区熔法的应用
悬浮区域熔炼法 区域熔炼法
悬浮区域熔炼法区域熔炼法区域熔炼法是一种常用的冶金炼金工艺，也是一种重要的金属提取方法。
它通过在悬浮区域内进行熔炼操作，将金属从矿石中提取出来，从而实现金属资源的有效利用。
悬浮区域熔炼法是一种将金属从矿石中提取的方法。
它的原理是利用矿石中金属矿物的物理和化学性质的差异，通过加热熔融的方式，将金属从矿石中分离出来。
在悬浮区域熔炼法中，首先需要将矿石破碎成适当的粒度，并进行预处理。
预处理的目的是去除矿石中的杂质和非金属矿物，以提高金属的纯度和回收率。
常用的预处理方法包括矿石破碎、磁选、浮选等。
在熔炼过程中，需要将经过预处理的矿石与熔剂一起放入冶炼设备中，加热至一定温度。
熔剂的选择要根据矿石中金属的性质和熔点来确定，常用的熔剂有氧化铅、氧化铜等。
熔剂的作用是将金属从矿石中分离出来，并提高金属的纯度。
在悬浮区域熔炼法中，矿石和熔剂在冶炼设备中形成一种悬浮状态，这样可以有效地将金属从矿石中分离出来。
在悬浮的过程中，金属会因为自身的密度和重力的作用而下沉，而非金属矿物则会浮在悬浮区域的表面。
通过调整熔炼的温度和时间，可以控制金属的分离和回收效果。
一般情况下，金属的熔点较高，而非金属矿物的熔点较低，因此在熔炼过程中，金属会先熔化并下沉，而非金属矿物则会保持在悬浮区域的表面。
在熔炼结束后，需要对悬浮区域进行分离和处理。
一般情况下，金属会通过重力沉降到底部，而非金属矿物则会浮在悬浮区域的表面。
通过合理的分离设备和方法，可以将金属和非金属矿物分离开来，从而实现金属的回收和利用。
悬浮区域熔炼法具有操作简便、生产效率高、资源利用率高等优点。
它可以有效地提取金属资源，并减少对自然环境的影响。
因此，悬浮区域熔炼法在冶金、矿业等领域得到了广泛应用。
悬浮区域熔炼法是一种重要的金属提取方法，通过在悬浮区域内进行熔炼操作，将金属从矿石中提取出来。
它具有操作简便、生产效率高、资源利用率高等优点，对于金属资源的回收和利用具有重要意义。
区域熔化法的原理和方法
区域熔化法的原理和方法
区域熔化法（Zone Melting）是一种用于纯化材料的方法，其原理是利用材料在固相和液相之间的分配系数差异，通过反复熔化和凝固来逐渐纯化材料。
区域熔化法的方法包括以下几个步骤：
1. 准备材料：将待纯化的材料制备成长条状或圆柱状，并确定其初始纯度和杂质分布情况。
2. 建立电炉：根据材料的熔点和熔化温度范围，搭建一个恒温电炉，保证材料能够在适当的温度下熔化。
3. 设定熔化-凝固区域：在材料的一个区域内，升高温度使其熔化，然后控制温度降低使其凝固。
这个区域被称为“熔化-凝固区域”。
4. 移动熔化-凝固界面：通过调整电炉温度梯度，使熔化-凝固界面在材料中移动。
杂质通常会集中在此界面，当界面移动时，杂质被排除在新凝固的晶体中。
5. 反复重复：重复第3步和第4步，逐渐将杂质排除到材料的一侧，从而将材料分离成纯净的部分和富含杂质的部分。
区域熔化法的关键原理是材料的分配系数，即材料在固相和液相之间的分配情况。
通常情况下，杂质在液相中的溶解度较高，而在固相中的溶解度较低。
因此，当材料从液相凝固时，杂质会被排除到凝固的固相中，从而实现纯化的目的。
区域熔化法被广泛应用于半导体材料、金属合金和无机化合物等领域，可用于提高材料纯度、改善材料的结晶质量和控制杂质分布。
区域熔炼技术
21
a
区域熔炼的影响因素
可见，熔区的长度要综合考虑来决定。在实际的区 熔中，最初可用大熔区，后几次用小熔区，这样的 提纯效果比用熔区不变的更好些。此外具有高熔点 和导热不良的材料，较之熔点接近室温而热导率良 好的材料，更易产生狭熔区。Chii-Hong Ho等得出 最优的熔区长度随分配系数的增加而增加，随区熔 次数的增加而减小。
20
a
区域熔炼的影响因素
熔区长度z对区域熔炼效果的影响也很显著。这从 两方面看，由一次通过的区熔提纯公式可以看出： 当K为恒定时，随着熔区长度l的增大，C的值将减 小，即提纯效果好。
在多次通过熔区时。由极限分布方程看出：K一定 时，l值增加一B值减小一A值增加一C(x)增加，因此， 熔区长度l值增加，杂质浓度C(x)也增加，此时的提 纯效果较差。
26
a
区域熔炼的设备
坩埚和容器材料的选择，在很大程度上由纯化材料 的熔点来决定，但是必须把热导率、多孔性和热膨 胀等性质考虑在内。如果在有关温度，纯化材料对 所有已知的坩埚和容器材料完全不相容，则可以考 虑使用悬浮区域技术。
垂直法进行的悬浮区域技术，是在无坩埚的情况下， 移动的熔区由表面张力、薄氧化层或电磁场的浮生 效应等因素所支持的一种方法。该方法最大的优点 就是避免了容器对材料的污染，而且有可能利用浮 力或重力除去不溶物。
28
a
区域熔炼技术的应用
就锌而言，目前7N锌主要是应用于制备HgCdTe红 外焦平面陈列的CdZnTe(CZT)衬底材料，CdZnTe作为 室温核辐射探测器的最适宜材料，近年来愈发受到 广泛关注，Cd ZnxTe单晶是红外光敏半导体材料， 可以制作核辐射探测仪、红外仪器、热成像仪，而 7N锌的制备只能通过区域熔炼来实现。 W．P．Allred等通过区熔和拉晶过程制备了AlSb化 合物。可见，区熔提纯在金属以及化合物方面应用 也很广泛。
区域熔炼原理
区域熔炼原理
区域熔炼是一种重要的金属材料加工方法，它通过局部加热金
属材料，使其达到熔点并在熔化状态下进行加工。
区域熔炼原理是
基于热力学和物理学的基本原理，下面将详细介绍区域熔炼的原理
及其应用。
首先，区域熔炼的原理基于热传导和热平衡的基本规律。
当金
属材料受到局部加热时，热量会向周围传导，使得局部区域的温度
升高。
当温度达到金属材料的熔点时，金属材料就会开始熔化。
在
熔化状态下，金属材料的性质发生了变化，变得更加易于加工和塑
性变形。
其次，区域熔炼的原理还涉及到热力学的基本原理。
根据热力
学第一定律，能量守恒的原理，局部加热金属材料时，所施加的热
量会被转化为金属材料内部的热能，使得其温度升高。
而根据热力
学第二定律，热量会自高温区传导到低温区，直到达到热平衡。
因此，区域熔炼的原理是基于热量传导和热平衡的基本规律来实现的。
最后，区域熔炼原理的应用非常广泛。
在金属材料加工领域，
区域熔炼被广泛应用于焊接、热处理、表面改性等工艺中。
通过局
部加热金属材料，可以实现对焊接接头的精确控制，提高焊接质量
和效率；通过局部加热金属材料，可以实现对金属材料的局部调质、淬火等热处理工艺；通过局部加热金属材料，可以实现对金属材料
表面的改性，提高其硬度、耐磨性等性能。
总之，区域熔炼原理是基于热传导、热平衡和热力学的基本原
理来实现的，它在金属材料加工领域有着重要的应用价值。
通过对
区域熔炼原理的深入理解，可以更好地指导实际工程中的加工操作，提高金属材料加工的质量和效率。
区熔法生长单晶
区熔法生长单晶区熔法生长单晶是一种常用的单晶生长方法，主要应用于半导体材料与光电器件的生产制造中。
下面对区熔法生长单晶的过程和特点进行介绍。
一、准备工作在进行区熔法生长单晶之前，需要对材料进行加工和精细处理。
通常情况下，采用高纯度材料，同时需要对原料进行化学反应或物理淀积。
材料加工完毕后，需要进行预热处理，以消除内部应力并使晶体材料达到最佳结晶状态。
二、区熔炉的搭建区熔炉是进行区熔法生长单晶不可缺少的设备，通常由两个石英坩埚组成，内部放置材料。
其中一个坩埚内加热电流，达到融化材料的目的，另一个坩埚则保持常温，起到控制融化区域的作用。
此外，区熔炉内置有温度计和电子控制器，用于确保温度稳定并控制材料的融化过程。
三、区熔法生长单晶的过程1. 慢速降温: 将石英坩埚内的材料加热至高温状态，然后慢慢降温，达到凝固晶体熔体的状态。
这时可以看到石英坩埚中部的熔体区域，其形态呈现出“臭皮囊”状。
2. 发生反应: 当熔体区域达到臭皮囊状时，需要注入气体以促进组分反应。
在坩埚中注入氧气，并使用抽真空的方法，将熔体区域和固体材料区域之间形成巨大的温度梯度，促使进行物种转移的发生反应。
同时通过恒定的气流混合，确保反应的可靠性和稳定性。
3. 单晶生长: 当反应条件得到满足后，即可开始进行单晶生长，此时将上一个坩埚中的熔体区域向下移动，使其覆盖到下一个坩埚中的固体材料上面，并保持温度恒定，促进单晶的纯度和长大。
如此重复进行，在相应的时间内制作出所需要的单晶。
四、区熔法生长单晶的特点1. 单晶品质高：区熔法生长单晶方法可以获得高品质的单晶体，具有优良的物理性质和化学性质，具有良好的应用前景。
2. 适用范围广：区熔法生长单晶方法不仅适用于半导体行业，也适用于其他光学及电子器件的制造。
3. 技术难度高：区熔法生长单晶方法对于设备与技术要求较高，工艺难度大。
总之，区熔法生长单晶是一种先进的单晶生长方法，具有广泛的应用前景。
但是，随着技术的不断提高，还有很多问题需要解决，例如获得高质量的单晶和提高单晶的产量等。
FZ法
1.区熔法（FZ）法
区域熔化是对锭条的一部份进行熔化，熔化的部分称为熔区，当熔区从头到尾移动一次后，杂质随熔区移到尾部。
利用这种方法可以进行多次提纯，一次一次移动熔区以达到最好的提纯效果，但由于液固相转变温度高，能耗大，多次区熔提纯成本高。
区熔法有水平区熔和悬浮区熔，前者主要用于锗提纯及生长锗单晶，硅单晶的生长则主要采用悬浮区熔法，生长过程中不使用坩埚，熔区悬浮于多晶硅棒和下方生长出的单晶之间。
由于悬浮区熔时，熔区呈悬浮状态，不与任何物质接触，因而不会被沾污。
此外，由于硅中杂质的分凝效应和蒸发效应，可获得高纯单晶硅。
目前航天领域用的太阳电池所用硅片主要用这种方式生长。
2.区熔法生产单晶示意图。
区融法和直拉法
区融法和直拉法一、区融法的概念和原理1.1 什么是区融法区融法（Zone Melting）是一种用于纯化材料的方法，也被称为悬移晶体生长法。
它通过在材料中形成可移动的熔区，将杂质分离出去，从而提高材料的纯度和晶体质量。
1.2 区融法的原理区融法的原理基于材料的熔点和溶解度的差异。
通过加热材料，使其部分熔化形成熔区，然后将熔区移动，从而将杂质分离出去。
在熔区移动的过程中，杂质会被推向熔区的边缘，从而提高了材料的纯度。
二、区融法的应用2.1 区融法在半导体制备中的应用区融法在半导体制备中起着重要作用。
通过区融法可以提高半导体材料的纯度，减少杂质的含量，从而提高半导体器件的性能。
例如，区融法可以用于制备高纯度的硅材料，用于制造高性能的集成电路。
2.2 区融法在金属制备中的应用区融法也可以用于金属的制备。
通过区融法可以提高金属的纯度，并且可以控制金属的组分分布。
例如，区融法可以用于制备高纯度的铜材料，用于制造高性能的导线。
三、直拉法的概念和原理3.1 什么是直拉法直拉法（Czochralski method）是一种用于生长单晶的方法。
它通过在熔融的材料中插入晶体种子，然后缓慢提拉晶体种子，使材料凝固形成单晶。
直拉法是一种常用的单晶生长方法，广泛应用于半导体和光电子领域。
3.2 直拉法的原理直拉法的原理基于材料的熔点和晶体的生长方向。
通过在熔融材料中引入晶体种子，然后缓慢提拉晶体种子，使材料凝固形成单晶。
在提拉的过程中，晶体的生长方向会沿着提拉的方向延伸，从而形成单晶。
四、直拉法的应用4.1 直拉法在半导体制备中的应用直拉法在半导体制备中起着重要作用。
通过直拉法可以制备高质量的半导体单晶材料，用于制造高性能的半导体器件。
例如，直拉法可以用于生长硅单晶，用于制造晶体管、太阳能电池等。
4.2 直拉法在光电子制备中的应用直拉法也可以用于光电子材料的制备。
通过直拉法可以制备高质量的光电子单晶材料，用于制造高性能的光电子器件。
区域熔炼的原理及应用
区域熔炼的原理及应用1. 概述区域熔炼（Zone Melting）是一种重要的材料制备方法，通过局部加热和液相迁移来改变材料的组成和纯度。
该方法可以去除杂质，提高材料的纯度和均匀性，广泛应用于半导体、光学材料、合金等领域。
本文将介绍区域熔炼的原理及其应用。
2. 区域熔炼的原理区域熔炼原理基于物质的分配系数，利用熔点差异来实现物质的分离与纯化。
当两种具有不同熔点的材料组成固溶体时，通过加热和控制温度梯度，使得一个区域处于液相，而其他区域保持固相。
在温度梯度的作用下，液体区域发生移动，带走杂质，并在材料中留下高纯度区域。
3. 区域熔炼的步骤区域熔炼通常包括以下步骤：3.1 制备材料首先，需要将原始材料制备成合适的形状和尺寸。
例如，在半导体领域中，通常使用柱状单晶作为原始材料。
3.2 设定温度梯度通过设定合适的加热温度和控制温度梯度，可以实现材料中液相的形成和移动。
温度梯度的控制对区域熔炼的成功非常重要。
3.3 加热材料在设定好的温度梯度下，需要对材料进行加热。
加热的目的是使材料中的某一区域达到熔点，形成液相区域。
3.4 液相的移动一旦出现液相，液体区域会受到温度梯度的作用逐渐移动。
在移动的过程中，液体会带走杂质并留下高纯度区域。
3.5 冷却与凝固移动的液体区域最终会到达材料的一端，然后在冷却的过程中逐渐凝固。
凝固后的区域将呈现高纯度特性。
4. 区域熔炼的应用区域熔炼具有广泛的应用前景，以下是一些常见的应用领域：4.1 半导体材料区域熔炼可以用于制备高纯度的半导体材料，提高材料的电性能和稳定性。
例如，在硅晶体的生长过程中，通过区域熔炼可以去除杂质，提高硅晶体的纯度。
4.2 光学材料在光学材料的制备过程中，区域熔炼可以用来去除色心、杂质等有害物质，提高材料的透明度和光学性能。
4.3 金属合金通过区域熔炼可以调控金属合金的组成和均匀度。
对于高品质合金的制备，采用区域熔炼可以提高合金材料的性能和稳定性。
4.4 半导体器件制备在半导体器件制备过程中，区域熔炼可用于生成具有特定杂质浓度的区域。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
区熔理论在材料提纯中的应用和实现
摘要：区熔法是一种利用局部区域熔化后，通过熔区的运动进行提纯的方法。
他是一种制备高纯单晶的方法，广泛应用于硅锗等单晶的制备。
区熔法主要可分为水平区熔法和悬浮区熔法两种，两种方法生产工艺不同，适用范围也不同
物质的固相和液相在密度差的驱动下，均会发生运动，因而可通过区域熔炼控制或者重新分配存在于原料纸的可溶性杂质。
同时区熔法可有效消除分凝效应，也可将所期望的杂质均匀掺入晶体中，并在一定程度上控制盒消除位错、包裹体等结构缺陷。
区熔法是利用热能在半导体棒料的一端产生一熔区，再熔接单晶耔晶。
调节温度使熔区缓慢地向棒的另一端移动，通过棒料整根棒料，生长成一根单晶，晶向与耔晶晶向相同。
区熔法适宜生长那些在熔点温度时具有非常强的溶解能力的材料，可生长熔点极高或活性较强的材料，如MgO单晶，碳化物单晶和难熔金属单晶。
按其适用范围的不同，区熔法主要分为两种，即水平区熔法和悬浮区熔法。
前者主要用于锗、GaAs等材料的提纯和单晶生长。
后者主要用于制备单晶硅，这是由于硅熔体的温度高，化学性能活泼，容易受到异物的拈污，难以找到适合的舟皿。
水平区熔提纯是只把材料锭的一小部分熔化形成熔区，并使熔区从锭条的一端移到另一端。
因为每次熔化的仅是锭条的一小部分，例如，对K<1的杂质，当熔区第二次在锭首时，由于杂质浓度较高的尾部没被熔化，所以小熔区中的杂质浓度一定比原来锭的杂质浓度要小，熔区移动后，新凝固的固相杂质浓度要比第一次小。
这样当熔区一次次通过锭条时，材料就能逐渐被提纯。
当某些半导体器件或某些特殊器件对材料的纯度要求很高时，则应进行多次区熔提纯，使中间部分纯度达到要求的程度。
区熔提纯受到熔区长度、熔区移动速度、区熔次数以及质量运输等诸多因素影响。
其中，在一次区熔时，熔区长度越长，区熔效果越好，多次区熔时则刚好相反。
熔区移动速度越慢，区熔时间越久，区熔效果越好，但生产率不高，因而必须选取一个合适的熔区移动速度。
区熔一定次数后，锭中杂质的浓度已经达到极限分布，再区熔也没多少效果，因而可以按照经验选择区熔次数，一般以20次左右为宜。
区熔时物质会从一端缓慢移动到另一端，这会使水平区熔的材料锭纵向截面变成锥形，甚至引起材料外溢，造成浪费。
因此，为了避免浪费产生，水平区熔时，可以将锭料容器倾斜成一个角度，用重力来改变其运动方向。
锗锭放在一个清洁处理的高纯石墨舟中，舟放入石英管中，区熔时石英管内要填充氢气或其它惰性气体保护或者抽真空，防止锗在高温时被氧化。
熔区可用高频高频感应线圈或电阻加热炉产生。
熔区移动可用移动石墨舟或加热线圈来完成。
多熔区加热法可以提高加热效率，这时锭条同时经过几个加热器，则一个行程，对锭上任何一点都做n次区熔提纯，效率提高n倍。
作为拉制单晶锗的原料必须是纯度很高的锗，所以必须进行多次区熔提纯。
而只有进行多次区熔提纯过程，才能显示区熔提纯的优越性。
因为它不必重复出炉、切去锭的首尾端、腐蚀处理、再装炉提纯。
区熔提纯方法不仅克服了用正常凝固法进行多次提纯时的困难，同时用多个间隔一定距离的熔区同时通过锗锭，还可以节约时间，提高设备的生产能力。
依据双环形加热器的区熔提纯设备的特点，当环形加热器或者石英管从锗锭的一端移动到锗锭的另一端，整个锗锭在全过程中就被提纯了两次。
区熔法制备硅单晶时主要用无坩埚悬浮区熔法。
该方法是在气氛会真空的炉室中，利用高频线圈在单晶耔晶和其上方悬挂的多晶硅棒的接触处产生熔区，然后使熔区向上移动进行生长。
该方法中，柱状的高纯多晶硅材料固定于卡盘，一个金属线圈沿多晶长度方向缓慢移动并通过柱状多晶，在金属线圈中通过高功率的射频电流，射频功率技法的电磁场将在多晶柱中引起涡流，产生焦耳热，通过调整线圈功率，可以使多晶柱紧邻线圈的部分熔化，线圈移过后，熔料再结晶为单晶。
另一种使晶柱局部熔化的方法是使用聚焦电子束。
整个区熔生长
装置可置于真空系统中，或者有保护气氛的封闭腔室中。
区熔主要设备为区熔单晶炉，其主要结构包括：双层水冷炉室、长方形钢化玻璃观察窗、抽真空接口、上轴、下轴、高频加热圈等。
除炉室外，还有供电、供水或抽真空系统与高频感应发生器等。
由于该装置制取硅的操作完全在竖直方向，因而硅熔体只能完全依靠其表面张力和高频电磁力的支撑，才能悬浮于多晶棒与单晶之间。
区熔法制备单晶硅的主要工艺为：<1>将硅棒熔成半球；<2>下压硅棒熔接耔晶；<3>缩颈：耔晶硅棒同步下行轻拉上轴使熔区呈漏斗状；<4>放肩：耔晶硅棒同步下行但上轴拉伸次数减少造成饱满而不崩塌的熔区；<5>收肩合棱：熔区饱满稍下压上轴；
<6>等径生长：硅棒晶体同步运行通过适当拉压上轴来控制晶体直径；<7>收尾：轻拉上轴使熔区逐步拉断形成尖形；<8>区熔鼓棱单晶外形。
由于该方法中样品的熔化是完全由固体部分支撑，不需要坩埚，从而有效避免了外来物的污染。
悬浮区熔法可以进行多次提纯，因而制成的单晶纯度高，可用于制作电力电子器件、光敏二极管、射线探测器、红外探测器等。
利用中子嬗变掺杂可以克服由区熔法制取的单晶会有高的电阻率不均匀的缺陷，使其突破高电阻率不均匀所带来的对大功率整流器和晶闸管的反向电压的限制，从而使电子器件的制造研究得到迅速发展。
同时，由于自然资源的枯竭，人们对太阳能的利用越发关注。
而区熔单晶硅作为太阳能电池的主要原料也在日益受到关注。
以区熔单晶硅制造的太阳能电池的光电转化率已经超过以直拉单晶硅和多晶硅为主要原料的太阳能电池。
同时，随着信息时代的快速发展，区熔单晶硅在通讯领域被大量用来制造射频集成电路、微波集成电路和光电探测器等高端微电子器件，极大地促进了这一领域的发展。
区熔法可用于制备单晶和提纯材料，可得到均匀的杂质分布。
因而它可以广泛应用于生产纯度很高的半导体、金属、合金、无机和有机化合物晶体。
在信息时代对原料的要求原来越高的背景下，区熔法必将发挥更大的作用。
参考文献：1杨树人，半导体材料，科学出版社，2004；
2何桂凤，区熔锗的提纯，上海有色金属，1983
3张玉龙，人工晶体，化学工业出版社，2005。