Fjölnir - 04.07.1997, Page 35

Þrátt fyrir stórar uppgötvanir vísindanna að
undanförnu hefur fólk lítið orðið þeirra vart
— nema í formi nýrra tækja og tóla. Það gengur
enn með heimsmynd Newtons í kollinum þótt
eðlis- og efnafræðingar séu sífellt að bylta mynd
okkar af heiminum. ísak Sverrir HaukSSOn skrifar
hér um eðlisfræði þéttefnis sem er undirstaða
rafeinda-, ljós- og tölvutækninnar.
Smásæir
heimar
eðlisfræðinnar
lnnqnnnur
Landkönnuðir fyrri alda veittu okkur innsýn í
óþekkta heima með leiðöngrum sínum og
breyttu heimsmynd okkar. Enn í dag fyllumst við
áhuga er við lesum um ferðir á ókunnugar slóðir,
t.d. niður í hafdjúpin eða út í geiminn enda
hefúr áhugi manna löngum beinst að því sem
fjarlægt er. Þannig viljum við sífellt skyggnast
lengra inn í þá heima sem við þekkjum ekki.
Sjóndeildarhringur okkar takmarkast hins vegar
ekki aðeins af miklum fjarlægðum heldur einnig
smáum stærðum, t.d. heimi og umhverfi frum-
eindanna. Er mögulegt að sjá frumeindir með
eigin augum? Hvernig er efnið uppbyggt og hvað
er það sem ræður eiginleikum þess? Þessi heimur
er flestum framandi en allir nýta sér á hverjum
degi tækni sem er afleiðing af forvitni okkar
mannanna á þeim heimi. Ahugi manna á upp-
byggingu efnisins er gamall og hugtakið frnrn-
eind, eða atóm, komið frá Grikkjum sem hugs-
uðu sér að það væri smæsta eining sem hægt væri
að brjóta hluti upp í. Hin „rétta“ hugmynd um
hvernig frumeind lítur út feddist ekki fyrr en um
síðustu aldamót og tók nokkurn tíma að sann-
fera alla. Nú getum við jafnvel skoðað hinn smá-
sæja efnisheim með hjálp rafeindasmásjár, smug-
sjár og röntgengeisla og t.d. séð þannig með eigin
augum kristallsgrindur málma.
Mörgum íslendingum finnst eðlisfræðin flók-
m vísindi og jafnvel fráhrindandi fræðigrein.
Astæðan er eflaust sú að eðlisfræði er okkur fjar-
læg en skipar hærri sess í löndunum kringum
okkur þar sem frumkvöðlar í raunvísindum eru
hluti af mikilvægum menningararfi þjóðanna.
Islendingar hafa langa bókmenntahefð en raun-
vísindi hafa ekki verið áberandi fyrr en nýlega og
eru því nýr hluti menningarheims okkar.
Eðlisfræðirannsóknir hafa aukist jafnt og þétt
yið Háskóla fslands og er eðlisfræðin gmnnur
verkþekkingar sem er okkur nauðsynlegur til þess
að viðhalda góðum lífsskilyrðum. Sem dæmi má
nefna grunnrannsóknir í eðlisfræði þéttefnis sem
niiða að því að auka skilning á efnisfræði hálfleið-
ata. Með slíkum rannsóknum tökum við þátt í
að byggja upp þekkingu sem getur orðið hluti af
tsknigrunni næstu aldar. Þannig emm við ekki
aðeins neytendur heldur einnig þátttakendur í
framþróun stærstu byltingar á okkar tímum,
órtölvu- og samskiptabyltingunni. Um leið þjálf-
um við og undirbúum nemendur okkar tii þess
að takast á við ný, krefjandi verkefhi.
Tilgangur vísindarannsókna er að kanna hið
óþekkta sem er í kringum okkur og afla gmnn-
þekkingar á viðfangsefninu. Þær geta síðar leitt til
hagnýtra niðurstaðna sem stuðla að lokum að
bættum lífsskilyrðum okkar. Eðlisfræði þéttefnis
er dæmi um gott samspil grunn- og hagnýtra
rannsókna. Árið 1947 var smárinn (e. transistor)
fúndinn upp á rannsóknarstofú Bell símafyrir-
tækisins í Bandaríkjunum. Það var ekki tilviljun
sem réð því heldur var hann afraksmr viðamikils
rannsóknarverkefnis, leiðangurs inn í smásæjan
heim hálfleiðaranna. Einn af höfúndunum,
Bardeen, lýsti því þannig þegar hann tók við
Nóbelsverðlaununum vegna þróunar smárans að
aðalmarkmið verkefnisins hafi verið að afla sem
víðtækastrar grunnþekkingar á fyrirbæmm í hálf-
leiðurum byggðum á skammtafræði frumeind-
anna. Þar með hófst þróun sem leiddi til örgjörv-
anna sem við þekkjum í dag. Hagnýtt gildi rann-
sóknanna kom því fljótlega í ljós. Almenningur
notar tækni á hverjum degi sem er afleiðing
þróunar í eðlisfræði. Kísill er mikilvægastur hálf-
leiðaraefna í iðnaði og auðveldast að búa til og
byggir örtölvutæknin að mestu leyti á kísilflög-
um. Önnur mikilvæg efni eru til dæmis GaAs
sem er notað í rauða hálfleiðaraleysa sem finna
má í ljósleiðaratækni og geislaspilurum en einnig
í hröðum örtölvurásum farsíma. Dæmi um hag-
nýtingu annarra hálfleiðara eru ZnSe og GaN
sem eru notaðir í blágeislandi ljósgjafa (ljóstvista
og leysa). Blátt ljós hefúr minni brennivídd en
rautt ljós og með bláu ljósi er hægt að fá betri
uppiausn í geislaprenturum sem í dag nota rauða
GaAs ljósgjafa. Einnig gerir blár Ijósgjafi kleift að
búa til hvíta ljósgjafa með því að blanda saman
rauðum, grænum og bláum hálfleiðara ljósgjöf-
um. Það kæmi ekki á óvart að eftir halógenljósa-
væðingu heimilanna muni næst koma hálfleiðara-
ljós.
Þessi grein er skrifúð í þeim tilgangi að sýna
bakgrunn þeirrar þekkingar sem leitt hefúr af sér
örtölvutæknina og kynna lauslega grunnrann-
sóknir sem stundaðar eru við Raunvísindastofn-
un og eru angi af þessari þróun. Ætlunin að ræða
örlítið um eðlisfræði þéttefnis og gera „flókin“
vísindi aðgengilegri fyrir Ieikmenn.
ÓHreinincii í lcristöHum
Eðlisfræði þéttefnis er sú grein eðlisfræðinnar sem
fjallar um föst efni eins og málma og hálfleiðara.
Eðlisfræði hálfleiðara er undirstaða rafeinda-, ljós-
og tölvutækni sem gerbylt hefúr daglegu lífi
okkar. Um þriðjungur allra eðlisfræðinga starfar
við eðlisfræði þéttefnis og þeim fjölgar stöðugt.
Við Raunvísindastofnun starfar nokkuð álitlegur
hópur eðlisfræðinga, efnafræðinga og rafmagns-
verkfræðinga við kennilega útreikninga og mæl-
ingar á hálfleiðurum og hefur þeim fjölgað
undanfarin ár. Endurspeglar þetta mikilvægi
greinarinnar í heiminum í dag og fyrir ffamtíð-
ina.
Hálfleiðarar eru kristallar og eins og nafnið
gefúr til kynna efni sem leiða straum frekar illa.
Hreinir hálfleiðarar koma sem slíkir að litlu
gagni. Með því að bæta örlitlu magni,
1:1000000, af aðskotaefnum í hálfleiðarann
(kallað íbæting) gjörbreytast raf- og ljóseiginleikar
efnanna. A fyrstu dögum hálfleiðaraiðnaðarins
var ljóst að það þyrfti að ná tökum á þessari íbæt-
ingu til að stjórna rafleiðninni í hálfleiðaranum.
Til þess að svo mætti verða þurfti fyrst að búa til
ofúrhreina kristalla sem síðan voru íbættir vilj-
andi. Slíka kristalla er erfitt að búa til í umhverfi
sem inniheldur háan snefilefnastyrk. Markmið
rannsókna í eðlisfræði hálfleiðara gengur þannig
út á það að koma í veg fyrir að óæskileg íbótar-
efni komist inn í kristallsgrindina þegar hann er
búinn til og koma síðan fyrir æskilegum íbótar-
efnum á rétta staði í réttum hlutföllum. Til þess
að ná góðum árangri er nauðsynlegt að þekkja
andstæðinginn vel, í okkar tilfelli hegðun ein-
stakra frumeinda í efninu. Segja má að raf- og
ljósvirkni hálfleiðara sé tilkomin vegna veilna >•
Mynstur á hálfleiðurum
tekið með rafeindasmásjá.
Efri myndin sýnir vel
möguleikana á að búa til
örsmá flókin mynstur með
því að fjarlægja hluta
hálfleiðarans með ætingu.
Breidd mynstursins er um
5 mm. Á neðri myndinni
er breidd mynstursins um
0.3 mm. (Hitachi).
F j ö 1 n i r
sumar '97