来源:scienceabc.com
知道了冰块产生“多云”的原因,在家也能做出晶莹剔透的冰块 [1]:
把水烧开,排出溶解的空气,并放凉;
把装满水的容器在冰箱里,一头放在温度更低的地方;
切掉冻出来的冰块“多云”部分。
关键是第二条,冰箱里哪儿有一边温度高一边温度低的地方?哈哈,可以用毛巾把容器的一端包起来,人为制造个温度更高的地方。
与冰有关的一些其他现象也可以用相图来解释。比如,舔冰棒的时候,用力猛吸一口会发现冰棒特别甜。这可不是错觉,而是确确实实更甜,小编亲测有效。其实和上面提到的NaCl溶液类似,冰棒中的糖分和色素在低温下大部分还是以溶液的形式存在的,并且浓度还很高。猛吸一口就能把藏在冰晶缝隙中的高浓度的糖水吸出来,自然比舔冰棒甜。不过,这只能爽一时,剩下的冰棒尽是冰块了,味道特别寡淡,莫得灵魂(别问我怎么知道的)。
来源:giphy
知道了怎样做晶莹剔透的冰块,还能活学活用,用来提纯晶锭,比如提纯锗和硅。原理和制造晶莹剔透的冰块类似,以硅为例,利用杂质在固态硅中的浓度要低于液态硅中的浓度的特点,将杂质都富集到液态区域,从而大幅度减少固体中的杂质含量。用行话来说,就是杂质的分凝系数(分凝系数= 杂质在固相中的溶解度/杂质在液相中的溶解度)通常小于1。
这就不得不提一下提纯硅所用到的区熔法(区域熔炼法,zone melting)。
区熔法示意图 | 来源:Wikipedia
就像上面这张图,将加热器是固定不动,拉动晶柱穿过加热器。这样晶柱上就会有一个狭窄的熔融区域,因为杂质的分凝系数小于1,在熔融区域的固相/液相界面,杂质会从固相往液相的区域扩散。如此一来,如果拉动晶柱向下缓慢地通过狭窄的加热器,处于这个狭窄区域的晶柱就会熔融,杂质不断进入熔融的液相区,而高纯的硅在加热器下方凝固。随着熔融区相对晶柱向上移动,杂质最后会被富集到晶柱的上端。
熔炼结束后把上端有很多杂质的晶柱直接裁掉,剩下的就是高纯硅了。如果纯度还不够,可以用相同的办法再来一遍。裁掉的部分也不要扔,裹上面粉,沾上蛋液,洒上面包糠,炸至两面金黄,隔壁小孩都馋哭了,还能作为提纯用的原料。
刚开始生长的硅单晶(区熔法)| 来源:Wikipedia
区熔法是不是像极了前面介绍的在家制造晶莹剔透的冰块的方法?人为制造固液两相,让杂质都富集到液相,最后把它裁掉。
区熔法不仅是一种提纯的方法,也是一种制备单晶的方法,但是用这种方法制备单晶成本高,并且得到的硅单晶纯度高,一般被用于大功率器件上。半导体工业和太阳电池生产中大多是用直拉法来生产的,直拉法的制造成本相对较低,容易制备大直径的单晶。直拉法形象地说,就是将单晶从一锅液态物质中拉出来。