Oxid gálnatý (III) - Gallium(III) oxide

Oxid gálnatý (III)
Oxid galium (III) krystal.jpg
β-Ga2Ó3 krystal
Kristallstruktur Galliumoxid.png
Krystalová struktura β-Ga2Ó3
Jména
Ostatní jména
oxid galium, oxid gallium
Identifikátory
3D model (JSmol )
ChemSpider
Informační karta ECHA100.031.525 Upravte to na Wikidata
Číslo RTECS
  • LW9650000
UNII
Vlastnosti
Ga2Ó3
Molární hmotnost187,444 g / mol[1]
Vzhledbílý krystalický prášek
Hustota6,44 g / cm3, alfa
5,88 g / cm3, beta
Bod tání 1900 ° C (3450 ° F; 2170 K) alfa
1725 ° C, beta [2]
nerozpustný
Rozpustnostrozpustný ve většině kyseliny
Mezera v pásmu4,7-4,9 eV (β-Ga2Ó3)
Struktura
α: Trigonální, hR30, vesmírná skupina = R.3c, č. 167[3]

β: Monoklinický, mS20, vesmírná skupina = C2 / m, č. 12[4]

A = 0,49835 / 1,22247 nm, b = 0,49835 / 0,30403 nm, C = 0,53286 / 0,58088 nm
6 / 4
Termochemie
92,1 J / mol · K.[5]
85,0 J / mol · K.[5]
-1089,1 kJ / mol[5]
-998,3 kJ / mol[5]
Nebezpečí
nezapsáno
Pokud není uvedeno jinak, jsou uvedeny údaje o materiálech v nich standardní stav (při 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
šekY ověřit (co je šekY☒N ?)
Reference Infoboxu

Oxid gálnatý (III) je anorganická sloučenina se vzorcem Ga2Ó3. Existuje několik polymorfy, které jsou všechny bílé, ve vodě nerozpustné pevné látky. Ačkoli neexistují žádné komerční aplikace, Ga2Ó3 je meziprodukt při čištění galia, který se konzumuje téměř výhradně jako galium arsenid.[6] Tepelná vodivost β-Ga2Ó3 je alespoň o jeden řád nižší než ostatní polovodiče s širokým pásmem, jako jsou GaN a SiC.[7] Dále se snižuje u souvisejících nanostruktur, které se obvykle používají v elektronických zařízeních.[7] Heterogenní integrace se substráty s vysokou tepelnou vodivostí, jako je diamant a SiC, pomáhá rozptylu tepla β-Ga2Ó3 elektronika.[8] [9]

Příprava

Oxid galium se vysráží v hydratované formě neutralizace kyselého nebo zásaditého roztoku soli gália. Rovněž se tvoří zahříváním gália na vzduchu nebo tepelným rozkladem dusičnanu gália při 200–250 ° C. Může nastat v pěti různých modifikacích, α, β, γ, δ a ε. Z těchto modifikací β-Ga2Ó3 je nejstabilnější forma.[10]

  • β-Ga2Ó3 se připravuje zahříváním dusičnanů, octanů, oxalátů nebo jiných organických derivátů nad 1000 ° C. Epitaxiální tenké vrstvy β-Ga2Ó3 lze nanášet na safírový podklad při teplotách mezi 190 ° C a 550 ° C.[11]
  • α-Ga2Ó3 lze získat zahřátím β-Ga2Ó3 při 65 kbar a 1100 ° C. Hydratovanou formu lze připravit rozložením vysráženého a „stárnoucího“ hydroxidu gália při 500 ° C.
  • y-Ga2Ó3 se připravuje rychlým zahříváním hydroxidového gelu na 400–500 ° C. Krystaličtější formu tohoto polymorfu lze připravit přímo z kovového gália pomocí solotermální syntézy.[12]
  • 5-Ga2Ó3 se získá zahřátím Ga (NO3)3 při 250 ° C.
  • ε-Ga2Ó3 se připravuje zahříváním δ-Ga2Ó3 při 550 ° C.[10] Tenké filmy ε-Ga2Ó3 jsou uloženy prostřednictvím epitaxe metalorganické parní fáze použitím trimethylgallium a vodu na safírové podklady při teplotách mezi 550 a 650 ° C [13]

Reakce

Oxid gálnatý je amfoterní.[14] Reaguje s alkalický kov oxidy při vysoké teplotě za vzniku např. NaGaO2a za vzniku oxidů Mg, Zn, Co, Ni, Cu spinelů, např. MgGa2Ó4.[15]Rozpouští se v silné zásadě za vzniku roztoku gallátového iontu, Ga (OH)−
4.

S HCl se tvoří chlorid gálnatý GaCl3.[16]

Ga2Ó3 + 6 HCl → 2 GaCl3 + 3 H2Ó

Může být snížena na galium suboxid (oxid galium (I)) Ga2O od H2.[17] nebo reakcí s kovem gália:[18]

Ga2Ó3 + 2 H2 → Ga2O + 2 H2Ó
Ga2Ó3 + 4 Ga → 3 Ga2Ó

Struktura

β-Ga2Ó3, s teplotou tání 1900 ˚C, je nejstabilnější krystalická modifikace. Oxidové ionty jsou ve zkresleném kubickém nejbližším balení a ionty gália (III) zaujímají zkreslené čtyřboká a oktaedrická místa, přičemž vzdálenosti vazby Ga-O jsou 1,83 a 2,00 Á.[19]

α-Ga2Ó3 má stejnou strukturu (korund ) tak jako α-Al2Ó3, přičemž Ga ionty mají 6 souřadnic. y-Ga2Ó3 má defektní strukturu spinelu podobnou struktuře y-Al2Ó3.[20]

ε-Ga2Ó3 filmy uložené uživatelem epitaxe metalorganické parní fáze zobrazit sloupcovou strukturu s ortorombická krystalická symetrie. Makroskopicky tuto strukturu vidí Rentgenová krystalografie tak jako šestihranný těsně zabalený.[21]

Potenciální aplikace

Oxid gália (III) byl studován při použití laserů, fosforů a luminiscenčních materiálů.[10] Používá se také jako izolační bariéra v těsných spojích.[22] Monoklinický β-Ga2Ó3 se používá v plynových čidlech a luminiscenční fosfory a lze je aplikovat na dielektrické povlaky pro solární články. Tento stabilní oxid také ukázal potenciál pro hluboce ultrafialové transparentní vodivé oxidy,[23] a tranzistorové aplikace.[24][25]

ε-Ga2Ó3 tenké vrstvy nanesené na safíru vykazují potenciální aplikace jako solárně slepý UV paprsek fotodetektor.[26]

Thin Ga2Ó3 filmy jsou komerčně zajímavé jako materiály citlivé na plyn a Ga2Ó3. Elipsometrie je postup, který lze použít ke stanovení optických funkcí β-Ga2Ó3.[11][23]

β-Ga2Ó3 se používá při výrobě Ga2Ó3-Al2Ó3 katalyzátor.[27]

Reference

  1. ^ Haynes, William M., ed. (2011). CRC Handbook of Chemistry and Physics (92. vydání). Boca Raton, FL: CRC Press. str. 4,64. ISBN  1439855110.
  2. ^ Patnaik, Pradyot (2002) Handbook of Anorganic Chemicals. McGraw-Hill. ISBN  0-07-049439-8
  3. ^ Eckert, L. J .; Bradt, R. C. (1973). "Tepelná expanze Alpha Ga2Ó3". Journal of the American Ceramic Society. 56 (4): 229. doi:10.1111 / j.1151-2916.1973.tb12471.x.
  4. ^ Dohy, D .; Gavarri, J. R. (1983). „Oxyde β-Ga2Ó3: Champ de force, dilatation thermique, et rigidité anisotropes ". Journal of Solid State Chemistry. 49 (1): 107–117. Bibcode:1983JSSCh..49..107D. doi:10.1016/0022-4596(83)90222-0.
  5. ^ A b C d Haynes, William M., ed. (2011). CRC Handbook of Chemistry and Physics (92. vydání). Boca Raton, FL: CRC Press. str. 5.12. ISBN  1439855110.
  6. ^ Greber, J. F. (2012) „Gallium and Gallium Compounds“ v Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim, doi:10.1002 / 14356007.a12_163.
  7. ^ A b Cheng, Zhe; Tanen, Nicholas; Chang, Celesta; Shi, Jingjing; McCandless, Jonathan; Muller, David; Jena, Debdeep; Xing, Huili Grace; Graham, Samuel (26. srpna 2019). „Významně snížená tepelná vodivost v superlattách β- (Al0.1Ga0.9) 2O3 / Ga2O3“. Aplikovaná fyzikální písmena. 115 (9): 092105. doi:10.1063/1.5108757. ISSN  0003-6951.
  8. ^ Cheng, Zhe; Yates, Luke; Shi, Jingjing; Tadjer, Marko J .; Hobart, Karl D .; Graham, Samuel (1. března 2019). „Tepelná vodivost přes heterogenní rozhraní β-Ga2O3-diamant van der Waalsova“. Materiály APL. 7 (3): 031118. doi:10.1063/1.5089559.
  9. ^ Cheng, Zhe; Mu, Fengwen; Ty, Tiangui; Xu, Wenhui; Shi, Jingjing; Liao, Michael E .; Wang, Yekan; Huynh, Kenny; Suga, Tadatomo; Goorsky, Mark S .; Ou, Xin (7. října 2020). „Tepelný transport napříč tenkými vrstvami monokrystalických β-Ga2O3 řezaných ionty a vázanými rozhraními β-Ga2O3 – SiC“. ACS Applied Materials & Interfaces. 12 (40): 44943–44951. doi:10.1021 / acsami.0c11672. ISSN  1944-8244.
  10. ^ A b C Bailar, J; Emeléus, H; Nyholm, R; Trotman-Dickenson, A. F. (1973). Komplexní anorganická chemie. Sv. 1, s. 1091
  11. ^ A b Rafie Borujeny, E .; Sendetskyi, O .; Fleischauer, M. D .; Cadien, K. C. (2020). "Nízký tepelný rozpočet Heteroepitaxiální tenké vrstvy oxidu gálnatého umožněné depozicí atomové vrstvy". ACS Applied Materials & Interfaces. 12 (39). doi:10.1021 / acsami.0c08477. PMID  32865966.
  12. ^ Playford, Helen Y .; Hannon, Alex C .; Barney, Emma R .; Walton, Richard I. (2013). "Struktury necharakterizovaných polymorfů galium triOxidu z totální difrakce neutronů". Chemistry - A European Journal. 19 (8): 2803–13. doi:10.1002 / chem.201203359. PMID  23307528.
  13. ^ Boschi, F .; Bosi, M .; Berzina, T .; Buffagni, E .; Ferrari, C .; Fornari, R. (2015). „Heteroepitaxe ε-Ga2Ó3 vrstvy podle MOCVD a ALD ". Journal of Crystal Growth. 44: 25–30. doi:10.1016 / j.jcrysgro.2016.03.013.
  14. ^ Ebbing, Darrell D .; Gammon, Steven D. (2010) Obecná chemie, 9. vydání, Thomson Brooks / Cole. ISBN  0538497521
  15. ^ Downs, Anthony John (ed.) (1993) Chemie hliníku, gália, india a thalia. Springer. ISBN  075140103X
  16. ^ Zuckerman, J. J. a Hagen, P eds. (2009) Anorganické reakce a metody, tvorba vazeb k halogenům (Část 2), Wiley-VCH Verlag GmbH, ISBN  9780470145395
  17. ^ Koch, H.F .; Girard, L. A .; Roundhill, D. M. (1999). "Stanovení gália v náhradě ceru a v kapkách ze sběrače mědi metodou ICP jako modelové studie pro odstranění gália z plutonia". Atomová spektroskopie. 20 (1): 30.
  18. ^ Greenwood, N.N .; Emeleus, H. J. a Sharpe, A. G. (1963) "The chemistry of Gallium" in Pokroky v anorganické chemii a radiochemii, Sv. 5, Elsevier, Academic Press
  19. ^ King, R. B. (1994) Encyclopedia of Anorganic Chemistry. Sv. 3. str. 1256. ISBN  978-0-470-86078-6.
  20. ^ Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemie prvků (2. vyd.). Butterworth-Heinemann. str. 247. ISBN  978-0-08-037941-8.
  21. ^ Cora, I (2017). „Skutečná struktura ε-Ga2Ó3 a jeho vztah k κ-fázi ". CrystEngComm. 19 (11): 1509–1516. doi:10.1039 / C7CE00123A.
  22. ^ Dai, Z. R .; Pan, Z. W .; Wang, Z. L. (2002). „Nanoribonky a nanočástice oxidu gália“. The Journal of Physical Chemistry B. 106 (5): 902. CiteSeerX  10.1.1.655.6068. doi:10.1021 / jp013228x.
  23. ^ A b Rebien, M; Henrion, W; Hong, M; Mannaerts, J; Fleischer, M (2002). "Optické vlastnosti tenkých vrstev oxidu gália". Aplikovaná fyzikální písmena. 81 (2): 250. Bibcode:2002ApPhL..81..250R. doi:10.1063/1.1491613.
  24. ^ Thomas, Stuart R .; Adamopoulos, George; Lin, Yen-Hung; Faber, Hendrik; Sygellou, Labrini; Stratakis, Emmanuel; Pliatsikas, Nikos; Patsalas, Panos A .; Anthopoulos, Thomas D (2014). „Tenkovrstvé tranzistory s vysokou pohyblivostí elektronů založené na Ga2Ó3 pěstované atmosférickou ultrazvukovou pyrolýzou při nízkých teplotách ". Aplikovaná fyzikální písmena. 105 (9): 092105. Bibcode:2014ApPhL.105i2105T. doi:10.1063/1.4894643.
  25. ^ Higashiwaki, M .; Jessen, G. H. (2018). „Úsvit mikroelektroniky oxidu gália“. Aplikovaná fyzikální písmena. 112 (6): 060401. doi:10.1063/1.5017845.
  26. ^ Pavesi, M. (2018). „ε-Ga2Ó3 epilery jako materiál pro solárně slepé UV fotodetektory “. Chemie materiálů a fyzika. 205: 502–507. doi:10.1016 / j.matchemphys.2017.11.023.
  27. ^ Shimizu, Ken-Ichi; Takamatsu, Mikio; Nishi, Koji; Yoshida, Hisao; Satsuma, Atsushi; Tanaka, Tsunehiro; Yoshida, Satohiro; Hattori, Tadashi (1999). „Katalyzátory na bázi oxidu hlinitého s podporou oxidu hlinitého pro selektivní redukci NO: Vliv místní struktury povrchových druhů oxidu gálnatého na katalytickou aktivitu“. The Journal of Physical Chemistry B. 103 (9): 1542. doi:10.1021 / jp983790w.