Дальнейшие изыскания доказали, что нитевидные кристаллы - "усы" сверхчистые монокристаллы кадмия или олова с почти идеально гладкой поверхностью. Именно это и определяет их удивительные свойства. Просвечивание "усов" рентгеновскими лучами обнаружило у них почти идеально правильную кристаллическую решетку. Таким образом, высокая прочность "усов" - следствие их строения и чистоты, гладкости поверхности.
...На черном бархате монокристаллы ультрачистых металлов фантастически красивы.
В лучах солнца они сверкают неземными по чистоте и насыщенности оттенками цветовой гаммы. Монокристалл меди - темно-золотой, серебра зеркально-голубой, висмута - жемчужно-матовый. Все они, как и монокристаллы сверхчистых индия, сурьмы, кобальта, свинца, никеля, иттрия и самария,- мировые рекордсмены по чистоте.
Эти крупные, длиной в десять и более сантиметров, монокристаллы металлов выращены в лабораториях недавно созданного Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых металлов.
Металлическая почти невидимая архитектура
С полупроводниковыми приборами в той или иной мере общается каждый, когда слушает транзисторный радиоприемник, смотрит цветной телевизор, ведет расчет с помощью микроЭВМ, работает у станка с числовым программным управлением.
Центром многих из этих устройств, аппаратов и машин служат высокоорганизованные интегральные схемы микроэлектроники. Устройства и элементы таких схем - универсалы. Они могут не только логически обрабатывать информацию, но и, что не менее важно, запоминать ее. Для этого применяют полупроводниковые элементы памяти. Их обычно изготовляют в виде интегральных схем на слоистой основе: металл - окисел - полупроводник и металл - нитрид - окисел - полупроводник. И металлы здесь, конечно, сверхчистые.
Внутри крошечного, объемом всего несколько кубических миллиметров, кристалла полупроводника скрыта сложная архитектура из металла. Это контакты и электрические "мостики", тончайшие пленки из сверхчистого алюминия или золота, конденсаторы и прочие элементы сверхминиатюрного прибора. Количество слагающих элементов исчисляется десятками тысяч, а умещаются они на площади и в объеме нескольких миллиметров.
Создание больших интегральных схем (БИС) обещает сделать повсеместным применение ЭВМ для автоматического управления технологическими процессами на производстве, в том числе с помощью роботов. Это не только реально, но и целесообразно экономически. Почему?
Использование БИС позволяет значительно уменьшить размеры ЭВМ.
Созданы однокристальные микропроцессоры - основной узел машины, выполняющий арифметические и логические действия, представляющие собой БИС с программируемой (перестраиваемой) логикой. Причем программа работы микропроцессора хранится тут же, в запоминающем устройстве, встроенном в БИС.
Ожидают, что со дня на день появится однокристальный микропроцессор, по своим возможностям равный современной большой ЭВМ.
В отличие от обычных ЭВМ микропроцессоры и микроЭВМ легко встраиваются в станок, телевизор, автомобиль и мотоцикл, во всевозможные аппараты торговые, бытовые, медицинские. Микропроцессорная техника становится тем средством, которое поможет оптимизировать работу всех отраслей народного хозяйства, его экономику. В несколько раз увеличивают производительность труда, например, автоматизированные с помощью микропроцессорной техники станки - обрабатывающие центры, обслуживаемые роботами. Еще большего можно достичь при создании на их основе гибких автоматизированных производств нового направления в развитии машиностроения и других отраслей. Комплексная автоматизация возможна только на основе микропроцессорной техники, которая способна одинаково успешно контролировать и анализировать работу и отдельного станка, и целой отрасли хозяйства.
Интегральная схема - "микроздание" необычное. Оно сооружается сразу, одновременно на всех этажах и уже построенное не подлежит исправлению. Поэтому о вероятности успеха говорят при создании каждой отдельной интегральной схемы. Но и это не останавливает технологов, ведь вероятность получения желаемой доброкачественной схемы все же достаточно велика. А эффективность огромна.
При формировании одной интегральной схемы идет в тысячу - сто тысяч раз меньше материала, чем если готовить ее из обычных элементов. Производительность труда при этом увеличивается фантастически - в миллион раз. Таковы плоды науки и техники микроминиатюризации.
А развитие элементной базы микроэлектроники, магнитоэлектроники, оптоэлектроники и сверхпроводниковой криоэлектроники позволяет надеяться на создание в недалеком будущем нового поколения особо миниатюрных быстродействующих компьютеров.
Почему спотыкаются электроны
Атомы металлических кристаллов плотно упакованы. В узлах их решеток находятся положительно заряженные ионы, "купающиеся" в электронном газе потерянных ими и "обобществленных" электронах. Велика роль электронного газа в металлах. Он как бы скрепляет решетку, построенную из взаимно отталкивающихся ионов.
Представим себе, что каким-то путем мы удалили свободные электроны, "вынули" их из металла - ионы, имея одинаковые заряды, оттолкнутся и разлетятся в стороны, а решетка "взорвется)..
Свойства электронного газа определяют цвет и блеск металлов, их теплопроводность, электропроводность.
Приложите постоянное напряжение к металлу - электроны начнут движение. Средняя их скорость не возрастает со временем. Видимо, при движении они испытывают нечто вроде трения, "спотыкаясь" о возникающие на пути препятствия. Их скорость увеличивается и вдруг... падает. Таким образом, движение электронов скачкообразно, а их средняя скорость характеризует электрический ток.
"Спотыкается" электрон о разные объекты. Прежде всего он сталкивается с "чужими" атомами примеси. Вот что главное, вот почему так важна абсолютная чистота металла.
В нашей беседе мы часто упоминаем термин "сверхчистые металлы". В микроэлектронике это требование почти идеальной чистоты совершенно обязательно. Без такой особенности всех металлов, употребляемых здесь, от алюминия до золота, микроэлектроника и разные ее видоизменения просто невозможны.
В сверхчистом металле электроны проводимости движутся удивительно свободно, не наталкиваясь на миллионы и миллиарды частиц примесей, на столь же многочисленные изъяны в структуре металла. Тем самым сверхчистый металл ведет себя почти как сверхпроводник. Своеобразная "сверхпроводимость" влечет за собой не только резкое снижение энергетических затрат, но она еще автоматически решает задачу борьбы с нагревом всех полупроводниковых приборов.
Полупроводниковые приборы при работе могут раскаляться буквально добела, и отвод тепла от них превращается в технически почти или вовсе нерешаемую проблему. При сверхчистых металлах эта проблема не возникает вовсе или, если и появляется, то в значительно более "мягком" выражении.
Далее. Непрерывно циркулирующий в электронной схеме поток информации (в любом виде - волна, заряд и т. д.) тоже наталкивается на множество препятствий в обычном металле. Очевидно, что в сверхчистом металле поток информации может путешествовать без помех.
Исследования, проведенные учеными Института физики твердого тела, во многом раскрыли поведение примесей в металле, их влияние на его характеристики. Были обнаружены места сбора "чужих" атомов, которых привлекают границы зерен металлов. Так, в конструкционной стали на границах зерен и вблизи от них примесей серы и фосфора собирается в пятьдесят раз больше, чем в среднем по объему. Два-три атомных слоя здесь почти полностью состоят из серы и фосфора. Именно поэтому при низкой температуре, в условиях зим Сибири и Крайнего Севера, эта сталь становится хрупкой, как стекло.
Для получения рекордно чистых металлов чаще всего применяют электронно-лучевую зонную плавку в высоком вакууме: при кристаллизации твердого вещества из расплава примеси остаются в остатках расплава. Кстати, еще в древности по такому же принципу из морской соленой воды зимой получали пресный лед.
В установке для электронно-лучевой зонной плавки пучок электронов направляют на узкий участок длинного металлического стержня. Ведя электронный луч вдоль него, медленно перемещают расплавленную зону, доводя ее до конца стержня,- здесь в оставшейся еще расплавленной зоне и собираются примеси. Неоднократное повторение процесса позволяет все более и более повышать чистоту металла.
Высоко котируется на мировом рынке продукция Новосибирского оловокомбината. В белом от пола до потолка цехе рафинировщицы обертывают в нарядную упаковку слитки, содержащие 99,9999 процента олова.
Мягкий и податливый на первый взгляд металл долгое время не хотел отпускать от себя своих многочисленных спутников (олову сопутствует чуть не вся таблица Менделеева). Избавиться от них было проблемой проблем.
