Девятый знак

Вопрос второй мы так и не выяснили: что же все-таки заставляет собираться в агрегаты бездипольные молекулы веществ, находящихся в сверхчистом состоянии?

Интересные вопросы? Безусловно, интересные. Тем более, что неизвестно, как на них отвечать. Сегодня, в 1963 году, физика и химия пока еще не могут дать ответы на эти вопросы. Вот оно — поле деятельности для тебя, сегодняшний школьник. Оказывается, и в химии можно найти немало таких уголков, исследование которых не менее интересно, трудно и важно, чем достижение полюса недоступности или открытие нового архипелага.

Но мы еще далеко не полностью исчерпали круг вопросов, ради которых я завел речь о самых замечательных свойствах сверхчистых веществ. О тех событиях, которые, собственно говоря, и заставили ученый мир вспомнить о рассказанной только что истории, речь еще впереди. Итак…

Иголка в копне сена

Кто позавидует человеку, который темной безлунной ночью обязательно должен найти в копне сена затерявшуюся иголку? Тут любой остановится и сокрушенно покачает головой? Ошибаетесь! Я знаю немало таких химиков, которые сказали бы, что этот, конечно, вымышленный мной чудак занимается игрой в бирюльки. А в ответ на ваше недоуменное пожатие плечами немедленно доказали бы свое утверждение ясным языком арифметики.

Сколько может весить копна сена? Килограммов 400. А иголка? Ну, скажем, одну десятую грамма, или 10^-4 килограмма. Если 400 килограммов принять за 100 %, то сколько будет составлять 0,1 грамма?

4·10² — 100%

10^-4 — x

x = ((10^-4·100)/(4·10²))·0,25·10^-4 = 0,000025 %

Итак, иголка составляет 25 миллионных долей процента от веса копны. Химик сказал бы, что упомянутый нами гражданин оперирует в пределах пятого десятичного знака. А для химии определение таких количеств примесей, которые скрываются за пятым десятичным знаком, является давно пройденным этапом. Вот, скажем, шестой или седьмой десятичный — тут надо поработать. А пятый доступен при желании почти каждому и при сравнительно небольшой затрате труда.

Но если бы химия ограничилась только шестым или седьмым знаками!

«Как! — скажет читатель. — Неужели потребовались еще более точные определения? Неужели нужно было пойти еще дальше?»

Да! Гораздо дальше. И если бы только это, то дело не представлялось бы таким сложным.

Когда мы говорили о продвижении химии по крутым ступенькам десятичных знаков, мы имели в виду аналитическое определение примесей. К середине 50-х годов техника потребовала от химии не только определять количества примесей, но и отделять эти примеси. А это далеко не одно и то же. Одно дело знать, сколько примешано к данному основному веществу того или иного элемента, а совсем другое — освободиться от этих примесей, выделить их, да так, чтобы еще не внести новых загрязнений. И эта вторая задача много сложнее первой.

Но, если техника, промышленность говорят «надо», химия должна, обязана сказать «есть».

И началась работа…

Но сначала о том, зачем понадобились технике вещества такой сверхъестественной чистоты.

Большинство полупроводниковых материалов проявляет свои свойства только в состоянии очень высокой чистоты. Вот, например, один из самых распространенных полупроводников — металл германий. Современная полупроводниковая техника в ряде случаев требует для германия чистоту 99,9999999999 %. Это значит, что на один атом примеси приходится тысяча миллиардов атомов германия. Два атома примесей на это количество — и полупроводник уже не «работает».

Итак, перед химиками всей своей громадой выросла вершина десятого десятичного знака. И вот на этот Эверест современной химии, предстояло взойти не отдельным ученым. На «вершину» должен был подняться весь громадный коллектив химиков, работающих в области промышленности полупроводниковых материалов. Перед ними стояла задача получения не каких-нибудь уникальных двух-трех граммов вещества сверхвысокой чистоты. Надо было создать заводы, где эти вещества производились бы сотнями и тысячами килограммов.

Читатель помнит, какими трудностями сопровождалось завоевание «вершин» шестого и седьмого десятичных знаков. Теперь же предстояло взять десятый. А ведь подобно тому, как каждый метр на большой высоте дается альпинистам труднее, чем километр пути, пройденный по равнине, каждая последующая девятка в числе, выражающем чистоту препарата, достается химику со все возрастающим трудом.

Получение вещества со степенью чистоты 99,99 %, или, как говорят, вещества «четыре девятки», не представляет в настоящее время трудностей для экспериментатора даже в скромно оснащенной лаборатории. Но давно ли это так?

Вот три статьи, помещенные в различных химических журналах. В первой из них читаем: «Нам удалось получить чрезвычайно чистое вещество чистотой 99,99 %». Во второй статье написано: «Содержание основного вещества в продукте — 99,999 %. Значит, полученный продукт можно считать относительно чистым». В третьей статье говорится следующее: «Полученный образец был весьма грязным: содержание основного металла в нем составляет всего 99,9999 %».