Kamieni milowych, jakie położyli nasi naukowcy w rozwój światowej elektroniki, nie było zbyt wiele. Owszem, skonstruowane na podstawie polskiej bądź odwrotnej do polskiej notacji programowalne kalkulatory z wieloma wyszukanymi – jak na owe czasy – funkcjami, były wyraźnym ukłonem w kierunku logików z Polski. Podobnie rzecz się wcześniej miała z „ojcem elektroniki”, który przypadkowo zanurzywszy pióro w tyglu zamiast w kałamarzu, po wyciągnięciu go odkrył, że z końca stalówki zwisa cienka nić zestalonego monokryształu cyny. Nie dziwi zatem, że Japończykom, będącym za pan brat z elektroniką, nasz kraj kojarzy się już nie tylko z Chopinem czy Wałęsą, ale i… właśnie z Czochralskim. Jego metoda hodowli kryształów ma blisko sto lat, ale na dobre zrewolucjonizowała przemysł w ostatnim półwieczu. Odkryty niedawno grafen jako żywo przywodzi na myśl to technologiczne vacatio legis . Analogie są w pełni uzasadnione. Chyba nie nazbyt pochopnie okrzyknięty już „materiałem przyszłości”, może być równie wielkim przełomem. Ale to na razie perspektywy, bo póki co nikt nie zdołał wytworzyć wystarczająco dużej powierzchni pozbawionej defektów, by sprostać wymaganiom współczesnej elektroniki.

– Od czasu, gdy profesorowie Andre Gejm i Konstantin Novoselov dostali Nagrodę Nobla za niewielkie płatki o wielkości zaledwie mikrona, zrobiono wprawdzie znaczący postęp i dziś potrafimy już uzyskać większe powierzchnie, które nadają się do bardzo wielu zastosowań. Przewiduję, że wyświetlacze czy ekrany wykorzystujące grafen niebawem znajdą się w produkcji, a zaraz potem w sklepach. Jednak jakość tego materiału z pewnością będzie mniej wyśrubowana przy układach scalonych – prognozuje dr Zygmunt Łuczyński, dyrektor Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych.

Tranzystor tańszy niż litera

Nie tylko w grafenie szuka się konkurencji dla wszechobecnego krzemu, otrzymywanego metodą Czochralskiego. Jak wyliczono, wyprodukowanie zeń jednego tranzystora w układzie scalonym jest dziś tańsze niż… wydrukowanie litery w książce. Trudno więc wyobrazić sobie postęp technologiczny na obecną skalę, bez użycia tej technologii. Pierwsze pozyskiwane w niej kryształki krzemu miały średnicę centymetra, teraz bez problemu wytwarza się ponad 30-krotnie większe, a niebawem standardem staną się 45-centymetrowe. Specjalne urządzenia, przypominające nieco piece hutnicze, produkują tonowe ilości tego materiału, co ważne, o bardzo wysokiej jakości i pozbawionego defektów. Taki „czysty” krzem stanowi podstawę ponad 90 proc. wszystkich półprzewodników.

Ale w kręgu zainteresowania naukowców z ITME jest wiele innych materiałów, które w trakcie badań okazują się świetnymi półprzewodnikami, o parametrach znacznie przewyższających krzem, tyle że będących od niego sporo droższymi. Tak jak fosforek indu, który z uwagi na znakomite własności elektryczne nadawałby się idealnie, ale przeszło sześciokrotny wzrost ceny w ciągu jednego roku skutecznie wyeliminował go z masowej produkcji. Nic nie stało jednak na przeszkodzie, by zainteresowała się nim… armia. I właśnie w takich niszowych obszarach krzem z powodzeniem może być zastąpiony.

– Chodzi o optoelektronikę, a więc lasery półprzewodnikowe czy detektory światła, np. dalekiej podczerwieni, oraz piezoelektrykę. W tego typu niszach te materiały sprawdzą się bez zarzutu – zapewnia dyr. Łuczyński.

Świadczy o tym dobitnie przykład kryształu z grupy perowskitów (LuAlO3) domieszkowanego jonami ceru, który naświetlany promieniowaniem jonizującym wydawał błyski światła. Jego własności optyczne wykorzystano więc w detektorze tomografu PET, służącym do wykrywania zmian nowotworowych. Tubę, w której znajdował się pacjent, wymurowano jednomilimetrowymi kostkami tego właśnie monokryształu. Każdy sześcian odpowiadał jednemu pikselowi. Rejestrowane błyski utworzyły elektroniczne zdjęcie rentgenowskie.

– Nasze zadanie polegało na opracowaniu kryształów o stosownej jakości. Mamy do tego i wiedzę, i niezbędną aparaturę. Produkt okazał się na tyle odpowiedni, że jedna ze szkockich fabryk uruchomiła produkcję milionów takich kosteczek, niezbędnych do wypełnienia tomografu – mówi dyr. Łuczyński, nawiązując do swojej strategii „wypuszczania w świat” gotowych próbek. Raczej nie w Polskę, bo tu mało kto jest zainteresowany tego typu materiałami, ale właśnie za granicę. W końcu, jeśli udaje się je sprzedać takiej firmie, jak Hewlett-Packard, to ma to swój wydźwięk, a i jest namacalnym dowodem, że wytwarzane na warszawskich Bielanach kryształy spełniają najwyższe światowe standardy.

Książka na sprzedaż

Nie może być zresztą inaczej, kiedy w instytutowych laboratoriach ogląda się najwyższej klasy aparaturę: dygestoria, stoły antywibracyjne, stanowiska do naważania i mieszania materiałów tlenkowych, wreszcie urządzenia do monokrystalizacji metodą Czochralskiego… Tu określa się jakość strukturalną otrzymanego materiału, a następnie, w zależności od tego, do czego ma służyć, technikami spektroskopowymi sprawdza się, ile w nim jest i jak szybko poruszają się nośniki ładunku elektrycznego, co zdeterminuje później sprawność powstałego dzięki tym kryształom przyrządu, bądź – jeśli ma znaleźć zastosowanie w technikach laserowych – badane są parametry optyczne, a więc m.in. przezroczystość dla światła w określonych obszarach fali. Tak gruntownie przebadany produkt można pokazać światu. Funkcjonując już na międzynarodowym rynku – i to druga część owej strategii – łatwiej o klienta, skłonnego kupić nie tylko sam materiał, ale, jak określa to mój rozmówca, całą „książkę”. A więc instrukcję, w jaki sposób te monokryształy wykonać.

Taka o antymonku galu i antymonku indu już powstaje. Z ich wytworzeniem nie ma większego problemu, teraz chodzi o poprawienie jakości, tak by były coraz lepsze. Pozwolą wówczas skonstruować detektor podczerwieni, który wraz z detektorem ultrafioletu dostarczy istotne dane dotyczące płomienia. Zestaw taki pozwoliłby rozpoznać pożar i z grubsza określić, co się pali. Dla bezpieczeństwa strażaków informacja, czy w płomieniach można spodziewać się trujących substancji, byłaby bezcenna.

– Są programy, w których planuje się najpierw bezzałogowo, czy z powietrza, czy z ziemi, obejrzeć pożar, a dopiero potem wysłać strażaków, bo inny sprzęt potrzebny jest przecież, gdy się palą chemikalia, a inny – gdy paliwa. Zdarzały się wśród strażaków wypadki śmiertelne podczas gaszenia magazynów nawozów sztucznych, z których wydzielały się duże ilości tlenków azotu. Detektory podczerwieni, nad którymi właśnie pracujemy, byłyby bardzo pomocne – tłumaczy dyr. Łuczyński.

Zaznacza przy tym, że naukowy charakter instytutu determinuje próbowanie także odmiennych od metody Czochralskiego (notabene stosowanej w instytucie na największą w kraju skalę) sposobów otrzymywania monokryształów. Metoda Verneuila, metoda Bridgmana-Stockbargera czy metoda flux-melt są może mniej efektywne, o wiele droższe, ale czasem inaczej się po prostu nie da. Ot, dla przykładu monokryształy węglika krzemu, który w normalnych warunkach nie daje się stopić, a podgrzewany – paruje, wykonuje się z fazy gazowej (a nie z ciekłej – jak w metodzie Czochralskiego). Mają za to niezaprzeczalną zaletę: znakomicie znoszą wysokie napięcia prądu i temperatury, a przez to – nie wymagają układów chłodzenia, co predestynuje je np. do użycia w naszpikowanych wyrafinowaną elektroniką samolotach, które dzięki temu mogłyby być lżejsze i nie pochłaniałyby takich ilości paliwa.

– Zajmujemy się technologią, a więc kreowaniem nowej materii. W wielu placówkach badawczych bada się materię i o ile jest to wykonywane zgodnie z metodologią, to każdy wynik jest dobry – niezależnie czy nam się podoba, czy nie. U nas jest inaczej – planujemy otrzymanie materiału o pewnych własnościach i sukces następuje dopiero wtedy, gdy taki materiał daje się wytworzyć .

Światowi pionierzy

Satysfakcja tym większa, jeśli do tego uda się być pierwszym. Tak było z grafenem, który na całym świecie otrzymuje się przez sublimację krzemu z płytki węglikowo-krzemowej, a w ITME, zaprzeczając niektórym prawom fizyki, z powodzeniem spróbowano metody epitaksji z fazy gazowej. Nie inaczej było też z nanokrystalicznym materiałem laserowym, opartym na granacie itrowo-glinowym. Monokryształy tlenkowe, jak granaty czy szafiry, występują w przyrodzie, ale w technice się ich zwykle nie używa, bo w naturalny sposób są zanieczyszczone różnymi pierwiastkami. Natomiast wytwarzane sztucznie mogą już stanowić matrycę, do której w sposób kontrolowany wprowadza się atomy innych pierwiastków i w ten sposób wykorzystuje promieniowanie. Biorąc pod uwagę to, że kryształ granatu otrzymuje się w temperaturze 1840 stopni, że do jego pozyskania trzeba stopić ogromne ilości tego materiału, a cały proces przebiega bardzo wolno (kryształ powstaje z szybkością ułamka milimetra na godzinę), utrzymanie przez tydzień idealnych warunków, bez wahań zasilania energią elektryczną (raz piorun zdołał przebić się przez wszelkie zabezpieczenia), z ustabilizowanym ciśnieniem i temperaturą wody chłodzącej urządzenie, było zadaniem wyjątkowo trudnym. Taki granat, domieszkowany np. neodymem, jest najpopularniejszym materiałem laserowym, działającym w obszarze dość bliskiej podczerwieni, a więc o długości fali 1 mikrona. Idąc dalej i zastępując neodym holmem, długość emisji światła zwiększa się do 2 mikrometrów, dzięki czemu dobrze pochłania się w wodzie. A zatem można go używać do optycznych skalpeli przy niektórych operacjach, np. wątroby, bo ogrzewając powierzchniowo cienką tkankę, jednocześnie zabezpieczy ją przed krwawieniem.

– Niektóre materiały wytwarzaliśmy na pewno jako pierwsi w Polsce, a być może i na świecie. Jesteśmy w ścisłej czołówce, co potwierdzają zresztą rankingi, w których umieszcza się nasz instytut obok takich uznanych ośrodków, jak MIT, Stanford University czy Georgia Tech – nie kryje satysfakcji dyrektor instytutu.

Ostatnio w Top 20 najbardziej obiecujących innowacji fotonicznych umieszczono przełomową technologię nanostrukturalnych elementów mikrooptycznych, którą ITME opracował wespół z Heriot-Watt University w Edynburgu oraz Uniwersytetem Warszawskim. Koncepcja polega na otrzymywaniu elementów mikrooptycznych z dyskretnych pręcików o średnicach znacznie mniejszych od długości fali. W takim przypadku fala „nie widzi” pojedynczych pręcików, tylko ich uśrednione własności. Strukturę układa się z pręcików z dwóch rodzajów szkieł o różnych współczynnikach załamania.

– Dzięki temu otrzymać można mikrosoczewki gradientowe, których zaletą są płaskie powierzchnie, bo funkcje soczewki otrzymuje się nie przez zakrzywienie powierzchni, ale przez zmianę współczynnika załamania wewnątrz struktury. Przez to znakomicie nadają się do integrowania laserów szczelinowych ze światłowodami – wskazuje prof. Ryszard Buczyński z Zakładu Szkieł ITME, dodając, że macierze mikrosoczewek znajdą zastosowanie m.in. w mikroskopii 3D, a być może także w miniaturowych kamerach 3D w telefonach komórkowych, gdyż technologia umożliwia wytwarzanie mikrosoczewek achromatycznych, co jest niemożliwe w obecnie stosowanych rozwiązaniach.

Nie inaczej jest z rewolucyjnym projektem grafenowym, który w cuglach wygrał niedawno europejski konkurs Nowe Technologie i Technologie Przyszłości . Jeszcze kilka lat temu nikt nie postawiłby na ten materiał. Wówczas w ITME doszli do przekonania, że warto jednak zająć się tą tematyką, bo nie dość, że znajdowała się w obszarze ich zainteresowań, to nie przekraczała możliwości technologicznych instytutu.

– Mimo że do końca nie było wiadomo, czy coś z tego będzie, weszliśmy w to i podjęliśmy współpracę z wówczas jeszcze mało znanymi naukowcami, Gejmem i Nowosiołowem, wymienialiśmy się z nimi próbkami. Rok później dostali Nagrodę Nobla i zaczęło się grafenowe szaleństwo – wspomina dyr. Zbigniew Łuczyński.

We wspomnianym flagowym programie Unii Europejskiej uczestniczy 126 akademickich i przemysłowych grup badawczych, a ITME jest jedyną placówką z Polski. Projekt zaplanowano na 10 lat. Wydaje się, że to właściwa perspektywa czasowa na położenie kolejnego kamienia milowego w światowej elektronice. 