На помощь физике приходит химия

Материалы высокой чистоты еще недавно изготовлялись в очень небольших количествах в научных лабораториях для исследовательских целей. В последние два-три десятилетия потребность в них резко увеличилась. Для развития новых отраслей современной техники нужны значительные количества различных веществ особой чистоты. Атомная энергетика одной из первых предъявила невиданные до тех пор требования к чистоте металлов. Ей понадобились материалы с общим содержанием примесей не более 0,03—0,04 процента. Прежде всего речь шла об уране — ядерном горючем. Элементов, обильно захватывающих тепловые нейтроны (гафний, бор, кадмий и некоторые другие), в уране не должно быть больше Ю-3—Ю-4 процента.

Не менее высокие требования предъявляются к чистоте конструкционных материалов, непосредственно не участвующих в ядерной реакции. Цирконий, используемый для

[smszamok]

изготовления внутренних деталей реактора, обладает ковкостью и механической прочностью только при весьма малом содержании примесей. В присутствии кислорода (0,7 процента) он утрачивает эти свойства, а примесь азота (0,01 процента) лишает металл его коррозионной стойкости, но и тщательно очищенный цирконий был вначале забракован для работы в реакторе на том основании, что слишком активно захватывал нейтроны. Только высокочувствительными методами анализа было доказано, что повинен в этом не сам цирконий, а его неизменный спутник в природе гафний, трудноотделимый от него из-за почти полной идентичности свойств. Цирконий реакторной чистоты не должен содержать более 0,01 процента гафния. Развитие реактивной авиации и ракетной техники потребовало целый ряд цветных и редких металлов, обладающих неизвестным до того времени комплексом свойств жаропрочностью (механической прочностью при высоких температурах), жаростойкостью (устойчивостью к окислению при высоких температурах) и пластичностью. Только благодаря глубокой очистке удалось получить пластичные, тугоплавкие и жаростойкие металлы и сплавы на их основе. Особенно вредными примесями в этом случае оказались кислород, азот, водород и углерод. Примеси других элементов (мышьяка, олова, свинца и висмута) могут присутствовать в количествах не более одного грамма на одну или десять тонн жаропрочного металла.

В материалах еще более высокой степени чистоты нуждается промышленность полупроводников. Для производства полупроводниковых приборов требуются, кроме химических элементов особой чистоты, интерметаллические соединения, сульфиды, окислы, селениды и множество других сложных соединений. И в каждом из компонентов содержание контролируемых примесей должно составлять не более Ю-6—Ю-8 процента.-

(Насколько техническое применение полупроводниковых материалов зависит от их чистоты, можно увидеть на примере германия. Открытый в 1866 году, он более полувека числился металлом, так как при той степени очистки был хорошим проводником электричества.) В производстве чистых металлов и полупроводников большую роль играют вспомогательные материалы (графит, кварц), газы (водород, аргон, гелий), вода и химические реактивы. Чтобы не внести в обрабатываемые материалы примусных частиц, все они должны обладать соответствующей степенью чистоты. Поэтому предварительной глубокой очистке необходимо подвергнуть и их. В свою очередь, эти процессы очистки могут быть осуществлены при помощи других чистых веществ. Создается цепочка производств чистых веществ, где с повышением чистоты одного материала эта же задача сразу встает перед смежными производствами. Основным рабочим элементом в современных лазерах служат как монокристаллы (искусственный рубин, фтористый барий, флюорит, двуокись титана и др.), так и жидкости и газы. Общее требование ко всем этим веществам — высокая степень чистоты. Допустимое содержание примесей лежит в пределах Ю-8—Ю-9 процента: это один атом примеси на 1—10 миллиардов атомов основного материала.

Но и это далеко не предел возможной чистоты. Очевидно, в ближайшем будущем микроэлектроника будет нуждаться в материалах, содержащих не более Ю-10 — Ю-12 процента примесей. Самое чистое вещество на нашей планете— германий чистотой 1012—10лз процента — стали получать в начале 70-х годов для приборов, регистрирующих излучения малых энергий. В столь чистом германии один атом примесей приходится на несколько триллионов атомов германия. В материалах глубокой очистки заинтересованы не только отрасли новой техники. Например, примеси в лекарствах могут ослабить их лечебную функцию, и даже стать причиной токсического действия. Примером могут служить антибиотики: они утрачивают свое лечебное действие в присутствии следов цинка.

Для получения веществ высокой чистоты разрабатываются и используются сложные многоступенчатые технологические схемы. Выбор методов очистки определяется как свойствами самого, вещества, так и требованиями к его чистоте. Методы очистки металлов делятся на три группы: электрохимические, химико-металлургические и физические, включающие в себя кристаллофизические. Электрохимические методы. В процессе электролиза водных растворов или расплавов с анодов в электролит переходят очищаемый металл и примеси. В определенном режиме процесса на катоде выделяется лишь очищаемый металл и в некоторых случаях — незначительные количества примесей. Так рафинируют бериллий, галлий, торий, тантал, цирконий, алюминий, медь и т. д.

Химико-металлургические методы, применяемые для очистки многих металлов, включают все способы, использующие химическое взаимодействие примесей или самого очищаемого металла с вводимым реагентом. Это в основном удаление примесей в виде малорастворимых соединений или с образованием летучих соединений очищаемого металла. В последнем случае говорят о транспортных химических реакциях. Они обеспечивают перенос очищаемого металла в виде газообразного соединения в другую зону аппарата, где в условиях иных температур и давлений оно разлагается с выделением металла высокой чистоты. Так очищают титан, цирконий, алюминий, кремний и т.д.

Многие физические методы рафинирования основаны на различной растворимости очищаемого вещества (например, растворимого соединения металла) и примесей в тех или иных жидкостях. Один из таких методов — жидкостная экстракция, когда растворенное вещество избирательно извлекается из одного жидкого растворителя с помощью другого, не смешивающегося с первым, в котором при этом остаются и примеси. Так получают чистые хлориды железа, кобальта, никеля, сурьмы, золота, платины, меди, германия.

Дистилляцией (или перегонкой) можно разделить раствор или расплав на его компоненты, характеризующиеся разными значениями давления паров. Кристаллофизические методы основаны на различии в составе твердой и жидкой фаз при кристаллизации металла из расплава. Примеси при этом остаются в расплаве. Так удается снизить их содержание до Ю-8—Ю-9 процента. Эти методы важны при очистке полупроводниковых материалов и прежде всего германия и кремния, а также очень многих металлов — железа, алюминия и т.д.

До недавнего времени наиболее чистыми веществами считались химические реактивы, используемые для научных исследований и при химических анализах. В таких реактивах содержание основного вещества выражали обычно в процентах, остальное были примеси. По степени чистоты различают реактивы трех квалификаций: чистые, чистые для анализа и химически чистые. С повышением требований к чистоте материалов содержание примесей стали выражать десятыми долями процента — промилле, затем— в «частях на миллион» и равновеликим ей показателем «грамм на тонну». Затем стали пользоваться числом «частей на миллиард» или «миллиграммов на тонну». Сейчас техника очистки близка к применению следующего показателя чистоты— «части на триллион».

[/smszamok]

В Советском Союзе с 1965 года введена новая классификация особо чистых веществ, выражаемая «числом девяток». Чистые вещества разделяют на три класса, и каждый из них, в свою очередь, делится на два — четыре подкласса. В таблице на цветной вкладке цифры, стоящие за буквенным обозначением класса чистоты, соответствуют числу девяток после запятой в содержании основного компонента (или количеству нулей в числе, определяющем сумму анализируемых примесей).