Come calcolare la purezza della silice (SiO₂) dei materiali di quarzo

Per iniziare, è necessario un rapporto GDMS (Glow Discharge Mass Spectrometry). Questo può essere utilizzato per fare una stima preliminare della purezza teorica della silice (SiO₂). Tuttavia, è necessario tenere presenti le seguenti limitazioni e metodi di calcolo:

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Rapporto GDMS

1. Esempio di metodo per la stima della purezza di SiO₂

(1) Metodo di calcolo diretto (metodo della deduzione della componente principale)

Ipotesi:
Il componente principale del tubo di quarzo è SiO₂, mentre tutti gli altri elementi sono considerati impurità.

Formula:
SiO₂ purezza ≈ 100% - Σ (contenuto di tutti gli elementi di impurità)

Fasi di calcolo:

1. Estrarre dal rapporto il contenuto di tutti gli elementi di impurità diversi da ossigeno e silicio (in ppm di peso).
2. Sommare i contenuti di impurità per ottenere il contenuto totale di impurità.
3. Sottrarre la percentuale di impurità totale (ppm ÷ 10.000) da 100%.

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(2) Calcolo effettivo (basato sui dati del rapporto)

Determinare la quantità totale di impurità rilevate (unità: ppm):

Li (0,16) + B (1,1) + Na (0,29) + Mg (0,05) + Al (11) + Ti (3,4) + K (0,58) + altri limiti superiori (ad esempio, Fe <0,5, Cr <0,5...)

≈ 0,16 + 1,1 + 0,29 + 0,05 + 11 + 3,4 + 0,58 + 0,5 (Fe) + 0,5 (Cr) + 0,05 (Ni) + 0,1 (Cu) + 1 (Ca)

≈ 18,73 ppm (stima prudenziale, calcolata utilizzando i limiti superiori)

SiO₂ Purezza:
100% - (18,73 ÷ 10.000) = 99.8127%

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(3) Fattori di correzione

• Elementi non rilevati: Gli elementi contrassegnati con "-" nel rapporto (come Au, Hg, ecc.) possono essere al di sotto del limite di rilevazione dello strumento, ma non vengono conteggiati nel totale delle impurità.
• Contenuto di ossigeno non quantificato: Il rapporto indica l'ossigeno solo come "componente principale", ma nel SiO₂ reale l'ossigeno rappresenta il 53,2% della sua composizione (è necessaria una correzione del rapporto stechiometrico).

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2. Valutazione della purezza Conclusione

• Purezza conservatrice: ≥ 99,81% (calcolato utilizzando i limiti superiori delle impurezze rilevate dal GDMS)
• La purezza effettiva può essere superiore: Se alcuni elementi sono ben al di sotto dei loro limiti superiori (per esempio, il Fe è solo 0,1 ppm), la purezza potrebbe raggiungere 99.9%.

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3. Limitazioni e considerazioni chiave

(1) Limitazioni del metodo GDMS

• Dati semi-quantitativi: Ad esempio, Fe <0,5 ppm potrebbe essere in realtà 0,1 ppm o 0,01 ppm, il che può influenzare significativamente il calcolo della purezza.
• Elementi luminosi mancanti: Il GDMS ha una debole capacità di rilevamento per elementi leggeri come C e H, che può portare a sottostimare le impurità totali (ad esempio, l'idrossile OH- non viene rilevato).

(2) Confronto con gli standard del settore

Grado del materiale	Tipico requisito di purezza di SiO₂	Purezza stimata da GDMS	Soddisfa lo standard
Quarzo di livello industriale	≥99.5%	99.81%	✅ Sì
Quarzo fotovoltaico	≥99.9%	Vicino, ma incerto	⚠ Necessaria la verifica ICP-MS
Quarzo per semiconduttori	≥99.99%	Non raggiunto	❌ No

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4. Raccomandazioni per l'applicazione del materiale

• Uso industriale/generale: La purezza del 99,8% è sufficiente e può essere utilizzata direttamente.
• Uso del fotovoltaico/semiconduttore:
  • Utilizzare l'ICP-MS per confermare se le impurità metalliche critiche (Fe, Na, ecc.) sono veramente inferiori a 0,1 ppm.
  • Integrare con test FTIR per determinare il contenuto di idrossili (OH- < 5 ppm).

Sintesi:
Questo materiale appartiene al quarzo industriale di elevata purezza, ma non soddisfa i requisiti per i semiconduttori (4N5 o 5N).

Base decisionale:
Se il processo del cliente è sensibile alla contaminazione da Fe/Na (ad esempio, celle solari PERC), la priorità deve essere data alla verifica dei livelli effettivi di impurità.