Kremíkovej
Linas JuozėnasZdieľať
Silicis
Kremík je chemický prvok označený symbolom Si a s atómovým číslom 14. V prírode sa takmer nikdy nevyskytuje v čistom stave, pretože sa ľahko viaže s kyslíkom a ďalšími prvkami. Preto sa s kremíkom najčastejšie stretávame v kremeni, živcoch, sľudách, ílových mineráloch a v mnohých ďalších silikátoch. Po vyčistení na mimoriadne vysokú úroveň a vypestovaní do jednoliateho kryštálu sa stáva riadeným polovodičom, z ktorého sa vyrábajú mikročipy, senzory a solárne články.
Prvok so štyrmi väzbami, ktorý sa môže stať kostrou horniny alebo presne riadenou cestou elektrónov
Atóm kremíka má štyri valenčné elektróny. To mu umožňuje vytvárať štyri silné kovalentné väzby so susednými atómami.
V čistom kryštalickom kremíku sa každý atóm spája so štyrmi ďalšími atómami kremíka a vytvára trojrozmernú mriežku diamantového typu.
V prírode sa kremík častejšie viaže s kyslíkom. Tetraédre kremíka a kyslíka môžu byť samostatné, spojené do reťazcov, prstencov, vrstiev alebo súvislých kostier.
Podstata kremíka: tie isté štyri možné väzby mu umožňujú vytvárať obrovskú rozmanitosť silikátov v zemskej kôre aj usporiadaný polovodičový kryštál v elektronike.
Štyri valenčné elektróny
Umožňujú kremíku vytvárať pevnú sieť štyroch väzieb.
Postavenie metaloidu
Kremík má vlastnosti typické pre kovy aj nekovy, preto zaujíma prechodné postavenie.
Riadená vodivosť
Čistý kremík vedie elektrický prúd len obmedzene, no jeho elektrické správanie možno veľmi presne meniť malým množstvom prímesí.
Tvrdý, krehký a sivo lesklý kryštál, ktorého vodivosť závisí od teploty, svetla a prímesí
| Chemická značka | Si |
|---|---|
| Atómové číslo | 14 |
| Trieda prvku | Metaloid |
| Kryštálová štruktúra | Diamantová kubická mriežka |
| Tvrdosť | Približne 6,5–7 podľa Mohsovej stupnice |
| Hustota | Približne 2,33 g/cm³ |
| Teplota topenia | Približne 1414 °C |
| Teplota varu | Približne 3265 °C |
| Lesk | Kovový alebo polokovový |
| Farba | Tmavosivá, oceľovosivá alebo modrosivá |
| Lom | Mušľovitý; materiál je krehký |
| Elektronická vlastnosť | Polovodič, ktorého šírka zakázaného pásma pri izbovej teplote je približne 1,12 eV |
| Vodivosti | Zvyšuje sa so stúpajúcou teplotou, pôsobením svetla alebo pridaním vhodných prímesí |
Jeden z najdôležitejších stavebných prvkov planéty, takmer vždy však ukrytý v zlúčeninách
Kremeň
Oxid kremičitý SiO₂ tvorí kremeň, ametyst, citrín, horský krištáľ a mnohé ďalšie odrody kremeňa.
Živce
Kostry kremíka, hliníka, kyslíka a kovov tvoria jednu z najrozšírenejších skupín minerálov zemskej kôry.
Sľudy
Kremičitanové vrstvy umožňujú týmto minerálom ľahko sa štiepiť na tenké doštičky.
Ílové minerály
Pri zvetrávaní kremičitanov vznikajú mimoriadne jemné lístkovité častice dôležité pre pôdu a sedimenty.
Pyroxény a amfiboly
Ich kremičitanové reťazce sú dôležité pre magmatické a metamorfované horniny.
Prírodný kremík
Voľný elementárny kremík je v prírode veľmi zriedkavý, pretože ľahko reaguje a mení sa na oxidy alebo kremičitany.
Veľkú časť minerálnej architektúry zemskej kôry možno pochopiť sledovaním toho, ako sa tetraédre kremíka a kyslíka spájajú do čoraz zložitejších foriem.
Od oxidu kremičitého v hornine k mimoriadne čistej látke, v ktorej sa kontroluje takmer každá prímes
Vyberá sa oxid kremičitý
Na výrobu sa používa kremeň alebo veľmi čistý kremenný piesok.
Oxid kremičitý sa redukuje
Pri vysokej teplote sa v elektrickej peci odstraňuje kyslík pomocou materiálu obsahujúceho uhlík.
Získava sa metalurgický kremík
Vzniká sivá hmota elementárneho kremíka, ktorá stále obsahuje priveľa prímesí pre citlivú elektroniku.
Kremík sa premieňa na prchavú zlúčeninu
Chemická medziproduktová zlúčenina sa môže destilovať a oddeliť od mnohých nečistôt.
Ukladá sa mimoriadne čistý kremík
Z vyčistenej plynnej zlúčeniny vzniká polykryštalický materiál s veľmi vysokou čistotou.
Materiál sa pripravuje na rast kryštálu
Kremík sa roztaví v kontrolovanom prostredí a používa sa na vytváranie monokryštalických alebo polykryštalických polotovarov.
Kremeň môže byť v prírode takmer priehľadný, no elektronika potrebuje viac než len peknú surovinu. Vyžaduje si takú čistotu, aby ani nepatrné množstvo nežiaduceho prvku nenarušilo elektrické vlastnosti.
Obrovský kryštál rastie tak, aby miliardy atómov pokračovali v jednom spoločnom smere mriežky
Od taveniny k doštičke
Monokryštalický valec sa rozreže na veľmi tenké kruhové plátky nazývané kremíkové doštičky. Neskôr sa na nich vytvárajú tranzistory, vodivé dráhy a ďalšie elektronické štruktúry.
Kryštalický zárodok
Malý presne orientovaný kremíkový kryštál sa dotkne povrchu roztaveného materiálu.
Pomalé ťahanie
Zárodok sa otáča a zdvíha, pričom atómy, ktoré sa k nemu pripájajú, pokračujú v rovnakej kryštalickej mriežke.
Monokryštalický valec
Správnou reguláciou teploty a rýchlosti ťahania vzniká dlhý kryštál s jednotnou orientáciou.
Rezanie plátkov
Valec sa rozreže na tenké kotúče, ktorých povrch sa vyrovná a vyleští.
Kristalografinė kryptis
Plokštelės orientacija parenkama pagal būsimo įrenginio gamybos ir elektrines savybes.
Polikristalinis silicis
Kai medžiagą sudaro daug skirtingai orientuotų kristalinių grūdelių, ji vadinama polikristaline.
Jo laidumas pakankamai valdomas, žaliava gausi, o paviršiuje galima sukurti stabilų izoliacinį oksido sluoksnį
Puslaidininkinis elgesys
Silicis nėra nei geras metalinis laidininkas, nei visiškas izoliatorius, todėl jo elektronų judėjimą galima valdyti.
n tipo silicis
Priemaišos, turinčios papildomą valentinį elektroną, padidina laisvų elektronų skaičių.
p tipo silicis
Priemaišos, turinčios vienu valentiniu elektronu mažiau, sukuria elektronų trūkumo vietas, vadinamas skylėmis.
Tranzistoriai
Elektrinis laukas valdo, ar srovė teka per mikroskopinį silicio kanalą.
Saulės elementai
Šviesa silicyje sukuria judančius krūvininkus, kuriuos vidinis elektrinis laukas nukreipia į elektros grandinę.
Silicio dioksido sluoksnis
Ant silicio paviršiaus galima užauginti tvirtą izoliacinį SiO₂ sluoksnį, labai svarbų mikroschemų gamybai.
Silicis tapo technologijų pagrindu ne todėl, kad vienu požiūriu yra tobulas, o todėl, kad jo elektrinės, cheminės, terminės ir gamybinės savybės nepaprastai gerai veikia kartu.
Trys panašiai skambantys žodžiai reiškia visiškai skirtingas medžiagas
Silicis
Cheminis elementas Si. Grynas kristalinis silicis yra tamsiai pilkas metaloidas ir puslaidininkis.
Silicio dioksidas
Junginys SiO₂. Jis sudaro kvarcą ir yra svarbi daugelio smėlių, stiklų bei uolienų dalis.
Silikatai
Didžiulė mineralų grupė, kurioje silicio ir deguonies vienetai jungiasi su aliuminiu, magniu, geležimi, kalciu ir kitais elementais.
Silikonas
Sintetinių polimerų šeima, kurios pagrindinėje grandinėje kaitaliojasi silicio ir deguonies atomai.
Stiklas
Dažniausiai amorfinė silicio dioksido ir kitų oksidų medžiaga, neturinti tolimosios kristalinės tvarkos.
Silicio karbidas
Junginys SiC, sudarytas iš silicio ir anglies, pasižymintis dideliu kietumu ir atsparumu karščiui.
Silicis nėra tas pats, kas silikonas. Vienas yra elementas ir puslaidininkis, kitas – silicio, deguonies ir organinių grupių pagrindu sukurta polimerinė medžiaga.
Elementas buvo atskirtas iš medžiagų, kurias žmonės naudojo tūkstančius metų, tačiau ilgai nežinojo jų tikrosios cheminės prigimties
Silicio vardas siejamas su lotynišku žodžiu silex, reiškusiu titnagą arba kietą silicio turtingą akmenį.
Žmonės nuo seniausių laikų naudojo titnagą, kvarcinį smėlį, molį, keramiką ir stiklą, tačiau elementinis silicis šiose medžiagose buvo chemiškai surištas.
XIX amžiaus pradžioje buvo suprasta, kad silicio dioksidas turi iki tol neišskirtą elementą. 1824 metais Jönsas Jacobas Berzelius paruošė gana gryną amorfinį silicį.
Neskôr sa vlastnosti kryštalického kremíka stali čoraz dôležitejšími pre elektrotechniku a v 20. storočí sa stal hlavnou surovinou tranzistorov a integrovaných obvodov.
Príbeh kremíka má nezvyčajný oblúk: najprv sa ukrýval v kameni, neskôr ho oddelili v laboratóriu a napokon sa sám stal materiálom, v ktorom ľudstvo začalo uchovávať a spracúvať informácie.
Kryštál, ktorý sa naučil počítať
V hornine hory žil kremík. Tvoril kremennú mriežku, kostru živca a plátky sľudy, no nikto ho nevidel oddelene.
Jedného dňa ho ľudia oslobodili od väzieb s kyslíkom, vyčistili a roztavili.
„Čím by som sa mal stať?“ spýtal sa kremík.
„Najprv sa nauč zoradiť všetky svoje atómy jedným smerom,“ odpovedal zárodok kryštálu.
Kremík pomaly rástol, až sa stal jednoliatym kryštálom. Potom do jeho mriežky vpustili iba niekoľko cudzích atómov.
Na jednom mieste sa objavil ďalší elektrón, na inom voľné miesto, kam sa mohol pohybovať. Medzi nimi začal prúdiť riadený signál.
Tak sa prvok, ktorý miliardy rokov budoval kamene, naučil počítať, pamätať si a odovzdávať myšlienky vytvorené ľuďmi.
Nie je to stará legenda. Je to tvorivý príbeh inšpirovaný skutočnou kremíkovou mriežkou, prímesovou vodivosťou a fungovaním mikročipov.
Štruktúra, presné prepojenie a schopnosť vytvoriť z množstva malých jednotiek fungujúci systém
V súčasnom symbolickom jazyku možno kremík spájať s logikou, učením, spracovaním informácií, tvorbou systémov a vedomým vytváraním prepojení. Ide o tvorivú interpretáciu, nie o vedecky potvrdený účinok na človeka.
Štyri prepojenia
Jeden prvok sa môže stať stabilným nie tým, že sa oddelí, ale tým, že sa presne spojí s okolím.
Kryštalický poriadok
Malé pravidlá, ktoré sa dôsledne opakujú, môžu vytvoriť veľkú a spoľahlivú štruktúru.
Význam prímesí
Malý nový prvok niekedy systém nerozbije, ale dodá mu úplne novú funkciu.
Polovodičový stav
Nie všetko musí byť úplne otvorené alebo úplne uzavreté – hodnota môže spočívať v riadenom prechode.
Signál
Informácia nadobúda význam až vtedy, keď má cestu, smer a jasný stav.
Od kameňa k myšlienke
Ten istý materiál môže zohrávať úplne odlišnú úlohu, keď sa zmení kvalita jeho čistoty, štruktúry a usporiadania.
Rituál jasného systému
Táto suchá symbolická praktika je určená na prácu alebo projekt, ktorý pozostáva z mnohých samostatných detailov, no zatiaľ nemá jasnú fungujúcu štruktúru.
Čo budete potrebovať
- jednej vzorky kremíka;
- hárku papiera;
- pera;
- jednej zložitej úlohy alebo projektu.
Štyri hlavné prepojenia
Zapíšte štyri najdôležitejšie časti projektu, bez ktorých by systém nemohol fungovať.
Pravidlo mriežky
Ku každej časti napíšte jedno jasné pravidlo, podľa ktorého má fungovať.
Signálová cesta
Nakreslite, ako sa informácia, rozhodnutie alebo materiál pohybuje z jednej časti do druhej.
Užitočná prímes
Pomenujte jednu malú zmenu, ktorá by mohla systému poskytnúť novú funkciu alebo odstrániť najväčšiu prekážku.
Zaklínadlo
Položte kremík do stredu listu a trikrát vyslovte:
Vidím súvislosti, vytváram poriadok,
systém spájam malými jednotkami.
Záver
Povedzte: „Nemusím všetko vytvoriť naraz. Stačí presne spojiť ďalšiu najdôležitejšiu časť.“
Najčastejšie otázky o kremíku
Čo je kremík?
Je kremík kov?
Je kremík minerál?
Aká je kryštalická štruktúra kremíka?
Aká je tvrdosť kremíka?
Prečo je kremík polovodič?
Čo je kremík typu n a typu p?
Sú kremík a oxid kremičitý to isté?
Sú kremík a silikón to isté?
Čo symbolizuje kremík v modernej predstavivosti?
Kremík ukazuje, ako tá istá atómová vlastnosť môže vytvárať hory, priehľadný kremeň, solárne články aj mikroskopické logické hradlá
V prírode kremík takmer vždy existuje vo väzbách s kyslíkom a ďalšími prvkami a vytvára obrovskú rozmanitosť silikátových minerálov.
V priemysle sa získava z oxidu kremičitého, čistí sa a necháva sa vyrásť do podoby usporiadaných monokryštálov.
Po pridaní veľmi malého množstva vhodných prímesí sa v mriežke objavia ďalšie elektróny alebo diery a elektrický signál sa stane ovládateľným.
V chémii je kremík štrnástym prvkom. V symbolickom jazyku nám môže pripomenúť, že zložité systémy nemusia vzniknúť z jedného veľkého riešenia – vznikajú vtedy, keď sa množstvo malých súvislostí usporiada tak presne, že začnú fungovať ako jedna myšlienka.