Kako izračunati čistost silicijevega dioksida (SiO₂) v kvarčnih materialih

Za začetek potrebujete poročilo GDMS (masna spektrometrija žarilnih razpršil). To lahko uporabite za predhodno oceno teoretične čistosti silicijevega dioksida (SiO₂). Vendar je treba upoštevati naslednje ključne omejitve in metode izračuna:

---

Poročilo GDMS

1. Primer metode za oceno čistosti SiO₂

(1) Metoda neposrednega izračuna (metoda odbitka glavne komponente)

Predpostavka:
Glavna sestavina kremenove cevi je SiO₂, vsi drugi elementi pa veljajo za nečistoče.

Formula:
Čistost SiO₂ ≈ 100% - Σ (vsebnost vseh elementov nečistoč)

Koraki za izračun:

1. Iz poročila izpišite vsebnost vseh elementov nečistoč, razen kisika in silicija (v ppm po masi).
2. Vsebnosti nečistoč seštejemo, da dobimo skupno vsebnost nečistoč.
3. Od 100% odštejte skupni odstotek nečistoč (ppm ÷ 10.000).

---

(2) Dejanski izračun (na podlagi podatkov iz poročila)

Določite skupno količino odkritih nečistoč (enota: ppm):

Li (0,16) + B (1,1) + Na (0,29) + Mg (0,05) + Al (11) + Ti (3,4) + K (0,58) + druge zgornje meje (npr. 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 (konzervativna ocena, izračunana z uporabo zgornjih mej)

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

---

(3) Korekcijski faktorji

• Neodkriti elementi: Elementi, ki so v poročilu označeni z "-" (kot so Au, Hg itd.), so lahko pod mejo zaznavnosti instrumenta, vendar se ne štejejo med skupne nečistoče.
• Vsebnost kisika ni določena: V poročilu je kisik označen le kot "glavna sestavina", vendar v dejanskem SiO₂ kisik predstavlja 53,2% njegove sestave (potreben je popravek stehiometričnega razmerja).

---

2. Ocenjevanje čistosti Zaključek

• Konservativna čistost: ≥ 99,81% (izračunano z uporabo zgornjih mej nečistoč, zaznanih z GDMS)
• Dejanska čistost je lahko večja: Če so nekateri elementi precej pod zgornjo mejo (npr. Fe le 0,1 ppm), lahko čistost doseže 99.9%.

---

3. Ključne omejitve in premisleki

(1) Omejitve metode GDMS

• Polkvantitativni podatki: Na primer, Fe <0,5 ppm je lahko dejansko 0,1 ppm ali 0,01 ppm, kar lahko bistveno vpliva na izračun čistosti.
• Manjkajo svetlobni elementi: GDMS ima šibko sposobnost zaznavanja lahkih elementov, kot sta C in H, kar lahko privede do podcenjevanja skupnih nečistoč (npr. hidroksil OH- ni zaznan).

(2) Primerjava z industrijskimi standardi

Razred materiala	Tipična zahteva po čistosti SiO₂	Čistost, ocenjena na podlagi GDMS	Izpolnjuje standard
Industrijski kremen	≥99.5%	99.81%	✅ Da
Fotovoltaični kremen	≥99.9%	Blizu, a negotovo	⚠ Potrebno preverjanje ICP-MS
Polprevodniški kremen	≥99.99%	Ni doseženo	❌ Ne

---

4. Priporočila za uporabo materiala

• Industrijska/splošna raba: Čistost 99,8% je zadostna in se lahko uporablja neposredno.
• Uporaba fotovoltaike/polprevodnikov:
  • Z ICP-MS potrdite, ali so kritične kovinske nečistoče (Fe, Na itd.) res pod 0,1 ppm.
  • Dopolnite s testiranjem FTIR za določitev vsebnosti hidroksila (OH- < 5 ppm).

Povzetek:
Ta material spada med kremen industrijskega razreda visoke čistosti, vendar ne izpolnjuje zahtev polprevodniškega razreda (4N5 ali 5N).

Podlaga za odločitev:
Če je postopek stranke občutljiv na onesnaženje s Fe/Na (npr. sončne celice PERC), je treba dati prednost preverjanju dejanskih ravni nečistoč.