专利名称：：一种高纯镓的制备方法
技术领域：
：本发明涉及一种用粗镓(《4N)制取超高纯镓(Ga)的高纯Ga的制备方法方法，尤其涉及一种高纯镓(Ga)的制备方法。属于电子信息材料领域。
背景技术：
：Ga是一种贵重的稀散金属，应用范围广泛。它可用于低熔点合金、超导材料、原子反应堆中的热载体；镓的氧化物是一种多功能材料，除用做计算机内存、磁泡存储元件的芯片外，还广泛用于隐藏式通讯、红外线辐射二极管振荡器、铁磁材料、光电材料、荧光材料等领域；镓盐可用做催化剂、用于制备治疗癌症及骨质疏松等病症的药物，但目前Ga最重要的用途是用于制造GaN、GaAs、三甲基镓等半导体材料及原材料。通常，熔炼、电解法制造粗镓不能去除Pb、Sn、Cu等杂质元素，大大影响Ga半导体材料的物理性能，需将其降低到非常低的水平。用于制造半导体材料的金属镓，要求其纯度非常高，通常要求达到7N,甚至8N以上。部分结晶法制取高纯Ga最简便、最经济，也是应用最广泛的提纯方法，但由于凝固过程中主要是以凝固体积分数作为控制凝固进程的关键参数，其它的提纯方法往往是通过对凝固体积的测量来获得凝固体积分数，其误差相对比较大(通常在1%3%)，特别是对于一些凝固界面非平直界面的提纯方法，其测量误差会进一步加大。
发明内容本发明提出一种高纯镓的制备方法，具有工艺简单易控制，易实现批量生产且控制精度高的优点。本发明采用如下技术方案本发明所述的高纯Ga的制备方法，包括以下几个步骤步骤l:直径为10cm20cm圆柱形有机容器，用电子级去离子水清洗后，烘干；步骤2:称取固态镓原料的质量，将2Kg25Kg的镓原料加热熔融，温度为30。C4(TC，将熔融的液态镓加入圆柱形有机容器内；步骤3:环境温度控制在20'C-25'C，将圆柱形有机容器置于15'C25'C的循环水浴中，镓液的液面高度低于水浴液面高度，且将循环水的流速控制在1.0IVmin3.0I7min;步骤4:将5g10g、纯度》7N的镓均匀涂敷于圆柱形杆的一端，制成籽晶；将圆柱形杆的另一端与天平的称重端连接；步骤5:将圆柱形杆上涂有籽晶的部分置于镓液中心后，利用镓凝固时发生的体积膨胀，精确获得凝固Ga的凝固质量和凝固质量分数；步骤6:当凝固质量分数达到60%90%时，取出固体镓，将液体倒出进行固液分离；获得的固体Ga,并以此作为镓原料；步骤7:重复步骤(1)(6)两至七次，可得到6N8N的高纯镓。本发明是采用部分结晶法制取高纯Ga，由于Ga在凝固过程中体积会发生膨胀，膨胀量可达3.1%，本发明是根据测量Ga凝固时产生的浮力，通过换算而获得精确的凝固Ga量，通过镓密度与质量可精确计算出凝固体积，进而获得凝固体积百分数，实现凝固量的精确测量与控制；同时，部分结晶法制取高纯Ga的方法主要采用定向结晶或沿垂直器壁的方向生长，主要还是正温度梯度的定向凝固原理，而由于本发明是采用从中心向周围自由生长方式来实现Ga的凝固，有接近六个方向上均能生长，特别是凝固中期以后，接触面积远大于传统的提纯方法，凝固速度快且提纯效果更好，而凝固原理为负温度梯度下的凝固生长。凝固装置原理图如图1所示。装液态镓的容器置于循环水浴中，镓液的液面高度低于水浴液面高度，可通过调节水浴温度和流速来控制凝固速度。涂有耔晶的杆深入镓液中部，上端与天平上相连固定，当杆上受到浮力的作用会导致天平读数发生变化。天平初始视数为mp镓凝固至一定程度时，天平显示为m2，已知在25'C左右(可以是25°C)，固态镓密度ps(5.907g/cm"小于液态镓密度pl(6.09g/cm3)，从而计算获得凝固镓的质量为m=(mi-m2)/(pl-ps)=5.46(nn-m2)，从而可精确获得凝固镓的凝固质量分数。与现有技术相比，本发明具有如下优点1)本发明制取工艺简单易控制，易实现批量生产。2)控制精度高通过测量镓凝固时产生的浮力，获得镓凝固质量和凝固质量分数。由于质量的测量精度可达0.5g以下，而大口径容器的体积测量最小刻度很难低于10ml，对于单次进行5Kg镓的提纯过程，其凝固质量分数的综合测量误差可达到0.1%0.01%，比其它方法精度提到12数量级，可保证大生产过程中的高度稳定性。<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>3)凝固速度快，提纯效果更好本发明使Ga从中心向周围生长，有接近六个方向上均能凝固生长。凝固初期，本发明的凝固速率与其他技术的凝固速率相当，大约都是3g/min(相当于0.5cmVmin)，但随着凝固过程的进行，本发明的凝固速率逐渐提高，特别是到凝固中后期，接触面积远大于传统提纯方法，凝固速度可达到60g/min(相当于10cm3/min)，比其它技术的凝固速率提高2-6倍(单次凝固时间从约15小时降低到25小时)。因此，本发明既减少了提纯次数，又提高了提纯时的凝固速率，综合生产效率大大提高，且提纯效果更好。4)凝固原理不同本发明的凝固原理为负温度梯度下的凝固生长，与传统的正温度梯度定向凝固原理不同，凝固过程中不需要进行搅拌。图l是凝固装置结构示意图。图2是不同提纯技术对Pb元素的提纯效果比较图。图3是不同提纯技术对Cu元素的提纯效果比较图。具体实施例方式本发明提供了一种高纯镓的制备方法，原材料为4N的粗镓。具体实施实例如下实施例l直径为10cm圆柱形有机容器，用电子级去离子水清洗后烘干；称量固态镓原料的质量，然后将2Kg固态镓加热到4(TC熔融后加入容器内，将容器置于15°C的循环水浴中，镓液的液面高度低于水浴液面高度；将5g超高纯镓(纯度》7N)均匀涂敷于圆柱形杆的顶端制成籽晶，杆顶部与天平托盘上的砝码相联固定，将杆上涂有籽晶的部分置于镓液中心，读取天平上的读数变化，精确获得凝固Ga的凝固质量和凝固质量分数，当凝固质量分数达到70%时，取出固体镓，将液体倒出进行固液分离；获得的固体Ga作为原料；重复步骤上述步骤两次，得到高纯镓。经辉光质谱法(GlowDischargeMassSpectrometry:GDMS)检测可知，高纯镓的纯度为6N。辉光质谱法(GlowDischargeMassSpectrometry;GDMS)■—种痕量元素的检测方法。辉光放电质谱由辉光放电离子源和质谱分析器两部分组成，辉光放电离子源(GD源)利用惰性气体(一般是氩气，压强约10-100Pa)在上千伏特电压下电离产生的离子撞击样品表面使之发生溅射，溅射产生的样品原子扩散至等离子体中进一步离子化，进而被质谱分析器收集检测其工作原理为以样品当作耙材。分析过程中无辅助试剂纯度和分析环境的影响，测量精度极高。实施例2直径为20cm圆柱形有机容器，用电子级去离子水清洗后烘干；称量固态镓原料的质量，然后将25Kg固态镓加热到3CTC熔融后加入容器内，将容器置于25'C的循环水浴中，镓液的液面高度低于水浴液面高度；将10g超高纯镓(纯度》7N)均匀涂敷于圆柱形杆的顶端制成籽晶，杆顶部与天平托盘上的砝码相联固定，将杆上涂有籽晶的部分置于镓液中心，读取天平上的读数变化，精确获得凝固Ga的凝固质量和凝固质量分数，当凝固质量分数达到80%时，取出固体镓，将液体倒出进行固液分离；获得的固体Ga作为原料；重复步骤上述步骤i次，可得到7N的高纯镓。实施例3直径为15cm圆柱形有机容器，用电子级去离子水清洗后烘干；称量固态镓原料的质量，然后将8Kg固态镓加热到35'C熔融后加入容器内，将容器置于20°C的循环水浴中，镓液的液面高度低于水浴液面高度；将8g超高纯镓(纯度》7N)均匀涂敷于圆柱形杆的顶端制成籽晶，杆顶部与天平托盘上的砝码相联固牢，将杆上涂有籽晶的部分置于镓液中心，读取天平上的读数变化，精确获得凝固Ga的凝固质量和凝固质量分数，当凝固质量分数达到60%时，取出固体镓，将液体倒出进行固液分离；获得的固体Ga作为原料；重复步骤上述步骤七次，可得到8N的高纯镓。实施例4直径为15cm圆柱形有机容器，用电子级去离子水清洗后烘干；称量固态镓原料的质量，然后将12Kg固态镓加热到35'C熔融后加入容器内，将容器置于2(TC的循环水浴中，镓液的液面高度低于水浴液面高度；将7g超高纯镓(纯度》7N)均匀涂敷于圆柱形杆的顶端制成籽晶，杆顶部与天平托盘上的砝码相联固定，将杆上涂有籽晶的部分置于镓液中心，读取天平上的读数变化，精确获得凝固Ga的凝固质量和凝固质量分数，当凝固质量分数达到90%时，取出固体镓，将液体倒出进行固液分离；获得的固体Ga作为原料；重复步骤上述步骤三次，可得到6N的高纯镓。实施例5直径为15cm圆柱形有机容器，用电子级去离子水清洗后烘干；称量固态镓原料的质量，然后将20Kg固态镓加热到35X:熔融后加入容器内，将容器置于2(TC的循环水浴中，镓液的液面高度低于水浴液面高度；将7g超高纯镓(纯度》7N)均匀涂敷于圆柱形杆的顶端制成籽晶，杆顶部与天平托盘上的砝码相联固定，将杆上涂有籽晶的部分置于镓液中心，读取天平上的读数变化，精确获得凝固Ga的凝固质量和凝固质量分数，当凝固质量分数达到70%时，取出固体镓，将液体倒出进行固液分离；获得的固体Ga作为原料；重复步骤上述步骤两次，可得到6N的高纯镓。实施例6直径为15cm圆柱形有机容器，用电子级去离子水清洗后烘干；称量固态镓原料的质量，然后将22Kg固态镓加热到35'C熔融后加入容器内，将容器置于2(TC的循环水浴中，镓液的液面高度低于水浴液面高度；将7g超高纯镓(纯度》7N)均匀涂敷于圆柱形杆的顶端制成籽晶，杆顶部与天平托盘上的砝码相联固定，将杆上涂有籽晶的部分置于镓液中心，读取天平上的读数变化，精确获得凝固Ga的凝固质量和凝固质量分数，当凝固质量分数达到60%时，取出固体镓，将液体倒出进行固液分离；获得的固体Ga作为原料；重复步骤上述步骤四次，可得到7N的高纯镓。权利要求1.一种高纯镓的制备方法，包括以下步骤步骤1直径为10cm～20cm圆柱形有机容器，用电子级去离子水清洗后，烘干；步骤2称取固态镓原料的质量，将2Kg～25Kg的镓原料加热熔融，温度为30℃～40℃，将熔融的液态镓加入圆柱形有机容器内；步骤3环境温度控制在20℃-25℃，将圆柱形有机容器置于15℃～25℃的循环水浴中，镓液的液面高度低于水浴液面高度，且将循环水的流速控制在1.0L/min～3.0L/min；步骤4将5g～10g、纯度≥7N的镓均匀涂敷于圆柱形杆的一端，制成籽晶；将圆柱形杆的另一端与天平的称重端连接；步骤5将圆柱形杆上涂有籽晶的部分置于镓液中心后，利用镓凝固时发生的体积膨胀，精确获得凝固Ga的凝固质量和凝固质量分数；步骤6当凝固质量分数达到60％～90％时，取出固体镓，将液体倒出进行固液分离；获得的固体Ga，并以此作为镓原料；步骤7重复步骤(1)～(6)两至七次，可得到6N～8N的高纯镓。全文摘要高纯镓的制备方法用去离子水清洗有机容器后，烘干；将2Kg～25Kg的镓原料加热熔融，将熔融的液态镓加入容器内；环境温度控制在20℃-25℃，将容器置于15℃～25℃的循环水浴中，镓液的液面低于水浴液面，且将循环水的流速控制在1.0L/min～3.0L/min；将5g～10g、纯度≥7N的镓涂于圆柱形杆的一端，制成籽晶；将圆柱形杆的另一端与天平称重端连接；将圆柱形杆上涂有籽晶的部分置于镓液后，用镓凝固时发生的体积膨胀，获得凝固Ga的凝固质量和凝固质量分数；当凝固质量分数达到60％～90％时，取出固体镓，将液体倒出进行固液分离；获得的固体Ga，并以此作为镓原料；重复步骤1～6两至七次。文档编号C22B58/00GK101386923SQ200810234959公开日2009年3月18日申请日期2008年11月5日优先权日2008年11月5日发明者刘文兵,锋方,王东静,范家骅,蒋建清申请人:东南大学