Методы получения особо чистых неорганических веществ - Степин Б.Д.
Скачать (прямая ссылка):
При 0—100° С достаточно подходящими являются различного рода пластмассы, в том числе полиэтилен и поливинилхлорид. Оба материала достаточно инертны и легко поддаются обработке. Однако предпочтительнее применять фторопласт, так как он значительно более химически инертен и может использоваться до 300° С. Важным преимуществом этого материала является то, что он в противоположность другим пластмассам, которые при низких температурах становятся очень хрупкими, сохраняет пластичность до температур порядка —200° С. Это позволяет применять его при низкотемпературной зонной плавке [63, 64].
При зонной плавке объектов с температурой плавления до 400—500° С часто используют стекло различных марок. Применение этого материала ограничивается возможностью выщелачивания некоторых компонентов стекла при обработке достаточно агрессивных объектов и низкой стойкостью к тепловым ударам. Последнего недостатка лишен ситалл, в связи с чем изготовление контейнеров из него весьма перспективно.
С точки зрения механических свойств достаточно подходящим материалом для контейнера являются различные металлы. К их отрицательным свойствам следует отнести значительную теплопроводность, не позволяющую получать узкие расплавленные зоны. Обычно используются благородные металлы и прежде всего платина из-за ее высокой химической устойчивости. Наибольшая рабочая температура контейнеров из платины 1500° С. Применение тугоплавких металлов — молибдена, тантала, вольфрама и других—во избежание их окисления при высоких температурах должно сопровождаться созданием вакуума или защитной атмосферы.
Одним из наиболее широко применяемых материалов является плавленое кварцевое стекло, которое характеризуется низким коэффициентом теплового расширения и стойкостью к тепловым ударам, прозрачностью, легкой обрабатываемостью этого материала. Промышленностью в настоящее время выпускается кварцевое стекло необходимой степени чистоты. Химическая стойкость кварца достаточно высока, однако она может быть повышена путем покрытия его поверхности графитом или некоторыми инертными окислами. Кварцевое стекло применяется до температур порядка 1100° С.
Другим широко используемым материалом оказывается графит, который также обладает высокой химической инертностью по отношению к различного рода веществам за исключением
542
окислителей. По этой причине с графитовыми контейнерами необходимо работать в защитной атмосфере или в вакууме. Графит обладает высокой электропроводностью, что позволяет использовать его при высокочастотном нагревании, в том случае если обрабатываемый объект не проводит электрический ток. Этот материал достаточно прочен и легко обрабатывается, предельная рабочая температура его 2500° С. Имеются марки графита весьма высокой степени чистоты.
При проведении процесса зонной плавки при очень высоких температурах (2200—2800° С) могут использоваться лодочки из тугоплавких окислов алюминия, циркония, бериллия, кальция, магния, тория. Несмотря на достаточную химическую инертность по отношению к веществам определенного класса, достаточную прочность и низкую теплопроводность, применение этих материалов ограничивается тем обстоятельством, что изделия из них обладают нежелательной пористостью.
Следует отметить, что в конечном счете предельно достижимая степень очистки обрабатываемого объекта будет ограничиваться как чистотой материала контейнера, гак и его химической стойкостью, ибо абсолютно чистых и инертных веществ не существует. С этой точки зрения идеальным вариантом организации процесса зонной очистки является зонная плавка без контейнера*. Впервые процесс был предложен для очистки и выращивания высококачественных монокристаллов кремния, который, как известно, в расплавленном состоянии настолько реакционно-способен, что подобрать подходящий инертный материал для контейнера не представляется возможным, а также для очистки некоторых металлов. Суть бестигельной зонной плавки заключается в следующем: стержень очищаемого вещества помещают вертикально в соответствующую цилиндрическую камеру, которую затем эвакуируют или создают в ней атмосферу заданного состава. Расплавленная зона получается при помощи индуктора или электронного пучка и удерживается при перемещении благодаря силам поверхностного натяжения.
Недостаток метода — невозможность обрабатывать образцы значительного диаметра, так как при увеличении последнего расплавленная зона перестает удерживаться. Максимальный диа-метр слитка зависит от капиллярной константы а. = \^2сг/р^ где § — ускорение свободного падения.
При бестигельной зонной плавке металлов удержанию зоны способствует также электромагнитная поддержка, которая, к сожалению, не может быть осуществлена при обработке неорганических соединений. Кроме того, поверхностное натяжение последних ниже поверхностного натяжения металлов, что вынуждает
* В литературе этот вариант процесса называют «бестигельная зонная плавка» и «метод плавающей зоны».
34*
выбирать образцы с весьма небольшим сечением. Так при бестигельной зонной плавке галогенидов щелочных металлов, для которых капиллярная константа равна а = 0,2 — 0,5 см, Уоррен [65], исходя из того, что для кремния (а = 0,8 см) максимально допустимый диаметр слитка ~ 1 см, использовал образцы диаметром 0,25 — 0,6 см.
