Кристаллы могут подходить друг к другу как пазлы. Это одномерность структур является основой эпитаксии, то есть метода получения слоистых полупроводниковых кристаллов высокого уровня чистоты с интересными свойствами. Они могут создавать сложные структуры, такие как квантовые колодцы или точки, а также слои толщиной максимум в один атом.
«Эпитаксия или искусство получения ультрачистых кристаллов», - так называлась встреча в лаборатории факультета физики Варшавского университета на Фестивале науки этого года. Во время посещения лаборатории можно было не только наблюдать за процессом с объяснениями от специалистов, но и принять участие в эксперименте, связанном с одним из этапов выращивания кристаллов, что я и сделала. А кроме того, пригласила к микрофону наших «гидов» - аспиранток факультета физики Каролину Полчиньскую и Юлию Кухарек, которых попросила приблизить понятие «эпитаксия».
Каролина Полчиньская: Слово «эпитаксия» означает отображение нашей структуры, точное отображение основы. То есть, если мы выращиваем какую-либо структуру, то она точное отображает симметрию основы, которую мы используем. Мы используем монокристаллическую основу, поэтому структуры, которые мы выращиваем на таких основах, также будут монокристаллами, при сохранении соответствующих условий. Так что методом эпитаксии можно получить идеальные кристаллы».
- Для чего же служат эти идеальные кристаллы?
Каролина Полчиньская: Эти идеальные кристаллы, как правило, являются полупроводниковыми структурами и находят применение в лазерах, в полупроводниковых диодах, можно делать также другие разного рода рода наноструктуры с использованием этой техники. В частности, они применяются в лампах, в электронных устройствах на кремниевой основе. Такой техникой производятся транзисторы, микропроцессоры, так что каждый из нас имеет какие-то полупроводники в кармане, ручаюсь.
- А могли бы Вы чуть подробнее сказать о свойствах, которыми обладают ультрачистые кристаллы?
Каролина Полчиньская: Прежде всего, мы можем модифицировать эти кристаллы, можем их намеренно примешивать друг к другу и таким образом влиять на цвет света, которые будут излучать наши диоды, или на длину волны, которую должен регистрировать детектор, поскольку мы можем производить также детекторы, не только излучать свет, но также его регистрировать и исследовать.
- А об экскурсии и интересных экспериментах в лаборатории факультета физики, связанных с эпитаксией, я попросила сказать Юлию Кухарек:
Юлия Кухарек: Участники встречи, мне кажется, с удовольствием, как и студенты первых курсов, познакомиться с тем, как выглядит лаборатория, из чего состоит машина для эпитаксии молекулярных связей. Гости собственноручно также расщепили основу, как делаем это мы каждый раз, когда хотим вырастить какую-либо пробу - более крупные, округлые кристаллы поломали на более мелкие кусочки. Конечно, здесь размеры были случайными, мы обычно пользуемся основой размером 1х1 см. И что еще могли наши участники сделать, это наблюдать дифракцию электронов на сапфировой основе. А еще в исключительном порядке, благодаря тому, что у нас проходил технический перерыв, гости могли непосредственно, не на экране компьютера, увидеть так называемые дифракционные эффекты на экране RID.
Эксперимент по расщеплению кристалла. Фото: И. Завиша
- Надо сказать, что сапфировый цвет, который сразу возникает в памяти как специфический оттенок синего или другого цвета, в эксперименте не присутствует. Сапфир в данном случае был совершенно бесцветным, каковым он является на самом деле. Как объяснили наши аспирантки, в производстве ювелирных изделий к сапфиру добавляют другие вещества:
Юлия Кухарек: Если говорить о сапфире, - и наши студенты узнают это на занятиях - что не сам сапфир, а добавки к нему дают именно такой цвет. Причем речь идет не том, что эти добавки имеют цвет, а здесь действуют законы физики. Благодаря этим добавкам вводятся дополнительные уровни, и для нашего зрения этот кристалл перестает быть прозрачным, а становится цветным - красным, синим или зеленым.
- Во время эксперимента мы надевали резиновые перчатки и маски, похожие на те, которые мы носили во время пандемии коронавируса. Но в данном случае эти вещи имели другую цель. Какую именно?
Юлия Кухарек: Конечно, в первую очередь, мы пользуемся масками и перчатками, чтобы защищиться. Здесь, в лаборатории физики твердых тел, нет ядовидых испарений, зато большую опасность для человека представляют собой разные виды пыли. Как раз участники встречи в процессе эксперимента могли произвести такую пыль в момент расщепления основы. Поэтому наши дыхательные пути надо защищить маской, чтобы не повредить легкие, а перчатки защищают руки от частиц кадмия, иногда аршинника, которые при соприкосновении могут попасть на тело, на лицо, не дай Бог, в нос или глаза. Но есть и другие причины для ношения масок и перчаток, как, например, охрана наших проб от водного пара, который выходит во время дыхания, от жира на руках. И чтобы не повредить пробы, которые мы как раз вырастили, надо надевать хотя бы минимум защитных средств.
Автор передачи: Ирина Завиша