Ett häpnadsväckande misstag

År 1916 gjorde Jan Czochralski, en polsk kemist som arbetade i laboratoriet hos det elektriska företaget AEG i Berlin, en oavsiktlig upptäckt som förändrade historiens gång. Utmattad av forskning som syftade till att hitta en metod för att mäta kristallisationshastigheten hos metaller gjorde Czochralski ett till synes trivialt misstag. Med avsikt att anteckna sina observationer doppade han instinktivt sin penna inte i ett bläckhorn, utan i en närliggande degel med smält tenn. Till hans förvåning hängde en tunn tråd av stelnat metall från pennspetsen när han drog ut den. Denna oväntade uppkomst av en metalltråd fascinerade honom. Han upprepade handlingen, doppade spetsen i det smälta tennet och drog ut den långsamt. Han observerade bildandet av en ny tråd. När han drog ut pennan snabbare blev tråden kortare. En serie systematiska experiment som utfördes den kvällen bekräftade att hastigheten med vilken pennan drogs ut ur det smälta metallet påverkade längden och strukturen hos den stelnade tråden. Han insåg att detta fenomen kunde ge viktig insikt i kristallisationsegenskaperna hos metaller.

Czochralski noterade att skåran i pennspetsen fungerade som en öppen kapillär; kristallisation i kapillär rör hade tidigare beskrivits av Gustav Tammann. Den polske forskaren ersatte därför pennan med ett glasrör och handen med en urverksmekanism. Detta gjorde det möjligt för honom att kontrollera hastigheten för utdragningen av den kristallina tråden.

Detta oavsiktliga experiment, senare kallat Czochralski-metoden och först publicerat 1918, markerade ett genombrott i teknologin för att producera enkristaller som är väsentliga för halvledarelektronik.

År 1950, på andra sidan Atlanten, kämpade den amerikanske forskaren Gordon Teal med utmaningen att få fram stora, högkvalitativa germaniumenkristaller för transistorer. Det visade sig att Czochralski-metoden, som användes i metallurgiska laboratorier, var lämplig för detta ändamål efter nödvändiga förbättringar. Senare tillämpade Teal metoden för att producera silikonkristaller. Utan Czochralski-metoden skulle utvecklingen av mikroprocessorer, datorer, mobiltelefoner och många andra enheter ha varit omöjlig. Metodens enkelhet och mångsidighet gjorde den till grunden för den teknologiska revolutionen och säkrade dess plats i laboratorier och elektronikföretag världen över.

Jan Czochralski, född 1885 i Kcynia, i ett Polen delat av ockupationsmakter, var en självlärd kemist som nådde vetenskapens höjder. Trots avsaknad av formell högre utbildning arbetade han i Berlins kemiska och metallurgiska industrier och ledde metallaboratoriet hos AEG. Hans oavsiktliga upptäckt 1916 var inte bara en lyckträff, utan ett bevis på hans förmågor och vetenskapliga noggrannhet. Efter att ha återvänt till Polen 1928 blev han professor vid Warszawas tekniska universitet. Tyvärr fick han 1945 inte återvända till universitetet av skäl som fortfarande är oklara. Han tillbringade sina sista år i Kcynia, där han drev en liten kemisk fabrik kallad BION. Han dog 1953. Först 2011 erkändes hans bidrag officiellt av Warszawas tekniska universitet, vilket upphävde den vanära som ålagts decennier tidigare.

Czochralski kallade sin metod för mätning av kristallisationshastighet för “kapillärmetoden” (Capillarverfahren, Capillarmethode), med hänvisning till den initiala sugningen av smält material genom en kapillär i änden av en krok. Den första beskrivningen av metoden, med titeln “Ein neues Verfahren zur Messung der Kristallisationgeschwindigkeit der Metalle” (“En ny metod för att mäta kristallisationshastigheten hos metaller”), publicerades i tidskriften Zeitschrift für physikalische Chemie 1918. Manuskriptet mottogs av redaktionen den 19 augusti 1916 – ett datum som anses vara metodens födelse. Publikationen beskrev de tekniska aspekterna och resultaten av de initiala experimenten med tenn, zink och bly.

Den naturliga konsekvensen av denna upptäckt var tillämpningen av “metoden för mätning av kristallisationshastighet” för produktion av enkristaller. Redan i augusti 1918 använde Hans Joachim von Wartenberg denna metod för att få fram zinkkristaller och var den första att ersätta kapillären med en kristallkärna. Ytterligare modifieringar föreslogs av bland andra Ervin von Gomperz (1922), H. Mark och medarbetare (1923) samt E.G. Linder (1925).