научная статья по теме СТЕПЕНЬ ЧИСТОТЫ Науковедение

Текст научной статьи на тему «СТЕПЕНЬ ЧИСТОТЫ»

СТЕПЕНЬ ЧИСТОТЫ

Большинство физических эталонов определяется через фундаментальные постоянные. И только килограмм — «по старинке»: это масса платино-иридиевого цилиндра, специально изготовленного более 100 лет назад. Сейчас же физики и химики собираются определить единицу массы, создав ее на основе изотопа кремния-28. В этом проекте принимают участие и российские ученые из Института химии высокочистых веществ (ИХВВ) им. Г.Г. Девятых РАН (Нижний Новгород). О их работах рассказал в беседе с корреспондентом газеты «Поиск» Василием Янчилиным заместитель директора по науке, доктор химических наук Андрей Буланов.

В Периодической системе Менделеева всего 22 моноизотопных элемента, большая же часть других представляет собой смесь, состоящую из 2—10 стабильных изотопов. Их физические и физико-химические свойства существенно отличаются друг от друга, а изучение качеств каждого интересно для фундаментальной науки и материаловедения.

Для того чтобы понять, как масса изотопа влияет на его свойства, необходимо обеспечить высокую чистоту

(во всех отношениях) исследуемых веществ. К настоящему времени наиболее низкое содержание примесей удалось достигнуть в кремнии (81) и германии (Се) ■ >лсмс1 (тарных полупроводниках. Многие физические и физико-химические свойства этих элементов в высокочистых монокристаллах с природным составом подробно исследованы. Поэтому поиски ученых были направлены прежде всего на получение очень качественных моноизотопных разновидностей 81 и Се. Природный кремний представляет собой смесь трех стабильных изотопов с атомными массами 28,29 и 30, содержащихся в соотношении 92,23,4,67 и 3,10% соответственно. А германий — пяти с массами 70 (20,84%), 72 (27,54%), 73 (7,73%), 74 (36,28%) и 76 (7,61%).

Моноизотопные кремний и германий нашли применение при создании монохроматоров рентгеновского излучения, детекторов ионизирующих излучений, в том числе для регистрации двойного безнейтринного р-распада. Еще одна «ниша» для кремния — новые полупроводниковые структуры, в том числе

И-/г эталон.

Наука в России №2, 2014

так называемые сверхрешетки, состоящие из изотопов с атомными массами 28 и 29 или 29 и 30.

Получение веществ с малым содержанием примесей — многостадийный процесс. Он включает разделение изотопов в виде летучего соединения, глубокую очистку высокообогащенного вещества, выделение из него моноизотопного элемента, его дополнительную очистку от химических примесей и выращивание монокристалла. По словам Буланова, в России техника разделения изотопов в газовых центрифугах хорошо поставлена на предприятиях «Росатома». Для достижения высокой степени чистоты в качестве рабочего вещества используют летучие фториды. Чтобы выделить элемент из такого соединения, нужны либо дополнительные химические реагенты (которые загрязняют получаемый продукт), либо жесткие физические условия (плазма, лазерное излучение, электрическая дуга).

В ИХВВ усовершенствовали и применяют так называемый гидридный метод, включающий стадии синтеза, глубокой очистки и термического (при температурах порядка 800°С) разложения моноизотопного гидрида. Например, в основе метода синтеза гидридов кремния — моносиланов — лежит реакция взаимодействия тетрафторида кремния с гидридом кальция. Полученные моноизотопные силаны отделяют от примесей с помощью низкотемпературных фильтрации и дистилляции. Очищенные вещества подвергаются пиролизу (распаду при высоких температурах) с осаждением поликристаллического кремния на специальном ростовом стержне, изготовленном из соответствующего моноизотопа. Каких же результатов удалось достичь?

Работы по получению массивных образцов крем-ния-28 были начаты в институте в конце 1990-х годов.

Первый из монокристаллов содержал 99,89% основного изотопа. Затем удалось достичь величин 99,93 и 99,98%. А на финальную стадию исследования в этой области вышли в тот период, когда ИХВВ участвовал в научном проекте «Авогадро», начатом в 2002 г. Международным советом директоров государственных институтов Еврокомиссии по измерению массы (С1РМ). Была поставлена цель: определить физическую константу — число Авогадро* с очень высокой точностью. В то время это делалось с использованием килограммовых сфер из природного кремния. В институтах Евросоюза произвели измерения их массы, объема, определили молярную массу. По этим данным в 2003 г. получили наиболее точное в мире значение постоянной Авогадро. Погрешность составляла три десятимиллионных. Установили, что основная причина, ограничивающая точность, — изотопическая неоднородность природного кремния.

Дальнейшего уточнения постоянной Авогадро можно было достичь при использовании высокообогащенного, химически чистого и структурно совершенного монокристалла кремния-28. Для решения задач проекта была организована международная кол-лаборация институтов Евросоюза и России. Наша страна взяла ответственность за изготовление основного материала из кремния-28 в форме поликристалла. Изотопнообогащенный фторид кремния был наработан в ЗАО «Центротех-СПб». В ИХВВ получили поликристалл массой 5983 г и диаметром 61,5 мм в виде одного стержня. Содержание основного изотопа было почти стопроцентным: 99,9938210,00240%. В

*Число (постоянная) Авогадро — число молекул в одном моле любого вещества или число атомов в грамм-атоме любого химически простого вещества; названо по имени итальянского физика и химика Амедео Авогадро (прим. ред.).

Сферы из Si-28.

Институте роста кристаллов (Жг, Берлин) методом бестигельной зонной плавки из него был выращен уже целевой монокристалл кремния-28, из которого затем в Австралийском центре прецизионной оптики (АСРО) изготовили две одинаковые сферы диаметром 96,3 мм и массой 1 кг. Измерив их объем, плотность, постоянную атомной решетки и молярную массу, удалось уменьшить относительную погрешность определения числа Авогадро до трех стомиллионных, что почти соответствует поставленной цели.

Как подчеркнул Буланов, по химической и изотопной чистоте выращенные в ИХВВ монокристаллы превосходят образцы, полученные ранее. Установлено существенное различие в ряде свойств моноизотопных разновидностей кремния между собой и со свойствами 81 природного изотопного состава: по теплопроводности, интенсивности низкотемпературной фотолюминесценции, тонкой структуре спектров, в показателе преломления и др. Выращенные высокочистые монокристаллы перспективны для создания элементов квантовых компьютеров, изделий спиновой электроники, световодных структур для волоконной оптики ближнего инфракрасного диапазона, нового поколения детекторов ядерных частиц и ионизирующих излучений. С использованием отработанной методики получения кремния-28 в нижегородском институте были также получены монокристаллы других редких изотопов этого элемента с концентрацией, превышающей 99,9%.

Другое направление — получение высокочистых изотопов германия. Сотрудники ИХВВ совместно с Электрохимическим заводом (город Зеленогорск, Красноярский край) впервые разработали метод разделения изотопов Сте с использованием в качестве рабочего вещества гидрида этого элемента — моногермана. Изотопы с атомными массами 76,74,73 и 72 последовательно выделили центробежным методом из моногермана природного состава. Полученные вещества очистили и вырастили из них монокристаллы. В образце монокристаллического германия-76 содержание основного изотопа превышает 88%. В поликристалле германия-74 — 99,93%.

Совместно с Нижегородским государственным университетом им. Н.И. Лобачевского и Научным центром волоконной оптики РАН сотрудники ИХВВ

провели измерения оптических и теплофизических свойств полученных монокристаллов кремния и германия. Результаты исследования свидетельствуют о существенном влиянии их состава на теплоемкость, теплопроводность, процессы люминесценции, поглощение света. В планах ученых — первыми получить изотопы германия-73 и -72 с обогащением около 99,9% и исследовать их свойства.

Возвращаясь к международным проектам, Буланов отметил, что для достижения более высоких результатов, чем удалось достичь при реализации проекта «Авогадро», в 2012 г. стартовал проект «Килограмм-2», объявленный Физико-техническим институтом (РТВ, Германия). Полученные ранее килограммовые сферы из моноизотопного кремния-28 имели отклонение от сферичности 99 нм. Это привело к тому, что основной «вклад» в погрешность определения числа Авогадро сегодня вносит не изотопный состав, а несферичность (погрешность в определении объема сферы). При реализации нового проекта в нижегородском институте должны получить два поликристалла, каждый массой порядка 6000 г. Исходный материал для первого из них — фторид кремния с содержанием основного изотопа 99,997% — уже наработали на Зеленогорском электрохимическом заводе и передали в ИХВВ. В настоящее время проводятся работы по получению из исходного сырья гидрида кремния — моносилана — и дальнейшей его очистке.

Из каждого поликристалла в берлинском Институте роста кристаллов будет выращен монокристалл, из которого затем в Физико-техническом институте будут вырезаны две килограммовые сферы с отклонением от сферичности менее 30 нм. Таким образом, используя четыре сферы из моноизотопного крем-ния-28, ученые надеются все-таки достигнуть цели проекта «Авогадро» — вычислить это число с погрешностью, не превышающей двух стомиллионных. Есть надежда, что важная фундаментальная задача будет наконец-то решена.

Янчилин В. Ничего лишнего. — Газета «Поиск», 2013, № 45 Иллюстрации предоставлены А. Булановым Материал подготовил Сергей МАКАРОВ

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Науковедение»