Metoda Czochralskiego i jego rewolucyjne monokryształy

Bez Jana Czochralskiego nasza rzeczywistość wyglądałaby zupełnie inaczej. Nie byłoby smartfonów, laptopów i innej elektroniki, a darmowa energia ze słońca pozostawałaby poza zasięgiem ludzi. Polski uczony wynalazł metodę na uzyskanie monokryształów, które dzisiaj są podstawą układów elektronicznych.

Jan Czochralski – któż to taki?

Jan Czochralski, polski uczony, którego metoda pozwoliła na rozwój elektroniki, urodził się w 1885 roku w Kcyni – małym miasteczku, niedaleko Bydgoszczy. Pochodził z szanowanej rodziny stolarskiej, ale jego eksperymenty z chemią niespecjalnie podobały się ojcu. Tak trafił do Berlina, gdzie w 1910 roku zdobył tytuł inżyniera chemika na Politechnice Berlińskej.

Sześć lat później Czochralski dokonał odkrycia, które z czasem zrewolucjonizowało elektronikę i naszą codzienność. Początkowo jednak jego metoda wytwarzania monokryształów interesowała tylko metaloznawców.

Gdy Czochralski zdobył spory rozgłos, zainteresował się nim Henry Ford, założyciel znanego koncernu motoryzacyjnego, i zaproponował mu pracę w swojej fabryce. Polski uczony odmówił, a w 1928 na prośbę prezydenta Polski, Ignacego Mościckiego wrócił do ojczyzny. Objął stanowisko profesora w Politechnice Warszawskiej i rok później przyznano mu tytuł doktora honoris causa. Czochralski zrzekł się obywatelstwa niemieckiego, ale formalnie jego decyzja nie została uznana.

Profesor słynął również z tego, że fundował stypendia dla studentów oraz był zaangażowany finansowo w rekonstrukcję dworku Chopina w Żelazowej Woli i wykopaliska w Biskupinie. Na Politechnice Warszawskiej stworzył Zakład Metalurgii i Metaloznawstwa. W czasie II wojny światowej pomagał swoim studentom, naukowcom i artystom. Udało się to dzięki prowadzonemu przez niego Zakładowi Badań Materiałów, który za zgodą władz konspiracyjnych Polski, współpracował z Wehrmachtem. Z tego też powodu po wojnie został oskarżony o kolaborację. Mimo świadectw innych, które uwydatniły jego postawę patriotyczną, został pozbawiony tytułu profesorskiego i wykluczony ze środowiska naukowego.

Wrócił do swojego rodzinnego miasteczka, gdzie założył firmę chemiczną BION. Gnębiony był przez Urząd Bezpieczeństwa. Zmarł na atak serca w 1953 roku. Dziś znany jest na całym świecie. Niestety nie doczekał się rozkwitu elektroniki półprzewodnikowej, ale dzięki swojemu odkryciu położył podwaliny pod jej rozwój.

Metoda Czochralskiego

Według anegdoty Czochralski odkrył swoją metodę pomiaru szybkości krystalizacji przez roztargnienie. W 1916 roku zamiast zanurzyć stalówkę pióra w kałamarzu, włożył ją do tygla z roztopioną cyną. Gdy wyciągnął pióro, okazało się, że zamiast niego ma pręcik metalu.

Obecnie wytwarzanie monokryształów metodą Czochralskiego odbywa się w piecach do monokrystalizacji. Pod wpływem 1400 stopni Celsjusza polikrystaliczny krzem zamienia się w ciecz. Jej atomy osadzają się na powierzchni cienkiego prętu monokryształu i w ten sposób rośnie kryształ. Jego wzrost i wagę monitoruje specjalne oprogramowanie. Proces ten jest szybki – 1 metr kryształu powstaje w ciągu 30 godzin. W przypadku półprzedwodników odbywa się to znacznie dłużej – ok. 10 cm na dobę.

Kryształy, które na początku wytwarzał Czochralski, przypominały metalowe druty. Te najdrobniejsze i niezwykle cenne, bo wytworzone z trudnych w obróbce materiałów, wyciąga się z pojedynczych kropel lewitujących w polu magnetycznym. Otrzymane kryształy poddaje się obróbce i np. tworzy się z nich płytki, które później są wykorzystywane do budowy elementów elektronicznych.

Aż 90% dzisiejszego przemysłu elektronicznego korzysta z urządzeń półprzewodnikowych, których istnienie zawdzięczamy metodzie Czochralskiego. Na jej bazie powstają również poli i monokryształy, z których zbudowane są ogniwa słoneczne.

Dzięki polskiemu uczonemu ludzie na całym świecie mogą czerpać darmową energię ze słońca!