Меняющие свойства

Космическая ракета уходит в небо... За десятки километров под водой чувствительный приемник улавливает — движется подводная лодка. Лазеры лоцируют Луну... На километры под землю уходит алмазный бур... Электронно-вычислительные машины перерабатывают громадные потоки информации...

Что за разнородный набор сведений и понятий, скажет читатель. А здесь перечислены области применения — и далеко не все — разнообразных синтетических кристаллов, или, как говорят, подчеркивая высокую однородность и совершенство их атомного строения, — монокристаллов.

Многие кристаллы ценны как материалы с теми или иными высокими физическими характеристиками. Так, кварц прозрачен для ультрафиолетового излучения, непревзойденно тверд алмаз.

Более интересно и не менее важно другое — способность кристаллов менять свои свойства и характеристики под влиянием внешних воздействий: света и электромагнитных волн, механических напряжений, магнитного поля, электрического тока, ядерных излучений, температуры. Поэтому кристаллы могут служить естественными источниками, приемниками, преобразователями, усилителями разнообразных физических процессов.

Переворот в радиоэлектронике, вызванный применением полупроводников, развитие квантовой электроники, квантовой акустики — это техническое воплощение открытий физики в изучении свойств кристаллов. На этой основе возникли многие ветви техники.

Естественно, что сначала использовались и исследовались природные кристаллы, которые человек добывает из земных недр. Но такие кристаллы — горный хрусталь, флюорит, алмазы и другие — удовлетворяют лишь малую долю потребностей сегодняшнего дня. И дело даже не в том, что их запасы ограничены, а в том, что большинство используемых в технике монокристаллов открыты и синтезированы в лабораториях и по своим свойствам не имеют природных аналогов.

Строение, свойства и образование кристаллов изучает кристаллография. Эта одна из древнейших наук и сегодня не остановилась в своем развитии. Она внесла существенный вклад в научно-техническую революцию нашего времени. Сейчас ясно, что наиболее плодотворен путь, когда атомная структура и присущие ей разнообразные дефекты, физические свойства кристаллов и процессы их образования изучаются как единая комплексная проблема. Эти три неразрывно связанные стороны современной кристаллографии питают и подкрепляют друг друга. Такой подход позволяет вести целенаправленный поиск новых кристаллов, улучшать их свойства, совершенствовать процессы синтеза.

Задачи технического синтеза кристаллов можно подразделить на две группы. К первой относятся вопросы создания крупных, совершенных кристаллов, по своей структуре приближающихся к идеальным.

Зарождение и рост кристалла — это сложный и тонкий процесс присоединения к его поверхности атомов из питающей среды — раствора, расплава или газа. Нарушение оптимальных условий кристаллизации ведет к порче кристалла.

Здесь особое значение приобретает точность поддержания этих условий. Для некоторых процессов необходимо выдерживать и плавно изменять температуру в области 1500—2000 градусов с точностью до десятых долей градуса. Нередко недопустимо присутствие одного атома примеси на миллион атомов основного вещества. Все это выдвигает особые требования к кристаллизационной технике и материалам, используемым для выращивания кристаллов.

Вместе с тем высокооднородные кристаллы открывают поистине необычайные горизонты. Например, на кристаллах магнитных диэлектриков, железо-иттриевом гранате и других, можно создать информационно-логические системы необычайной емкости. На тончайшей пластинке такого кристалла площадью в квадратный сантиметр можно записать до миллиона бит (единиц) информации. Это чрезвычайно улучшит характеристики памяти современных электронно-вычислительных машин и позволит поставить вопрос о создании компактных устройств, приближающихся по своей информационной емкости к человеческому мозгу, которая оценивается приблизительно в 10 миллиардов бит.

Особого внимания заслуживает проблема синтеза тугоплавких ионных кристаллов, которые обладают высокой устойчивостью к механическим, химическим и другим воздействиям. Аппаратура и методика синтеза этих монокристаллов разработаны в Институте кристаллографии АН СССР. Так, кристаллы сапфира незаменимы для технической оптики, радиотехники, микроэлектроники. В квантовой электронике большую роль играют кристаллы иттриево-алюминиевого гранота. Они же обладают замечательными качествами и как ювелирные камни, причем введение микродоз различных элементов позволяет получить богатую гамму тонов — от розовых, бледно-голубых до насыщенных зеленых. На фотохромных, то есть изменяющих свой цвет под действием света, оптических монокристаллах могут быть также созданы информативные устройства, обладающие колоссальной емкостью. Здесь не нужны электрические схемы, так как ввод и вывод информации ведется световым пучком, который осуществляет в объеме кристалла так называемую голографическую запись пространственного изображения.

Другая большая группа задач кристаллизации, наоборот, связана с необходимостью создания переменных, в том числе и преднамеренно дефектных, структур в кристаллах, — например, многослойных опто-электрических кристаллических слоев, нитевидных кристаллов. Такие структуры исключительно чувствительны к разного рода воздействиям. Например, методом кристаллизации из газообразного состояния на квадратном миллиметре поверхности полупроводникового кристалла можно создать «щетку» из 10—100 тысяч нитевидных микромонокристаллов. Она может служить, в частности, мощным источником электронов.

Решение задач, связанных с выращиванием кристаллов, немыслимо без использования новейших методов исследования. В связи с трудностью экспериментальных работ по элементарным процессам роста кристаллов за последние годы широкое развитие получили модельные эксперименты—«кристаллизация» на счетно-решающих машинах. Эти расчеты позволяют установить закономерности и оптимальные условия кристаллизации. В то же время разрабатываются и методы управления синтезом кристаллов с помощью вычислительных машин.

Изучение и технический синтез кристаллов интенсивно развиваются во многих странах мира. Анализ этих тенденций показывает, что размах исследований в области кристаллографии и кристаллофизики, уровень производства разнообразных синтетических кристаллов в настоящее время являются одним из существенных критериев научно-технического потенциала.