Тантал пентоксид, исто така познат како тантал(V) оксид, е неорганско соединение со хемиска формулаTa2O5. Тоа е бела цврста материја која е нерастворлива во сите растворувачи, но е нападната од силни бази и флуороводородна киселина. Ta2O5 е инертен материјал со висок индекс на рефракција и ниска апсорпција (т.е. безбоен), што го прави корисен за облоги.[2] Исто така, широко се користи во производството на кондензатори, поради неговата висока диелектрична константа.
Подготовка
Појава
Тантал се јавува во минералите танталит и колумбит (колумбиум е архаично име за ниобиум), кои се јавуваат во пегматитите, формација на магматска карпа. Мешавините на колумбит и танталит се нарекуваат колтан. Танталитот бил откриен од Андерс Густаф Екеберг во Итерби, Шведска и Кимото, Финска. Минералите микролит и пирохлор содржат приближно 70% и 10% Ta, соодветно.
Рафинирање
Рудите на тантал често содржат значителни количини на ниобиум, кој сам по себе е вреден метал. Како такви, двата метали се извлекуваат за да можат да се продаваат. Целокупниот процес е процес на хидрометалургија и започнува со чекор на лужење; во кој рудата се обработува со флуороводородна киселина и сулфурна киселина за да се добијат флуороводороди растворливи во вода, како што е хептафлуоротанталат. Ова им овозможува на металите да се одвојат од различните неметални нечистотии во карпата.
Хидрогенфлуоридите на тантал и ниобиум потоа се отстрануваат од водениот раствор со течно-течна екстракција користејќи органски растворувачи, како што се циклохексанон или метил изобутил кетон. Овој чекор овозможува едноставно отстранување на разни метални нечистотии (на пример, железо и манган) кои остануваат во водната фаза во форма на флуориди. Раздвојувањето на танталот и ниобиумот потоа се постигнува со прилагодување на pH. Ниобиумот бара повисоко ниво на киселост за да остане растворлив во органската фаза и затоа може селективно да се отстрани со екстракција во помалку кисела вода. Чистиот раствор на танталофлуороводород потоа се неутрализира со воден амонијак за да се добие хидриран тантал оксид (Ta2O5(H2O)x), кој се калцинира до тантал пентоксид (Ta2O5) како што е опишано во овие идеализирани равенки:[3]
Природниот чист тантал оксид е познат како минерал тантит, иако е исклучително редок.[4]
Од алкоксиди
Тантал оксидот често се користи во електрониката, често во форма на тенки филмови. За овие апликации може да се произведе со MOCVD (или сродни техники), што вклучува хидролиза на неговите испарливи халиди или алкоксиди:
Кристалната структура на пентоксидот на тантал е предмет на одредена дебата. Материјалот е нарушен[5] или е аморфен или поликристален, со единечни кристали кои тешко се одгледуваат. Како таква, рендгенската кристалографија во голема мера е ограничена на дифракција на прав, што обезбедува помалку структурни информации.
Познато е дека постојат најмалку 2 полиморфи. Форма на ниска температура, позната како L- или β-Ta2O5 и на висока температура позната како H- или α-Ta2O5. Преминот помеѓу овие две форми е бавен и реверзибилен; се одвива помеѓу 1000 и 1360 °C, со мешавина од структури кои постојат на средни температури.[5] Структурите на двата полиморфи се состојат од синџири изградени од октаедарски TaO6 и пентагонални бипирамидални TaO7 полиедри кои споделуваат спротивни темиња, кои понатаму се споени со споделување на рабовите.[6][7] Целокупниот кристален систем е орторомбичен и во двата случаи, при што вселенската група на β-Ta2O5 е идентификувана како Pna2 со дифракција на единечни кристали на Х-зраци.[8] Пријавена е и форма на висок притисок (Z-Ta2O5) во која атомите на Та прифаќаат геометрија од 7 координати за да дадат моноклинична структура (просторна група C2).[9]
Чисто аморфниот тантал пентооксид има слична локална структура на кристалните полиморфи, изградени од полиедрите TaO6 и TaO7, додека растопената течна фаза има посебна структура базирана на полиедри со пониска координација, главно TaO5 и TaO6.[10]
Тешкотијата во формирањето материјал со униформа структура доведе до варијации во неговите пријавени својства. Како и многу метални оксиди,Ta2O5 е изолатор, а неговиот јаз во појасот е различно пријавен како помеѓу 3,8 и 5,3 eV, во зависност од методот на производство.[11][12][13] Општо земено, колку материјалот е поаморфен, толку е поголем неговиот забележан јаз во појасот. Овие набљудувани вредности се значително повисоки од оние предвидени со пресметковната хемија (2.3 - 3.8 eV).[14][15][16]
Неговата диелектрична константа е типично околу 25[17] иако се пријавени вредности над 50.[18] Општо земено, танталовиот пентооксид се смета за диелектричен материјал со висока k.
Реакции
Ta2O5 не реагира значително ниту со HCl ниту со HBr, но сепак ќе се раствори во флуороводородна киселина и реагира со калиум бифлуорид и HF според следната равенка:[19][20]
Several 10 μF × 30 V DC rated tantalum capacitors, solid-bodied epoxy-dipped type. Polarity is explicitly marked.
Употреба
Во електрониката
Благодарение на неговиот висок јаз на опсегот и диелектричната константа, танталовиот пентооксид најде различни намени во електрониката, особено во танталовите кондензатори. Тие се користат во автомобилската електроника, мобилните телефони и пејџерите, електронските кола, компоненти со тенок слој и алатки со голема брзина. Во 1990-тите, се зголеми интересот за употребата на тантал оксид како високо-k диелектрик за апликации со DRAM кондензатори.[21][22]
Се користи во метални-изолатор-метални кондензатори на чип за високофреквентни CMOS интегрирани кола. Тантал оксидот може да има примена како слој за задржување на полнеж за неиспарливи мемории.[23][24] Постојат апликации на тантал оксид во резистивни преклопни мемории.[25]
Други употреби
Поради високиот индекс на рефракција, Ta2O5 се користи во изработката на стаклата за фотографски леќи.[2][26] Може да се депонира и како оптичка обвивка со типични апликации кои се антирефлексивни и повеќеслојни филтри премази во близина на УВ до близу инфрацрвено.[27]
Наводи
↑Reisman, Arnold; Holtzberg, Frederic; Berkenblit, Melvin; Berry, Margaret (20 September 1956). „Reactions of the Group VB Pentoxides with Alkali Oxides and Carbonates. III. Thermal and X-Ray Phase Diagrams of the System K2O or K2CO3 with Ta2O5“. Journal of the American Chemical Society. 78 (18): 4514–4520. doi:10.1021/ja01599a003.
↑Anthony Agulyanski (2004). „Fluorine chemistry in the processing of tantalum and niobium“. Во Anatoly Agulyanski (уред.). Chemistry of Tantalum and Niobium Fluoride Compounds (1. изд.). Burlington: Elsevier. ISBN9780080529028.
↑ 5,05,1Askeljung, Charlotta; Marinder, Bengt-Olov; Sundberg, Margareta (1 November 2003). „Effect of heat treatment on the structure of L-Ta2O5“. Journal of Solid State Chemistry. 176 (1): 250–258. Bibcode:2003JSSCh.176..250A. doi:10.1016/j.jssc.2003.07.003.
↑Stephenson, N. C.; Roth, R. S. (1971). „Structural systematics in the binary system Ta2O5–WO3. V. The structure of the low-temperature form of tantalum oxide L-Ta2O5“. Acta Crystallographica Section B. 27 (5): 1037–1044. doi:10.1107/S056774087100342X.
↑Zibrov, I. P.; Filonenko, V. P.; Sundberg, M.; Werner, P.-E. (1 August 2000). „Structures and phase transitions of B-Ta2O5 and Z-Ta2O5: two high-pressure forms of Ta2O5“. Acta Crystallographica Section B. 56 (4): 659–665. doi:10.1107/S0108768100005462.
↑Alderman, O. L. G.; Benmore, C.J.; Neuefeind, J.; Coillet, E.; Mermet, A.; Martinez, V.; Tamalonis, A.; Weber, R. (2018). „Amorphous tantala and its relationship with the molten state“. Physical Review Materials. 2 (4): 043602. doi:10.1103/PhysRevMaterials.2.043602.
↑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 January 2000). „Defect dominated charge transport in amorphous Ta2O5 thin films“. Journal of Applied Physics. 88 (2): 850. Bibcode:2000JAP....88..850F. doi:10.1063/1.373747.
↑Murawala, Prakash A.; Sawai, Mikio; Tatsuta, Toshiaki; Tsuji, Osamu; Fujita, Shizuo; Fujita, Shigeo (1993). „Structural and Electrical Properties of Ta2O5 Grown by the Plasma-Enhanced Liquid Source CVD Using Penta Ethoxy Tantalum Source“. Japanese Journal of Applied Physics. 32 (Part 1, No. 1B): 368–375. Bibcode:1993JaJAP..32..368M. doi:10.1143/JJAP.32.368.
↑Ramprasad, R. (1 January 2003). „First principles study of oxygen vacancy defects in tantalum pentoxide“. Journal of Applied Physics. 94 (9): 5609–5612. Bibcode:2003JAP....94.5609R. doi:10.1063/1.1615700.
↑Sawada, H.; Kawakami, K. (1 January 1999). „Electronic structure of oxygen vacancy in Ta2O5“. Journal of Applied Physics. 86 (2): 956. Bibcode:1999JAP....86..956S. doi:10.1063/1.370831.
↑Nashed, Ramy; Hassan, Walid M. I.; Ismail, Yehea; Allam, Nageh K. (2013). „Unravelling the interplay of crystal structure and electronic band structure of tantalum oxide (Ta2O5)“. Physical Chemistry Chemical Physics. 15 (5): 1352–7. Bibcode:2013PCCP...15.1352N. doi:10.1039/C2CP43492J. PMID23243661.
↑Macagno, V.; Schultze, J.W. (1 December 1984). „The growth and properties of thin oxide layers on tantalum electrodes“. Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry. 180 (1–2): 157–170. doi:10.1016/0368-1874(84)83577-7.
↑Hiratani, M.; Kimura, S.; Hamada, T.; Iijima, S.; Nakanishi, N. (1 January 2002). „Hexagonal polymorph of tantalum–pentoxide with enhanced dielectric constant“. Applied Physics Letters. 81 (13): 2433. Bibcode:2002ApPhL..81.2433H. doi:10.1063/1.1509861.
↑Agulyansky, A (2003). „Potassium fluorotantalate in solid, dissolved and molten conditions“. J. Fluorine Chemistry. 123: 155–161. doi:10.1016/S0022-1139(03)00190-8.
↑Brauer, Georg (1965). Handbook of preparative inorganic chemistry. Academic Press. стр. 256. ISBN978-0-12-395591-3.
↑
Ezhilvalavan, S.; Tseng, T. Y. (1999). „Preparation and properties of tantalum pentoxide (Ta2O5) thin films for ultra large scale integrated circuits (ULSIs) application - a review“. Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 10 (1): 9–31. doi:10.1023/A:1008970922635.
↑
Chaneliere, C; Autran, J L; Devine, R A B; Balland, B (1998). „Tantalum pentoxide (Ta2O5) thin films for advanced dielectric applications“. Materials Science and Engineering: R. 22 (6): 269–322. doi:10.1016/S0927-796X(97)00023-5.
↑
Wang, X; и др. (2004). „A Novel MONOS-Type Nonvolatile Memory Using High-κ Dielectrics for Improved Data Retention and Programming Speed“. IEEE Transactions on Electron Devices. 51 (4): 597–602. Bibcode:2004ITED...51..597W. doi:10.1109/TED.2004.824684.
_oxide_sample.jpg)
