Kristályfizikai, kristálynövesztési kutatások

Nem lehet teljes a magyar alkalmazott fizikai kutatások ismertetése a magyar kristályfizikai, kristálynövesztési eredményekértékelése nélkül. A kristályfizikai kutatások kezdetei Gyulai Zoltán nevéhez fűződnek.

Gyulai Zoltán hétéves szibériai hadifogságból 1922-ben tért haza. Csakhamar sikerült Németországba, Göttingenbe mennie kétéves tanulmányútra, R. W. Pohl mellé. Akkortájt kezdett kialakulni a szilárdtestfizika, s ekkor vált Gyulai Zoltán is e terület, közelebbről a kristályfizika alkotó művelőjévé. Göttingenben az alkalihalogenid kristályokban létrehozott ponthibákkal, az ún. színcentrumokkal foglalkozott. A témakör Göttingenből indult el. A színcentrumok ionizáló sugársággal, vagy egyéb módokon keltett kristályhibák, amelyek a fényt másképp nyelik el, mint az ép kristályhelyek: a színtelen kristály színessé válik. Innen kapta a témakör a nevét is.

Ugyancsak az 1920-as években kezdett egyre nyilvánvalóbbá válni, hogy a kristályos rendezettségben mindig vannak hibák, akkor is, ha ilyeneket nem keltünk szándékosan. Szennyezések, mechanikai hatások és ami különösen lényeges, az atomok termikus mozgásai is hoznak létre hibákat. Termikus hibák állandóan képződnek és „begyógyulnak”. Minden hőmérséklethez tartozik egy egyensúlyi hibakoncentráció. Gyulai Zoltán végezte még az 1930-as években Szegeden az első tudatos kísérleteket a természetes kristályhibák vizsgálatával kapcsolatban (Gyulai–Hartly-effektus).

Az 1930-as, de még inkább az 1940-es években (Debrecen, Kolozsvár) Gyulai {IV-108.} Zoltán érdeklődése a kristálynövekedés mechanizmusa felé fordult. Előbb W. Kossel elméleti meggondolásait igazolta kísérletileg, kiegészítve azokat a kristályosodási határréteg koncepciójával, majd (1950–1960-as évek, Budapest) a tűkristályok és más kristályosodási alakzatok kialakulásával kezdett foglalkozni. Ezekkel a vizsgálatokkal nemzetközi vonatkozásban is új kutatási területeket indított el a kristályosodás területén.

Munkatársai, utódai (Tomka Pál, Boros János, Medveczky László, Jeszenszky Béla, Morlin Zoltán, Kiss József, Harmann Ervin, Malicskó László, Vannay László) eredményesen folytatták, folytatják Gyulai témáit. A tanszéken ADP (NH4H2PO4), KDP (KH2PO4), TGS (CH2NH2COOH)2 H2SO4, -jódsav (-HIO3), lítiumjodát (LiIO3) kristályok oldatból történő növesztésével foglalkoztak.

Tarján Imre kezdő diplomásként, 1936–1940 között dolgozott a Debreceni Tisza István Tudományegyetem Orvoskari Fizikai Intézetében, Gyulai Zoltán mellett.

A „háborús szünet” után a sors 1949-ben hozta össze őket ismét a Távközlési Kutatóintézet (TÁKI) jóvoltából. A TÁKI a híradástechnikában használatos piezoelektromos etilén-diamintartarát (EDT) egykristályok növesztésével kapcsolatban kutatási szerződést akart kötni Gyulai Zoltánnal. Gyulait akkor elsősorban a tűkristályok és a kristályosodás más megjelenési formái érdekelték, a TÁKI-féle feladat vállalását Tarján Imre személyéhez kötötte. Tarján az EDT helyett a kvarcot javasolta. A kvarc egykristály növesztése izgalmasabb feladatnak tűnt, hiszen nemzetközileg sem volt még megoldva, és piezokristályként is előnyösebb tulajdonságokkal rendelkezik, mint az EDT. Javaslatát a TÁKI elfogadta. A munkát Tarján gyakorlatilag egyedül kezdte el, kb. fél évvel később kapcsolódott be a feladatba a Gyulai-tanszék részéről Zimonyi Gyula, az Orvosi Fizikai Intézet részéről Újhelyi Sándor.A siker hamar mutatkozott, az első kristálypéldányokat a kutatók már 1951 nyarán bemutatták Barcza Lászlónak, a TÁKI igazgatóhelyettesének. Az amerikai Bell-laboratórium munkatársainak közleménye a témával kapcsolatban prioritást élvezett; nem sokkal előbb, pontosabban 1950-ben jelent meg, illetve vált itthon ismertté. A hazai eredményekről 1952-ben a debreceni fizikus vándorgyűlésen Tarján számolt be, és cikke a Fizikai Szemlében ugyanebben az évben jelent meg. Külföldi közlés nem jöhetett szóba, ami sajnálatos, hiszen a hazai eredmények nemzetközileg is az elsők között voltak.

Tarján Imre, a vezetése alatt álló intézetben Nagy Jánossal együtt egy ideig még foglalkozott a kvarc egykristályok növesztésével; ezekről a vizsgálatokról azután 1957-ben az Acta Physica Academiae Scientarum Hungarica egyik számában számoltak be. A BME Kísérleti Fizika Tanszéken Zimonyi Gyula kvarc tűkristályokat növesztett, amelyekről szintén az előbb említett akadémiai folyóiratban jelent meg beszámoló. A kvarc ipari gyártására a sikeres laboratóriumi vizsgálatok ellenére nem került sor.

Tarján Imre 1950-ben átvette a Budapesti Tudományegyetem Orvosi Fizikai Intézetének vezetését. A tudományos munkát az előző témái folytatásával kezdte el: kristályhibák, különös tekintettel a színcentrumokra, a kristálynövekedés mechanizmusa, gyakorlati célú kristálynövesztés. Az intézménynek az egykristálynövesztés hazai bevezetésében kezdeményező szerepe volt. Ekkor bontakozott ki az iparilag legfejlettebb országokban is az az időszak, amikor a tudományos kutatás és a gyakorlati élet különféle területei egyre nagyobb igényeket támasztottak az egykristály formájában előállítandó anyagok iránt. Gondoljunk a félvezetőkre, a sugárzásdetektorokra, elektroakusztikai átalakítókra, lézerekre, általában az elektronikában, automatikában, számítástechnikában felhasználásra kerülő különféle anyagokra.

{IV-109.} Az 1950-es években fejlesztették ki a röntgen- és a radioaktív sugárzások detektálására alkalmas többféle szervetlen és szerves szcintillátor egykristály előállítását, amilyen pl. a gamma- és a röntgensugárzás esetében használatos NaI(Tl), valamint a bétasugárzás mérésére használt antracén kristály. Termékeik minőségükkel nemzetközileg is kitűntek. (1961-ben a szocialista országok Prágában megtartott „versenyén” a GAMMA-gyárnak az általuk kidolgozott módszerrel előállított NaI(Tl) kristályai első helyezést értek el.) Eredményeik kedvezően befolyásolták több területen a tudományos kutatást (különösen a fizika és az orvostudomány területén). Elősegítették a nukleáris medicina műszerparkjának (GAMMA-szcintigráf) kifejlesztését is.

Tarján Imre és munkatársai vizsgálatainak kedvelt anyagai voltak az alkalihalogenid kristályok; könnyen elérhetőek, egyszerű felépítésűek, számos vonatkozásban jó modellanyagok. Az alkalihalogenideken végzett színcentrumos vizsgálataik, pontosabban a fotovezetésben mutatkozó anomáliák hívták fel a figyelmüket a szennyezések, különösen az oxigéntartalmú szennyezések szerepére. Az 1960-as évek közepén tisztítási eljárásuk sikerét mutatja, hogy az eljárást ismertető beszámoló a kristálynövesztés vonatkozásában éveken keresztül a világon a 12 leggyakrabban idézett dolgozat közé tartozott.

Ugyancsak érdekesek azok a vizsgálatok is, amelyek röntgenezett NaCl kristályok deformálásával keltett, elektromosan töltött diszlokációk és a kristályok fotovezetése közötti kapcsolatokra vonatkoznak; új, NaCl gőzfázisból nőtt tűkristályalakzatokat figyeltek meg és írtak le; erről a Nature-ben közlemény jelent meg.

A fenti vizsgálatokban Tarján Imre mellett különösen a következő munkatársak vettek részt: Turchányi György, Voszka Rudolf, Újhelyi Sándor, Somló Ágnes, Janszky József.

Megállapítható, hogy a fentebb említett programokban és eredményekben alap- és alkalmazott kutatás egyaránt szerepelt, sőt, állandó kölcsönhatásban volt egymással.

1976. január 1-jén a SOTE-n és a BME-n működő két kristályfizikai tanszéki kutatócsoportból, munkájuk elismeréséül, létrehozták az MTA Kristályfizikai Kutatólaboratóriumot (KFKL). Az új kutatóegység az MTA Természettudományi Kutatólaboratóriumai (TTKL) része lett.

Az 1940–1950-es években Tarján Imre által elkezdett, a gyakorlati alkalmazás szempontjából is érdekes anyagok felé való orientálódással, a célzott kristálynövesztéssel jellemezhető kutatási stratégiát tanítványa, a kutatólaboratórium igazgatója, Voszka Rudolf teljesítette ki komplex anyagtudományi lánccá. Ebbe beletartozott minden művelet az alapanyag-előállítástól, a tisztítástól, a kristálynövesztésen át az orientálásig és megmunkálásig, valamint a minősítésig és a tulajdonságok vizsgálatáig. (A KFKL – amely jelenleg a KFKI Szilárdtestfizikai és Optikai Kutató Intézet önálló Kristályfizikai Főosztálya – mai vezetője Janszky József.)

A laboratórium tudományos fő feladata optikai kristályok előállítása és tulajdonságainak vizsgálata lett. Ez a tematika egészült ki később, Janszky József kezdeményezésére, a nemlineáris anyagokban végbemenő optikai folyamatok tanulmányozásával.

Az 1970-es évek második felében sikerült jó minőségű LiNbO3 kristályt előállítani (Polgár Katalin), amely rendkívül sokoldalú, számos alkalmazási lehetőséggel (felületi hullámvezető, piezoátalakító, rezgésdetektor, Q-kapcsoló, frekvenciakettőző, akusztooptikai átalakító, optikai hullámvezető stb.) rendelkező anyag. 1981-re sikerült az ismert legjobb akusztooptikai TeO2 (paratellurit) kristályt előállítani (Voszka Rudolf, Földvári István) és az egyes fizikai tulajdonságok, valamint a kristályok használhatósága közötti összefüggéseket tisztázni (Péter Ágnes, Janszky {IV-110.} József). A kristályokra alapozta a BME Atomfizika Tanszéke akusztooptikai fejlesztését. Az 1990-es évek egyik kristályslágere a sztöchiometrikus összetételű, teljesen új tulajdonságú (pl. kiemelkedő lézersugártűréssel rendelkező) LiNbO3 volt.

Földvári István állított elő (1990–1992) a világon először nagyméretű Bi2TeO5 (bizmut-tellurit) kristályt, a kristályban hosszú élettartamú holografikus memóriát tudott kialakítani.

A 20. század végének fontos nemlineáris optikai anyagai a ciklikus borátok. Optikai minőségben sikerült növeszteni -BaB2O4, LiB3O5, Li2B4O7 és CsLiB6O10 egykristályokat (Polgár Katalin, Beregi Jelena).

Jelentős a laboratóriumban a kristályok tulajdonságait nagymértékben meghatározó kristályhibák kutatása spektroszkópiai, elektromos és mikroszkópiai módszerekkel (Watterich Andre, Gorradi Gábor, Földvári István, Kovács László, Harmann Ervin, Malicskó László).

A nemlineáris optikai és kvantumoptikai kutatás logikus kiegészítése egy nemlineáris optikai anyagokat növesztő és vizsgáló kutatóhely tematikájának (Janszky József, Ádám Péter, Domokos Péter, Kiss Tamás, Kis Zsolt, Szabó Szilárd).

A hazai kristálynövesztés története nem lenne teljes, ha nem említenénk meg a KFKI-ben, az 1970-es évek közepén a magas olvadáspontú oxid egykristályok, elsősorban gadolínium, gallium, gránát sikeres növesztését Czochralski-módszerrel, 2″ átmérőig, valamint a mágneses oxid vékonyrétegek folyadékfázisú epitaxiális módszerrel történő előállítása terén végzett munkát (Konczos Géza, Paitz József, Süveges Antal, Keszei Béla, Vandlik János).