Podstawowym komponentem każdego urządzenia elektronicznego jest układ scalony, wykonany na bazie półprzewodnikowego monokryształu, zazwyczaj krzemu. Obecnie monokryształy tego pierwiastka można otrzymywać przy użyciu różnych metod.
Jednak wciąż szeroko stosowaną – a niegdyś jedyną – jest opracowana w 1916 r. metoda Czochralskiego. W dużym uproszczeniu, jej kolejne etapy przedstawiają się następująco.
Na czym polega metoda Czochralskiego?
Najpierw, w tyglu wykonanym z materiału żaroodpornego, np. grafitu czy kwarcu, umieszcza się polikryształy krzemu wraz z domieszkami, które po podgrzaniu do odpowiednio wysokiej temperatury ulegają stopieniu.
Następnie, do płynnego stopu wprowadza się zarodź, czyli zamocowany na metalowej nici niewielki kawałek krzemu. Stopniowe wyciąganie nici z ciekłego stopu – przy utrzymaniu odpowiedniej temperatury – powoduje, że poniżej zarodzi formuje się pręt lub dysk z monokryształu, który na koniec należy schłodzić.
Odkrycie, o którym miał zadecydować przypadek
Oczekiwaną średnicę i długość pręta lub dysku uzyskuje się za pomocą regulowania prędkości ruchów obrotowych tygla i nici z zarodzią, które mają przeciwległe wektory.
– Pierwotnie ta metoda nie miała nic wspólnego z elektroniką. Jan Czochralski był chemikiem i metalurgiem, a jego odkrycie służyło do mierzenia szybkości krystalizacji metalu ze stopu. Podobno, impuls do opracowania metody tworzenia monokryształu pojawił się przypadkiem. Czochralski zanurzył na jakiś czas czubek stalówki w stopionej cynie. Po wyjęciu stalówki okazało się, że poniżej czubka utworzyła się niewielka cynowa nitka – opowiada dr inż. Dariusz Szmigiel z Instytutu Mikroelektroniki i Fotoniki Sieci Badawczej Łukasiewicz w Warszawie.
Metoda opracowana przez naszego rodaka została po raz pierwszy wykorzystana na potrzeby elektroniki w ośrodku Bell Labs w Stanach Zjednoczonych w 1950 r.
Odkrycie przyczyniło się do przełomu w rozwoju elektroniki
Koncepcja Czochralskiego umożliwiała stosunkowo szybką i tanią produkcję monokryształów krzemu o pożądanych właściwościach fizykochemicznych.
– Monokryształy krzemu wytwarzane metodą Czochralskiego miały dostatecznie jednorodną strukturę i niemal nie zawierały zanieczyszczeń. Aby monokryształ miał właściwości półprzewodnika, zastosowano domieszki boru albo fosforu. Z praktycznego punktu widzenia, metoda Czochralskiego położyła podwaliny pod rewolucję elektroniczną, która nastąpiła w latach 50. i 60. – kontynuuje Szmigiel.
Wraz z rozwojem techniki pojawiła się potrzeba wytwarzania materiału krzemowego wysoko rezystywnego, który można wyprodukować tylko przy użyciu alternatywnych metod, odkrycie Czochralskiego do dziś jest wykorzystywane w przemyśle na dużą skalę.
Geniusz, który nie uzyskał matury
Jan Czochralski urodził się w 1885 r. w miejscowości Kcynia w Wielkopolsce, która znajdowała się wówczas w zaborze pruskim. Był uczniem gimnazjum w Wągrowcu, ale co zaskakujące przerwał naukę i nie uzyskał matury.
Zatrudnił się wówczas w aptece w Krotoszynie, jednocześnie samodzielnie ucząc się chemii. Następnie wyjechał na wiele lat w głąb Niemiec. Zaczynał od pracy w drogerii w Berlinie, po czym obejmował coraz wyższe stanowiska w kolejnych laboratoriach i koncernach przemysłowych.
Patenty, sława i pokaźny majątek
Brak świadectwa dojrzałości nie przeszkodził mu dostać się na politechnikę w Charlottenburgu, który ukończył z dyplomem inżyniera chemika ze specjalnością metalurgiczną.
Będąc kierownikiem laboratorium spółki Metallbank und Metallurgische Gesellschaft we Frankfurcie nad Menem, Czochralski prowadził badania nad właściwościami, jakością i czystością metali, stopów i rud. Był autorem wielu publikacji i patentów, co przyniosło mu nie tylko rozgłos w Niemczech, ale również znaczny majątek.
Z powrotem do Polski zaprosił go sam prezydent
Do ojczyzny powrócił w 1928 r., na zaproszenie prezydenta Ignacego Mościckiego, który zresztą również był wybitnym chemikiem. Objął stanowisko profesora i kierownika Zakładu Metalurgii i Metaloznawstwa na wydziale chemicznym Politechniki Warszawskiej.
Prowadzenie działalności naukowej nie przeszkodziło mu w zorganizowaniu na uczelni kolejnej jednostki – Instytutu Metalurgii i Metaloznawstwa.
Współpraca z AK i niesłuszne oskarżenie o kolaborację
W trakcie niemieckiej okupacji założył Zakład Badania Materiałów na Politechnice Warszawskiej. Czochralski nie był jednak zdrajcą. Ta decyzja została podjęta we współpracy z polskim ruchem oporu, by pod przykrywką oficjalnej działalności ulokować w zakładzie tajną komórkę Armii Krajowej. Produkowano w nim broń do walki z okupantem.
Niestety, w 1945 r. Czochralski został aresztowany przez komunistyczne władze Polski pod zarzutem kolaboracji z Niemcami. Choć został z niego oczyszczony, w tym samym roku Senat Politechniki Warszawskiej wykluczył go z grona profesorów. Decyzja ta została anulowana dopiero w 2011 r.
- Wykluczenie Czochralskiego z grona profesorów skazało go na zapomnienie na wiele dziesięcioleci. Zdruzgotany powrócił do Kcyni, gdzie otworzył zakłady chemiczne „Bion”, w których produkowano wyroby kosmetyczne i drogeryjne. Zmarł w 1953 r. Warto dodać, że Amerykanie zachowali się uczciwie w stosunku do Czochralskiego i jasno wskazywali, kto był wynalazcą stosowanej przez nich metody – kwituje Szmigiel.
Nauka to polska specjalność
Rok Ignacego Łukasiewicza
Przeczytaj inne artykuły poświęcone polskiej nauce