Silikon: Fiziksel ve Optik Özellikler
Linas JuozenasPaylaş
Fiziksel ve optik özellikler
Silikon: Mavi-Gri Metaloid, Kızılötesi Pencere ve Yarı İletken Kristal
Elementel silikonun odaklanmış profili: elmas-kübik kafes yapısı, kırılgan konkoidal kırık, yüksek kızılötesi kırılma indisi, görünür opaklık, yüzey oksit filmleri, wafer formları ve pratik tanımlama özellikleri.
- Si
- Atom numarası 14
- 14. grup metaloid
- Elmas-kübik kristal yapı
- Dolaylı bant aralığı yaklaşık 1,12 eV
Elementel silikon, waferlar, entegre devreler, güneş hücreleri, kızılötesi optikler ve birçok eğitim örneğinin arkasındaki gri metaloiddir. Doğada görülebilen saf silikon son derece nadirdir; çoğu sergileme parçası, wafer, parça ve parlatılmış dilim rafine edilmiş endüstriyel malzemedir. Görünümü kristal formu, yüzey bitişi, oksit filmleri, çatlaklar, tane yapısı ve görünür opaklık ile kızılötesi şeffaflık arasındaki kontrast tarafından kontrol edilir.
Malzeme Kimliği
Silikon, atom numarası 14 olan Si elementidir: karbon grubunda kırılgan, mavi-gri bir metaloiddir ve kimyasal olarak silika, silikatlar, silikon ve silisyum karbürden farklıdır.
Kristalin silikon, elmas-kübik yapıyı benimser; bu, her silikon atomunun kovalent bir ağda dört komşu silikon atomuna tetraedrik olarak bağlı olduğu anlamına gelir. Bu, elmasla aynı genel yapısal stildir, ancak silikonun daha büyük atomları ve daha dar bant aralığı çok farklı fiziksel ve optik davranışlar gösterir.
Koleksiyonlarda ve teknik sergilerde silikon genellikle kırık polikristalin parçalar, döküm kırıntıları, dendritik veya granüler hammadde, wafer kırpıntıları, ingot dilimleri veya ayna parlatmalı tek kristal waferlar olarak görünür. Doğal saf silikon etiketi, güvenilir analitik ve lokalite belgeleriyle desteklenmedikçe dikkatle ele alınmalıdır.
Terminoloji önemlidir: silikon elementel Si'dir; silika, kuvars ve kalsedon dahil olmak üzere SiO2'dir; silikatlar, silikon-oksijen tetraedrallerinden oluşan minerallerdir; silikon ise sentetik bir polimer ailesidir. Silisyum karbür, SiC, ayrı bir bileşiktir.
Fiziksel ve Optik Özellikler Genel Bakış
Değerler saflık, sıcaklık, kristal formu, katkı maddesi, tane yapısı, yüzey hazırlığı ve ölçüm dalga boyuna göre değişir. Aşağıdaki tablo, örneklerde, waferlarda ve teknik malzemede karşılaşılan elemental silikon için pratik referans değerlerini özetler.
| Özellik | Tipik davranış veya değer | Yorumlayıcı notlar |
|---|---|---|
| Kimyasal kimlik | Silikon, Si | Elemental metaloid, atom numarası 14, periyodik tablonun 14. grubunda. |
| Atom ağırlığı | Yaklaşık 28,085 | Doğal silikon ağırlıklı olarak 28Si, ile 29Si ve 30Si de mevcuttur. |
| Kristal yapısı | Elmas-kübik; kübik/izometrik simetri | Tek kristal waferlar yönlendirilmiş boule'lardan kesilir; polikristal malzeme birçok farklı yönlendirilmiş tane içerir. |
| Yaygın görünüm | Mavi-gri ila gümüş-gri, metalikten yarı metalik | Parlatılmış waferlar ayna parlaklığındadır; kırık parçalar konkoidaldan basamaklı yansıtıcı yüzeyler gösterir. |
| Parlaklık | Metalikten yarı metalik; parlatıldığında parlak | Yüzey metalik görünür, ancak malzeme gerçek bir metal değil yarı iletkendir. |
| Saydamlık | Görünür ışıkta opak; kızılötesinin bazı kısımlarında saydam | Yüksek saflıktaki silikon, bant kenarı bölgesinin üzerindeki kızılötesi ışığı geçirir, bu da onu IR optiği için kullanışlı kılar. |
| Sertlik | Yaklaşık Mohs 6,5–7 | Çizilme direnci kuvarza benzer, ancak sert değil kırılgandır. |
| Yarılanma ve kırılma | Tek kristal malzemede {111} düzleminde kolayca yarılır; parçalar halinde konkoidaldan alt-konkoidal kırılma gösterir | Kırık kenarlar keskin olabilir. Wafer düz yüzeyleri, çentikler ve çizilmiş kırıklar kontrollü kristal yönelimini yansıtır. |
| Özgül ağırlık | Yaklaşık 2,33 | Çoğu metalik mineral ve birçok sülfürden daha hafif; bazı camlar ve silikat minerallere yakındır. |
| Erime noktası | Yaklaşık 1414 °C | Endüstriyel işlem, özel yüksek sıcaklık ekipmanı ve kontrollü koşullar gerektirir. |
| Optik karakter | Tek kristal formda izotropik | Kübik simetri, mükemmel tek kristal silisyumda çift kırılma olmaması anlamına gelir. |
| Kırılma indisi | Kızılötesinde yüksek, genellikle yakın-orta IR'nin büyük bir kısmında yaklaşık 3,4–3,5 | Yüksek kırılma indisi, anti-yansıtıcı kaplamalar veya dokular kullanılmadıkça güçlü yüzey yansıması oluşturur. |
| Bant aralığı | Oda sıcaklığında yaklaşık 1,12 eV dolaylı bant aralığı | Bu, görünür opaklığı, kızılötesi iletim eşiğini, fotovoltaik davranışı ve yarı iletken kullanımını kontrol eder. |
| Elektriksel davranış | Yarı iletken | İletkenlik, safsızlıklar, katkı maddeleri, sıcaklık ve kristal kalitesine güçlü şekilde bağlıdır. |
| Termal davranış | Birçok cam ve taşa kıyasla yüksek termal iletkenlik | Tahıl sınırları, kusurlar ve katkı maddeleri, ideal tek kristal silisyuma kıyasla termal performansı azaltabilir. |
Optik Davranış
Silikonun optik kişiliği dalga boyuna göre ayrılır: görünür ışıkta opak ve metalik görünür, ancak yüksek saflıktaki malzeme kızılötesinde şeffaf olabilir.
Görünür opaklık
Silikon, görünür ışığı emer çünkü görünür fotonlar elektronik bant yapısıyla etkileşim için yeterli enerjiye sahiptir. Bu yüzden ince görünür örnekler bile şeffaf kuvars gibi görünmez.
Kızılötesi iletimi
Emilim kenarının üzerinde, yüksek saflıktaki silikon yakın ve orta kızılötesi ışığı iletebilir. Bu, onu kızılötesi sistemlerde lensler, pencereler ve optik bileşenler için kullanışlı kılar.
Yüksek kırılma indisi
Silikon, kızılötesi ışığı güçlü şekilde büker. Yüzey işlemleri olmadan, bu yüksek indeks cilalanmış yüzeylerden önemli yansıma da oluşturur.
İzotrop kristal optiği
Tek kristal silikon kübiktir ve optik olarak izotropiktir, bu yüzden kalkit, kuvars veya altıgen moissanit gibi çift kırılma göstermez.
Bant aralığı, silikonun güneş hücreleri ve elektroniklerdeki merkezi rolünü de açıklar. Yeterli enerjiye sahip fotonlar yük taşıyıcıları oluşturabilirken, dikkatlice eklenen katkı maddeleri kristal içindeki yük hareketini kontrol eder. Optik, elektriksel ve yapısal davranışlar bu nedenle sıkı şekilde bağlantılıdır.
Cilalanmış silikonun neden bu kadar güçlü yansıttığı
Cilalanmış bir silikon wafer, görünür ışıkta koyu bir ayna gibi davranır çünkü yüzey pürüzsüzdür ve kırılma indisi yüksektir. Ayna benzeri görünüm, silikonun metal olduğu anlamına gelmez; güçlü yansıtırken yarı iletken olarak kalır.
Renk, Yüzey Filmleri ve Kararlılık
Taze silikon mavi-gri ile gümüş-gri arasında renklidir, ancak yüzey durumu görünümünü güçlü şekilde etkiler. Cilalanmış waferlar koyu, parlak ve ayna gibi görünebilir. Kırılmış polikristalin parçalar birçok yüzeyiyle parıldayabilir. Oyulmuş veya dokulu yüzeyler ışığı dağıtarak saten, buzlu, mavi-siyah veya gri görünebilir; bu, aydınlatma ve işleme bağlıdır.
Silikon, havaya maruz kaldığında yüzeyinde doğal olarak ince bir silikon dioksit tabakası oluşturur. Bu doğal oksit genellikle çok incedir, ancak belirli koşullarda oksit kalınlığı ve kaplamalar ince interferans tonları yaratabilir. Güneş hücrelerinde ve teknik waferlarda, kasıtlı olarak uygulanan yansıtmayı önleyici kaplamalar daha güçlü mavi, mor, bronz veya koyu tonlar oluşturabilir; bu renkler kaplama veya yüzey dokusuna aittir, silikonun kendisine değil.
- Ayna yüzeyler: geniş, pürüzsüz, cilalı veya yeni kırılmış yüzeyler güçlü şekilde yansır ve metalik görünebilir.
- Buzlu yüzeyler: testere izleri, oyma, granüler doku veya mikro piramitler ışığı dağıtarak parlaklığı yumuşatır.
- Oksit filmleri: doğal veya büyütülmüş oksit tabakaları tonu hafifçe değiştirebilir ve sıradan iç mekan koşullarında yüzeyi korur.
- Kaplamalar: fotovoltaik ve optik yüzeyler, silikon gövdesinden ayrı olarak tanımlanması gereken kasıtlı kaplamalar taşıyabilir.
Kristal Alışkanlığı, Formları ve Dokuları
Görünür silikon örnekleri genellikle doğal kristallerden ziyade endüstriyel veya laboratuvar formlarıdır. “Alışkanlıkları” kristalografi kadar işlemle de şekillenir.
Yönlendirilmiş kristal dilimi
Kontrollü bir kristal bloğundan kesilir, ardından taşlanır ve cilalanır. Waferlar yönelim ve kullanım konvansiyonlarını işaret eden düz veya çentikli olabilir.
Tane mozaiği
Birçok birbirine kenetlenmiş silikon kristalinden oluşur. Kırık yüzeyler parıldayan tane deseni ve düzensiz yansıtıcı düzlemler gösterebilir.
Katılaşma dokusu
Erimiş silikonun birçok tane halinde katılaşmasıyla oluşur. Tane sınırları, büyüme yönü ve soğuma geçmişi hem görünümü hem de performansı etkiler.
Arıtılmış hammadde
Boncuk, çubuk veya kırık yüksek saflıkta parçalar olarak görünebilir. Bu formlar güneş enerjisi veya yarı iletken üretimi için ara malzemelerdir.
Kristal olmayan film
İnce film uygulamalarında kullanılır. Uzun menzilli elmas-kübik düzeni yoktur ve kırık kristal silikon parçalarıyla karıştırılmamalıdır.
Tanımlama ve Benzerleri
Elementel silikon, görünüm, yoğunluk, kırılma, sertlik, bağlam ve gerektiğinde analitik testlerin birleştirilmesiyle en iyi şekilde tanımlanır. Görsel görünüm tek başına önemli iddialar için yeterli değildir, özellikle doğal saf silikon veya yüksek saflıkta teknik sınıflar için.
| Malzeme | Neden karışıklık olur | Faydalı ayırt ediciler |
|---|---|---|
| Hematit | Her ikisi de gri, metalik ve yansıtıcı görünebilir. | Hematit daha yoğundur, kırmızımsı kahverengi bir çizgiye sahiptir ve genellikle kırılmada daha az camımsıdır. |
| Galena | Parlak metalik yüzeyler cilalanmış silikon parçalarına benzeyebilir. | Galena çok yoğundur, yumuşak, kurşun grisi renkte ve kübik kırılma gösterir; silikon ise daha hafif ve konkoidal kırılma ile kırılgandır. |
| Grafit | Koyu gri, teknik görünümlü parçalar ilk bakışta karıştırılabilir. | Grafit çok daha yumuşaktır, kağıdı işaretler ve yağlı bir his verir; silikon ise daha sert ve keskin kırılganlığa sahiptir. |
| Silikon karbür | Her ikisi de silikon içeren, sert, gri teknik malzemelerdir. | Silikon karbür, çok daha sert, daha yoğun, kimyasal olarak SiC'dir ve fırında büyütülen malzemede genellikle siyah, yeşilimsi veya irisli görünür. |
| Cam veya cüruf | Konkhoidal kırık ve parlak yüzeyler benzer görünebilir. | Cam genellikle daha yumuşaktır, sıklıkla kabarcıklar veya akış dokuları gösterir ve silikonun yarı iletken bağlamı ile tipik mavi-gri metaloid parlaklığından yoksundur. |
| Alüminyum veya hafif metal | Bazı açık gri metal parçalar fotoğraflarda silikona benzer. | Alüminyum şekillendirilebilir ve metaldir; silikon ise kırılgandır, keskin şekilde kırılır ve sünek bir metal gibi bükülmez. |
Belgelendirilmiş tanımlama için, Raman spektroskopisi özellikle 520 cm civarında karakteristik bir tepeye sahip kristalin silikon için faydalıdır.-1X-ışını kırınımı, SEM-EDS veya tedarikçi belgeleri teknik veya menşe iddialarını destekleyebilir.
Gözlem ve Görüntüleme
Silikon, farklı aydınlatma altında karakterini dramatik şekilde değiştirir. Yaygın ışık genel şekli ve cilayı gösterir. Düşük eğik ışık tane sınırlarını, testere izlerini, mikro basamakları, kırık kenarları ve yüzey dokusunu ortaya çıkarır. Koyu arka planlar gümüş-gri yansımayı vurgularken, nötr gri arka planlar ayna parlak waferlarda pozlamayı dengede tutmaya yardımcı olur.
- Waferlar için: patlamış parlaklıklardan kaçınmak için yumuşak, geniş aydınlatma kullanın, ardından cilayı, düz yüzeyleri, çentikleri ve kaplamaları göstermek için bir açılı ışık ekleyin.
- Kırık parçalar için: konkhoidal yüzeyleri, kabuk benzeri kırıkları ve tane mozaiklerini göstermek için eğik ışık altında yavaşça döndürün.
- Dokuya sahip güneş malzemesi için: mikro-piramit dokular düz aydınlatma altında kaybolabileceğinden hem yaygın hem de açılı görüntüler fotoğraflanmalıdır.
- Belgelendirme için: ölçek, kalınlık, wafer çapı, yön işaretleri, görünür kaplamalar ve bilinen herhangi bir kalite bilgisi dahil edilmelidir.
Bakım, Sergileme ve Kullanım
Silikon, sıradan iç mekan sergileme koşullarında kimyasal olarak stabildir, ancak kırılganlığı ve keskin kırıkları pratik özen gerektirir. Waferları, parçaları ve kırık blokları sert, keskin kenarlı teknik malzeme olarak değerlendirin.
Keskin kenarlar
Kırık parçaları dikkatle tutun ve diğer taşlarla gevşek şekilde saklamaktan kaçının. Kırılmış silikon cildi kesebilir ve daha yumuşak malzemeleri çizebilir.
Waferlar
Düz ve desteklenmiş şekilde saklayın. İnce waferlar, malzeme nispeten sert olsa da, büküldüğünde çatlayabilir, kırılabilir veya kopabilir.
Temizlik
Sergi parçaları için yumuşak bir bez, üfleyici veya kuru fırça kullanın. Sert ev kimyasallarından, aşındırıcı pedlerden ve deneysel aşındırıcılardan kaçının.
Kimyasal uyarı
Endüstriyel silikon işleme, güçlü asitler, bazlar ve özel aşındırıcılar içerebilir. Bu işlemler evde kullanım veya dekoratif temizlik için uygun değildir.
Toz kontrolü
Silikonu uygun teknik kontroller olmadan testereyle kesmeyin, delmeyin, taşlamayın veya zımparalamayın. Bitmiş parçalar sergileme için uygundur; kontrolsüz toz ve keskin parçalar endişe kaynağıdır.
Etiketler ve bağlam
Bir parçanın polikristalin, tek kristal, plaka, güneş hücresi kırpıntısı, kaplanmış, katkılı veya bilinmeyen endüstriyel kökenli olup olmadığını bilgi mevcutsa kaydedin.
Sıkça Sorulan Sorular
Silikon bir metal midir?
Hayır. Silikon bir metaloiddir. Metalik görünümlü bir parlaklığa sahiptir ve kontrollü koşullarda elektrik iletir, ancak kırılgandır ve sünek bir metal yerine yarı iletken gibi davranır.
Silikon saydam mıdır?
Görünür ışıkta değil. Silikon göze opak ve yansıtıcı görünür. Yüksek saflıktaki silikon, bant kenarı bölgesinin üzerindeki kızılötesi ışığı iletebilir, bu yüzden kızılötesi optikte kullanılır.
Silikon neden mavi-gri veya gümüş-gri görünür?
Renk, güçlü görünür ışık emilimi, yüksek yüzey yansıması ve yüzey koşulundan kaynaklanır. Parlatma, kırık dokusu, oksit kalınlığı ve kaplamalar görünür tonu değiştirebilir.
Parlak silikon parçaları doğal mıdır?
Genellikle hayır. Büyük parlak parçalar genellikle rafine endüstriyel silikondur. Doğal saf silikon gerçek ama son derece nadir olup genellikle mikroskobiktir veya alışılmadık jeolojik malzemeler içinde bulunur.
Silikon ve silika arasındaki fark nedir?
Silikon, Si elementidir. Silika ise silikon dioksittir, SiO2Kuvars, kalsedon, çört ve birçok kum dahil. Kimyasal olarak ilişkilidirler ancak malzeme olarak çok farklıdırlar.
Neden silikon plakalar yuvarlaktır?
Plakalar, erimiş silikonun tek kristal silindir bloklarından dilimlenir. Dairesel şekil kristal ingotun şeklini yansıtırken, düz kenarlar veya çentikler yönelim ve taşıma kurallarını gösterebilir.
Silikon güvenle tutulabilir mi?
Evet, bitmiş bir örnek veya plaka olarak, dikkatle. Ana taşıma riskleri keskin kenarlar, kırılgan kırık, ince plaka kırılması ve malzeme uygun kontroller olmadan kesilir, delinirse veya taşlanırsa tozdur.