Pokaż swój kryształ Czochralskiego! Dołącz do akcji!

„Aby przyłączyć się do akcji nie trzeba wielkich przygotowań. Wystarczy, że w środę 23 października, o godzinie 17:00, każdy wyciągnie jakieś przenośne urządzenie, które ma przy sobie i które zawiera kryształy Czochralskiego – i przez kilkadziesiąt sekund pokaże je innym lub kamerom pobliskiego monitoringu. Kryształy wyprodukowane metodą Czochralskiego znajdują się w praktycznie wszystkich urządzeniach elektronicznych: zegarkach, odtwarzaczach MP3, telefonach, smartfonach, dyktafonach, lampkach z diodami świecącymi, nawet w kartach kredytowych. 

Celem akcji „Pokaż kryształ Czochralskiego” jest uświadomienie Polakom, jak powszechne i jak ważne dla naszego życia są kryształy produkowane metodą Czochralskiego. „Pokażmy – nie tylko światu, ale przede wszystkim sobie – że jesteśmy narodem wybitnych intelektualistów, ludzi pokroju Kopernika, Skłodowskiej-Curie, Łukasiewicza, Funka czy właśnie Czochralskiego, których geniusz zmienił losy całej cywilizacji. Pokażmy, jak wiele nam się udało!”, zachęca Jarosław Chrostowski, dziennikarz naukowy i jeden z inicjatorów akcji.

Metoda Czochralskiego polega na bardzo ostrożnym „wyciąganiu” monokryształów z roztopionej substancji za pomocą pręta dotykającego jej powierzchni. Można ją stosować do wszystkich materiałów, których cząsteczki nie rozpadają się podczas podgrzewania i topnienia. Otrzymane monokryształy cechują się wysoką czystością i jednorodnością.

Jak metoda Czochralskiego wygląda w praktyce? Zobaczmy na przykładzie monokryształów krzemu, które każdy z nas ma przy sobie w odtwarzaczach MP3, telefonach komórkowych, zegarkach czy kartach kredytowych. Wytwarzanie monokryształów metodą Czochralskiego odbywa się w piecach do monokrystalizacji. We wnętrzu takiego pieca, w atmosferze chemicznie obojętnego argonu, umieszcza się tygiel wykonany z krzemionki, czyli tlenku krzemu (SiO2). Materiał tygla jest dobrany nieprzypadkowo. Chodzi o to, żeby w wysokiej temperaturze do znajdującego się w tyglu roztopionego krzemu (Si) nie przenikały atomy obcych pierwiastków (w praktyce nawet tlen w krzemionce jest źródłem wielu problemów).

Gdy piec nagrzeje się do nieco ponad 1400 stopni Celsjusza i krzem w tyglu zmieni się w ciecz, do jej powierzchni zostaje dosunięty cienki pręt z monokryształu krzemu. Pełni on rolę zarodka, wokół którego stopniowo osadzają się atomy cieczy. Dobierając odpowiednio szybkość wyciągania zarodka z wnętrza tygla, prędkość obracania pręta, temperaturę, a nawet skład i ciśnienie atmosfery wewnątrz pieca – można precyzyjnie sterować procesem wzrostu kryształu. Rosnący kryształ jest stale ważony za pomocą czułych wag elektronicznych, a specjalne oprogramowanie cały czas monitoruje tempo wzrostu. Jeśli kryształ przyrasta zbyt szybko, można temu zaradzić podwyższając temperaturę pieca, co zmniejsza lepkość cieczy i obniża tempo przyrostu. Specjalny układ chłodzenia zapewnia, że temperatura nie będzie też zbyt wysoka. Sterowane komputerowo silniki krokowe gwarantują z kolei właściwą prędkość wysuwania pręta z tygla, co ma wpływ na średnicę powstającego kryształu. Atomy płynnej substancji w tyglu muszą mieć czas, by trafić we właściwe miejsce w sieci krystalicznej rosnącego zarodka. Jeśli zarodek jest wyciągany zbyt szybko, struktura krystaliczna będzie mieć liczne defekty, a w skrajnych przypadkach może się w ogóle nie wytworzyć. Na zdjęciu przedstawiono kryształ krzemu otrzymany metodą Czochralskiego.

Kryształy krzemowe rosną bardzo szybko: 1 m kryształu powstaje w zaledwie 30 godzin. Inne półprzewodniki tworzą kryształy wolniej, zwykle w tempie ok. 10 cm na dobę. Z kolei monokryształy tlenkowe przyrastają niewiele ponad 10 cm na tydzień. Nic dziwnego, że przy tak wolnych procesach piece z rosnącymi kryształami są zabezpieczane przed drganiami podłoża i wyposażane w zasilacze, pozwalające zachować ciągłość procesu nawet podczas przerw w dopływie prądu z elektrowni.

Pierwsze kryształy wytworzone przez prof. Czochralskiego przypominały metalowe druty: miały milimetr średnicy i długość do półtora metra. Dziś za pomocą metody Czochralskiego produkuje się przede wszystkim kryształy z krzemu i związków półprzewodnikowych. Te pierwsze mogą mieć nawet ponad dwa metry długości, średnicę zbliżoną do pół metra i masę kilkuset kilogramów. Inne kryształy są zwykle znacznie mniejsze. Na przykład monokryształy tlenkowe mają do 10 cm długości, a ich średnice nie przekraczają 5 cm. Kryształy ze szczególnie rzadkich i/lub trudnych w obróbce materiałów wymagają hodowania w specjalnie zmodyfikowanych piecach. Maleńkie, lecz niezwykle cenne kryształy Czochralskiego wyciąga się wtedy z... pojedynczych kropel lewitujących w polu magetycznym.

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. 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.

Jan Czochralski - urodził się 23 października 1885 roku w Kcyni. W 1916 roku dokonał odkrycia, które po latach okazało się jego największym osiągnięciem: opracował metodę pomiaru szybkości krystalizacji metali. Wtedy interesująca wyłącznie dla metaloznawców, obecnie jest powszechnie stosowana w produkcji monokryształów, zwłaszcza półprzewodnikowych. Po zakończeniu drugiej wojny światowej prof. Czochralski został niesłusznie oskarżony o współpracę z okupantem i pozbawiony tytułu profesorskiego. W pełni zrehabilitowano go dopiero w 2011 roku. Prof. Czochralski do dziś pozostaje najczęściej cytowanym polskim uczonym.