ТРЕБОВАНИЯ К ЧИСТОТЕ КРИСТАЛЛОВ И МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ИСХОДНОГО МАТЕРИАЛА
Для каких бы целей ни выращивался кристалл, всюду приходится сталкиваться с требованиями в отношении степени чистоты. Требования эти возрастают с каждым годом в связи с расширением области применения кристаллов в науке и технике.
В предыдущих главах разбиралась роль примесей в процессах зарождения и формирования кристалла, в совершенствовании его строения и сообщения ему определенных физических и химических свойств. Но и теория и практика показывают, что «истинные» свойства твердых тел нельзя изучить, не создав их в виде чистых и совершенных монокристаллов.
Так, высокая механическая прочность нитевидных монокристаллов («усов»), близкая к теоретической, обусловливается их высокой чистотой. Только чистые кристаллы, используемые в оптической аппаратуре, работающей в коротковолновой области спектра, не имеют фотохимической чувствительности. Присутствие железа в тысячных долях процента в кристаллах-фосфорах оказывает тушащее действие на люминесценцию. Чистыми должны быть кристаллы, необходимые для исследования сверхпроводимости, ядерного и электронного резонанса. Самые высокие требования предъявляются к полупроводниковым монокристаллам. Ничтожные примеси, даже в концентрации одной миллионной, оказывают заметное влияние на полупроводниковые свойства материалов.
Разработано весьма большое число методов очистки вещества.
Одни из них не сопряжены с изменением химического состояния вещества. Сюда обычно относятся процессы перегонки, возгонки (сублимация), испарения и фильтрации. К этой группе методов очистки относится и метод зонной плавки, подробно описанный ниже. Все они используются для очистки как простых веществ, так и органических и неорганических соединений.
Вторая группа охватывает методы очистки растворов. Хорошо растворимые в жидкостях твердые тела очищают путем многократного растворения с последующей кристаллизацией. Сюда относятся метод адсорбционного соосаждения из раствора, хроматографические методы, метод экстракции несмешивающимся растворителем.
Третью группу составляют некоторые «химические» методы, основанные на различной химической активности примесей.
Часто элементы или соединения, которые нельзя очистить непосредственно, переводят в какое-либо промежуточное соединение. Последнее подвергают очистке и в последующем восстанавливают до исходного элемента. Промежуточное соединение может оказаться менее тугоплавким, химически не столь активным, как исходные элементы. Очень часто в качестве промежуточных соединений используются галогениды элементов.
Перегонка и возгонка. В методах перегонки и возгонки используются разности давления паров примеси и основного вещества. Практическое осуществление их («фракционная перегонка») производится во фракционных колонках. Пары кипящей жидкости поступают в колонку, где происходит его конденсация с последующим многократным испарением. В результате вещество с наивысшим давлением пара доходит до вершины колонки, где оно конденсируется и отбирается.
Эффективность перегонной колонки высока, она может разделять жидкости с разностью температур кипения менее 1°С.
Более тугоплавкие вещества очищают путем многократной возгонки или испарения в специальном устройстве. При выборе надлежащего положения и температуры нагревателя возгоняемое или испаряемое вещество перемещается вдоль трубки. Процесс ведут в токе инертного газа при атмосферном давлении, иногда в вакууме.