Křemík je nekorunovaný král
Největší spotřeba umělých krystalů je bezpochyby v polovodičové technice. Všechny počítačové procesory, paměťové čipy, snímací čipy digitálních fotoaparátů a vůbec integrované obvody jsou vyrobeny z tenkých plátků nařezaných z krystalů křemíku. Ty jsou pak v průběhu další výroby doplňovány dalšími vhodnými prvky, které mění elektrické vlastnosti křemíku tak, jak potřebují vývojáři integrovaných obvodů.
Kromě křemíku probíhají pokusy s dalšími prvky nebo sloučeninami prvků. Integrované obvody vytvořené z jiných krystalů mohou být vhodnější pro výkonovou elektroniku, mohou být schopny rychlejšího provozu nebo mají jiné vlastnosti, po kterých zákazníci touží. Zatímco průmyslová výroba krystalů křemíku je za poslední desetiletí relativně dobře zvládnutá, u jiných prvků ještě probíhá intenzivní výzkum a vývoj.
Kromě toho musí být výroba finančně dostupná a zvládnutelná v potřebných objemech, tedy průmyslově. Je k ničemu umět vypěstovat malý krystal
v laboratorních podmínkách, když z oddělení výroby poptávají každý den desetitisíce integrovaných obvodů.
Proces růstu krystalů začíná přípravou ampulí, na které se nanese uhlíková vrstva. Ta slouží jako chemická bariéra a protipřilnavá vrstva.
Pomalu tavený salám
Výroba monokrystalů začíná tak, že se získá co nejčistší základní materiál, ve většině případů křemík. Ten se poté roztaví do tekutého stavu. Do taveniny je ponořen tzv. zárodečný krystal, již vytvořený kousek krystalu, většinou
s kruhovým průřezem potřebného průměru. Vše probíhá v inertní atmosféře, takže základní látka nemůže oxidovat a vcelku poslušně se připojuje
k zárodečnému krystalu s minimem odchylek od žádoucí krystalové mřížky. Postupně tak vzniká krystal v podobě dlouhého válce o průměru několika centimetrů až několika desítek centimetrů.
I přes veškerou snahu zůstávají v základní látce nečistoty, které se následně odstraňují postupným tavením získaného válce. Podle vědeckých zjištění totiž mají nečistoty tendenci přesouvat se do tekuté části materiálu. Pokud tedy válec krystalu po malých částech natavujete shora dolů a tavenou část postupně posunujete, přesunete tak i oblast obsahující nejvíce nečistot. Ta nakonec zůstane dole, kde ji snadno odříznete a necháte roztavit pro výrobu dalších krystalů.
Výsledkem celého procesu, který jsme velmi zjednodušeně popsali, je tedy válcový krystal s minimálním podílem nežádoucích příměsí. Ten je pomocí diamantové pily nařezán na tenké plátky (snad na celém světě označované jako salámky), které jsou vyleštěny, bedlivě mikroskopicky zkontrolovány
a rozřezány na destičky jednotlivých integrovaných obvodů.
Tellurid kademnatý jako čítač fotonů
Jednou z nadějných sloučenin je kombinace telluru a kadmia, z nichž lze vyrobit tellurid kademnatý (CdTe). Polovodiče vyrobené z této látky mají tu vlastnost, že dokážou dopadající fotony (například rentgenové záření) převádět přímo na elektrické impulzy bez nutnosti dodatečných převodů přes jiné fyzikální veličiny. Pokud takový obvod použijete v CT přístroji, jako je třeba Siemens Healthineers Naeotom Alpha, získáte s nižší dávkou záření ostřejší a přesnější obraz vyšetřované tkáně.
„Už v roce 2000 nebo 2001 jsme zjistili, jak skvělé vlastnosti by měl detektor založený na krystalech z telluridu kademnatého,“ říká profesor Thomas Flohr, Head of CT Concepts. Cesta k průmyslové výrobě ale trvá dodnes. „Vcelku rychle jsme našli partnery z Japonska, kteří takové krystaly umí vyrábět,
a dodnes s nimi spolupracujeme,“ dodává Flohr.
Jeho tým usilovně pracuje na přenosu japonské technologie do německého Forchheimu a také na dosažení takové kvality krystalů, která je vyžadována pro medicínské aplikace. „Kromě technických aspektů jsou tu i ty ekonomické,“ doplňuje jeho kolega Stefan Ulzheimer. „Nestačí, že dokážeme vyrobit přístroje pro deset špičkových pracovišť na světě. Musí být široce dostupné, aby si je mohl dovolit každý.“
V roce 2020 otevřel Siemens Healthineers v Německu centrum pro výrobu krystalů (Crystal Center), v němž aktuálně zvládá průmyslovou výrobu krystalů z telluridu kademnatého s čistotou 99,9999 %.