Oxid tantalitý - Tantalum pentoxide

Oxid tantalitý
Kristallstruktur Triuranoctoxid.png
  Ta5+   Ó2−
Jména
Název IUPAC
Oxid tantalitý
Systematický název IUPAC
Pentaoxid ditantalum
Identifikátory
3D model (JSmol )
ChemSpider
Informační karta ECHA100.013.854 Upravte to na Wikidata
UNII
Vlastnosti
Ta2Ó5
Molární hmotnost441,893 g / mol
Vzhledbílý prášek bez zápachu
Hustotaβ-Ta2Ó5 = 8,18 g / cm3[1]
α-Ta2Ó5 = 8,37 g / cm3
Bod tání 1872 ° C (3440 ° F; 2145 K)
zanedbatelný
Rozpustnostnerozpustný v organických rozpouštědlech a většině minerální kyseliny, reaguje s HF
Mezera v pásmu3,8–5,3 eV
−32.0×10−6 cm3/ mol
2.275
Pokud není uvedeno jinak, jsou uvedeny údaje o materiálech v nich standardní stav (při 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
☒N ověřit (co je šekY☒N ?)
Reference Infoboxu

Oxid tantalitý, také známý jako tantal (V) oxid, je anorganická sloučenina s vzorec Ta
2Ó
5. Je to bílá pevná látka, která je nerozpustná ve všech rozpouštědlech, ale je napadena silnými zásadami a kyselinou fluorovodíkovou. Ta
2Ó
5 je inertní materiál s vysokou index lomu a nízká absorpce (tj. bezbarvá), což je užitečné pro potahy.[2] To je také značně používán při výrobě kondenzátory, kvůli jeho vysoké dielektrická konstanta.

Příprava

Výskyt

Tantal se vyskytuje v minerálech tantalit a columbite (columbium je archaický název pro niob), které se vyskytují v pegmatity, magmatický skalní útvar. Směsi kolumbitu a tantalitu se nazývají coltan. Tantalit objevil Anders Gustaf Ekeberg v Ytterby, Švédsko a Kimoto, Finsko. Minerály mikrolit a pyrochlore obsahují přibližně 70%, respektive 10% Ta.

Rafinace

Tantalové rudy často obsahují významné množství niob, který je sám o sobě cenným kovem. Oba kovy se tak extrahují, aby mohly být prodány. Celkový proces je jedním z hydrometalurgie a začíná a loužení krok; ve kterém je ruda ošetřena kyselina fluorovodíková a kyselina sírová vyrábět ve vodě rozpustné fluorovodíky, tak jako heptafluorotantalát. To umožňuje oddělit kovy od různých nekovových nečistot ve skále.

(FeMn) (NbTa)2Ó6 + 16 HF → H2[TaF7] + H2[NbOF5] + FeF2 + MnF2 + 6 hodin2Ó

Tantal a niobhydrogenfloridy jsou poté odstraněny z vodný řešení extrakce kapalina-kapalina použitím organická rozpouštědla, jako cyklohexanon nebo methylisobutylketon. Tento krok umožňuje jednoduché odstranění různých kovových nečistot (např. Železa a manganu), které zůstávají ve vodné fázi ve formě fluoridy. Oddělení tantalu a niobu je pak dosaženo pomocí pH nastavení. Niob vyžaduje vyšší hladinu kyselosti, aby zůstal rozpustný v organické fázi, a může být proto selektivně odstraněn extrakcí do méně kyselé vody. Čistý roztok fluorovodíku tantalu je poté neutralizován vodným roztokem amoniak dát hydratovaný oxid tantalu (Ta2Ó5(H2Ó)X), který je kalcinovaný na oxid tantalitý (Ta2Ó5) jak je popsáno v těchto idealizovaných rovnicích:[3]

H2[TaF7] + 5 H2O + 7 NH3 → 1/2 Ta2Ó5(H2Ó)5 + 7 NH4F
Ta2Ó5(H2Ó)5 → Ta2Ó5 + 5 hodin2Ó

Přírodní čistý oxid tantalu je znám jako minerál tantit, i když je to mimořádně vzácné.[4]

Z alkoxidů

Oxid tantalu se často používá v elektronice, často ve formě tenké filmy. Pro tyto aplikace může být vyroben MOCVD (nebo související techniky), který zahrnuje hydrolýza jeho těkavosti halogenidy nebo alkoxidy:

Ta2(OEt)10 + 5 hodin2O → Ta2Ó5 + 10 EtOH
2 TaCl5 + 5 hodin2O → Ta2Ó5 + 10 HCl

Struktura a vlastnosti

Krystalová struktura oxidu tantalitého byla předmětem nějaké debaty. Sypký materiál je neuspořádaný,[5] být buď amorfní nebo polykrystalický; s monokrystaly je obtížné pěstovat. Jako takový Xray krystalografie byla do značné míry omezena na prášková difrakce, která poskytuje méně strukturálních informací.

Nejméně 2 polymorfy je známo, že existují. Nízkoteplotní forma, známá jako L- nebo β-Ta2Ó5a vysokoteplotní forma známá jako H- nebo α-Ta2Ó5. Přechod mezi těmito dvěma formami je pomalý a reverzibilní; probíhá mezi 1000 a 1360 ° C, se směsí struktur existujících při středních teplotách.[5] Struktury obou polymorfů se skládají z řetězců postavených z oktaedrického TaO6 a pětiúhelníkový bipyramidový TaO7 mnohostěn sdílení opačných vrcholů; ke kterým se dále připojuje sdílení hran.[6][7] Celkový krystalový systém je ortorombický v obou případech s vesmírná skupina p-Ta2Ó5 být identifikován jako Pna2 rentgenovou difrakcí monokrystalu.[8]Vysokotlaká forma (Z-Ta2Ó5) bylo také hlášeno, ve kterém atomy Ta přijímají 7 souřadnicovou geometrii, aby poskytly a monoklinický struktura (vesmírná skupina C2).[9]

Čistě amorfní oxid tantalitý má podobnou místní strukturu jako krystalické polymorfy postavené z TaO6 a TaO7 polyhedra, zatímco roztavená kapalná fáze má výraznou strukturu založenou na polyhedra s nižší koordinací, hlavně TaO5 a TaO6.[10]

Obtíž při formování materiálu s jednotnou strukturou vedla ke změnám jeho uváděných vlastností. Jako mnoho oxidů kovů Ta2Ó5 je izolátor a jeho mezera v pásmu byla různě uváděna jako mezi 3,8 a 5,3 eV, v závislosti na způsobu výroby.[11][12][13] Obecně čím více amorfní materiál, tím větší je jeho pozorovaná mezera v pásmu. Tyto pozorované hodnoty jsou významně vyšší než ty, které předpovídá výpočetní chemie (2,3 - 3,8 eV).[14][15][16]

Své dielektrická konstanta je obvykle kolem 25[17] i když byly hlášeny hodnoty vyšší než 50.[18] Obecně se oxid tantalitý považuje za a high-k dielektrikum materiál.

Reakce

Ta2Ó5 nereaguje znatelně ani s HCl, ani s HBr, ale rozpustí se kyselina fluorovodíková, a reaguje s bifluorid draselný a HF podle následující rovnice:[19][20]

Ta2Ó5 + 4 KHF2 + 6 HF → 2 K.2[TaF7] + 5 hodin2Ó

Ta2Ó5 může být redukován na kovový Ta použitím kovových redukčních činidel, jako je vápník a hliník.

Ta2Ó5 + 5 Ca → 2 Ta + 5 CaO
Několik 10 μF × 30 V DC tantalové kondenzátory, masivní epoxidový typ. Polarita je výslovně označena.

Použití

V elektronice

Vzhledem k jeho vysoké mezera v pásmu a dielektrická konstanta, oxid tantalitý našel řadu použití v elektronice, zejména v tantalové kondenzátory. Ty se používají v automobilová elektronika, mobilní telefony a pagery, elektronické obvody; tenkovrstvé komponenty; a vysokorychlostní nástroje. V 90. letech vzrostl zájem o použití oxidu tantalu jako a high-k dielektrikum pro DOUŠEK kondenzátorové aplikace.[21][22]

Používá se v kondenzátorech kov-izolátor-kov na čipu pro vysokou frekvenci CMOS integrované obvody. Oxid tantalu může mít aplikace jako vrstva zachycující náboj energeticky nezávislé paměti.[23][24] Tam jsou aplikace oxidu tantalu v odporové spínací paměti.[25]

Jiná použití

Vzhledem k jeho vysoké index lomu, Ta2Ó5 byl použit při výrobě sklenka z fotografické čočky.[2][26]

Reference

  1. ^ Reisman, Arnold; Holtzberg, Frederic; Berkenblit, Melvin; Berry, Margaret (20. září 1956). „Reakce pentoxidů skupiny VB s oxidy a uhličitany alkalických kovů. III. Tepelné a rentgenové fázové diagramy systému K2O nebo K.2CO3 s Ta2Ó5". Journal of the American Chemical Society. 78 (18): 4514–4520. doi:10.1021 / ja01599a003.
  2. ^ A b Fairbrother, Frederick (1967). Chemie niobu a tantalu. New York: Elsevier Publishing Company. str.1 –28. ISBN  978-0-444-40205-9.
  3. ^ Anthony Agulyanski (2004). "Chemie fluoru při zpracování tantalu a niobu". V Anatoly Agulyanski (ed.). Chemie sloučenin tantalu a fluoridu niobu (1. vyd.). Burlington: Elsevier. ISBN  9780080529028.
  4. ^ "Tantite: Tantite minerální informace a data". Mindat.org. Citováno 2016-03-03.
  5. ^ A b Askeljung, Charlotta; Marinder, Bengt-Olov; Sundberg, Margareta (1. listopadu 2003). „Vliv tepelného zpracování na strukturu L-Ta2Ó5". Journal of Solid State Chemistry. 176 (1): 250–258. Bibcode:2003JSSCh.176..250A. doi:10.1016 / j.jssc.2003.07.003.
  6. ^ Stephenson, N. C .; Roth, R. S. (1971). „Strukturální systematika v binární soustavě Ta2Ó5–WO3. V. Struktura nízkoteplotní formy oxidu tantalu L-Ta2Ó5". Acta Crystallographica oddíl B. 27 (5): 1037–1044. doi:10.1107 / S056774087100342X.
  7. ^ Wells, A.F. (1947). Strukturní anorganická chemie. Oxford: Clarendon Press.
  8. ^ Wolten, G. M .; Chase, A. B. (1. srpna 1969). "Jednokrystalické údaje pro β Ta2Ó5 a KPO3". Zeitschrift für Kristallographie. 129 (5–6): 365–368. Bibcode:1969ZK .... 129..365W. doi:10.1524 / zkri.1969.129.5-6,365.
  9. ^ Zibrov, I. P .; Filonenko, V. P .; Sundberg, M .; Werner, P.-E. (1. srpna 2000). "Struktury a fázové přechody B-Ta2Ó5 a Z-Ta2Ó5: dvě vysokotlaké formy Ta2Ó5". Acta Crystallographica oddíl B. 56 (4): 659–665. doi:10.1107 / S0108768100005462.
  10. ^ Alderman, O. L. G. Benmore, C. J. Neuefeind, J. C. Coillet, E Mermet, Alain Martinez, V. Tamalonis, A. Weber, J. K. R. (2018). „Amorfní tantala a její vztah k roztavenému stavu“. Materiály pro fyzickou kontrolu. 2 (4): 043602. doi:10.1103 / PhysRevMaterials. 2.043602.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  11. ^ Kukli, Kaupo; Aarik, Jaan; Aidla, Aleks; Kohan, Oksana; Uustare, Teet; Sammelselg, Väino (1995). "Vlastnosti tenkých vrstev oxidu tantalu pěstovaných depozicí atomové vrstvy". Tenké pevné filmy. 260 (2): 135–142. Bibcode:1995TSF ... 260..135K. doi:10.1016/0040-6090(94)06388-5.
  12. ^ Fleming, R. M .; Lang, D. V .; Jones, C. D. W .; Steigerwald, M. L .; Murphy, D. W .; Alers, G. B .; Wong, Y.-H .; van Dover, R. B .; Kwo, J. R .; Sergent, A. M. (1. ledna 2000). „Porucha dominovala transportu náboje v amorfní Ta2Ó5 tenké filmy ". Journal of Applied Physics. 88 (2): 850. Bibcode:2000JAP .... 88..850F. doi:10.1063/1.373747.
  13. ^ Murawala, Prakash A .; Sawai, Mikio; Tatsuta, Toshiaki; Tsuji, Osamu; Fujita, Shizuo; Fujita, Shigeo (1993). "Strukturální a elektrické vlastnosti Ta2Ó5 Pěstuje se plazmovým obohaceným kapalným zdrojem CVD pomocí zdroje penta ethoxytantalu “. Japonský žurnál aplikované fyziky. 32 (Část 1, č. 1B): 368–375. Bibcode:1993JaJAP..32..368M. doi:10.1143 / JJAP.32.368.
  14. ^ Ramprasad, R. (1. ledna 2003). "Studium prvních principů defektů volného kyslíku v oxidu tantalitém". Journal of Applied Physics. 94 (9): 5609–5612. Bibcode:2003JAP .... 94.5609R. doi:10.1063/1.1615700.
  15. ^ Sawada, H .; Kawakami, K. (1. ledna 1999). „Elektronická struktura volného kyslíku v Ta2Ó5". Journal of Applied Physics. 86 (2): 956. Bibcode:1999JAP .... 86..956S. doi:10.1063/1.370831.
  16. ^ Nashed, Ramy; Hassan, Walid M. I .; Ismail, Yehea; Allam, Nageh K. (2013). „Rozluštění souhry krystalové struktury a struktury elektronového pásma oxidu tantalu (Ta2Ó5)". Fyzikální chemie Chemická fyzika. 15 (5): 1352–7. Bibcode:2013PCCP ... 15.1352N. doi:10.1039 / C2CP43492J. PMID  23243661.
  17. ^ Macagno, V .; Schultze, J.W. (1. prosince 1984). "Růst a vlastnosti tenkých vrstev oxidu na tantalových elektrodách". Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry. 180 (1–2): 157–170. doi:10.1016/0368-1874(84)83577-7.
  18. ^ Hiratani, M .; Kimura, S .; Hamada, T .; Iijima, S .; Nakanishi, N. (1. ledna 2002). „Hexagonální polymorf oxidu tantaličitého se zvýšenou dielektrickou konstantou“. Aplikovaná fyzikální písmena. 81 (13): 2433. Bibcode:2002ApPhL..81.2433H. doi:10.1063/1.1509861.
  19. ^ Agulyansky, A (2003). "Fluorantanát draselný v pevném, rozpuštěném a roztaveném stavu". J. Chemie fluoru. 123: 155–161. doi:10.1016 / S0022-1139 (03) 00190-8.
  20. ^ Brauer, Georg (1965). Příručka preparativní anorganické chemie. Akademický tisk. p. 256. ISBN  978-0-12-395591-3.
  21. ^ Ezhilvalavan, S .; Tseng, T. Y. (1999). "Příprava a vlastnosti oxidu tantalitého (Ta2Ó5) tenké vrstvy pro aplikaci ultravysokých integrovaných obvodů (ULSI) - recenze ". Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 10 (1): 9–31. doi:10.1023 / A: 1008970922635.
  22. ^ Chaneliere, C; Autran, JL; Devine, RA B; Balland, B (1998). „Oxid tantalitý (Ta2Ó5) tenké vrstvy pro pokročilé dielektrické aplikace ". Věda o materiálech a inženýrství: R. 22 (6): 269–322. doi:10.1016 / S0927-796X (97) 00023-5.
  23. ^ Wang, X; et al. (2004). „Nová energeticky nezávislá paměť typu MONOS používajícíκ Dielektrika pro lepší uchovávání dat a rychlost programování ". Transakce IEEE na elektronových zařízeních. 51 (4): 597–602. Bibcode:2004ITED ... 51..597W. doi:10.1109 / TED.2004.824684.
  24. ^ Zhu, H; et al. (2013). „Návrh a výroba Ta2Ó5 Stohy pro diskrétní multibitovou paměťovou aplikaci ". Transakce IEEE na nanotechnologii. 12 (6): 1151–1157. Bibcode:2013ITNan..12.1151Z. doi:10.1109 / TNANO.2013.2281817.
  25. ^ Lee, M-J; et al. (2011). „Rychlé, vysoce odolné a škálovatelné energeticky nezávislé paměťové zařízení vyrobené z asymetrického Ta2Ó5−X/ TaO2−X dvouvrstvé struktury ". Přírodní materiály. 10 (8): 625–630. Bibcode:2011NatMa..10..625L. doi:10.1038 / NMAT3070. PMID  21743450.
  26. ^ Musikant, Solomon (1985). "Optické složení skla". Optické materiály: Úvod do výběru a aplikace. CRC Press. p. 28. ISBN  978-0-8247-7309-0.