Silicon
Koostis / struktuur
Keemiline element räni (Silicium, Si), kristallstruktuur tahkkeskendatud kuubiline (teemandi struktuur) kahe aatomiga elementaarrakus.
Omadused
Hõbedase läikega, kerge (2330 kg/m3) materjal. Pooljuht (legeerimata räni eritakistus toatemperatuuril ca 10-3 Wm).
Saamine
Kuigi räni on maakoores hapniku järel kõige levinum element (27 massi%) , puhtal kujul teda looduses ei esine. Räni saadakse ränidioksiidi (kvartsliiv) taandamisel süsinikuga temperatuuridel ligi 2000 °C elektrikaarahjus. Pooljuhtööstuses kasutatavat räni puhastatakse (lõppastmes tsoonsulatusega) väga kõrge puhtusastmeni, taolisest ülipuhtast ränist kasvatatakse järgnevalt silindrikujuline monokristall [2].
Rakendused
Mikrokiipide jt. pooljuhtelemetide tootmiseks. Räni on materjal, millele tugineb kogu tänapäevane info- ja kommunikatsioonitehnoloogia. Kiiresti kasvavat tähtsust omavad räni rakendused päikeseenergeetikas – päikesepatareides.
Näidised
E21.1. Ränitükk. Leitud Tallinnast Kadrioru mererannast – otsijad võivad tükikesi sealt vast praegugi veel leida. On see veelkordne kinnitus Eesti kui arenenud IT-maa kuulsusele?
E21.2. Räniplaat ( 30x32x5 mm).
E21.3. Räniplaat (Ø 100 mm, poleeritud).
E21.4. Räniplaadid (Ø 25 mm, lõigatud monokristallist).
E21.5. Päikesepatarei polükristalsest ränist. Millest on tingitud päikesepatarei paneeli „mosaiikstruktuur“? Selle põhjuseks on söövitamisega tekitatud ränikristallide pinna mikrotekstuur. Taolise tekstuuri karakteerne mõõde on kümneid mikroneid ja tema ülesanne on vähendada valguse tagasihajumist-peegeldumist ränikristalli pinnalt. Ränikristalli anisotroopia tõttu on sissesöövitatud struktuur anisotroopne: maksmiaalne tagasihajumine ei toimu mitte suunas, mis on risti ränikristalli pinnaga (makroskoopilise tasandiga) vaid normaali suhtes teatud nurga all suunas, mis on määratud (mono)kristalli orientatsiooniga. Ränipaneeli moodustavate kristallide erineva orientatsiooni tõttu tekibki suunatud valguse hajumisel täheldatav mosaiikpilt heledamatest ja tumedamatest aladest. Heledad triibud paneeli pinnal on voolu väljaviigud.
Demod, katsed
D21.1. Räniplaadi murdumine. Monokristalli, millest plaadid E21.4 on lõigatud, C3-telg on orienteeritud risti plaadi tasandiga. Plaadike murdub kolmes sihis, mis omavahel moodustavad nurgad 60°.
D21.2. Räni paistab läbi [4]. Tõsi küll, mitte nähtavas valguses vaid lähedases infrapunases spektripiirkonnas. Lainepikkusel 1,1 μm nõrgeneb kiirgus mõnesentimeetrise paksusega räniplaadis vaid kaks korda, lainepikkuse kasvades (kuni 7 μm) kasvab läbilaskvus veelgi. Kuna aga mõnede digikaamerate valgustundlike maatriksite spektraalne tundlikkus ulatub punases oluliselt suuremate lainepikkusteni kui inimsilma oma, saab nende abil edukalt räniplaadist „läbi vaadata“. Vasakpoolselt fotol olev küünlaleek on parempoolsel pildistatud Canon PowerShot G3 digikaamera abil läbi 0,34 mm paksuse kahelt poolt poleeritud räniplaadi. Vasakpoolsel fotol küünla kõrval nähtavate valgusdioodide kiirgus neeldub aga räniplaadis väga tugevasti ja parempoolsel fotol on nad täielikult „kustunud“.
Mattklaasiga hõõglamp otse (vasakul) ja läbi räniplaadi (paremal) pildistatuna. Lambiklaas hajutab valgust, kuna tema sisepinnale on kantud ränidioksiidi nanoosakesed (ränidioksiidi „suits“, ik fumed silica). Sellised osakesed hajutavad eriti tugevasti lühemalainelist valgust, infrapunast aga oluliselt nõrgemalt. Seetõttu on parempoolsel fotol nähtav ka hõõgniidi terav kujutis.
Säästulambi“ (luminestsentslamp) valgus (vasakpoolsel fotol pildistatud otse sama säriajaga, millega hõõglamp ülemisel pildil) aga räniplaadist läbi ei tule (parempoole foto, säriaaeg sama, mis hõõglambi pildistamisel läbi räniplaadi ülemisel fotol).
Infrapunafotograafia. Vaid infrapunase spektriosa kasutamine pildistamisel annab loodusfotodele erilise „müstilise“ väljanägemise. Tumeda taevaga kontrasteerub hele („lumine“) lehtkate, mis hajutab tugevalt tagasi infrapunast päiksekiirgust erinevalt nähtavast spektriosast, kus toimub fotosünteesiks kasutatava valguse tugev neeldumine. Parempoolne foto on tehtud läbi ülalkirjeldatud räniplaadi.
D21.3. Päikesepatarei käivitab elektrimootori, mootori pöörlemise teeb nähtavaks holograafilise mustriga ketas.
Viited:
- Chemistry : Periodic Table : silicon : key information [02.12.03].
- H. Föll, Hyperscript: Electronic Materials
6. Materials and Processes for Silicon Technology [17.10.04] - David Bradley, “Green silicon production”, Elemental Discoveries – September 2004, Issue 73 [17.10.04]
- Zdeněk Bochníček “An amateur video camera as a detector of infrared radiation”, Physics Education, 43 (1), pp. 51-56, 2008.
Tänu: Jaak Vihmand, Maija Ahtee, Ants Lõhmus, Aarne Kasikov
Koostas: Ailet Õis, JK
