Текст книги "Космическая технология и производство"

Автор книги: Леонид Лесков

Соавторы: Виталий Савичев,Сергей Гришин
сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 5 страниц)

Полупроводниковые материалы

Полупроводники – вещества, которые обладают электронной проводимостью, а по величине электропроводности занимают промежуточное положение между хорошими проводниками (металлы) и изоляторами (диэлектрики). Типичными полупроводниками являются, например, германий и кремний. Величина электропроводности полупроводников сильно зависит от температуры. Под действием света электропроводность некоторых полупроводников повышается; такие материалы иногда называются фотопроводниками. Свойства полупроводников очень чувствительны также к совершенству их кристаллической решетки и к наличию примесей. В некоторых случаях присутствие примеси в самой малой концентрации (например, 10^–6 или 10^–7) оказывается решающим фактором, который определяет электрические свойства полупроводника[9]9
  Добавление примесей в полупроводник для изменения его свойств называется легированием, а сама примесь – легирующей, или лигатурой.


[Закрыть]. Эти уникальные качества полупроводниковых материалов обеспечили самое широкое их использование практически во всех областях науки и техники.

Производство полупроводниковых материалов в космосе может дать заметные преимущества по нескольким причинам. Во-первых, свойства этих материалов сильно зависят от технологии их приготовления, причем многие нежелательные эффекты вызваны проявлением силы веса (конвекция в расплаве, расслоение компонентов разной плотности и т. п.). Во-вторых, в космических условиях может быть значительно повышена однородность распределения легирующей примеси в полупроводнике.

Перейдем к рассмотрению конкретных технологических экспериментов, направленных на реализацию указанных преимуществ производства в космосе полупроводниковых материалов.

Выращивание монокристаллов из расплавов. Дефекты полупроводниковых монокристаллов при их выращивании из расплава возникают из-за появления в расплаве конвекционных течений разного типа, а также из-за поступления в него нежелательных примесей. Для выращивания монокристалла из расплава необходим перепад температуры, а при этом на Земле часто возникает термическая конвекция. Конвекционные течения ведут к появлению местных пульсаций температуры в жидкости, а за счет того, что растворимость примеси в расплаве зависит от температуры, – и к неоднородному распределению примеси в растущем кристалле. Это явление, обусловленное конвекцией, называется полосчатостью, или микросегрегацией. Полосчатость является одним из дефектов структуры полупроводниковых монокристаллов. Благодаря возможности уменьшить роль конвекции в космосе ожидают, что монокристаллы, выращиваемые на борту КА, будут обладать более однородной структурой.

Для оценки влияния конвекционных течений на явление сегрегации на примере монокристаллов германия, легированного примесями, на станции «Скайлэб» был поставлен такой эксперимент. Установленные в ампулах кристаллы размещались в электронагревательной печи, где они сначала частично расплавлялись, а затем в условиях почти постоянного перепада температур остывали и закристаллизовывались. В качестве легирующих примесей в разных ампулах использовались галлий, сурьма и бор. Сравнение с контрольными образцами, полученными тем же способом на Земле, показало, что сегрегация примесей в кристаллах германия, доставленных из космоса, оказалась в несколько раз меньше. В случае германия, легированного галлием, исследована также относительная однородность удельного сопротивления материала по длине образца. Для земных образцов она составляла Δρ/ρ ≈ 6,4 · 10^–2, а для космических – 0,8 · 10^–2.

Процесс кристаллизации германия, легированного галлием, исследовался также при запуске советской высотной ракеты в декабре 1976 г. В этом эксперименте для разогрева образцов использовался экзотермический источник тепла. Исследование ампул, доставленных на Землю, показало, что фронт плавления имел достаточно плоскую форму. Этот результат подтвердил перспективность использования приборов подобного типа в. экспериментах по получению полупроводниковых материалов.

В других экспериментах на станции «Скайлэб» были получены монокристаллы антимонида индия. В первом из них стержень из антимонида индия устанавливался внутри графитовой капсулы таким образом, чтобы его свободный конец оказывался в полой полусфере. Цель эксперимента – попытка получить кристаллы сферической формы. Однако из-за того, что расплав частично прилип к графитовой стенке полости, форма полученных кристаллов оказалась не сферической, а каплеобразной. Однако структура кристаллов стала более совершенной: плотность дислокаций[10]10
  Дислокацией называется дефект структуры кристаллической решетки, выражающийся в ее линейном несовершенстве.


[Закрыть] уменьшилась в 5 – 10 раз, а примесь (селен) была распределена более равномерно, чем в контрольных образцах, полученных на Земле.

Другой эксперимент заключался в переплавке и последующем затвердевании образцов антимонида индия, находящихся в трех запаянных ампулах: в одной – чистый антимонид индия, в другой – легированный теллуром, в третьей – легированный оловом. Исследования полученных кристаллов также показали их высокую однородность.

В ряде экспериментов исследовалась возможность получения из расплавов полупроводниковых материалов состоящих из сильно различающихся по удельному весу компонентов. Например, в одном эксперименте, выполнявшемся при совместном полете кораблей «Союз» и «Аполлон», исследовалось влияние невесомости на направленное затвердевание полупроводниковых материалов. Использовались пары свинец—цинк и сурьма—алюминий. Космические образцы сплава сурьма—алюминий оказались более однородными по сравнению с земными. В случае сплава свинец—цинк полной однородности достигнуть не удалось.

Выращивание монокристаллов из растворов. Если в пересыщенный раствор нужного вещества ввести затравочный кристаллик, то на нем будет происходить рост кристалла в условиях постоянной температуры. Таким методом выращивают кристаллы, находящие применение в качестве детекторов звуковых волн, в оптике и т. д. Растущий кристалл чутко реагирует на любые изменения условий роста: колебания температуры и концентрации, возникновение конвекционных течений, наличие инородных примесей и т. п. Изменение условий возбуждения конвекционных течений в растворе, иное поведение примесей в невесомости будут влиять на особенности роста кристаллов на борту космических аппаратов.

Результаты экспериментального исследования особенностей выращивания кристаллов алюмокалиевых квасцов из их пересыщенного водного раствора, которое было проведено на станции «Салют-5», изложены в предыдущей главе.

Выращивание кристаллов из паровой фазы. Выращивание кристаллов парофазовым методом широко используется для получения зпитаксиальных пленок полупроводниковых материалов. Принципиальная схема устройства для выращивания кристаллов из паровой фазы была показана на рис. 5. В обычных условиях метод чувствителен к возбуждению конвекции, которая ведет к возникновению дефектов кристаллической решетки. Кроме того, существует тенденция к поликристаллизации, большие кристаллы этим (методом на Земле получать трудно. В космических условиях можно рассчитывать на ограничение роли конвекции и улучшение качества получаемых материалов, а также на увеличение размеров монокристаллов.

Ожидаемые эффекты были также исследованы в эксперименте на станции «Скайлэб». Техника выращивания кристаллов из паровой фазы была применена к селениду и теллуриду германия. Были получены кристаллы, качество которых оказалось выше, чем у контрольных образцов, приготовленных на Земле. Удалось получить плоские монокристаллы селенида германия размером 4 × 17 мм и толщиной около 0,1 мм. На Земле были получены лишь мелкие кристаллики с несовершенной структурой.

С учетом этих результатов при совместном полете кораблей «Союз» и «Аполлон» был поставлен такой эксперимент. Здесь техника выращивания кристаллов из паровой фазы была применена к более сложным системам: германий—селен—теллур и германий—сера—селен. Образцы, полученные в космических условиях, также оказались более совершенными, а их структура более однородной.

Оптическое стекло и керамика

Влияние условий, близких к невесомости, на технологию производства стекла может быть различным. Во-первых, в невесомости можно осуществить бесконтейнерное плавление, резко уменьшив таким образом поступление в материал вредных примесей со стенок тигля, в котором варится стекло. Во-вторых, можно обеспечить стабильность жидких смесей, компоненты которых сильно различаются по плотности. В-третьих, отсутствие свободной конвекции уменьшает вероятность появления случайных центров кристаллизации, способствует улучшению однородности. В-четвертых, преобладающую роль капиллярных сил можно использовать для того, чтобы придать жидкому расплаву перед затвердеванием необходимую форму (волокна, пленки и т. п.). Использование перечисленных факторов позволяет рассчитывать на (получение в процессе космического производства улучшенных или качественно новых сортов стекол, а также изделий из стекла.

На рис. 12 показано, как меняется с температурой объем расплавленной стеклообразующей массы. Когда по мере остывания расплава достигается температура затвердевания Т_m, дальнейший процесс может развиваться двояко. Если в расплаве присутствуют зародыши (примеси, поступающие со стенок тигля, местные неоднородности по химическому составу и т. п.), то в объеме может начаться кристаллизация и объем будет уменьшаться в соответствии с нижней кривой. Если же образование зародышей кристаллизации удается подавить, а скорость охлаждения сделать достаточно большой, то возникнет сначала состояние переохлажденной жидкости, которая при достижении температуры стеклования Т_g переходит в стекло (верхняя кривая на рис. 12). В космосе возможен процесс бестигельной варки стекла, и однородность расплава будет выше ввиду отсутствия конвекции. Эти преимущества открывают возможности получения на борту космических аппаратов улучшенных и новых сортов оптического стекла.

Рис. 12. Изменение объема жидкости с температурой в процессе варки стекла (Т_m – температура кристаллизации; Т_g– температура стеклования. 1 – расплав; 2 – переохлажденная жидкость; 3 – стекло; 4 – кристалл)

Вместе с тем для успешного развития производства-стекла в космических условиях, по-видимому, придется преодолеть ряд технических трудностей: удаление нежелательных газовых пузырьков из стеклообразной массы в отсутствие плавучести, обеспечение заданного темпа охлаждения без естественной конвекции, контроль температурного режима охлаждения и допустимого уровня случайных ускорений в условиях бесконтейнерного удержания стеклообразной массы.

Все сказанное об особенностях производства стекла в космических условиях относится также и к получению керамики.

Рассмотрим кратко некоторые перспективные направления космического производства стекла и керамики. Цель этих исследований состоит в том, чтобы изучить возможности получения стекол с улучшенными оптическими характеристиками, с высокой температурой плавления, поглощающих и отражающих тепло, для изготовления твердотельных лазеров[11]11
  Твердотельный лазер – оптический квантовый генератор, в котором в качестве рабочего тела используются неодимовое стекло, рубин и т. д.


[Закрыть], устойчивых по отношению к химически активным средам и сохраняющих свои свойства в течение длительных отрезков времени, полупроводниковых стекол с «памятью» для интегральных схем [12]12
  Интегральной схемой называется электронное устройство, элементы которого нераздельно связаны конструктивно и электрически соединены между собой.


[Закрыть].

Космическое производство этих стекол может дать ряд преимуществ. Стекла с полупроводниковыми свойствами, например, обладают высоким коэффициентом преломления в инфракрасной области. При выплавке их на Земле трудно обеспечить достаточную оптическую однородность. Другой пример – производство стекол для твердотельных лазеров, содержащих примеси с высокой концентрацией (неодим, иттербий и др.). В космосе можно повысить однородность распределения примеси и одновременно снизить поступление вредных загрязнений со стенок контейнера.

Благодаря отсутствию силы Архимеда и преобладающей роли капиллярных сил в условиях, близких к невесомости, бесконтейнерным методом можно производить изделия из стекла, состоящие из разнородных исходных материалов и обладающие высоким совершенством поверхности. В качестве примера приведем твердые фильтры, которые представляют собой взвесь малых прозрачных частиц внутри прозрачного материала, подобранные таким образом, чтобы показатели преломления этих частиц и материала совпадали лишь для одной длины волны. В результате световое излучение лишь этой длины волны будет проходить сквозь фильтр без потерь, а для всех других длин волн будет происходить сильное рассеивание и поглощение света за счет многократных отражений между частицами. В невесомости можно добиться высокой однородности распределения частиц в основном материале.

Бесконтейнерное производство стекла в космических условиях может привести к уменьшению относительного числа некоторых наиболее типичных дефектов. К таким дефектам относятся:

1) кристаллы, т. е. включения, выделяющиеся из самого стекла в процессе затвердевания;

2) инородные включения (бесконтейнерное стеклование в состоянии резко снизить их концентрацию);

3) свили, т. е. прослойки одного стекла в другом, обладающем иным химическим составом (источником свилей также в значительной степени служит поступление загрязнений со стенок тигля);

4) пузыри, т. е. газовые включения, для их устранения в условиях, близких к невесомости, жидкую стеклообразную массу, возможно, придется подвергать специальной обработке (вращение, вибрация и т. п.).

Существенного улучшения материала можно ожидать также и в случае производства в космосе волоконных световодов. Такой световод обычно представляет собой стержень из стекла с высоким коэффициентом преломления, окруженный стеклянной оболочкой с более низким коэффициентом преломления. Большое различие между этими коэффициентами обеспечивает малое поглощение и высокий коэффициент пропускания по светопроводу.

Качество светопровода зависит от точности соотношений между диаметрами стержня и оболочки, а также между их показателями преломления. Если на границе раздела стержня и оболочки имеются неоднородности размером не меньше длины волны света (разница диаметров, дефекты структуры стекла, неоднородность показателей преломления и т. д.), то на них световая энергия будет частично рассеиваться и поглощаться. На величину поглощения сильно влияет также загрязнение стекла (тяжелыми ионами, парами воды и т. п.) В космических условиях возможно усовершенствование технологии производства волоконных световодов за счет удаления нежелательных примесей при бесконтейнерной плавке, выравнивания диаметров за счет преобладающей роли сил поверхностного натяжения в расплаве.

В качестве примера перспективных керамических материалов, производство которых в космосе может оказаться выгодным, приведем эвтектики, затвердевающие в одном направлении. Этим методом в керамическую основу могут быть внедрены металлические нити.

Высказываются также предложения о производстве в космосе еще одного типа керамических материалов – композиционных микросхем. Эти керамики состоят из стеклообразной массы, включающей взвешенные частицы, которые определяют электронные характеристики материалов. В условиях невесомости можно рассчитывать на повышение их однородности.

Ввиду сложности технологии получения стекла экспериментальные исследования на космических аппаратах в этом направлении сильно отстали от работ в других областях космического производства. В марте и декабре 1976 г. при запуске в СССР высотных ракет были впервые осуществлены эксперименты по плавке стекла. С использованием экзотермических источников энергии исследовались процессы плавления и стеклообразования в условиях, близких к невесомости, на примере стекла с наполнителем (стекло с алюминием), а также особо прочного фосфатного стекла. Доставленный из космоса образец фосфатного стекла частично состоит из зон с газовыми включениями, а частично – из зоны однородного материала. У полученного сплава алюминий—стекло отмечены полупроводниковые свойства.

Медико-биологические препараты

Одна из важных задач, связанных с производством медико-биологических препаратов (вакцин, ферментов, гормонов и т. п.), состоит в их очистке. Известно, например, что повышение чистоты используемых вакцин уменьшает при их употреблении вероятность проявления вредных побочных эффектов, а это, в свою очередь, позволяет повысить дозировку и поднять эффективность лечебного препарата.

Один из наиболее распространенных способов очистки и разделения клеточного биологического материала основан на использовании электрофореза. Это явление наблюдается в дисперсных системах, т. е. таких системах, которые состоят из двух или большего числа фаз с сильно развитой поверхностью раздела между ними, причем одна из фаз (дисперсная фаза) распределена в виде мелких частиц – капелек, пузырьков и т. п. – в другой фазе (дисперсионная среда). К числу дисперсных систем относятся биологические вещества. Если к такой среде приложить внешнее электрическое поле, то под его влиянием дисперсные частицы, взвешенные в жидкости, начинают двигаться. В этом и состоит явление электрофореза.

Взвешенные в жидкой среде дисперсные частицы приходят под действием электрического поля в движение, потому что они обладают электрическим зарядом. Поскольку разные органические молекулы обладают разным электрическим зарядом, скорость, которую они приобретают в электрическом поле, различна. На этом различии скоростей и основан метод электрофоретического выделения из дисперсной среды необходимых фракций и очистки биологических материалов. Схема экспериментальной установки, построенной на основании этих принципов, показана на рис. 13.

Рис. 13. Электрофорез в свободном потоке жидкости (1 – подача раствора; 2 – отбор фракций). Разделение фракций осуществляется в направлении, перпендикулярном течению раствора между электродами

В земных условиях использование метода электрофореза для разделения компонентов жидкости сталкивается с несколькими трудностями. Во-первых, наблюдается частичное перекрытие фракций, вызванное свободной конвекцией, а также термической конвекцией, обусловленной возникновением дополнительных перепадов температуры и плотности раствора за счет его нагрева при прохождении электрического тока. По этой причине величину тока, который можно пропустить через раствор, сильно ограничивают, чтобы не допустить нежелательного перегрева жидкости. А это означает, что производительность установки по разделению биологических материалов сравнительно невысока. Кроме того, из-за различия плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды под действием силы Архимеда возможно их разделение.

В космических условиях эти трудности можно преодолеть. Прежде всего это касается возможности ограничить роль конвекции и, следовательно, улучшить степень очистки и повысить производительность установок. Другое возможное преимущество электрофоретического метода в условиях невесомости связано с отсутствием влияния плотности на разделение фаз. В земных условиях ют плотности зависит вязкость, величину которой можно менять, добавляя в раствор большое количество малых молекул или малое количество больших молекул. В невесомости этот способ управления вязкостью раствора становится особенно удобным из-за отсутствия силы Архимеда. В результате открывается возможность управлять вязкостью среды как независимым параметрам, который не связан с плотностью. Реализовать эту возможность на Земле, разумеется, нельзя.

С целью непосредственной проверки этих выводов в космических условиях западногерманскими и американскими учеными был поставлен ряд экспериментов, выполненных на станции «Скайлэб» и при совместном полете кораблей «Союз» и «Аполлон». В эксперименте на «Скайлэб» был испытан прибор, в котором невозмущенный поток жидкости протекал между двумя пластинами, к которым было приложено электрическое поле. Частицы вводились в раствор на одном конце прибора и удалялись через отверстия, расположенные на другом его конце. В земных условиях из-за перемешивающих конвекционных потоков расстояние между пластинами не удавалось сделать больше 1–2 мм. В космических условиях его удалось увеличить до 5 – 10 мм. Этот результат подтвердил возможность повысить производительность прибора и улучшить его разрешающую способность.

В эксперименте прибор сходного типа был применен для разделения клеток крови и исследования ограничений, накладываемых конвекцией и осаждением частиц. Благодаря уменьшению влияния конвекции удалось увеличить глубину камеры и в результате повысить в 6,5 раза производительность установки. Разрешающая способность по сравнению с опытами, проводившимися на Земле, возросла в 1,5 раза.

В другом эксперименте также исследовалась возможность получения чистых биологических препаратов в условиях подавленной конвекции на примере клеток крови и почек, в частности, была поставлена задача выделить в чистом виде урокеназу. Урокеназа – это единственный фермент, вырабатываемый в человеческом организме, который способен растворять образовавшиеся тромбы. Если удастся выделить фермент урокеназу в чистом виде и выяснить процесс его выработки почечными клетками, то появится возможность его производства в достаточных количествах и на Земле. Урокеназа – эффективное средство борьбы с тромбофлебитом и такими сердечно-сосудистыми заболеваниями, как инфаркт, инсульт и т. д. Согласно имеющимся сообщениям данный эксперимент также выполнен успешно. В целом, однако, в области электрофореза сделано пока значительно меньше, чем в других направлениях исследований по космической технологии.