КРИСТАЛИ В СМАРТФОНАХ
Чи можете ви, людина ХХІ століття, уявити своє життя без смартфона або мобільного телефона? Смартфони стали невід’ємною частиною нашого життя, вони наші супутники у побуті, розвагах, навчанні, роботі, у відносинах з державою Україною (жодна з держав не може похизуватися таким сервісом як Дія!) Виявляється, що більше 60 % населення Землі має мобільні телефони і смартфони! І цей відсоток постійно зростає.
Але смартфон – це не тільки лаконічна форма, красивий дизайн і зручність користування. Це, перш за все, сучасні матеріали і технології! Так, саме матеріали на першому місці! Кожний виробник бренда, чи то Samsung, чи то iPhone тощо має свої секрети і свою суміш компонентів. Але в середньому кожний смартфон потребує приблизно 80 % стабільних елементів Періодичної таблиці. Це і лужні метали Li, Mg, і перехідні метали Ni, Co, Ta, і рідкісноземельні метали It, La, Ce, Pr, Eu, Gd, Tb, Dy. Виявляється, що, наприклад, всі вищеперелічені метали можна знайти мало не в кожній деталі iPhone.
Так у виробництві кольорового дисплея незамінними є елементи ітрій, лантан, празеодим, європій, гадоліній, тербій і диспрозій. Приміром, аналогів немає у тербію (зелена люмінісцента речовина) і у європію (червона люмінісцентна речовина).
Для виробництва електронних схеми, динаміків, механізму вібрації потрібні лантан, празеодим, неодим, гадоліній і диспрозій. В усіх цих пристроях використовують магніти зі сплаву неодиму, заліза і бору, який дозволяє зробити їх значно компактнішими, бо мають найбільшу магнітну енергію серед відомих нині магнітів. Дуже невеликі добавки диспрозію потрібні магніту для збереження його магнітних властивостей за високих температур і для забезпечення стабільності в роботі за багаторазового циклу нагріву та охолодження. Без таких магнітів смартфони були б значно громіздкішими і менш продуктивними.
А ще, усім смартфонам необхідне шліфоване скло. Основою звичайного скла, так званого мінерального, яке використавується у побуті для виготовлення склянок і посуду, пляшок і банок, віконного та автомобільного скла тощо є діоксид силіцію SiO2, який у природі утворює мінерал кварц. Сам кварц за мінералогічною шкалою твердості Мооса посідає досить високе 7 місце. Але скло в своєму складі має ще низку різноманітних добавок, серед яких оксиди лужних і лужноземельних металів, що знижує твердість скла до 5. Мінеральне скло є твердим тілом, але з аморфною будовою. Це означає, що в такому тілі спостерігається тільки ближній порядок у роташуванні частинок, з яких воно побудоване, і цей стан є термодинамічно нестабільним. Аморфні тіла прагнуть досягти термодинамічної стабільності і упорядкованої структури кристалічних тіл.
Антиподом мінерального скла стало сапфірове скло, яке є однокомпонентним.
І представляє собою суцільний зріз кристала сапфіра. Це теж мінерал, причому, дорогоцінний. В природі цей мінерал має красивий синій колір завдяки домішка Ті і Те у прозорому і безбарвному корунді – оксиді алюмінію Al2O3. А домішка Cr перетворює корунд на дорогоцінний рубін із насиченим червоним кольором. І за мінералогічною шкалою Мооса твердістю корунд поступається тільки алмазу! Тому подряпина на сапфіровому склі – явище виняткове. Хіба, що алмазом шкребти його поверхню!
Вперше сапфірове скло зробили для годинників, і до цього часу поважні бренди використовують його у своїх виробах. Це пов’язано не тільки із високою твердістю і зносостійкістю (протидією стиранню) сапфірового скла, а й з винятковою іскристістю та прозорістю, що не спотворює показники циферблата.
Другим застосуванням сапфірового скла стали світлодіоди. Тут в нагоді стала властивість кристалів швидко проводити тепло. У 80-і роки ХХ століття світлодіоди на основі сапфірів стали виробляти у промисловому масштабі спочатку для підсвічування кнопок на стільникових телефонах, а пізніше, для світлодіодних екранів. Застосування сапфірових діодів дає економію енергії і мінімалізує витрати ресурсу, що стало причиною збільшення терміну роботи ноутбуків без підзарядки. Якщо потримати мінеральне і сапфірове скло у долонях, то можна помітити, що останнє довго залишається прохолодним. Цю властивість можна використовувати як діагностичну. Застосування світлодіодів із сапфірового скла дозволило зробити телевізори тоншими. Тепер сапфірові світлодіоди підкорюють освітлення в оселях, офісах, виробничих приміщеннях і на вулицях.
А вирощують кристали сапфіру в лабораторіях. Використовують при цьому два перевірених метода – Вернейля і Чохральського. Згідно з методом Вернейля чистий тонкодисперсний порошок оксиду алюмінію, частинки якого мають розмір 0,1-0,2 мкм подається у струмінь полум’я горючого газу. Порошок розплавляється і розплавлені частинки потрапляють на верхній оплавлений торець монокристалічного алундового (це також Al2O3) стрижня, який відіграє роль запалу. Стрижень поступово опускається, обертаючись навколо вертикальної осі. Таким чином виростають монокристали корунду у вигляді стрижнів із довжиною, що варіюється від 500 мм до 800 мм і діаметром 12-15 мм.
Згідно метода Чохральського запал занурюють у розплав, який знаходиться у тиглі. І монокристали наче витягують із розплаву. Отримані цим методом монокристали мають довжину 250 мм і діаметр від 30 мм до 50 мм.
В Україні сапфірові кристали вирощують в лабораторії харківського інституту монокристалів. У цій лабораторії народився 300-кілограмовий сапфір.
Харківські вчені розробили сапфірове скло для захисту оглядового вікна танка та оптики, без якої танк стає фактично сліпим. Ще одна розробка харківських учених – сапфірові підкладки з інфрачервоними фільтрами, які захищають авіатехніку, а саме гвинтокрили, від ураження ракетами. Ця розробка вже пройшла випробування та ефективність винаходу харківських науковців підтвердилася на 100 відсотків.
Але це не єдине використання кристалів у смартфонах. Ми з вами бачили “обличчя” смартфона – екран із сапфірового скла. А тепер зазирнемо у середину. Там у середині б’ється “сердце” смартфона – мікрочіп – інтегральна мікросхема!
Не дивлячись на малі розміри, мікрочіп предсталяє собою складну багатошарову деталь, основою якої є монокристал кремнію. Чому саме кремній? Тому, що кремній належить до напівпровідників – речовин, що за провідністю займають проміжне положення між провідниками і ізоляторами. Так! Кремній не єдиний напівпровідник і не найкращий, але найдешевший. Кремній у вигляді SiO2 є основою магми – джерела всіх корисних копалин у земній корі. Кларк кремнію складає близько 28 %.
В кристалі кремнію кожний атом силіцію, подібно до карбону в алмазі, пов’язаний міцними ковалентними зв’язками ще з чотирма атомами силіцію. Якщо в кристалі не буде домішок, то кристал кремнію проявлятеме власну провідність. Але якщо до силіцію додати бор, то він своїми трьома валентними електронами зможе поділитись тільки із трьома сусідніми атомами силіцію. А там, де електрон буде відсутній утвориться “дірка”, яка вважається позитивним зарядом. Такий кристал проявлятеме так звану “діркову” провідність, або провідність p-типу.
Якщо ж до силіцію додати фосфор, який має п’ять валентних електронів, то це призведе до надлишку електронів і зайвий електрон може вільно рухатись між електронними оболонками. Такі електрони називаються “електронами провідності”. А провідність – електронною, або провідність n-типу.
Якщо ці два типи напівпровідників поєднати, то спостерігається цікавий ефект: рухаючись, електрони провідності заповнюють “дірки” у атома бору, перетворюючи їх на негативні іони! А атоми фосфору, які віддали електрон провідності, стають позитивними іонами! В результаті цього, дірки, що мають позитивний заряд, і електрони провідності, що мають негативний заряд, відштовхуються від заряджених іонів. Утворюється тонка границя, яку називають границею p-n-переходу. І так як електрони провідності не можуть рухатись через утворену границю, щоб заповнити “дірки”, то вони накопичуються у шарі n-типу, а “дірки”, відповідно, накопичуються у шарі p-типу. Рух електронів до шару p-типу, а “дірок” до шару n-типу буде продовжуватись до досягнення так званої динамічної рівноваги. І будь-яка додаткова енергія, чи то теплова, чи то електрична, чи то фотонна, призводить до вибивання електронів з їх позицій і створенню додаткових електронів провідності та “дірок” по обидві сторони від границі, що призводить до порушення рівноваги, до несбалансованості системи, в результаті чого виникає потік електронів з шару p-типу до границі p-n-переходу. Тобто електричний струм! Завдяки цьому напівпровідники можна використовувати для випрямлення струму, а також для підсилення радіосигналів, створення коливань у передавачах та функціонування цифрових перемикачі.
Технологія виготовлення мікрочіпу складна і включає велику кількість технологічних операцій[1], які потребують і високої точності, і високої чистоти. Тому виробництво мікрочіпів роботизоване.
Починається все із вирощування монокристалів кремнію. Найчастіше для цього використовують метод Чохральського. Дуже важливим на цьому етапі є отримання кристалів максимально позбавлених домішок і з певною кристалографічною орієнтацією (а про це ви дізнаєтесь на заняттях з дисципліни “Кристалографія, кристалохімія та мінералогія”). Кристали можуть мати різний діаметр, але чим більший розмір, тим більшу кількість мікрочіпів можна отримати з кожного зрізу кристалу, тим меншу кількість разів треба повторити технологічні операції і тим меншою буде вартість мікрочіпів.
Про ці та інші матеріали та технології їх отримання ви можете дізнатись більше навчаючись на освітній програмі “Нанотехнології та комп’ютерний дизайн матеріалів” спеціальності 132 Матеріалознавство. Кафедра високотемпературних матеріалів та порошкової металургії чекає на вас!
До скорої зустрічі
Ліна Бірюкович
к. т. н., доцент кафедри ВТМ та ПМ
[1] https://www.youtube.com/watch?v=iYUFNxwl4E4