» » Методы получения металлов высокой чистоты
01.06.2015

За последнее десятилетие металлы высокой чистоты приобретают все большее значение в технике.
Атомная энергетика применяет металлы (уран, торий, бериллий и др.) очень высокой чистоты по примесям элементов, обладающих большим сечением захвата нейтронов; например, примесь бора в металлическом уране не должна превышать 1*10в-5—1*10в-6% т. е. 0,1—0,01 г бора в тонне урана.
Металлы, применяемые в полупроводниковой технике, по ряду примесей требуют еще большей степени чистоты. Содержание меди и никеля в монокристаллическом германии, идущем на производство приборов, должно быть не более 1*10в-7%, т. е. не должно превышать 1 мг на тонну.
В результате повышенных требований в послевоенные годы возникла новая по степени чистоты группа металлов — металлы особо высокой чистоты, называемые чаще ультрачистыми или сверхчистыми.
В настоящее время чистые металлы разделяются на три группы: технически чистые, химически (и спектрально) чистые и особо чистые, в технически чистых металлах содержание основного вещества обычно не превышает 99,9%: в химически и спектрально чистых оно, как правило, не ниже 99,99% и в особо чистых — не ниже 99,999%.
Классификация эта не свободна от элементов условности. Во-первых, содержание основного вещества для большей части металлов определяют вычитанием суммы определяемых примесей из 100%. Следовательно, эта величина тем ближе к действительной, чем выше достигнутая чувствительность и точность методов анализа примесей и чем большее количество их определено в чистом металле. Поскольку обычно определяют не все возможные примеси, а только наиболее вредные, то вычисленное таким образом содержание основного металла всегда несколько выше действительного. Во-вторых, в эту упрощенную техническую классификацию часто не укладываются металлы, чистые и даже сверхчистые по отдельной примеси или по группе примесей. Так, например, металлическая сурьма марки Су0, содержащая менее 1*10в-4% золота и благородных металлов, является высоко чистой по этим примесям, но по сумме других примесей не подходит даже под раздел технически чистого металла. Металлический уран, сверхчистый по примесям редких земель, бора, лития и кадмия, по сумме примесей, не вредных для атомной энергетики, иногда едва подходит под категорию технически чистого металла. Очевидно, что в таких случаях можно говорить о металле сверхвысокой чистоты только по группе определенных примесей, а не по содержанию основного вещества.
В то же время в металлах, применяемых в полупроводниковой технике, часто ограничивают не только содержание вредных примесей, но и общее содержание всех примесей; в этих случаях содержание основного металла составляет иногда по терминологии металлургов шесть, семь и даже восемь девяток и такие металлы могут быть отнесены к группе особо чистых.
Уместно отметить, что самые чистые металлы довоенного времени только в виде редкого исключения достигали содержания основного вещества пять девяток (99,999%), содержание основного вещества в большинстве химически чистых металлов не превышало трех девяток (99,9%). Разработка технологических методов получения некоторых металлов чистотой шесть и больше девяток является большим успехом металлургии послевоенных лет.
В связи со сравнительной новизной и быстрым развитием производства металлов высокой и особо высокой чистоты в технической литературе нет еще единого общепринятого способа обозначения степени чистоты металлов. Металлурги и химики обычно дают содержание примеси в весовых процентах. Нередко выражают содержание примесей в граммах на тонну или в частях примеси на миллион частей металла высокой чистоты. Несколько реже применяют атомные проценты.
Наряду с этим физики обозначают чистоту полупроводниковых материалов (например, ультрачистого германия) количеством атомов примесей, содержащихся в одном кубическом сантиметре вещества. Последняя размерность удобна для физиков и радиотехников, поскольку содержание примесей в полупроводниковых металлах очень мало и контролируется главным образом измерением плотности носителей тока. Хотя источниками носителей тока в области рабочих температур могут быть не только примеси, но также собственные электроны полупроводника и дефекты решетки, можно с некоторыми приближениями считать, что для материалов с проводимостью, значительно отличающейся от собственной, плотность носителей тока определяется количеством ионизованных атомов примеси, растворенных в полупроводниковом материале. Если один атом примеси дает в зону проводимости один электрон или одну дырку, что имеет место, например, для элементов V и III групп периодической системы, растворенных в германии (или кремнии), то плотность носителей тока будет соответствовать числу атомов этого элемента в 1 см3 германия. Ультрачистый германий, содержащий один атом примеси на сто миллионов атомов германия, т. е. 0,01 г/г, или 1*10в-6%, с точки зрения физиков является еще довольно грязным металлом, содержащим в 1 см3 4,46*10в14 атомов примеси, являющихся носителями тока и значительно снижающих его сопротивление.