溶液凝固點下降（Freezing-point Depression）的應用（二）

Posted on 2009/07/31 in 依數性質, 化學, 物質性質 with 沒有迴響 11,991 views

溶液凝固點下降（Freezing-point Depression）的應用（二）
國立台灣大學化學系陳藹然博士/國立臺灣大學化學系黃俊誠博士責任編輯

大家都知道，生物體內絕大比例都是水，但是水在攝氏零度就會開始結冰，導致生物的死亡。生物是如何避免這種情形發生，克服惡劣的環境得以生存？其實生物正是利用「溶液凝固點下降」來「抗凍（Freeze avoidance）」，藉以生活在寒冷的地方。根據凝固點下降原理，當水溶液中具有非揮發性溶質時，水溶液的凝固點比純水低，且凝固點的下降值隨水溶液濃度升高而增加。所以，細胞和組織內的體液含有一些惰性（不參與化學反應）且和水互溶的物質如山梨醇（Sorbitol）和丙三醇（Glycerol），這些物質增加體液的莫耳濃度，降低體液凝固的溫度。例如有些魚類與昆蟲生活在北極或為了度過北方酷寒的冬季，體內會產生大量丙三醇，降低其體內血液的凝固點。

在半導體工業中矽晶是最重要的原料之一，其要求的矽晶純度超乎想像。眾所周知一般的物質純化方式能得到的純度，並不能滿足半導體工業對矽晶的要求，「區域精煉法（Zone refining）」或稱區域提純法則可以提供純度高達99.999999% 的矽晶。何為區域精煉法？根據經濟部工業局半導體產業推動辦公室半導體名詞資料庫的解釋：當金屬或合金凝固之際，雜質或成分元素之濃度呈現不均勻之現象稱為偏析，在半導體材料之提純中利用此一現象者稱為區域精煉法；換言之，半導體之雜質其大部分之分配係數小於1，因而在凝固之際，不易進入結晶內而析出在熔液中。因此多次通過區域熔融將結晶加以純化。看起來有點難懂，簡單來說，我們可以將矽晶視是為一固態溶液，溶劑為純矽，溶質為矽晶棒中的微量雜質。區域精煉法利用此含雜質的固態溶液其凝固點比純物質低的原理，使雜質溶融在液態溶液中藉以和固態的純物質分離。如圖二所示，將矽晶棒穿入一加熱線圈中，加熱的小區域內含雜質的矽熔化為液體，當金屬或加熱線圈開始移動加熱下一個區域，矽晶棒表面液態含雜質的矽隨加熱區域移動，留下凝固點較高的固態純矽；這樣一區一區的移動加熱，矽晶棒表面液態含雜質的矽也跟著移動，內含雜質的量也愈來愈多，處理過的矽晶棒即可達到超高純度。這個方法也是用於製備其他超高純度的金屬或合金棒。