Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Пятиокись тантала
Кристаллструктура Triuranoctoxid.png
  Та 5+   O 2-
Имена
Название ИЮПАК
Оксид тантала (V)
Систематическое название ИЮПАК
Пентаоксид дитантала
Идентификаторы
3D модель ( JSmol )
ChemSpider
ECHA InfoCard100.013.854 Отредактируйте это в Викиданных
UNII
Характеристики
Та 2 О 5
Молярная масса441,893 г / моль
Внешностьбелый порошок без запаха
Плотностьβ-Ta 2 O 5 = 8,18 г / см 3 [1]
α-Ta 2 O 5 = 8,37 г / см 3
Температура плавления 1872 ° С (3402 ° F, 2145 К)
незначительный
Растворимостьне растворим в органических растворителях и большинстве минеральных кислот , реагирует с HF
Ширина запрещенной зоны3,8–5,3 эВ
−32,0 × 10 −6  см 3 / моль
2,275
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
☒N проверить  ( что есть   ?)проверитьY☒N
Ссылки на инфобоксы

Пентоксид тантала , также известный как оксид тантала (V), представляет собой неорганическое соединение с формулой Ta
2О
5. Это белое твердое вещество, не растворимое во всех растворителях, но подверженное действию сильных оснований и плавиковой кислоты. Та
2О
5представляет собой инертный материал с высоким показателем преломления и низким поглощением (т.е. бесцветный), что делает его полезным для покрытий. [2] Он также широко используется в производстве конденсаторов из-за его высокой диэлектрической проницаемости .

Подготовка [ править ]

Возникновение [ править ]

Тантал встречается в минералах танталите и колумбите (колумбий - архаичное название ниобия), которые встречаются в пегматитах , образовании изверженных горных пород. Смеси колумбита и танталита называются колтаном . Танталит был обнаружен Андерсом Густавом Экебергом в Иттерби , Швеция, и Кимото, Финляндия. Минералы микролит и пирохлор содержат примерно 70% и 10% Ta соответственно.

Очистка [ править ]

Танталовые руды часто содержат значительные количества ниобия , который сам по себе является ценным металлом. Таким образом, оба металла извлекаются, чтобы их можно было продать. Общий процесс представляет собой гидрометаллургический процесс, который начинается со стадии выщелачивания ; в котором руда обрабатывается плавиковой кислотой и серной кислотой для получения водорастворимых фторидов водорода , таких как гептафтортанталат . Это позволяет отделить металлы от различных неметаллических примесей в породе.

(FeMn) (NbTa) 2 O 6 + 16 HF → H 2 [TaF 7 ] + H 2 [NbOF 5 ] + FeF 2 + MnF 2 + 6 H 2 O

Затем гидрофлориды тантала и ниобия удаляют из водного раствора экстракцией жидкость-жидкость с использованием органических растворителей , таких как циклогексанон или метилизобутилкетон . Эта стадия позволяет просто удалить различные металлические примеси (например, железо и марганец), которые остаются в водной фазе в виде фторидов . Разделение тантала и ниобия затем достигается регулированием pH . Ниобий требует более высокого уровня кислотности, чтобы оставаться растворимым в органической фазе, и, следовательно, его можно селективно удалить экстракцией в менее кислую воду. Затем чистый раствор фтористого водорода тантала нейтрализуют водным раствором аммиака.с получением гидратированного оксида тантала (Ta 2 O 5 (H 2 O) x ), который кальцинируется до пятиокиси тантала (Ta 2 O 5 ), как описано в этих идеализированных уравнениях: [3]

H 2 [TaF 7 ] + 5 H 2 O + 7 NH 3 →1/2Ta 2 O 5 (H 2 O) 5 + 7 NH 4 F
Ta 2 O 5 (H 2 O) 5 → Ta 2 O 5 + 5 H 2 O

Природный чистый оксид тантала известен как минерал тантит , хотя встречается крайне редко. [4]

Из алкоксидов [ править ]

Оксид тантала часто используется в электронике, часто в виде тонких пленок . Для этих целей его можно производить с помощью MOCVD (или связанных с ним методов), который включает гидролиз его летучих галогенидов или алкоксидов :

Ta 2 (OEt) 10 + 5 H 2 O → Ta 2 O 5 + 10 EtOH
2 TaCl 5 + 5 H 2 O → Ta 2 O 5 + 10 HCl

Структура и свойства [ править ]

Кристаллическая структура пятиокиси тантала была предметом некоторых дискуссий. Сыпучих материалов является неупорядоченным , [пять] является либо аморфного или поликристаллического ; при этом монокристаллы трудно выращивать. Таким образом, рентгеновская кристаллография в основном ограничивается порошковой дифракцией , которая дает меньше структурной информации.

Известно, что существует по крайней мере 2 полиморфа . Низкотемпературная форма, известная как L- или β-Ta 2 O 5 , и высокотемпературная форма, известная как H- или α-Ta 2 O 5 . Переход между этими двумя формами медленный и обратимый; происходит при температуре от 1000 до 1360 ° C со смесью структур, существующих при промежуточных температурах. [5] Структуры обоих полиморфов состоят из цепей, построенных из октаэдрических полиэдров TaO 6 и пятиугольных бипирамидальных полиэдров TaO 7, имеющих противоположные вершины; которые в дальнейшем объединяются путем разделения ребер. [6] [7] Вся кристаллическая система является ромбической.в обоих случаях пространственная группа β-Ta 2 O 5 идентифицирована как Pna2 с помощью дифракции рентгеновских лучей на монокристалле. [8] Также сообщалось о форме высокого давления ( Z- Ta 2 O 5 ), в которой атомы Ta принимают 7-координатную геометрию, чтобы дать моноклинную структуру (пространственная группа C2). [9]

Чисто аморфный пятиокись тантала имеет локальную структуру, аналогичную кристаллическим полиморфам, построенным из полиэдров TaO 6 и TaO 7 , в то время как расплавленная жидкая фаза имеет отчетливую структуру, основанную на более низких координационных полиэдрах, в основном TaO 5 и TaO 6 . [10]

Сложность формирования материала с однородной структурой привела к вариациям в его заявленных свойствах. Как и многие оксиды металлов, Ta 2 O 5 является изолятором, и его ширина запрещенной зоны , по разным данным, составляет от 3,8 до 5,3 эВ, в зависимости от способа производства. [11] [12] [13] В целом, чем более аморфен материал, тем больше ширина запрещенной зоны. Эти наблюдаемые значения значительно выше, чем предсказанные вычислительной химией (2,3 - 3,8 эВ). [14] [15] [16]

Его диэлектрическая проницаемость обычно составляет около 25 [17], хотя сообщалось о значениях более 50. [18] В целом пятиокись тантала считается диэлектрическим материалом с высоким значением k .

Реакции [ править ]

Ta 2 O 5 не вступает в значительную реакцию ни с HCl, ни с HBr, однако он растворяется в плавиковой кислоте и реагирует с бифторидом калия и HF в соответствии со следующим уравнением: [19] [20]

Ta 2 O 5 + 4 KHF 2 + 6 HF → 2 K 2 [TaF 7 ] + 5 H 2 O

Ta 2 O 5 может быть восстановлен до металлического Ta за счет использования металлических восстановителей, таких как кальций и алюминий.

Ta 2 O 5 + 5 Ca → 2 Ta + 5 CaO
Несколько танталовых конденсаторов емкостью 10 мкФ × 30 В постоянного тока , твердотельные, покрытые эпоксидной смолой. Полярность явно отмечена.

Использует [ редактировать ]

В электронике [ править ]

Благодаря большой ширине запрещенной зоны и диэлектрической проницаемости пятиокись тантала нашла множество применений в электронике, особенно в танталовых конденсаторах . Они используются в автомобильной электронике , сотовых телефонах, пейджерах, электронных схемах; тонкопленочные компоненты; и высокоскоростные инструменты. В 1990-х годах возрос интерес к использованию оксида тантала в качестве диэлектрика с высоким k для конденсаторов DRAM . [21] [22]

Он используется в конденсаторах металл-изолятор-металл на кристалле для высокочастотных интегральных схем КМОП . Оксид тантала может применяться в качестве улавливающего заряд слоя для энергонезависимой памяти . [23] [24] Есть применение оксида тантала в резистивной коммутационной памяти . [25]

Другое использование [ править ]

Благодаря высокому показателю преломления , Та 2 O 5 была использована в изготовлении стекла из фотографических линз . [2] [26]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Райзман, Арнольд; Хольцберг, Фредерик; Беркенблит, Мелвин; Берри, Маргарет (20 сентября 1956). «Реакции пентоксидов группы VB с оксидами и карбонатами щелочных металлов. III. Термические и рентгеновские фазовые диаграммы системы K 2 O или K 2 CO 3 с Ta 2 O 5 ». Журнал Американского химического общества . 78 (18): 4514–4520. DOI : 10.1021 / ja01599a003 .
  2. ^ a b Fairbrother, Фредерик (1967). Химия ниобия и тантала . Нью-Йорк: издательство Elsevier Publishing Company. стр.  1 -28. ISBN 978-0-444-40205-9.
  3. ^ Энтони Агулянски (2004). «Химия фтора в переработке тантала и ниобия». В Анатолии Агулянском (ред.). Химия фторидных соединений тантала и ниобия (1-е изд.). Берлингтон: Эльзевир. ISBN 9780080529028.
  4. ^ «Тантит: информация и данные о минералах тантита» . Mindat.org . Проверено 3 марта 2016 .
  5. ^ а б Аскельюнг, Шарлотта; Мариндер, Бенгт-Олов; Сундберг, Маргарета (1 ноября 2003 г.). «Влияние термической обработки на структуру L-Ta 2 O 5 ». Журнал химии твердого тела . 176 (1): 250–258. Bibcode : 2003JSSCh.176..250A . DOI : 10.1016 / j.jssc.2003.07.003 .
  6. ^ Стивенсон, Северная Каролина; Рот, RS (1971). «Структурная систематика в бинарной системе Ta 2 O 5 –WO 3. V. Строение низкотемпературной формы оксида тантала L-Ta 2 O 5 » . Acta Crystallographica Раздел B . 27 (5): 1037–1044. DOI : 10.1107 / S056774087100342X .
  7. ^ Уэллс, AF (1947). Структурная неорганическая химия . Оксфорд: Clarendon Press.
  8. ^ Wolten, GM; Чейз, AB (1 августа 1969 г.). «Монокристаллические данные для β Ta 2 O 5 и A KPO 3 ». Zeitschrift für Kristallographie . 129 (5–6): 365–368. Bibcode : 1969ZK .... 129..365W . DOI : 10.1524 / zkri.1969.129.5-6.365 .
  9. ^ Зибров, ИП; Филоненко В.П .; Sundberg, M .; Вернер, П.-Э. (1 августа 2000 г.). «Структуры и фазовые переходы B-Ta 2 O 5 и Z-Ta 2 O 5 : две формы Ta 2 O 5 под высоким давлением » . Acta Crystallographica Раздел B . 56 (4): 659–665. DOI : 10.1107 / S0108768100005462 .
  10. ^ Алдерман, OLG Benmore, CJ Neuefeind, JC Coillet, E Mermet, Ален Мартинес, В. Tamalonis, А. Вебер, ДКР (2018). «Аморфная тантала и ее связь с расплавленным состоянием» . Материалы физического обзора . 2 (4): 043602. DOI : 10,1103 / PhysRevMaterials.2.043602 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  11. ^ Кукли, Каупо; Аарик, Яан; Айдла, Алекс; Кохан, Оксана; Уустаре, Тет; Саммельсельг, Вяйно (1995). «Свойства тонких пленок оксида тантала, выращенных методом атомно-слоистого осаждения». Тонкие твердые пленки . 260 (2): 135–142. Bibcode : 1995TSF ... 260..135K . DOI : 10.1016 / 0040-6090 (94) 06388-5 .
  12. ^ Флеминг, РМ; Lang, DV; Джонс, CDW; Steigerwald, ML; Мерфи, DW; Оповещения, ГБ; Wong, Y.-H .; ван Довер, РБ; Кво, младший; Сержент, AM (1 января 2000 г.). «Дефектный перенос заряда в тонких аморфных пленках Ta 2 O 5 ». Журнал прикладной физики . 88 (2): 850. Bibcode : 2000JAP .... 88..850F . DOI : 10.1063 / 1.373747 .
  13. ^ Murawala, Prakash A .; Савай, Микио; Тацута, Тошиаки; Цудзи, Осаму; Фудзита, Шизуо; Фудзита, Шигео (1993). «Структурные и электрические свойства Ta 2 O 5, выращенного с помощью плазменно-усиленного жидкого источника CVD с использованием пента-этокситанталового источника». Японский журнал прикладной физики . 32 (Часть 1, № 1Б): 368–375. Bibcode : 1993JaJAP..32..368M . DOI : 10,1143 / JJAP.32.368 .
  14. ^ Ramprasad, R. (1 января 2003). «Первые принципы исследования кислородных вакансионных дефектов в пятиокиси тантала». Журнал прикладной физики . 94 (9): 5609–5612. Bibcode : 2003JAP .... 94.5609R . DOI : 10.1063 / 1.1615700 .
  15. ^ Sawada, H .; Каваками, К. (1 января 1999 г.). «Электронная структура кислородной вакансии в Ta 2 O 5 ». Журнал прикладной физики . 86 (2): 956. Bibcode : 1999JAP .... 86..956S . DOI : 10.1063 / 1.370831 .
  16. ^ Нашед, Рами; Хасан, Валид М.И.; Исмаил, Йехеа; Аллам, Нагех К. (2013). «Раскрытие взаимодействия кристаллической структуры и электронной зонной структуры оксида тантала (Ta 2 O 5 )». Физическая химия Химическая физика . 15 (5): 1352–7. Bibcode : 2013PCCP ... 15.1352N . DOI : 10.1039 / C2CP43492J . PMID 23243661 . 
  17. ^ Macagno, V .; Шульце, JW (1 декабря 1984 г.). «Рост и свойства тонких оксидных слоев на танталовых электродах». Журнал электроаналитической химии и межфазной электрохимии . 180 (1–2): 157–170. DOI : 10.1016 / 0368-1874 (84) 83577-7 .
  18. ^ Hiratani, M .; Kimura, S .; Hamada, T .; Иидзима, S .; Наканиши, Н. (1 января 2002 г.). «Гексагональный полиморф пентоксида тантала с повышенной диэлектрической проницаемостью». Письма по прикладной физике . 81 (13): 2433. Bibcode : 2002ApPhL..81.2433H . DOI : 10.1063 / 1.1509861 .
  19. ^ Agulyansky, A (2003). «Фтортанталат калия в твердом, растворенном и расплавленном состоянии». J. Химия фтора . 123 : 155–161. DOI : 10.1016 / S0022-1139 (03) 00190-8 .
  20. ^ Брауэр, Георг (1965). Справочник по препаративной неорганической химии . Академическая пресса. п. 256. ISBN 978-0-12-395591-3.
  21. ^ Ezhilvalavan, S .; Ценг, Т.Ю. (1999). «Получение и свойства тонких пленок пентоксида тантала (Ta 2 O 5 ) для применения в сверхбольших интегральных схемах (ULSI) - обзор». Журнал материаловедения: материалы в электронике . 10 (1): 9–31. DOI : 10,1023 / A: 1008970922635 .
  22. ^ Шанельер, C; Autran, JL; Дивайн, РАБ; Балланд, Б. (1998). « Тонкие пленки пятиокиси тантала (Ta 2 O 5 ) для сложных диэлектрических применений». Материалы Наука и техника: R . 22 (6): 269–322. DOI : 10.1016 / S0927-796X (97) 00023-5 .
  23. ^ Ван, X; и другие. (2004). «Новая энергонезависимая память типа MONOS, в которой используются диэлектрики с высоким значением k для улучшенного хранения данных и скорости программирования». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 51 (4): 597–602. Bibcode : 2004ITED ... 51..597W . DOI : 10.1109 / TED.2004.824684 .
  24. ^ Чжу, H; и другие. (2013). «Разработка и изготовление стеков Ta 2 O 5 для применения в дискретной многобитной памяти». IEEE Transactions по нанотехнологиям . 12 (6): 1151–1157. Bibcode : 2013ITNan..12.1151Z . DOI : 10.1109 / TNANO.2013.2281817 .
  25. ^ Ли, M-.J; и другие. (2011). «Быстрое, долговечное и масштабируемое энергонезависимое запоминающее устройство на основе асимметричных двухслойных структур Ta 2 O 5− x / TaO 2− x ». Материалы природы . 10 (8): 625–630. Bibcode : 2011NatMa..10..625L . DOI : 10.1038 / NMAT3070 . PMID 21743450 . 
  26. ^ Musikant, Соломон (1985). "Композиция оптического стекла" . Оптические материалы: введение в выбор и применение . CRC Press. п. 28. ISBN 978-0-8247-7309-0.