkyvää valoa, koska näkyvillä fotoneilla on riittävästi energiaa vuorovaikuttaa sen elektronisen energiavälin rakenteen kanssa. Tästä syystä edes ohuet näkyvät näytteet eivät muistuta läpinäkyvää kvartsia.
Infrapunan läpäisy
Absorptioreunan yläpuolella korkean puhtauden pii voi läpäistä lähi- ja keski-infrapunaista valoa. Tämä tekee siitä hyödyllisen linsseille, ikkunoille ja optisille komponenteille infrapunajärjestelmissä.
Korkea taitekerroin
Pii taittaa infrapunaista valoa voimakkaasti. Ilman pintakäsittelyjä korkea taitekerroin aiheuttaa myös huomattavaa heijastusta kiillotetuilta pinnoilta.
Isotrooppinen kiteen optiikka
Yksikiteinen pii on kuutioinen ja optisesti isotrooppinen, joten se ei näytä kaksinkertaista taittumista kuten kalkkikivi, kvartsi tai heksagonaalinen moissaniitti.
Energiaväli selittää myös piin keskeisen roolin aurinkokennoissa ja elektroniikassa. Riittävän energiset fotonit voivat luoda varauksenkuljettajia, kun taas huolellisesti lisätyt dopantit säätelevät varauksen liikettä kiteessä. Optinen, sähköinen ja rakenteellinen käyttäytyminen ovat siis tiiviisti yhteydessä.
Miksi kiillotettu pii heijastaa niin voimakkaasti
Kiillotettu piikiekko käyttäytyy näkyvässä valossa kuin tumma peili, koska pinta on sileä ja taitekerroin korkea. Peilimäinen ulkonäkö ei tarkoita, että pii olisi metalli; se heijastaa voimakkaasti pysyen kuitenkin puolijohteena.
Väri, pintakalvot ja vakaus
Tuore pii on siniharmaa tai hopeanharmaa, mutta pinnan kunto vaikuttaa voimakkaasti sen ulkonäköön. Kiillotetut kiekot voivat näyttää tummilta, kiiltäviksi ja peilimäisiltä. Murtuneet monikiteiset palat voivat kimaltaa monilla faseteilla. Etsatut tai teksturoidut pinnat hajottavat valoa ja näyttävät satiinisilta, huurretuilta, sinimustilta tai harmaalta valaistuksesta ja käsittelystä riippuen.
Piille muodostuu luonnostaan ohut piidioksidikerros pinnalle altistuessaan ilmalle. Tämä alkuperäinen oksidi on yleensä hyvin ohut, mutta tietyissä olosuhteissa oksidin paksuus ja pinnoitteet voivat luoda hienovaraisia interferenssisävyjä. Aurinkokennoissa ja teknisissä kiekkoissa tarkoitukselliset heijastuksenestopinnoitteet voivat tuottaa voimakkaampia sinisiä, purppuran, pronssin tai tummia sävyjä; nämä värit kuuluvat pinnoitteelle tai pintarakenteelle eivätkä itse massapiille.
- Peilipinnat: laajat, sileät, kiillotetut tai vastamurtuneet pinnat heijastavat voimakkaasti ja voivat näyttää metallisilta.
- Huurretut pinnat: sahajäljet, etsaus, rakeinen rakenne tai mikropyramidit hajottavat valoa ja pehmentävät kiiltoa.
- Oksidikalvot: alkuperäiset tai kasvatetut oksidikerrokset voivat hienovaraisesti muuttaa sävyä ja suojata pintaa tavallisissa sisäolosuhteissa.
- Pinnoitteet: aurinkosähkö- ja optiset pinnat voivat kantaa tarkoituksellisia pinnoitteita, jotka tulisi kuvata erikseen piin rungosta.
Kiteen tapa, muodot ja rakenteet
Näkyvät piinäytteet ovat yleensä teollisia tai laboratoriomuotoja eivätkä luonnollisia kiteitä. Niiden ”tapa” muotoutuu yhtä paljon prosessoinnin kuin kideopinkin mukaan.
Suunnattu kiteinen viipale
Leikattu hallitusta kiteisestä bouleesta, sitten hiottu ja kiillotettu. Levyissä voi näkyä litteitä kohtia tai lovia, jotka merkitsevät suuntaa ja käsittelytapoja.
Jyvämosaikki
Koostuu monista toisiinsa lukkiutuneista piikiteistä. Rikkinäiset pinnat voivat näyttää kimaltelevaa jyväkuviota ja epäsäännöllisiä heijastavia tasoja.
Jähmettymistutkinto
Muodostuu, kun sulanut pii jähmettyy moniksi jyviksi. Jyvärajat, kasvusuunta ja jäähdytyshistoria vaikuttavat sekä ulkonäköön että suorituskykyyn.
Puhdistettu raaka-aine
Voi esiintyä helminä, tankoina tai rikkinäisinä korkean puhtauden sirpaleina. Nämä muodot ovat väliaikaisia materiaaleja aurinko- tai puolijohdeteollisuudessa.
Ei-kiteinen kalvo
Käytetään ohutkalvosovelluksissa. Siltä puuttuu pitkäkantainen timanttikubinen järjestys, eikä sitä pidä sekoittaa rikkinäisiin kiteisiin piisirpaleisiin.
Tunnistus ja näköisosiin verrattavat
Alkeellinen pii tunnistetaan parhaiten yhdistämällä ulkonäkö, tiheys, murtuma, kovuus, konteksti ja tarvittaessa analyyttinen testaus. Pelkkä visuaalinen ulkonäkö ei riitä tärkeisiin väitteisiin, erityisesti luonnollisen alkuperäisen piin tai korkean puhtauden teknisten laatujen kohdalla.
| Materiaali | Miksi sekoitus tapahtuu | Hyödyllisiä erottelukeinoja |
|---|---|---|
| Hematitti | Molemmat voivat näyttää harmaalta, metalliselta ja heijastavalta. | Hematitti on tiheämpää, sillä on punaruskea juova ja se on yleensä vähemmän lasimainen murtumassa. |
| Galena | Kirkkaat metalliset pinnat voivat muistuttaa kiillotettuja piisirpaleita. | Galena on erittäin tiheää, pehmeää, lyijynharmaata ja siinä on kuutiomainen halkeama; pii on kevyempää ja haurasta, jossa on simpukkamainen murtuma. |
| Grafiitti | Tummanharmaat teknisen näköiset sirpaleet voidaan helposti erehtyä. | Grafiitti on paljon pehmeämpää, jättää jälkiä paperiin ja tuntuu rasvaiselta; pii on kovempaa ja terävästi hauras. |
| Piikarbidi | Molemmat ovat piitä sisältäviä, kovia, harmaita teknisiä materiaaleja. | Piikarbidi on paljon kovempaa, tiheämpää, kemiallisesti SiC, ja esiintyy usein mustana, vihertävänä tai helmiäisenä uunissa kasvatetussa materiaalissa. |
| Lasi tai kuona | Konkoidimainen halkeama ja kiiltävät pinnat voivat näyttää samankaltaisilta. | Lasi on yleensä pehmeämpää, usein siinä näkyy kuplia tai virtauskuvioita, eikä sillä ole piin puolijohdeympäristöä eikä tyypillistä siniharmaata metalloidikiiltoa. |
| Alumiini tai kevytmetalli | Jotkut vaaleanharmaat metallinpalat muistuttavat valokuvissa piitä. | Alumiini on taipuisaa ja metallista; pii on hauras, lohkeaa terävästi eikä taivu kuin taipuisa metalli. |
Dokumentoituun tunnistukseen Raman-spektroskopia on erityisen hyödyllinen kiteiselle piille, jolla on tyypillinen huippu noin 520 cm-1Röntgendiffraktio, SEM-EDS tai toimittajan dokumentaatio voivat myös tukea teknisiä tai alkuperävaatimuksia.
Havainnointi ja kuvantaminen
Pii muuttuu merkittävästi eri valaistuksissa. Hajavalo näyttää kokonaismuodon ja kiillotuksen. Matala viistovalo paljastaa raerajat, sahamerkit, mikroportaat, lohjenneet reunat ja pintarakenteen. Tummat taustat korostavat hopeanharmaata heijastavuutta, kun taas neutraalin harmaat taustat auttavat pitämään valotuksen tasapainossa peilimäisillä viipaleilla.
- Viipaleita varten: käytä pehmeää, laajaa valoa välttääksesi ylivalottuneita kohtia, lisää sitten yksi kulmavalo näyttämään kiillotuksen, tasojen, lovien ja pinnoitteiden yksityiskohdat.
- Rikkoutuneita paloja varten: kierrä hitaasti viistovalossa näyttämään konkoidipintaiset, kuorimaiset halkeamat ja rakeiset mosaiikit.
- Teksturoitua aurinkomateriaalia varten: valokuvaa sekä hajavalo- että kulmavalot, koska mikropyramiditekstuurit voivat kadota tasaisessa valaistuksessa.
- Dokumentointia varten: sisällytä mittakaava, paksuus, viipaleen halkaisija, suuntausmerkit, näkyvät pinnoitteet ja mahdolliset tunnetut laatutiedot.
Huolto, näyttö ja käsittely
Pii on kemiallisesti stabiili tavallisissa sisätilojen näyttöolosuhteissa, mutta sen hauraus ja terävät halkeamat vaativat käytännön huolellisuutta. Käsittele viipaleita, sirpaleita ja rikkoutuneita paloja teknisenä materiaalina, jolla on kovia, leikkaavia reunoja.
Terävät reunat
Käsittele rikkoutuneita kappaleita varoen ja vältä löysää säilytystä muiden kivien kanssa. Haljennut pii voi viiltää ihoa ja naarmuttaa pehmeämpiä materiaaleja.
Viipaleet
Säilytä tasaisena ja tuettuna. Ohuet viipaleet voivat lohjeta, haljeta tai katketa taivutettaessa, vaikka materiaali itsessään on suhteellisen kovaa.
Puhdistus
Käytä pehmeää liinaa, puhallinta tai kuivaa harjaa näyttökappaleille. Vältä voimakkaita kotitalouskemikaaleja, hankaavia pyyhkeitä ja kokeellisia korroosiovalmisteita.
Kemiallinen varovaisuus
Teollinen piin käsittely voi sisältää vahvoja happoja, emäksiä ja erikoiskorroosiovalmisteita. Nämä prosessit eivät sovellu kotikäyttöön tai koristeelliseen puhdistukseen.
Pölyn hallinta
Älä sahaa, poraa, hio tai hio piitä ilman asianmukaisia teknisiä valvontatoimia. Valmiit kappaleet soveltuvat näytteille; hallitsematon pöly ja terävät sirpaleet ovat huolenaihe.
Tarrat ja konteksti
Kirjaa ylös, onko kappale monikiteinen, yksikiteinen, kiekko, aurinkokennon leikkuujäte, pinnoitettu, dopattu tai tuntemattoman teollisen alkuperän, kun tieto on saatavilla.
Usein kysytyt kysymykset
Onko pii metalli?
Ei. Pii on metalloidi. Sillä on metallimainen kiilto ja se johtaa sähköä hallituissa olosuhteissa, mutta se on hauras ja käyttäytyy puolijohteena eikä taipuisa metalli.
Onko pii läpinäkyvää?
Ei näkyvässä valossa. Pii näyttää silmälle läpinäkymättömältä ja heijastavalta. Korkeapuhdas pii voi läpäistä infrapunasäteilyä kaistareunan yläpuolella, minkä vuoksi sitä käytetään infrapunaoptikassa.
Miksi pii näyttää siniharmaalta tai hopeanharmaalta?
Väri johtuu voimakkaasta näkyvän valon absorptiosta, korkeasta pinnan heijastuksesta ja pinnan kunnosta. Kiillotus, murtumatekstuuri, oksidikerroksen paksuus ja pinnoitteet voivat kaikki muuttaa havaittua sävyä.
Ovatko kiiltävät piikappaleet luonnollisia?
Yleensä ei. Suuret kiiltävät kappaleet ovat yleensä jalostettua teollisuuspiitä. Luonnollinen alkuperäinen pii on todellista mutta erittäin harvinaista ja tyypillisesti mikroskooppista tai suljettua epätavallisissa geologisissa materiaaleissa.
Mikä on ero piin ja piidioksidin välillä?
Pii on alkuaine Si. Piidioksidi on piioksidi, SiO2mukaan lukien kvartsia, kalcedonia, kittiä ja monia hiekkoja. Ne ovat kemiallisesti sukua, mutta materiaaliltaan hyvin erilaisia.
Miksi piikiekot ovat pyöreitä?
Kiekot leikataan sylinterimäisistä yksikiteisistä bouleista, jotka on kasvatettu sulasta piistä. Pyöreä muoto heijastaa kiteen ingotin muotoa, kun taas litteät kohdat tai lovet voivat merkitä orientaatiota ja käsittelykäytäntöjä.
Voiko piitä käsitellä turvallisesti?
Kyllä, valmiina näytteenä tai kiekona, varoen. Pääasialliset käsittelyriskit ovat terävät reunat, hauras murtuma, ohuiden kiekkojen rikkoutuminen ja pöly, jos materiaalia leikataan, porataan tai hiotaan ilman asianmukaisia valvontatoimia.