理论教育 材料提纯和区域熔炼技术

材料提纯和区域熔炼技术

时间:2023-06-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:在图8.31中,处理后的材料在左端含有较多高熔点成分,而右端含有较多低熔点成分。该方法称为区域熔炼。区域熔炼曾为半导体的出现立下过汗马功劳。材料中的杂质会严重影响半导体的性能。故要获得半导体,材料的纯度有非常高的要求。区域熔炼随后成为制备半导体的一个基本工艺。Pfann也因发明了区域熔炼而著名。今天,半导体生产已不采用区域熔炼,而是通过气相中间化合物精炼Si的方法。区域熔炼也可用于聚合物材料的提纯。

材料提纯和区域熔炼技术

比如,将图8.30中L1点系统的材料放在水平管式炉中(图8.31)熔化。管外绕着可移动的加热环。开始时,加热环在最左端。因此,最左端的材料首先熔化成液体。随后,加热环缓慢地向右端移动。这样,熔化区也缓慢地向右端移动。随着熔化区向右端移动,左端早先熔化的材料,因温度逐渐降低(比如降至T2)而凝固结晶。而在再结晶的固体中,含有较多高熔点成分的物质(图8.30中,α2点的组成比同温度液相含有较多的Ni)。这是由于在熔化、再凝固过程中,液相、固相中的成分不断调整并重新分布的缘故。

图8.31 区域熔炼示意图(引自傅献彩,1979)(www.daowen.com)

经过以上熔化、再凝固的材料比处理前含有较多高熔点的成分。在图8.31中,处理后的材料在左端含有较多高熔点成分,而右端含有较多低熔点成分。加热环就像“扫把”一样,将低熔点成分“扫”到右边、高熔点成分“扫”到左边。多次重复这个过程可获得极纯的材料。该方法称为区域熔炼。

区域熔炼曾为半导体的出现立下过汗马功劳。材料中的杂质会严重影响半导体的性能。故要获得半导体,材料的纯度有非常高的要求。在发明半导体的过程中,Willianm Shockley(1910—1989年)就曾因Ge的纯度不够而产生抱怨。不久之后,Bell实验室的一位技术员Willianm Pfann(1917—1982年)在一次休息时,偶然间意识到通过熔融再重复结晶的方法可带走杂质。这就是后来称作的区域熔炼。人们曾经利用这种方法获得了高纯Si、Ge(纯度达99.999999%以上)。区域熔炼随后成为制备半导体的一个基本工艺。Pfann也因发明了区域熔炼而著名。然而,该方法不适合制备直径太大的半导体。今天,半导体生产已不采用区域熔炼,而是通过气相中间化合物精炼Si的方法。气相精炼法可使Si中杂质分数降至10-12

但区域熔炼还是可用于其他高纯材料的生产,如高纯Fe、Be。高纯Fe有良好的延展性、抗氧化性和超导性。高纯Be可弯曲自如,且不容易折断。区域熔炼也可用于聚合物材料的提纯。总之,区域熔炼为高纯材料的制备提供了一种有效的方法。

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