Silikon (Polikristalin): Fiziksel ve Optik Özellikler
Linas JuozenasPaylaş
Fiziksel ve optik özellikler
Polikristalin Silikon: Gümüşi Gri Taneler, Sinyal ve Kızılötesi Işık
Polikristalin formda elementel silikonun odaklanmış profili: birçok kristal tanesiyle sert, kırılgan bir yarı iletken; metalik görünümlü mozaik, görünür opaklık, kızılötesi geçirgenlik ve güneş hücreleri ile silikon fotoniğinin arkasındaki teknik yüzey dokuları yaratır.
- Si
- Elementel silikon
- Elmas-kübik taneler
- Dolaylı bant aralığı
- Görünür opak, kızılötesi geçirgen
Polikristalin silikon, tek bir sürekli kristal yerine birbirine kenetlenmiş birçok kristalden oluşan elementel silikondur. Her tane silikonun elmas-kübik yapısına sahiptir, ancak bitişik taneler farklı yönlendirilmiştir. Bu iç mozaik malzemenin yansıtıcılığını, kırılmasını, termal davranışını, elektriksel tepkisini ve kırık ya da asitlenmiş yüzeylerde görülen tane sınırı parıltısını kontrol eder.
Malzeme Kimliği
Polikristalin silikon kuvars, cam, silikon karbür veya metalik bir cevher değildir. Birçok kristal tanenin tane sınırları boyunca birleştiği elementel silikondur, Si.
Her tanede, silikon atomları elmas-kübik bir ağ oluşturur. Ancak tüm parça boyunca kristal yönelimi taneler arasında değişir. Bu nedenle kırık bir parça parlak ayna benzeri yüzeylerin yanında daha koyu saten alanlar gösterebilirken, testereyle kesilmiş veya asitlenmiş yüzey açılı tanelerden oluşan bir yamalı desen gösterebilir.
Terim çeşitli bağlamlarda kullanılır. Endüstriyel polisilikon hammaddesi kırık çubuk parçaları veya granüler tanecikler şeklinde olabilir. Çok kristalli ingot parçaları daha büyük katılaşma taneleri gösterir. Wafer kırpıntıları testere izleri, mavi-gri kaplamalar, ışık tuzağı dokuları veya fotovoltaik işleme kaynaklı ince bir ızgara deseni gösterebilir.
Kesin ayrım: kuvars, silikon dioksittir, SiO2. Polikristalin silikon ise elementel silikondur, Si. İkisi kimyasal ve optik olarak farklıdır, ancak kuvars veya diğer silika açısından zengin hammadde silikonun endüstriyel kökeninin bir parçası olabilir.
Fiziksel ve Optik Özellikler Genel Bakış
Çoğu el numunesi ve eğitim parçacıkları, stabil, sert, kırılgan, gümüşi gri parçalardır. Teknik davranışları saflık, katkı maddesi, işleme yöntemi, tane boyutu, yüzey bitişi ve oksit veya kaplama filmlerine bağlı olarak büyük ölçüde değişir.
| Özellik | Tipik değer veya davranış | Yorumlayıcı notlar |
|---|---|---|
| Kimyasal Kimlik | Elementel silikon, Si; metaloid | Bir kovalent ağ katısıdır, metal veya silika değildir. |
| Tane başına yapı | Kübik, elmas-kübik | Her tane kristalindir; kütle farklı yönlendirilmiş kristallerin mozaiğidir. |
| Görünüm | Gümüş grisi ila tabanca metali, metalik görünümlü | Yeni kırılmış yüzeyler parlak ve yansıtıcı olabilir; aşındırılmış veya granüler yüzeyler daha saten görünür. |
| Parlaklık | Metalikten alt-metalike; bazı kırık yüzeylerde camımsı | Parlaklık, yüksek kırılma indisini ve güçlü görünür emilimi yansıtır, gerçek metalik bağlanma değildir. |
| Sertlik | Yaklaşık Mohs 6.5–7 | Kuvars ile karşılaştırılabilir; ince kıymıklar ve kırık kenarlar keskin olabilir. |
| Yarma | Bireysel tanelerde {111} üzerinde iyidir | Kütle kırıkları tane sınırları, iç gerilim ve işleme geçmişi ile karmaşıktır. |
| Kırılma | Konkoidaldan alt-konkoidale; kırılgan | Kırık parçalar kabuk benzeri eğriler, basamaklı yüzeyler ve açılı kıymıklar gösterebilir. |
| Yoğunluk | Yaklaşık 2.33 g/cm³ | Metal görünümlü yüzeye rağmen galen, hematit ve birçok metal cevherinden belirgin şekilde daha hafiftir. |
| Erime Noktası | Yaklaşık 1414 °C | Döküm, wafer büyümesi ve yeniden eritme beslemesi ile ilgilidir. |
| Elektriksel Davranış | Yarı İletken | Direnç, saflık, katkı maddeleri, kusurlar ve tane sınırlarına bağlı olarak değişir. |
| Bant Aralığı | Oda sıcaklığında yaklaşık 1.12 eV; dolaylı | Emilim sınırı yaklaşık 1100 nm civarındadır, bu da onu görünür kırmızının hemen ötesinde, yakın kızılöteside konumlandırır. |
| Görünür Şeffaflık | Kütlede opak | Görünür fotonlar, sıradan parçalardan çoğunlukla emilir veya yansıtılır, iletilmez. |
| Kızılötesi Davranış | Cilalı ve yeterince saf olduğunda seçilmiş yakın ve orta kızılötesi aralıklarda geçirgendir | Emilim, katkı maddeleri, kusurlar, yüzey pürüzlülüğü ve serbest taşıyıcılarla artar. |
| Kırılma İndisi | Yaklaşık 1.3–1.6 µm civarında 3.4–3.5 | Yüksek bir kırılma indisi, silikonu kızılötesi optik için değerli kılar, ancak kaplamalar veya doku olmadan yansıma kayıplarını da önemli hale getirir. |
| Çift Kırılma | Gerilimsiz kübik taneler için yoktur | Gerilim, kusurlar ve sınırlar, çapraz polarizatörler altında zayıf ışık sızıntısı oluşturabilir. |
| Floresans | Genellikle oda sıcaklığında kütlede yoktur | Floresans, sıradan polikristalin silikon için faydalı bir tanımlama özelliği değildir. |
Optik Davranış
Silikonun optik kişiliği dalga boyuna göre keskin şekilde değişir: görünür ışıkta opak ve ayna grisi görünür, ancak cilalanmış silikon görünür sınırın ötesinde kızılötesi ışığı iletebilir.
Görünür ışık
Toplu silikon görünür dalga boylarını güçlü şekilde emer ve parlak kırık yüzeylerden yansıtarak metalik görünümlü gümüş-gri görünüm oluşturur.
Yakın kızılötesi kenar
Bant aralığı kenarından daha uzun dalga boylarında, silikon malzeme cilalı, yeterince saf ve çok ağır katkı maddesi içermiyorsa geçirgen olabilir.
Yüksek kırılma indisi
Silikonun yüksek kızılötesi kırılma indisi, onu lenslerde, pencerelerde, dalga kılavuzlarında ve fotonik yapılarda kullanışlı kılar, ancak aynı zamanda yüzey yansımasını da artırır.
Tane sınırı saçılması
Polikristalin malzeme, tane sınırları, mikro çatlaklar ve pürüzlülük temiz iletimi kesintiye uğrattığı için tek kristal malzemeden daha fazla saçılabilir.
Çapraz polarizatörler altında, mükemmel bir kübik tane karanlık kalmalıdır çünkü silikon optik olarak izotropiktir. Ancak gerçek polikristalin parçalarda, gerilim alanları, dahil olan maddeler, oksit kabukları ve pürüzlü sınırlar hafif sızıntı, kenar rölyefi veya yamalı kontrast oluşturabilir. Bu etkiler olağan mineralojik anlamda çift kırılma değildir; bunlar kusur, gerilim ve sınır yapısının işaretleridir.
Renk, Yüzey Filmleri ve Kararlılık
Taze polikristalin silikon genellikle gümüş-gri, çelik-gri veya tabanca metalidir. İnce parçacıklar ve pürüzlü parçalar yüzeyleri daha fazla ışık saçtığı ve emdiği için daha koyu görünebilir. Cilalanmış veya yeni kırılmış yüzeyler koyu bir ayna gibi parlayabilirken, granüler veya aşındırılmış parçalar daha yumuşak, donuk bir yüzey gösterir.
Maruz kalan silikonda ince bir doğal silikon dioksit tabakası kolayca oluşur. Çok ince oksit filmleri genellikle belirgin değildir, ancak ısı ile büyütülmüş veya işlemle ilgili filmler ince saman, mavi, menekşe veya dumanlı interferans renkleri oluşturabilir. Wafer parçalarında, kaplamalar ve dokulama görünür rengi silikondan daha çok etkileyebilir.
- Katkı maddesi: Ağır katkı maddesi malzemeyi karartabilir, emilimi artırabilir ve elektriksel davranışı değiştirebilir.
- Hatalar: Dislokasyonlar, gerilim, dahil olan maddeler ve tane sınırları optik berraklığı azaltabilir ve yamalı yansıtıcılık ekleyebilir.
- Oksit filmleri: İnce SiO2 tabakaları, özellikle işlenmiş veya ısıtılmış yüzeylerde, mat interferans tonları oluşturabilir.
- Yüzey pürüzlülüğü: Aşındırılmış ve granüler yüzeyler daha saten görünür; düzgün kırık yüzeyler ve cilalı alanlar daha yansıtıcı görünür.
Tane, Alışkanlık ve Yaygın Dokular
Polikristalin silikon, büyüme ve kırılmanın bir kaydı olarak en iyi şekilde okunur: çekirdeklenme, tane rekabeti, soğuma, kesme, aşındırma ve kırılma hepsi görünür izler bırakır.
Kırılmış parçalar
Kırılmış polisilikon parçaları genellikle keskin yüzeyler, kabuk benzeri konkoidal eğriler ve tane sınırlarını kesen basamaklı düzlemler gösterir.
Granüler malzeme
Granüler polisilikon, geniş ayna yüzeyleri yerine kütle halinde gümüş-gri parıltıya sahip küçük yuvarlak veya açılı parçacıklar olarak görünür.
Çok kristalli waferlar
Kesilmiş wafer parçaları tane mozaikleri, mavi-gri kaplamalar, yüzey dokusu ve düz işlemle ilgili kenarlar gösterebilir.
Kolonlu filmler
İnce film polikristalin silikon kolonlu tanelerde büyüyebilir. Kesitler dikey tane yapısını ve işlem çizgilerini gösterebilir.
Aşındırılmış piramitler ve çukurlar
Seçici kimyasal aşındırma kristalografik düzlemleri ortaya çıkarabilir, küçük piramitler, üçgen çukurlar veya teraslı rölyefler oluşturabilir.
Oksit ve kaplama tabakaları
Yerel oksit, işlem oksitleri, pasivasyon katmanları ve yansıtmayı önleyici kaplamalar yüzey rengini ve yansıtıcılığını değiştirebilir.
Tanımlama ve benzerleri
Polikristalin silikonun sertlik, metalik görünümlü yüzeyine göre düşük yoğunluk, kırılgan konkoidal kırılma, manyetik olmayan davranış ve gri metalloid parlaklığı kombinasyonu, yaygın benzerlerinden ayırmaya yardımcı olur.
| Malzeme | Neden karıştırılabilir | Faydalı ayırt ediciler |
|---|---|---|
| Kuvars | Kuvars serttir, gri veya camımsı olabilir ve silika hammadde hikayesinin bir parçasıdır. | Kuvars SiO'dur2genellikle saydamdan yarı saydama kadar değişir ve silikonun gümüş-gri yarı iletken parlaklığından yoksundur. |
| Silikon karbür | SiC koyu, yansıtıcı ve endüstriyel görünümlü olabilir. | Silikon karbür çok daha serttir, genellikle daha iridesan ve yoğunluğu yaklaşık 3.2 g/cm³ civarındadır. |
| Hematit | Hematit metalik gri parlaklık gösterebilir. | Hematit çok daha yoğundur ve kırmızımsı bir çizgi verir; silikon daha hafif ve genellikle sadece zorlayıcı şekilde gri çizgili olur. |
| Galena | Galena parlak metalik yüzeylere sahiptir. | Galena çok yoğundur ve silikonun daha hafif ağırlığı ve kabuk benzeri kırılmasından farklı olarak kübik kırılma gösterir. |
| Endüstriyel cüruf | Bazı cüruflar gri, camımsı, metalik görünümlü veya kırılmış olabilir. | Cüruf genellikle kabarcıklar, akış dokuları, karışık renkler ve düzensiz bileşim içerir, kristalize silikon taneli mozaiklerinden ziyade. |
| Grafit veya karbon açısından zengin malzeme | Koyu gri parçalar metalik veya saten görünebilir. | Grafit çok daha yumuşaktır ve kağıda kolayca iz bırakır; silikon sert, kırılgan ve kırıldığında daha keskindir. |
Hazırlanmış eğitim veya sergi parçaları için yıkıcı testler nadiren gereklidir. Ağırlık, parlaklık, kırılma, sertlik davranışı ve bilinen kaynak bağlamı genellikle pratik tanımlama için yeterli bilgi sağlar.
Bu Özellikler Neden Önemlidir
Polikristalin silikonun fiziksel ve optik özellikleri sadece tanımlama özellikleri değildir; aynı zamanda silikonu fotovoltaik, mikroelektronik, kızılötesi optik ve fotonik cihazların merkezine yerleştiren nedenleri açıklar.
Fotovoltaik
Silikonun bant aralığı, güneş spektrumunun büyük kısmını emmesine ve ışığı elektrik akımına dönüştürmesine olanak tanır. Çok kristalli hücrelerde tane sınırları taşıyıcı ömrünü ve verimliliği etkileyebilir.
Yüzey dokulama
Aşındırılmış piramitler ve ilgili mikro yapılar, özellikle güneş hücrelerinde kullanılan plaka yüzeylerinde yansımayı azaltır ve ışık tutmayı artırır.
Kızılötesi optik
Parlatılmış silikon, seçilmiş kızılötesi dalga boylarını iletebilir ve yüksek kırılma indeksine sahiptir, bu da onu özel lensler, pencereler ve algılama bileşenleri için kullanışlı kılar.
İnce film elektroniği
Poli-Si filmler, tam tek kristal plaka yapısı gerektirmeyen kontrollü kristalin yarı iletken tabakası gereken yerlerde kullanılır.
Gözlem ve Fotoğrafçılık
Polikristalin silikon, yönlendirilmiş ışıkla en iyi gözlemlenir. Geniş yaygın ışık genel formu gösterirken, düşük eğimli ışık basamakları, tane sınırlarını, teraslı aşındırma desenlerini ve ayna yüzeyler ile saten yüzeyler arasındaki farkı ortaya çıkarır.
- Eğimli ışık kullanın: düşük yan ışık, konkoidal basamakları, testere izlerini, mikro piramitleri ve tane sınırı kabartmalarını gösterir.
- Yavaşça döndürün: açılar değiştikçe bitişik taneler bağımsız olarak parlaklaşır ve kararır, polikristalin mozaik ortaya çıkar.
- Nötr arka planlar kullanın: mat gri, koyu mavi veya siyah arka planlar, gümüş-gri silikonu parlamadan ayırır.
- Kenarlara güvenli şekilde gösterin: kenar görünümleri kalınlık ve kırılma stilini ortaya çıkarır, ancak ince plaka kırıntıları ve parçalar desteklenmelidir.
- Aşırı kontrasttan kaçının: aşırı sert ışık, bilgilendirici yüzey detaylarını aşırı parlak beyaz vurgulara dönüştürebilir.
Taşıma ve Bakım
İşlenmiş silikon parçacıkları normal iç mekan koşullarında stabildir. Ana riskler kimyasal değil, mekaniktir: keskin kenarlar, gevrek kırılma, ince talaşlar ve kesme veya aşındırma sırasında oluşan toz.
Keskin kenarlar
Kırık silikon, çakmak taşı veya cam gibi davranabilir. Parçaları, ambalajı, cildi veya komşu örnekleri kesemeyecek şekilde saklayın.
Kontrolsüz aşındırma yok
Uygun teknik kontroller dışında silikon parçacıklarını öğütmeyin, testerelemeyin, delmeyin veya aşındırmayın. İşlenmiş parçalar, işleme sırasında oluşan toz veya talaşlardan çok daha güvenlidir.
Nazik temizlik
Parmak izleri için temiz bir mikrofiber bez ve toz için yumuşak bir fırça veya hava pompası kullanın. Özellikle kaplamalı wafer parçalarında agresif ev kimyasallarından kaçının.
Wafer parçaları
İnce waferlar kolayca kırılabilir ve hassas kaplamalar veya dokulu yüzeyler içerebilir. Düz, ayrı ve aşındırıcı tozdan uzak saklayın.
Sıkça Sorulan Sorular
Polikristalin silikon bir mineral midir?
Hayır. Ticari polikristalin silikon, elementel silikonun işlenmiş bir formudur. Ham maddesi doğal silika veya kuvars olabilir, ancak bitmiş malzeme endüstriyel olarak indirgenir, saflaştırılır, kaplanır, dökülür veya işlenir.
Silikon metal değilse neden metalik görünüyor?
Silikon yüksek kırılma indisine sahiptir ve görünür ışığı güçlü şekilde emer, bu yüzden düzgün yüzeyler gümüş-gri, metalik görünümlü bir parlaklık yansıtır. Ancak kimyasal ve elektronik olarak, yarı metal yarı iletkendir.
Yüzey neden tane tane veya mozaik gibi görünür?
Her kristal tanesi ışığı farklı bir yönden yansıtır. Parça eğildiğinde, komşu taneler bağımsız olarak parlaklaşır ve kararır, böylece bir yamalı veya buzlu cam efekti yaratır.
Işık silikonun içinden geçebilir mi?
Görünür ışık, sıradan toplu silikon içinden geçmez, ancak cilalanmış silikon, bant aralığı kenarının ötesinde seçilmiş kızılötesi dalga boylarını iletebilir. Katkı maddeleri, kalınlık, kusurlar ve yüzey bitişi iletim üzerinde güçlü etkiye sahiptir.
Silikon, silika ve silikon arasındaki fark nedir?
Silikon, Si elementidir. Silika ise silikon dioksittir, SiO2Kuvars, kum ve birçok camda bulunan. Silikon, sızdırmazlık malzemeleri, esnek malzemeler, mutfak gereçleri ve tıbbi cihazlarda kullanılan silikon içeren polimer ailesidir.
Polikristalin silikon tutmak güvenli midir?
Bitmiş parçalar normal özenle tutulabilir, ancak kırık kenarlar keskin olabilir. Toz veya talaş oluşturan herhangi bir faaliyetten kaçının ve ince parçacıkları veya wafer kırıklarını koruyun.