电感耦合等离子体质谱法测定高纯镓中痕量杂质.PDF
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岳晓云 蔡绍勤 邵荣珍 刘玉龙 鲁亦强
电感耦合等离子体质谱,高纯M,痕量杂质,基体效应,内标,溶剂萃取
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电感耦合等离子体质谱法测定高纯镓中痕量杂质.PDF
电感耦合等离子体质谱法测定高纯镓中痕量杂质
岳晓云 蔡绍勤3
邵荣珍 刘玉龙 鲁亦强
(北京有色金属研究总院 ,北京 100088) (北京科技大学)
摘 要 采用电感耦合等离子体质谱( ICP 2MS)测定高纯镓中痕量杂质元素 ,以 Rh作为内标补偿校正镓
基体的抑制效应 ,采用异丙醚萃取分离镓与 ICP 2MS 技术联用 ,拓展分析方法应用范围 ,可满足
9919999 %～99. 99999 %超高纯镓分析方法要求。方法检出限为 0. 006～0. 062μgP L ;加标回收率为
8618 %～121. 4 %之间;RSD为1. 1 %～8. 6 %。
关键词 电感耦合等离子体质谱 ,高纯镓 ,痕量杂质 ,基体效应 ,内标 ,溶剂萃取
2000212213收稿;2001205217接受
1 引 言
高纯镓是半导体砷化镓的主要材料 ,随着半导体砷化镓在微波电路、超高速集成电路和光电子器件
等方面的深入研究和应用 ,对高纯镓质量的要求越来越高。要求使用纯度为 99. 9999 %～99. 99999 %的
高纯镓(即主要杂质之和ΣΜe ≤(1～0. 1) ×10
- 6) ,而目前国内外高纯镓中杂质元素分析的方法主要是
预富集后用AES或 GFAAS 测定〔 1～3〕。电感耦合等离子体质谱法( ICP2MS)具有检出限低、谱线简单、基
体干扰少和能进行多元素同时检测等特点 ,在高纯材料分析中引起广泛的注意和应用〔 4～7〕。Kumar
〔 8〕用
ICP2MS法测定高纯镓中痕量杂质 ,采用部分溶解和甲基异丁酮萃取分离镓。我们研究了镓基体对 ICP2
MS测定的影响 ,用内标补偿校正法直接测定99. 99 %～99. 999 %高纯镓中痕量杂质 ,同时采用预富集技
术与 ICP2MS 测定联用。用异丙醚萃取分离镓 ,拓展 ICP2MS 测定技术的应用潜力 ,更好地满足
9919999 %～99. 99999 %超高纯镓分析要求。
2 实验部分
2. 1 仪器及工作参数的优化
本实验使用的是Perkin2Elmer Elan Model 5000 型 ICP2MS仪器 ,用单变量法优选仪器参数。对 ICP2源
中影响较大的射频(RF)功率、雾化气流量、辅助气流量、冷却气流量、样品提升量等进行了选择;对电子
倍增器电位、偏转电位、离子透镜电位和测量参数进行了优化。仪器工作状态和操作参数如下: (1)电感
耦合等离子体源参数:正向功率1. 0 kW,半可拆式石英炬管(Al2O3 芯管) ,双层碳纤维雾室 ,交叉气动雾
化器(红宝石喷嘴) ,冷却气流量12 LP min ,辅助气流量0. 8 LP min ,雾化气流量1. 0 LP min ,样品提升量1. 0
mLP min。(2)质谱仪参数:真空室动态压力 3 ×10
- 3
Pa ,ETP电位 - 2850 VDC ,离子透镜设置 — B46、 P48、E117、 S247。(3)接口参数:采样深度15 mm ,镍采样锥孔径1. 14 mm ,镍截取孔径0. 89 mm ,接口区动力压
力为140 Pa。(4)测量参数:分辨率(10 %峰高) 0. 8 ± 0. 1 amu ;元素扫描方式:跳峰测量;测量时间 0. 3 s ;
每峰测量3点 ,重复测量3次。
2. 2 标准溶液和试剂
待测杂质元素标准溶液:分别用大于99. 99 %金属或光谱纯试剂配制成质量浓度均为1. 00 gP L 的各
待测杂质元素的储备液 ,然后配制成浓度均为10. 0 mgP L 的混合标准液 ,逐级稀释到0. 1 mgP L 待用。内
标溶液:用纯度为99. 9 %Rh、 Sc、 Cs或其化合物配制浓度均为1. 00 gP L 的单一内标储备液。经逐级稀释
为1. 0 mgP L 的单一内标溶液。Ga 基体溶液:称取1. 00 g高纯镓(99. 9999 %)用 HCl 与 HNO3 混合酸(4 +
1)溶解 ,溶解后将溶液蒸至近干 ,加少量 HNO3 (1 + 1)溶解后 ,用 2 % HNO3 稀释成 Ga 浓度为 10gP L 的储
备液。水为三次离子交换水( > 15M Ω) ;硝酸、盐酸和异丙醚均为蒸馏提纯或亚沸蒸馏提纯所得。
第29卷
2001年11月 分析化学 (FENXI HUAXUE) 研究简报
Chinese Journal of Analytical Chemistry
第11期
1307～13102. 3 样品制备
2. 3. 1 直接测定样品的制备 称取100. 0 mg样品于50 mL 石英烧杯中 ,用 HCl 与 HNO3 混酸(4 + 1)溶
解 ,溶解后将溶液蒸至近干 ,趁热加入几滴 HNO3 (1 + 1)溶解残渣 ,并用2 % HNO3 把样品溶液转移到100
mL 容量瓶中 ,加入5μg Rh内标后 ,定容。
2. 3. 2 萃取分离镓 称取1. 00 g样品于50 mL 石英烧杯中 ,加入10 mL HCl 和2. 5 mL HNO3 ,盖上表面
皿 ,在低温电炉上加热溶解。待样品溶解后 ,移去表面皿 ,将溶液蒸至小体积 ,并用少量 HCl 赶尽 HNO3 ,用10 mL 7. 5 molP L HCl 将样品溶液转移至50 mL 分液漏斗中 ,加入10 mL 已用 7. 5 molP L HCl 饱和了的
异丙醚 ,振荡5 min。静置分层后将水相放入10 mL 石英坩埚中 ,在密闭蒸发器中蒸发至近干。趁热加
入几滴 HNO3 (1 + 1)溶解 ,并用2 % HNO3 把样品溶液转移到10 mL 比色管中 ,加入0. 5μg Rh 内标后 ,定
容。
3 结果与讨论
3. 1 测定同位素的选择
测定同位素的选择 ,在避开同质异位素和氧化物等多原子离子干扰的前提下 ,尽可能选择高丰度的
同位素。在分析高纯镓中痕量杂质时 ,主要考虑 GaO+
、 GaOH+
、 GaN+
、 GaCl
+
、 GaAr
+
以及 ArC+
、 ArO+
、ArCl
+
、 ClO+
等多原子离子的谱干扰。发现35
Cl
16
O+
和37
Cl
18
O ,分别对51
V+
和55
Mn
+
产生干扰;
40
Ar
16
O 对
56
Fe、 40
Ar
35
Cl
+
对75
As、 40
Ar
12
C+
对52
Cr
+
、 + 40
Ar
69
Ga 对109
Ag、 40
Ar
71
Ga 对111
Cd 也产生干扰 ......
岳晓云 蔡绍勤3
邵荣珍 刘玉龙 鲁亦强
(北京有色金属研究总院 ,北京 100088) (北京科技大学)
摘 要 采用电感耦合等离子体质谱( ICP 2MS)测定高纯镓中痕量杂质元素 ,以 Rh作为内标补偿校正镓
基体的抑制效应 ,采用异丙醚萃取分离镓与 ICP 2MS 技术联用 ,拓展分析方法应用范围 ,可满足
9919999 %～99. 99999 %超高纯镓分析方法要求。方法检出限为 0. 006～0. 062μgP L ;加标回收率为
8618 %～121. 4 %之间;RSD为1. 1 %～8. 6 %。
关键词 电感耦合等离子体质谱 ,高纯镓 ,痕量杂质 ,基体效应 ,内标 ,溶剂萃取
2000212213收稿;2001205217接受
1 引 言
高纯镓是半导体砷化镓的主要材料 ,随着半导体砷化镓在微波电路、超高速集成电路和光电子器件
等方面的深入研究和应用 ,对高纯镓质量的要求越来越高。要求使用纯度为 99. 9999 %～99. 99999 %的
高纯镓(即主要杂质之和ΣΜe ≤(1～0. 1) ×10
- 6) ,而目前国内外高纯镓中杂质元素分析的方法主要是
预富集后用AES或 GFAAS 测定〔 1～3〕。电感耦合等离子体质谱法( ICP2MS)具有检出限低、谱线简单、基
体干扰少和能进行多元素同时检测等特点 ,在高纯材料分析中引起广泛的注意和应用〔 4～7〕。Kumar
〔 8〕用
ICP2MS法测定高纯镓中痕量杂质 ,采用部分溶解和甲基异丁酮萃取分离镓。我们研究了镓基体对 ICP2
MS测定的影响 ,用内标补偿校正法直接测定99. 99 %～99. 999 %高纯镓中痕量杂质 ,同时采用预富集技
术与 ICP2MS 测定联用。用异丙醚萃取分离镓 ,拓展 ICP2MS 测定技术的应用潜力 ,更好地满足
9919999 %～99. 99999 %超高纯镓分析要求。
2 实验部分
2. 1 仪器及工作参数的优化
本实验使用的是Perkin2Elmer Elan Model 5000 型 ICP2MS仪器 ,用单变量法优选仪器参数。对 ICP2源
中影响较大的射频(RF)功率、雾化气流量、辅助气流量、冷却气流量、样品提升量等进行了选择;对电子
倍增器电位、偏转电位、离子透镜电位和测量参数进行了优化。仪器工作状态和操作参数如下: (1)电感
耦合等离子体源参数:正向功率1. 0 kW,半可拆式石英炬管(Al2O3 芯管) ,双层碳纤维雾室 ,交叉气动雾
化器(红宝石喷嘴) ,冷却气流量12 LP min ,辅助气流量0. 8 LP min ,雾化气流量1. 0 LP min ,样品提升量1. 0
mLP min。(2)质谱仪参数:真空室动态压力 3 ×10
- 3
Pa ,ETP电位 - 2850 VDC ,离子透镜设置 — B46、 P48、E117、 S247。(3)接口参数:采样深度15 mm ,镍采样锥孔径1. 14 mm ,镍截取孔径0. 89 mm ,接口区动力压
力为140 Pa。(4)测量参数:分辨率(10 %峰高) 0. 8 ± 0. 1 amu ;元素扫描方式:跳峰测量;测量时间 0. 3 s ;
每峰测量3点 ,重复测量3次。
2. 2 标准溶液和试剂
待测杂质元素标准溶液:分别用大于99. 99 %金属或光谱纯试剂配制成质量浓度均为1. 00 gP L 的各
待测杂质元素的储备液 ,然后配制成浓度均为10. 0 mgP L 的混合标准液 ,逐级稀释到0. 1 mgP L 待用。内
标溶液:用纯度为99. 9 %Rh、 Sc、 Cs或其化合物配制浓度均为1. 00 gP L 的单一内标储备液。经逐级稀释
为1. 0 mgP L 的单一内标溶液。Ga 基体溶液:称取1. 00 g高纯镓(99. 9999 %)用 HCl 与 HNO3 混合酸(4 +
1)溶解 ,溶解后将溶液蒸至近干 ,加少量 HNO3 (1 + 1)溶解后 ,用 2 % HNO3 稀释成 Ga 浓度为 10gP L 的储
备液。水为三次离子交换水( > 15M Ω) ;硝酸、盐酸和异丙醚均为蒸馏提纯或亚沸蒸馏提纯所得。
第29卷
2001年11月 分析化学 (FENXI HUAXUE) 研究简报
Chinese Journal of Analytical Chemistry
第11期
1307～13102. 3 样品制备
2. 3. 1 直接测定样品的制备 称取100. 0 mg样品于50 mL 石英烧杯中 ,用 HCl 与 HNO3 混酸(4 + 1)溶
解 ,溶解后将溶液蒸至近干 ,趁热加入几滴 HNO3 (1 + 1)溶解残渣 ,并用2 % HNO3 把样品溶液转移到100
mL 容量瓶中 ,加入5μg Rh内标后 ,定容。
2. 3. 2 萃取分离镓 称取1. 00 g样品于50 mL 石英烧杯中 ,加入10 mL HCl 和2. 5 mL HNO3 ,盖上表面
皿 ,在低温电炉上加热溶解。待样品溶解后 ,移去表面皿 ,将溶液蒸至小体积 ,并用少量 HCl 赶尽 HNO3 ,用10 mL 7. 5 molP L HCl 将样品溶液转移至50 mL 分液漏斗中 ,加入10 mL 已用 7. 5 molP L HCl 饱和了的
异丙醚 ,振荡5 min。静置分层后将水相放入10 mL 石英坩埚中 ,在密闭蒸发器中蒸发至近干。趁热加
入几滴 HNO3 (1 + 1)溶解 ,并用2 % HNO3 把样品溶液转移到10 mL 比色管中 ,加入0. 5μg Rh 内标后 ,定
容。
3 结果与讨论
3. 1 测定同位素的选择
测定同位素的选择 ,在避开同质异位素和氧化物等多原子离子干扰的前提下 ,尽可能选择高丰度的
同位素。在分析高纯镓中痕量杂质时 ,主要考虑 GaO+
、 GaOH+
、 GaN+
、 GaCl
+
、 GaAr
+
以及 ArC+
、 ArO+
、ArCl
+
、 ClO+
等多原子离子的谱干扰。发现35
Cl
16
O+
和37
Cl
18
O ,分别对51
V+
和55
Mn
+
产生干扰;
40
Ar
16
O 对
56
Fe、 40
Ar
35
Cl
+
对75
As、 40
Ar
12
C+
对52
Cr
+
、 + 40
Ar
69
Ga 对109
Ag、 40
Ar
71
Ga 对111
Cd 也产生干扰 ......
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