Зо́нная пла́вка ( зо́нная перекристаллиза́ция ) — метод очистки твёрдых веществ, основанный на различной растворимости примесей в твёрдой и жидкой фазах. Метод является разновидностью направленной кристаллизации , от которой отличается тем, что в каждый момент времени расплавленной является некоторая небольшая часть образца. Такая расплавленная зона передвигается по образцу, что приводит к перераспределению примесей. Если примесь лучше растворяется в жидкой фазе, то она постепенно накапливается в расплавленной зоне, двигаясь вместе с ней. В результате примесь скапливается в одной части исходного образца. По сравнению с направленной кристаллизацией этот метод обладает большей эффективностью. Метод был предложен Уильямом Гарднером Пфанном в 1952 году и с тех пор завоевал большую популярность. В настоящее время метод используется для очистки более 1500 веществ.

Схема устройства для зонной плавки в лодочке приведена на рисунке

Схема устройства для зонной плавки германия

1

индукционные катушки

2

расплавленные зоны

3

очищенный германий

4

сверхчистый германий

5

германий с повышенным содержанием примесей

6

графитовая лодочка

Очищаемое вещество помещают в лодочку из тугоплавкого материала. Основные требования к материалу лодочки:

• высокая температура плавления;
• материал лодочки не должен растворяться в очищаемом веществе или реагировать с ним.

Лодочку помещают в горизонтальную трубу, у которой один конец может быть запаян или через него подают инертный газ. Если он запаян, то другой конец трубы соединён с вакуумной установкой.

Один конец образца расплавляется, затем расплавленная зона начинает двигаться вдоль слитка. Длина расплавленной зоны зависит от длины слитка и составляет несколько сантиметров. Вещество плавится либо индукционными токами, либо теплопередачей в печи сопротивления. Скорость движения составляет, как правило, от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров в час. Движение может осуществляться либо за счет вытягивания лодочки через неподвижную печь, либо смещением зоны нагрева. Иногда для повышения эффективности увеличивают число проходов зоны или число зон. Распределение примеси характеризуется , который равен

${\displaystyle K={\frac {C_{S}}{C_{L}}},}$

где С _S — концентрация примеси в твёрдой фазе, С _L — концентрация примеси в жидкой фазе.

Иногда вместо коэффициента распределения K используют коэффициент разделения α, который равен

${\displaystyle \alpha ={\frac {C_{S}(1-C_{L})}{C_{L}(1-C_{S})}}}$ .

Примеси, для которых коэффициент распределения K < 1, концентрируются в расплавленной зоне и вместе с ней перемещаются к концу слитка. С другой стороны от расплавленной зоны образуются слои вещества, более чистого относительно примесей, для которых K < 1. Те примеси, для которых K > 1, наоборот, концентрируются в начале слитка. Если осуществить многократное прохождение расплавленной зоны, то примеси с K < 1 соберутся в конце слитка. Для примесей с К > 1 метод мало эффективен. Самые чистые части слитка (из середины) используются для изготовления приборов. Таким методом можно очистить германий до образцов с удельным сопротивлением порядка 70 Ом·см, в которых остаётся примерно один атом примеси на 10 ¹⁰ атомов германия.

Если расплав вступает в реакцию с материалом тигля (лодочки), или очищаемое вещество имеет высокую температуру плавления (>1500 °C), применяют бестигельную зонную плавку .

Метод обладает рядом недостатков. Основной недостаток — невозможность масштабирования, так как скорость процесса определяется скоростью диффузии примеси. Поэтому метод применяется для конечной стадии очистки при получении особо чистых веществ. Максимальные габариты лодочки — длина 50 см, толщина — 2‒3 см, длина расплавленной зоны — 5 см.

См. также

• Бестигельная зонная плавка
• Зонное выравнивание

Литература

• Харин А. Н., Катаева Н. А., Харина А. Т. Курс химии — М.: «Высшая школа», 1975. — 416 с.
• Мюллер Г. Выращивание кристаллов из расплава. Конвекция и неоднородности — М.: «Мир», 1991. — 149 с. — ISBN 5-03-002101-9
• Херрингтон Е. Зонная плавка органических веществ — М.: Мир, 1965. — 260 с.