Сверхчистые металлы и их промышленное применение

Вскоре сверхчистые материалы потребовались и для получения особо жаропрочных и жаростойких сплавов. Еще более высокая чистота понадобилась для полупроводников. Так, в ряде полупроводниковых материалов количество примесей не должно превышать миллиардной доли процента! Для полупроводниковых приборов необходима также правильность кристаллического строения материала. Если всего один из каждого миллиарда атомов в кристалле германия будет смещен со своего места, то при производстве даже простейших транзисторов 80% их окажутся бракованными. Надежно работающие полупроводниковые приборы можно получить лишь в том случае, если в кристаллической решетке будет не более одного смещенного атома на 1 000 000 000 000!

Материалы условно делятся по чистоте на три группы: технически чистые, химически чистые и особо чистые. Если материал содержит менее 99,9% основного вещества — это техническая чистота. Если от 99,9 до 99,99% — химическая чистота. Если же 99,999% и более — это особо чистый материал. Часто употребляется и другое определение чистоты вещества — по числу девяток после запятой. Так, говорят: чистота «три девятки», чистота «шесть девяток» и т. д.

Редкоземельные металлы (церий, лантан, а также гадолиний, самарий, празеодим, иттрий) чистотой «пять девяток» получают теперь тоннами. Алюминием с чистотой «пять девяток» покрыто главное зеркало самого большого в мире советского шестиметрового оптического телескопа. Также широко применяется нержавеющая сталь марки которой необычайно важны в промышленности.

Однако подчас важно очистить материал не от всех возможных примесей, а только от особо вредных. Уран, например, пригоден для использования в атомных реакторах, лишь когда в нем меньше 0,00001% бора, лития и кадмия. А невредных примесей может быть в то же время в 1000 раз больше. Такой уран с трудом можно признать химически чистым, хотя он и является особо чистым по группе определенных примесей.

Или другой пример. Гораздо важнее снизить содержание бора в обладающем полупроводниковыми свойствами кремнии до десятимиллиардных долей, чем удалить в миллион раз больше германия.

У каждого металла — свои наиболее вредные примеси, так сказать, враги № 1. Это кислород в ниобии, тантале и реНии, азот в хроме, водород в ванадии и титане, углерод в вольфраме и молибдене, гадолиний и европий в уране и т. д. Также примеси вносят подчас существенные поправки в расчет массы того или инного сплава поэтому, чтобы расчитатьудельный вес стали необходимо использовать точные формулы.

Полезные загрязнения. Примеси, однако, могут быть не только вредны, но и полезны. Например, добавленный в сталь вольфрам делает ее более твердой, хром — нержавеющей, марганец — износостойкой, ванадий — «неутомимой». Нужно только уметь управлять составом и структурой металла. А для этого приходится использовать опять-таки высокочистые исходные вещества.

Аналогичная картина наблюдается и при изготовлении полупроводниковых приборов. Сначала очищают германий до тех пор, пока атомов мышьяка в нем станет не больше, чем один на миллиард атомов германия, а затем атомы того же мышьяка вновь вводят в германий, но уже в строго дозированном количестве — порядка одного атома на 100 000 000 атомов германия. Причем эта примесь должна распределяться лишь в тонких слоях (их толщина измеряется тысячными долями миллиметра), лежащих в строго определенном месте полупроводникового кристалла. Даже газы и неметаллические примеси (сера, фосфор, селен и др.) могут быть использованы при конструировании сплавов как сильнодействующие «гомеопатические» добавки.

Полупроводники позволили уменьшить размеры, а значит, и вес радиоэлектронной аппаратуры в десятки и сотни раз, а главное увеличить в еще большей мере ее надежность. Но это только начало. Управляя распределением атомов электроактивных примесей (мышьяка, бора, алюминия, фосфора и др.) в ультрачистом и правильном кристалле, можно создать микроскопические зоны, которые будут выполнять роль диодов и триодов, конденсаторов и сопротивлений, то есть можно вырастить всю сложнейшую радиоэлектронную схему в одном миниатюрном кристалле! Тогда и электронновычислительные машины, и телевизоры, и многие другие приборы не будут собираться из отдельных деталей, как сейчас, а станут «выращиваться» целиком! В микроэлектронике в настоящее время это уже часто делается. Легировать можно, не только вводя другой химический элемент (его атомы), но даже дозированно, вводя дислокации, вакансии, микропоры. В этом случае вакансия может рассматриваться как «атом» с нулевой массой.