Зонні технології

Визначення і загальна характеристика

ЗО́Н­НІ ТЕХНОЛО́ГІЇ — сукупність технологічних процесів, яка полягає в роз­плавлен­ні (на­гріван­ні) локалізованої зони твердої речовини та подальшому пере­міщен­ні її зразком у ви­значеному напрямку. Пере­міще­н­ня рідкої (твердої) зони вздовж зразка призводить до пере­кри­сталізації (рекри­сталізації) речовини і, від­повід­но, до зміни її властивостей. З. т. ґрунтуються на викори­стан­ні різноманіт. пере­творень у речовині: тверда фаза–рідина, тверда фаза–пара, тверда фаза–тверда фаза, рідина–пара. Більшість З. т. базуються на за­стосуван­ні пере­творе­н­ня тверда фаза–рідина. 1952 амер. вчений В.-Дж. Пфанн на цій основі роз­робив процес багатораз. зон­ної пере­кри­сталізації речовини, який під на­звою «зонне плавле­н­ня» отримав широке роз­по­всюдже­н­ня, насамперед як метод поділу та глибокого очище­н­ня речовини, вирощува­н­ня монокри­сталів. Сутність зон­ного плавле­н­ня полягає у створен­ні в твердій речовині вузької роз­плавленої зони та на­ступ. її повіл. пере­міщен­ні вздовж зливка. Просува­н­ня рідкої зони може бути багаторазовим. Є декілька схем процесів і тех. засобів реалізації зон­ного плавле­н­ня. За способом реалізації ви­окремлюють горизонтал. і вертикал. плавле­н­ня (див. Схеми). У багатьох випадках, напр., для тугоплав. матеріалів, вертикал. плавле­н­ня виконують без контейнера (без­тигел. зонне плавле­н­ня). Рідка рухлива зона утримується у зразку силами поверх­невого натягне­н­ня та обмежується роз­мірами. Зону здебільшого на­грівають на­грівниками опору, індукц., електрон­но-промен. і плазмовими. Іноді за­стосовують радіац. (світл.) на­гріва­н­ня, дуговий роз­ряд, остан. часом — лазерне на­гріва­н­ня. За від­сутності гермет. контейнера процес зон­ного плавле­н­ня проводять у вакуумі або інерт. середовищі. Глибоке очище­н­ня речовин здійснюють унаслідок випаровува­н­ня та пере­розподілу домішок у процесі зон­ної пере­кри­сталізації. Пере­розподіл домішок при зон­ному плавлен­ні об­умовлений тим, що у них у твердій і рідкій фазах, які знаходяться в рівновазі, різна концентрація. Мірою цієї від­мін­ності є рівноваж. коефіцієнт роз­поділу k₀, який ви­значають як від­ноше­н­ня концентрації домішок у твердій фазі C_S, що утворюється, до їх концентрації в осн. масі рідини C_L, тобто C_S / C_L = k₀. Коефіцієнт k₀ характеризує ізотерм. від­ноше­н­ня концентрацій двох фаз, числове значе­н­ня якого оцінюють за рівноваж. діа­грамою стану або роз­раховують за термодинаміч. характеристиками осн. компонента та домішок. У реал. умовах, коли швидкість пере­міще­н­ня рідкої зони є кінцевою, а масооб­мін на межі твердої та рідкої фаз є неповним, величина k₀ рідко досягає рівноваж. значе­н­ня. Тоді залежність між концентраціями домішок у твердій і рідкій фазах ви­значають ефектив. коефіцієнтом роз­поділе­н­ня k. Рівня­н­ня, яке повʼязує коефіцієнти k і k₀:

У ньому V · δ / D — без­роз­мірна величина, яку називають зведеною швидкістю зро­ста­н­ня, містить 3 осн. параметри коефіцієнта k: V — швидкість пере­міще­н­ня рідкої зони; δ — товщина дифуз. шару, який прилягає до межі роз­діле­н­ня твердої та рідкої фаз; D — коефіцієнт дифузії домішок у роз­плаві. При великих значе­н­нях V · δ / D коефіцієнт k→1, а при малих — k→k₀. Шляхом регулюва­н­ня параметрів V · δ / D, змінюючи δ або V, можна отримувати значе­н­ня k у межах k₀ ≤ k ≤ 1. Роз­поділ домішок у зливку ви­значають параметрами зон­ного плавле­н­ня та величиною k. До параметрів зон­ного плавле­н­ня належать: роз­мір зони, швидкість її пере­міще­н­ня, умови пере­мішува­н­ня роз­плаву, довжина зливка. Під­тримуючи їх не­змін­ними, можна одержувати різне роз­поділе­н­ня домішок по зразку залежно від кількості проходжень зони.Різкий пере­пад концентрацій домішок у фронті кри­сталізації сприяє виникнен­ню т. зв. концентрац. пере­охолодже­н­ня роз­плаву, що, крім зниже­н­ня ефекту очище­н­ня при під­вищених швидкостях кри­сталізації, призводить до викривле­н­ня фронту кри­сталізації, утворе­н­ня комірчастої структури, дендрит. механізму зро­ста­н­ня, мех. зачепле­н­ня домішок і неоднорідності їх роз­поділу. За­звичай швидкість пере­міще­н­ня рідкої зони становить від декількох часток мм до декількох мм за хв. Для зменше­н­ня різкого пере­паду концентрації домішок у дифуз. шарі та збільше­н­ня ефективності зон­ного плавле­н­ня здійснюють примус. пере­мішува­н­ня роз­плаву в рідкій зоні. Першочергово метод зон­ного плавле­н­ня втілено для глибокого очище­н­ня германію та кремнію (нині є найчистішими за складом, а їх монокри­стали — найдосконаліші за структурою). Надалі за допомогою цього методу здійснено очище­н­ня майже половини елементів період. системи. Зокрема, при без­тигел. зон­ному плавлен­ні у вакуумі з за­стосува­н­ням електрон­но-променевого на­гріва­н­ня вперше отримано у ви­гляді високочистих монокри­сталів майже всі тугоплавкі метали (W, Mo, Nb, Ta, V, Zr, Hf, Re, Ru, Os та ін.) і різноманітні їх сплави, що до­зволило роз­ширити сфери їх викори­ста­н­ня. Зон­ним плавле­н­ням виконують й глибоке очище­н­ня рідкісноземел. металів (Ce, La, Pr, Nd та ін.). Нині очищено понад 1500 різних речовин. У такий спосіб отримують низку напів­провід­ник. зʼ­єд­нань, зокрема по­двій. і потрійних на основі In, Zn, Cd, Te, Ga, Sb тощо. Зонне плавле­н­ня з градієнтом температури має унікал. можливості легува­н­ня і очище­н­ня локал. ділянок як на поверх­ні, так і всередині кри­стала. Таким чином створюють n–p- і n–p–n- пере­ходи, гетеро­структури, вирощують кри­стали деяких зʼ­єд­нань, твердих роз­чинів. З. т. за­стосовують для виготовле­н­ня зливків з рівномір. роз­поділом домішок або спеціально ввідного домішк. елемента. Для на­да­н­ня необхід. електрофіз. властивостей здійснюють легува­н­ня напів­провід­ник. матеріалів, а для забезпече­н­ня їх доброї від­творюваності — рівномірне роз­поділе­н­ня легувал. елементів на зливку. За допомогою З. т. отримують натурал. (in situ) композиції на основі евтект. систем. У процесі зон­ної кри­сталізації евтект. сплавів формується структура композита, яка складається із пластич. матриці та зміцнювальної фази (інтерметалід, карбід), роз­ташованої у матеріалі орієнтовно у ви­гляді волокон, пластинок тощо. Пере­творе­н­ня тверда фаза–пара використовують для очище­н­ня мишʼяку та подіб. легколетких елементів, низки органіч. сполук; пере­творе­н­ня тверда фаза–тверда фаза — для виготовле­н­ня матеріалів (металів) з ви­значеною структурою або властивостями. В остан­ньому випадку вздовж матеріалу пере­міщується гаряча зона з дещо нижчою т-рою, ніж та, що потрібна для плавле­н­ня. У основі твердофаз. пере­кри­сталізації — поліморфні пере­творе­н­ня або рекри­сталізац. процеси. Поліморфними є пере­важна більшість рідкісноземел. металів, титан, цирконій, гафній, транс­уран. елементи тощо. Вони мають різні фіз.-хім. властивості у різних фазових станах, що сприяє їх рафінуван­ню в твердій фазі й отриман­ню монокри­сталів. За допомогою методів З. т. у низці випадків виконують фіз.-хім. аналіз багатокомпонент. систем. Рівноваж. коефіцієнт роз­поділе­н­ня k0 від­ображає спів­від­ноше­н­ня домішк. складу твердої та рідкої фаз, які пере­бувають у рівновазі. Роз­поділе­н­ня компонентів за зразками, створеними при зон­ному плавлен­ні, взаємоповʼязане з типом від­повід. діа­грами стану, яка від­ображає взаємодію компонентів у системі. Це до­зволяє за­стосовувати методи направленої кри­сталізації для аналізу рівноваж. діа­грам стану, зокрема багатокомпонентних. За допомогою зон­ного плавле­н­ня ви­значають і коефіцієнт дифузії домішк. елемента в роз­плаві (коли вимірюва­н­ня ін. методами неможливе).

Схеми викона­н­ня зон­ного плавле­н­ня:

а) горизонтальне плавле­н­ня з одним на­грівником;

б) горизонтальне плавле­н­ня з кількома на­грівниками;

в) вертикальне плавле­н­ня.

1 — нерозплавлена частина зразка; 2 — роз­плавлена зона довжиною l;

3 — тверда частина зразка після очище­н­ня довжиною x; 4 — на­грівник;

5 — контейнер; V — напрямок руху зони.

Літ.: Пфанн В.-Дж. Зон­ная плавка / Пер. с англ. 1960; 1970; Парр Н. Зон­ная очистка и ее техника / Пер. с англ. 1963; Тихинский Г. Ф., Ковтун Г. П., Ажажа В. М. Получение сверхчистых редких метал­лов. 1986; Кри­стал­лизация из ра­сплавов: Справоч. / Пер. с нем. 1987; Девятых Г. Г., Бурханов Г. С. Высокочистые тугоплавкие и редкие метал­лы. 1993 (усі — Москва).

Г. П. Ковтун

Завантажити статтю