Особо чистые вещества

Еще 100 лет назад ученые не думали о чистоте химических веществ. А попробуйте сегодня изготовить полупроводник, люминофор, фотокатод, квантовый генератор или топливный элемент с помощью материалов, которые век назад считались чистыми — они не будут работать. «Привередливость» современной техники дошла до того, что химическим соединениям иногда разрешается иметь примесей не больше 1 атома на 100 миллиардов атомов основного вещества.

В системе управления межпланетных кораблей использован полупроводниковый кремний. Он изготавливается из трихлоренлана или из четыреххлористого кремния. В исходном сырье 30-40 различных примесей. Среди них не только общеизвестные элементы — железо, алюминии, медь, фосфор, мышьяк, золото, но и редкие: галлий, индий, селен, цезий, рубидий и некоторые другие. Система управления только в том случае станет действительно надежной, если каждой из этих примесей в полупроводнике будет меньше одной десятимиллиардной доли процента.

Оптические квантовые генераторы — лазеры нередко сравнивают с гиперболоидом инженера Гарина. Сфокусированный луч лазера может быть виден невооруженным глазом на астрономическом расстоянии — 9 000 000 000 000 километров. (Для справки: расстояние между Землей и Луной — «всего» 384 400 километров.) Но чтобы его увидеть на таком расстоянии, нужны как минимум высочайшей чистоты трехокись алюминия, двуокись титана, фторид и вольфрамат кальция.

Итак, чистота веществ — альфа и омега современной техники. Недаром бурное развитие радиоэлектроники вызвало к жизни новое понятие — «особо чистые вещества». Что же называют «особо чистыми веществами»?

В первом приближении к ним относят такие вещества, в которых спектральный анализ уже не может «заметить» контролируемые примеси. Иными словами, это вещества с содержанием примесей меньше одной десятитысячной доли процента.

Получение особо чистых веществ, естественно, требует особо чистых рабочих помещений. Там допускается появление только одной пылинки на десяти квадратных сантиметрах рабочей поверхности за 6 часов работы. Причем размер пылинки тоже ограничен — не более пяти тысячных миллиметра, Между тем в каждом литре обычного воздуха находится 2 — 3 миллиграмма пыли, в которой содержится 10% кальция, 5,0% кремния, 3,0% железа, 1,5% алюминия, 1,5% натрия и еще целый ряд неорганических и органических примесей.

Для полупроводников опасна любая примесь, но такие вещества, как фосфор, бор, сера, мышьяк, — просто яды. Эти яды постоянно присутствуют в воздухе в виде летучих соединений. Например, при сжигании любых видов топлива (угля, газа, нефти) всегда образуется двуокись серы; ее содержание в воздухе крупных городов колеблется от одной сотой до одной стотысячной доли процента. Поэтому приходится тщательно заботиться о чистоте воздуха. Его фильтруют, очищают от растворенных в нем примесей; его «нагоняют» в помещение с избытком, чтобы, поддерживая повышенное давление, застраховаться от подсасывания «чужого» воздуха.

Не меньшие требования предъявляют и к аппаратуре, в которой производят очистку вещества. Она должна быть изготовлена из термически и химически устойчивых материалов, в которых, во-первых, отсутствуют удаляемые из данного вещества элементы, а во-вторых, нет поверхностных включений, различных инородных тел.

Обычно в химических лабораториях стеклянную и кварцевую посуду моют хромовой смесью. Но оказалось, что в данном случае мытье, очищая посуду от одной грязи, загрязняет ее другой. И даже если после этого посуду тщательно промыть дистиллированной водой, она все равно будет «грязной»; на ней остаются примеси хрома, и он может попасть в особо чистые вещества. Поэтому сейчас все большее значение приобретают процессы, в которых глубокая очистка вещества происходит как бы в воздухе, без соприкосновения с поверхностью аппарата. Например, зонную плавку можно вести без контейнера, подвешивая расплавленную золу в магнитном поле.

Особая чистота диктует свои законы внешнему виду не только помещений и аппаратов, но и самих химиков. Их халаты и шапочки сделаны из лавсана: это волокно меньше всех других «ворсится». И полиэтиленовые тапочки надежно предохраняют воздух помещений от пыли «дальних странствий».

Мало получить высоко чистое вещество, надо еще доказать его особую чистоту. Обычные химические и спектральные методы анализа в этом случае неприменимы: они уже «не чувствуют» исчезающее малые количества примесей. Приходится применять специальные методы. Таким образом, проблема получения особо чистых веществ — проблема комплексная. В погоне за тысячными и миллионными долями процента участвуют не только химики, но и физики, технологи. Только их объединенные усилия могут дать право веществам называться особо чистыми.