fraktionierte Kristallisation

Chemie, Physikalische Chemie, Verfahren zur Reinigung von Feststoffen (z.B. Silicium, Germanium) durch wiederholtes Schmelzen und Erstarren. Wird eine Flüssigkeit A, die mit B verunreinigt ist, auf die Schmelztemperatur abgekühlt, so kristallisiert nach dem Hebelgesetz ein Feststoff aus, der einen niedrigeren Gehalt an B hat als die Schmelze. Dieser mit etwas weniger B verunreinigte Feststoff kann erneut geschmolzen und kristallisiert werden. Das Verfahren kann so lange fortgeführt werden, bis die Schmelze A kein B mehr enthält (Abb. 1). Die Gleichgewichtseinstellung des Festkörpers dauert jedoch sehr lange, so dass dieses Verfahren sehr kostspielig ist. In der Praxis verwendet man daher das Zonenschmelzen (Abb. 2). Es beruht auf der Umkehrung der fraktionierten Kristallisation, indem der Feststoff in fortschreitenden Zonen aufgeschmolzen wird. In der Schmelze reichert sich die Verunreinigung B an und befindet sich nach mehrmaligem Wiederholen des Aufschmelzens und Erstarrens an einem Ende der Probe. Mit Hilfe einer Modifikation dieses Verfahrens - der Zonendotierung - wird eine definierte Menge eines Zusatzstoffes (z.B. Indium in Germanium) gleichmässig eingebracht. Dabei wird eine mit der Dotierungssubstanz angereicherte Zone mehrfach durch Aufschmelzen und Erstarren in die Probe eingebracht.

fraktionierte Kristallisation 1: Schmelzdiagramm einer Substanz A in Abhängigkeit vom Molenbruch x_B der Substanz B. 1) Fraktionierte Kristallisation mit Gleichgewichtseinstellung: Abkühlung der Schmelze entlang der Isoplethe durch a. Bei a₁ kristallisiert ein Feststoff der Zusammensetzung b₁ aus. 2) Zonenschmelzen ohne Gleichgewichtseinstellung im Festkörper: Abkühlung der Schmelze entlang der Isoplethe durch a bis a₂. Es kristallisiert ein Feststoff der Zusammensetzung b₂ aus. Die Schmelze hat dann die Zusammensetzung . Durch Abkühlung entlang der neuen Isoplethe entsteht ein Feststoff b₃ und eine Schmelze . Nach einer Serie von Zonenschmelzungen hat sich B an einem Ende der Probe angereichert und A liegt rein vor.

fraktionierte Kristallisation 2: Zonenschmelzen einer stabförmigen Probe. Nach einer Serie von Zonenschmelzen hat sich die Verunreinigung am rechten Ende angereichert.