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 Вi 2 Те 2 S. 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.

Татьяна Пичугина

Похожие новости

  • 12/03/2018

    Снег помог ученым оценить качество воздуха в Новосибирске

    ​Специалисты Института геологии и минералогии СО РАН и Института ядерной физики имени Будкера СО РАН проанализировали элементный состав твердых осадков снежного покрова в парковых зонах Новосибирска и его окрестностях.
    487
  • 07/12/2015

    Сибирские лазеры - технологии двойного назначения

    ​​​12 декабря новосибирский Академгородок посетит наш соотечественник, американский миллиардер Валентин Гапонцев, управляющий директор международной корпорации "IPG Photonics". Сегодня его компания контролирует 80% мирового рынка волоконных лазеров большой мощности и около 25 % рынка твердотельных лазеров.
    1626
  • 30/10/2017

    В Новосибирске будут выпускать детали для авиационной промышленности

    ​В Новосибирске строят новую производственную площадку, которая будет выпускать детали для авиационной промышленности. Благодаря сибирскому заводу, удастся избавить российское авиастроение от необходимости закупать комплектующие из Германии.
    434
  • 03/05/2018

    Ученые СО РАН разворачивают мониторинг качества воздуха

    ​Если вредные привычки в питании человек в стремлении к здоровому образу жизни может скорректировать, то от ежедневного потребления 15 кубометров воздуха отказаться вряд ли удастся. Между тем в кубическом сантиметре воздуха сосредоточено около десяти тысяч аэрозольных частиц, попадающих в наш организм с каждым вдохом.
    353
  • 03/09/2017

    Дмитрий Маркович: Масштабы молодёжи нас устраивают

    ​2017 год стал для Института теплофизики СО РАН годом перемен — здесь впервые за 20 лет сменился директор. Коллектив одного из крупнейших академических институтов энергетического профиля России возглавил доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН Дмитрий Маркович.
    830
  • 20/06/2017

    Международная выставка «НТИ ЭКСПО» в Новосибирске

    ​​​Уникальная международная выставка достижений технологического развития "НТИ ЭКСПО" пройдет в рамках V Международного форума технологического развития "Технопром-2017" 20-22 июня в Новосибирске при поддержке правительства РФ, коллегии ВПК, Минпромторга России, Минэкономразвития России, МИДа РФ, правительства Новосибирской области.
    1808
  • 10/11/2016

    Новосибирские машиностроители готовы предложить импортозамещающие технологии металлургам

    ​Международная научно-практическая конференция "Оборудование для обогащения рудных и нерудных материалов. Технологии обогащения" стартовала 9 ноября в Новосибирске. Красной нитью сквозь большинство докладов, а их будет представлено более 30-ти, пройдет тема импортозамещения.
    1715
  • 31/10/2016

    В НГУ проходит российско-японская конференция по перспективным наноматериалам

    ​Новосибирский государственный университет совместно с Институтом химии твёрдого тела и механохимии СО РАН и Университетом Тохоку проводит с 30 октября по 2 ноября 2016 года российско-японскую конференцию «Advanced Materials: Synthesis, Processing and Properties of Nanostructures», посвящённую перспективным материалам и наноструктурам.
    2230
  • 27/03/2017

    Новосибирские ученые создали материал, обеспечивающий 30 лет непрерывной работы химического реактора

    Ученые из Института ядерной физики (ИЯФ) СО РАН и Новосибирского государственного технического университета (НГТУ) создали новую технологию сплавления титана и тантала, в результате чего получили особо стойкий к коррозии и агрессивным средам материал.
    1338
  • 29/08/2018

    В Новосибирске собираются построить аэродинамическую трубу для изучения обледенения самолетов

    ​Аэродинамическую трубу для изучения процессов обледенения при взлете и посадке самолетов планируется построить в новосибирском Академгородке, сообщил агентству "Интерфакс-Сибирь" научный руководитель Института теоретической и прикладной механики им.
    179