–13 грамма.
В случае полупроводников применим один специфический метод анализа, основанный на том, что электропроводность полупроводниковых материалов сильно зависит от примесей — в этом, собственно говоря, и заключается причина требования исключительно высокой чистоты полупроводников. Очищая полупроводник, каждый раз испытывают его электропроводность. Чем чище вещество, тем меньше величина его проводимости. А электропроводность можно измерять с высокой степенью точности.
Рассказать о всех ухищрениях, к которым прибегают химики, чтобы получить сверхчистые вещества, невозможно, так же как невозможно, скажем, за один урок изучить географию нашей планеты. В основном, все эти методы очень походят на те, о которых мы вели речь при описании очистки воды. Но остановиться на очень уж интересных способах получения веществ «девять» или «десять девяток» просто необходимо.
Прежде всего, о лабораториях, в которых производятся такие работы. Народ в этих лабораториях особый. Они ужасно боятся сквозняков. Простуда им не страшна: это большей частью молодые, закаленные люди. Сквозняк может внести в помещение какие-нибудь твердые частички, которые попадут в очищаемое вещество. Мельчайшая пылинка, которую не заметит даже самая придирчивая домашняя хозяйка, приводит их в ужас. В этих лабораториях не принято быстро ходить, громко разговаривать: резкие движения могут способствовать выделению из одежды тех остатков пыли, которые не успел высосать стоящий на входе в лабораторию пылесос. Стены и потолки этих лабораторий совершенно гладкие и блестящие: ни одной соринке не зацепиться. Все манипуляции там производят с помощью особых приспособлений, напоминающих пинцеты с длинной ручкой, причем делают это опять-таки очень плавно, осторожно… Непросвещенного человека эта обстановка может, пожалуй, отпугнуть.
Но это впечатление сразу исчезает, как только мы подробнее познакомимся с тем, как люди в прозрачных пластмассовых халатах совершают восхождение на одну из высочайших вершин современной науки — вершину «девяти девяток». Вот один из самых новых приборов для получения сверхчистых веществ, установка, где осуществляется процесс, называемый зонной плавкой.
Медленно движется вдоль кварцевой трубки окружающая ее электрическая печь. В этой трубке лежит на особой подставке небольшой растянутый слиток германия — одного из наиболее распространенных полупроводников. Снаружи ничего примечательного нет. Мы видим, как расплавленная зона перемещается вдоль слитка германия. В том месте, где над металлом проходит печь, он расплавляется и превращается в вязкую жидкость. Печь проходит дальше, и металл медленно застывает.
А делается все это вот для чего. Оказывается, что примеси, содержащиеся в германии, при расплавлении металла предпочитают оставаться в жидкой зоне. Почему? Да потому, что атомы расплавленного металла, соединяясь друг с другом при застывании, выталкивают «чужаков» из кристаллической решетки, и, таким образом, примеси «вынуждены» оставаться в жидкой зоне. Жидкая зона, перемещаясь вдоль слитка металла, увлекает с собой значительную часть примесей. Когда, наконец, жидкая зона доходит до конца слитка и застывает, ее отрезают — и перед нами германий, значительно более чистый в сравнении с тем, который мы имели в начале работы.
Метод зонной плавки наиболее универсален при получении сверхчистых веществ. Однако и он пригоден не всегда. Вот, например, другой полупроводник, сосед германия по Периодической системе Менделеева, — кремний. Сложность получения сверхчистого кремния заключается в том, что он плавится гораздо выше, чем германий, — при 1400°. При такой высокой температуре атомы почти всех окружающих посторонних веществ стремятся вступить с ним, кремнием, в химическое взаимодействие, Эти атомы берутся из воздуха, окружающего расплавляемый слиток кремния, и из того тигля, в котором плавится этот слиток Ну, пусть воздух можно откачать, но чем заменить тигель где происходит плавление?
С другими элементами — металлами, которые подвергаются влиянию магнитного поля, — поступили при плавлении очень остроумно: плавили их вообще без всяких сосудов. Помещают кусок металла внутри круглого электромагнита, включают ток, и… кусок металла повисает в воздухе, а вернее, даже в пустоте, потому что воздух откачан Там же, в пустоте, его расплавляют и проводят другие необходимые манипуляции.
Таким образом, металл проходит все стадии, ведущие к его очистке, и ни разу при этом не касается стенок сосуда. Забавный способ, не правда ли? Но как поступить с кремнием, который не подвержен действию магнитного поля?
На помощь тут пришел сам кремний. Оказывается, этот элемент, будучи расплавленным, обладает очень высоким поверхностным натяжением Поэтому, если расплавлять слиток кремния, го расплавленная зона его сохранит форму твердого образца за счет того, что расплавленная масса сдерживается наружной пленкой жидкости. Получается, что кремний плавится в сосуде из собственного материала.
Каждый новый полупроводниковый материал выдвигает при его очистке новые проблемы, новые затруднения. Приведенные примеры достаточно ясно показали читателю, насколько сложна проблема получения сверхчистых веществ. Ведь степень чистоты, которая сейчас уже доступна промышленности, какой-нибудь десяток лет назад не могла пригрезиться ни одному, даже обладающему самым пылким воображением ученому.
Итак, как будто бы рассказано все: и зачем получают сверхчистые вещества, и как удается химикам добиться такой степени чистоты, и многое другое. Не ясно лишь одно: к чему привел автор те два рассказа о незадачливом коммерсанте Юджине О’Винстерне и киевском журналисте Николае Карлышеве, которые помещены в начале очерка?
Здесь надо сказать, что рассказчик самое интересное всегда оставляет под конец. Так сделал и я.
Новая химия
Я надеюсь, что читатель не посетует на меня, если я приведу несколько строк из школьного учебника химии. Только очень прошу (я обращаюсь к нетерпеливым читателям), не пропускайте эти строчки — они неинтересны и сухи только на первый взгляд:
«Цинк — очень ковкий и пластичный металл, с трудом растворимый в кислотах и только при значительном нагревании».
«Металлы титан, марганец и хром служат для изготовления самых различных изделий, так как хорошо куются и раскатываются».
«Железо — исключительно мягкий металл, который поддается коррозии с большим трудом».
Нет ничего удивительного, что у каждого, кто внимательно прочитал эти строки, возникает протест?
«Позвольте, — скажете вы, — не знаю, как там титан или марганец, но что касается взаимодействия с кислотами цинка — так ведь это первый опыт, с которого все из нас начинали изучение химии в школе. И мы отлично помним, как при внесении кусочка цинка в кислоту — соляную или серную — начиналось бурное выделение водорода, причем без всякого нагревания».
С этим возражением нельзя не согласиться — да и как будешь спорить, когда цинк действительно бурно взаимодействует с кислотами. И тем не менее приведенные выше цитаты совершенно верны. Дело только в том, что они взяты из школьного учебника химии… будущего: Оправданием этой невинной фальсификации может служить то, что это будущее настанет в самое ближайшее время.
Попробуем разобраться, в чем тут дело. Возьмем для примера хотя бы тот же цинк. Да, цинк действительно растворяется в кислотах. Но так ведет себя только цинк «три девятки»: 99,9 %. Впрочем, цинк «четыре девятки» — 99,99 % — тоже неплохо растворим в кислотах. Но стоит только цинку изменить свой квартет девяток на квинтет — 99,999, как свойства его изменяются так же внезапно и удивительно, как будто бы над ним помахал своей палочкой волшебник.
Цинк «пять девяток» нерастворим в кислотах даже при сильном нагревании (правильно, значит, пишется в «будущем» учебнике!). Этот цинк может растягиваться в тонкие нити — в отличие от своего «грязного» собрата, кусочки которого ломаются при малейшей попытке приложить к ним какое-нибудь усилие.
Не приходится сомневаться, что в самые ближайшие годы в каждом школьном химическом кабинете будет хотя бы один кусок цинка «пять девяток». И тогда, если эта книга попадет на глаза кому-нибудь из тогдашних девятиклассников или десятиклассников, они пожмут плечами и справедливо скажут: нашел чему удивляться. Действительно, тогда удивляться будет нечему. Но пусть они при этом учтут темпы развития нынешней науки.
Чудесным образом изменяют свои свойства и все другие элементы, которые удалось получить в очень чистом и сверхчистом виде. Оказалось, что многие металлы, которые раньше считались хрупкими, на самом деле являются пластичными. Так, пришлось пересмотреть «характеристики» марганцу, хрому и титану. Неожиданная пластичность последнего металла особенно отрадна, потому что благодаря этому стало возможным разработать способ получения из этого металла различных деталей.
Раньше же титан считался — и вполне справедливо — хрупким металлом.
Здесь надо обратить внимание на одно обстоятельство. Каким образом получается, что образцы элемента чистотой 99,9; 99,99 и 99,999 % почти не отличаются друг от друга, но стоит лишь уменьшить содержание примесей в четвертом десятичном знаке — в 1000 раз меньше того, чем было при переходе от 99,0 к 99,9, — и свойства металлов внезапно изменяются?
Возьмем все тот же цинк. По мере увеличения числа девяток растворимость цинка в кислотах не изменяется, она остается постоянной. Но йот число девяток с четырех скакнуло до пяти — и перед нами словно совершенно другой элемент, который ни по физическим, ни по химическим, ни по механическим свойствам — ну, словом, абсолютно ничем не напоминает прежний цинк.
Итак, существует несколько цинков, несколько титанов, несколько марганцев, подобно тому как существовало несколько бензолов, гексанов, эфиров — и все это в зависимости от степени очистки. Вот когда пришлось вспомнить об опытах Бейкера!
Вот так и возникает на наших глазах новая химия. Это не значит, конечно, что прежние сведения о свойствах химических элементов потеряют значение и всем придется переучиваться. Нет, просто говоря о свойствах какого-либо элемента или соединения, надо будет всегда указывать, в каком состоянии чистоты находится это вещество.