Большинство современных высокоточных приборов работает на монокристаллах. Как их выращивают, минимизируя дефекты?
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 вышли за рамки лабораторных стендов: выращенные на них кристаллы не соответствовали инженерным задачам. Процесс кристаллизации требует соблюдения множества параметров, 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, лауреат премии президента России в области науки и техники для молодых ученых 2017 года.
Когда теория обгоняет практику
Константин Кох 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 смесей. 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 всего десять лет назад
«Это очень странный тип материалов. Представьте себе кусок дерева, обернутый алюминиевой 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 электроны, причем только с определенным спином», — поясняет ученый.
Благодаря столь необычному свойству топологические изоляторы могут найти применение в квантовых компьютерах в качестве носителей информации или послужить основой сверхбыстрых 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 кристаллы быстро окислялись на воздухе, а их внутренний объем проводил электрический ток.
Круговой нагрев
Обычно, когда расплав застывает, в нем возникает множество центров кристаллизации, выступающих 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 прогретую вертикальную печь так, чтобы контейнер находился в области температур, превышающих точку кристаллизации. Медленно опуская контейнер, добиваются того, чтобы зародыш образовывался в самом низу конуса и расплав нарастал на него в виде кристалла снизу вверх. Этот метод изобрел в свое время американский физик Бриджмен.
Добиваясь стабильного роста кристаллов, Кох с коллегами немного изменили метод Бриджмена. В качестве емкости они используют ампулу из кварцевого стекла, из которой перед запайкой откачали воздух. Это необходимо, чтобы защитить смесь от окисления. Хотя ампула прозрачная, 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 считается: чем равномернее емкость нагрета со всех сторон, тем лучше. Мы же поступили наоборот: решили чуть-чуть перегревать ампулу с одной стороны», — говорит Константин Кох.
Опытным путем ученые пришли к тому, чтобы окружить ампулу рядом нагревательных элементов и последовательно, один за другим, их включать. Еще одна новация — напыление изнутри ампулы тонкого слоя графита. Иначе расплав вступает в реакцию с кварцевым стеклом, и ампула буквально прирастает 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 прочность. После пяти лет исследований прогресс наметился и с топологическими изоляторами.
«Мы научились выращивать настолько качественные 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 проверенные решения позволяют поддерживать постоянную готовность к технологическому рывку.
