Михаил Бармин - Общая и Неорганическая химия с примерами решения задач

Полупроводники

Пятидесятые годы ознаменовались блестящими достижениями в физике твердого тела, заложившими фундамент

глубокого понимания природы чистых полупроводниковых материалов. Поскольку в процессе проведения этих исследований выяснилось, что необходимы монокристаллы элементных кремния и германия с содержанием примесей не более одной части на 100 миллионов, химикам также пришлось заняться этими проблемами. В результате полупроводниковые свойства были обнаружены у бинарных соединений элементов III и V групп Периодической системы, например у соединения галлия и мышьяка. Одно из типичных соединений III-V-антимонид индия, смешанный полупроводник, который уже 15 лет используется как один из самых чувствительных детекторов в ближней инфракрасной области. Несколько позднее в центре внимания оказались монокристаллы арсенида галлия различной толщины с различным содержанием примесей. Материалы этого рода служат для изготовления лазеров и лазерных дисплейных устройств, используемых в длинноволновых оптических линиях связи.

По мере расширения круга материалов, применяемых в полупроводниковых технологиях, в эту работу вовлекалось все больше и больше химиков. Скачок активности химиков совпал с поразительным открытием полупроводниковых свойств аморфного (некристаллического) кремния. Поскольку общепринятая и весьма эффективная теория полупроводникового поведения, вошедшая во все учебники, ориентирована на свойства абсолютно упорядоченных твердых тел, в рамках этой теории нельзя было ни предсказать существование аморфных полупроводников, ни удовлетворительно описать их.

Для объяснения этой загадки пользуются химическим языком и хищническими концепциями (например, говорят о «блуждающих связях» в аморфном кремнии).

Мы находимся на пороге новой эры в науке о твердом теле: физики продолжают развивать успехи, достигнутые ими в изучении свойств новых твердотелых материалов, роль же химиков существенно возрастает. Дело в том, что в настоящее время открыты совершенно новые группы твердых тел, обладающих электрической проводимостью, свойства которых в значительной степени определяются способностью химиков контролировать локальные структуры и молекулярные свойства. Как мы увидим далее, некоторые из этих материалов относятся к классу неорганических, другие – к классу органических соединений.

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ

Развитие многих современных технологий сдерживается изза отсутствия подходящих конструкционных материалов. Реактивные и автомобильные двигатели, ядерные реакторы, магнитогидродинамические генераторы и теплозащитные щиты космических кораблей – примеры из настоящего. В будущем проблема материалов возникнет в связи с реализацией управляемого термоядерного синтеза. Мощность и эффективность любого теплового двигателя – парового, внутреннего сгорания, реактивного – с повышением рабочей температуры возрастает. Поэтому работа над получением новых материалов, которые позволили бы повысить рабочие температуры, имеет большое экономическое значение.

Новые методы синтеза

Существует ряд перспективных методов приготовления термостойких материалов. Это имплантация ионов, пламенный синтез, плавление в отсутствие гравитации, напыление на кристаллические поверхности с помощью молекулярных пучков (эпитаксия) и химическая конденсация из пара под действием тлеющего разряда (плазма). Относительно недавно был предложен необычный метод, базирующийся на использовании лазерной техники. Луч мощного импульсного лазера, сфокусированный на твердой поверхности, способен кратковременно (менее чем за 100 нс) создавать исключительно высокие локальные температуры, вплоть до 10000 К. В месте фокусировки такого короткого высокотемпературного импульса, происходят значительные химические и физические изменения, например, модификация поверхности, образование поверхностных сплавов, а в условиях конденсации пара он может инициировать специфические химические реакции. Все упомянутые методы приводят к термодинамически нестабильным фазам с особыми «замороженными» свойствами. (Примером подобной фазы служит алмаз) Этот драгоценный камень ценится за «игру» света и исключительную твердость, но в нормальных условиях он термодинамически неустойчив относительно графита.

Часть II. Неорганическая химия

План всех представленных в части II лекций: