区域熔炼技术说课讲解.ppt

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1、区域熔炼技术简介区域熔炼法，又称区域提纯。是一种提纯金属、半导体、有机化合物的方法。将材料制成细棒，用高频感应加热，使一小段固体熔融成液态。熔融区慢慢从放置材料的一端向另一端移动。在熔融区的末端，固体重结晶，而含杂质部分因比纯质的熔点略低，较难凝固，便富集于前端。此法可生产纯度达99.999%的材料，且一次达不到要求，可以重复操作。此法设备与操作简单，且可自动化。当今科学技术的飞速发展，电子工业、半导体行业等尖端技术对材料的要求越来越高，尤其对所使用的基本材料的纯度要求特别高。就材料本身而言，一直认为材料的某种独特性质是取决于杂质的含

2、量，纯度越高的金属往往改变材料的性质。因此为了发现有色金属及其化合物的光、电、磁等潜在性质，也需要更高纯度的金属。高纯材料的制备分为物理精炼和化学精炼。物理精炼主要有区域熔炼法、结晶法等；化学精炼主要有电解法、真空蒸馏、离子交换法等。化学精炼提纯法由于容器与材料中杂质的污染，使得到的金属纯度受到一定的限制，只有用化学方法将金属提纯到一定纯度之后，再用物理方法如区熔提纯，才能将金属纯度提到一个新的高度。区域熔炼的第一个重要应用是W．G．Pfann纯化在晶体管所用的元素锗，经过50多年的发展，区域熔炼已经发展成为制备高纯材料的重要方法。目

3、前1／3的元素和数百种无机、有机化合物都能通过区域熔炼提纯到很高的纯度。事实上，任何晶状物质只要能稳定的熔化，并且在液体与凝固的固体之间能显示出不同的杂质浓度都可以应用区域熔炼方法进行提纯。区域熔炼技术的原理区域熔炼技术的原理区域熔炼是利用杂质在金属的凝固态和熔融态中溶解度的差别，使杂质析出或改变其分布的一种方法。当固液共存时，杂质在固相中的浓度C0和液相中的浓度CL是不相同的，两者之比称为分布系数，即K=C0／CL假设锭料的初始浓度为C0，在锭料中保持一个(或数个)熔区，并使熔区从一端缓慢移动到另一端。在熔区从左端向右端移动过程中，

4、左端慢慢凝固，而凝固出来的固相杂质浓度为CS，最左端熔区中CL=Co，如果K<1，则固态杂质浓度为CS=KCL

5、过沿锭长的杂质分布，由瑞德方程得出式中：C-固体中的杂质浓度，x-从开始端算起的距离。除最后一个熔区长度以外，这个方程在原料所有的地方都是有效的。不同分布系数的杂质经过一次区熔后锭料的各部分杂质分布可以从图3看出。区域熔炼技术的原理区域熔炼技术的原理一次区域提纯往往不能达到所要求的纯度，提纯过程需要重复多次或者用一系列的加热器，在一个锭条上产生多个熔区，让这些熔区在一次操作中先后通过锭料。经过熔区多次通过以后，区域纯化的效率将会越来越低，直至溶质的分布达到一个恒稳状态或极限分布，这就表示所能获得的最大分离。极限分布方程可由表示，其中A

6、和B都是常数式中：C0-平均杂质浓度；L-锭长；l-熔区长度。区域熔炼技术的原理总结对于K＜1的情况，此时析出的固相中杂质的含量比原来的少，同时杂质在熔化区富集。这样，当加热环均匀的移动到右端以后，杂质富集在右端。然后将加热环放到左端再重复以上过程，如此多次操作，则棒锭中的杂质就会被定向的“赶”到右端，从而使棒锭金属达到提纯的目的。区域熔炼技术的原理总结区域熔炼技术的原理总结对于k＞1的情况，杂志由固相向液相迁移。在熔区向右移动过程中，熔区左侧金属凝固，熔区内的杂质在固相中富集，由于杂质在固相内不能随熔区右移，也不能向次左侧凝固区迁移

7、，因此熔区通过棒锭一次后，相当于把棒锭最右侧L（熔区宽）长度内杂质均匀分布在左侧x-L长度内范围内。进行一次提纯后，提纯区域为最右侧L长度范围，进行两次提纯后，提纯区域为最右侧L+θ（θ＜L）长度范围，进行三次提纯后，提纯区域为最右侧2L+θ’(θ’＜L)长度范围，依次类推，因此至少被提纯S/L次才能将杂质富集于最左端。区域熔炼技术的原理总结区域熔炼的影响因素区域熔炼的实际过程面临很多问题，这个方法需要不断的熔化、凝固、分离，再熔化、再凝固、再分离等许多重复的操作。而这些的操作既要方便、高效，还应该避免锭料受到污染。区域熔炼的影响因素

8、在区域熔炼提纯中，主要有两种参数，一种是材料的参量如物质的分配系数K，分配系数对于区域熔炼是一个非常重要的参量。它的大小是与凝固速度有关，凝固速度越快，杂质就越没有充分的机会往溶液中扩散，于是就较多地停留在凝固的金属中。