22 Сурет – Таралудың тиімді коэффициентінің шамасын графикалық әдіспен анықтау.

Х пен У-тың К-ға тәуелділігінің қисықтарының қиылысуы (22 суретті қар.) таралудың тиімді коэффициенті шамасының іздестірілетін мәнін береді.

Әдебиет: 1 нег. [96-109], 2 нег. [40-54]

Бақылау сұрақтары:

1. Аймақтық балқыту процесіндегі құймакесек ұзындығы бойында қоспаның таралуының таралу коэффициенті шамасына тәуелділігі.

2. Аймақтық балқумен металдың тазартылған құймакесегінің гомогенделуі.

3. Аймақтық қайта кристалдануды жүргізуге және нәтижесіне қандай факторлар әсер етеді?

4. Металды аймақтық балқытумен тазартуды жүргізу кезінде үшінші компонентті жүйеге енгізудің мақсаты?

5. Таралудың тиімді коэффициенті және оны анықтаудың графикалық әдісі.

№ 7 дәріс: 7.1 Металдарды және шалаөткізгіш материалдарды тазарту үшін аймақтық қайта кристалдануды (балқытуды) қолдану туралы кейбір деректер

Аймақтық балқыту металдар мен басқада материалдарды тереңдете тазартуға арналған маңызды әдістердің бірі болады. Аймақтық қайта кристалданумен тазалығы жоғары германий, ин­дий, крем­ний, қалайы, алюминий, висмут және т.б. алады.

Бұл процестің техникасы әртүрлі. Кеңінен таралған қайықшаларда көлденең балқыту әдісімен (23, а сурет) қатар тік (тигельсіз) аймақтық балқыту («жүзбелі аймақты» деп аталатын, беттік керіліс күші есебінен ұсталатын балқыған аймақты) (23, б сурет) қолданыс тапты.

Балқыған аймақтың қыздыру құралы ретінде кедергілі қыздырғыштар, жоғары жиілікті пештер индукторлары қолданылды, ал соңғы кездері электрондық сәуле көмегімен қыздыру қолданылуда (электрондық бомбалау). Бірнеше (10 дейін) бірмезгілде және бірізді ауыспалы аймақы пештер бар.

Үшқыш материалдарды балқыту инертті немесе қорғаушы газдық ортада, біраќ көбінесе – в ваку­у­мда жүргізіледі.

а 3 4 2 1 0 L х l а – көлденең аймақтық балқыту; б – тік (тигельсіз) аймақтық балқыту; L – құмакесек ұзындығы; l – балқыған аймақтың ұзындығы; х – балқыған аймақтың құймакесек басынан бастағандағы қашықтығы; 1 – балқымаған қатты фаза; 2 – балқыған аймақ; 3 – тазартылған қатты фаза; 4 – қыздырғыш.

1 2 4 3 б

23 Сурет – Аймақтық балқытуды жүзеге асыру сұлбасы.

Жеткілікті терең вакуумда электронды сәулелі балқытуды қолдану кезінде, элек­трондар ауа молекуласымен және бір-бірімен соқтығыспайды деуге болады. Сондықтан электрлік өрістен жеке электронмен алынған барлық энергия, тәжірибе жүзінде, оған белгілі бір жылдамдық беруге жұмсалады. Электрон ары қарай энергиясын бомбаланатын металды қыздыруға береді. Электрондық бомбалау әдісімен балқыту, металдарды балқытуда өнеркәсіпте бұрын қолданылған әдістерге қарағанда, газдан тазарту мен ұшқыш қоспаларды аластау процестерін жылдамырақ және толығырақ жүргізуге мүмкіндік береді.

Қазіргі уақытта табысты аймақтық тазартуға бірнеше ондаған металдар тартылады. Мысалы, аймақтық балқытумен германийді Д.И. Менделеев кестесінің II және V топтарындағы электрөткізгіш қоспалы элементтерінен, сонымен қатар мыстан, темірден және никельден тазарту, олардың құрамында қалған қоспалар мөлшерін кәдімгі талдамалы әдістермен анықтау мүмкін болмайтындай дәрежеге дейін жетті. Бұл, көптеген қоспаларда германий үшін аймақтық тазартуды қолдануды ыңғайлы ететін, яғни 1-ден едәуір ерекшеленетін, таралу коэффициентінің болуымен мүмкіндікті.

Кремнийге келетін болсақ, оны аймақтық тазарту кезінде ең қиын аласталдатын қоспа бор болады, ондағы К = 0,8 тең. Дегенмен, егер процесті ылғалды сутегі ағынында өткізсе, онда кремниден борды ұшатын гидрид (ВН₃) түрінде аластауға болады.

Аймақтық балқытумен табысты тазартылатын металдар мен шалаөткізгіштер қатарына жататындар: темір, магний, алюминий, мыс, молибден, вольфрам, кобальт, рений, титан, цир­ко­ний, қорғасын, мырыш, уран, қалайы, висмут, сурьма, индий, галлий, платина, кремний және басқалары.

Аймақтық тазарту нәтижесінде темірдің жоғары илемділікке ие болатынын айтып кету керек. Тазартылған темір фосфордың төменгі мөлшерімен және металл емес қосылыстар мен газдардың толығымен дерлік жойылуымен сипатталады; оттегі мөлшері, мысалы, мил­лионның 7–8 бөлшегіне дейін, ал азот – 1,5 бөлшегіне дейін төмендейтіні байқалады.

Алюминийдің аймақтық балқуы кезінде аймақтың үш рет өтуінен соң, мыстың мөлшері миллионға 0,4–0,5, дейін, натрий – 2 дейін, темір – 6 дейін және кремний – 3 бөлшегіне дейін төмендейді.

Висмут, сурьма, галлий, және индий сияқты металдарды аймақтық балқыту – осы ме­тал­дардың шалаөткізгішті техникалар талаптарын қанағаттандыратындай тазалық дәрежесін алуда қолданылатын кеңінен әйгілі әдіс.

Балқыту температураларының шамасына қарай аймақтық балқытумен тазартылатын металдарды екі топқа бөлуге болады: жеңіл балқитын металдар, қалайы, қорғасын және мырыш сияқты металдар. Олардың балқу температурасының төмендігі және қайықша ма­териалына салыстырмалы жоғары тұрақтылығы тазарту процесіне қолайлы жағдай жасайды; қиын балқитын металдар (ниобий, рений, молибден, вольфрам, никель, цир­­коний, титан жә­не тантал) жүзбелі аймақты аймақтық қайта кристалданумен тазартылады, жәнеде балқыған аймақты алу үшін электронды сәулелі бомбалау қолданылады.

Монокристалдарды өсіру. Германий мен кремний сияқты шалаөткізгіш материалдар, аймақтық балқытудан кейін поликристалдар түрінде болады, ал шалаөткізгіш аспаптарда германий мен кремнийдің монокристалдарын қолданады, өйткені құймакесектегі түйірлердің шекараларының болуы шалаөткізгіш аспаптардың жұмысына зиян келтіреді. Моно­крис­талдардың микроақаулары, мысалы дислокациялар, металдың жалпы химиялық жоғары тазалығында шалаөткізгіш материалдың электрлік параметрлерін күшті өзгертеді.

Монокристалдарды балқымадан, көлденең және тік тигельсіз аймақтық балқытумен тарту арқылы өсіреді. Бұл кезде белгілі бір температуралық режимде және аймақтың орын ауыстыру жылдамдығында (кристалды тарту) қатаң бағдарланған монокристалдық түрпе қолданылады.

Айта кету керек, балқыманың температурасы жоғарылаған және тарту жылдамдығы тұрақты кезде кристалдың диаметрі кемиді және, керісінше, балқыманың температурасы төмендегенде артады. Балқыманың тұрақты температурасында тарту жылдамдығын артты­руда өсіп келе жатқан кристалдың диаметрін кемітеді. Әншейінде, германий мен кремнийдің монокристалдары үшін тарту жылдамдығы 1–2 мм/мин құрайды.

Балқымадағы қоспаның мөлшерін және оны қыздыру температурасын теңестіру үшін тигельді бір жаққа, кристалды екінші жаққа қарай айналдыру қолданылады. Көлденең аймақтық балқытумен монокристалды (атап айтқанда, германийдің) алу кезінде қайықшаны (графиттен немесе кварцтен жасалған) тазартылған материалмен толтырады және қайықша басына түрпені орналастырады. Содан соң құймакесектің бастапқы бөлігін, сонымен қатар түрпеніңде бір бөлігін балқытады және аймақты құймакесек бойлығымен жылжытады (мину­тына миллиметрдің бірнеше ондаған үлестеріндегі жылдамдықпен). Балқыған аймақ­тың жақ­сы араласуы мақсатында индукциялық қыздыруды қолданған тиімді.

Монокристалдарды тік (тигельсіз) аймақтық балқытумен алу кезінде тазартылған материалдан тұратын стер­женьді ұштарынан төменгі және жоғарғы ұстағыштарға бекітеді, балқыған аймақты стержень бойымен төменнен жоғары қарай өте төменгі жылдамдықпен жылжытады. Аймақты төменнен жоғары жылжыту, бастапқы материалдан қалған газ тәріз­дес қоспалардың аласталуын жеңілдетеді. Мысалы, кремнийді тигель материалымен ластан­бауы үшін тигельсіз аймақтық балқытумен тазартады. Ол үшін кремний шыбығын балқыту камерасы ішіндегі арнайы тетікке екі ұшынан тік күйде бекітеді. Қысқа аймақтарды жоғары жиілікті индукциялық қыздыру көмегімен балқытады, индуктор орамаларын балқыту каме­расын шектейтін, квац құбыршаның сыртқы жағынанкремний шыбығына қатысты шоғыр­ландыра орналастырады. Сонымен, монокристалды өсіру материалдың қосымша та­зар­ты­луын жүргізуге мүмкіндік береді. Электронды сәулелі қыздырумен жүргізілетін тигельсіз ай­мақ­тық балқытуменен молибденнің үлкен монокристалдарын өсіреді, оның ұзын­дығы 0,5 м-ден асады. Олар өте жоғары дәрежелі тазалықта болады: енгізу қоспаларының жал­пы мөлшері миллионға 40 бөліктей аз. Мұндай мо­но­крис­талдар қалыңдығы 0,25 мм бо­латындай табақтарға жеңіл илемделеді.

Сулы ерітінділерден металдардың немесе олардың қосылыстарының бөлінуі