中國(guó)粉體網(wǎng)訊  雜質(zhì)元素對(duì)高純石英產(chǎn)品的質(zhì)量影響很大,，堿金屬、過(guò)渡金屬,、Al及B等元素含量是高純石英原料的關(guān)鍵指標(biāo),。雜質(zhì)元素的含量要求根據(jù)制備的石英玻璃用途不同而不同，但總的趨勢(shì)是越低越好,。

光伏用高純石英砂各雜質(zhì)元素含量要求（單位：微克每克）

堿金屬元素

石英砂中的堿金屬元素主要包括鋰(Li),、鈉(Na)、鉀(K)元素,。這些元素在石英中易擴(kuò)散,，化學(xué)性活潑，比較容易去除，但是它們危害很大,，這些元素在高溫下起著助熔劑的作用,，使高溫玻璃出現(xiàn)失透，高溫變形等不良現(xiàn)象,，對(duì)析晶起著催化作用,，影響石英制品的熱穩(wěn)定性，還會(huì)影響石英玻璃的光學(xué)特性與熱學(xué)特性,，降低半導(dǎo)體壽命,，石英玻璃的介電系數(shù)和介電損失都會(huì)增大，而石英制品光的傳播速度和機(jī)械強(qiáng)度又都會(huì)降低,。

降低堿金屬元素的含量有利于提高高純石英坩堝的軟化點(diǎn),，增強(qiáng)石英坩堝的抗變形性，提高單晶的成品率,。IOTA標(biāo)準(zhǔn)砂要求堿金屬元素總和2.4×10^-6,，用于工藝管、硅片處理,、石英塊,、提單晶硅用的半導(dǎo)體坩堝所需高純石英要求其總和1.4×10^-6，CZ型坩堝要求其總和0.5×10^-6,，而用于12英寸或更大尺寸硅片所需超高純石英砂要求其總和0.08×10^-6,。

過(guò)渡金屬元素

石英砂中摻雜的過(guò)渡金屬元素主要有鐵(Fe)、鋅(Zn),、銅(Cu),、鉻(Cr)、錳(Mn),、鎳(Ni)等元素,，這些元素對(duì)石英制品的影響很大，微量的元素溶入硅熔體就能阻止導(dǎo)電性,，對(duì)儀器的預(yù)見(jiàn)性和可靠性都起著負(fù)面作用,，對(duì)石英制品客觀的影響就是產(chǎn)生色斑，或者引起高溫變色,，降低光透過(guò)率,。

在光纖應(yīng)用中，會(huì)引起微觀不均勻,、增加光纖損耗,，甚至導(dǎo)致信號(hào)失真，但在半導(dǎo)體應(yīng)用中,，產(chǎn)品中微小含量的過(guò)渡金屬元素可以促進(jìn)結(jié)晶生長(zhǎng),。

硼鋁元素

硼元素(B)在石英砂中的含量與石英礦的地質(zhì)有直接的關(guān)系,，B離子可以進(jìn)入硅酸鹽分子的骨架，產(chǎn)生很強(qiáng)的化學(xué)鍵,，而不是僅在含硼礦物中,。B元素的超標(biāo)對(duì)單晶硅的拉制有致命的影響，1x10^-6的B就可以使單晶硅的電阻大幅度降低,。高純石英坩堝對(duì)B要求高,，要求B元素含量＜0.04×10^-6。

鋁元素(Al)在石英砂中主要存在于長(zhǎng)石,、粘土及云母等雜質(zhì)礦物中,。是石英砂中含量最多的雜質(zhì)元素，Al可以進(jìn)入Si-O四面體結(jié)構(gòu)骨架中,，將硅取代,，形成Al-O結(jié)構(gòu)，Al³⁺取代Si⁴⁺后,，為了平衡電荷,，選用堿金屬元素甚至過(guò)渡金屬元素來(lái)補(bǔ)償電荷。而進(jìn)入Si-O骨架的Al將不易除去,。Al對(duì)半導(dǎo)體的影響不大,，但是對(duì)于電光源用的石英玻璃有很大影響，由于AI在一定條件下可以使石英制品有色,，對(duì)光譜通過(guò)率有影響,，進(jìn)而影響光效。IOTA標(biāo)準(zhǔn)砂要求Al元素含量(12~18)×10^-6,。

非金屬元素

石英砂中的非金屬元素主要由氧(O),、氫(H)、氮(N)等元素,。氧的主體是SiO₂,，其他則以H₂O、N₂,、O₂的形式存在,。SiO₂中的Si-O鍵斷裂會(huì)產(chǎn)生缺陷，這些缺陷會(huì)與OH或者H結(jié)合形成SiH或者SiOH基團(tuán),，羥基是一種雜質(zhì)缺陷,，同時(shí)又是一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)缺陷,。

羥基對(duì)石英及石英玻璃的性能都有很大影響,，首先，羥基的存在降低了石英的化學(xué)穩(wěn)定性,。其次,，羥基使石英結(jié)構(gòu)的疏松度增加,，密度減小，結(jié)合力下降,，聲音在石英玻璃中的傳播速度也將減小,。羥基還能降低石英的粘度，低溫時(shí)羥基的存在會(huì)使粘度降低得更明顯,。此外,，羥基還影響電子產(chǎn)品的純度，降低石英的軟化溫度,，促進(jìn)析出晶體,，降低石英的折射率，影響石英玻璃的光學(xué)均勻性,。

參考資料

張海啟等：高純石英中雜質(zhì)特征及深度化學(xué)提純技術(shù)研究進(jìn)展,，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院鄭州礦產(chǎn)綜合利用研究所

徐雯雯：高純石英粉制備工藝研究，中國(guó)海洋大學(xué)

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/平安）

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