石英( quartz)，化学式 SiO2，是一种架状结构的硅的氧化物，也是α-石英(低温石英，三方晶系)和β-石英(高温石英，六方晶系)的总称。α-石英和β-石英的转变温度为573℃，未加说明时，常指 α-石英。

石英是一种重要的造岩矿物和自然界中最常见的矿物。它作为岩石圈的重要组成部分，广泛存在于岩浆岩、变质岩、沉积岩和热液脉体中。在上地壳的整体矿物组成中，石英约占23.2%，仅次于位列第一的长石(约占39.9%)。实际上，长石是矿物族名称，包含了钾长石、钠长石、斜长石等多个矿物种，因此若按矿物种计算，石英无疑是地壳中分布最多的矿物。

石英，尤其是高纯石英的制备领域，存在着一些被行业公认的基本原则，我们可以将其总结为“石英提纯定律”。这些“定律”并非指像物理定律那样的绝对公式，而是描述了石英从原料到高纯乃至超高纯产品过程中，一系列不可违背的客观规律和核心挑战。

核心思想是：石英的纯度极限，从根本上取决于其原始矿物中的杂质含量和分布状态，而非仅仅取决于提纯工艺的先进程度。

定律一：原料禀赋决定理论纯度上限

内容：无论采用多么先进的提纯工艺，最终能得到的产品最高纯度，都无法超越原料本身的理论化学纯度。如果原矿的二氧化硅（SiO₂）本底含量为99.5%，那么绝不可能通过提纯得到99.9999%（4N）的高纯石英砂。

原理：石英中的杂质分为两类：

独立矿物杂质：如长石、云母、赤铁矿等。这些可以通过物理方法（如磁选、浮选）相对容易地去除。

晶格杂质：这是最关键的。杂质离子（如Al³⁺、Li⁺、K⁺等）在石英晶体生长过程中，取代了硅（Si⁴⁺）的位置进入晶格。这些杂质与石英主体化学键结合，物理方法几乎无能为力，是提纯的终极瓶颈。

推论：只有那些天生晶格杂质含量极低的花岗伟晶岩或热液脉石英，才具备成为高纯石英（尤其是用于半导体、光伏的顶级石英砂）原料的资格。全球这样的优质矿源非常稀少。

定律二：工艺效率由“包裹体”和“晶界”决定

内容：提纯工艺的效率和深度，高度依赖于杂质在石英中的赋存状态，特别是流体包裹体和晶界的数量与特征。

原理：流体包裹体：是石英生长过程中被包裹在内的微小液滴或气泡，内含K⁺、Na⁺、Cl⁻等各种离子。要破除这些“微小的杂质仓库”，需要能够破坏石英本身的高能手段（如高温热处理）。

晶界：是多晶石英中晶粒之间的边界，是杂质富集的主要区域。晶粒越细、晶界越多，杂质越容易被浸出；反之，大块的单晶石英（如水晶）晶界少，内部晶格杂质更难去除。

推论：对于含有大量流体包裹体或微晶结构的石英，即使化学本底不错，提纯到极高纯度也异常困难。

定律三：提纯成本随纯度要求呈指数级增长

内容：将石英从99.9%提纯到99.99%的成本，远高于从99%提纯到99.9%。追求最后一个“9”的纯度，其成本是惊人的。

原理：这符合经济学和工程学的普遍规律。初期可以通过简单的破碎、磨矿、磁选、浮选等低成本方法去除大部分独立矿物杂质。但要去除最后那部分顽固的晶格杂质和深藏不露的包裹体，需要采用：

1、高温氯化焙烧（在1000°C以上通入氯气，使杂质形成气态氯化物挥发）

2、高强度酸浸（使用高温、高浓度的混合酸，如王水、氢氟酸）

3、超纯水清洗等复杂、高能耗、高环保成本的工艺。

推论：高纯石英是一种高附加值的技术产品，其价格不仅反映了纯度，更反映了达到该纯度所付出的巨大技术和环境代价。

定律四：特定元素去除难度存在固有序列

内容：不同杂质元素的去除难度天差地别。铝（Al）通常是最难去除的，其次是磷（P）、硼（B）等。

原理：Al³⁺的离子半径与Si⁴⁺最接近，最容易取代硅进入晶格，形成稳定的结构。而硼（B）和磷（P）虽然含量低，但在半导体应用中是对电学性能有“杀手级”影响的杂质，必须深度去除。

推论：评价一种石英原料的优劣，不仅要看其总杂质含量，更要看其关键杂质元素（特别是Al、B、P、Na、K、Li）的本底值。

总结与应用

“石英提纯定律”告诉我们：

1、“巧妇难为无米之炊”：没有好的原料，再好的技术也做不出顶级高纯石英。这是资源禀赋的竞争。

2、“治未病”优于“治已病”：在采矿和初加工阶段就尽可能挑选出晶格纯净的大块矿石，远比后期处理一堆“先天不足”的原料要经济有效。

3、“一分纯度，一寸金”：半导体级（5N-6N）石英砂的价格远高于光伏级（4N）和光源级（3N），这背后是定律三的直观体现。

因此，在全球高纯石英市场中，像美国矽比科（Sibelco）的斯普鲁斯派恩（Spruce Pine）矿之所以能长期占据垄断地位，正是因为它拥有的矿源完美契合了定律一，其石英原料天生的晶格杂质含量极低，为后续提纯到超高纯度提供了无与伦比的“天花板”。而其他国家的竞争者，大多受制于原料瓶颈，很难在顶级产品领域与之抗衡。

■ 信息来源|汪灵. 2025. 石英提纯定律研究