Wyhodowany kryształ krzemu jest poddawany obróbce. Najpierw nadaje mu się postać walca o dopasowanej do wymogów linii przemysłowych średnicy, po czym tnie się na płytki. Po wypolerowaniu płytki stają się idealnym materiałem do budowy elementów elektronicznych. W przypadku kryształów krzemu płytki mają zazwyczaj średnice 20-30 cm, a niedługo powinny się one zwiększyć nawet do 45 cm. Przy związkach półprzewodnikowych średnice są mniejsze, od 5 do 15 cm, gdyż kryształy są trudniejsze do wyhodowania.

Różne rodzaje monokryształów wyprodukowanych metodą Czochralskiego, przeznaczonych do zastosowań optycznych. W lewym dolnym rogu widoczne gotowe pręty laserowe. (Źródło: ITME)

Najczystsze chemicznie fragmenty kryształów, o najdoskonalszej strukturze krystalicznej, są wycinane i używane jako zarodki przy wytwarzaniu kolejnych kryształów. Proces otrzymywania kryształów jak najwyższej jakości przypomina więc prawdziwą hodowlę.

Metoda Czochralskiego stała się fundamentem współczesnego przemysłu elektronicznego. Ocenia się, że aż 90% urządzeń półprzewodnikowych powstaje właśnie dzięki niej. W Polsce na największą skalę metodę wykorzystuje Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych w Warszawie. Znaczenie wynalazku jest ogromne i wciąż wzrasta. Świadczy o tym fakt, że liczba publikacji naukowych odwołujących się do pracy prof. Czochralskiego w ostatniej dekadzie wzrosła niemal dwukrotnie, a liczba cytowań — niemal trzykrotnie. Prof. Czochralski wciąż jest najczęściej cytowanym polskim uczonym.

Cywilizacja monokryształów. Gdzie można znaleźć kryształy wyhodowane metodą Czochralskiego?

Na słowa „metoda Czochralskiego" niejeden lekceważąco wzruszy ramionami. „Też coś! To przecież tylko jakieś tam kryształy!". Tak, ale bez tych kryształów elektronika nigdy nie stałaby się powszechna. Komputery nadal byłyby maszynami ważącymi tony, zajmującymi całe pokoje, żrącymi prąd godny małych elektrowni i tak drogimi i awaryjnymi, że byłoby ich co najwyżej kilka na kraj. Na szczęście teraz elektronika jest już wszędzie. Mogła stać się popularna, bo dzięki kryształom Czochralskiego wyprodukowanie jednego tranzystora jest dziś tańsze od wydrukowania jednej litery w książce.

Laboratorium im. prof. Jana Czochralskiego w Instytucie Technologii Materiałów Elektronicznych w Warszawie. (Źródło: ITME)

Wartość światowego rynku elektroniki i powiązanych z nią usług jest szacowana na wiele bilionów dolarów rocznie. Aż 90% tego rynku funkcjonuje dzięki monokryształom krzemu wytwarzanym metodą Czochralskiego!

Różne rodzaje monokryształów wyprodukowanych metodą Czochralskiego. Widoczne surowe kryształy, częściowo oszlifowane, a także gotowe płytki krzemowe i pręty laserowe. W lewym dolnym rogu przykłady urządzeń elektronicznych działających dzięki monokryształom Czochralskiego. (Źródło: ITME)

Od elektroniki zależy dziś cała cywilizacja. Nasza wygoda, rozrywka, praca, a nawet bezpieczeństwo. Elektronika, a wraz z nią kryształy wyhodowane metodą Czochralskiego, jest w zegarkach, telefonach, odtwarzaczach MP3, nawigacji GPS, w telewizorach, cyfrowych aparatach fotograficznych, kuchenkach mikrofalowych, pralkach i lodówkach, dekoderach telewizyjnych, konsolach do gier, telewizorach, a nawet w naszych kartach kredytowych i rowerach (w diodach świecących ich lamp). Steruje ruchem samochodów i pociągów, utrzymuje w powietrzu samoloty. Pozwala chronić majątek, walczy o zdrowie i życie pacjentów w szpitalach. Lecz przede wszystkim elektronika — a wraz z nią kryształy Czochralskiego — to jądro smartfonów, tabletów, laptopów i wszelkich komputerów, które są siłą napędową niemal każdej dziedziny życia współczesnego człowieka.

2. Współczesny piec do hodowania monokryształów metodą Czochralskiego, jego wnętrze i wygląd tygla z zasymulowanym wyciąganiem kryształu szafiru. Zdjęcia z laboratorium im. prof. Jana Czochralskiego w Instytucie Technologii Materiałów Elektronicznych w Warszawie. (Źródło: ITME)

Elektronika konsumencka korzysta z monokryształów krzemu. Nie są to jedyne kryształy otrzymywane metodą Czochralskiego. Powstają dzięki niej na przykład kryształy piezoelektryczne (w których naprężenia mechaniczne prowadzą do gromadzenia się ładunku elektrycznego) i akustooptyczne (np. z dwutlenku telluru; pod wpływem fal dźwiękowych zmieniają one własności światła laserowego). Te z kryształów Czochralskiego, które wykazują tzw. własności nieliniowe, są kluczowym elementem wielu układów optycznych, od laserów wielkich mocy po sprzęt przeznaczony do kryptografii kwantowej. Kryształy z fosforku indu znajdują zastosowania w optoelektronice, m.in. przy produkcji laserów półprzewodnikowych i detektorów dalekiej podczerwieni. Kryształy antymonku galu i antymonku indu to z kolei świetne materiały na nie tylko na detektory podczerwieni, ale i ultrafioletu. Zbudowane dzięki nim urządzenia mogą w przyszłości pomagać na przykład strażakom w ocenie rodzaju płonących substancji.

3. Kryształ arsenku galu wyhodowany w Instytucie Technologii Materiałów Elektronicznych w Warszawie. Widoczny pręt, za pomocą którego kryształ był wyciągany z wnętrza tygla. (Źródło: ITME)

Monokryształy z odpowiednich związków są używane jako podłoża pod wysokotemperaturowe warstwy nadprzewodników lub pod warstwy arsenku galu. Natomiast kryształy samego arsenku galu są postrzegane przez wielu jako następcy krzemu w elektronice. Już dziś wiele urządzeń mikrofalowych i optoelektronicznych działa dzięki kryształom GaAs. Ale metoda Czochralskiego przydaje się także w badaniach nad spintroniką, dziedziną nauki i techniki uważaną za następczynię elektroniki. Nadzieję na zastosowania spintroniczne budzą m.in. monokryształy niektórych związków międzymetalicznych.

4. Monokryształy krzemu i niobianu litu wyhodowane metodą Czochralskiego. (Źródło: ITME, jch)

We wskaźnikach laserowych i mikrolaserach są używane m.in. kryształy wanadianu itru domieszkowanego neodymem. Odpowiednio domieszkowane granaty itrowo-glinowe to kluczowy element nowoczesnego sprzętu telekomunikacyjnego. W holografii do zapisywania i wzmacniania obrazu używa się kryształów niobianu wapniowo-barowego. Z fosforku galu wykonuje się soczewki o unikatowych własnościach. Z kolei monokryształy z grupy perwoskitów, domieszkowane jonami ceru, pod wpływem promieniowania gamma generują błyski światła. Własność ta ma kluczowe znaczenie w detektorach tomografów PET, które są jednymi z najdoskonalszych narzędzi obrazowania wnętrza ludzkiego ciała. Natomiast odpowiednio domieszkowane kryształy granatów są świetnym materiałem na lasery medyczne — idealnie sterylne skalpele, dzięki którym można przeprowadzać bezpieczne i niemal bezkrwawe operacje, zarówno chirurgiczne, jak i kosmetyczne.

Dzięki komputerom i internetowi świat staje się globalną wioską. Lecz tak naprawdę przekształca się w nią dzięki kryształom Czochralskiego. Bez nich nie moglibyśmy nawet marzyć o efektywnej interakcji między ludźmi rozsianymi po wszystkich kontynentach — interakcji pozwalającej wspólnie realizować wielkie projekty biznesowe i naukowe, przede wszystkim zaś zdolnej przełamywać uprzedzenia historyczne i ideologiczne. Dzięki metodzie pewnego profesora z Kcyni świat powoli staje się coraz bardziej spójną całością.

Podobna tematyka na: Jan Czochralski, Polskie Stowarzyszenie Dziennikarzy Naukowych, Strona Roku Czochralskiego

Dodaj komentarz do strony..   Zobacz komentarze (15)..

Wyślij mailem..

Wersja do druku    PDF    MS Word