Metoda Czochralskiego położyła podwaliny pod rewolucję elektroniczną. Dlaczego jej autor na wiele lat odszedł w zapomnienie?

Metoda Czochralskiego położyła podwaliny pod rewolucję elektroniczną. Dlaczego jej autor na wiele lat odszedł w zapomnienie?

Dodano: 
Jan Czochralski na zdjęciu z 1910 r.
Jan Czochralski na zdjęciu z 1910 r. Źródło: Wikipedia
Podwaliny pod rewolucję elektroniczną, dzięki której korzystamy obecnie ze smartfonów czy komputerów kwantowych, położyło opracowanie skutecznej metody otrzymywania monokryształów. To właśnie dzięki niej możliwa była produkcja wykonanych z krzemu układów scalonych. Jej wynalazcą był polski chemik Jan Czochralski.

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.

Czytaj też:
Historia polskiego przemysłu. Tym mogliśmy się pochwalić w przeszłości, z tego możemy być dumni teraz

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 polska specjalność
Rok Ignacego Łukasiewicza

Przeczytaj inne artykuły poświęcone polskiej nauce

 0

Czytaj także