シリコンの金属光沢

質問

もしシリコン結晶を0〔K〕以下の温度にした場合、結晶中の自由電子が全てフェルミ準位以下に納まってしまうということですから、当然金属光沢もなくなるのでしょうか？

金属光沢のないシリコン結晶の写真などが掲載されているHPなどがありましたら是非教えてください。
よろしくお願いします。

回答No.5

nzw · ベストアンサー

シリコンの金属光沢は、金属のような自由電子に由来するものではありません。
・シリコンは可視光全域で、価電子帯から伝導帯への励起による吸収を起こす
・可視域で高い屈折率を示すため、高い反射率を持つ
この組み合わせにより、金属のような光沢を持つのです。

これらの現象は、キャリア凍結領域でも起こりますので、液体ヘリウム
温度以下でも金属光沢はそのままです。可視光に対して透明になる
ということはありえません。

４Ｋ程度であれば、ガラスデュワーでも簡単に達成できますので、
観察は容易です。私はもう少しいいクライオスタットで、
超流動ヘリウムによりもう少し低い温度で実験をし、シリコン基板を
目視したことがありますが、当然見かけは変化しません。

常温状態での間接吸収端が1100nm程度、液体ヘリウム温度程度での
間接吸収端は1050～60nm程度ですから、YAGの波長(1064nm）前後
では、常温で不透明であったものが、極低温で透明になるということは
おこります。

お礼

解説ありがとうございます!!
素朴な疑問でしたが、ご解答のおかげで理解できました。
そういう理由で光沢がなくなるなら教科書に載っててもおかしくないですもんね。

くわしい解答ありがとうございます。

回答No.4

leo-ultra

大学の先生でもよく間違えている人がいるのですが、
シリコンは「金属光沢」ではありません。
そもそも金属光沢の原因である金属の反射率はほぼ１００％ですが、
シリコンの可視域での反射率は３０％程度です。

じゃあ、なんで「光沢」があるのかはよくわかりません。
関係ありそうなこととして、
・面が鏡面研磨されている⇔鏡面研磨されてないSiを見たことありますか？　全然「光沢」ありません。
・単結晶だから、微小結晶粒による乱反射がない。⇔瀬戸物は絶縁体で単結晶だったら透明のはずが、微小結晶粒で乱反射して白く見える。
・間接吸収端が赤外にあって、直接吸収端が紫外にある。間接吸収は弱いので可視域でそれほど急激に変わらないため、反射の波長依存性が弱い。色のついてない鏡となる。
・誘電率が高いので、非金属にしては反射率が高い。

たぶんたとえがよくないかもしれませんが、水たまりが鏡になるのと同じ理屈ではないでしょうか？

蛇足ですが、
＃３様> 絶縁体です。そうであれば透明になるでしょう。
絶対零度でもバンド間遷移の光吸収は起こります。
シリコンのバンド端が近赤外域にあるので、可視光は全部吸収ですので
透明になりません。
> 共有結合に使われている電子を自由電子と同等と見てフェルミ準位までのつまり具合だけで区別するというのはいかにも荒っぽいです。

逆に化学の人は伝導帯は結晶全体に広がった自由な電子に近くて、
価電子帯は原子に束縛された電子に近いと言います。でもそれだと、
正孔による電気伝導の説明が難しくなる。

そもそも今のエレクトロニクスがどっちの立場を元にして発展したのかを考えれば、自ずと優劣がつくと思います。

お礼

えええぇ！
金属光沢じゃなかったんですね！
砒素のような半金属が金属光沢をもつくらいだから、シリコンもてっきり励起した自由電子による金属光沢だとばかりおもってました。
たしかによくよく考えてみると金属より自由電子の数が圧倒的に少ないですもんね。

ようするに金属光沢かそうでないかってのは見た目じゃわからないってことですね。

詳しい解答ありがとうございます。

回答No.3

htms42

シリコンの電気伝導性は自由電子によるものですか。
半導体ですね。
不純物のないシリコンは温度を下げていくとダイヤモンドと同じ構造のものになると考えていいだろうと思います。絶縁体です。結合は共有結合です。そうであれば透明になるでしょう。

フェルミ準位というのは元々は金属の自由電子に対しての概念ですね。
絶縁体、半導体に対しても当てはめている場合があるのは他に適当なモデルがないということから来る苦し紛れのものであるように思います。
共有結合に使われている電子を自由電子と同等と見てフェルミ準位までのつまり具合だけで区別するというのはいかにも荒っぽいです。化学の分野でこういう取り扱いをすることはありません。あくまでも別物です。でも物理の分野では４０年前と変わっていません。ずっとこの立場ですね。

お礼

なるほどぉ。透明になるんですね。
透明になる単結晶シリコンの塊の写真か映像みてみたいなぁ^^)

物理屋と化学屋さんでフェルミ準位の位置付けがそんなに違うっていうのは初めて知りました。
自分は電気科の出身なので物理屋よりの考え方です。
確かに、半導体の禁制帯のど真ん中にフェルミ準位があるというのは違和感を感じていました。
そういうことだったんですね。
でも基準として便利だから使いつづけているんでしょうね、たぶん。

ありがとうございます。

回答No.2

nrb

絶対零度のとき、古典力学的な意味での熱運動は全て停止する。そして、熱力学温度は絶対零度を下回ることはない

ので有り得ない話・・・

お礼

間違えましたぁ(=´Д｀=)ゞ
気づいたころにはもう訂正できなくなってましたｗ
全くその通り、0〔k〕以下なんてあるはずない。

下記のように訂正します。汗
×0〔k〕以下の温度
○低温

回答No.1

sanori

０Ｋ以下の温度って、あるんですか？

お礼

間違えましたぁ(=´Д｀=)ゞ
気づいたころにはもう訂正できなくなってましたｗ
全くその通り、0〔k〕以下なんてあるはずない。

下記のように訂正します。汗
×0〔k〕以下の温度
○低温