1、堿金屬元素
石英粉中的堿金屬元素主要包括鋰(Li)、鈉(Na)、鉀(K)元素。這些元素在石英中易擴散,化學性活潑,比較容易去除,但是它們危害很大。
堿金屬元素在高溫下起著助溶劑的作用,使高溫玻璃出現失透,高溫變形等不良現象,對析晶起著催化作用,影響石英制品的熱穩定性,還會影響石英玻璃的光學特性與熱學特性,降低半導體壽命,石英玻璃的介電系數和介電損失都會增大,而石英制品光的傳播速度和機械強度又都會降低。
2、過渡金屬元素
石英粉中摻雜的過渡金屬元素主要有鐵(Fe)、鋅(Zn)、銅(Cu)、鉻(Cr)、錳(Mn)、鎳(Ni)等元素。
微量的元素溶入硅熔體就能阻止導電性,對儀器的預見性和可靠性都起著負面作用,對石英制品客觀的影響就是產生色斑,或者引起高溫變色,降低光透過率。
3、硼元素
硼元素(B)在石英產品的含量與石英礦的地質有直接的關系,B離子可以進入硅酸鹽分子的骨架,產生很強的化學鍵,而不是僅在含硼礦一物中。
B元素的超標對單晶硅的拉制有致命的影響,1×10-6的B就可以使單晶硅的電阻大幅度降低。
4、鋁元素
鋁元素(Al)在石英礦中主要存在于長石、粘土及云母等雜質礦物中,是石英產品中含量最多的的雜質元素,Al可以進入Si-O四面體結構骨架中,將硅取代,形成Al-O結構,Al3+取代Si4+后,為了平衡電荷,就會引入堿金屬元素甚至過渡金屬元素來補償電荷,而進入Si-O骨架的Al將不易除去。
Al對半導體的影響不大,但是對于電光源用的石英玻璃有很大影響,由于Al在一定條件下會導致石英制品有色,對光譜通過率有影響,進而影響光效。
5、非金屬元素
石英粉中的非金屬元素主要由氧(O)、氫(H)、氮(N)等元素。氧的主體是SiO2,其他則以H2O、O2的形式存在。SiO2中的Si-O鍵斷裂會產生缺陷,這些缺陷會與OH或者H結合形成SiH或者SiOH基團,羥基是一種雜質缺陷,同時又是一種網絡結構缺陷。
羥基對石英及石英玻璃的性能都有很大影響,首先,羥基的存在降低了石英的化學穩定性。其次,羥基使石英結構的疏松度增加,密度減小,結合力下降,聲音在石英玻璃中的傳播速度也將減小。羥基還能降低石英的粘度,低溫時羥基的存在會使粘度降低的更明顯。
此外,羥基還影響電子產品的純度,降低石英的軟化溫度,促進析出晶體,降低石英的折射率,影響石英玻璃的光學均勻性。
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石英砂生產線的綠色環保設計與實踐
——段樹桐,教授,蚌埠玻璃工業設計研究院
石英基高新材料的制備與應用技術進展
——王玉芬,教授,博導,所長 中國建筑材料科學研究總院
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——朱守兵 礦機部工程師 安徽中科光電色選機械有限公司
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