Самый ценный кристалл

Демина М.
(«ХиЖ», 2011, №5)
Выращивать кристаллы люди научились сравнительно недавно. Первыми были получены искусственные самоцветы — рубины и сапфиры. Уже в начале XX века они производились в промышленном масштабе. Спрос на красивые ювелирные камни был всегда, но, начиная с середины прошлого века, не они, а ничем внешне не примечательные технические кристаллы, обладающие поистине фантастическими свойствами, становятся самыми востребованными и дорогими. Это, например, кристаллы кварца, прозрачные для ультрафиолета, пьезоэлектрические кристаллы (дигидрофосфат аммония, сегнетова соль), нелинейно-оптические кристаллы (метаборат бария, триборат лития), превращающие невидимые инфракрасные лучи в видимый свет, полупроводники германий и селен, лазерные рубины, монокристаллы вольфрама и молибдена. Даже благородный красавец алмаз — кристалл углерода — больше ценится как сверхтвердый материал, нежели украшение.

Без преувеличения можно сказать, что самый ценный кристалл современности и ближайшего будущего, царь и бог кристаллов — скромный, невзрачный с виду кремний. Старт его восхождению на кристаллический Олимп был дан в 1954 году американским физиком Гордоном Тилом, сделавшим первый кремниевый транзистор. В 1959 году появилась первая интегральная микросхема на кремниевом кристалле. Теперь монокристаллическая кремниевая пластина — основа всех микросхем.

Место кремния в таблице Менделеева — прямо под углеродом. Если углерод — основа органического мира, то кремний — мира минералов и горных пород. Запасы его огромны — около 28% массы земной коры приходится на кремний. Встречается он в виде кремнезема, силикатов и алюмосиликатов. Все природные кристаллические вещества — как правило, поликристаллы, то есть множество слепленных друг с другом мелких, хаотически ориентированных монокристалликов, с примесями, трещинами и дефектами. Технический же монокристалл должен иметь высокую степень химической чистоты и идеальную кристаллическую структуру.

Вырастить кристалл можно разными способами: кристаллизацией из расплава, из раствора или из газовой фазы. Именно так превращается в лед замерзающая вода, выпадает в осадок соль при испарении, образуются снежинки при охлаждении пара. Технические кристаллы выращивают из расплавов, и растут они не в садах, а в цехах заводов с самым современным оборудованием.

Для микроэлектронной промышленности (микросхем, твердотельных электронных приборов) нужен сверхчистый кремний — как говорят, электронного качества, с содержанием его 99,999% по весу. Чуть менее чистый, с содержанием кремния 99,99%, используется в фотоэлектрических панелях и называется кремнием солнечного качества. Давайте посмотрим, как растет кремниевый монокристалл.

Более 80% электронного кремния получают методом Чохральского, названным в честь польского химика начала XX века (см. «Химию и жизнь», 2002, № 1, «Как выращивают камни»). Однажды он нечаянно уронил в тигель с расплавленным оловом металлическое перышко. Медленно вытаскивая его, чтобы не обжечься, ученый заметил, что перо тянет за собой нитку застывающего олова. Оказалось, она представляет собой монокристалл. Почти полвека никто не вспоминал о Яне Чохральском. Наконец в 1950 году в США его методом впервые был успешно выращен полупроводниковый монокристалл германия.

По методу Чохральского монокристалл растет благодаря перемещению атомов из жидкой фазы вещества в твердую на поверхности границы раздела. Во вращающийся кварцевый тигель с расплавленным кремнием при температуре чуть выше точки плавления помещают так называемую затравку — крошечный «зародыш» будущего кристалла. Он имеет заданную упорядоченную структуру и определенную кристаллографическую ориентацию. Растущий кристалл тоже вращается, но в сторону, противоположную вращению тигля. Когда расплав обволакивает затравку, на ее поверхности образуется неподвижный жидкий слой. Атомы кремния в нем выстраиваются в таком порядке, чтобы продолжить, достроить кристаллическую решетку затравочного кристалла. Процесс идет в вакууме или разреженной атмосфере аргона. Специальный механизм постепенно вытягивает монокристалл из расплава. Чем меньше скорость роста, тем совершеннее он будет. Готовый кристалл представляет собой цилиндрический слиток диаметром до 300 мм и длиной до двух метров.

Для расплава используют поликристаллический кремний, получаемый многоступенчатой очисткой металлургического или технического кремния, который, в свою очередь, восстанавливается из кварцевого песка коксом при температуре 1800 C. Значит, есть доля истины в словах тех, кто утверждает, что начинку компьютеров делают из песка.

Итак, прекрасный цветок — монокристалл сверхчистого кремния — выращен и сорван, то есть вытянут из тигля. Что дальше? В отличие от срезанной розы ему уготована долгая жизнь. Он станет сложнейшим электронным прибором, например микропроцессором — мозгом и сердцем компьютера. Или солнечной батареей — фотоэлектрической панелью, преобразующей солнечное излучение в электричество, надежным источником энергии на Земле и в космосе.

123

Разные разности

07.07.2020 18:00:00

…проект ИТЭР по созданию крупнейшего в мире термоядерного реактора прошел важную веху — на место установлено основание криостата, самая большая и тяжелая часть токамака...

…созданы структуры для фотосинтеза, более эффективного, чем природный, — капли размером с клетку, содержащие мембраны хлоропластов шпината и компоненты ферментативного цикла для синтеза органических молекул из углекислого газа…

…каждая третья женщина европейского происхождения имеет «неандертальский» вариант рецептора гормона прогестерона, связанный с повышенной рождаемостью, более редким кровотечением на ранних сроках беременности и меньшим количеством выкидышей…


>>
20.05.2020 18:30:00

Вакцины – какие, сколько и на какой стадии?

Даже когда острая фаза пандемии COVID-19 закончится и меры карантина больше не будут нужны, сам вирус никуда не денется, а продолжит жить среди нас. Самый эффективный способ от него защититься – сделать вакцину.

>>
18.05.2020 19:00:00

Коронавирусы: в семье не без урода

Найдены молекулярные отличия более патогенных коронавирусов от менее патогенных. Пока не вполне ясно, как эти отличия работают. Но возможно ученые смогут понять, почему настолько похожие инфекционные агенты приводят к таким разным последствиям для человека.

>>
13.05.2020 17:00:00

…из-за снижения транспортных потоков во время пандемии коронавируса уменьшились сейсмические шумы в коре Земли; специалисты считают, что это облегчит мониторинг слабых землетрясений, вулканической активности и других сейсмических событий...

…6 марта с мыса Канаверал стартовала миссия Space X CRS-20, которая доставит на МКС 250 пробирок со стволовыми клетками человека; на протяжении месяца они будут развиваться в кости, хрящи и другие ткани в условиях невесомости...

…по мере того как на рынок выходят художественные произведения, разработанные с помощью генеративных алгоритмов и когнитивной робототехники, встает вопрос об авторском праве на них…

>>
05.05.2020 17:00:00

Смартфон может незаметно передавать секретные сведения посторонним через неучтенную разработчиками прореху на границе между столом и смартфоном. Как же это может быть? Ответ в ходе серии экспериментов получили исследователи из Вашингтонского университета.

>>