硅同位素的应用及分离研究进展
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因而具有更加完美的晶格结构 ， 降低了声子散射 ， 进一步提高了热导率． 用同位素纯船 Ｓ ｉ （ ９ ９ ． ８ ５ ％） 制 成 的半 导体 器件 ， 室 温下 的热导 率 可 比天 然硅 增加 １ ０ ％ 一 ６ ０ ％， 在某 些 特定 的温度 下 增加 的更 多 Ｉ ４ ］ ． 并 且还具有门电压更低 ， 开关速度更快等优点． 由此可制成高速 Ｃ Ｐ Ｕ 、 大功率器件、 高性能传感器等 ｊ ． 同位 素 纯船 ｓ ｉ 制成 的二极 管反 向击穿 电压 比同样 工 艺 的天 然 硅 二极 管 可 提 高 ８ ０ ％ 以上 ］ ． 高 丰 度 的 Ｓ ｉ 制成 的单 晶硅还 可用 于 阿伏伽 德罗 常数 的精 确测定 卜“ ］ ．
的硅 材料 以其 优 良的特性 开始 受 到科学 家们 的关 注 ．
１ 同位 素纯硅材料 的应用
１ ． １ Ｓ ｉ 的应 用前 景
随着现代信息产业和电子计算机工业的发展 ， 半导体芯片的体积变得更小、 集成化程度更高． 但半导 体芯片体积越小 ， 线路集成度越高 ， 电流密度将逐渐增大 ， 单位体积内发热量增多 ， 这样将使得元器件在工
化 学 交换 法等方 法在硅 同位 素分 离领 域 的研 究进展 ， 分 析 了 目前 ． ｘ － ￣－ ｆ ｋ ５ 过 程 分 离硅 同位 素存 在 的问题 ， 指 出化 学交换 法将是 实现硅 同位 素工 业化分 离的最优路 径 ． 关键 词 ： 硅 同位素 ； 同位 素分 离； 化 学交换
而且 中子在硅 中的穿透深度又很大（ １ ０ ０ ｃ ｍ） ， 所 以这种 ｎ 型ｓ ｉ 的掺杂非常均匀 ， 这对于大功率半导体 器件和辐射探测器件的制作是很有用的． 含有 ｓ ｉ 的硅锭在原子反应器 中由热 中子流照射后 ， ∞ ｓ ｉ 会转化
作 时 温度 升高 ， 芯 片温度 过高将 会 导致半 导 体元器 件性 能 和寿命 大 幅下 降． 硅 之所 以成 为广泛 用 于 电子 行 业 的材料就 是 因为其 热 导率相 当 高 ， 而在 天 然硅材 料 中 ， 由于 ｓ ｉ 和如ｓ ｉ 两种 同位素 的存 在产生 了“ 晶格 缺 陷”， 晶格缺 陷将 会导 致线 路失 效 ． 采用 Ｓ ｉ 同位素 丰度 达到 ９ ９ ％ 以上 的硅 制成 的晶体 ， 因去 掉 了另外 的硅
通讯作者 ： ｔ ａ ｎ ｇ ｋ ｅ １ ９ ８ ４ ＠１ ２ ６ ． ｃ ｏ ｍ．
３ ４ ２
渤海大学学 报（ 自然科学版 ）
第３ ７卷
用 核 自旋 量子 比特 可 以降低错 误 的几率 ， 而 且基 于核 自旋 的数据 存储 可 以保 留很 长 的时 间． 应用 富集 同位 素 的 ｓ ｉ 可 以减 小核 自旋 同位 素在 典 型量子 点 （ １ ０× １ ０ ｎ ｍ） 的丰度 比¨ 引．
收稿 日期 ： ２ ０ １ ６—０ ８一ｌ １ ．
基金项 目： 国家 自然科 学基金项 目（ Ｎ ｏ ： ２ １ ６ ０ ６ ０ ２ ３ ） ； 辽宁省博 士科研启动基金项 目（ Ｎ ｏ ： ２ ０ １ ５ ０ １ １ ９ ８ ） 作者简介 ： 唐克（ １ ９ ８ ４一） ， 男， 博士 ， 讲师 ， 主要从事稳定 同位素分离及天然产物分离领域研究 ．
１ ． ３ Ｓ ｉ 的应 用前 景
微 电子技 术 的发展 趋势是 直 接用更 大直 径 的硅 片一 次制 备更 多 的 芯 片 ， 所 以在半 导 体工 业 中制造 出 了２ ０ ０ ｍ ｍ甚 至 ３ ０ ０ ｍ ｍ 直径 的硅锭 ． 在 硅 片 向大 直径 发展 的 过程 中 ， 用 传统 的技 术掺 杂 使得 杂 质 分布 的 非常 均匀 变得 相 当困难 了． 中子嬗 变 掺杂 （ Ｎ Ｄ Ｔ ） 是采 用 中子 辐 照 的 办法 来 对 材 料进 行 掺 杂 的一 种 技 术 ， 其最 大 的优点 就是 掺入 的杂 质浓 度 分布 非 常 均 匀 ． 由 于 同位 素原 子 在 晶体 中 的分 布 是 非 常均 匀 的 ，
第３ ７卷 第 ４期 ２ ０ １ ６年 １ ２月
渤海 大学 学报 （ 自然 科学 版 ）
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ｌ ａ ｏ ｆ Ｂ ｏ ｈ ａ ｉ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ （ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｅ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ）
１ ． ２ ｓ ｉ 的应 用 前景
在量子计算机领域¨ ’ ｌ 引， 用电子 自 旋作为信息的载体， 其与核 自旋的相互作用决定 了电子 自旋的退 相干时间， 这使得控制大量的核 自旋变得尤为重要． 由于凹 ｓ ｉ 具备非零核 自旋 ， 使这样的控制成为可能， 富 集四 Ｓ ｉ 可以用于生产可控核 自 旋甚至没有核 自旋 的材料． 核 自旋是一种潜在的用 于储存和操作量子计算 机信息的候选介质， 由于它与外界环境是隔离的， 由电子测量仪器可检测得到核 自旋极化编码 的信息 ， 使
Ｖｏ １ ． ３ ７， Ｎｏ． ４ Ｄｅ ｃ ． ２ ０１ ６
硅 同位 素的应 用及分离研究进展
唐 克 ， 刘 娇， 邢锦娟
（ 渤海大学 化学化工学 院， 辽宁 锦州 １ ２ １ ０ １ ３）
摘
要： 介 绍 了同位 素 纯硅材 料 的应 用研 究进展 ， 综 述 了低 温精 馏 法、 激光法、 气体 离心 法 、
中图分 类号 ： Ｔ Ｑ １ ２ ７ ． ２ 文献标 志码 ： Ａ 文章 编号 ： １ ６ ７ ３— ０ ５ ６ ９ （ ２ ０ １ ６ ） ０ ４－ ０ ３ ４ １ — ０ ５
０ 引言
在现代 电子和半导体工业 中， 硅材料获得了广泛的应用 ， 超过 ９ ０ ％的半导体元器件都是 由硅制成的． 天然硅含有三种稳定 的同位素 。 ｓ ｉ 、 ｓ ｉ 、 ∞ ｓ ｉ ， 其丰度分别为 ９ ２ ． ２ ３ ％， ４ ． ６ ７ ％， ３ ． １ ０ ％ ¨ ．近年来 ， 同位素纯
的硅 材料 以其 优 良的特性 开始 受 到科学 家们 的关 注 ．
１ 同位 素纯硅材料 的应用
１ ． １ Ｓ ｉ 的应 用前 景
随着现代信息产业和电子计算机工业的发展 ， 半导体芯片的体积变得更小、 集成化程度更高． 但半导 体芯片体积越小 ， 线路集成度越高 ， 电流密度将逐渐增大 ， 单位体积内发热量增多 ， 这样将使得元器件在工
化 学 交换 法等方 法在硅 同位 素分 离领 域 的研 究进展 ， 分 析 了 目前 ． ｘ － ￣－ ｆ ｋ ５ 过 程 分 离硅 同位 素存 在 的问题 ， 指 出化 学交换 法将是 实现硅 同位 素工 业化分 离的最优路 径 ． 关键 词 ： 硅 同位素 ； 同位 素分 离； 化 学交换
而且 中子在硅 中的穿透深度又很大（ １ ０ ０ ｃ ｍ） ， 所 以这种 ｎ 型ｓ ｉ 的掺杂非常均匀 ， 这对于大功率半导体 器件和辐射探测器件的制作是很有用的． 含有 ｓ ｉ 的硅锭在原子反应器 中由热 中子流照射后 ， ∞ ｓ ｉ 会转化
作 时 温度 升高 ， 芯 片温度 过高将 会 导致半 导 体元器 件性 能 和寿命 大 幅下 降． 硅 之所 以成 为广泛 用 于 电子 行 业 的材料就 是 因为其 热 导率相 当 高 ， 而在 天 然硅材 料 中 ， 由于 ｓ ｉ 和如ｓ ｉ 两种 同位素 的存 在产生 了“ 晶格 缺 陷”， 晶格缺 陷将 会导 致线 路失 效 ． 采用 Ｓ ｉ 同位素 丰度 达到 ９ ９ ％ 以上 的硅 制成 的晶体 ， 因去 掉 了另外 的硅
通讯作者 ： ｔ ａ ｎ ｇ ｋ ｅ １ ９ ８ ４ ＠１ ２ ６ ． ｃ ｏ ｍ．
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渤海大学学 报（ 自然科学版 ）
第３ ７卷
用 核 自旋 量子 比特 可 以降低错 误 的几率 ， 而 且基 于核 自旋 的数据 存储 可 以保 留很 长 的时 间． 应用 富集 同位 素 的 ｓ ｉ 可 以减 小核 自旋 同位 素在 典 型量子 点 （ １ ０× １ ０ ｎ ｍ） 的丰度 比¨ 引．
收稿 日期 ： ２ ０ １ ６—０ ８一ｌ １ ．
基金项 目： 国家 自然科 学基金项 目（ Ｎ ｏ ： ２ １ ６ ０ ６ ０ ２ ３ ） ； 辽宁省博 士科研启动基金项 目（ Ｎ ｏ ： ２ ０ １ ５ ０ １ １ ９ ８ ） 作者简介 ： 唐克（ １ ９ ８ ４一） ， 男， 博士 ， 讲师 ， 主要从事稳定 同位素分离及天然产物分离领域研究 ．
１ ． ３ Ｓ ｉ 的应 用前 景
微 电子技 术 的发展 趋势是 直 接用更 大直 径 的硅 片一 次制 备更 多 的 芯 片 ， 所 以在半 导 体工 业 中制造 出 了２ ０ ０ ｍ ｍ甚 至 ３ ０ ０ ｍ ｍ 直径 的硅锭 ． 在 硅 片 向大 直径 发展 的 过程 中 ， 用 传统 的技 术掺 杂 使得 杂 质 分布 的 非常 均匀 变得 相 当困难 了． 中子嬗 变 掺杂 （ Ｎ Ｄ Ｔ ） 是采 用 中子 辐 照 的 办法 来 对 材 料进 行 掺 杂 的一 种 技 术 ， 其最 大 的优点 就是 掺入 的杂 质浓 度 分布 非 常 均 匀 ． 由 于 同位 素原 子 在 晶体 中 的分 布 是 非 常均 匀 的 ，
第３ ７卷 第 ４期 ２ ０ １ ６年 １ ２月
渤海 大学 学报 （ 自然 科学 版 ）
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ｌ ａ ｏ ｆ Ｂ ｏ ｈ ａ ｉ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ （ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｅ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ）
１ ． ２ ｓ ｉ 的应 用 前景
在量子计算机领域¨ ’ ｌ 引， 用电子 自 旋作为信息的载体， 其与核 自旋的相互作用决定 了电子 自旋的退 相干时间， 这使得控制大量的核 自旋变得尤为重要． 由于凹 ｓ ｉ 具备非零核 自旋 ， 使这样的控制成为可能， 富 集四 Ｓ ｉ 可以用于生产可控核 自 旋甚至没有核 自旋 的材料． 核 自旋是一种潜在的用 于储存和操作量子计算 机信息的候选介质， 由于它与外界环境是隔离的， 由电子测量仪器可检测得到核 自旋极化编码 的信息 ， 使
Ｖｏ １ ． ３ ７， Ｎｏ． ４ Ｄｅ ｃ ． ２ ０１ ６
硅 同位 素的应 用及分离研究进展
唐 克 ， 刘 娇， 邢锦娟
（ 渤海大学 化学化工学 院， 辽宁 锦州 １ ２ １ ０ １ ３）
摘
要： 介 绍 了同位 素 纯硅材 料 的应 用研 究进展 ， 综 述 了低 温精 馏 法、 激光法、 气体 离心 法 、
中图分 类号 ： Ｔ Ｑ １ ２ ７ ． ２ 文献标 志码 ： Ａ 文章 编号 ： １ ６ ７ ３— ０ ５ ６ ９ （ ２ ０ １ ６ ） ０ ４－ ０ ３ ４ １ — ０ ５
０ 引言
在现代 电子和半导体工业 中， 硅材料获得了广泛的应用 ， 超过 ９ ０ ％的半导体元器件都是 由硅制成的． 天然硅含有三种稳定 的同位素 。 ｓ ｉ 、 ｓ ｉ 、 ∞ ｓ ｉ ， 其丰度分别为 ９ ２ ． ２ ３ ％， ４ ． ６ ７ ％， ３ ． １ ０ ％ ¨ ．近年来 ， 同位素纯