Czochralski的滑轮

有一个古老的笑话说，你可以通过他们的胡须和凉鞋来识别晶体学家——面部毛发提供了丰富的异质成核来源，这是生长宝石状晶体所必需的。它提醒我们结晶的过程是多么奇怪，以及支撑一个问题的复杂性，它既能唤起人们的共鸣，又能带来根本性的影响。

任何试图在实验室中培养晶体的人都不会不知道成核和晶体生长这两个过程之间的权衡，这两个词掩盖了极其复杂的问题。两者都在19世纪末开始被探索^th尤其是爱沙尼亚裔德国化学家和冶金学家古斯塔夫·塔曼。塔曼开始在狭窄的试管中监测液体的缓慢冷却，为理解晶体生长奠定基础。在此过程中，他测量了固液界面随过冷程度(即液体实际温度与熔点之间的差值)的变化速率。他提出结晶是一个热激活的过程，其速率由固液界面的温度决定。虽然很快就被证明是完全错误的，但他的工作为后来的许多科学奠定了基础，并激励了一位在德国工作的年轻波兰化学家。

Jan chzochralski出生在波兰外省城镇Exin (Ksynia)的一个工匠家庭，是家中排行第八，也是最小的一个儿子。他在一所教师培训学院当学徒，但在获得资格之前就搬到了德国，最终于1906年在柏林工业大学(Technical University of Berlin)开始攻读化学学位。为了维持生计，他在学习期间一直在工作，先是在一家化工厂，从1908年开始，在奥伯施普雷的AEG工程公司的金属实验室工作，当时AEG是德国领先的电缆制造商。这个实验室是由年轻、热情的工程师和冶金学家维哈德·冯·莫伦多夫建立的。莫伦多夫对金属的塑性变形进行了重要的研究，这些实验对塔曼的许多观点提出了质疑。

查克拉尔斯基从未获得过正式学位，因为他在波兰学校的学历从未得到承认;相反，他在AEG全职工作，在那里他开始对金属进行详细的晶体学研究。1913年，他接替莫伦多夫担任实验室主任。

传说，在等待熔化的锡坩埚在他的桌子上凝固时，佐克拉尔斯基心不在焉地将笔尖浸入金属而不是墨水瓶。他一边拿起笔，一边抽出一根细细的金属线。乔克拉尔斯基立刻意识到，他找到了一种测量结晶速率的新方法:他将从熔体中抽出一根细丝，并测量超过该细丝断裂的最大速率，而不是跟随前端的速度。经过一系列的试验，乔克拉尔斯基发现，最好的方法是用一根丝线把毛细管悬挂在坩埚上方，坩埚里的金属只比熔点高几度。绳子穿过滑轮，然后穿过马达。把毛细管放入熔体中，液体就会被吸入管中，几乎立即结晶，就像细丝生长的种子一样。

有了这个装置，查克拉尔斯基能够制造出超过一米长的细丝。每一个都是一个晶体。这与之前的“普利奇”方法相比是一个巨大的进步，“普利奇”方法是用粘合剂将金属粉末压成棒状。沿着棒材的长度逐步加热会使晶粒重新结晶成一个单一的结晶棒材。比如金属钨柯立芝将向人们展示，仔细的工作可以制备出适合制造白炽灯泡的延展性电线。manbetx手机客户端3.0， 2013年8月，第62页）.

查克拉尔斯基的方法一次完成了所有的工作。因此，它作为一种晶体生长方法的影响远远大于作为一种研究结晶速率的技术。这种均匀宽度的完美晶体的可用性将在研究塑性变形和发现使金属具有如此形状的位错方面发挥至关重要的作用。

1948年，贝尔实验室的戈登·蒂尔(Gordon Teal)培育出了硅单晶锗。蒂尔使用一个充满半导体的石墨坩埚，通过感应炉加热到935-980˚C之间，将种子晶体引入熔体并非常缓慢地将其向上拉。在低于每秒0.003英寸的速度下，一个圆柱形的单晶体出现了，纯度达到了闻所未闻的水平——一个闪闪发光的银色锗“球”。这些晶体将使贝尔实验室能够将第一个基于锗的固态晶体管商业化。

但是，土生土长的蒂尔被竞争对手德州仪器(Texas Instruments)挖走了，他为后者开发了一套类似的工艺，以培育更理想的晶体硅。在1954年的一次会议上，蒂尔炫耀地展示了新型硅晶体管，用留声机播放着阿蒂·肖(Artie Shaw)的音乐。与锗晶体管放大器相比，硅晶体管放大器即使将音乐浸入盛有热油的烧杯中也能保持播放。固态革命已经到来。

今天，查克拉尔斯基方法被用于光学、电子甚至珠宝，我们可以理解为什么留胡子可以帮助一个晶体学家(理解成核仍然是化学的基本挑战之一)。另一方面，凉鞋仍然是个谜……