W obecnych czasach bez monokryształów, lampowe komputery nadal byłyby maszynami ważącymi po kilka ton, zajmującymi całe pomieszczenia, wymagającymi do zasilania prywatnej małej elektrowni, a zarazem tak drogimi jak i awaryjnymi, że byłoby ich co najwyżej kilka na kraj. Dzięki kryształom Czochralskiego wyprodukowanie obecnie jednego tranzystora jest tańsze od wydrukowania jednej litery w książce, tak to nie jest fikcja.
Wartość światowego rynku obecnie stosowanej elektroniki i powiązanych z nią usług jest szacowana na wiele bilionów dolarów rocznie. A ponad 90 proc. tego rynku funkcjonuje dzięki monokryształom krzemu wytwarzanym dzięki metodzie Czochralskiego!
Elektronika, a wraz z nią kryształy wyhodowane metodą Czochralskiego, jest obecna w zegarkach, telefonach, odtwarzaczach MP3, nawigacji satelitarnej, w telewizorach, cyfrowych aparatach fotograficznych, kuchenkach mikrofalowych, pralkach i lodówkach, dekoderach telewizyjnych, konsolach do gier, telewizorach, a nawet w naszych kartach kredytowych. Steruje ruchem samochodów jak i pociągów, utrzymuje w powietrzu samoloty. Pozwala chronić majątek, walczy o zdrowie i życie pacjentów w szpitalach. A przede wszystkim elektronika – a wraz z nią kryształy Czochralskiego – to główny element smartfonów, tabletów, laptopów i wszelkich komputerów, które są siłą napędową niemal każdej dziedziny życia współczesnego człowieka. Jesteście zdziwieni, że jednak polak potrafi ?
Monokryształy krzemu, z których korzysta elektronika konsumencka to nie jedyne kryształy otrzymywane metodą Czochralskiego. Powstają dzięki niej na przykład kryształy piezoelektryczne i akustooptyczne. 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 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 nie tylko na detektory podczerwieni, ale i ultrafioletu. Zbudowane dzięki nim urządzenia mogą w przyszłości pomagać na przykład strażakom w ocenie rodzaju płonących substancji.
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.
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 perowskitów, 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 -największym kryształem Czochralskiego.
Metoda Czochralskiego – krok po kroku
Poniżej opisze wam krok po kroku jak wygląda metoda Czochralskiego produkcji
1. Przygotowanie surowca
Najpierw przygotowuje się bardzo czysty materiał półprzewodnikowy (np. krzem). Surowiec umieszcza się w tyglu wykonanym zwykle z kwarcu. Często już na tym etapie dodaje się niewielkie ilości domieszek, np.:
bor – tworzy półprzewodnik typu p
fosfor – tworzy półprzewodnik typu n
Domieszkowanie pozwala później kontrolować właściwości elektryczne kryształu.
2. Stopienie materiału
Tygiel z materiałem umieszcza się w specjalnym piecu. Materiał jest podgrzewany do temperatury wyższej od temperatury topnienia, np.: krzem topi się w ok. 1414 °C Powstaje jednorodna ciecz (stop).
3. Wprowadzenie zarodka krystalicznego
Do powierzchni ciekłego materiału wprowadza się mały monokryształ, zwany zarodkiem krystalicznym. Zarodkowi nadaje się określoną orientację krystalograficzną, np.: (100) (111) Od tej orientacji zależą późniejsze właściwości wafla.
4. Rozpoczęcie krystalizacji
Zarodkowi pozwala się lekko zetknąć ze stopionym materiałem. Na jego powierzchni zaczyna krystalizować materiał ze stopu. Temperatura jest ustawiona tak, aby materiał powoli krzepł na końcu zarodka.
5. Powolne wyciąganie zarodka
Zarodkiem zaczyna się powoli wyciągać do góry. Jednocześnie: zarodek obraca się natomiast tygiel często też obraca się w przeciwną stronę To zapewnia: równomierne rozłożenie temperatury jednorodny skład chemiczny kryształu
6. Wzrost monokryształu
Podczas wyciągania stopiony materiał krzepnie na końcu rosnącego kryształu, tworząc długi walec. Ten walec nazywa się:
boule – duży monokryształ półprzewodnika.
Parametry kontrolowane podczas wzrostu:
- prędkość wyciągania (kilka mm/min)
- temperatura
- prędkość obrotu
- średnica kryształu
Dzięki temu można uzyskać kryształy o średnicy nawet 300 mm.
7. Zakończenie wzrostu kryształu
Po uzyskaniu odpowiedniej długości kryształu: wyciąganie zostaje zatrzymane kryształ jest powoli chłodzony Powolne chłodzenie zapobiega powstawaniu pęknięć i naprężeń.
8. Obróbka monokryształu
Powstały monokryształ jest dalej obrabiany: szlifowanie powierzchni bocznej przycięcie końców cięcie na cienkie plastry (wafle) Powstają okrągłe płytki krzemowe, na których produkuje się układy scalone.
O samym Janie ana Czochralskim zobaczycie w filmie z seri HBC.