2. Кристаллическая решетка кремния

Кристаллическая решётка вещества – это упорядоченное расположение частиц (атомов, молекул, ионов) в строго определённых точках пространства. Точки размещения частиц называют узлами кристаллической решётки. В зависимости от типа частиц, расположенных в узлах кристаллической решётки, и характера связи между ними различают 4 типа кристаллических решёток: ионные, атомные, молекулярные, металлические.

Атомными называют кристаллические решётки, в узлах которых находятся отдельные атомы, которые соединены очень прочными ковалентными связями. В природе встречается немного веществ с атомной кристаллической решёткой. К ним относятся бор, кремний, германий, кварц, алмаз. Вещества с атомной кристаллической решёткой имеют высокую температуру плавления, обладают повышенной твёрдостью.

Кристаллическая решётка характеризуется периодической повторяемостью структуры. Благодаря такой периодичности для описания кристаллической структуры достаточно знать размещение атомов в элементарной ячейке. Структура кристалла образуется путём параллельных дискретных переносов (трансляций) этой ячейки. В соответствии с симметрией кристалла его элементарная ячейка может иметь разные формы: куба, косоугольного или прямоугольного параллелепипеда, треугольной, четырехугольной или шестиугольной призмы. Наличием у кристаллов такой кристаллической решётки объясняются анизотропия кристаллов, плоская форма их граней, постоянство углов и другие законы кристаллографии. Кристаллическая структура не является статической конструкцией. Образующие её атомы или молекулы колеблются около определённых положений равновесия. С повышением температуры колебания частиц усиливаются, что приводит к разрушению кристаллической решётки и к переходу вещества из кристаллического состояния в жидкое.

В чистом виде кре́мний был выделен в 1811 году французскими учеными Жозефом Луи Гей-Люссаком и Луи Жаком Тенаром. Кристаллическая решетка кремния – кубическая гранецентрированная, типа алмаза, параметр решётки (а) равен 0,54307 нм (при высоких давлениях получены и другие полиморфные модификации кремния), но из-за большей длины связи между атомами кремния по сравнению с длиной связи между атомами углерода, твёрдость кремния значительно меньше, чем алмаза. Кремний хрупок, только при нагревании выше 800 °C он становится пластичным веществом. Интересно, что кремний прозрачен к инфракрасному излучению, начиная с длины волны 1.1 мкм.

Содержание кремния в земной коре составляет по разным данным от 27,6 до 29,5 %. Таким образом, по распространённости в земной коре кремний занимает второе место после кислорода.

Монокремний характеризуется наличием тетраэдрических ковалентных связей: у каждого атома имеется четыре ближайших соседа, находящихся на равном расстоянии, причём угол между направлениями на любые два из них равен 120^O. Таким образом, каждый атом находится в центре правильного тетраэдра, четыре вершины которого связаны с этим атомом ковалентными связями.

Следует особо оговорить, какие именно частицы принадлежат ячейке, чтобы не учитывать одни и те же по нескольку раз, так как каждая грань является общей для двух параллелепипедов, ребро – для четырех, а вершина – для восьми.

На словах структуру алмаза можно описать так. Это гранецентрированная кубическая решетка с четырьмя дополнительными частицами (рис. 1).

Рис. 1. Кристаллическая структура кремния

Их положение определим следующим образом. Разобьем кубическую ячейку на восемь маленьких структур, путём деления её тремя плоскостями, параллельными граням и проходящими через центр ячейки. Из полученных восьми кубиков выберем четыре не имеющие общей грани, переходящие один в другой при отражении относительно рёбер кубиков. В центр объема каждого из этих четырёх «восьмушек» поместим по частице. Иначе эту решётку можно представить как две гранецентрированные решетки, смещенные одна относительно другой на четверть главной диагонали куба.

Итак, кристаллическая решетка кремния состоит из тетраэдров (рис. 1); расстояние между смежными атомами около 0,25 нм. Ребро элементарной ячейки это постоянная решетки a , равная 0,54307 нм.