CN101492777B - 一种制取分子束外延级高纯度金属镓的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制取分子束外延级金属镓的方法，包括以下步骤：将液态镓真空抽虑，除去液态镓内部包络的固体颗粒和表面的氧化膜浮渣；对液态镓进行化学萃取，除去镓中的锌、铜等杂质；电解精炼液态镓，进一步提纯；采用纵向温度梯度凝固法，进一步提纯；精炼的镓表面不用盐酸保护，不用有机试剂处理，以干燥状态保护。制取的金属镓纯度达到可用辉光放电质谱检出的杂质元素，包括C、N、O在内，含量均在检出极限以下。

Description

一种制取分子束外延级高纯度金属镓的方法

技术领域

本发明涉及一种制取金属镓的方法，尤其涉及一种制取分子束外延级高纯度金属镓的方法。

背景技术

分子束外延是制造优质化合物、合金、层状结构材料的关键技术，对于微结构化合物半导体的发展起了决定性的作用，推动了微电子科学的发展，并在催生纳电子科学的诞生，显示了强大的力量。

分子束外延需要极高纯度的金属镓作为镓源，镓源的纯度要达到8N的标准，我们称之为分子束外延级金属镓。世界上只有极个别的公司可以提供这种分子束外延级金属镓，已经倒闭的法国GEO公司是公认的分子束外延级金属镓的供应商，其产品纯度，除C、N、O以外，其余可用辉光放电质谱检出的71个杂质元素的含量均在检出极限以下。分子束外延级金属镓的生产工艺需要考虑原料中可能存在的杂质、处理过程中可能引入的污染，采取不同的除去杂质的工艺和防止、减少污染的措施。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种制取分子束外延级高纯度金属镓的方法，纯度达到可用辉光放电质谱检出的杂质元素，包括C、N、O在内，含量均在检出极限以下。

本发明的技术方案如下：一种制取分子束外延级高纯度金属镓的方法，包括以下步骤：将液态镓真空抽虑，除去液态镓内部包络的固体颗粒和表面的氧化膜浮渣；对液态镓进行化学萃取，除去镓中的锌、铜等杂质；电解精炼液态镓，进一步提纯；采用纵向温度梯度凝固法，进一步提纯；精炼的镓表面不用盐酸保护，不用有机试剂处理，以干燥状态保护。

真空抽虑时，液态镓温度为45℃-50℃。

化学萃取的容器底部有孔，压缩气体通过所述孔鼓入萃取容器。

电解镓时，电极引线由固体金属镓制成，固体金属镓引线上设有冷却装置

电解镓时，电解槽上部设有遮盖装置，所述电解槽底部设有指状隔板，将电解槽底部分为相互隔绝的两部分，分别成为电解时的阴极区和阳极区。

电解镓时包括下列步骤：将数个电解槽与恒压电源串联连接；使电解槽中的电解液以稳定的流速循环流动；使循环流动电解液的温度保持在设定的电解温度。

纵向温度梯度凝固法提纯装置包括生长区、放肩区、籽晶区三部分，所述生长区为一段圆柱形管筒，所述放肩区为与所述生长区下端连接的倒锥台形管筒，所述籽晶区为与所述放肩区下端连接的圆柱形盲管。

纵向温度梯度凝固法包括如下步骤：将金属镓籽晶放入所述籽晶区；将35℃到40℃液态金属镓注入所述提纯装置；对所述籽晶区进行冷却，所述籽晶区的冷却温度为0℃-5℃。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：金属镓纯度达到可用辉光放电质谱检出的杂质元素，包括C、N、O在内，含量均在检出极限以下；本发明装置机构简单、方法操作方便、提纯定量控制便捷，适合于大规模生产；大大降低了极高纯度金属镓的生产成本，提高了生产效率，奠定了极高纯度金属镓材料的未来广泛应用的基础。

附图说明：

图1为本发明流程图；

图2为半封闭式指状隔板电解槽结构示意图；

图3为纵向温度梯度凝固法提纯装置结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细描述。

实施例1：如图1所示，一种制取分子束外延级高纯度金属镓的方法，包括以下步骤：液态镓过滤，将45℃液态镓真空抽虑，除去液态镓内部包络的固体颗粒和表面的氧化膜浮渣；

液态镓化学萃取，对液态镓进行化学萃取，除去镓中的锌、铜等杂质，萃取装置包括萃取容器，萃取容器底部有孔，压缩气体通过所述孔鼓入所述萃取容器，所述孔设有单向阀片，防止萃取容器内液体流出。压缩气体可以是惰性气体或者是经净化的空气，当压缩气体从萃取容器底部鼓入时，会对处于容器下部的液态镓产生激烈的搅动，使密度较大液态镓与密度较小的水溶液化学试剂充分接触，形成气流扰动萃取效果，大大提高了萃取效率。实验数据表面，将液态镓采用本发明装置萃取3次，可以把液态镓中锌、铜的含量，分别从500-300ppm降低到1ppm以下，提纯效果非常显著；

电解精炼液态镓，进一步提纯，将数个电解槽与恒压电源串联连接，提高恒压电源的输出电压，进一步降低了在每个电解槽上的电压波动，达到使电解电压、电流恒定的目的；使电解槽中的电解液以稳定的流速循环流动，电解槽连接循环泵使电解液循环流动，控制电解液循环流动的流速并通过加热使循环流动的电解液保持恒温，使循环流动电解液的温度保持在设定的电解温度。电解温度设定在50℃，电解电压为12.5伏特，电解电流为35安培。有利于电解精炼提纯后镓的一致性和提高电解效率、消除浓差极化现象。如图2所示，电解槽上部设有带有气孔1的盖子2，电解槽底部设有指状隔板4，将电解槽底部分为相互隔绝的两部分，分别成为电解时的阴极区3和阳极区5，阴极区和阳极区电解时分别放置金属镓。电解槽加盖后，大大减少了电解液与空气的接触，避免了空气中的二氧化碳与碱性电解液发生化学反应，延长了电解槽的使用寿命并大大提高了电解效率，盖子上的气孔又可以将电解时产生的气体排出，从而形成半封闭式电解槽；电解槽底部设有指状隔板，改变了阴极区、阳极区分布结构，避免了电解时浓差极化现象的产生，节约了电耗，提升电解效果；用固态镓作为液态镓电极的引线，解决了液态镓对各种金属材料引线的腐蚀问题；固态金属镓引线的使用，彻底消除了镍对精制镓的污染；

采用纵向温度梯度凝固法，进一步提纯，如图3所示，一种金属镓纵向温度梯度凝固提纯装置，包括生长区3、放肩区5、籽晶区1三部分，所述生长3区为一段圆柱形管筒，所述放肩区5为与所述生长区3下端连接的倒锥台形管筒，所述籽晶区1为与所述放肩区5下端连接的圆柱形盲管。所述籽晶区1设有冷却装置，所述冷却装置为冷盘8，其中装有冷却液7。所述提纯装置由非极性塑料Nylon制成。所述生长区3管壁设有刻度线4。包括如下步骤：将金属镓籽晶6放入所述籽晶区1；将液态金属镓2注入所述提纯装置；对所述籽晶区1进行冷却。所述籽晶为高纯度金属镓。所述液态金属镓温度为35℃。所述籽晶区的冷却温度为0℃。通过籽晶区1的冷却，液态金属镓开始从籽晶区1向放肩区5、生长区3逐渐凝固，先凝固的固态镓纯度比后凝固的要高，根据生产需要，生长区3管壁设有刻度线4可以定量的选择金属镓凝固的比例，以调整镓的纯度。为了得到极高纯度的金属镓，需要对凝固的固态镓再次加热后使用上述装置凝固提纯，如此方法直到达到要求的纯度；

精炼的镓表面不用盐酸保护，不用有机试剂处理，以干燥状态保护。

实施例2：其与实施例1不同之处在于，液态镓过滤，将47℃液态镓真空抽虑，除去液态镓内部包络的固体颗粒和表面的氧化膜浮渣；采用纵向温度梯度凝固法，进一步提纯时，凝固提纯装置由非极性塑料制成，所述塑料为PE，所述液态金属镓温度为37℃。所述籽晶区的冷却温度为3℃。

实施例3：其与实施例1不同之处在于，液态镓过滤，将50℃液态镓真空抽虑，除去液态镓内部包络的固体颗粒和表面的氧化膜浮渣；采用纵向温度梯度凝固法，进一步提纯时，凝固提纯装置由非极性塑料Teflon制成，所述液态金属镓温度为40℃。所述籽晶区的冷却温度为5℃。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种制取分子束外延级金属镓的方法，其特征在于包括以下步骤：

将液态镓真空抽虑，除去液态镓内部包络的固体颗粒和表面的氧化膜浮渣；

对液态镓进行化学萃取，除去镓中的锌、铜杂质，所述化学萃取的容器底部有孔，压缩气体通过所述孔鼓入萃取容器；

电解精炼液态镓，进一步提纯，电解镓时，电极引线由固体金属镓制成，固体金属镓引线上设有冷却装置；电解槽上部设有遮盖装置，所述电解槽底部设有指状隔板，将电解槽底部分为相互隔绝的两部分，分别成为电解时的阴极区和阳极区；

采用纵向温度梯度凝固法，进一步提纯，纵向温度梯度凝固法提纯装置包括生长区、放肩区、籽晶区三部分，所述生长区为一段圆柱形管筒，所述放肩区为与所述生长区下端连接的倒锥台形管筒，所述籽晶区为与所述放肩区下端连接的圆柱形盲管；

精炼的镓表面不用盐酸保护，不用有机试剂处理，以干燥状态保护。

2.根据权利要求1所述的一种制取分子束外延级金属镓的方法，其特征在于真空抽虑时，液态镓温度为45℃-50℃。

3.根据权利要求1所述的一种制取分子束外延级金属镓的方法，其特征在于电解镓时包括下列步骤：将数个电解槽与恒压电源串联连接；使电解槽中的电解液以稳定的流速循环流动；使循环流动电解液的温度保持在设定的电解温度。

4.根据权利要求1所述的一种制取分子束外延级金属镓的方法，其特征在于纵向温度梯度凝固法包括如下步骤：将金属镓籽晶放入所述籽晶区；将液态金属镓注入所述提纯装置；对所述籽晶区进行冷却。

5.根据权利要求4所述的一种制取分子束外延级金属镓的方法，其特征在于所述籽晶区的冷却温度为0℃-5℃。

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