§ 135. Зонная очистка металлов

Приведенная на рис. 188 диаграмма состояния бинарной системы, образующей твердые растворы, показывает, что твердое и жидкое состояния вещества сплава могут находиться в равновесии, имея различные концентрации, компонентов. Так, при охлаждении сплава от точки К, соответствующей жидкому раствору, до точки К, лежащей на линии ликвидуса (см. рис. 188), в расплаве появляются твердые кристаллы с содержанием компонентов, соответствующим не точке Для случая, представленного на рис. 188, содержание компонента В в твердом кристалле, таким образом, больше, чем в жидкости, с которой он находится в равновесии.

Рис. 190

Так бывает тогда, когда добавка компонента В повышает точку плавления вещества А. Если бы вещество В не повышало, а понижало температуру плавления А, то диаграмма состояния такой системы имела бы вид, изображенный на рис. 190. Тогда в

выпадающих при охлаждении кристаллах концентрация компонента В была бы меньше, чем в жидкости, с которой они находятся в равновесии.

То обстоятельство, что концентрация одного из компонентов сплава в граничащих друг с другом твердой и жидкой фазах может быть различной, используется для очистки (рафинирования) металлов от примесей в так называемом методе зонной плавки.

Речь идет об удалении из металла (или какого-либо другого вещества) тех, обычно малых, посторонних примесей, которые остаются в них в процессе приготовления и которые чрезвычайно трудно удалить какими-либо другими методами. Это очень важная задача, с которой приходится сталкиваться не только при научных исследованиях, но и в весьма важных областях техники.

Метод рафинирований зонной плавкой заключается в том, что в подлежащем очистке образце с помощью нагревателя создается узкая расплавленная зона, перемещающаяся вдоль образца (рис. 191). Движение зоны достигается либо перемещением нагревателя вдоль образца, либо движением образца при неподвижном нагревателе.

Рис. 191.

Перемещаясь вдоль образца, расплавленная зона оставляет позади себя область отвердевшего расплава, граничащую с жидкой фазой зоны. Если примесь такова, что она понижает точку плавления основного вещества (см. рис. 190), то концентрация примеси в расплавленной зоне будет больше, чем В отвердевшей фазе позади нее. Значит, примеси частично покинули твердую фазу, перешли в жидкую и вместе с ней продвигаются вдоль образца. Максимальная концентрация примесей будет в той крайней правой части образца, куда в конце концов придет расплавленная зона (рис. 191). Левая же часть окажется обедненной примесями, т. е. частично очищенной.

При одном проходе зоны степень достигаемой очистки сравнительно невелика, да и очищенная область — это главным образом край образца. Но эффективность метода можно значительно повысить, если многократно повторять прохождение расплавленной зоны вдоль образца. Это можно осуществить, например, использованием не одного, а нескольких нагревателей, следующих один за другим, как это показано на рис. 192.

Результат очистки при зонной плавке зависит от очень многих факторов и прежде всего от свойств очищаемого вещества и примесей в нем. Одним из самых важных факторов, от которых зависит эффективность зонной очистки, является так называемый

коэффициент распределения К, равный отношению концентраций примеси в твердой и жидкой фазах:

В тех системах, в которых примесь понижает точку плавления основного вещества, коэффициент К меньше единицы. В системах же, где примесь вызывает повышение температуры плавления, К больше единицы. Когда К равен единице, то очистка зонной плавкой, конечно, невозможна, так как метод основан как раз на различии концентраций

Рис. 192.

Очевидно, что зонная плавка тем более эффективна, чем меньше коэффициент распределения (для систем с типом диаграмм состояния, представленных на рис. 190).

В описанном методе зонная очистка образца представляет собой периодический процесс. Но его можно сделать и непрерывным, если снабдить установку для зонной очистки источником питания очищаемым материалом и удалять в процессе работы установки очищенный и загрязненный продукты. Схема такой установки представлена на рис. 193. Она состоит из двух вертикальных трубок В и ванны С с расплавленным материалом, питающим установку. В левой трубке нагреватели, создающие расплавленные зоны, двигают их вниз. Поэтому в нижней части этой трубки собирается загрязненный продукт, который и выпускается наружу. В правой трубке, наоборот, нагреватели, а вместе с ними и расплавленные зоны, движутся вверх. В нижней части этой трубки скапливается очищенный продукт, для которого здесь также имеется выход. Возникающие при выпуске загрязненного и очищенного продуктов пустоты всплывают наверх, обеспечивая тем самым движение материала в установке. Поэтому описанный метод непрерывного рафинирования часто называют зонно-пустотным.

Рис. 193.

Метод зонной плавки позволяет получать весьма высокие степени очистки. Так, например, этим путем удается получить

германий (для его очистки метод зонной плавки и был впервые разработан) с концентрацией примесей около Этим методом получают и другие металлы, и полупроводники с небывало малым содержанием примесей. Им можно пользоваться для очистки не только металлов и полупроводников, но и различных органических и неорганических соединений и т. д.

Зонная плавка применяется не только для простой очистки материалов от примесей. С его помощью решаются некоторые другие задачи, в том числе и такие, которые другими средствами вообще нельзя решить. Так, например, разработан вариант зонной плавки, обеспечивающий строго равномерное распределение примесей в образце (зонное выравнивание), что очень важно при производстве полупроводниковых приборов. Зонная плавка позволяет также наряду с очисткой вещества выращивать из него монокристаллы, вводить и распределять в них примеси Вообще это метод управления примесями в веществе. Неудивительно, что он находит все новые и новые применения и все время расширяется круг веществ, к которым он оказывается применимым.