Полупроводниковые кристаллы космического совершенства. О загубленном проекте производства кремния в космосе

12.09.2023 | Картины художников

Выращивание полупроводниковых кристаллов в космосе

Полупроводниковые кристаллы – это основа всей электроники, и, конечно, существует масса методов их получения в земных условиях. К сожалению, все они обладают общими недостатками: выращенные кристаллы часто оказываются неоднородными, слишком маленькими или испорченными посторонними примесями. Причин на то много, но среди них существует одна наиболее общего характера – сила притяжения. В земных условиях гравитация порождает явление термогравитационной конвекции, перемешивания жидкости под действием разности температур в поле тяготения. В условиях же космической невесомости роль этого фактора значительно спадает, и становится возможным получать полупроводниковые кристаллы более чистой структуры и совершенного состава.

Первые эксперименты по выращиванию материалов в космосе начались вскоре после полёта Гагарина, в 1961 году, и их результаты часто оказывались противоречивыми. Так, кристаллы Ge(Ca) и InSb(Te), полученные в американских экспериментах «Скайлэб», отличались высокой однородностью структуры, а кристаллы с борта «Аполлона-Союза», напротив, проигрывали своим земным аналогам. Причин для подобных неудач приводилось несколько: вибрации механизмов, остаточные микроускорения (ускорение свободного падения на борту космических аппаратов не равняется строго нулю вопреки распространяемым заблуждениям), некоторые конвекционные эффекты, незаметные при земном притяжении. Так учёным стало понятно, что космические условия намного сложнее, чем выглядят на первый взгляд, и многие эксперименты стали сопровождаться численными моделированиями. Они подтвердили: получать кристаллы совершенной структуры в космосе возможно, но чрезвычайно трудно.

Поэтому следующим этапом в изучении возможностей создания идеальных кристаллов стал метод физического моделирования. Полупроводниковые кристаллы часто получают методом направленной кристаллизации. Грубо говоря, тигель с нагретым расплавом нужного состава постепенно вносится в область с пониженной температурой, где и начинают расти кристаллы. Для ослабления земного явления термогравитации в подобных условиях учёные предложили перемещать не сам расплав, а создавать движущееся температурное поле с малыми радиальными температурными градиентами. Такой подход позволил моделировать космические условия роста кристаллов и заранее планировать эксперименты с экономией времени и материала. Используя этот подход были перекристаллиизованы полупроводниковые кристаллы GaSb(Te) в земных условиях и на борту АКА «Фотон-М3». В обоих случаях получились однородные кристаллы высокой чистоты, в которых наблюдались некоторые периодические зависимости физических свойств от структуры. При этом период зависимости для космических образцов составил 90 минут (что совпадает с периодом обращения спутника), а для наземных – 5–20 минут. Подробно результаты теоретических и экспериментальных работ, посвящённых выращиванию в космосе полупроводниковых кристаллов, описаны в обзорной статье российских физиков из ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН и НИЦ (Физика твёрдого тела, 2012, том 54, выпуск 7).

Недавно ученым из Японии удалось вырастить идеальные кристаллы твердого гелия, что в земных лабораториях сделать весьма непросто - они легко деформируются под действием силы тяжести. Однако исследователи поступили весьма оригинально - они выращивали гелиевые кристаллы в условиях невесомости, которые были созданы на борту реактивного самолета.

Перед тем как начать рассказ о кристаллах твердого гелия, нужно напомнить о том, зачем вообще ученым они понадобились. Как мы знаем, среди различных агрегатных состояний вещества кроме жидкого, твердого и газообразного имеется еще и такое, которое называют конденсатом Бозе-Эйнштейна. В таком состоянии вещество состоит не из молекул и атомов, а из бозонов, охлаждённых до температур, близких к абсолютному нулю.

Одним из интересных свойств конденсата Бозе-Эйнштейна является сверхтекучесть - состояние, при котором он обладает нулевой вязкостью, то есть при прохождении через различные отверстия или просто по поверхности между ним вообще не возникает трения. Сами понимаете, такое свойство может быть весьма полезным. Кроме того, доказано, что в сверхтекучем состоянии вещества могут являться еще и высокотемпературными сверхпроводниками.

Словом, если бы ученые смогли переводить без всяких проблем известные нам вещества в сверхтекучее состояние, можно было бы решить множество проблем. Но вот беда - сделать это пока достаточно сложно. В то же время еще в 60-х годах прошлого столетия высказывались предположения о том, что сверхтекучестью могут обладать и некоторые твердые тела, особенно те, что образовывают кристаллы. И самыми первыми кандидатами на роль таковых назывались кристаллы твердого гелия, которые образуются при давлении более 25 атмосфер.

Еще в 2004 году американские физики из Университета Альберты сообщили об экспериментальном наблюдении совершенно неожиданного эффекта - сверхтекучести в твердом гелии. Однако их эксперименты не удалось воспроизвести в других лабораториях, в результате чего достоверность результатов данной работы была подвергнута сомнению. Чуть позже, в 2009 году, физикам из Калифорнийского университета в Беркли удалось получить газ рубидия в состоянии сверхтекучего твердого тела.

Однако подобное направление признали неперспективным - дело в том, что с рубидием сложно работать. Хотя он по распространенности в земной коре находится примерно на 20-м месте (как медь, никель и цинк), однако в природе этот металл существует в рассеянном состоянии, не образуя собственных минералов и встречаясь в основном вместе с другими щелочными элементами, например, с калием. То есть его достаточно сложно добывать, что делает все исследования с ним весьма дорогостоящими.

Из-за этого ученые вновь решили вернуться к любимому всеми гелию. Но чтобы исследовать его свойство сверхтекучести в твердом состоянии, сперва необходимо вырастить те самые кристаллы. В принципе это не сложно - для этого всего-то нужно создать давление выше 25 атмосфер и опустить температуру до -272 градусов по Цельсию. Было неоднократно показано, что в такой "морозилке" кристалл образуется практически за секунды. Однако есть еще одно "но": когда кристаллы гелия растут при наличии гравитации, они легко деформируются. А это сильно сказывается на всех их свойствах, в том числе и на сверхтекучести.

И вот недавно ученые из Японии предложили весьма оригинальный способ справиться с этой проблемой - нужно просто выращивать кристаллы в невесомости! Причем совсем не обязательно делать это в космосе - исследователи использовали для своих экспериментов небольшой реактивный самолет. Ведь при определенных траекториях движения, например, в параболическом полете, этот аэроплан мог находится в условиях невесомости в течение 20 секунд, чего вполне достаточно для того, чтобы вырастить нормальный кристалл. В итоге за 20 часов полетов физики сумели провести целых восемь экспериментов!

Опыты проходили так: сначала по стандартной технологии выращивались первичные кристаллы, а после их сбрызгивали "каплями" гелия-4, который уже находился в сверхтекучем состоянии. Все это происходило в специальном бортовом холодильнике. Большие кристаллы гелия размещали в его нижней камере высокого давления, а затем дробили их акустической волной, чтобы разрушить на мелкие кусочки. После того как их спрыскивали сверхтекучим гелием-4, кристаллики меньшего размера плавились, а крупные же быстро росли, достигая в итоге размера около 10 мм.

В итоге исследователям удалось полностью пронаблюдать процесс формирования кристалла. Интересно, что он был похож на явление, которое называют Оствальдовским созреванием. Его можно наблюдать в привычной жизни на примере мороженого: с течением времени в нем более крупные кристаллы льда присоединяют к себе мелкие, и в итоге весь продукт становится твердым и хрустящим. Но в этом случае Освальдовское созревание происходит достаточно медленно, а вот с гелием эффект получился весьма быстрым - процесс занял секунды.

"Кристаллы гелия могут очень быстро вырастать из сверхтекучей материи. Это идеальный материал для изучения фундаментальных свойств таких кристаллов, поскольку они образуются очень и очень быстро" - так прокомментировал результаты работы ведущий автор исследования профессор Номура Рюдзи. Теперь, когда физикам наконец-то удалось вырастить идеальный кристалл твердого гелия, можно будет попробовать проверить его на сверхтекучесть.

Кстати, американские ученые, обнаружившие это свойство в 2004 году, в ответ на критику работы указывали, что у их оппонентов ничего не получилось из-за того, что кристаллы, с которыми те работали, были деформированы. Сейчас же японские исследователи смогут перепроверить результаты своих коллег, используя уже абсолютно нормальный кристалл, выращенный в условиях невесомости…

Японские ученые сумели преодолеть барьер, связанный с особой технологией выращивания гелиевых кристаллов. Результаты исследований опубликовал журнал Немецкого общества физиков. Опыты, проходившие в условиях нулевой гравитации, смогут помочь ученым понять фундаментальные законы создания гелиевых кристаллов и рассмотреть некоторые новые явления, которые при действии гравитации могут быть скрыты от взора.

Первоначально для выращивания кристаллов гелия применялась особая среда со сверхнизкой температурой (порядка -279 град.) и сверхвысоким давлением. Постепенно кристаллы «обрызгивались» таким же гелием, но элемент находился в сверхтекучем состоянии. Отметим, что сверхтекучестью называется особое свойство, при котором вещество обладает всеми признаками жидкости, но при этом имеет нулевую вязкость. Для сверхтекучих жидкостей присуще одно полезное свойство – такие материалы способны проходить через мелкие зазоры между другими объектами без какого-либо трения.

В обычных условиях для формирования кристаллов могут понадобиться тысячи лет. Однако в наши дни в средах со сверхнизкими температурами гелиевые кристаллы можно вырастить всего за 1 секунду. Однако в этом случае существует одна проблема – при действии гравитации кристаллы значительно деформируются. По словам профессора Рюдзи Номура, одного из авторов эксперимента, с помощью сверхтекучего вещества можно довольно быстро получить полноценные кристаллы – для этого достаточно обеспечить условия невесомости.

В своих исследованиях японские физики отказались от идеи применения дорогостоящих космических аппаратов: вместо этого был задействован сверхзвуковой самолет. Известно, что при особых параболических траекториях полета даже на борту реактивного самолета можно создать условия нулевой гравитации, которая продлится около 20 секунд.

Для реализации эксперимента на борту самолета был расположен лабораторный холодильник, в нижней камере которого под высоким давлением размещались большие гелиевые кристаллы. Далее кристаллы подвергались дроблению с помощью акустической волны, после чего более мелкие кристаллы «обрызгивались» сверхтекучим гелием. В результате крупные кристаллы гелия росли до размера примерно 10 мм, а мелкие кристаллы плавились. Весь цикл экспериментов занял около 20 часов.

Рост кристаллов происходил из-за имевшего место так называемого явления Оствальдовского созревания. Подобное явление можно наблюдать при производстве мороженого, которое постепенно становится твердым и хрустящим из-за роста более крупных кристаллов за счет повреждения мелких. Сам процесс Оствальдовского созревания довольно медленный, и ранее такой быстрый рост крупных кристаллов не наблюдался.

Первые эксперименты по получению материалов в космосе начались 50 лет назад. За прошедшие годы основные методики и подходы к данным исследованиям не претерпели больших изменений, но цели работ, лежащих в этом русле, стали совсем другими: от поиска новых термостойких металлов учёные перешли к полупроводниковым кристаллам для солнечной энергетики. К очередному эксперименту из этой серии готовятся исследователи из совместно с коллегами из Университета Хьюстона (University of Houston): на борту Международной космической станции (МКС) они хотят вырастить кристаллы совершенной структуры для солнечных панелей.

Первые эксперименты по выращиванию материалов в космосе начались вскоре после полёта Гагарина , в 1961 году, и их результаты часто оказывались противоречивыми. Так, кристаллы Ge(Ca) и InSb(Te), полученные в американских экспериментах «Скайлэб», отличались высокой однородностью структуры, а кристаллы с борта «Аполлона-Союза», напротив, проигрывали своим земным аналогам. Причин для подобных неудач приводилось несколько: вибрации механизмов, остаточные микроускорения (ускорение свободного падения на борту космических аппаратов не равняется строго нулю вопреки распространяемым заблуждениям), некоторые конвекционные эффекты, незаметные при земном притяжении. Так учёным стало понятно, что космические условия намного сложнее, чем выглядят на первый взгляд, и многие эксперименты стали сопровождаться численными моделированиями. Они подтвердили: получать кристаллы совершенной структуры в космосе возможно, но чрезвычайно трудно.

Поэтому следующим этапом в изучении возможностей создания идеальных кристаллов стал метод физического моделирования. Полупроводниковые кристаллы часто получают методом направленной кристаллизации. Грубо говоря, тигель с нагретым расплавом нужного состава постепенно вносится в область с пониженной температурой, где и начинают расти кристаллы. Для ослабления земного явления термогравитации в подобных условиях учёные предложили перемещать не сам расплав, а создавать движущееся температурное поле с малыми радиальными температурными градиентами. Такой подход позволил моделировать космические условия роста кристаллов и заранее планировать эксперименты с экономией времени и материала. Один из самых ярких подобных опытов был проведён самими авторами обзорной статьи. Полупроводниковые кристаллы GaSb(Te) были перекристаллизованы в земных условиях и на борту АКА «Фотон-М3». В обоих случаях получились однородные кристаллы высокой чистоты, в которых наблюдались некоторые периодические зависимости физических свойств от структуры. При этом период зависимости для космических образцов составил 90 минут (что совпадает с периодом обращения спутника), а для наземных – 5–20 минут.

Очередной эксперимент по получению полупроводниковых кристаллов в космосе планируется провести уже в 2013 году. На борту МКС исследователи хотят вырастить кристаллы совершенной структуры для солнечных панелей – так уже отработанные методики находят новые практические приложения. При этом результаты подобных, несколько экзотических экспериментов помогают и совершенствованию наземных технологий.

Подробно результаты теоретических и экспериментальных работ, посвящённых выращиванию в космосе полупроводниковых кристаллов, описаны в обзорной статье российских физиков из ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН и НИЦ «Космическое материаловедение» . Публикация размещена на страницах журнала «Физика твёрдого тела» . Материалами для обзора послужили как многочисленные результаты исследований самих авторов, так и наиболее яркие работы их зарубежных коллег.

На днях на Международной космической станции начались опыты по выращиванию идеальных кристаллов в отсутствие гравитации. Особенность именно этой группы экспериментов в том, что выращиваемый объект будет поддерживаться «на весу» звуком, а значит, останется ультрачистым.

SpaceDRUMS (Space Dynamically Responding Ultrasonic Matrix System) — разработка канадской фирмы Guigné International. Компания была основана Жаком Ивом Гине (Jacques Yves Guigné) в 1989 году. Жак работает с NASA уже около 17 лет и давно проталкивал идёю создания «акустического левитирующего устройства».

Поначалу предполагалось, что SpaceDRUMS отправится к МКС в 2003 году. Но из-за гибели шаттла Columbia программу пришлось свернуть на несколько лет.

В результате первые модули SpaceDRUMS были отправлены и установлены на МКС только в ноябре-декабре 2008 года. Последние же недостающие части оборудования прибыли с шаттлом Discovery буквально на днях, и система была наконец-то собрана полностью. Теперь SpaceDRUMS готова к началу работы.

Отметим также, что с японским космическим грузовиком HTV (мы рассказывали о нём ), дебютный старт которого запланирован на 11 сентября этого года, на МКС прибудут дополнительные образцы для проведения экспериментов.

Додекаэдрическая камера SpaceDRUMS заполнена аргоном, внутри расположены несколько источников звуковых волн. Аргон – инертный газ, а потому он не взаимодействует с веществами внутри камеры, при этом являясь проводящей средой для звука.

Сама реакционная камера (справа внизу) гораздо меньше, чем контрольная аппаратура, которая управляет процессами внутри неё (фото NASA).

«Лучи звуковой энергии, как невидимые нежные пальцы, будут поддерживать плавающий образец в центре контейнера, чтобы он не касался стенок сосуда. В отсутствие гравитации и прикосновений к каким-либо манипуляторам или стенкам можно получить очень чистые структуры», — объясняет Гине.

Основная задача новой космической лаборатории – выращивание больших кристаллов веществ. Такие материалы наверняка будут востребованы на Земле, и уже сейчас ясно, что стоить полученные объекты будут сотни тысяч долларов (в зависимости от используемого вещества).

Пока планируется вырастить пористый образец стеклокерамики. Всё начнётся с гранул спрессованного серого порошка. После нагрева они станут керамическим материалом (что уже показано на Земле). Учёные надеются, что в условиях космоса молекулы вещества перестроятся таким образом, что образуются поры.

Специалист NASA Джули Робинсон (Julie Robinson) отмечает, что в SpaceDRUMS можно работать практически с любым веществом и выращивать объекты диаметром с мяч для бейсбола или гольфа. Между тем предыдущие образцы, полученные в условиях микрогравитации, не превышали в длину нескольких миллиметров. Гине считает, что в будущем наибольшим спросом будут пользоваться выращенные таким образом полупроводники.

Пока же аппаратура будет доступна для работы студентов-физиков, которые выполняют дипломные работы в университете Бата (