Вещества высокой чистоты

Popular Science \ 02.09.2017 \ #Ch-I-Cr1

Вещества высокой чистоты.

Быстро развивающаяся современная техника требует разнообразных материалов с заданными свойствами. Качество таких материалов во многих случаях определяется чистотой используемых при их производстве исходных веществ, т. е. наличием в последних примесей.

Вопросу чистоты веществ в свое время большое внимание уделяли алхимики, подготавливая материалы для реакций с высоким уровнем чистоты. Чистота влияет на качество проведения химических реакций – будь-то растворы или же кристаллы твердых веществ. указывал на необходимость проведения научных исследований только с чистыми веществами. И уже в начале XIX в., когда в химии установилось понятие об индивидуальном веществе как химическом соединении постоянного состава, стало совершенно очевидным, что многие свойства вещества определяются степенью их чистоты.

Первые проводившиеся исследования требовали очистки веществ не от каких-либо отдельных примесей, а от примесей вообще, ибо физико-химические свойства веществ от природы примесей практически не зависят вследствие слабой зависимости от природы веществ сил межмолекулярного взаимодействия, определяющих эти свойства.

В настоящее время тенденция к повышению чистоты веществ обусловлена возрастающими потребностями науки и техники в чистых материалах. Особенно резко возросли требования к чистоте ряда веществ в 40-50-е годы в связи с бурным развитием атомной энергетики и полупроводниковой техники. Оказалось, что ядерные и электрофизические свойства веществ более «чувствительны» к чистоте, чем физико-химические, и, главное, чрезвычайно сильно зависят от природы примеси: зависимость указанных свойств от примесей, называемых лимитируемыми*, может быть неизмеримо более высокой, чем от других.

Получил распространение термин «элементы особой чистоты» именно в это время. Так стали называть простые вещества, подвергнутые очистке до такого остаточного содержания лимитируемых примесей, когда начинали проявляться те или иные специфические свойства этих веществ.

Наряду с производством простых особо чистых веществ появилось и производство сложных веществ особой чистоты. Это полупроводниковые соединения, диэлектрики, реактивы и т. д. Допустимое содержание примесей в веществах особой чистоты может изменяться в широких пределах. Это зависит от области применения вещества, от сложности технологии его получения и трудности анализа.

Содержание ряда примесей в полупроводниковых кремнии и германии не должно превышать 10-9 – 10-10 %. В то же время даже в наиболее чистых образцах этих веществ содержание примесей углерода, кислорода и азота может достигать 10-5 – 10-6 %. Это объясняется тем, что очистка кремния и германия от углерода, кислорода и азота и определение последних представляют собой наиболее трудную задачу, а главное – в основном не эти примеси лимитируют полупроводниковые свойства указанных веществ.

Вещества особой чистоты играют исключительно важную роль во многих областях новой и новейшей техники, развитие которых определяют темпы и уровень научно-технического прогресса, в данном случае для создания принципиально новых приборов или технологических процессов, которые были бы невозможны при недостаточной степени чистоты этого вещества по лимитирующим примесям. Проблема веществ особой чистоты становится проблемой материаловедения практически любой отрасли промышленности.

Особо чистые материалы со строго выдержанным количественным и качественным составом примесей нужны в значительных количествах в радиоэлектронной и атомной промышленности, волоконной оптике. Допустимый уровень концентрации лимитируемых примесей во многих веществах особой чистоты оценивается в настоящее время величиной 10-6 – 10-8 %, если при этом суммарное содержание примесей в таких веществах не превышает 10-3 – 10-4 %, то для их обозначения, по-видимому, более целесообразно использовать термин «высокочистые вещества». Это позволяет рассматривать задачу получения веществ особой чистоты как один из этапов более общей проблемы получения веществ высокой чистоты в целом.

Вещества высокой чистоты имеют непреходящее самостоятельное значение в сугубо научном плане. Повышение степени чистоты часто приводило к открытию новых свойств вещества и новых явлений, т. е. к повышению уровня знаний о веществе как форме существования материи.

Имеющиеся в нашем распоряжении материалы высокой чистоты пока представляют собой лишь слабое приближение к «абсолютно-чистому веществу», поскольку суммарное число примесных атомов или молекул всего на пять-шесть порядков меньше числа частиц основного вещества.

Вместе с тем высокочистое вещество можно рассматривать как вещество в экстремальных условиях, ибо состав – такой же фундаментальный параметр состояния вещества, как температура и давление. Подобный подход поддерживает наш оптимизм в отношении обнаружения новых свойств при повышении степени чистоты веществ.

*лимитируемые – держащиеся на постоянном, вычисляемом уровне, не переходящие за него.

, , Глубокая очистка веществ, Изд. 2, «Высшая школа». 1990. С. 4-6.