stringtranslate.com

Пентаоксид тантала

Пентаоксид тантала , также известный как оксид тантала (V), представляет собой неорганическое соединение с формулой Ta
2О
5. Это белое твердое вещество, нерастворимое во всех растворителях, но разрушаемое сильными основаниями и плавиковой кислотой . Ta
2О
5является инертным материалом с высоким показателем преломления и низким поглощением (т. е. бесцветным), что делает его полезным для покрытий. [2] Он также широко используется в производстве конденсаторов из-за его высокой диэлектрической проницаемости .

Подготовка

Происшествие

Тантал встречается в минералах танталите и колумбите (колумбий — архаичное название ниобия), которые встречаются в пегматитах , магматических породах. Смеси колумбита и танталита называются колтаном . Тантал был обнаружен в танталите в 1802 году Андерсом Густавом Экебергом в Иттербю , Швеция, и Кимото, Финляндия. Минералы микролит и пирохлор содержат приблизительно 70% и 10% Ta соответственно.

Переработка

Руды тантала часто содержат значительное количество ниобия , который сам по себе является ценным металлом. Таким образом, оба металла извлекаются для продажи. Весь процесс является одним из видов гидрометаллургии и начинается с этапа выщелачивания ; на котором руда обрабатывается плавиковой кислотой и серной кислотой для получения водорастворимых фторидов водорода , таких как гептафторотанталат . 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 гидрофториды тантала и ниобия удаляются из водного раствора путем экстракции жидкость-жидкость с использованием органических растворителей , таких как циклогексанон или метилизобутилкетон . Этот шаг позволяет легко удалить различные металлические примеси (например, железо и марганец), которые остаются в водной фазе в виде фторидов . Затем разделение тантала и ниобия достигается путем регулирования pH . Ниобию требуется более высокий уровень кислотности, чтобы оставаться растворимым в органической фазе, и, следовательно , его можно селективно удалить путем экстракции в менее кислую воду. Затем чистый раствор фторида тантала нейтрализуют водным аммиаком , чтобы получить гидратированный оксид тантала ( Ta2O5 ( H2O ) x ) , который прокаливают до пентаоксида тантала (Ta2O5 ) , как описано в этих идеализированных уравнениях: [3]

H2 [ TaF7 ] + 5H2O + 7NH3 → ⁠​1/2⁠ Та 2 О 5 (Н 2 О) 5 + 7 NH 4 F
Та 2 О 5 (Н 2 О) 5 → Та 2 О 5 + 5 Н 2 О

Природный чистый оксид тантала известен как минерал тантит , хотя он чрезвычайно редок. [4]

Из алкоксидов

Оксид тантала часто используется в электронике, часто в виде тонких пленок . Для этих целей его можно производить методом MOCVD (или родственными методами), 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

Кристаллическая структура пентаоксида тантала была предметом некоторых дискуссий. Основной материал неупорядочен , [ 5] будучи либо аморфным , либо поликристаллическим ; с трудом выращиваемыми монокристаллами . Таким образом, рентгеновская кристаллография в значительной степени ограничивалась 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 между 1000 и 1360 °C, со смесью структур, существующих при промежуточных температурах. [5] Структуры обоих полиморфов состоят из цепей, построенных из октаэдрических TaO 6 и пентагональных бипирамидальных TaO 7 полиэдров, разделяющих противоположные вершины; которые далее соединяются общими ребрами. [6] [7] Общая кристаллическая система является орторомбической в ​​обоих случаях, с пространственной группой β-Ta 2 O 5 , идентифицированной как Pna2 с помощью рентгеновской дифракции монокристалла. [8] [9]

Также сообщалось о форме высокого давления ( Z - Ta2O5 ) , в которой атомы Ta принимают 7-координатную геометрию , образуя моноклинную структуру (пространственная группа C2). [10]

Чисто аморфный пентаоксид тантала имеет локальную структуру, похожую на кристаллические полиморфы, построенные 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 . [11]

Трудность формирования материала с однородной структурой привела к вариациям в его сообщаемых свойствах. Как и многие оксиды металлов, Ta 2 O 5 является изолятором , и его запрещенная зона по-разному сообщается как находящаяся между 3,8 и 5,3 эВ, в зависимости от метода изготовления. [12] [13] [14] В целом, чем более аморфен материал, тем больше его наблюдаемая запрещенная зона. Эти наблюдаемые значения значительно выше, чем те, которые предсказываются вычислительной химией (2,3 - 3,8 эВ). [15] [16] [17]

Его диэлектрическая проницаемость обычно составляет около 25 [18] , хотя сообщалось о значениях более 50. [19] В целом пентаоксид тантала считается диэлектрическим материалом с высоким значением k .

Реакции

Ta 2 O 5 не реагирует заметно ни с HCl, ни с HBr, однако он растворяется в плавиковой кислоте и реагирует с гидробифторидом калия и HF в соответствии со следующим уравнением: [20] [21]

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

Ta 2 O 5 можно восстановить до металлического Ta с помощью металлических восстановителей, таких как кальций и алюминий.

Та 2 О 5 + 5 Са → 2 Та + 5 СаО
Несколько танталовых конденсаторов 10 мкФ × 30 В постоянного тока , твердотельных, с эпоксидной заливкой. Полярность четко обозначена.

Использует

В электронике

Благодаря своей большой ширине запрещенной зоны и диэлектрической постоянной пентаоксид тантала нашел множество применений в электронике, особенно в танталовых конденсаторах . Они используются в автомобильной электронике , сотовых телефонах и пейджерах, электронных схемах; тонкопленочных компонентах; и высокоскоростных инструментах. В 1990-х годах возрос интерес к использованию оксида тантала в качестве диэлектрика с высоким значением k для конденсаторов DRAM . [22] [23]

Он используется в конденсаторах металл-изолятор-металл на кристалле для высокочастотных интегральных схем КМОП . Оксид тантала может иметь применение в качестве слоя захвата заряда для энергонезависимой памяти . [24] [25] Оксид тантала применяется в резистивной коммутационной памяти . [26]

В оптике

Благодаря своему высокому показателю преломления Ta 2 O 5 используется при изготовлении стекла для фотографических линз . [2] [27] Его также можно наносить в качестве оптического покрытия , типичными применениями которого являются антибликовые и многослойные фильтрующие покрытия в ближнем УФ- и ближнем инфракрасном диапазонах . [28]

Также было обнаружено, что Ta 2 O 5 имеет высокий нелинейный показатель преломления , [29] [30] порядка в три раза больше, чем у нитирида кремния , что привело к интересу к использованию Ta 2 O 5 в фотонных интегральных схемах . Ta 2 O 5 недавно использовался в качестве материальной платформы для генерации суперконтинуума [ 31] [32] и керровских частотных гребенок [30] в волноводах и оптических кольцевых резонаторах . Благодаря добавлению редкоземельных легирующих примесей в процессе осаждения были представлены волноводные лазеры Ta 2 O 5 для различных приложений, таких как дистанционное зондирование и LiDAR . [33] [34] [35]

Ссылки

  1. ^ Райзман, Арнольд; Хольцберг, Фредерик; Беркенблит, Мелвин; Берри, Маргарет (20 сентября 1956 г.). «Реакции пентаоксидов группы VB с оксидами и карбонатами щелочных металлов. III. Термические и рентгеновские фазовые диаграммы системы K2O или K2CO3 с Ta2O5 » . Журнал Американского химического общества . 78 ( 18): 4514–4520. doi :10.1021/ja01599a003.
  2. ^ ab Fairbrother, Frederick (1967). Химия ниобия и тантала . Нью-Йорк: Elsevier Publishing Company. С. 1–28. ISBN 978-0-444-40205-9.
  3. ^ Энтони Агулянски (2004). «Химия фтора в обработке тантала и ниобия». В Анатолий Агулянски (ред.). Химия соединений фторида тантала и ниобия (1-е изд.). Burlington: Elsevier. ISBN 9780080529028.
  4. ^ "Тантит: Информация и данные о минерале тантит". Mindat.org . Получено 2016-03-03 .
  5. ^ аб Аскельджунг, 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. Бибкод : 2003JSSCh.176..250A. дои : 10.1016/j.jssc.2003.07.003.
  6. ^ Стефенсон, NC; Рот, RS (1971). «Структурная систематика в бинарной системе Ta 2 O 5 –WO 3 . V. Структура низкотемпературной формы оксида тантала L-Ta 2 O 5 ». Acta Crystallographica Section B . 27 (5): 1037–1044. Bibcode :1971AcCrB..27.1037S. doi :10.1107/S056774087100342X.
  7. ^ Уэллс, А. Ф. (1947). Структурная неорганическая химия . Оксфорд: Clarendon Press.
  8. ^ Волтен, генеральный директор; 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. Бибкод : 1969ZK....129..365W. дои : 10.1524/zkri.1969.129.5-6.365.
  9. ^ Хаммель, Ханс-У.; Факлер, Ричард; Реммерт, Питер (1992). «Танталоксид при газофазенгидролизе, гидролизе и транспортной реакции 2H-TaS 2 : синтез TT-Ta 2 O 5 и T-Ta 2 O 5 и кристаллическая структура T-Ta 2 O 5 ». Химише Берихте . 125 (3): 551–556. дои : 10.1002/cber.19921250304.
  10. ^ Зибров, ИП; Филоненко, ВП; Сундберг, М.; 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 высокого давления ». Acta Crystallographica Section B . 56 (4): 659–665. doi :10.1107/S0108768100005462. PMID  10944257. S2CID  22330435.
  11. ^ Alderman, OLG; Benmore, CJ; Neuefeind, J.; Coillet, E.; Mermet, A.; Martinez, V.; Tamalonis, A.; Weber, R. (2018). "Аморфный тантал и его связь с расплавленным состоянием". Physical Review Materials . 2 (4): 043602. Bibcode : 2018PhRvM...2d3602A. doi : 10.1103/PhysRevMaterials.2.043602 .
  12. ^ Кукли, Каупо; Аарик, Яан; Аидла, Алекс; Кохан, Оксана; Уустаре, Теет; Саммельсельг, Вяйно (1995). «Свойства тонких пленок оксида тантала, выращенных методом атомно-слоевого осаждения». Тонкие твердые пленки . 260 (2): 135–142. Бибкод : 1995TSF...260..135K. дои : 10.1016/0040-6090(94)06388-5.
  13. ^ Fleming, RM; Lang, DV; Jones, CDW; Steigerwald, ML; Murphy, DW; Alers, GB; Wong, Y.-H.; van Dover, RB; Kwo, JR; Sergent, AM (1 января 2000 г.). "Перенос заряда с преобладанием дефектов в тонких пленках аморфного Ta 2 O 5 ". Journal of Applied Physics . 88 (2): 850. Bibcode :2000JAP....88..850F. doi :10.1063/1.373747.
  14. ^ Муравала, Пракаш А.; Савай, Микио; Тацута, Тошиаки; Цудзи, Осаму; Фудзита, Шизуо; Фудзита, Сигео (1993). «Структурные и электрические свойства Ta 2 O 5 , выращенного с помощью плазменно-усиленного жидкостного источника CVD с использованием пентаэтокси-танталового источника». Японский журнал прикладной физики . 32 (Часть 1, № 1Б): 368–375. Бибкод : 1993JaJAP..32..368M. дои : 10.1143/JJAP.32.368. S2CID  97813703.
  15. ^ Рампрасад, Р. (1 января 2003 г.). «Первые принципы исследования дефектов кислородных вакансий в пентаоксиде тантала». Журнал прикладной физики . 94 (9): 5609–5612. Bibcode : 2003JAP....94.5609R. doi : 10.1063/1.1615700.
  16. ^ Савада, Х.; Каваками, К. (1 января 1999 г. ). "Электронная структура кислородной вакансии в Ta2O5 " . Журнал прикладной физики . 86 (2): 956. Bibcode : 1999JAP....86..956S. doi : 10.1063/1.370831.
  17. ^ Nashed, Ramy; Hassan, Walid MI; Ismail, Yehea; Allam, Nageh K. (2013). «Раскрытие взаимодействия кристаллической структуры и электронной зонной структуры оксида тантала (Ta 2 O 5 )». Physical Chemistry Chemical Physics . 15 (5): 1352–7. Bibcode :2013PCCP...15.1352N. doi :10.1039/C2CP43492J. PMID  23243661.
  18. ^ Macagno, V.; Schultze, 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.
  19. ^ Хиратани, М.; Кимура, С.; Хамада, Т.; Иидзима, С.; Наканиши, Н. (1 января 2002 г.). «Гексагональный полиморф пентаоксида тантала с повышенной диэлектрической постоянной». Applied Physics Letters . 81 (13): 2433. Bibcode : 2002ApPhL..81.2433H. doi : 10.1063/1.1509861.
  20. ^ Агулянский, А (2003). «Фторотанталат калия в твердом, растворенном и расплавленном состоянии». J. Fluorine Chem . 123 (2): 155–161. doi :10.1016/S0022-1139(03)00190-8.
  21. ^ Брауэр, Георг (1965). Справочник по препаративной неорганической химии . Academic Press. стр. 256. ISBN 978-0-12-395591-3.
  22. ^ Ezhilvalavan, S.; Tseng, TY (1999). «Подготовка и свойства тонких пленок пентаоксида 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. S2CID  55644772.
  23. ^ Chaneliere, C; Autran, JL; Devine, RAB; Balland, B (1998). « Тонкие пленки пентаоксида тантала (Ta 2 O 5 ) для современных диэлектрических применений». Materials Science and Engineering: R . 22 (6): 269–322. doi :10.1016/S0927-796X(97)00023-5.
  24. ^ Wang, X; et al. (2004). «Новая энергонезависимая память типа MONOS с использованием диэлектриков с высоким κ для улучшения сохранения данных и скорости программирования». IEEE Transactions on Electron Devices . 51 (4): 597–602. Bibcode : 2004ITED...51..597W. doi : 10.1109/TED.2004.824684.
  25. ^ Чжу, Х. и др. (2013). «Проектирование и изготовление стеков Ta2O5 для применения в дискретной многобитовой памяти». Труды IEEE по нанотехнологиям . 12 (6): 1151–1157. Bibcode : 2013ITNan..12.1151Z. doi : 10.1109/TNANO.2013.2281817. S2CID 44045227  .
  26. ^ Ли, М-Дж; и др . (2011). «Быстрое, высоконадежное и масштабируемое энергонезависимое запоминающее устройство, изготовленное из асимметричных двухслойных структур Ta2O5 − x /TaO2 − x ». Nature Materials . 10 (8): 625–630. Bibcode : 2011NatMa..10..625L. doi : 10.1038/NMAT3070. PMID  21743450.
  27. ^ Musikant, Solomon (1985). "Optical Glas Composition". Оптические материалы: Введение в выбор и применение . CRC Press. стр. 28. ISBN 978-0-8247-7309-0.
  28. ^ "Оксид тантала для оптических покрытий". Materion . Получено 1 апреля 2021 г. .
  29. ^ Tai, Chao-Yi; Wilkinson, James S.; Perney, Nicolas MB; Netti, M. Caterina; Cattaneo, F.; Finlayson, Chris E.; Baumberg, Jeremy J. (18.10.2004). «Определение нелинейного показателя преломления в волноводе из ребра Ta2O5 с использованием фазовой автомодуляции». Optics Express . 12 (21): 5110–5116. Bibcode : 2004OExpr..12.5110T. doi : 10.1364/OPEX.12.005110 . ISSN  1094-4087. PMID  19484065.
  30. ^ ab Jung, Hojoong; Yu, Su-Peng; Carlson, David R.; Drake, Tara E.; Briles, Travis C.; Papp, Scott B. (2021-06-20). "Tantala Kerr нелинейная интегрированная фотоника". Optica . 8 (6): 811–817. arXiv : 2007.12958 . Bibcode : 2021Optic...8..811J. doi : 10.1364/OPTICA.411968. ISSN  2334-2536. S2CID  220793938.
  31. ^ Woods, Jonathan RC; Daykin, Jake; Tong, Amy SK; Lacava, Cosimo; Petropoulos, Periklis; Tropper, Anne C.; Horak, Peter; Wilkinson, James S.; Apostolopoulos, Vasilis (2020-10-12). «Генерация суперконтинуума в волноводах из пентаоксида тантала для длин волн накачки в спектральной области от 900 нм до 1500 нм». Optics Express . 28 (21): 32173–32184. Bibcode : 2020OExpr..2832173W. doi : 10.1364/OE.403089 . ISSN  1094-4087. PMID  33115180.
  32. ^ Фан, Ранран; Линь, Юань-Яо; Чанг, Лин; Боес, Андреас; Бауэрс, Джон; Лю, Цзя-Вэй; Линь, Чао-Хонг; Ван, Те-Кенг; Цяо, Цзюньпэн; Куо, Хао-Чунг; Линь, Гонг-Ру; Ши, Минь-Сюн; Хунг, Юнг-младший; Чиу, И-Джен; Ли, Чао-Куэй (12 апреля 2021 г.). «Генерация суперконтинуума высшего порядка в канальном волноводе пятиокиси тантала (Ta2O5)». Научные отчеты . 11 (1): 7978. Бибкод : 2021NatSR..11.7978F. дои : 10.1038/s41598-021-86922-8. ISSN  2045-2322. PMC 8042067. PMID 33846403  . 
  33. ^ Тонг, Эми СК; Митчелл, Колин Дж.; Агаджани, Армен; Сешнс, Нил; Сентил Муруган, Г.; Маккензи, Джейкоб И.; Уилкинсон, Джеймс С. (2020-09-01). "Спектроскопия волноводов из пентаоксида тантала, легированного тулием, на кремнии". Optical Materials Express . 10 (9): 2201. Bibcode : 2020OMExp..10.2201T. doi : 10.1364/OME.397011 . ISSN  2159-3930.
  34. ^ Агаджани, А; Муруган, ГС; Сешнс, Н.П.; Апостолопулос, В; Уилкинсон, Дж.С. (2015-06-17). "Спектроскопия высококонтрастных волноводов Yb:Ta 2 O 5 для лазерных приложений". Journal of Physics: Conference Series . 619 (1): 012031. Bibcode : 2015JPhCS.619a2031A. doi : 10.1088/1742-6596/619/1/012031 . ISSN  1742-6596.
  35. ^ Subramani, Ananth Z.; Oton, Claudio J.; Shepherd, David P.; Wilkinson, James S. (ноябрь 2010 г.). «Волноводный лазер с легированием эрбием в пентаоксиде тантала». IEEE Photonics Technology Letters . 22 (21): 1571–1573. Bibcode : 2010IPTL...22.1571S. doi : 10.1109/LPT.2010.2072495. ISSN  1041-1135. S2CID  28849615.