يعتبر السيليكون أحادي البلورة مادة شبه موصلة مهمة للغاية، تُستخدم غالبًا في تصنيع الخلايا الشمسية والدوائر المتكاملة وما إلى ذلك في عملية التطبيق، كما أن معامل التمدد الحراري الخاص به هو معلمة مهمة للغاية.

1. معامل التمدد الحراري للسيليكون أحادي البلورة

السيليكون أحادي البلورة مادة تتكون من بلورات سيليكون نقية، بنصف قطر ذري 0.11 نانومتر، وثابت شبكي 0.54 نانومتر. يرتبط حجم معامل التمدد الحراري ارتباطًا وثيقًا ببنية البلورة. تختلف قيم معامل التمدد الحراري للسيليكون أحادي البلورة في اتجاهات مختلفة. في بلورات السيليكون أحادي البلورة، تكون قيم معامل التمدد الحراري في الاتجاهات اليسرى واليمنى، والأمامية والخلفية، والعلوية والسفلى 20.7×10-6/k، و2.6×10-6/k، و2.6×10-6/k، على التوالي. يكون معامل التمدد الحراري في الاتجاهين الأيسر والأيمن هو الأكبر، بينما يكون معامل التمدد الحراري في الاتجاهات الأمامية والخلفية والعلوية والسفلى صغيرًا نسبيًا. يمكن تفسير ذلك ببنية البلورة. البنية البلورية للسيليكون أحادي البلورة عبارة عن نظام بلوري مكعب، وله تماثل ثلاثي المحاور، وثابت شبكي كبير في الاتجاهين الأيسر والأيمن، مما يسهل تمدده عند التسخين.

2. تطبيق معامل التمدد الحراري للسيليكون أحادي البلورة

لمعامل التمدد الحراري للسيليكون أحادي البلورة أهمية تطبيقية هامة في تحضير الخلايا الشمسية والدوائر المتكاملة. عند تصنيع الخلايا الشمسية، تحتاج رقائق السيليكون إلى تركيبها مع مواد متعددة الطبقات. لذلك، من الضروري مراعاة التوافق بين رقائق السيليكون والمواد الأخرى، واختيار ظروف تركيب مناسبة لضمان عدم تشوه البلورة أو كسرها أثناء التسخين والتبريد. عند تصنيع الدوائر المتكاملة، نظرًا لاختلاف معاملات التمدد الحراري بين المواد المختلفة والهياكل البلورية المختلفة، من السهل حدوث إجهاد ضغطي أو شد في طبقة البلورة، مما يؤثر على أداء الجهاز. لذلك، عند اختيار ومعالجة المواد، من الضروري مراعاة خصائص التمدد الحراري للبلورة وتقليل إجهاد الجهاز.

3. هل يتغير معامل التمدد الحراري للسيليكون أحادي البلورة عند درجات حرارة مختلفة؟

أُجريت تجربة باستخدام نظام قياس الانفعال المجهري Xintuo 3D XTDIC-Micro، مع مرحلة بصرية ساخنة وباردة، لاختبار السيليكون أحادي البلورة. بعد خفض درجة حرارة عينة السيليكون أحادي البلورة من 20 درجة مئوية إلى درجة حرارة النيتروجين السائل، تُرفع بعد ذلك إلى 50 درجة مئوية، و75 درجة مئوية، و100 درجة مئوية، و125 درجة مئوية، وتُحفظ لمدة 2-5 دقائق بين كل عملية. تختلف معاملات التمدد الحراري في نطاقات درجات الحرارة المختلفة. على سبيل المثال، 20 درجة مئوية - 50 درجة مئوية هي 2.75 × 10⁻⁶، و50 درجة مئوية - 75 درجة مئوية هي 2.76 × 10⁻⁶، و75 درجة مئوية - 100 درجة مئوية هي 3.12 × 10⁻⁶. التحليل النظري: تغيرات درجة الحرارة تُغير الحالة الحركية الحرارية لذرات السيليكون أحادي البلورة. مع ارتفاع درجة الحرارة، تشتد الاهتزازات الذرية، وتزداد المسافة المتوسطة بين الذرات، ويتغير معامل التمدد الحراري وفقًا لذلك؛ ومع انخفاض درجة الحرارة، يضعف الاهتزاز الذري، وتصبح المسافة بين الذرات مستقرة نسبيًا، ويتغير معامل التمدد الحراري أيضًا وفقًا لذلك.