Никакие «авгиевы конюшни» не устоят перед искусством сегодняшнего экспериментатора. Тяжелую работу человек препоручил машинам, которые мощью и ловкостью далеко превзошли Геркулеса. В распоряжении ученых есть не один десяток остроумных методов, о существовании которых и не подозревали наши античные предки. Но значит ли это, что поединок с примесями в борьбе за чистоту стал легче?
Методы препаративной химии совершенствуются день ото дня. Сегодняшние ученые умеют освобождать вещества от примесей куда лучше, проще и скорее, чем это удавалось Прусту или Кольраушу. Однако требования к чистоте материалов растут еще быстрее! И не известно, у какого предела они остановятся.
Если в урановом топливе окажется больше одной миллионной процента бора, цепочка ядерных распадов оборвется. А примеси мышьяка к германию, применяемому в полупроводниковой технике, порой не должны превышать одного атома на миллиард атомов чистого вещества.
99,9 999 999 процента. Такое количество девяток привело бы в трепет даже самого терпеливого, самого настойчивого химика прошлого века. А ведь наши деды умели годами и десятилетиями охотиться за сверхчистотой, когда они возгорались желанием поближе познакомиться с химическим индивидом. И лишь физико-химический анализ переключил их внимание на изучение смесей.
Но чудо: именно интерес к «грязи» помог добиться неслыханной чистоты.
Родились совершенно новые принципы очистки вещества. Их подсказали идеи физико-химического анализа.
Когда сплав затвердевает, кристаллики обоих компонентов и твердые растворы образуют довольно однородную смесь. Фазы не разделяются. Так происходит, если расплавленная масса охлаждается равномерно. А если ее охлаждать иначе? Не всю сразу, а зонами? Что тогда?
Улитка за час перемещается всего на несколько метров. Но в сотни раз медленнее двигается брусок материала, очищаемого зонной кристаллизацией. Метод назван так потому, что вещество в нем расплавлено не целиком, а лишь на одном участке. По левую и правую руку от огненно-жидкой массы — твердое вещество. Брусок незаметно для глаза проползает в кольцеобразный нагреватель, спокойно стоящий на месте. Вот и получается, что расплавленная зона путешествует от одного конца бруска к другому — ведь движение относительно! Если примеси (второй компонент) растворимы в расплавленном веществе лучше, чем в твердом, то они, естественно, стремятся там и остаться. Затвердевшая часть бруска будет чище его жидкой фазы. Медленно смещая брусок или нагреватель (все равно!), можно оттеснить всю «нечисть» от носа к хвосту бруска. Операцию обычно повторяют многократно. После этого «хвост» отрезают, оставаясь с чистым «носом».
Подвижное «адское пекло» позволяет получить полупроводниковый кремний с огромным процентом чистоты — семь девяток после запятой.
Если бы знал великий Данте, что химики способны даже ад превратить в чистилище!
Правда, структура тел, очищенных таким способом, получается мелкокристаллической. А для полупроводниковых приборов нужны правильные по форме крупные кристаллы. Пожалуйста: физико-химические методы и тут готовы прийти на выручку.
Вещество, подлежащее очистке, расплавлено в тигле. Температура раскаленной массы всего на несколько градусов выше точки плавления. В расплав вводят затравку — крохотную крупинку чистого вещества. На ее гранях тотчас начинают нарастать новые слои. Чтобы рост шел равномерно, кристаллик приходится вращать. И одновременно вытягивать из тигля, чтобы затравка не нагрелась и сама не расплавилась. Такая процедура идет не намного быстрее, чем растет гриб после хорошего дождя. Зато уж получается великолепный монокристалл — крупный, однородный, правильный. Примеси, которые хуже растворимы в твердой фазе, как и при зонной плавке, не переходят в кристалл.
Признаться, и этот метод небезгрешен. Вращение приводит к винтовым сдвигам в кристаллической решетке вещества. Образуются дислокации.