عناصر الشوائب لها تأثير كبير على جودة منتجات الكوارتز عالية النقاء، ومحتوى المعادن القلوية والمعادن الانتقالية وعناصر Al وB هو مؤشر رئيسي للمواد الخام الكوارتز عالية النقاء. تختلف المتطلبات الخاصة بمحتوى عناصر الشوائب حسب الغرض من زجاج الكوارتز المحضر، ولكن الاتجاه العام هو أنه كلما كان أقل كلما كان أفضل.
عنصر معدني قلوي
تشتمل العناصر المعدنية القلوية الموجودة في رمل الكوارتز بشكل أساسي على عناصر الليثيوم (Li)، والصوديوم (Na)، والبوتاسيوم (K). وتنتشر هذه العناصر بسهولة وتنشط كيميائيًا في الكوارتز، مما يجعلها سهلة الإزالة نسبيًا. ومع ذلك، فإنها تشكل ضررا كبيرا. عند درجات الحرارة المرتفعة، تعمل هذه العناصر كتدفقات، مما يسبب ظواهر سيئة مثل فقدان الشفافية وتشوه درجة الحرارة العالية في الزجاج ذو درجة الحرارة العالية. إنها تحفز التبلور، وتؤثر على الاستقرار الحراري لمنتجات الكوارتز، وتؤثر أيضًا على الخصائص البصرية والحرارية لزجاج الكوارتز، مما يقلل من عمر أشباه الموصلات، وسيزداد معامل العزل الكهربائي وفقدان العزل الكهربائي لزجاج الكوارتز، في حين أن سرعة الانتشار والقوة الميكانيكية لزجاج الكوارتز سينخفض الضوء في منتجات الكوارتز.
يعد تقليل محتوى العناصر المعدنية القلوية مفيدًا في تحسين نقطة التليين لبوتقات الكوارتز عالية النقاء، وتعزيز مقاومتها للتشوه، وتحسين إنتاجية البلورات المفردة. يتطلب رمل IOTA القياسي ما مجموعه 2.4 عنصرًا فلزًا قلويًا × 10-6، ويبلغ إجمالي الكوارتز عالي النقاء المطلوب لبوتقات أشباه الموصلات المستخدمة في أنابيب المعالجة ومعالجة رقائق السيليكون وكتل الكوارتز واستخراج السيليكون أحادي البلورية 1.4 × 10-6، تشيكوسلوفاكيا تتطلب البوتقات إجمالي 0.5 × 10-6، والإجمالي المطلوب لرمل الكوارتز عالي النقاء المستخدم لرقائق السيليكون مقاس 12 بوصة أو أكبر هو 0.08 × 10-6.
العناصر المعدنية الانتقالية
تشتمل العناصر المعدنية الانتقالية المطعمة في رمل الكوارتز بشكل أساسي على الحديد (Fe)، والزنك (Zn)، والنحاس (Cu)، والكروم (Cr)، والمنغنيز (Mn)، والنيكل (Ni)، وعناصر أخرى. هذه العناصر لها تأثير كبير على منتجات الكوارتز، ويمكن أن تذوب العناصر النزرة في ذوبان السيليكون لمنع التوصيل، مما يضر بإمكانية التنبؤ وموثوقية الجهاز. التأثير الموضوعي على منتجات الكوارتز هو إنتاج بقع ملونة أو التسبب في تغير اللون بسبب درجة الحرارة العالية، مما يقلل من نفاذية الضوء.
في تطبيقات الألياف الضوئية، يمكن أن يسبب تفاوتًا جزئيًا، ويزيد من فقدان الألياف، بل ويؤدي إلى تشويه الإشارة. ومع ذلك، في تطبيقات أشباه الموصلات، يمكن للمحتوى الصغير من العناصر المعدنية الانتقالية في المنتج أن يعزز نمو البلورات.
عنصر الألومنيوم البورون
يرتبط محتوى عنصر البورون (B) في رمل الكوارتز ارتباطًا مباشرًا بجيولوجيا خام الكوارتز. يمكن لأيونات B أن تدخل إطار جزيئات السيليكات وتولد روابط كيميائية قوية، وليس فقط في المعادن التي تحتوي على البورون. إن الكمية الزائدة من العنصر B لها تأثير قاتل على سحب السيليكون أحادي البلورة، ويمكن لعنصر 1×10-6 B أن يقلل بشكل كبير من مقاومة السيليكون أحادي البلورة. تتطلب بوتقات الكوارتز عالية النقاء متطلبات عالية لـ B، مع محتوى عنصر أقل من 0.04 × 10-6.
يتواجد عنصر الألومنيوم (Al) بشكل رئيسي في معادن الشوائب مثل الفلسبار والطين والميكا الموجودة في رمل الكوارتز. وهو عنصر الشوائب الأكثر وفرة في رمل الكوارتز، ويمكن لـ Al الدخول إلى إطار Si-O رباعي السطوح ليحل محل السيليكون، وتشكيل هيكل Al-O. بعد أن يحل Al3+ محل Si4+، يتم اختيار العناصر المعدنية القلوية أو حتى العناصر المعدنية الانتقالية لتعويض الشحنة لموازنة الشحنة. لن تتم إزالة Al الذي يدخل الهيكل العظمي Si-O بسهولة. آل له تأثير ضئيل على أشباه الموصلات، ولكن له تأثير كبير على زجاج الكوارتز المستخدم لمصادر الضوء الكهربائية. نظرًا لأن الذكاء الاصطناعي يمكنه تلوين منتجات الكوارتز في ظل ظروف معينة، فإنه يؤثر على النفاذية الطيفية وبالتالي يؤثر على كفاءة الضوء. يتطلب رمل IOTA القياسي محتوى العنصر (12-18) × 10-6.
العناصر غير المعدنية
تتكون العناصر غير المعدنية في رمل الكوارتز بشكل رئيسي من الأكسجين (O)، الهيدروجين (H)، النيتروجين (N)، وعناصر أخرى. الجسم الرئيسي للأكسجين هو SiO2، بينما يوجد البعض الآخر على شكل H2O، N2، وO2. سيؤدي كسر روابط Si-O في SiO2 إلى عيوب تتحد مع OH أو H لتكوين مجموعات SiH أو SiOH. تعتبر مجموعات الهيدروكسيل عبارة عن عيوب شوائب وعيوب هيكلية للشبكة.
مجموعات الهيدروكسيل لها تأثير كبير على خصائص الكوارتز وزجاج الكوارتز. أولاً، وجود مجموعات الهيدروكسيل يقلل من الاستقرار الكيميائي للكوارتز. ثانيًا، تعمل مجموعات الهيدروكسيل على زيادة مسامية بنية الكوارتز، وتقليل الكثافة، وتقليل قوة الارتباط، وتقليل سرعة انتشار الصوت في زجاج الكوارتز. يمكن لمجموعات الهيدروكسيل أيضًا أن تقلل من لزوجة الكوارتز، كما أن وجود مجموعات الهيدروكسيل في درجات حرارة منخفضة يمكن أن يسبب انخفاضًا ملحوظًا في اللزوجة. بالإضافة إلى ذلك، تؤثر مجموعات الهيدروكسيل أيضًا على نقاء المنتجات الإلكترونية، وتقلل من درجة حرارة تليين الكوارتز، وتعزز هطول الأمطار البلوري، وتقلل من معامل الانكسار للكوارتز، وتؤثر على التوحيد البصري لزجاج الكوارتز.
