Odkrywanie metody Czochralskiego

Największy rozgłos przyniosła Janowi Czochralskiemu metoda nazwana później jego imieniem, a opracowana w 1916 r. jako metoda pomiaru szyb kości krystalizacji metali.

Zaczęło się przypadkowo, co potwierdza, jak wnikliwie Czochralski obserwował zdarzenia i zjawiska. Któregoś wieczoru odstawił tygiel ze stopioną cyną i powrócił do pisania notatek z prowadzonych badań nad krystalizacją. W pewnej chwili zamyślony zanurzył pióro w tyglu zamiast w kałamarzu. Szybko wyciągnął je – zauważył, że z końca stalówki zwisała cienka nić zestalonego metalu. Odkrycie zostało dokonane! Szczeli na stalówki, w której rozpoczęła się krystalizacja, zastąpiona została specjalną wąską rurką, kapilarą, a z czasem przez zarodek-drobny kryształ otrzymywanego materiału. Zastąpienie ręki z piórem przez mechanizm napędzany silnikiem, pozwoliło na dawno poszukiwaną możliwość po miaru szybkości krystalizacji, jako pewnej własności materiału. Mierzono maksymalną prędkość, z jaką można wyciągać ze stopu krystaliczną nić, nie doprowadzając do jej zerwania. Później Czochralski sprawdził, że otrzymany drucik jest monokryształem. Tak otrzymywane kryształy mia ły średnicę rzędu milimetra i długość do 15 cm. Pierwsza publikacja do tyczyła badań szybkości krystalizacji cyny, cynku i ołowiu, a maksymalne szybkości wyciągania kryształu uznane zostały za najwłaściwszą charak­terystykę materiału. W okresie późniejszym Jan Czochralski badał wpływ warunków eksperymentu na postać kryształów otrzymywanych jego metodą i zastosowanie tej metody wyłącznie, jako sposobu otrzymywania monokryształów zawdzięczamy W. von Wartenbergowi. Z czasem po jawiały się kolejne modyfikacje metody. Zastosowanie tej właśnie metody przez G.K. Teala i J.B. Little’a w 1950 do otrzymywania monokryształów germanu, a później i krzemu, umożliwiło przemysłową produkcję tranzystorów i w efekcie doprowadziło do rewolucji elektro­nicznej. To nadało światowy rozgłos metodzie Czochralskiego otrzymy wania kryształów. Do dziś żadna z innych, nowszych metod hodowli kryształów nie może konkurować wielością zastosowań i modyfikacji z metodą Czochralskiego.

Dzisiaj można metodę Czochralskiego opisać w następujący sposób: Materiał podlegający krystalizacji, po roztopieniu w tyglu, ochładzany jest przy powierzchni stopu do temperatury krzepnięcia. Do powierzchniowej warstwy stopu wprowadzany jest zarodek krystalizacji (kapilara lub odpowiednio zorientowany monokryształ), na którym zaczynają narastać kolejne warstwy kryształu o orientacji wymuszonej przez orientację tego zarodka. Zarodek zaczyna być wyciągany ze stopu z określoną szybkością tak by nie został zerwany kontakt wyciąganego kryształu ze stopem. Odpowiedni dobór szybkości wyciągania, wzajemny obrót kryształu i tygla, rozkład temperatur w tyglu i wiele innych parametrów wpły wają na rozmiary i jakość otrzymanego monokryształu. Np. stosowane w przemyśle półprzewodnikowym monokryształy krzemu mają zwykle średnicę około 20 cm. Jedną z ważniejszych zalet metody jest możliwość kontrolowanego wprowadzania domieszek, a więc materiał wcale nie musi być „czysty spektralnie”.

Warto wspomnieć, że Czochralski zajmował się również inną metodą otrzymywania monokryształów – przez rekrystalizację materiału wyjściowego. Jest zresztą autorem pierwszej próby mikroskopowej teorii tego zjawiska.