Piidioksidi (monikiteinen): Fyysiset ja optiset ominaisuudet
Linas JuozenasJaa
Fyysiset ja optiset ominaisuudet
Polykristallinen pii: hopeanharmaat jyvät, signaali ja infrapuna
Kohdennettu profiili alkuainepiistä polykristallisessa muodossa: kova, hauras puolijohde, jonka monet kiteiset jyvät luovat metallimaisen mosaiikin, näkyvän läpinäkymättömyyden, infrapunan läpäisyn ja tekniset pintatekstuurit aurinkokennojen ja piifotonikan taustalla.
- Si
- Alkuainepii
- Timanttikidekuutiomaiset jyvät
- Epäsuora kapeakaista
- Näkyvä valo läpinäkymätön, infrapuna läpäisevä
Polykristallinen pii on alkuainepiitä, joka on järjestäytynyt moniksi toisiinsa lukkiutuneiksi kiteiksi yhden jatkuvan kiteen sijaan. Jokaisella jyvällä on piin timanttikidekuutiorakenne, mutta vierekkäiset jyvät ovat eri suuntautuneita. Tämä sisäinen mosaiikki säätelee materiaalin heijastavuutta, murtumista, lämpöominaisuuksia, sähköistä vastetta ja jyvärajojen kimallusta, joka näkyy murtuneilla tai syövytyillä pinnoilla.
Materiaalin tunnistus
Polykristallinen pii ei ole kvartsia, lasia, piikarbidia tai metallista malmia. Se on alkuainepiitä, Si, joka koostuu monista kiteisistä jyvistä, jotka liittyvät toisiinsa jyvärajojen kohdalta.
Jokaisen jyvän sisällä piiatomit muodostavat timanttikiteisen kuutiomaisen verkoston. Koko kappaleen laajuudella kiteen suuntaus kuitenkin vaihtelee jyvästä toiseen. Murtunut pala voi siksi näyttää kirkkaita peilimäisiä pintoja tummempien satiinipintojen vieressä, kun taas sahattu tai syövytty pinta voi näyttää kulmikkaiden jyvien mosaiikilta.
Termiä käytetään useissa yhteyksissä. Teollinen polysilikonin raaka-aine voi esiintyä murtuneina tankkupalasina tai rakeisina hiukkasina. Monikiteisten ingottien palaset näyttävät suurempia kiteytymisjyväsiä. Wafer-leikkaukset voivat näyttää sahajälkiä, siniharmaita pinnoitteita, syövyttyjä valoa vangitsevia tekstuureja tai hienoa ruudukkomallia aurinkosähköprosessoinnista.
Tarkka ero: kvartsi on piidioksidia, SiO2. Polykristallinen pii on alkuainepiitä, Si. Ne ovat kemiallisesti ja optisesti erilaisia, vaikka kvartsi tai muu piirikasta raaka-ainetta saattaa olla osana piin teollista alkuperää.
Fyysiset ja optiset ominaisuudet yhdellä silmäyksellä
Useimmat käsinäytteet ja opetusfragmentit ovat stabiileja, kovia, hauraita, hopeanharmaita kappaleita. Niiden tekninen käyttäytyminen riippuu vahvasti puhtaudesta, dopauksesta, valmistusmenetelmästä, raekoolla, pinnan viimeistelystä sekä oksidi- tai pinnoitekalvoista.
| Ominaisuus | Tyypillinen arvo tai käyttäytyminen | Tulkintamuistiinpanot |
|---|---|---|
| Kemiallinen identiteetti | Alkeellinen pii, Si; metalloidi | Kovalenttinen verkkoaine, ei metalli eikä piidioksidi. |
| Rakenne kiteittäin | Kuutiollinen, timanttikuuromainen | Jokainen kide on kiteinen; massa on mosaiikki eri suuntiin orientoituneita kiteitä. |
| Ulkonäkö | Hopeanharmaa tai tykinmetallinen, metallimainen ulkonäkö | Vastamurtuneet pinnat voivat olla kirkkaita ja heijastavia; syövytyt tai rakeiset pinnat näyttävät enemmän satiinisilta. |
| Kiilto | Metallinen tai lähes metallinen; lasimainen joillakin murtumapinnoilla | Kiilto heijastaa korkeaa taitekerrointa ja voimakasta näkyvää absorptiota, ei todellista metallista sidosta. |
| Kovuus | Noin Mohsin 6,5–7 | Vertailukelpoinen kvartsin kanssa; ohuet sirpaleet ja murtuneet reunat voivat olla teräviä. |
| Halkeama | Hyvä {111}-tasolla yksittäisissä kiteissä | Massamurtumat ovat monimutkaisia kiteiden rajapintojen, sisäisen jännityksen ja käsittelyhistorian vuoksi. |
| Murtuma | Konkoodinen tai lähes konkoodinen; hauras | Murtuneet palat voivat näyttää kuorimaisilta kaarilta, porrastetuilta tasoilta ja kulmikkailta sirpaleilta. |
| Tiheys | Noin 2,33 g/cm³ | Huomattavasti kevyempi kuin galena, hematiitti ja monet metalliset malmit metallimaisen pinnan huolimatta. |
| Sulamispiste | Noin 1414 °C | Merkityksellinen valussa, waferin kasvussa ja uudelleen sulatussyötteessä. |
| Sähköinen käyttäytyminen | Puolijohde | Sähkönvastus vaihtelee puhtauden, dopanttien, virheiden ja kiteiden rajapintojen mukaan. |
| Kiteisväli | Noin 1,12 eV huoneenlämpötilassa; epäsuora | Absorptioreuna sijaitsee noin 1100 nm kohdalla, eli juuri näkyvän punaisen alueen ulkopuolella lähi-infrapunassa. |
| Näkyvä läpinäkyvyys | Läpinäkymätön massassa | Näkyvät fotonit imeytyvät tai heijastuvat useimmiten tavallisten kappaleiden läpi kulkemisen sijaan. |
| Infrapunaista käyttäytyminen | Läpäisevä valikoiduilla lähi- ja keski-infrapuna-alueilla, kun kiillotettu ja riittävän puhdas | Absorptio kasvaa dopingin, virheiden, pinnan karheuden ja vapaiden kantajien myötä. |
| Taitekerroin | Noin 3,4–3,5 lähellä 1,3–1,6 µm | Korkea taitekerroin tekee piistä arvokkaan infrapunaoptikassa, mutta aiheuttaa myös merkittäviä heijastustappioita ilman pinnoitteita tai tekstuuria. |
| Kaksinkertaislajisuus | Ei lainkaan jännityksettömille kuutioiduille kiteille | Jännitys, virheet ja rajapinnat voivat aiheuttaa heikkoa valovuotoa ristikkäisten polarisaattorien alla. |
| Fluoresenssi | Yleensä ei lainkaan massassa huoneenlämpötilassa | Fluoresenssi ei ole hyödyllinen tunnistusominaisuus tavalliselle polykristalliselle piille. |
Optinen käyttäytyminen
Piin optinen luonne muuttuu jyrkästi aallonpituuden mukaan: se näyttää näkyvässä valossa läpinäkymättömältä ja peilimäisen harmaalta, mutta kiillotettu pii voi läpäistä infrapunaista valoa näkyvän alueen ulkopuolella.
Näkyvä valo
Massiivinen pii absorboi voimakkaasti näkyvää valoa ja heijastaa kirkkaista murtumapinnoista, luoden metallisen hopeanharmaan ulkonäön.
Lähi-infrapunan reuna
Aallonpituuksilla, jotka ovat pidempiä kuin kapeakaistan reuna, pii voi muuttua läpäiseväksi, jos materiaali on kiillotettu, riittävän puhdas eikä liian voimakkaasti dopeerattu.
Korkea taitekerroin
Piin korkea infrapuna-taitekerroin tekee siitä hyödyllisen linsseissä, ikkunoissa, aaltoputkissa ja fotonisissa rakenteissa, mutta se myös lisää pinnan heijastusta.
Kiteiden rajapintojen sironta
Polykristallinen materiaali voi sirontaa enemmän kuin yksikiteinen materiaali, koska kiteiden rajapinnat, mikromurtumat ja karheus keskeyttävät puhtaan valonsiirron.
Ristiin asetettujen polarisaattorien alla täydellisen kuutiokiteen pitäisi pysyä tummana, koska pii on optisesti isotrooppinen. Todellisissa polykristallisissa kappaleissa jännityskentät, inkluusiot, oksidikalvot ja karheat rajapinnat voivat kuitenkin aiheuttaa heikkoa vuotoa, reunan korostusta tai laikukasta kontrastia. Nämä ilmiöt eivät ole kaksisuuntaista taittumista tavanomaisessa mineralogisessa merkityksessä; ne ovat merkkejä epätäydellisyydestä, jännityksestä ja rajapintarakenteesta.
Väri, pintakalvot ja vakaus
Tuore polykristallinen pii on yleensä hopeanharmaa, teräksenharmaa tai asemetallin värinen. Hienot hiukkaset ja karheat kappaleet voivat näyttää tummemmilta, koska niiden pinnat sirontavat ja absorboivat enemmän valoa. Kiillotetut tai vastaleikatut pinnat voivat välähdellä kuin tumma peili, kun taas rakeiset tai etsatut kappaleet näyttävät pehmeämmältä, huurretulta pinnalta.
Ohut luonnollinen piidioksidikerros muodostuu helposti paljaalle piille. Erittäin ohuet oksidikalvot eivät yleensä ole ilmeisiä, mutta lämmössä kasvatetut tai prosessiin liittyvät kalvot voivat tuottaa hienovaraisia oljen, sinisen, violetin tai savuisen interferenssivärin. Waferin kappaleissa pinnoitteet ja teksturointi voivat hallita näkyvää väriä enemmän kuin pii itse.
- Dopeeraus: Voimakas dopeeraus voi tummentaa materiaalia, lisätä absorptiota ja muuttaa sähköistä käyttäytymistä.
- Virheet: Dislokaatiot, jännitykset, inkluusiot ja kiteiden rajapinnat voivat heikentää optista selkeyttä ja lisätä laikukasta heijastavuutta.
- Oksidikalvot: Ohuet SiO2-kerrokset voivat luoda hillittyjä interferenssivärejä, erityisesti käsitellyillä tai kuumennetuilla pinnoilla.
- Pinnan karheus: Etsatut ja rakeiset pinnat näyttävät enemmän satiinisilta; sileät murtumapinnat ja kiillotetut alueet näyttävät heijastavammilta.
Kiteet, muoto ja yleiset tekstuurit
Polykristallinen pii on parasta lukea kasvun ja murtumisen kertomuksena: nukleaatio, kiteiden kilpailu, jäähtyminen, leikkaus, etsaus ja murtuma jättävät kaikki näkyviä jälkiä.
Murtuneet palat
Murtuneet polysi-palat näyttävät usein teräviä tasoja, kuorimaisia konkoidimaisia kaaria ja porrastettuja pintoja, jotka ylittävät kiteiden rajat.
Rakeinen materiaali
Rakeinen polysi näkyy pieninä pyöreinä tai kulmikkaina hiukkasina, joilla on hopeanharmaa kimallus, ei laajoja peilipintoja.
Monikiteiset waferit
Sahatut wafer-palat voivat näyttää kiteiden mosaiikit, siniharmaat pinnoitteet, pintarakenteen ja suorat prosessiin liittyvät reunat.
Pylväsmäiset kalvot
Ohutkalvopolysi voi kasvaa pylväsmäisinä kiteinä. Poikkileikkaukset voivat paljastaa pystysuuntaisen kiteisen rakenteen ja prosessointiviivat.
Etsatut pyramidit ja kuopat
Valikoiva kemiallinen etsaus voi paljastaa kiteellisiä tasoja, luoden pieniä pyramideja, kolmionmuotoisia kuoppia tai porrastettua reliefiä.
Oksidi- ja pinnoitekalvot
Luonnolliset oksidit, prosessioksidit, passivointikerrokset ja heijastuksenestopinnoitteet voivat muuttaa pinnan väriä ja heijastavuutta.
Tunnistus ja samannäköiset
Monikiteisen piin yhdistelmä kovuutta, metallisen pinnan alhaista tiheyttä, haurasta kuorimaista murtumaa, ei-magneettista käyttäytymistä ja harmaata metalloidikiiltoa auttaa erottamaan sen yleisistä samannäköisistä.
| Materiaali | Miksi se voi sekoittua | Hyödyllisiä erotteluita |
|---|---|---|
| Kvartsi | Kvartsi on kovaa, voi olla harmaata tai lasimaista ja kuuluu piidioksidin raaka-aineisiin. | Kvartsi on SiO2, yleisesti läpinäkyvä tai läpikuultava, eikä sillä ole piin hopeanharmaata puolijohdekiiltoa. |
| Piikarbid | SiC voi olla tumma, heijastava ja teollisen näköinen. | Piikarbid on paljon kovempaa, usein enemmän irisoivaa ja tiheydeltään noin 3,2 g/cm³. |
| Hematiitti | Hematiitti voi näyttää metallisen harmaalta kiillolta. | Hematiitti on paljon tiheämpää ja antaa punertavan juovan; pii on kevyempää ja yleensä harmaajuovaista vain vaikeasti. |
| Galena | Galena näyttää kirkkaat metalliset pinnat. | Galena on hyvin tiheää ja siinä on kuutiomainen lohkeavuus, toisin kuin piillä, joka on kevyempää ja lohkeaa kuorimaisesti. |
| Teollisuussulat | Jotkut sulat ovat harmaita, lasimaisia, metallisen näköisiä tai murtuneita. | Rauta- ja sulateliuokset sisältävät usein kuplia, virtaukselle tyypillisiä kuvioita, sekoitettuja värejä ja epäsäännöllisen koostumuksen, eivätkä kiteisiä piihiukkasten mosaiikkeja. |
| Grafiitti tai hiilipitoista materiaalia | Tummanharmaat kappaleet voivat näyttää metallisilta tai satiinisilta. | Grafiitti on paljon pehmeämpää ja jättää helposti jälkiä paperiin; pii on kova, hauras ja terävämpi murtuessaan. |
Tuhoavat testit ovat harvoin tarpeen valmiiksi valmistetuissa opetus- tai näyttelyesineissä. Paino, kiilto, murtuma, kovuus ja tunnettu alkuperä yleensä tarjoavat riittävästi tietoa käytännön tunnistukseen.
Miksi nämä ominaisuudet ovat tärkeitä
Polykristallisen piin fysikaaliset ja optiset ominaisuudet eivät ole vain tunnistuspiirteitä; ne selittävät, miksi pii on keskeinen aurinkosähkössä, mikroelektroniikassa, infrapunaoptiikassa ja fotonisissa laitteissa.
Aurinkosähkö
Piin kapeakaista sallii sen imeä suuren osan auringon spektristä ja muuntaa valon sähkövirraksi. Monikiteisten kennojen kiteiden rajat voivat vaikuttaa kantajien elinikään ja tehokkuuteen.
Pintarakenteiden muokkaus
Etsatut pyramidit ja niihin liittyvät mikrorakenteet vähentävät heijastusta ja lisäävät valon vangitsemista, erityisesti aurinkokennojen wafer-pinnoilla.
Infrapunaoptiikka
Kiillotettu pii voi läpäistä valittuja infrapunasäteitä ja sillä on korkea taitekerroin, mikä tekee siitä hyödyllisen erikoistuneissa linsseissä, ikkunoissa ja anturikomponenteissa.
Ohutkalvoelektroniikka
Poly-Si-kalvoja käytetään, kun tarvitaan hallittu kiteinen puolijohdekerros ilman täyttä yksikiteistä wafer-rakennetta.
Havainnointi ja valokuvaus
Polykristallinen pii näkyy parhaiten suunnatulla valolla. Laaja hajavalo paljastaa kokonaismuodon, kun taas matala viistovalo paljastaa askelmat, kiteiden rajat, porrastetut etsauskuviot ja peilipintojen sekä satiinipintojen erot.
- Käytä viistovaloa: matala sivuvalo näyttää kuperat askelmat, sahamerkit, mikropyramidit ja kiteiden rajapintojen kohoumat.
- Käännä hitaasti: vierekkäiset kiteet kirkastuvat ja tummuvat itsenäisesti kulman muuttuessa, paljastaen polykristallisen mosaiikin.
- Käytä neutraaleja taustoja: mattaharmaa, syvän sininen tai musta tausta erottaa hopeanharmaan piin heijastuksista.
- Näytä reunat turvallisesti: reunakuvat paljastavat paksuuden ja murtumatavan, mutta ohuet waferin palat ja sirpaleet tulisi tukea.
- Vältä liiallista kontrastia: liian kova valo voi muuttaa informatiiviset pintadetaljit puhki palaneiksi valkoisiksi korostuksiksi.
Käsittely ja hoito
Valmiit piin palaset ovat vakaita tavallisissa sisäolosuhteissa. Pääasialliset riskit ovat mekaanisia, eivät kemiallisia: terävät reunat, hauras murtuma, hienot lastut ja leikkaus- tai hiontapöly.
Terävät reunat
Murtunut pii voi käyttäytyä kuin piikivi tai lasi. Säilytä sirpaleet siten, etteivät ne voi leikata pakkausta, ihoa tai viereisiä näytteitä.
Ei hallitsematonta hiontaa
Älä jauha, sahaa, poraa tai hio piin palasia ilman asianmukaisia teknisiä valvontoja. Valmiit kappaleet ovat paljon turvallisempia kuin koneistuksessa syntyvä pöly tai lastut.
Hellävarainen puhdistus
Käytä puhdasta mikrokuituliinaa sormenjälkien poistoon ja pehmeää harjaa tai ilmapuhallinta pölyn poistoon. Vältä voimakkaita kotitalouskemikaaleja, erityisesti pinnoitetuilla wafer-kappaleilla.
Waferin palaset
Ohuet waferit voivat katketa helposti ja niissä voi olla hauraita pinnoitteita tai teksturoituja pintoja. Säilytä ne tasaisina, erillään ja pois hankaavalta hiekalta.
Usein kysytyt kysymykset
Onko polykristallinen pii mineraali?
Ei. Kaupallinen polykristallinen pii on valmistettu alkuainepiistä. Sen raaka-aine voi alkaa luonnollisesta piidioksidista tai kvartsiista, mutta valmis materiaali on teollisesti pelkistetty, puhdistettu, kerrostettu, valettu tai käsitelty.
Miksi se näyttää metalliselta, vaikka pii ei ole metalli?
Piillä on korkea taitekerroin ja se imee voimakkaasti näkyvää valoa, joten sileät pinnat heijastavat hopeanharmaalla, metallimaisella kiillolla. Kemiallisesti ja elektronisesti se on kuitenkin metalloidinen puolijohde.
Miksi pinta näyttää jyväiseltä tai mosaiikkimaiselta?
Jokainen kiteinen jyvä heijastaa valoa eri suunnasta. Kun kappaletta kallistetaan, vierekkäiset jyvät kirkastuvat ja tummuvat itsenäisesti, luoden mosaiikki- tai huurretun vaikutelman.
Voiko valo kulkea piin läpi?
Näkyvä valo ei kulje tavallisen massiivisen piin läpi, mutta kiillotettu pii voi läpäistä valittuja infrapunasäteitä bandgapin reunan yli. Doping, paksuus, virheet ja pinnan viimeistely vaikuttavat voimakkaasti läpäisyyn.
Mikä on ero piin, piidioksidin ja silikonin välillä?
Pii on alkuaine Si. Piidioksidi on piioksidi, SiO2, jota esiintyy kvartsissa, hiekassa ja monissa laseissa. Silikoni on piitä sisältävien polymeerien perhe, jota käytetään tiivisteissä, joustavissa materiaaleissa, keittiövälineissä ja lääkinnällisissä laitteissa.
Onko polykristallinen pii turvallista käsitellä?
Valmiita kappaleita voi käsitellä tavallisella varovaisuudella, mutta rikkoutuneet reunat voivat olla teräviä. Vältä pölyn tai sirujen syntymistä ja pidä ohuet sirpaleet tai waferin palaset suojattuina.