6 Марта 2018
МОСКВА, 6 марта , Татьяна Пичугина. Большинство современных высокоточных приборов работает на монокристаллах. Как их выращивают, минимизируя дефекты, выяснило.
Росту кристаллов посвящены тысячи научных исследований, но и сейчас в этом вопросе далеко не все ясно. Многие материалы, на которые промышленность возлагала надежды, так и не удались за рамки лабораторных стендов: выращенные на них кристаллы не соответствовали инженерным задачам. Процесс кристаллизации требует соблюдения множества факторов, сложных манипуляций с химическим составом, знания точных условий и скорости роста. К тому же кристалл растет несколько недель и даже месяцев, и малейшие перебои в электроэнергии негативно влияют на результат.
Это, наверное, странно услышать от ученого, но мы не полностью понимаем процесс кристаллизации. Конечно, в теории нам многое известно: как атомы встраиваются в решетку, как образуются грани и так далее. Но можно провести десять опытов и получить десять разных кристаллов. Это говорит о том, что экспериментатор не в состоянии контролировать весь процесс, рассказывает Константин Кох, кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник лаборатории роста кристаллов Института геологии и минералогии СО РАН, победитель премии президента России в области науки и техники для молодых ученых 2017 года.
Когда теория обгоняет практику
Константин Кох начинать занимается кристаллами селенида галлия (GaSe) и топологическими изоляторами на основе тетрадимита соединений со структурой сульфотеллурида висмута Вi2Те2S. Оба материала чрезвычайно интересуют физиков, поскольку способны найти применение в высокотехнологичных устройствах. Селенид галлия рассматривают как перспективный источник терагерцового излучения, используемого в просвечивающих досмотровых сканерах, медицинских диагностических аппаратах, анализаторах газовых мешанин. Однако вырастить прочные, чистые монокристаллы селенида галлия не так-то просто, и это тормозит их коммерческое внедрение.
Та же судьба у материалов со свойствами топологических изоляторов, обнаруженных какого-то десять лет назад.
Это очень необычный тип материалов. Представьте себе кусок дерева, обернутый дюралевой фольгой. Дерево диэлектрик, оно не проводит электрический ток, а фольга проводит. Так и топологический изолятор. В теории его объем не проводит ток, но поверхность, в отличие от фольги, пропускает фермионы, причем только с определенным спином, объясняет ученый.
Благодаря столь необычному свойству топологические изоляторы могут найти применение в квантовых компьютерах в качестве распространителей информации или послужить основой сверхскорых транзисторов, составив конкуренцию графену. Но пока все это звучит как фантастика. Попытки вырастить монокристаллы топологических изоляторов с нужными параметрами окончились неудачей. Из-за множества дефектов структуры кристаллики быстро окислялись на воздухе, а их внутренний объем протягивал электрический ток.
Круговой нагрев
Обычно, когда расплав застывает, в нем появляется множество центров кристаллизации, ходящих точками роста граней и слоев сразу нескольких кристаллов. Чтобы получить монокристалл, в расплаве нужно создать условия для образования одного зародыша. Для этого смесь веществ загружают в емкость, конически сужающуюся книзу, и помещают в неравномерно выжаренную вертикальную печь так, чтобы контейнер находился в области повышенная температур, превышающих точку кристаллизации. Медленно опуская контейнер, добиваются того, чтобы зародыш появлялся в самом низу конуса и расплав нарастал на него в виде кристалла снизу вверх. Этот метод изобрел в свое время американский физик Бриджмен.
Добиваясь важного роста кристаллов, Кох с коллегами немного изменили метод Бриджмена. В качестве емкости они используют ампулу из кварцевого стекла, из которой перед заделкой откачали воздух. Это комфортного, чтобы защитить смесь от окисления. Хотя ампула бесцветная, рост монокристалла не увидеть: у раскаленного расплава слишком сильное излучение. Это все равно, что смотреть на лампочку накаливания или Солнце. Селенид галлия растет при температуре 940 градусов Цельсия, тетрадимит при 600 градусах.
Обычно сообразовывается: чем равномернее емкость подкалённая со всех сторон, тем лучше. Мы же определились наоборот: решили чуть-чуть перенагревать ампулу с одной стороны, говорит Константин Кох.
Опытным путем ученые пришли к тому, чтобы окружить ампулу рядом нагревательных прометиев и последовательно, один за другим, их включать. Еще одна новация напыление изнутри ампулы тонкого слоя графита. Иначе расплав входит в реакцию с кварцевым стеклом, и ампула буквально приживляется к поверхности кристалла. Нужные физические и механические свойства способны обеспечить примеси. В ходе экспериментов выяснилось, что добавление серы и алюминия к расплаву придают селениду галлия требуемую устойчивость. После пяти лет исследований прогресс наметился и с топологическими изоляторами.
Мы научились выращивать настолько правдивые кристаллы, что они демонстрируют абсолютное сопротивление окислению. Наши кристаллы могут полгода пролежать на воздухе и не окислиться, подчеркивает ученый.
Конечно, от лабораторных опытов, пусть и успешных, до технологии долгий путь. Да и промышленность зачастую не поспевает за научными достижениями. Однако опыт и уже проинспектированные решения позволяют поддерживать постоянную охота к технологическому рывку.
Фото : ИГМ СО РАНГеохимик Константин Кох, лауреат премии руководителя России в области науки и техники для молодых ученых 2017 года
Редактор рубрики
Олег Кудрин
Место события на карте мира:
.
.
.
Комментарии к новостям
[17 Января 2024, 13:43] Александр Хомяков Замечательно! Не ожидал такой оперативности. Спасибо огромное! Всё работает и обновляется....
[15 Апреля 2022, 20:25] Ангелина Сметанина Скоро не только сократят, а много заводов вообще закроют и начнется бум китайских авто. Даже сейчас Эксид уже бешеные темпы по количеству проданных машин показывает...
[27 Декабря 2021, 21:44] Ева Воробьева Искренне рада за победителя! Но если бы мне так крупно повезло, то я прибежала бы за выигрышем в первый же день???? ...
[2 Сентября 2021, 13:11] Дмитрий Ершов Это хорошо. Значит клиенты долго ждать не будут. ...
[13 Мая 2021, 16:26] Олег Андреев "Мальдивы сутунки 65 государством, зарегистрировавшим расейскую вакцину против коронавируса Спутник V, сообщил Российский фонд секущих инвестиций (РФПИ)". Что это за йязыг?...
[2 Ноября 2020, 15:22] Лета Мирликийская риветсвую вас я с 6-ти лет пишу мне нужно все мои произведения задействовать в компьюторных программах образования по литературе и языкам и играм к примеру если ваши учащиеся напишут...
[20 Октября 2020, 09:22] Евгений Зимин Сузуки в этом году хорошо прибавили, уже не первый раз оба их пилота на подиуме. Видимо, для команды возвращаются "золотые" времена и есть шанс наконец оформить чемпионство после длительного перерыва....