高純金屬制備技術詳解
發布時間:
2017-04-12 13:03
高純金屬是現代許多高、新技術的綜合產物,雖然20世紀30年代便已出現“高純物質”這一名稱,但把高純金屬的研究和生產提高到重要日程,是在二次世界大戰后,首先是原子能研究需要一系列高純金屬,而后隨著半導體技術、宇航、無線電電子學等的發展,對金屬純度要求越來越高,大大促進了高純金屬生產的發展。
純度對金屬有著三方面的意義。 第 一,金屬的一些性質和純度關系密切。純鐵質軟,含雜質的鑄鐵才是堅硬的。另一方面,雜質又是非常有害的,大多數金屬因含雜質而發脆,對于半導體,極微量的雜質就會引起材料性能非常明顯的變化。鍺、硅甲含有微量的m、V族元素、重金屬、堿金屬等有害雜質,可使半導體器件的電性能受到嚴重影響。第二,純度研究有助闡明金屬材料的結構敏感性、雜質對缺陷的影響等因素,并由此為開發預先給定材料性質的新材料設計創造條件。第三,隨著金屬純度的不斷提高,將進一步揭示出金屬的潛在性能,如普通金屬被是所有金屬中最脆的金屬。而在高純時被便出現低溫塑性,超高純時更具有高溫超塑性。超高純金屬的潛在性能的發現,有可能開闊新的應用領域,在材料學方面打開新的突破口,為高技術的延伸鋪平道路。
金屬的純度是相對于雜質而言的,廣義上雜質包括化學雜質(元素)和物理雜質(晶體缺陷)。但是,只有當金屬純度極高時,物理雜質的概念才是有意義的,因此生產上一般仍以化學雜質的含量作為評價金屬純度的標準,即以主金屬減去雜質總含量的百分數表示,常用N(nine的第 一字母)代表。如99.9999%寫為6N,99.99999%寫為7N。此外,半導體材料還用載流子濃度和低溫遷移率表示純度。金屬用剩余電阻率RRR和純度級R表示純度。國際上關于純度的定義尚無統一標準。一般講,理論的純金屬應是純凈完全不含雜質的,并有恒定的熔點和晶體結構。但技術上任何金屬都達不到不含雜質的純度,故純金屬只有相對含義,它只是表明目前技術上能達到的標準。隨著提純水平的提高,金屬的純度在不斷提高。例如,過去高純金屬的雜質為10-6級(百萬分之幾),而超純半導體材料的雜質達10一9級(十億分之幾),并逐步發展到10一12級(一萬億分之幾)。同時各個金屬的提純難度不盡相同,如半導體材料中稱9N以上為高純,而難熔金屬鎢等達6N已屬超高純。
高純金屬制取通常分兩個步驟進行,即純化(初步提純),和超純化(最終提純)。生產法大致分為化學提純和物理提姓兩類。為獲高純金屬,有效除去難以分離的雜質,往往需要將化學提純和物理提純配合使用,即在物理提純的同時,還進行化學提純,如硅在無坩堝區熔融時可用氫作保護氣,如果在氫氣中加入少量水蒸氣,則水與硅中的硼起化學反應,可除去物理提純不能除去的硼。又如采用真空燒結法提純高熔點金屬鉭、鈮等時,為了脫碳,有時需要配人比化學計量稍過量的氧,或為脫氧配人一定數量的碳,這種方法又稱為化學物理提純。
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