Các nguyên tố tạp chất có tác động đáng kể đến chất lượng của các sản phẩm thạch anh có độ tinh khiết cao và hàm lượng kim loại kiềm, kim loại chuyển tiếp, các nguyên tố Al và B là chỉ số chính của nguyên liệu thạch anh có độ tinh khiết cao. Các yêu cầu về hàm lượng các nguyên tố tạp chất khác nhau tùy thuộc vào mục đích của thủy tinh thạch anh đã chuẩn bị, nhưng xu hướng chung là càng thấp thì càng tốt.
Nguyên tố kim loại kiềm
Các nguyên tố kim loại kiềm trong cát thạch anh chủ yếu bao gồm các nguyên tố lithium (Li), natri (Na) và kali (K). Những nguyên tố này dễ dàng khuếch tán và hoạt động hóa học trong thạch anh, khiến chúng tương đối dễ bị loại bỏ. Tuy nhiên, chúng gây ra tác hại rất lớn. Ở nhiệt độ cao, các nguyên tố này hoạt động như chất trợ dung, gây ra các hiện tượng xấu như mất độ trong suốt và biến dạng ở nhiệt độ cao ở kính nhiệt độ cao. Chúng xúc tác cho quá trình kết tinh, ảnh hưởng đến độ ổn định nhiệt của sản phẩm thạch anh, đồng thời cũng ảnh hưởng đến tính chất quang và nhiệt của thủy tinh thạch anh, làm giảm tuổi thọ của chất bán dẫn, hệ số điện môi và độ mất điện của thủy tinh thạch anh sẽ tăng lên, đồng thời tốc độ truyền và độ bền cơ học của thủy tinh thạch anh sẽ tăng lên. ánh sáng trong sản phẩm thạch anh sẽ giảm đi.
Việc giảm hàm lượng các nguyên tố kim loại kiềm có lợi cho việc cải thiện điểm làm mềm của nồi nấu kim loại thạch anh có độ tinh khiết cao, tăng cường khả năng chống biến dạng của chúng và cải thiện năng suất của các tinh thể đơn lẻ. Cát tiêu chuẩn IOTA yêu cầu tổng cộng 2,4 nguyên tố kim loại kiềm × 10-6, tổng lượng thạch anh có độ tinh khiết cao cần thiết cho nồi nấu kim loại bán dẫn dùng cho ống xử lý, xử lý wafer silicon, khối thạch anh và chiết xuất silicon đơn tinh thể là 1,4 × 10-6, CZ nồi nấu kim loại yêu cầu tổng cộng 0,5 × 10-6 và tổng yêu cầu đối với cát thạch anh có độ tinh khiết cực cao được sử dụng cho tấm silicon 12 inch hoặc lớn hơn là 0,08 × 10-6.
Nguyên tố kim loại chuyển tiếp
Các nguyên tố kim loại chuyển tiếp được pha tạp trong cát thạch anh chủ yếu bao gồm sắt (Fe), kẽm (Zn), đồng (Cu), crom (Cr), mangan (Mn), niken (Ni) và các nguyên tố khác. Những nguyên tố này có tác động đáng kể đến các sản phẩm thạch anh và các nguyên tố vi lượng có thể hòa tan vào silicon nóng chảy để ngăn chặn tính dẫn điện, làm ảnh hưởng đến khả năng dự đoán và độ tin cậy của thiết bị. Tác động khách quan lên sản phẩm thạch anh là tạo ra các đốm màu hoặc gây biến màu ở nhiệt độ cao, làm giảm độ truyền ánh sáng.
Trong các ứng dụng cáp quang, nó có thể gây ra sự không đồng đều vi mô, làm tăng suy hao sợi và thậm chí dẫn đến méo tín hiệu. Tuy nhiên, trong các ứng dụng bán dẫn, hàm lượng nhỏ các nguyên tố kim loại chuyển tiếp trong sản phẩm có thể thúc đẩy sự phát triển của tinh thể.
Nguyên tố nhôm Boron
Hàm lượng nguyên tố boron (B) trong cát thạch anh có liên quan trực tiếp đến địa chất của quặng thạch anh. Các ion B có thể xâm nhập vào khung phân tử silicat và tạo ra các liên kết hóa học mạnh thay vì chỉ có trong các khoáng chất chứa boron. Lượng nguyên tố B quá mức có tác động nghiêm trọng đến việc vẽ silicon đơn tinh thể và nguyên tố B 1 × 10-6 có thể làm giảm đáng kể điện trở của silicon đơn tinh thể. Nồi nấu kim loại thạch anh có độ tinh khiết cao đòi hỏi yêu cầu cao về B, với hàm lượng nguyên tố nhỏ hơn 0,04 × 10-6.
Nguyên tố nhôm (Al) chủ yếu tồn tại trong các khoáng chất tạp chất như fenspat, đất sét, mica trong cát thạch anh. Nó là nguyên tố tạp chất có nhiều nhất trong cát thạch anh và Al có thể đi vào khung tứ diện Si-O để thay thế silicon, tạo thành cấu trúc Al-O. Sau khi Al3+ thay thế Si4+, các nguyên tố kim loại kiềm hoặc thậm chí các nguyên tố kim loại chuyển tiếp được chọn để bù điện tích nhằm cân bằng điện tích. Al đi vào khung Si-O sẽ không dễ bị loại bỏ. Al ít ảnh hưởng đến chất bán dẫn nhưng lại có tác động đáng kể đến thủy tinh thạch anh dùng làm nguồn sáng điện. Vì AI có thể tạo màu cho các sản phẩm thạch anh trong những điều kiện nhất định nên nó ảnh hưởng đến độ truyền quang phổ và do đó ảnh hưởng đến hiệu suất ánh sáng. Cát tiêu chuẩn IOTA yêu cầu hàm lượng nguyên tố Al (12-18) × 10-6.
Các nguyên tố phi kim loại
Các nguyên tố phi kim loại trong cát thạch anh chủ yếu bao gồm oxy (O), hydro (H), nitơ (N) và các nguyên tố khác. Chất chính của oxy là SiO2, trong khi các chất khác tồn tại ở dạng H2O, N2 và O2. Sự đứt gãy liên kết Si-O trong SiO2 sẽ dẫn đến các khuyết tật kết hợp với OH hoặc H tạo thành nhóm SiH hoặc SiOH. Các nhóm hydroxyl vừa là khuyết tật tạp chất vừa là khuyết tật cấu trúc mạng.
Các nhóm hydroxyl có tác động đáng kể đến tính chất của thạch anh và thủy tinh thạch anh. Thứ nhất, sự hiện diện của các nhóm hydroxyl làm giảm tính ổn định hóa học của thạch anh. Thứ hai, các nhóm hydroxyl làm tăng độ xốp của cấu trúc thạch anh, giảm mật độ, giảm lực liên kết và giảm tốc độ truyền âm trong thủy tinh thạch anh. Các nhóm hydroxyl cũng có thể làm giảm độ nhớt của thạch anh và sự hiện diện của các nhóm hydroxyl ở nhiệt độ thấp có thể làm giảm độ nhớt đáng kể hơn. Ngoài ra, các nhóm hydroxyl còn ảnh hưởng đến độ tinh khiết của sản phẩm điện tử, làm giảm nhiệt độ làm mềm của thạch anh, thúc đẩy kết tủa tinh thể, giảm chỉ số khúc xạ của thạch anh và ảnh hưởng đến tính đồng nhất quang học của thủy tinh thạch anh.
