Čistost selena kot pomembnega polprevodniškega materiala in industrijske surovine neposredno vpliva na njegovo delovanje. Med postopkom čiščenja z vakuumsko destilacijo so nečistoče kisika eden glavnih dejavnikov, ki vplivajo na čistost selena. Ta članek podrobno obravnava različne metode in tehnike za zmanjšanje vsebnosti kisika med čiščenjem selena z vakuumsko destilacijo.

I. Zmanjšanje vsebnosti kisika v fazi predobdelave surovin

1. Predhodno čiščenje surovin

Surovi selen običajno vsebuje različne nečistoče, vključno z oksidi. Preden selen vstopi v sistem vakuumske destilacije, je treba uporabiti kemične metode čiščenja za odstranitev površinskih oksidov. Pogosto uporabljene čistilne raztopine vključujejo:

• Razredčena raztopina klorovodikove kisline (koncentracija 5–10 %): Učinkovito raztopi okside, kot je SeO₂
• Etanol ali aceton: Uporablja se za odstranjevanje organskih onesnaževalcev
• Deionizirana voda: Večkratno izpiranje za odstranitev preostale kisline

Po čiščenju je treba sušenje izvesti v atmosferi inertnega plina (npr. Ar ali N₂), da se prepreči ponovna oksidacija.

2. Predredukcijska obdelava surovin

Redukcijska obdelava surovine pred vakuumsko destilacijo lahko znatno zmanjša vsebnost kisika:

• Redukcija vodika: Uvedba visoko čistega vodika (čistost ≥99,999 %) pri 200–300 °C za redukcijo SeO₂ v elementarni selen
• Karbotermična redukcija: Surovino selena zmešamo z visoko čistim ogljikovim prahom in segrejemo na 400–500 °C v vakuumu ali inertni atmosferi, kar sproži reakcijo C + SeO₂ → Se + CO₂
• Redukcija sulfidov: Plini, kot je H₂S, lahko reducirajo selenove okside pri relativno nizkih temperaturah.

II. Zasnova in optimizacija delovanja sistema za vakuumsko destilacijo

1. Izbira in konfiguracija vakuumskega sistema

Visok vakuum je ključnega pomena za zmanjšanje vsebnosti kisika:

• Uporabite kombinacijo difuzijske črpalke in mehanske črpalke, pri čemer končni vakuum doseže vsaj 10⁻⁴ Pa.
• Sistem mora biti opremljen s hladilno pastjo, da se prepreči povratna difuzija oljnih hlapov.
• Vsi priključki morajo imeti kovinska tesnila, da se prepreči uhajanje plinov iz gumijastih tesnil.
• Sistem mora biti podvržen zadostnemu razplinjevanju s pečenjem (200–250 °C, 12–24 ur).

2. Natančen nadzor temperature in tlaka destilacije

Optimalne kombinacije procesnih parametrov:

• Temperatura destilacije: Nadzorovana v območju 220–280 °C (pod vreliščem selena 685 °C)
• Sistemski tlak: Vzdržuje se med 1 in 10 Pa
• Hitrost segrevanja: 5–10 °C/min, da se prepreči močno izhlapevanje in odnašanje
• Temperatura kondenzacijske cone: Vzdržuje se pri 50–80 °C, da se zagotovi popolna kondenzacija selena

3. Tehnologija večstopenjske destilacije

Večstopenjska destilacija lahko postopoma zmanjša vsebnost kisika:

• Prva stopnja: Groba destilacija za odstranitev večine hlapnih nečistoč
• Druga faza: Natančen nadzor temperature za zbiranje glavne frakcije
• Tretja faza: Nizkotemperaturna, počasna destilacija za pridobitev produkta visoke čistosti
  Za frakcijsko kondenzacijo se lahko med stopnjami uporabijo različne temperature kondenzacije.

III. Pomožni procesni ukrepi

1. Tehnologija zaščite pred inertnim plinom

Čeprav deluje v vakuumu, ustrezna uporaba visoko čistega inertnega plina pomaga zmanjšati vsebnost kisika:

• Po evakuaciji sistema ga napolnite z visoko čistim argonom (čistost ≥99,9995 %) do tlaka 1000 Pa.
• Uporabite dinamično zaščito pretoka plina, tako da neprekinjeno vbrizgavate majhno količino argona (10–20 sccm)
• Na dovodih plina namestite visoko učinkovite čistilnike plina, da odstranite preostali kisik in vlago.

2. Dodajanje lovilcev kisika

Dodajanje ustreznih lovilcev kisika surovini lahko učinkovito zmanjša vsebnost kisika:

• Magnezij: Močna afiniteta za kisik, tvori MgO
• Aluminijev prah: Lahko hkrati odstrani kisik in žveplo
• Redke zemeljske kovine: kot so Y, La itd., z odličnimi učinki odstranjevanja kisika
  Količina lovilca kisika je običajno 0,1–0,5 mas. % surovine; presežne količine lahko vplivajo na čistost selena.

3. Tehnologija filtracije staljene snovi

Filtriranje staljenega selena pred destilacijo:

• Uporabite kremenčeve ali keramične filtre z velikostjo por 1–5 μm
• Nadzorujte temperaturo filtracije pri 220–250 °C
• Lahko odstrani trdne delce oksida
• Filtre je treba predhodno razpliniti pod visokim vakuumom

IV. Naknadna obdelava in shranjevanje

1. Zbiranje in ravnanje z izdelki

• Zbiralnik kondenzatorja mora biti zasnovan kot snemljiva struktura za enostavno pridobivanje materiala v inertnem okolju.
• Zbrane selenove ingote je treba zapakirati v argonsko rokavično škatlo.
• Po potrebi se lahko izvede površinsko jedkanje za odstranitev morebitnih oksidnih plasti.

2. Nadzor pogojev skladiščenja

• Skladiščni prostor naj bo suh (rosišče ≤ -60 °C)
• Uporabite dvoslojno zaprto embalažo, napolnjeno z visoko čistim inertnim plinom
• Priporočena temperatura shranjevanja pod 20 °C
• Izogibajte se izpostavljanju svetlobi, da preprečite fotokatalitske oksidacijske reakcije

V. Nadzor in testiranje kakovosti

1. Tehnologija spletnega spremljanja

• Namestite analizatorje preostalih plinov (RGA) za spremljanje parcialnega tlaka kisika v realnem času
• Uporaba senzorjev kisika za nadzor vsebnosti kisika v zaščitnih plinih
• Za identifikacijo značilnih absorpcijskih vrhov vezi Se-O uporabite infrardečo spektroskopijo

2. Analiza končnega izdelka

• Za določanje vsebnosti kisika uporabite metodo fuzije in infrardeče absorpcije inertnega plina
• Sekundarna ionska masna spektrometrija (SIMS) za analizo porazdelitve kisika
• Rentgenska fotoelektronska spektroskopija (XPS) za zaznavanje površinskih kemijskih stanj

Z zgoraj opisanimi celovitimi ukrepi je mogoče med čiščenjem selena z vakuumsko destilacijo nadzorovati vsebnost kisika pod 1 ppm, kar izpolnjuje zahteve za uporabo selena visoke čistosti. V dejanski proizvodnji je treba procesne parametre optimizirati glede na pogoje opreme in zahteve glede izdelka, vzpostaviti pa je treba tudi strog sistem nadzora kakovosti.