مراحل و پارامترهای فرآیند کادمیوم

I. پیش تصفیه مواد اولیه و خالص سازی اولیه

1. ‎‏‎ ...تهیه خوراک کادمیوم با خلوص بالا‎‏‎ ...

• ‎‏‎ ...شستشوی اسیدیشمش‌های کادمیوم صنعتی را به مدت ۱ تا ۲ ساعت در محلول اسید نیتریک ۵ تا ۱۰ درصد در دمای ۴۰ تا ۶۰ درجه سانتیگراد غوطه‌ور کنید تا اکسیدهای سطحی و ناخالصی‌های فلزی از بین بروند. با آب دیونیزه تا pH خنثی بشویید و در خلاء خشک کنید.
• ‎‏‎ ...لیچینگ هیدرومتالورژی‌: پسماندهای حاوی کادمیوم (مثلاً سرباره مس-کادمیوم) را با اسید سولفوریک (غلظت ۱۵-۲۰٪) در دمای ۸۰-۹۰ درجه سانتیگراد به مدت ۴-۶ ساعت تصفیه کنید و به راندمان شستشوی کادمیوم ≥۹۵٪ برسید. برای جابجایی، پودر روی (با نسبت استوکیومتری ۱.۲-۱.۵ برابر) را فیلتر کرده و اضافه کنید تا اسفنج کادمیوم به دست آید.

1. ‎‏‎ ...ذوب و ریخته‌گری‎‏‎ ...

• کادمیوم اسفنجی را در بوته‌های گرافیتی با خلوص بالا قرار دهید، در اتمسفر آرگون در دمای 320-350 درجه سانتیگراد ذوب کنید و برای خنک شدن آهسته در قالب‌های گرافیتی بریزید. شمش‌هایی با چگالی ≥8.65 گرم بر سانتی‌متر مکعب تشکیل دهید.

دوم. پالایش منطقه‌ای

1. ‎‏‎ ...تجهیزات و پارامترها‎‏‎ ...

• از کوره‌های ذوب افقی با ناحیه شناور با عرض ناحیه مذاب ۵-۸ میلی‌متر، سرعت پیشروی ۳-۵ میلی‌متر در ساعت و ۸-۱۲ پاس پالایش استفاده کنید. گرادیان دما: ۵۰-۸۰ درجه سانتیگراد بر سانتی‌متر؛ خلاء ≤۱۰⁻³ پاسکال
• ‎‏‎ ...جداسازی ناخالصیمنطقه تکرارشونده، سرب، روی و سایر ناخالصی‌ها را از انتهای شمش عبور می‌دهد. بخش نهایی غنی از ناخالصی ۱۵ تا ۲۰ درصد را حذف می‌کند و به خلوص میانی ≥۹۹.۹۹۹ درصد می‌رسد.

1. ‎‏‎ ...کنترل‌های کلیدی‎‏‎ ...

• دمای ناحیه مذاب: ۴۰۰-۴۵۰ درجه سانتیگراد (کمی بالاتر از نقطه ذوب کادمیوم ۳۲۱ درجه سانتیگراد)؛
• نرخ خنک‌سازی: 0.5-1.5 درجه سانتی‌گراد در دقیقه برای به حداقل رساندن عیوب شبکه؛
• سرعت جریان آرگون: 10-15 لیتر در دقیقه برای جلوگیری از اکسیداسیون

III. پالایش الکترولیتی

1. ‎‏‎ ...فرمولاسیون الکترولیت‎‏‎ ...

• ترکیب الکترولیت: سولفات کادمیوم (CdSO₄، ۸۰-۱۲۰ گرم در لیتر) و اسید سولفوریک (pH 2-3)، به همراه ۰.۰۱-۰.۰۵ گرم در لیتر ژلاتین برای افزایش چگالی رسوب کاتد

1. ‎‏‎ ...پارامترهای فرآیند‎‏‎ ...

• آند: صفحه کادمیوم خام؛ کاتد: صفحه تیتانیوم؛
• چگالی جریان: ۸۰-۱۲۰ آمپر بر متر مربع؛ ولتاژ سلول: ۲.۰-۲.۵ ولت؛
• دمای الکترولیز: 30-40 درجه سانتیگراد؛ مدت زمان: 48-72 ساعت؛ خلوص کاتد ≥99.99٪

IV. تقطیر کاهشی در خلاء

1. ‎‏‎ ...کاهش و جداسازی در دمای بالا‎‏‎ ...

• شمش‌های کادمیوم را در کوره خلاء (فشار ≤10⁻² پاسکال) قرار دهید، هیدروژن را به عنوان احیاکننده وارد کنید و تا دمای 800 تا 1000 درجه سانتیگراد حرارت دهید تا اکسیدهای کادمیوم به کادمیوم گازی تبدیل شوند. دمای کندانسور: 200 تا 250 درجه سانتیگراد؛ خلوص نهایی ≥99.9995٪

1. ‎‏‎ ...اثربخشی حذف ناخالصی‎‏‎ ...

• سرب، مس و سایر ناخالصی‌های فلزی باقیمانده ≤0.1 ppm؛
• میزان اکسیژن ≤5 ppm

V. رشد تک بلور Czochralski

1. ‎‏‎ ...کنترل ذوب و آماده‌سازی کریستال بذر‎‏‎ ...

• شمش‌های کادمیوم با خلوص بالا را در بوته‌های کوارتز با خلوص بالا قرار دهید و در دمای ۳۴۰ تا ۳۶۰ درجه سانتیگراد زیر آرگون ذوب کنید. از دانه‌های کادمیوم تک کریستالی با جهت‌گیری <100> (با قطر ۵ تا ۸ میلی‌متر) که در دمای ۸۰۰ درجه سانتیگراد از قبل آنیل شده‌اند تا تنش‌های داخلی از بین بروند، استفاده کنید.

1. ‎‏‎ ...پارامترهای کشش کریستال‎‏‎ ...

• سرعت کشش: ۱.۰-۱.۵ میلی‌متر در دقیقه (مرحله اولیه)، ۰.۳-۰.۵ میلی‌متر در دقیقه (رشد پایدار)؛
• چرخش بوته: ۵-۱۰ دور در دقیقه (چرخش معکوس)؛
• گرادیان دما: 2-5 درجه سانتیگراد بر میلی‌متر؛ نوسان دمای سطح مشترک جامد-مایع ≤±0.5 درجه سانتیگراد

1. ‎‏‎ ...تکنیک‌های سرکوب نقص‎‏‎ ...

• ‎‏‎ ...کمک میدان مغناطیسیاعمال میدان مغناطیسی محوری 0.2 تا 0.5 تسلا برای سرکوب تلاطم مذاب و کاهش شیارهای ناخالصی؛
• ‎‏‎ ...خنک‌کننده کنترل‌شدهسرعت خنک‌سازی پس از رشد ۱۰ تا ۲۰ درجه سانتی‌گراد بر ساعت، عیوب نابجایی ناشی از تنش حرارتی را به حداقل می‌رساند.

ششم. پس‌پردازش و کنترل کیفیت

1. ‎‏‎ ...ماشینکاری کریستال‎‏‎ ...

• ‎‏‎ ...برشاز اره‌های سیمی الماسه برای برش ویفرهای ۰.۵ تا ۱.۰ میلی‌متری با سرعت سیم ۲۰ تا ۳۰ متر بر ثانیه استفاده کنید.
• ‎‏‎ ...پولیش کاری‌: پرداخت مکانیکی شیمیایی (CMP) با مخلوط اسید نیتریک-اتانول (نسبت حجمی ۱:۵)، دستیابی به زبری سطح Ra ≤0.5 نانومتر.

1. ‎‏‎ ...استانداردهای کیفیت‎‏‎ ...

• ‎‏‎ ...خلوصطیف‌سنجی جرمی تخلیه تابشی (GDMS) میزان آهن، مس و سرب کمتر یا مساوی ۰.۱ ppm را تأیید می‌کند؛
• ‎‏‎ ...مقاومت ویژه‎: ≤5×10⁻⁸ اهم·متر (خلوص ≥99.9999%)؛
• ‎‏‎ ...جهت‌گیری کریستالوگرافیانحراف کمتر از ۰.۵ درجه؛ چگالی نابجایی ≤۱۰³/cm²

VII. دستورالعمل‌های بهینه‌سازی فرآیند

1. ‎‏‎ ...حذف هدفمند ناخالصی‎‏‎ ...

• استفاده از رزین‌های تبادل یونی برای جذب انتخابی مس، آهن و غیره، همراه با تصفیه منطقه‌ای چند مرحله‌ای برای دستیابی به خلوص درجه 6N (99.9999%)

1. ‎‏‎ ...ارتقاء اتوماسیون‎‏‎ ...

• الگوریتم‌های هوش مصنوعی به صورت پویا سرعت کشش، گرادیان دما و غیره را تنظیم می‌کنند و بازده را از ۸۵٪ به ۹۳٪ افزایش می‌دهند.
• افزایش اندازه بوته تا ۳۶ اینچ، امکان تولید ۲۸۰۰ کیلوگرم خوراک در هر دسته و کاهش مصرف انرژی تا ۸۰ کیلووات ساعت بر کیلوگرم

1. ‎‏‎ ...پایداری و بازیابی منابع‎‏‎ ...

• بازیافت ضایعات شستشوی اسیدی از طریق تبادل یونی (بازیابی کادمیوم ≥۹۹.۵٪)؛
• تصفیه گازهای خروجی با جذب کربن فعال + شستشوی قلیایی (بازیابی بخار کادمیوم ≥۹۸٪)

خلاصه

فرآیند رشد و خالص‌سازی کریستال کادمیوم، هیدرومتالورژی، پالایش فیزیکی در دمای بالا و فناوری‌های رشد کریستال دقیق را با هم ادغام می‌کند. از طریق لیچینگ اسیدی، پالایش منطقه‌ای، الکترولیز، تقطیر در خلاء و رشد چکرالسکی - همراه با اتوماسیون و شیوه‌های سازگار با محیط زیست - تولید پایدار تک کریستال‌های کادمیوم با خلوص فوق‌العاده بالا و درجه 6N را امکان‌پذیر می‌سازد. این موارد، تقاضا برای آشکارسازهای هسته‌ای، مواد فتوولتائیک و دستگاه‌های نیمه‌هادی پیشرفته را برآورده می‌کنند. پیشرفت‌های آینده بر رشد کریستال در مقیاس بزرگ، جداسازی هدفمند ناخالصی و تولید کم کربن متمرکز خواهد شد.