Використання кристалів у техніці призвело до багатьох технологічних зрушень. Хоча кристали люди цінували протягом історії здебільшого як будівельні матеріали або декоративні предмети.
Сьогодні їх все більше використовують як технологічні матеріали. Сонячні елементи та напівпровідники – це дві останні розробки, засновані на унікальних властивостях певних кристалів. Рідкі кристали – ще одне джерело захоплюючих можливостей для майбутнього.
Використання кристалів у техніці
Сонячні елементи
Говорячи про використання кристалів у техніці, перш за все слід згадати про сонячні батареї. Сонячні батареї, мабуть, звичні для всіх нас, оскільки багато хто з нас мають калькулятори на сонячних батареях або бачили сонячні батареї на різних космічних апаратах.
Для усіх доступні недорогі іграшки на сонячних батареях. Енергію, що виробляється сонячним елементом, також називають фотоелектричною енергією.
Сонячна батарея виготовлена з кристалів кремнію, який наповнений домішкою, такою як бор. Кремній має міцно зв’язаний тетрагональний кристал з парами ша-червоних електронів, що об’єднуються з чотирма сусідами. Коли бор додають як замісну домішку, він буде ділити свої три валентні електрони з трьома сусідніми кремнія, але йому не вистачає четвертого електрона, щоб ділитися з четвертим сусідом кремнію.
Цю відсутність електрона називають діркою.
Отже, додавання бору призводить до «дірки», яка вважається позитивним зарядом.
Далі ми дифузуємо дуже тонкий шар фосфору у верхню частину борного кремнію. Фосфор відрізняється від бору тим, що він має п’ять валентних електронів, на один більше, ніж йому потрібно для приєднання до стабільного зв’язку з кремнієм.
Отже, цей зайвий електрон може вільно рухатися між електронними оболонками, в деяких випадках заповнюючи дірки бору, але зазвичай це призводить до надлишку електронів, що рухаються навколо. Вони називаються електронами провідності.
Як працює сенсорний екран, та які бувають види сенсорних екранів?
Область кремнію з дірками називається «шаром p-типу», а область з надлишком електронів провідності називає «шаром n-типу».
Коли електрони провідності рухаються, щоб заповнити отвори, трапляється особлива річ. Атоми бору, які забирають електрони в свої дірки, тепер стають негативними іонами! І фосфор, який видав електрон провідності, тепер стає позитивним іоном!
Це призводить до межі, яка називається pn-переходом, де дірки з їх позитивним зарядом та електрони з їх негативним зарядом відштовхуються від заряджених іонів.
Отже, надлишкові електрони провідності не можуть рухатися через межу, щоб заповнити дірки. Це призводить до накопичення електронів у шарі n-типу, а дірки збираються в шарі p-типу.
Електрони рухаються до сторони p-типу, а дірки (позитивні) рухаються до сторони n-типу до досягнення динамічної рівноваги. Іонізований бор відштовхує подальший рух електронів, а іонізований фосфор – подальший рух дірок (позитивні).
Коли фотони вражають сонячну батарею, зв’язані електрони відбиваються прямо зі своїх позицій, створюючи набагато більше n-електронів провідності та дірок по обидві сторони переходу.
Оскільки на стороні n-типу вже стільки електронів і стільки дірок на стороні p-типу, додаткові нові – це лише незначна частка; але, роблячи нові дірки на стороні n-типу та нові електрони провідності на стороні p-типу, сонячна батарея стає незбалансованою.
Електрони з боку р-типу рухаються по переходу, створюючи потік електронів, або електрику! Цей потік переміщує електрони через шар n-типу на провідну дротяну сітку, яка з’єднана з ланцюгом, який завершений кріпленням до шару p-типу.
Транзистори
Транзистори побудовані з тих самих типів матеріалів, що описані в розділі про сонячні елементи.
Ці матеріали називаються напівпровідниками, і коли вони з’єднані між собою, утворюють pn-перехід, на який впливає додавання диференціала напруги, розміщеного на ньому, а не вплив фотонів сонячного світла.
Коли ці тонкі шари напівпровідників з’єднані між собою, вони складають транзистор, який можна використовувати для регулювання потоку електронів у ланцюгах, виявлення та посилення радіосигналів, створення коливань у передавачах та функціонування цифрових перемикачів.
Ці крихітні тверді речовини були першими електричними компонентами, в яких матеріали з різними електричними характеристиками фізично з’єднувались структурним контактом, а не дротами.
Електрика в житті людини: цікаві факти
Рідкі кристали
Інша цікава кристалічна технологія, коли ми говоримо про використання кристалів в техніці, включає кристал, який не є твердим тілом.
Температура плавлення чистої кристалічної речовини дуже точна. А в деяких випадках кристалічні властивості твердого кристала переходять у рідкий стан.
Є багато сполук, які зроблять це. Їх атомна структура залишається цілком впорядкованою, навіть приймаючи інші характеристики типових рідин, таких як заливання або набуття форми контейнера.
Вибіркове відбивання білого світла на різні його спектральні компоненти цими рідкими кристалами можна спрямовувати і контролювати за допомогою теплових, акустичних, електричних, магнітних і навіть механічних засобів.
Наручні годинники – це рідкі кристали. Скло вікна можна зробити неяскравим або чітким залежно від інтенсивності сонячного світла, що проходить через нього.
Захоплюючим футуристичним застосуванням рідкого кристалу стали б плоскі пластини або екрани, підвішені на стінах, на яких відображаються телевізійні зображення.
Найпростіший випадок дисплей першого покоління з одним електричним проводом, підключеним до одного елемента зображення, утворює семисегментні цифрові дисплеї, як це видно на годинниках.
Дисплеї другого покоління приєднують чотири елементи зображення до одного електронного провідника і відображають сім номерів сегментів, а також форми зірок, які можуть утворювати літери або цифри, що використовується у кишенькових калькуляторів.
Складніші проводки та рідкі кристали з гвинтовим (спіральним) положенням осі можуть відображати від 5-32 елемента на один електричний провід і використовуються для персональних комп’ютерів. Найновіші експериментальні версії здатні створювати дисплеї телевізійних зображень на плоскій підкладці.
Рідкі кристали є справжніми рідинами, але також мають деякі тверді властивості. Їх внутрішній порядок дуже делікатний і може бути змінений слабким електричним полем, магнетизмом або навіть коливанням температури.
Помітні оптичні ефекти є результатом перебудови молекул і наслідком змін рефракції (вигин світла), відбиття, поглинання, розсіювання або забарвлення видимого світла на їх поверхні.
Рідкі кристали модифікують навколишнє світло, а не випромінюють власне світло, і тому забезпечують мінімальну кількість енергії.
Типовий РК-дисплей (рідкокристалічний пристрій) використовує один мікроватт на квадратний сантиметр площі дисплея.
Деякі рідкі кристали чутливі до температури і використовуються як компонент термометрів. Вони можуть бути використані в діагностичних засобах для виявлення раку, легеневих захворювань та судинних захворювань. Їх драматичні кольорові варіації спричинені спіральним коливанням молекул на 360 градусів!
Рівномірне вихідне положення кристалів є важливим для їх корисності. Рідкі кристали можна вирівняти, «натираючи» основу. Донедавна це було недостатньо зрозумілим, але в будь-якому випадку використовувалося як стандартна практика.
Хоча технологія рідких кристалів була нещодавно використана людиною для діагностичних інструментів, дисплеїв, нових матеріалів, таких як кевлар та технологія видобутку нафти, природа використовувала ці своєрідні молекули в живих системах давно.
У структурі клітинних мембран і деяких тканин є рідкі кристали. Загартовування артерій є результатом осадження рідких кристалів холестерину, клітини, що беруть участь у серповидно-клітинній анемії, мають рідкокристалічну структуру.
Використання кристалів у техніці – куди ми рухаємося?
У цьому поколінні технологічний розвиток кристалів почав розвиватися від напівпровідників до транзисторів до інтегральних схем до мікросхем. Завжди все стає меншим, але з значно збільшеними можливостями обробки інформації.
Кристали є опорою для космічної та військової промисловостей, роблячи можливим неможливе у далеких космічних подорожах, розвиваючи супутникові технології та точність зброї.
Сонячні елементи стають все більш ефективними та поширеними, і в міру збільшення наших енергетичних проблем інтерес до сонячних технологій також зростає.
Джерело: teachersinstitute.yale.edu/
