Высокочистые вещества

ВЫСОКОЧИСТЫЕ ВЕЩЕСТВА, индивидуальные простые или сложные вещества с предельно низким суммарным содержанием примесей. При рассмотрении чистоты веществ компонент, атомы или молекулы которого преобладают в исследуемом (используемом) образце, называют основным (основой). Если основа - химический элемент в форме простого вещества, то примесями считаются атомы остальных химических элементов, имеющиеся в земной коре. В веществе, состоящем из молекул, примесями являются молекулы всех других веществ, отличающиеся от молекул основы числом, природой и взаиморасположением атомов. Содержание примеси количественно выражают в массовых, атомных или молярных процентах, как число частей примеси на заданное число частей основы (например, одна часть на миллион, миллиард - 1·10^-4, 1·10^-7% соответственно), или как число атомов или молекул примеси в единице объёма (1 см³) основы. Различают степень чистоты по отдельным примесям и по сумме всех примесей.

Сложившаяся классификация веществ по степени чистоты начинается с вещества технического качества (содержание основы около 99%) и включает последовательно квалификации «чистый», «чистый для анализа», «химически чистый». Для каждой из них стандарты определяют допустимые набор и содержание примесей. Следующий уровень - «особо чистые вещества», в которых содержание отдельных примесей или групп примесей существенно ниже, чем в чистых для анализа или химически чистых веществах. Количественная характеристика понятия «высокочистое вещество» подвижна во времени. Вещество считается (2005) высокочистым при содержании суммы примесей около 10^-4 ат. %, а отдельных примесей 10^-6-10^-7 ат. % и ниже.

Даже в самых чистых природных веществах (вода, горный хрусталь, алмаз) содержание примесей около 0,1-0,01%. Получение высокочистых веществ, как правило, многостадийный процесс, в котором число и набор стадий определяются природой вещества, исходным содержанием в нём примесей, требуемой степенью чистоты. Высокочистые  вещества со сравнительно невысокими температурами плавления и кипения получают глубокой очисткой образцов технического качества, используя дистилляционные, кристаллизационные, экстракционные, адсорбционные, химические и другие методы. Высокочистые  вещества с высокой температурой плавления получают выделением или синтезом из предварительно очищенных веществ.

Высокочистым  веществам присущи свойства, отсутствующие или слабо выраженные у этих же веществ, но с более высоким содержанием примесей. В общем виде для твёрдых веществ измеренное значение свойства Р можно представить суммой:

Р = Р₀ + Р₁ + Р₂ + Р₁₁ + Р₂₂ + Р₁₂,

где Р₀ - значение свойства вещества, свободного от примесей и дефектов структуры; Р₁, Р₂ - вклад примесей и дефектов структуры соответственно; Р₁₁, Р₂₂, Р₁₂ - вклад от парных взаимодействий примесей и дефектов. При большом содержании примесей примесный вклад преобладает (P_t > Р₀). Снижение содержания примеси может отчётливее выявить собственное свойство вещества (Р₁<< Р₀), что наблюдается на примере полупроводниковых свойств германия. При низком содержании примесей вклад от дефектов структуры может превышать примесный вклад (Р ≈ Р₀ + Р₂ + Р₂₂). Интервал содержаний примеси, в котором реализуется промежуточная ситуация, представляет собой область примесной чувствительности данного свойства к данной примеси. Любая примесь прямо (через Р₁, Р₁₁) или опосредованно (через Р₂, Р₁₂) влияет на любое свойство вещества. В количественном плане это влияние избирательно. Вклад одной и той же примеси в различные свойства вещества неодинаков. Действие разных примесей на конкретное свойство вещества различно и часто имеет пороговый характер. Примеси, влияние которых на свойство особенно велико, называют лимитируемыми. Так, лимитируемыми по отношению к электрофизическим свойствам кремния являются примеси бора, алюминия, галлия, фосфора, мышьяка, для пластичности тугоплавких металлов - примеси кислорода, углерода, азота, для лучевой прочности оптических сред - примесные гетерофазные включения субмикронных размеров. Для некоторых свойств установлена необычайно высокая примесная чувствительность. Электрофизические параметры полупроводников, оптические свойства диэлектриков «чувствуют» отдельный примеси на уровне 10^-8-10^-10 ат. %. В спектрах фототермической ионизации высокочистого кремния и германия проявляются примеси (В, Al, Ga) в количестве 10⁹- 10¹⁰ атомов/см³ (2?10^-12-2?10^-13 ат. %), а теоретически предсказываемый предел влияния - 10⁵ атомов/см³ (10^-16 ат. %).

Основные области применения высокочистых веществ - создание материалов на их основе и научные исследования. В научных исследованиях необходимы вещества с содержанием примесей, не дающим заметного вклада в количественное значение изучаемого свойства. В материалах из высокочистых веществ реализуются уникальные свойства последних. Так, высокая прозрачность волокон из кварцевого стекла с содержанием лимитируемых примесей ниже 10^-6-10^-7% обеспечивает передачу световых импульсов на большие расстояния в современных линиях волоконно-оптической связи. Из высокочистых веществ производят полупроводниковые и оптические материалы, материалы для микро- и оптоэлектроники, электронной техники, ядерных технологий, силовой оптики и электроники, волоконной оптики. Число материалов на основе высокочистых и особо чистых веществ превышает 2 тысячи наименований и имеет тенденцию к росту.

Лит.: Девятых Г. Г., Чурбанов М. Ф. Развитие понятия «высокочистое вещество» // Высокочистые вещества. 1987. № 2. 1990. № 3; Девятых Г. Г., Карпов Ю. А., Осипова Л. И. Выставка-коллекция веществ особой чистоты. М., 2003.