Кремний

Кремний — это материал, на котором покоится вся электроника, а в нейтриновольтаике он образует одну половину наслоения, вторая половина которого — графен.

Второй по распространённости элемент земной коры

После кислорода кремний с примерно 28 процентами — самая частая составляющая земной коры. Он содержится в обычном песке, в кварце, почти в любой горной породе.

В чистом виде в природе он, однако, никогда не встречается. Путь от песка к полупроводниковому кристаллу — один из самых трудоёмких в промышленности: восстановление в дуговой печи, очистка через трихлорсилан, наконец вытягивание монокристалла по методу Чохральского. Для микроэлектроники требуется чистота 99,9999999 процента — на миллиард атомов кремния приходится самое большее один чужеродный атом.

Почему именно кремний

Причина — запрещённая зона. В твёрдом теле электроны могут принимать лишь определённые энергии; между заполненной валентной зоной и пустой зоной проводимости у полупроводника зияет разрыв. У кремния он составляет 1,12 электронвольта.

Это значение выбрано счастливо — не людьми, а природой. Оно достаточно велико, чтобы тепловое движение при комнатной температуре не перебрасывало электроны через неё постоянно, и достаточно мало, чтобы это можно было делать целенаправленно: светом, электрическим полем, введёнными чужеродными атомами.

Именно на этом основаны транзистор, солнечный элемент и датчик изображения.

Легирование

Если внести в кристаллическую решётку чужеродные атомы, поведение меняется в корне.

Фосфор имеет на один внешний электрон больше, чем кремний. Лишний электрон не находит партнёра по связи и становится подвижным — говорят о легировании n-типа.

Бор имеет на один меньше. Возникает дефектное место, которое ведёт себя как положительный заряд, — легирование p-типа.

Если свести обе области вместе, возникает p-n-переход, а он пропускает ток только в одну сторону. Это выпрямление — ядро всякой полупроводниковой техники, и оно же та точка, от которой отталкивается нейтриновольтаика.

Кремний в нейтриновольтаике

Патент WO2016142056A1 описывает плёнку, на которой попеременно осаждены графен и кремний — от десяти до двадцати слоёв, в частности двенадцать. Доля кремния указывается от 10 до 80 процентов, особенно предпочтительно 25 процентов. Размер частиц должен лежать между 5 и 500 нанометрами.

Это указание размера — самая интересная часть. Кремний в нанометровом диапазоне ведёт себя иначе, чем массивный кристалл: запрещённая зона смещается, отношение поверхности к объёму становится очень большим, а границы раздела приобретают вес по сравнению с внутренней частью.

Роль, которая отводится кремнию в изложении группы, — это роль проводящей среды: он принимает движение, порождённое в графеновой решётке, и передаёт его дальше несущему материалу. Графен даёт структуру, кремний — путь для заряда.

Отличие от солнечного элемента

Солнечный элемент тоже использует кремний, но иначе. Там падающий фотон перебрасывает электрон через запрещённую зону; без света не происходит ничего. Элемент — это поверхность, и его выработка растёт вместе с этой поверхностью.

Основное уравнение нейтриновольтаики, напротив, интегрирует по объёму. Стало быть, выработка должна расти с числом слоёв, а не с освещённой поверхностью. Подробнее об этом на странице Фотовольтаика в сравнении.

Прочие применения

Кремний — к тому же материал многих нейтринных детекторов. Полупроводниковые детекторы из высокочистого кремния или германия очень точно измеряют энергии — они стоят за поиском безнейтринного двойного бета-распада и за малыми детекторами для когерентного рассеяния на атомных ядрах.

Тем самым один и тот же элемент возникает по обе стороны этой вики: как инструмент, чтобы измерять нейтрино, и как строительный материал в попытке получить из них энергию.

Родственные понятия

• Графен — вторая половина наслоения
• Легированный графен
• Патент WO2016142056A1 — указания количеств
• Фотовольтаика в сравнении

Источники

• WIPO: WO 2016/142056 A1, пункты формулы о составе и размере частиц.
• Neutrino® Energy Group: Neutrinovoltaic, neutrino-energy.com.