الصهر النطاقي

الصَّهْر النِّطَاقي Zone melting (أو التنقية النطاقية zone refining أو عملية المنطقة الطافية floating zone process) طريقة تستخدم لإزالة الشوائب من المواد الصلبة التي تستخدم في الصناعة والبحث العلمي. ويُعدُّ فلز الـجرمانيوم المادة الأولى التي تمَّت تنقيتها على نطاق تجاري باستخدام طريقة الصهر النطاقي .

Liquid moves from left to right during melting in the float-zone crystal growth process

ويمكن تنقية عنصر الجرمانيوم حتى نحصل على فلز تحتوي كل عشرة بلايين ذرة منه على ذرة واحدة من الشوائب. وإذا افترضنا أن حافلة من حافلات نقل البضاعة بالسكك الحديدية محملة بشحنة من السكر الذي يتمتع بهذه الدرجة من النقاء، فإن هذه الشحنة ستحتوي على ذرة واحدة من الشوائب. ويستخدم الجرمانيوم، والمواد الأخرى التي تتّسم بهذه الدرجة العالية من النقاء، في صناعة أشباه الموصِّلات الإلكترونية مثل الترانزستور والدوائر الكهربائية المتكاملة.

ويتركّب الجهاز المستخدَم في عملية الصَّهر النِّطاقي من صف من السخانات الحلقية الشكل التي تتحرك ببطء من خلال أنبوب يحتوي على المادة الصلبة التي يُراد تنقيتها. ويقوم كل سخان بصهر نطاق ضيق من المادة مشكِّلاً نطاق صهر يتحرك بمصاحبة السخّان. وبعد أن يمرّ كل سخّان يبرد السائل ويتجمد. وتبقى الشوائب في نطاق الصهر، ويتم سحبها إلى أحد أطراف الأنبوب. وتنصهر المادة الصلبة مرة ثانية عند مرور السخّان التالي، وتصبح أكثر نقاء بعد كل مرة يحدث فيها الانصهار والتجمد.

وقد وجد العلماء أن الكثير من المواد يتمتع بخصائص غير متوقعة حال وجودها في درجة نقاء عالية. فالشوائب الموجودة بهذه المواد تؤثر على خصائصها تأثيراً شديداً .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 التعبير الرياضي عن تركز الشوائب

عندما تتحرك المنطقة السائلة لمسافة $dx$، يتغير عدد الشوائب في السائل. Impurities are incorporated in the melting liquid and freezing solid.

$k_{O}$: Segregation coefficient

$L$: Zone length

$C_{O}$: Initial uniform impurity concentration of the rod

$C_{L}$: Concentration of impurities in the liquid

$I$: Number of impurities in the liquid

$I_{O}$: Number of impurities in zone when first formed at bottom

The number of impurities in the liquid changes in accordance with the expression below during the movement $dx$ of the molten zone

$dI=(C_{O}-k_{O}C_{L})dx\;$

$C_{L}=I/L\;$

$\int _{0}^{x}dx=\int _{I_{O}}^{I}{\frac {dI}{C_{O}-{\frac {k_{O}I}{L}}}}$

$I_{O}=C_{O}L\;$

$C_{S}=k_{O}I/L\;$

$C_{S}(x)=C_{O}\left(1-(1-k_{O})e^{-{\frac {k_{O}x}{L}}}\right)$

 الاستخدامات

 عمليات ذات صلة

 انظر أيضاً

• التجميد الجزئي
• Freeze distillation
• Laser Heated Pedestal Growth
• Wafer (electronics)
• Czochralski process
• Float-zone silicon
• Verneuil process