基本介紹
- 中文名：區域熔融法
- 外文名：zone melting technique
- 用途：從熔體精煉單晶的一種方法
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基本介紹
區域熔融法是製備高純金屬、半導體單晶（矽和鍺）、無機晶體、感光藥品（如鹵化銀）和有機試劑的一種常用方法。區域熔融原理為：在惰性氣氛下，使狹窄的熔區沿著試樣連續移動，利用雜質在固體物質（未熔部分）和熔融物質中溶解度差異將雜質分離，達到物質提純的目的。溶質在固相中的濃度與在液相中的濃度之比稱為分布係數，分布係數大小由系統熱力學性質所決定。
這種工藝的特點是任一時刻、原料棒都只有一部分或一端處於熔融的狀態，通過移動加熱線圈或移動原料棒使熔融區向另一部分或另一端推進而完成單晶生長。藉助於重熔再結晶的反覆操作，可保證晶體的成分純淨，不含氣、固包裹體，結構完美無缺陷。優質的合成變石、人造釔鋁榴石主要用這種方法製取。
過程
一般區域熔融過程是將樣品做成薄桿狀，長度0.6~3m或更長。這種桿狀物以水平或垂直的方式懸浮封閉在一個管內，用一個可加熱的窄環套在它的周圍。環的溫度保持在固體樣品的熔點之上幾攝氏度。加熱環以極慢的速率（1～3 m/h）沿著桿狀物移動。這樣沿著桿狀樣品移動，在樣品中會形成一個窄的熔融區。區域的前邊形成液體，而固體則在後面凝固出來。對易熔於液相而難熔於固相的雜質，隨著這個熔融區向前移動。較難熔於液相的雜質，則留在後面。由於雜質的存在，會降低一種物質的凝固點。當熔融區向前移動時，更多的雜質就濃集在它後面凝固的部分。操作結束時，將桿狀物後端凝固的雜質切去即可。為獲得高純度樣品，一般要經過幾次重複操作。上述提純過程叫做區域精製。如熔融區沿著桿狀物前後來回移動，則可使樣品中的組分分布更加均勻，這種過程則叫區域致勻。
區域熔融提純原理示意圖如圖：
區域熔融提純原理示意圖製取精萘
區域熔融法製取精萘主要是以工業萘為原料，於精製機內用區域熔融法進行提純，再將所得已提純的萘送蒸餾塔去精餾，進一步除去高沸點及低沸點雜質後，即得精萘產品。
區城熔融法精製萘的原理：當一個熔融液體混合物冷卻時，結晶出來的固體組成是和原來液體的組成不同，一般來說，固體組成變純。區域熔融法生產精萘就是基於這種原理。
當A、B兩組分能生成任意組成的固體溶液時，其相圖如圖所示：
能生成任意組成固體溶液系統的相圖由圖可見，當組成為I的液體混合物冷卻時，結晶析出的固相組成變為J，即固體中含有的A組分比原來液體中所含的要多，但仍含有B組分；當將J組成的固體升溫液化再冷卻時，此時結晶析出的固體組成變為K，即固體中含有的A組分比原來液體中所含的更多了，即更純了。
此法製取精萘具有如下特點：
1、此法為連續生產，產品質量高而穩定。
2、精萘收率低，僅為原料的20%～30%，大量晶析萘油要返回作為工業萘生產的原料。故製取精萘的同時，還要求設有生產工業萘裝置，增加了基建投資和操作費用。
3、操作條件要求較嚴格。
相關擴展
區域熔融法也可用於有機化合物，如蒽、苯甲酸、嗎啡的提純。由於有機化合物與金屬及無機物的物理性質有許多不同，因此操作上也有些差異。例如，有機化合物的熔點一般較低，有機物的液態易於過冷，結晶速度慢，表面張力較小等等，使有機物較難形成一個明顯的狹小微熔區，因而在操作上往往需要特別注意。對於氣相易於分解或蒸氣壓不宜用精餾法提純的有機化合物，利用區域熔融法提純就具有其特殊優越性。
區域熔融法除用於提純外，也可用於單晶製備，其裝置與上圖類似。在原料的頂端有一籽晶，當爐子加熱時，接觸到籽晶的物料熔融，隨著爐子緩慢勻速向前移動時，在籽晶處發生定向凝固，且原料錠繼續熔化、定向凝固，逐漸生成單晶，原料中雜質移至錠尾。如果將待拉單晶的棒狀原料垂直安放，管外的加熱電爐上下垂直緩慢勻速移動，也可得到純淨單晶，這也稱為無坩堝區域熔融法。由於材料棒是架空的，它不與容器接觸，因此可以避免被容器污染。該方法一般適用於提純熔點高、固化速度快的材料。
