PROF. JAN CZOCHRALSKI – OJCIEC ŚWIATOWEJ ELEKTRONIKI

Kto jest jednym z najbardziej znanych na świecie polskich uczonych?

Czy wiecie, którego z polskich uczonych najczęściej wymienia się w literaturze światowej?

Czy wiecie, że nazwisko polskiego profesora jest prawdopodobnie na pierwszym miejscu spośród najczęściej wymienianych w publikacjach związanych z elektroniką?

Czy wiecie kto to był Jan Czochralski?

A znacie największych światowych wynalazców? Pewnie znacie i na pierwszym miejscu wymienilibyście  Thomasa Edisona, bez którego na pewno doskwierałby nam brak żarówki.

Tymczasem był taki uczony i wynalazca, któremu zawdzięczamy niemal całą elektronikę. Bez niego nie byłoby wszystkich tych urządzeń, w sercu których znajdują się układy z krzemu - telewizorów, komputerów, telefonów, robotów, kuchenek mikrofalowych, zegarków kwarcowych i wielu innych nowoczesnych urządzeń . W dodatku ten uczony był Polakiem. Nazywał się Jan Czochralski.

Czasem bywa tak, że naukowe odkrycie wyprzedza swoją epokę historyczną. Spośród plejady najbardziej znanych za granicą polskich naukowców, właśnie to dotyczy Jana Czochralskiego. Jeden z jego wynalazków dzisiaj jest wykorzystywany przy produkcji półprzewodników przez największe koncerny produkujące elektronikę, takich jak amerykańskie Intel i Motorola, IBM i AMD, koreański Samsung albo japoński NEC. Metodą wynalezioną przez Czochralskiego wytwarza się cały współczesny krzem, z którego produkuje się diody, tranzystory i czipy układów scalonych.

In 2006 the Polish Materials Science Society, the Polish Society for Crystal Growth and the Polish Academy of Sciences joined with the European Materials Research Society to establish the International Chapter of the Jan Czochralski Award.

Jan Czochralski w 1916 r. został autorem genialnego odkrycia - sposobu hodowania dużych monokryształów metali. Współcześnie metodą Czochralskiego hoduje się monokryształy krzemu dla przemysłu półprzewodników. Ale ta metodyka znalazła swoje rewelacyjne zastosowanie dopiero w 50-tych latach, po skonstruowaniu tranzystora przez Waltera Brittaina, Johna Bardeena i Williama Shockleya. Za wynalazek tranzystora cała trójka otrzymała nagrodę Nobla z Fizyki w 1956 roku. Juliusa Lilienfelda pochodzącego spod Lwowa, który uważał się za Polaka pominięto.

Transistor inventors William Shockley (seated), John Bardeen, and Walter Brattain, 1948.

Dzisiaj bez metody Czochralskiego nie da się wyobrazić rozwoju elektroniki i produkcji przedmiotów sprzętu gospodarstwa domowego, informatyki, w "sercu" których znajdują się krzemowe chipy.

Bell Laboratories. To w Bell Laboratories w 1950 roku po raz pierwszy użyto metody Czochralskiego do otrzymania monokryształu półprzewodnika.

Jan Czochralski zajmował się wieloma zagadnieniami hutnictwa i metaloznawstwa ale w historii został zapisany jak wynalazca metody hodowli monokryształów.

Istota metody jest prosta: mały kryształ krzemu, zarodek, opada w stopioną masę, następnie powoli wirując wyciąga się ze stopionej masy. Powolne wyciąganie ze stopu kapilary z zarodkiem krystalicznym (czyli małym kryształkiem) umożliwia uporządkowane narastanie kolejnych warstw kryształu.

W efekcie otrzymuje się tzw. monokryształ, a więc materiał o szczególnie cennych własnościach fizycznych. Przy tym odbywa się tzw. rekrystalizacja - stopiona masa polikrystalicznego krzemu przekształca się w bardzo czysty krystaliczny krzem, posiadający strukturę, nadającą się do tworzenia układów mikroelektronicznych.

Współcześnie kryształy krzemu, mające długość 2 metrów i wagę ponad 100 kg przy średnicy 300 mm stanowią podstawowy (i na razie niezastąpiony) materiał do produkcji różnego typu układów scalonych. A z czasem procesy hodowli monokryształów krzemu ulepszano się i postępowała ich automatyzacja, tak że teraz udaje się otrzymywać kryształy o średnicy nawet 450 mm i o masie ponad 250 kg. Zautomatyzowane i skomputeryzowane urządzenia Czochralskiego ze względu na zaawansowanie procesu wykorzystują obecnie najwyższe możliwości współczesnej techniki.

Czipy układów scalonych produkuje się na „płytkach ” krzemowych w pomieszczeniach „clean room”, które są tysiące razy czystsze niż sale w blokach operacyjnych szpitali. Jeden z pracowników w roboczym ubiorze trzyma w ręku krzemowy „wafer”:

Sand to silicon: http://youtu.be/aCOyq4YzBtY

How-an-Intel-CPU-is-created-From-Sand-to-Silicon-Making-of-a-Chip: http://download.intel.com/pressroom/kits/chipmaking/32nm/Sand-to-Silicon_32nm-Version.pdf

JAK POWSTAJĄ PROCESORY: http://www.purepc.pl/procesory/jak_powstaja_procesory?page=0%2C2

Od piasku do procesora: http://www.frazpc.pl/artykuly/265051,Produkcja_procesorow_i_polprzewodnikow_-_od_piasku_do_procesora.html

Zawartość krzemu w zewnętrznych strefach Ziemi wynosi prawie 27% . Krzem jest drugim po tlenie najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem. Jeden atom krzemu przypada na 4 inne atomy. Różne odmiany polimorficzne Związku krzemu zwane krzemionką (SiO2) stanowią większość skał tworzących skorupę ziemską.

Odkrycie Czochralskiego z 1916 r. i znaczące udoskonalenie dokonane przez Teala i Little’a w 1948 r. zapewniło Janowi Czochralskiemu znaczącą pozycję we współczesnej nauce. Znalazł stałe miejsce nie tylko w historii nauki, ale przede wszystkim we współczesnej terminologii naukowej. Użycie metody opracowanej przez Czochralskiego nie tylko do hodowania półprzewodników, ale także innych materiałów, i to na skalę przemysłową, zmieniło naszą cywilizację. Wprowadzenie nazwiska Czochralskiego do nazwy metody stało się także hołdem kolejnych pokoleń za jego wielkie odkrycie. Dzięki jego odkryciu mogła dokonać się najważniejsza rewolucja XX wieku. I nie była to jakaś tam rewolucja październikowa, a elektroniczna. Radio, telewizja, komputery, lasery, telefony i hardware związany z informatyką, to tylko kilka przykładów skutków tej rewolucji.

- Czy Polska ma w tę rewolucję znaczący wkład?

Ma!  A to za sprawą prof. Jana Czochralskiego, który wymyślił metodę krystalizacji poprzez wsadzanie zarodka do roztopionej materiału i powolne wyciąganie go w górę!

Jednym słowem, metodą wymyśloną przez Czochralskiego wytwarza się dziś prawie cały światowy krzem, z którego robione są diody, tranzystory i układy scalone. Prawie w każdym urządzeniu, w jego środku tkwi kawałek krzemu wyhodowany metodą Czochralskiego. I na tym krzemie zbudowane są najnowocześniejsze układy elektroniczne.

Najczęściej wymienianym w światowej literaturze naukowej polskim uczonym jest Jan Czochralski! I nadal będzie jeszcze długo. Pojawia się w nazwie najpowszechniej stosowanej metody otrzymywania monokryształów.

Profesor Jan Czochralski jest ojcem światowej elektroniki!

Niestety, dziwnym zrządzeniem losu Jan Czochralski i jego osiągnięcia były w PRL przemilczane przez dziesięciolecia. Nie wymieniały go podręczniki, nawet te dla szkół wyższych.

"Metoda Czochralskiego" swoją karierę zawdzięcza rewolucji naukowej związanej z odkryciem tranzystora i wprowadzeniem półprzewodników do elektroniki. Więcej, bez metody Czochralskiego nie byłoby dzisiaj elektroniki tak wszechobecnej w naszym życiu. Tą właśnie metodą otrzymywane są monokryształy krzemu dla układów scalonych, będących sercem wszelkich współczesnych urządzeń elektronicznych: komputerów, telefonów komórkowych, cyfrowych aparatów fotograficznych, czipowych kart bankomatowych i wielu urządzeń codziennego użytku, o których nawet nie wiemy, że w środku mają nowoczesny układ scalony na krzemie "wyhodowanym" metodą Czochralskiego. Nie bez powodu nazywa się twórcę metody "ojcem elektroniki".

Bez wynalazku profesora Jana Czochralskiego niemożliwy byłby postęp cywilizacyjny w obecnym kształcie.

Aktualnie Intel buduje najnowocześniejszą fabrykę procesorów na swiecie na pustyni w pobliżu Chandler w Arizonie.Pierwsze procesory z nowego zakładdu mają wyjechać w 2013 roku. Intel od razu zamierza przygotować linie technologiczne do procesu technologicznego 14 nm. I to wszystko na krzemie otrzymywanym metodą Czochralskiego! Intel announced plans to open a $5B USD semiconductor fab, dubbed Fab 42. Fab 42 will be located in the desert, near Chandler, Arizona. The new fab will create chips on an incredibly small 14 nanometer process, shrunk considerably from the 32 nm process that current-generation Intel CPUs are constructed on - http://newsroom.intel.com/community/intel_newsroom/blog/2011/02/18/intel-to-invest-more-than-5-billion-to-build-new-factory-in-arizona.

Intel's new 14 nm Fab42 will be located outside Chandler, Arizona. It will cost as much as $5B USD . The chips manufactured at the plant will have transistors that are less than half as long as those found in current generation chips.

Fab42 Intela będzie najbardziej zaawansowanym obiektem technologicznym na świecie, gdzie produkuje się wafle krzemowe!

Era krzemu trwa i ma się dobrze!

Do wyścigu technologicznego przystąpiły wspólnie dwa giganty IBM i 3M (Minnesota Mining and Manufacturing). IBM i 3M łączą swe siły, by wspólnie opracować kleje, które pozwolą na tworzenie "półprzewodnikowych wież". Ich celem jest stworzenie nowej klasy materiałów, umożliwiających warstwowe łączenie nawet do 100 układów scalonych. W ten sposób mogłyby powstać chipy składające się z wielu procesorów i układów pamięci, zamkniętych w pojedynczej obudowie. Miałyby być one nawet 1000-krotnie bardziej wydajne niż obecnie wykorzystywane układy.

„Nasi naukowcy mają zamiar stworzyć materiały, które pozwolą na umieszczenie olbrzymiej mocy obliczeniowej w nowej obudowie - krzemowym drapaczu chmur” - powiedział Bernard Meyerson, wiceprezes IBM-a ds. badawczych.

Umowa pomiędzy IBM a 3M przewiduje, że pierwsza z tych firm będzie odpowiedzialna za stworzenie procesu pakowania półprzewodników, a druga za rozwój i produkcję materiału do ich łączenia.

http://youtu.be/rbj5vrXulD0

Podobno już jest wspólnie opracowana technologia klejenia półprzewodników, która pozwala połączyć ze sobą nawet sto płytek półprzewodnikowych. W ten sposób powstaje stos krzemowy, w którym materiał pełniący funkcję kleju jest jednocześnie izolatorem. Dzięki temu efektywnie można odprowadzać ciepło, co pozwala uniknąć przegrzania takiego elektronicznego "wieżowca" zbudowanego z wielu chipów.

Czy krzemowi grozi konkurencja? Czy zostanie wyparty przez nowe lepsze materiały bądź nowocześniejsze technologie zapewniające lepszą miniaturyzację podzespołów?

Oczywiście postęp jest nieuchronny i pojawią się nowe podzespoły zbudowane na nowych materiałach! Wspomnę tylko o grafenie i o elektronice plastikowej.

Krzem stał się materiałem – hitem XX wieku dzięki prof. Janowi Czochralskiemu. I pozostaje nim nadal w XXI wieku. Jaki materiał będzie następcą krzemu w elektronice? Kto wie?

Prawdopodobnie grafen może okazać się materiałem XXI wieku.

http://youtu.be/-YbS-YyvCl4

Profesorowie Geim i Novoselow dostali Nobla za wytworzenie grafenu zwanego freestanding, czyli niedużego płatka, który można było zobaczyć pod mikroskopem, zmierzyć i odkryć jego fantastyczne właściwości. Płatki te są jednak wytwarzane metodą odrywania od bloczku grafitowego za pomocą taśmy klejącej, a ich powierzchnia nie przekracza dwóch tysięcznych milimetra kwadratowego, dlatego nie bardzo się nadają na produkcję przemysłową w mikroelektronice

Polscy uczeni z Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych wynaleźli i opatentowali na całym świecie  metodę przemysłowej produkcji grafenu opracowaną w Polsce. Współpracują z polskimi uczonymi podjęli grafenowi Nobliści Geim i Novoselow.

Na razie jesteśmy jedyni i jak dobrze pójdzie - w co gorąco wierzę - to może być przełom w zastosowaniu na większą skalę produkcji grafenu. Polska metoda jest dużo bardziej użyteczna, elastyczna i powinna się lepiej sprawdzać w przemyśle - przewiduje współpracownik polski uczony Włodzimierz Strupiński.

http://www.youtube.com/watch?v=KOeHZnPE7GM
Polish team claims leap for wonder material graphene: http://phys.org/news/2011-04-team-material-graphene.html
Grafen w ITME: http://youtu.be/lfVLGQ6kAIU

Aktualnie zadaniem ITME w ramach projektu koordynowanego przez European Science Fundation, zatytułowanego „Graphene Transistor” jest opracowanie technologii wytwarzania grafenu o jakości  umożliwiającej otrzymywanie tranzystorów wysokich częstotliwości

Jak twierdzą naukowcy, grafen może być materiałem XXI wieku, który wyprze technologie krzemowe. Grafen może zdominować dziedzinę tzw. Flexible electronics (elektronikę elastyczną) wykorzystującą dotychczas tworzywa sztuczne. – Grafen może mieć zastosowanie także w produkcji składanych przezroczystych ekranów dotykowych. To wyzwanie, przed którym stoi dziś elastyczna elektronika – mówi polski uczony prof. Baranowski. – Zamiast w laptopie, na jednej foli możemy mieć dostęp do Internetu, GPS, telewizji i innych funkcji. Dzięki wykorzystaniu konstrukcji grafenowej takie urządzenie będzie bardzo dobrze pracować – dodaje.

Zdaniem wielu uczonych nie jest możliwa taka miniaturyzacja zespołów elektronicznych na bazie krzemu, jak w przypadku grafenowych mikroprocesorów.

Nowe grafenowe mikroprocesory będą mniejsze, oszczędniejsze i znacznie szybsze niż dotychczas używane krzemowe.

W niedalekiej przyszłości czeka nas przejście z procesorów krzemowych na procesory wykonane z grafenu. Niektórzy mogą zapytać czy potrzebna jest taka zmiana? Oczywiście ta zmiana jest nieunikniona, ponieważ już niedługo wykorzystamy możliwości krzemu do granic możliwości. Uczeni twierdzą, że produkowanie tranzystorów tzw. CMOS z krzemu w procesie technologicznym mniejszym niż 7 nm jest niemożliwe na masową skalę. Jeżeli użyjemy grafenu do produkcji procesorów zamiast krzemu to jest możliwa produkcja tranzystorów nawet w procesie technologicznym 0,5 nm.

Najnowsze doniesienia naukowe mówią, że grafen można domieszkować innymi pierwiastkami w celu nadania mu pożądanych w mikroelektronice cech.

A close-up, three-dimensional image of a single nitrogen atom in a sheet of graphene - a material made of carbon atoms arranged in a honeycomb pattern. The larger nitrogen atom sticks out above its carbon neighbors and contributes about half of its extra electron to the graphene lattice, changing its electronic properties. The image was made with a scanning tunneling microscope. Image courtesy of Science/AAAS.

Na podstawie przeprowadzonych badań okazało się, że grafen jest materiałem, który można domieszkowaći i precyzyjnie kontrolować jego właściwości elektroniczne.

Theanne Schiros, a surface scientist at the Department of Energy’s Energy Frontier Research Center at Columbia University:

“Now we see that doping is a strategy that can be applied to graphene cleanly and robustly,” she said, providing a potential way to create high-quality graphene films for use in electronic applications.

22 września 2011 roku pojawiła się jeszcze jedna najnowsza informacja. Fizycy z Georgia Institute of Technology uzyskali najwyższej jakości warstwy grafenu, które są warstwami epitaksjalnymi. Oznacza to, że mogą na nich być budowane przyrządy półprzewodnikowe o najwyższej jakości.

Przyrządów elektronicznych na grafenie, jednak jeszcze nie ma.

A grafen jest materiałem, którego wytrzymałość, elastyczność, przezroczystość, przewodnictwo stanowi potencjalny i cenny materiał dla następnej generacji przyrządów elektronicznych. Grafenowe warstwy ułożone według wzoru plastra miodu są też 1000 razy bardziej wytrzymałe niż stal.

Zastosowanie grafenu może być bardzo szerokie. Mając własną, tanią metodę produkcji grafenu, trzeba myśleć o jego zastosowaniu przemysłowym. Dla tego celu ma powstać konsorcjum przemysłowe łączące Zakłady Przemysłowe „Tarnów”, ITME, spółka Nano Carbon, wydział fizyki Politechniki Warszawskiej oraz Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu. Celem konsorcjum ma być przemysłowe uruvjomienie produkcji tworzyw sztucznych z dodatkiem grafenu. Czy to przedsięwzięcie uda się w Polsce, jako produkcyjne wdrożenie polskiej myśli naukowej? Kto wie? Na przeszkodzie stoi to co zawsze: brak pieniędzy i sprawy formalne. No i jeszcze w pewnym stopniu rosyjski koncern chemiczny „Acron”.

Niestety, na pojawienie się przyrządów grafenowych musimy poczekać jeszcze pewnie kilka ładnych lat! Niektórzy przewidują, że grafenowe procesory pojawią się w masowej produkcji w 2022 roku.

I już na koniec dwa słowa o elektronice plastikowej, czy polimerowej.

Słyszymy takie nazwy: elektronika plastikowa, energooszczędne elastyczne ekrany, diody OLED, inteligentne nalepki, plastikowe pamięci elektroniczne, e-papier, i wiele innych.

Brzmi to interesująco, lecz musimy trzymać się realiów. Jedną z głównych przeszkód w budowie bardziej skomplikowanych układów elektronicznych z plastiku jest niewielka szybkość przełączania się polimerowych tranzystorów. W niektórych zastosowaniach nie powinno to przeszkadzać, tym niemniej w niedalekiej przyszłości producenci mikroprocesorów z pewnością będą wybierać tradycyjną technologię. Jedyny obecnie wyobrażalny sposób wykorzystania zalet polimerów to rozwiązania mieszane, a więc małe i szybkie krzemowe jądro wykonujące trudne obliczenia oraz tanie i energooszczędne plastikowe półprzewodniki do prostszych zadań. Wbrew niektórym sensacyjnym informacjom, do mikroprocesorów czy nawet bardziej skomplikowanych układów scalonych z plastiku jeszcze długa droga. Intel, który uczestniczył w rozwoju technologii pamięci plastikowych, wycofał się z tej dziedziny całkowicie.

Osobiście muszę podkreślić, że wątpię czy kiedykolwiek uda się masowo stosować plastikowe tranzystory. Zwrócę uwagę tylko na jeden problem:

Krzem jest monokryształem i daje się go oczyścić do czystości 0.9999999999 a nawet 0.999999999999. W przypadku plastiku jesteśmy szczęśliwi jeśli mamy czystość 0.9999. Wątpię wiec żeby z tak zanieczyszczonego materiału dało się coś zrobić w wielkiej skali integracji.

Niedawno wytworzono krzemen - materiał przypominający właściwościami grafen, ale w pełni oparty na krzemie. Materiał ten będzie mógł rywalizować z grafenem w elektronice, a ponadto może być łatwiejszy do zastosowania w dotychczasowych liniach produkcyjnych czipów krzemowych.

I już reasumując, można przypuszczać, że w pierwszej połowie XXI wieku era krzemu w elektronice będzie trwała nadal.

A prof. Jan Czochralski będzie nadal najczęściej wymienianym Polakiem w publikacjach naukowych związanych z elektroniką. Wszak jest ojcem światowej elektroniki!

Książka wydana z okazji 50. rocznicy śmierci tego wybitnego polskiego uczonego pierwszej połowy XX w. Oficyna wydawnicza „Atut” 2003.