Ангина

Выращивание кристаллов полупроводников в космосе. Японские физики предложили метод выращивания кристаллов в невесомости

КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2014, том 59, № 6, с. 863-890

УДК 54855 Посвящается Международному году кристаллографии

КОСМИЧЕСКАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ: РЕЗУЛЬТАТЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Институт кристаллографии РАН, Москва Email: [email protected] Поступила в редакцию 09.07.2014 г.

Проведен обзор исследований по кристаллизации в космосе. Основное внимание уделено росту кристаллов полупроводников и белков. Рассматривается история вопроса, анализируется влияние микрогравитации на рост кристаллов, приводится анализ основных экспериментов по росту кристаллов в невесомости. Дается подробный обзор работ ИК РАН в этой области.

DOI: 10.7868/S0023476114060289

Введение

1. Основные результаты космических экспериментов по выращиванию кристаллов полупроводников

2. Реальная микрогравитационная обстановка на борту космических аппаратов

3. Методы роста кристаллов полупроводников в условиях микрогравитации

3.2. Бестигельная зонная плавка

4. Специфика поведения расплавов в условиях микрогравитации, определяющая основные принципы постановки космических экспериментов

5. Кристаллизация белков в условиях невесомости. Особенности белковых кристаллов

6. Основные методы выращивания белковых кристаллов

7. Факторы, влияющие на качество белковых кристаллов

8. Параметры сравнения наземных и "космических" кристаллов

9. Источники повышения качества кристаллов в невесомости

10. Исследования в ИК РАН в 2004-20014 годах

Заключение

ВВЕДЕНИЕ

Прогресс космической техники во 2-й половине XX в. в области создания беспилотных и пилотируемых космических аппаратов (КА) привел к формированию и развитию нового научно-технического направления, связанного с исследованиями в условиях микрогравитации (МГ), - космического материаловедения, которое ставит своей целью использование космического про-

странства (МГ, высокий вакуум, солнечная радиация и т.п.), а при росте кристаллов, в первую очередь, - состояние МГ, для получения материалов со свойствами, недостижимыми в земных условиях.

В настоящее время реализуются различные направления материаловедения и технологий, перспективные для условий МГ. Это касается получения монокристаллов для широкой области приборов микроэлектроники, материалов для оптоволоконной техники, сверхпроводящих материалов, биокристаллов и др.

На первом этапе исследований использование МГ для получения кристаллов со свойствами, недостижимыми в земных условиях, основывалось на том, что:

При МГ практически исчезает термогравитационная конвекция, которая в земных условиях в основном определяет примесную микронеоднородность выращиваемых кристаллов; - при получении из расплава многокомпонентных кристаллов невесомость может обеспечить более высокую однородность распределения компонентов по объему кристаллов;

При МГ процесс кристаллизации в силу специфики физико-химических свойств полупроводниковых расплавов может происходить при отсутствии контакта расплава со стенками контейнера, что приводит к снижению негативного воздействия контейнера на рост, структуру и чистоту получаемых кристаллов;

При выращивании кристаллов белков в невесомости массообмен в растворе осуществляется преимущественно за счет диффузии, что приводит к возникновению вокруг кристалла зоны, обедненной примесями (эффект «самоочистки»), и, как следствие, росту более совершенных кристаллов.

Именно такими соображениями руководствовались российские и зарубежные исследователи,

приступая к практическим экспериментам на борту КА. Но все оказалось гораздо сложнее. На первоначальном этапе исследований на КА еще отсутствовала система регистрации уровня реальной МГ, не были развиты методы математического моделирования процессов тепломассоперено-са (ТМП) в расплавах, поэтому эксперименты проводились на сугубо эмпирической основе: опробовать в космосе по отработанным на земле технологиям различные методы выращивания кристаллов, получить широкий спектр кристаллических материалов и установить, какие из них будут существенно лучше получаемых в земных условиях, чтобы в дальнейшем, используя космические результаты, организовать их опытное или серийное производство. Воздействие длительной МГ на вещества и материалы в жидком и газообразном состоянии, а также при кристаллизации, как выяснилось в результате выполненных исследований, является сложным и неоднозначным: МГ может приводить к лучшим результатам по сравнению с земными условиями, давать такой же результат, что и в земных условиях, но может приводить и к худшим результатам .

Из анализа результатов космических экспериментов (КЭ) следует, что проведенные к настоящему времени в России и за рубежом многочисленные эксперименты по выращиванию монокристаллов в условиях МГ демонстрируют принципиальную возможность получения в космосе кристаллов с высокими по однородности характеристиками. Однако по совокупности требуемых параметров и по воспроизводимости результатов на данном этапе космические кристаллы (КК) уступают образцам, выращиваемым по передовым земным технологиям.

1. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ КОСМИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ВЫРАЩИВАНИЮ КРИСТАЛЛОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

С 1976 по 2000 г. были начаты и систематически проводились космические исследования по получению разнообразных материалов, к настоящему времени проведено более 800 КЭ, в том числе около 150 - на высотных и суборбитальных ракетах, около 150 - на автоматических аппаратах типа "Фотон" и более 500 - на орбитальных станциях "Салют", пилотируемых космических комплексах "Союз-Аполлон", "Мир".

В процессе КЭ были опробованы на борту КА различные методы выращивания: направленная кристаллизация, зонная плавка, химическое и физическое осаждение из газовой фазы, жидкостная эпитаксия.

Выращивались объемные из расплава кристаллы Ge, GaSb, InSb, InP, CdTe, CdHgTe, CdSeTe, CdZnTe, MnHgTe, а также монокристаллические

пленки из газовой фазы Ge, CdS:CdSe, 81 и др. , которые предполагалось использовать в микро- и оптоэлектронике, СВЧ-технике, при создании лазеров, детекторов излучения и СИ нового поколения.

Основные организации постановщики первых КЭ по росту кристаллов полупроводников в России: НИИ "Научный центр" (Зеленоград); ОАО "Гиредмет" ГНЦ РФ; Институт металлургии и материаловедения РАН; Институт физики твердого тела РАН (Черноголовка); "Конструкторское бюро общего машиностроения имени В.П. Бармина" (ФГУП "КБОМ", Москва); Научно-исследовательский центр "Космическое материаловедение" ИК РАН (Калуга).

Среди многообразия материалов, используемых для изучения особенностей процессов кристаллизации в космосе, особое место занимают полупроводники. Объясняется это тем, что они обладают рядом принципиальных преимуществ, важнейшее из которых - исключительно высокая чувствительность электрофизических свойств кристаллов к наличию и характеру распределения в них примесей и структурных дефектов. Кроме того, очень существенно то, что уже имеются отработанные, высокочувствительные, с большой пространственной разрешающей способностью методы контроля этих параметров .

2. РЕАЛЬНАЯ МИКРОГРАВИТАЦИОННАЯ

ОБСТАНОВКА НА БОРТУ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

На первом этапе исследований (1970-1985 гг.) на КА отсутствовала система регистрации МГ, считалось, что на борту КА реализуются условия полной невесомости, т.е. ускорение силы тяжести равно нулю. Однако результаты экспериментов по росту кристаллов оказались неожиданными, космические образцы по совокупности параметров уступали земным аналогам, одними из основных причин этого оказались остаточная МГ и конвекция Марангони (конвекция, возникающая при наличии свободной поверхности расплава) .

В дальнейшем вследствие гаридента поверхностного натяжения было установлено, что в реальных условиях низкоорбитального космического полета (~400-500 км) из-за действия сил аэродинамического торможения аппаратов, собственного внутреннего тяготения между их составными частями (как правило, оборудование находится вне центра масс), вибраций КА и т.п. состояния полной невесомости достичь не удается, и на борту действуют остаточные микроускорения с широким диапазоном частот и амплитуд на уровне 10-1-10-6 g0 (§о - земная гравитация) .

В настоящее время остаточные микроускорения на борту искусственных КА Земли обычно разбивают на две составляющие: квазистатическую и вибрационную (таблица).

Квазистатическая компонента микроускорений лежит в области частот до ~0.01 Гц и обусловлена характером орбитального полета КА. Ее величина и направление зависят от высоты орбиты и ориентации осей КА относительно Земли. Большинство экспериментов выполнялось на КА с почти круговой орбитой высотой 400-500 км над Землей. Для таких КА в свободном полете остаточные микроускорения в центре масс КА порядка 10-5-10-6 g0 и увеличиваются с удалением от него. В управляемом полете они могут достигать вне центра масс ~10-3 g0 и больше.

Вибрационная составляющая микроускорений обусловлена упругими колебаниями конструкции КА, системами ориентации КА, возбуждаемыми работой бортовых устройств жизнеобеспечения и деятельностью экипажа. Для КА массой несколько тонн и выше она имеет частоты в области выше сотых долей герца 0.01-300 Гц, а ее амплитуды могут достигать значений 10-1 g0.

3. МЕТОДЫ РОСТА КРИСТАЛЛОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ В УСЛОВИЯХ МИКРОГРАВИТАЦИИ

При проведении экспериментов на борту КА исследователи ориентировались на кристаллизационные процессы, которые, с одной стороны, широко применяются в земных технологиях, а с другой - наиболее полно используют преимущества МГ. К их числу относятся бестигельная зонная плавка (БЗП) и метод направленной кристаллизации. Большинство опытов с использованием этих методов проведены на установках типа "Зона" и "Полизон", специально изготовленных в КБОМ.

Одними из первых были проведены эксперименты по направленной кристаллизации на борту КА "Аро11о"-"Союз" (1975 г.) .

В первой серии экспериментов выращивались из расплавов монокристаллы Ge, легированные ~1 ат. % 81 и ~0.001 ат. % 8Ъ, во вто

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст . Статьи высылаются в формате

ЗАХАРОВ Б.Г., ОСИПЬЯН Ю.А., СТРЕЛОВ В.И. - 2009 г.

СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ ПРИМЕСНОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ В КРИСТАЛЛАХ GASB:TE ПРИ НАПРАВЛЕННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ В КОСМИЧЕСКИХ И НАЗЕМНЫХ УСЛОВИЯХ

ВЛАСОВ В.Н., КОРОБЕЙНИКОВА Е.Н., ПРОХОРОВ И.А., СЕРЕБРЯКОВ Ю.А., СИДОРОВ В.С., ШУЛЬПИНА И.Л. - 2012 г.

В широком поясе околоземного пространства, на высоте от трехсот с лишним до 35 800 километров, где синхронно с нашей планетой вращаются стационарные ИСЗ, Национальное управление по аэро-навтике и исследованию космического пространства (НАСА) предвидит развитие промыш-ленности. Работая в этом без-воздушном пространстве в условиях полной невесомости, космические предприятия смогут производить новые материалы, стоимость которых на Земле исчисляется десятками тысяч долларов за килограмм. Электростанции со сложной системой солнечных батарей смогут превращать энергию Солнца в электрическую и передавать ее на Землю. Обслу-живать небесную промышлен-ность будут космопланы.
Тем временем представители земной промышленности реагируют на эти многообещаю-щие планы по-разному и, в целом, весьма сдержанно. С одной стороны, ведущие промышленные предприятия, заключившие с НАСА контракты на разработку космического оборудования и экспериментальных технологических процессов, полны энтузиазма, то-гда как другие промышлен-ные корпорации, мало осведомленные о новых начинаниях, относятся к ним скептичеки. Роберт А. Фрош, директор НАСА, заявил, что его задача — это «обеспечить доступ в космос и разработать основные технологические процессы, которым потенциальный потребитель должен дать оценку, прежде чем он решится на капиталовложение».
Самообслуживающаяся лаборатория на борту космоплана станет первым производственным предприятием в космосе. Члены экипажа, получив соответствующую подготовку, будут создавать металлические сплавы в электро-плавильных печах, одна из которых изображена у левой стены на рисунке. В рабочем помещении исследователи, снабженные ботинками на присосках, смогут передвигаться во весь рост.
В командный отсек они будут «проплывать» через смежный воздушный шлюз. Вдоль правой стенки лаборатории разместятся клетки для подопытных животных.

Иллюстрация Николаса Соловьева

Однако скептицизм заинте-ресованных в прибылях корпо-раций, может быть, слишком преувеличен. Дело в том, что НАСА в космосе — не новичок, и планы свои строит на ба-зе успешных экспериментов, проведенных в ходе предыдущих орбитальных полетов. Эксперименты эти, проведенные главным образом на борту космической станции «Скайлаб» и во время совместных полетов кораблей «Аполлон» и «Союз», доказали, что за пределами земного притяжения с физическими телами происходят удивительные вещи: кристаллы растут более равномерно, в некоторых случаях в десять раз превышая размером земные экземпляры; биологические соединения легче поддаются разделению и сортировке, что позволяет надеятся на возможность производства более чистых вакцин и новых фармацевтических препаратов. Кроме того, в ходе предыдущих полетов выяснилось, что в космосе возможна выработка новых типов стекла, разнообразных суперсплавов, а также целого ряда материалов различной плотности, обладающих свойствами, неведомыми на Земле. Некоторые ученые полагают, что рейсы космопланов положат начало новым изобретениям, которые по своему значению можно будет уподобить разработанному в XVII веке вакуумному насосу.
На данном этапе оценка этой еще не изведанной области возможна лишь в том случае, если несколько промышленных корпораций сделают шаг в космос, ибо ни одно промышленное предприятие не должно на фоне нынешнего технологического прогресса игнорировать новую эру больших перемен, на пороге которой мы стоим.
Преимущества космического производства легче всего пояснить земными недостатками, из которых главным является гравитация. Большинство твердых материалов проходит стадию размягчения или плавки в процессах их создания или обработки, и там, где существует гравитация, они должны удерживаться стенками того или иного вместилища — причины изъянов материала.
Более того, гравитация вызывает конвективные течения, которые проходят вдоль температурных градиентов в слоях жидкости. Конвективные течения, хаотические и изменчивые по своему характеру, часто приводят к неожиданным и нежелательным структурным и композиционным различиям в твердых материалах, скажем, к образованию мягких или разжиженных участков. Гравитация также разъединяет молекулы, оставляя полости, в которых собираются посторонние примеси. Если жидкость состоит из двух и более составных частей, гравитация способствует разъединению этих материалов, нарушая их однородность в твердом состоянии.
Это вредное воздействие гравитации мучило не одно поколение промышленников со времен отлития первых бронзовых статуй; из-за него металлы никогда не могли достичь той прочности и других характеристик, которыми их наделяет теория. Так, например, сталь могла бы быть в десять, а то и в сто раз крепче нынешней. Лопасти реактивного двигателя распадаются при температуре, которая значительно повысила бы его эффективность. Микро-проводники электронного кардиостимулятора или штифты для костной пластики (цена то-го и другого высока, не говоря уже о травме при их замене) изнашиваются скорее, чем им теоретически положено.
В условиях космической невесомости большинство этих трудностей в процессах производства материалов отсутствует. Конечно, строго говоря, нулевой гравитации не существует, ибо каждая частица и каждый атом взаимно притягиваются. Однако на борту космоплана невесомость приблизится к этому недостижимому нулевому показателю: при спокойном режиме полета она будет равна одной миллионной доле земного притяжения, но когда астронавты включат вспомогательные ракеты для коррекции курса или, скажем, начнут передвигаться в своих снабженных присосками ботинках, невесомость повысится до одной тысячной земного тяготения, что ученые называют «микрогравиnацией». Одна фирма, производящая исследования для НАСА, укажет, что сила притяжения препятствует производству по меньшей мере четырехсот разных сплавов. Многие из них представляют комбинацию металлов, которые, подобно маслам и воде, в земных условиях не смешиваются. Зато в условиях невесомости они смешиваются до микромасштабов и, затвердев, обретают небывалую прочность и неведомые электрические, магнетические и другие физические свойства. Из этих металлических сплавов можно изготовлять прочные и легкие автомашины, почти невесомую мебель и т.д. Особенно большой интерес электроэнергетических фирм вызывают сверхпроводящие аллы, способные передавать электричество при низких температурах фактически без потери энергии.
Так, например, медь и свинец или свинец и алюминий, сплавленные в определенных пропорциях, проявляют свойства взаимосмазки, что, возможно, поможет конструкторам создать такой автомобильный двигатель, которого хватит на восемьсот или более тысяч километров пробега машины.
Многие из этих материалов можно производить лишь в космосе так называемым бесконтейнерным методом: жидкий металл затвердевает, ни с чем не соприкасаясь. Это возможно благодаря «всплыванию», что свойственно каждому предмету в космосе. Образец жидкости или твердого тела можно без особых усилий повесить» в нужное положение в акустическом, электромагнитном или электростатическом полях. Поскольку в космосе преобладают вторичные силы, как, например, поверхностное натяжение, то сплавленный материал автоматически приобретает форму сферы. Сфере можно придать нужную форму лишь незначимым воздействием на нее внешних сил. На Земле бесконтейнерный процесс далеко не пошел, ибо здесь он требует массивного воздействия внешних сил. В космосе же звуковыее волны обычного проигрывателя заставят воспарить стальной шарик.
Бесконтейнерный процесс может привести к улучшению микрокроструктуры вольфрама, одного из тугоплавких металлов (температура плавки 3410°С), который в расплавленном состоянии особенно под-вержен загрязнению. Посторонние примеси, образующиеся в тигеле, препятствуют производству чистого оптического стекла и повышают стоимость производства высококачественных стекловолокон, необходимых для новых линий связи, разрабатываемых Американской телефонно-телеграфной компанией и другими фирмами. Стекло космического производства, обладающее уникальной рефракцией и дисперсией, найдет себе широкое применение в лазерной технике и других оптических системах. «Список оптических приборов увеличится вдвое», — предсказывает Ральф Хаппе, специалист по производству стекла из фирмы «Рокуэлл интернэшонал корпорейшн».
Но, пожалуй, самые широкие перспективы в недалеком будущем открываются в космической промышленности перед кристаллами, ставшими неотъемлемой частью электроники и электронной оптики. В электронике используют свойство кристалла проводить электроны в строго определенных и полностью контролируемых условиях, в оптике — его прозрачность, с которой не сравнится даже самое высококочественное стекло, которое из-за своей аморфной структуры частично рассеивает свет.
Выращивание кристаллов на Земле в общем считается не наукой, а искусством. Специалисты, выращивающие наиболее крупные морковеобразные кристаллы, которые используются в изготовлении полупроводниковых интегральных микросхем, величают себя «кри сталловодами», что, собственно, недалеко от истины. Хотя кристаллы и не живые существа, они в какой-то мере подобны растениям. Кристаллы требуют пищи и тянутся в сто-рону источника питания. И тут, как выразился один исследователь, «кристалловод добавляет чуть-чуть того, чуть-чуть другого — как по рецепту». Равномерное распределение всех этих важных примесей, наделяющих полупроводниковый кристалл необходимыми электронными свойствами, в земных условиях осуществить трудно вследствие конвективных течений, вызываемых гравитацией. В результате, земной «урожай» пригодных для полупроводников кристаллов невелик.
Об успехах выращивания кристаллов в космосе красноречиво свидетельствуют опыты, проведенные на борту орбитальной станции «Скайлаб». Опыты бали разработаны Гарри Гатосом, профессором Массачусетского технологического института, специализирующимся по сопротивлению материалов и инженерному проектированию. Астронавтам удалось получить образец кристалла индий-антимонид. Измеряя проводимость образца во всю его длину, Гатос установил, что электрические свойства кристалла были постоянны. В подобном же кристаллы, выращенном в земных условиях, свойства эти менялись от одного конца к другому. Во время совместного полета «Апполон - Союз» Гатосу удалось вырастить такой же идеальный образец кристалла германия. И хотя опыты эти, в силу обстоятельств, были весьма простыми, они, тем не менее, превзошли все ожидания.
Выращивание кристаллов в космосе возобновится с началом первых полетов космопланов-лабораторий. В доказательство приведен пример с гелием-арсенидом, который широко используется в производстве излучающих светодиодов, лазеров, микроволновых устройств и другой технической аппаратуры. Фунт (450 граммов) галлия-арсенида не очень высокого качества стоит в настоящее время 15000 долларов. В итоге, стоимость производства этого кристалла составляет небольшую долю его продажной цены. Кристаллы из космоса, дают значительно большее количество совершенных полупроводниковых интегральных микросхем и оправдывают, таким образом, высокую цену кристалла. Если же высокое качество кристаллов породит новую область их применения, то им буквально не будет цены.
Вероятно, прибыльным окажется ещё один продукт — крошечный шарик из весьма обычной пластмассы — полистирольного латекса. Шарики, диаметром менее двух микронов и более 40 микронов, можно сделать на Земле, но шарики промежуточных размеров получаются неустойчивыми и по сложным техническим причинам не поддаются массовому производству. А ученые крайне нуждаются в та-ких средних диаметрах. Если, например, шарики разных диаметров ввести в бактериальную культуру перед ее анализом под электронным микроскопом, то с их помощью ученые смогли бы произвести точные измерения многих объектов от вирусов до отверстий в диафрагмах. Кроме того, крошечные шарики можно будет использовать для градуировки самого электронного микроскопа и других приборов.
Космос таит в себе широ-кие возможности для дальнейшего прогресса биологии и медицины. Микрогравитация поможет ученым разделять определенные типы клеток, клеточные компоненты и продукты, а также протеины. Вакцины обретут недостижимую на Земле чистоту. Предыдущие полеты дали не только ценную информацию, но и урок на будущее; во время опыта с ДНК молок лосося в среду проникли бактерии и целиком уничтожили ее.
Все дело в том, что сотни биологических веществ на Земле не поддаются ни синтезированию, ни разделению в силу все тех же конвективных течений, которые дают неравномерные и непрогнозируемые композиции. Многие из этих комплексных биологических продуктов вырабатывает человеческий организм. Урокиназа, например, способствует активизации ферментов, рассасывающих сгустки крови, а в выработке этого ценного химического вещества участвует всего пять процентов печеночных клеток. Задание космических лабораторий — разделить эти клетки и затем, в целях размножения, культивировать их на Земле. Печеночные клетки, выделенные в полете «Аполлон—Союз», выработали урокиназы в семь раз больше обычного, но по непонятным причинам, которые ученым интересно выяснить, на Земле эти клетки выработку урокиназы прекратили.
Вырабатываемые организмом гормоны и другие вещества, как, например, ативирусный агент интерферон или эндорфины — болеутоляющие агенты головного мозга, можно также получать в чистом виде в космосе. Следующим кандидатом в орбитальные лаборатории являются эритропоэтины, вырабатываемые почками и стимулирующие образование эритроцитов в красном костном мозге. Выработать чистые эритропоэтины на Земле еще никому не удавалось.
Тем не менее ученые сделали большой прогресс в изучении кровяных клеток, обнаружив в них целый ряд новых веществ, выполняющих роль иммунизирующих агентов. В условиях невесомости ученые надеются выделить новые препараты, которые помогут бороться, скажем, с ревматическим артритом, не поддающимся защитным действиям механизмов иммунитета. Джон Каррутерс, директор программы НАСА по разработке материалов, предсказывает, что «в один прекрасный день лекарства начнут поступать из космоса».
Помимо невесомости, другим важным преимуществом космоса является чистота и разряженность атмосферы на высоте 300 километров. Роберт Т. Фрост, директор отдела космических исследований фирмы «Дженерал электрик», называет верхние слои атмосферы «лучшей в мире вакуумной камерой». Но тут следует сделать оговорку. В районе челночных рейсов космическое пространство не будет таким чистым, как этого хотели бы исследователи, ибо выхлопные газы ракетных двигателей и мусор из грузовых отсеков будут неизменно сопровождать орбитальные аппараты. Кроме того, даже на этой высоте существует атмосфера, состоящая из рассеяных атомов кислорода и создающая давление, равное всего лишь десятимиллиардным долям земного давления над уровнем моря. В связи с этим НАСА намеревается сконструировать космический щит на носовой штанге аппарата. «Воздух» с космической скоростью будет обтекать щит и образовывать за ним почти идеальный вакуум. Фрост полагает, что в этом сверхчистом пространстве стоимость производства тонкой пленки для солнечных батарей составит всего один процент стоимости ее производства на Земле.
Конечно, все эти чудеса свершатся не в один день. В будущем астронавты найдут себе более широкое применение. Им придется монтировать в космосе энергетические установки для передачи на Землю солнечной энергии и выполнять другие функции. В обоз римом будущем НАСА, вероятно, превратится в своеобразный центр коммунального обслуживания. Владея всеми достояниями космоса, управление будет продавать свои услуги промышленным корпорациям всего мира. Впрочем, не исключена возможность, что НАСА передаст свое дело какой-нибудь частной фирме. Авиакомпания «Боинг», например, считает, что она могла бы извлечь прибыль из коммерческой эксплуатации космопланов.

Выращивание полупроводниковых кристаллов в космосе

Полупроводниковые кристаллы – это основа всей электроники, и, конечно, существует масса методов их получения в земных условиях. К сожалению, все они обладают общими недостатками: выращенные кристаллы часто оказываются неоднородными, слишком маленькими или испорченными посторонними примесями. Причин на то много, но среди них существует одна наиболее общего характера – сила притяжения. В земных условиях гравитация порождает явление термогравитационной конвекции, перемешивания жидкости под действием разности температур в поле тяготения. В условиях же космической невесомости роль этого фактора значительно спадает, и становится возможным получать полупроводниковые кристаллы более чистой структуры и совершенного состава.

Первые эксперименты по выращиванию материалов в космосе начались вскоре после полёта Гагарина, в 1961 году, и их результаты часто оказывались противоречивыми. Так, кристаллы Ge(Ca) и InSb(Te), полученные в американских экспериментах «Скайлэб», отличались высокой однородностью структуры, а кристаллы с борта «Аполлона-Союза», напротив, проигрывали своим земным аналогам. Причин для подобных неудач приводилось несколько: вибрации механизмов, остаточные микроускорения (ускорение свободного падения на борту космических аппаратов не равняется строго нулю вопреки распространяемым заблуждениям), некоторые конвекционные эффекты, незаметные при земном притяжении. Так учёным стало понятно, что космические условия намного сложнее, чем выглядят на первый взгляд, и многие эксперименты стали сопровождаться численными моделированиями. Они подтвердили: получать кристаллы совершенной структуры в космосе возможно, но чрезвычайно трудно.

Поэтому следующим этапом в изучении возможностей создания идеальных кристаллов стал метод физического моделирования. Полупроводниковые кристаллы часто получают методом направленной кристаллизации. Грубо говоря, тигель с нагретым расплавом нужного состава постепенно вносится в область с пониженной температурой, где и начинают расти кристаллы. Для ослабления земного явления термогравитации в подобных условиях учёные предложили перемещать не сам расплав, а создавать движущееся температурное поле с малыми радиальными температурными градиентами. Такой подход позволил моделировать космические условия роста кристаллов и заранее планировать эксперименты с экономией времени и материала. Используя этот подход были перекристаллиизованы полупроводниковые кристаллы GaSb(Te) в земных условиях и на борту АКА «Фотон-М3». В обоих случаях получились однородные кристаллы высокой чистоты, в которых наблюдались некоторые периодические зависимости физических свойств от структуры. При этом период зависимости для космических образцов составил 90 минут (что совпадает с периодом обращения спутника), а для наземных – 5–20 минут. Подробно результаты теоретических и экспериментальных работ, посвящённых выращиванию в космосе полупроводниковых кристаллов, описаны в обзорной статье российских физиков из ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН и НИЦ (Физика твёрдого тела, 2012, том 54, выпуск 7).

Японские ученые сумели преодолеть барьер, связанный с особой технологией выращивания гелиевых кристаллов. Результаты исследований опубликовал журнал Немецкого общества физиков. Опыты, проходившие в условиях нулевой гравитации, смогут помочь ученым понять фундаментальные законы создания гелиевых кристаллов и рассмотреть некоторые новые явления, которые при действии гравитации могут быть скрыты от взора.

Первоначально для выращивания кристаллов гелия применялась особая среда со сверхнизкой температурой (порядка -279 град.) и сверхвысоким давлением. Постепенно кристаллы «обрызгивались» таким же гелием, но элемент находился в сверхтекучем состоянии. Отметим, что сверхтекучестью называется особое свойство, при котором вещество обладает всеми признаками жидкости, но при этом имеет нулевую вязкость. Для сверхтекучих жидкостей присуще одно полезное свойство – такие материалы способны проходить через мелкие зазоры между другими объектами без какого-либо трения.

В обычных условиях для формирования кристаллов могут понадобиться тысячи лет. Однако в наши дни в средах со сверхнизкими температурами гелиевые кристаллы можно вырастить всего за 1 секунду. Однако в этом случае существует одна проблема – при действии гравитации кристаллы значительно деформируются. По словам профессора Рюдзи Номура, одного из авторов эксперимента, с помощью сверхтекучего вещества можно довольно быстро получить полноценные кристаллы – для этого достаточно обеспечить условия невесомости.

В своих исследованиях японские физики отказались от идеи применения дорогостоящих космических аппаратов: вместо этого был задействован сверхзвуковой самолет. Известно, что при особых параболических траекториях полета даже на борту реактивного самолета можно создать условия нулевой гравитации, которая продлится около 20 секунд.

Для реализации эксперимента на борту самолета был расположен лабораторный холодильник, в нижней камере которого под высоким давлением размещались большие гелиевые кристаллы. Далее кристаллы подвергались дроблению с помощью акустической волны, после чего более мелкие кристаллы «обрызгивались» сверхтекучим гелием. В результате крупные кристаллы гелия росли до размера примерно 10 мм, а мелкие кристаллы плавились. Весь цикл экспериментов занял около 20 часов.

Рост кристаллов происходил из-за имевшего место так называемого явления Оствальдовского созревания. Подобное явление можно наблюдать при производстве мороженого, которое постепенно становится твердым и хрустящим из-за роста более крупных кристаллов за счет повреждения мелких. Сам процесс Оствальдовского созревания довольно медленный, и ранее такой быстрый рост крупных кристаллов не наблюдался.

Первые эксперименты по получению материалов в космосе начались 50 лет назад. За прошедшие годы основные методики и подходы к данным исследованиям не претерпели больших изменений, но цели работ, лежащих в этом русле, стали совсем другими: от поиска новых термостойких металлов учёные перешли к полупроводниковым кристаллам для солнечной энергетики. К очередному эксперименту из этой серии готовятся исследователи из совместно с коллегами из Университета Хьюстона (University of Houston): на борту Международной космической станции (МКС) они хотят вырастить кристаллы совершенной структуры для солнечных панелей.

Первые эксперименты по выращиванию материалов в космосе начались вскоре после полёта Гагарина , в 1961 году, и их результаты часто оказывались противоречивыми. Так, кристаллы Ge(Ca) и InSb(Te), полученные в американских экспериментах «Скайлэб», отличались высокой однородностью структуры, а кристаллы с борта «Аполлона-Союза», напротив, проигрывали своим земным аналогам. Причин для подобных неудач приводилось несколько: вибрации механизмов, остаточные микроускорения (ускорение свободного падения на борту космических аппаратов не равняется строго нулю вопреки распространяемым заблуждениям), некоторые конвекционные эффекты, незаметные при земном притяжении. Так учёным стало понятно, что космические условия намного сложнее, чем выглядят на первый взгляд, и многие эксперименты стали сопровождаться численными моделированиями. Они подтвердили: получать кристаллы совершенной структуры в космосе возможно, но чрезвычайно трудно.

Поэтому следующим этапом в изучении возможностей создания идеальных кристаллов стал метод физического моделирования. Полупроводниковые кристаллы часто получают методом направленной кристаллизации. Грубо говоря, тигель с нагретым расплавом нужного состава постепенно вносится в область с пониженной температурой, где и начинают расти кристаллы. Для ослабления земного явления термогравитации в подобных условиях учёные предложили перемещать не сам расплав, а создавать движущееся температурное поле с малыми радиальными температурными градиентами. Такой подход позволил моделировать космические условия роста кристаллов и заранее планировать эксперименты с экономией времени и материала. Один из самых ярких подобных опытов был проведён самими авторами обзорной статьи. Полупроводниковые кристаллы GaSb(Te) были перекристаллизованы в земных условиях и на борту АКА «Фотон-М3». В обоих случаях получились однородные кристаллы высокой чистоты, в которых наблюдались некоторые периодические зависимости физических свойств от структуры. При этом период зависимости для космических образцов составил 90 минут (что совпадает с периодом обращения спутника), а для наземных – 5–20 минут.

Очередной эксперимент по получению полупроводниковых кристаллов в космосе планируется провести уже в 2013 году. На борту МКС исследователи хотят вырастить кристаллы совершенной структуры для солнечных панелей – так уже отработанные методики находят новые практические приложения. При этом результаты подобных, несколько экзотических экспериментов помогают и совершенствованию наземных технологий.

Подробно результаты теоретических и экспериментальных работ, посвящённых выращиванию в космосе полупроводниковых кристаллов, описаны в обзорной статье российских физиков из ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН и НИЦ «Космическое материаловедение» . Публикация размещена на страницах журнала «Физика твёрдого тела» . Материалами для обзора послужили как многочисленные результаты исследований самих авторов, так и наиболее яркие работы их зарубежных коллег.