Et forbløffende uhell

I 1916 gjorde Jan Czochralski, en polsk kjemiker som jobbet i laboratoriet til det elektriske selskapet AEG i Berlin, en tilfeldig oppdagelse som endret historiens gang. Utmattet av forskning rettet mot å finne en metode for å måle krystallisasjonshastigheten til metaller, gjorde Czochralski en tilsynelatende bagatellmessig feil. Med intensjon om å notere observasjonene sine, dyppet han instinktivt pennen sin ikke i et blekkhus, men i en nærliggende digel med smeltet tinn. Til hans overraskelse hang en tynn tråd av størknet metall fra pennespissen da han trakk den ut. Denne uventede fremtoningen av en metalltråd fascinerte ham. Han gjentok handlingen, dyppet spissen i det smeltede tinnet og trakk den sakte ut. Han observerte dannelsen av en ny tråd. Når han trakk pennen raskere ut, ble tråden kortere. En serie systematiske eksperimenter utført den kvelden bekreftet at hastigheten pennen ble trukket ut fra det smeltede metallet påvirket lengden og strukturen til den størknede tråden. Han innså at dette fenomenet kunne gi nøkkelinnsikt i krystallisasjonsegenskapene til metaller.

Czochralski bemerket at hakket i pennespissen fungerte som en åpen kapillær; krystallisasjon i kapillærrør hadde tidligere blitt beskrevet av Gustav Tammann. Den polske forskeren erstattet derfor pennen med et glassrør og hånden med en klokkemekanisme. Dette gjorde det mulig for ham å kontrollere hastigheten på uttrekkingen av den krystallinske tråden.

Dette tilfeldige eksperimentet, senere kalt Czochralski-metoden og først publisert i 1918, markerte et gjennombrudd i teknologien for å produsere enkeltkrystaller som er essensielle for halvlederelektronikk.

I 1950, på den andre siden av Atlanteren, slet den amerikanske forskeren Gordon Teal med utfordringen med å skaffe store, høykvalitets germanium-enkeltkrystaller for transistorer. Det viste seg at Czochralski-metoden, som ble brukt i metallurgiske laboratorier, var egnet til dette formålet etter nødvendige forbedringer. Senere brukte Teal metoden til å produsere silisiumkrystaller. Uten Czochralski-metoden ville utviklingen av mikroprosessorer, datamaskiner, mobiltelefoner og mange andre enheter vært umulig. Metodens enkelhet og allsidighet gjorde den til grunnlaget for den teknologiske revolusjonen, og sikret dens plass i laboratorier og elektronikkselskaper over hele verden.

Jan Czochralski, født i 1885 i Kcynia, i et Polen delt av okkupasjonsmakter, var en selvlært kjemiker som nådde vitenskapens høyder. Til tross for manglende formell høyere utdanning, jobbet han i Berlins kjemiske og metallurgiske industrier og ledet metallaboratoriet hos AEG. Hans tilfeldige oppdagelse i 1916 var ikke bare et lykketreff, men et vitnesbyrd om hans evner og vitenskapelige grundighet. Etter at han returnerte til Polen i 1928, ble han professor ved Warszawa teknologiske universitet. Dessverre ble han i 1945 nektet å returnere til universitetet av grunner som fortsatt er uklare. Han tilbrakte sine siste år i Kcynia, hvor han drev en liten kjemisk fabrikk kalt BION. Han døde i 1953. Først i 2011 anerkjente Warszawa teknologiske universitet offisielt hans bidrag og opphevet den vanæren som ble pålagt flere tiår tidligere.

Czochralski kalte sin metode for måling av krystallisasjonshastighet for “kapillærmetoden” (Capillarverfahren, Capillarmethode), med henvisning til den innledende sugingen av smeltet materiale gjennom en kapillær i enden av en krok. Den første beskrivelsen av metoden, med tittelen “Ein neues Verfahren zur Messung der Kristallisationgeschwindigkeit der Metalle” (“En ny metode for å måle krystallisasjonshastigheten til metaller”), ble publisert i tidsskriftet Zeitschrift für physikalische Chemie i 1918. Manuskriptet ble mottatt av redaksjonen 19. august 1916 – en dato som regnes som metodens fødsel. Publikasjonen detaljerte de tekniske aspektene og resultatene av de innledende eksperimentene med tinn, sink og bly.

Den naturlige konsekvensen av denne oppdagelsen var anvendelsen av “målemetoden for krystallisasjonshastighet” til produksjon av enkeltkrystaller. Allerede i august 1918 brukte Hans Joachim von Wartenberg denne metoden for å skaffe sinkkrystaller, og han var den første til å erstatte kapillæren med en krystallkime. Ytterligere modifikasjoner ble foreslått av blant andre Ervin von Gomperz (1922), H. Mark og samarbeidspartnere (1923) og E.G. Linder (1925).