_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
90
ФИЗИКА. ФИЗИКАНЫ ОҚЫТУ ӘДІСТЕМЕСІ ФИЗИКА. МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ ФИЗИКИ
УДК 621.38
М.Е. Алиева*
О ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССАХ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ФОТОНОВ С ЭЛЕКТРОНАМИ ВЕЩЕСТВА
(г.Алматы, Казахский национальный педагогический университет им.Абая, * - докторант) Аннотация. В статье для объяснения явления фотоэффекта предлагаются новые пути его теоретического анализа в курсе физики. Значительное внимание уделяется анализу волновых процессов, возникающих при взаимодействии фотонов с электронами вещества.
Охарактеризован процесс поглощения электроном фотона. Рассмотрены возможности поглощения фотона покоящимся свободным электроном фотона и поглощения фотона движущимися электроном. Показано, что покоящийся электрон не может поглощать фотон.
Проанализированы многие аспекты изложения явления фотоэффекта.
Ключевые слова: фотоэффект, уравнение Эйнштейна, фотон, закон сохранения.
Фотоэлектрическое явление (фотоэффект) относится к особым процессам природы, широко применяющимся в технике. Вместе с тем оно является одной из важнейших проблем физики при изучении природы света, доказывающей его волновые и квантовые свойства. Несмотря на это, данное явление, в курсе физики излагается как простое выбивание электронов с поверхности при попадании луча света на металл и, в лучшем случае, дополняется известными законами Столетова [1].
В учебниках, для более углубленного изучения курса физики [2,3], условие выхода электрона из металла определяется уравнением Эйнштейна:
2
2 0
h A m ;
h A
0
,где A0 – работа выхода электрона, т.е. явление фотоэффекта может происходить только в том случае, если энергия фотона будет больше работы выхода электрона. Но и здесь речь не идет о том, из какого состояния электроны могут поглощать фотоны, чтобы преодолеть потенциальный барьер поверхности.
Таким образом, на практике при изучении явления фотоэффекта для ученика остается неизвестным – квант света (фотон) поглощается свободным электроном или связанным электроном. Нам кажется, что об этом даже учителя имеют туманное представление. Поэтому, очевидно, что для выяснения данного вопроса необходим некий метод, проливающий свет на физические стороны этой проблемы. В связи с этим, для того чтобы однозначно охарактеризовать процесс поглощения электроном фотона, считаем, что их взаимодействие происходит как столкновение. С точки зрения корпускулярно-волнового дуализма такой подход не считается ошибочным. Тогда такой процесс проходит согласно законам сохранения энергии и количества движения.
Применяя эти законы, анализируем вопрос о поглощении фотона электроном в трех аспектах.
91
1. Возможность поглощения фотона покоящимся свободным электроном фотона.
В результате столкновения с фотоном покоящийся свободный электрон приходит в движение. Пусть его скорость будет ϑ1 (рис.1).
Рисунок 1 - Воздействие фотона на покоящийся электрон
В соответствии с законом сохранения энергии такое движение можно описать следующим образом:
2 2
0
c mc
m
h
. (1)
h - энергия фотона; m0 – масса покоя электрона; m – масса электрона в движении.
Выразив массу тела в движении через изменение массы покоя, уравнение (1) приводится к виду:
1
22 2 0
0
1 / c
c c m
m
h
. (2)Решая последнее уравнение, находят скорость электрона после поглощения фотона:
2 0
2 0 1
2 c m h
c m h
h c
. (3)
Это же значение скорости электрона можно определить, опираясь на закон сохранения импульса. Пусть скорость электрона в этом случае будет ϑʹ:
0 /
21 c
m c
h
.
В левой части этого уравнения hν/c – начальное количество движения (импульс) фотона, на правой – импульс электрона после поглощения фотона. Из этого уравнения определяется скорость движущегося электрона:
0 2 22 mc
h c h
. (4)
Если покоящийся электрон в результате столкновения поглощает фотон, тогда значения скоростей, определенных с помощью законов сохранения энергии и количества движения, должны быть равны между собой. Однако, сравнивания правые стороны выражений (3) и (4) не трудно убедиться, что 1. Следовательно, напрашивается вывод о том, что покоящийся электрон не может поглощать фотон.
2. Возможность поглощения фотона движущимися электроном.
Разумеется, в общем случае направления движения движущегося электрона и фотона перед столкновением могут быть разными. Но для облегчения решения рассматриваемого вопроса остановимся на случае, когда направления взаимного относительного движения электрона и фотона окажутся перпендикулярными (рисунок 2).
e
фотон электрон
ФИЗИКА. МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ ФИЗИКИ
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
92
Рисунок 2 - Столкновение фотона с движущимся электроном
Пусть скорость электрона перед столкновением ϑ2, масса 2 1
02/c
2m m
.
В результате столкновения электрон поглощает фотон, и изменится направление его движения. Электрон движется вперед под углом к направлению движения фотона. В результате, его скорость примет значение ϑ, а масса
0 22
/
1 c
m m
.
Скорость электрона после столкновения определяется на основе закона сохранения энергии из соотношения:
22 2 0
2
/
1 c
c c m
m
h
. (5)
Отсюда
2 2
4 2 0 2 2 2
2 0
c m h
c m m c m h
h c
. (6)
Теперь для вычисления этой же величины на основе закона сохранения количества движения составляется следующее уравнение, определяющее горизонтальную составляющую импульса:
cos/
1 2
0
c m c
h
. (7)
Здесь - определяемая этим уравнением величина скорости. Составляющая импульса в вертикальном направлении:
sin
/
1 2
0 2
2
c
m m . (8)
Возведя обе стороны уравнений (7) и (8) в квадрат и суммируя их почленно, находим скорость электрона после поглощения фотона:
2 2
22 2 0 2
2 2 2 2
c m c
m h
c m h
c
. (9)
И в этом случае, приравнивая правые стороны уравнений (6) и (9), убедимся, что
1 . Поскольку и в этом случае процесс столкновения фотона с движущимся свободным электроном не подчиняется законам сохранения энергии и количества
93
движения, то можно прийти к выводу, что и движущиеся свободные электроны не могут поглощать фотоны.
Фотоны, возникающие при ядерных реакциях и распаде ядер, называются гамма- квантами. Несмотря на то, что их энергия (0,1-100 МэВ) намного превосходит энергию фотонов светового луча, они не теряют свои волновые свойства. При взаимодействии с веществом эти кванты участвуют в трех процессах, как фотоэлектрический эффект, когерентное рассеяние и рождение электронно-позитронных пар [4]. В этих условиях к явлению фотоэффекта приводят кванты низкой энергии, а фотон затрачивает всю свою энергию на взаимодействие со связанным электроном. Только в случае, когда полученная электроном энергия окажется больше кго энергии связи с атомом, электрон вылетает из атома и произойдет явление фотоэффекта. Обозначив избыток энергии через W, выразим соответствующий данному случаю закон сохранения энергии следующим уравнением:
22 2 0
2 1 /c
c W m
c m
h
.
Отсюда
c
mc Wc
h m
0 2
2 2 0
/
1
.
Учитывая, что ϑ<<с, данное выражение приводится к виду:
c
mc Wc m
h
0 2 / 2 0 2
2
1 1 ,
или
W m
h 0 2 2
1
. (10)Нетрудно убедиться, что последнее выражение является уравнением Эйнштейна, описывающее условие выполнения явления фотоэффекта. С этой точки зрения можно проанализировать многие аспекты изложения явления фотоэффекта и тем самым вызвать живой интерес учащихся к физике и физическим явлениям.
Примечание: Работа подготовлена под непосредственным руководством профессора К.М. Мукашева.
1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика 11 кл. – А.: Казахстан, 2002. 240 с.
2. Физика, 11 кл. (под. ред. Пинского А.А.). – М.: Просвещение, 2002. 432 с.
3. Элементарный учебник физики. т. ІІІ. (под. ред. Ландсберга Г.С.). – М.: АОЗТ
«Шрайк». 1995. 422 с.
4. Вальтер А.К., Залюбовский И.И. Ядерная физика. – Харьков. Вища школа. 1978. 424 с.
Аңдатпа. Мақалада фотоэффект құбылысын түсіндіруге арналған оның физика курсындағы теориялық талдауының жаңа жолдары ұсынылған. Фотондардың заттың электрондарымен әсерлесуі кезінде туындайтын толқындық процестерді талдауға айтарлықтай көңіл бөлінген. Электронның фотонды жұту процесі сипатталған.
Тыныштықтағы және қозғалыстағы электрондардың фотонды жұту мүмкіндіктері қарастырылған. Тыныштықтағы электрон фотонды жұта алмайтындығы көрсетілген.
Фотоэффект құбылысын түсіндіретін көптеген аспектілер талданған.
ФИЗИКА. МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ ФИЗИКИ
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
94
Түйін сөздер: фотоэффект, Эйнштейн теңдеуі, фотон, сақталу заңы.
Abstract. In an article for an explanation of the photoelectric effect phenomenon offers new ways of its theoretical analysis in the course of physics. Considerable attention is paid to the analysis of wave processes arising from the interaction of photons with electrons substances. It described the process of absorption of a photon by an electron. The possibilities of absorption of a photon by a stationary free electron and photon absorption of a photon moving electrons. It is shown that an electron at rest can not absorb a photon. Analyzed many aspects of the presentation of the phenomenon of the photoelectric effect.
Keywords: photoelectric effect, Einstein's equation, photon, conservation law.
УДК 669.054:669.782
А.А. Амренова*, Б.К. Ахметжанов, А.М. Жилкашинова, А.В. Троеглазова ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ КРЕМНИЯ ПОСЛЕ ПЛАЗМЕННО-ДУГОВОЙ ОБРАБОТКИ
(г.Усть-Каменогорск, Восточно-Казахстанский государственный университет им. С. Аманжолова, * - магистрант)
Аннотация. Проведено комплексное исследование структурных параметров и физико- механических свойств кремния после двухстадийного процесса очистки кремния из предварительно гранулированных компонентов исходного сырья через плазменный синтез карбида кремния и вакуумно-дуговое восстановление смеси карбида и двуокиси кремния. В статье рассматривается взаимосвязь структурной составляющей основной матрицы кремния с физико-механическими характеристиками, а также электропроводящие свойства образцов после плазменно-дуговой обработки. Кроме того, апробирован метод атомно-эмиссионного анализа с индуктивно связанной плазмой для аналитического контроля примесных элементов в образцах после плазменно-дуговой обработки.
Ключевые слова: кремний солнечного качества, примеси, плазменно-дуговая технология, микротвердость, концентрация.
Введение
Темпы роста и планы развития солнечной энергетики, которые намечают промышленно развитые страны, впечатляют масштабностью. Основным сырьевым материалом при производстве фотоэлектрических преобразователей энергии (ФЭП) для солнечных батарей является кремний. По содержанию электрически активных примесей различают кремний металлургической градации (MG, содержит 98% кремния), кремний солнечной градации (SG, содержит свыше 99,99% кремния) и кремний электронной градации (EG, содержит 99,999% кремния) [1].
О важности кремния свидетельствует то, что на его долю в производстве солнечной энергии приходится более 75 %, поэтому технологии его переработки особенно значимы.
Следует отметить, что если в 2007 г. доминировали два химических процесса получения полупроводникового электронного и «солнечного» кремния – трихлорсилановый (сименс-процесс) и моносилановый (Юнион Карбайд, США), то начиная с 2012 г. было увеличение доли «солнечного» кремния, производимого металлургическими методами, исключающими использование хлорсиланов и основанными на совершенствовании метода карботермического восстановления кремния из диоксида кремния. Мировое развитие промышленной солнечной энергетики связано, по сути, только с фактором цены на солнечный кремний. Поэтому для освоения технологии массового производства
95
солнечных батарей особое внимание необходимо уделить снижению себестоимости технологического процесса с учётом требуемого качества конечной продукции.
Известно также, что к кремнию для солнечной энергетики предъявляются достаточно жесткие требования по содержанию примесей. Неоднозначное влияние различных примесей на фотоэлектрические свойства кремния создают проблему с разработкой единой спецификации к кремнию для солнечных элементов [2,3]. На сегодня ясно, что суммарное содержание примесей в кремнии для солнечных элементов должно быть на уровне < 106 (6N) и особое внимание уделяется содержанию бора и фосфора, которое должно быть не более 0.3 и 1 ppmw соответственно (ppmw – одна миллионная часть по массе) [4,5].
Поскольку для большинства примесей в кремнии характерны очень низкие значения эффективного коэффициента распределения, то при кристаллизации они оттесняются из твердой фазы растущего кристалла в жидкую зону расплава. Таким образом, кристаллизация является одновременно эффективным методом очистки кремния, но это не относится к двум наиболее важным примесям в кремнии – к фосфору (коэффициент распределения 0,35) и, в особенности, к бору (0,8).
Известно также, что производительными также являются плазменные методы получения простых веществ, например, способ производства кремния, применяемого в солнечных элементах, включающий генерирование газовой плазмы при помощи электродов и подачу в плазму двуокиси кремния и твердой восстанавливающей добавки.
Данным способом невозможно получить особо чистые вещества, т.к. поверхность электродов, находящихся в прямом контакте с химически активной реакционной средой под действием высоких температур и электрического разряда, подвергается эрозии.
Микроскопические частицы материала электродов, попадая в плазменную дугу, загрязняют ее.
Сравнивая варианты получения чистого кремния, следует отметить, что двухстадийный режим получения кремния высокой чистоты дает возможность подобрать для каждой стадии оптимальные условия, что в конечном итоге позволит оптимизировать в целом технологию производства кремния высокой чистоты.
Уменьшение эрозии электродов за счет создания вокруг них защитной оболочки из аргона, служащего в качестве плазмообразующего газа, а также возможности выведения их из зоны реакции предложено в способе получения молибдена из молибденита. Однако и в нем не решена полностью проблема загрязнения готового продукта. Известно получение бора из газообразного фторида BF3 или хлорида BCl3 в высокотемпературной плазме, однако чистота бора, получаемого таким методом, принципиально ограничена чистотой исходного галида [6]. Таким образом, и в плазменных способах получения простых веществ чистота конечного продукта определяется чистотой исходных соединений.
В данной статье рассматривается плазменно-дуговая технология очистки кремния, технологическая суть которой основана на процессах более глубокого улучшения карботермического получения чистого кремния за счет двухстадийного проведения процесса с получением в виде самостоятельного продукта карбида кремния и его кислотной отмывкой от примесей, а также физико-механические свойства кремния после такой обработки.
ФИЗИКА. МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ ФИЗИКИ
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
96
Рисунок 1 – Общая экспериментальная схема плазменно-дуговой очистки кремния Выбор плазменно-дуговой технологии (рисунок 1) основан на таких преимуществах использования низкотемпературной плазмы, как возможность легко управлять температурой ведения процессов в диапазоне 2000-3000°С, так и обеспечение более однородного температурного поля в зоне реакции сравнительно с традиционно используемыми электродуговыми технологиями.
Хотя вопросы получения кремния солнечного качества различными методами с использованием самых разных видов исходного сырья и методы очистки кремния (металлургические, химические, кристаллизационные, не говоря уже об очистке в газовой фазе) хорошо исследованы в научном плане, практическая реализация различных маршрутов очистки кремния до уровня солнечного качества и определение примесей в кремнии является весьма актуальной задачей.
Методы и материалы исследования
Процесс плазменного синтеза карбида кремния был осуществлен на специализированной плазменной печи, которая представляет собой плазменный химический реактор прямоточного типа с нисходящим плазменным потоком.
Плазменная электропечь на основе горячего полого катода имеет следующие основные преимущества по сравнению с существующими технологиями: получение компактных слитков любых тугоплавких и редких металлов непосредственно из порошков или шихт на их основе; подача исходных материалов непосредственно в плазменный разряд, что обеспечивает проведение эффективных рафинировочных процессов до попадания металла в ванну жидкого расплава; одним переплавом достигается качество первого электронно-лучевого переплава; возможность плавить относительно «грязные» порошки с содержанием примесей внедрения до 3%; возможность проведения процесса плавки в широком диапазоне по остаточному давлению от 300 мл.рт.ст. до 1×10ˉ³ мл.рт.ст.;
простая схема автоматизации основных технологических параметров (скорость плавки, напряжение, ток, вытяжка слитка) и как следствие стабильность всего технологического процесса. Исходный материал в виде гранулированной мелкодисперсной шихты подается в реактор вибропитателем сверху в струе транспортирующего газа (аргона).
После синтеза, конечный продукт проходит через систему холодильников и собирается в мешочном фильтре.
В качестве грануляции в лабораторных условиях были использованы усредненные пробы чистого кварцевого песка, поваренной соли и маршалита (таблица 1). Грануляция образцов исследования проводилась на тарельчатом грануляторе с плавной
97
регулировкой высоты борта от 90 до 150 мм, углом наклона тарели от 30 до 600 и скоростью вращения от 15 до 25 оборотов в минуту.
Таблица 1 – Характеристика используемых материалов Материалы
Хим. состав, % Гранулометрический состав, % SiO2
Сумма
примесей 0,4 мм 0,2 - 0,4
мм 0,1 - 0,2
мм 0,1 мм
Кварцевый песок
заводской 98,7-99,5 0,5-1,3 1,30 68,95 24,10 5,65
Соль 98,2 - 99,0 1,0-1,8 - 0,75 29,23 70,02
Маршалит 92,00 8,0 1,34 0,35 0,86 97,45
Для определения микротвердости образцов кремния был использован микротвердомер ПМТ-3 при нагрузке на индентор Р=100 г (0,98Н) и времени выдержки при этой нагрузке 10 сек. В качестве индентора при измерениях микротвердости использовали правильную четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136, аналогично методу определения твердости по Виккерсу. Микротвердость Н
определяли в соответствии с требованиями ГОСТ 9450-60 с использованием следующей формулы:
] /
[ d
P 10 ] 18,2 кгс/мм [
d
1854 2
2 отп
3 2
2 отп
МПа м
P МН
H (1)
где нагрузка Р выражена в граммах, а диагональ отпечатка dотп в микрометрах.
С помощью контрольно-измерительного прибора для измерения удельного электрического сопротивления полученных слитков кристаллического кремния четырехзондовым методом в автоматическом режиме было также определено удельное электросопротивление образцов кремния до и после плазменно-дуговой обработки с заданным химическим составом.
Для определения основных структурных параметров необходимо было провести трудоемкий процесс пробоподготовки. Поскольку в существующей литературе отсутствует информация по подбору электролитов для полирования образцов кремния, необходимый раствор подбирался экспериментальным путем, при этом, использовался электролит состава 10%-хлорной кислоты и 90%-ледяной уксусной кислоты при напряжении 20 В (время 1-2 мин).
Требования к методикам анализа кремния по набору определяемых примесей и пределам их обнаружения зависят от назначения методик. В большинстве случаев методики должны быть многоэлементными и с низкими пределами обнаружения примесей. Требования к примесному составу высокочистого кремния зависят от использования его в конкретных электронных устройствах и достигают по основным электрически активным примесям B и P концентраций 10-10-10-9 % ат. Поскольку содержание примесей в образцах кремния очень мало, был использован атомно- эмиссионный метод анализа с индуктивно связанной плазмой на спектрометре высокого разрешения SpectroArcos (SPECTRO, Германия). Данный метод включает в себя следующие этапы: исследование влияния стадий пробоподготовки и измерения на результат анализа; построение градуировочных характеристик и их статистическая обработка; описание методики АЭС-ИСП определения содержания примесей в образцах кремниевого производства. Метод основан на возбуждении атомов пробы в индукционной высокочастотной плазме и измерении интенсивности аналитических спектральных линий определяемых элементов при распылении раствора анализируемой
ФИЗИКА. МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ ФИЗИКИ
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
98
пробы и градуировочных растворов в плазму. Для проведения исследований применяли комплект ГСО состава веществ и материалов VSM1.3 (таблица 2).
Таблица 2 - Паспортные данные состава ГСО комплекта VSM1.3
Элемент Индекс СО
VSM1.3-2 VSM1.3-3 VSM1.3-4 VSM1.3-5 VSM1.3-6 VSM1.3-7 VSM1.3-8 VSM1.3-9
Fe 0,0142 0,00312 0,095 0,00130 0,0183 0,057 0,0072 0,0361 Al 0,00194 0,0031 0,0117 0,0048 0,290 0,0364 - 0,098 Ca 0,0045 0,00105 0,306 0,00304 0,0100 0,0241 0,107 0,00151
Результаты исследований
Гранулированный кремний, подвергнутый плазменно-дуговой обработке в специализированной печи при постепенном увеличение мощности от температуры
~11300С до 15000С был исследован по ряду физико-механических свойств. Для определения одного из аспектов механических свойств обработанного кремния, были проведены измерения микротвердости образцов (таблица 3).
Таблица 3 – Характеристики механических свойств образцов кремния после плазменно-дуговой обработки
№ образца Размер зерна, мкм Карбидный балл зерна Микротвердость, МПа 1
2 3
103,1 92,9 105,58
2 1 2
2424 3040 2645 4
5 6
97,04 97,76 99,23
2 1 1
2550 2935 2684
Результаты механических испытаний образцов кремния показывают, что незначительные изменения температуры при плазменно-дуговой обработке с 1050С до 1160С приводят к некоторому уменьшению разброса по механическим свойствам образцов, но при этом наблюдается снижение показателей ударной вязкости и микротвердости. Кроме этого, повышение температуры привело к уменьшению балла зерна, то есть к укрупнению зерен (таблица 3). При варьировании режимов термообработки у образцов кремния наблюдается корреляция между микротвердостью и величиной зерна: чем мельче зерно, тем выше микротвердость образца. На твердость влияет карбидный балл зерна (карбидные включения), увеличение карбидного балла зерна существенно снижает ударную вязкость.
При систематизации полученных данных испытаний удельного электросопротивления образцов кремния видно, что удельное электрическое сопротивление образцов до и после плазменной обработки может находиться в интервале примерно от 24,00 до 34 Ом·см, но при этом величина сопротивления зависит от химического состава образцов, а следовательно, от микропримесей (попадание в кристалл кремния дополнительных примесей, обеспечивающих заданное удельное электрическое сопротивление) (таблица 4). Так, в образце кремния №1, обработанного при минимальной варьированной температуре при 1050С, наблюдается максимальное электросопротивление 34,65 Ом·см.
99
Таблица 4 - Результаты испытаний физических параметров образцов кремния
№
образца Удельное электросопротивление образцов
кремния после обработки плазмой, Ом·см Время травления, мин
Время окисления , с
№ 1 34,65 4 5
№ 2 37,3 4 3,5
№ 3 43,56 12 11,7
№ 4 38,12 15 13,9
№ 5 39,33 7 5
№ 6 24,66 9 8,5
Из таблицы 4 видно, что для кремния с удельным электросопротивлением в интервале 24,5-34,0 Ом·см, время окисления зависит от толщины сформированного слоя пористого кремния, что используют для определения толщины сформированного слоя пористого кремния непосредственно в процессе его изготовления, при этом погрешность определения толщины составляет в среднем 3,5-5%.
Также с целью установления возможности применения методики атомно- эмиссионного метода анализа с индуктивно связанной плазмой для аналитического контроля кремния было определено содержание всех примесных элементов в ГСО комплекта VSM1.3. Полученные результаты в сравнении с аттестованными значениями для каждого элемента представлены в таблице 5.
Таблица 5 – Результаты АЭС-ИСП определения содержания Fe, Al, Ca в образцах кремния и ГСО состава веществ и материалов комплекта VSM1.3
Шифр образца
Определяемый элемент
Аттестованное содержание
аналита, % , % Sr, % ,
% VSM 1.3 - 3
Ca
2
0,00158 ± 0,00012 0,00158 0,004 0,0015
О-1 - 0,0264 0,0487 0,0186
VSM 1.3 - 7 0,110 ± 0,009 0,111 0,012 0,0045
О-2 - 0,1360 0,0613 0,0243
1 3 4 5 6
О-3 - 0,2860 0,0220 0,0085
VSM 1.3 - 6
Al
0,0364 ± 0,0022 0,0363 0,002 0,00074
О-1 - 0,0280 0,0495 0,0187
VSM 1.3 - 8 0,098 ± 0,010 0,0983 0,003 0,0010
О-2 - 0,1440 0,0609 0,0242
О-3 - 0,2234 0,0209 0,0080
VSM 1.3 - 3
Fe
0,095 ± 0,008 0,0951 0,001 0,00046
О-1 - 0,0965 0,0318 0,0121
О-2 - 0,3200 0,0414 0,0163
О-3 - 0,5300 0,0150 0,0526
Для определения содержания этих элементов, мы применяли градуировочные растворы, приготовленные путем растворения чистых металлов по стандартной методике. Были построены две серии градуировочных характеристик: первая серия – для элементов в области низких концентраций, вторая серия – для элементов в области
ФИЗИКА. МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ ФИЗИКИ
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
100
относительно высоких концентраций: первая серия - 0,2-2,0 мкг/мл Fe, Al; вторая серия - 2,0-50,0 мкг/мл Ca, Fe. Исходные данные, необходимые для построения градуировочных характеристик в диапазоне концентраций аналита от 0,2 мкг/мл до 2,0 мкг/мл, представлены в таблице 6.
Таблица 6 – Результаты АЭС-ИСП определения примесей в градуировочных растворах (0,2-2,0 мкг/мл)
N λ, нм
, мкг/мл - 0 0,1 0,5 1,0 2,0
, имп/с 238,578 527,011 569,966 1018,01 1574,74 2717,85 , имп/с 190,241 164,547 321,052 953,085 1624,63 3161,52 , имп/с 214,438 7740,2 12174,5 30346,5 35156,6 98854,8 , имп/с 238,204 37753,4 35941,7 66339,7 102825 177141 , имп/с 206,200 1896,6 2883,14 7898,78 27759 12577,2
Примечания
1 – содержание металла в N-ом градуировочном растворе, мкг/мл;
2 - среднее значение интенсивности аналитического сигнала металла, имп/с.
Измерение интенсивности аналитического сигнала (количество импульсов в секунду) проводили 6 раз на каждый элемент и для каждого градуировочного образца.
Используя полученные значения, построили две серии градуировочных характеристик, отражающих зависимость интенсивности аналитического сигнала от содержания аналита в градуировочных растворах (мкг/мл). Градуировочные характеристики первой серии представлены на рисунке 2.
а б
Рисунок 2 - Зависимость интенсивности аналитического сигнала от концентрации аналита (0,1-2,0 мкг/мл): а) железо; б) алюминий
MeN
C
N
ITe, N
IBi, N
ICd, N
IFe, N
IZn,
MeN
C IN
101
Значения коэффициента корреляции, рассчитанные для представленных на рисунке 2 градуировочных характеристик, близки к единице, что свидетельствует о жесткой корреляции между значениями концентраций аналита (мкг/мл) и интенсивностями аналитических сигналов . Поскольку среднеарифметическое значение относительных стандартных отклонений , то статистическую обработку градуировочных характеристик проводили с применением метода наименьших квадратов.
Заключение. Анализ литературных данных показывает, что в мировом производстве накоплен богатый опыт в вопросе технологий получения кремния высокой чистоты. Однако для освоения технологии массового производства солнечных батарей необходимо уделить особое внимание к качеству готовой продукции, а также безопасности производства. Метод плазменно-дуговой технологии получения кремния солнечного качества полностью отвечает этим требованиям за счет двухстадийного проведения процесса очистки кремния из предварительно гранулированных компонентов исходного сырья с получением в виде самостоятельного продукта карбида кремния и его кислотной отмывкой от примесей.
Результаты механических испытаний образцов кремния после плазменно-дуговой обработки, осуществленной на специализированной плазменной печи, показали, что при варьировании режимов термообработки у образцов кремния наблюдается корреляция между микротвердостью и величиной зерна: чем мельче зерно, тем выше микротвердость образца. Кроме того, увеличение карбидного балла зерна (карбидные включения) существенно снижает ударную вязкость.
Результаты измерения удельного электрического сопротивления образцов кремния, проведенного с помощью контрольно-измерительного прибора четырехзондовым методом в автоматическом режиме, показали, что удельное электрическое сопротивление образцов до и после плазменной обработки может находиться в интервале примерно от 24,00 до 34 Ом·см, но при этом величина сопротивления зависит от химического состава образцов, а, следовательно, от микропримесей. Используя полученные значения коэффициента корреляции, построили две серии градуировочных характеристик, а также установили жесткую корреляцию между значениями концентраций аналита и интенсивностями аналитических сигналов.
1. Технология полупроводникового кремния / под ред. Э. С. Филькевича. - М.:
Металлургия, 1992. – 408 с.
2. Nimtchinova N. V. High purity silicon carbonthermal production : ecological advantages.
Materials of 15 International Congress of Chemical and Process Engineering, Prague (Czech Republic), 2002. - C. 224.
3. Андреев А. А. Способ получения особо чистого кремния. Пат. 2355634 РФ, МПК51С 01 В 33/02, С25В 1/00. - заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Томский политехнический университет. 2008111396/15. - заявл. 24.03.2008; опубл. 20.05.2009.
- Бюл. - № 14. – 4с.
4. Дьяченко А.Н. Способ получения диоксида кремния. Пат. 2357925 РФ, МПК51 С 01 В 33/02. - заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Томский политехнический университет. 2007145565/15, заявл. 07.12.2007; опубл. 10.06.2009. - Бюл. - № 16. – 4 с.
5. Абдюханов И. М. Разработка основ технологии производства металлургического кремния повышенной чистоты для наземной фотоэнергетики. Журнал российского химического общества им. Д.И. Менделеева, 2001, т. XLV, № 5-6, - C. 107.
6. Бельский С.С. Совершенствование процессов рафинирования при получении IN
4 ,
0
ФИЗИКА. МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ ФИЗИКИ
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
102
кремния высокой чистоты. автореф. дисс. канд. техн. наук.: 5.16.02: защищена 02.12.2009: утв. 12.03.2010. – Иркутск. - 2009.-138 с.
Аңдатпа. Негізгі шикізаттың алдын ала ұсақталған компоненттерінен алынған кремнийді, кремний карбидін плазмалық синтездеу және карбид пен кремний қос қышқылының қоспасын вакуумдық-иінді тәсілмен қалпына келтіру арқылы екі сатылы тазалау процесінен кейін, кремнийдің кұрылымдық параметрлері мен физикалық-механикалық қасиеттерінің комплекстік зерттеуі өткізілді. Мақалада, кремний негізгі матрицасының кұрылымдық бөлігі мен физикалық-механикалық сипаттамасы арасындағы қарымқатынас, сондай-ақ, плазмалық- иінді тәсілмен өңдеуден кейінгі үлгілерінің электр қуатын өткізу қасиеті қарастырылуда.
Сонымен қатар, плазмалық-иінді өңдеуден кейін, үлгілердегі қоспалы элементтерді аналитикалық бақылау үшін, атомдық-эмиссиондық саралау тәсілі қолданылып көрілді.
Түйін сөздер: күн сапасындағы кремний, қоспалар, плазмалық-иінді технологиясы, микроқаттылық, концентрация.
Abstract. A comprehensive study of structural parameters and physical-mechanical properties of silicon was undertaken after two-step silicon purification process, consisting of pregranulated components of feedstock, through plasma synthesis of silicon carbide and vacuum arc recovery of carbide and silicon dioxide mixture. The article deals with the relationship of structural component of the main silicon matrix with physical and mechanical characteristics, as well as the conductive properties of the samples after plasma-arc treatment. In addition, atomic emission analysis method with inductively coupled plasma was approved for analytical control of impurities in the samples after plasm- arc treatment.
Keywords: solar grade silicon, impurities, plasm-arc technology, micro-hardness, concentration.
ӘОЖ 621.382-022.532:538.975
К.Т. Бажиков, М.Қ. Ибраимов, А.С. Серік *, М.Б. Құрмансейіт * КЕУЕКТІ КРЕМНИЙ ДИОКСИДІ ҚАБЫРШАҚТАРЫН ЗЕРТТЕУ
(Алматы қ., әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті, * магистрант)
Аңдатпа. Кеуекті диэлектрлік қабыршақтар микро-, нано- және оптоэлектрониканың болашағы бар материалы болып саналады. Бұл материалдар жарық диодтарында, фотодетекторларда, ваккумды микроэлектроника катодтарында, биологиялық имплантаттарда, газ тетіктерінде, мембраналарда қолданылады. Оның ылғалдылық тетіктерін, газдық, химиялық және биологиялық сенсорларды жасауда, сонымен қатар басқа да қолданысқа үлкен болашағы бар.
Түйін сөздер: көміртегі, кеуекті қабыршақтар, кремний диоксиді, диэлектрлік өткізгіштік.
Тәжірибелік бөлімі. Кремний диоксидінің кеуекті қабыршақтары - кремний мен көміртектің құрамдас нысанасын магнетронды бүрку арқылы алынды. Қабыршақтар құрамына көміртекті қосу нәтижесінде олардың құрылымында қайтымсыз өзгерістер болады, нәтижесінде қуыстықтар пайда болады.
Қабыршақтардағы қуыстықтар саны магнетронның кремнийлік нысанасындағы графиттің алып жатқан ауданына тәуелді. Құрамдас нысананы бүркудің сандық сипаттамсы үшін Sc параметрі енгізіледі, ол графитті дисктардың алып жатқан ауданының кремнийлі нысана ауданына қатынасына тең [1].