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pentóxido de tantalio

El pentóxido de tantalio , también conocido como óxido de tantalio (V), es el compuesto inorgánico de fórmula Ta
2oh
5. Es un sólido blanco que es insoluble en todos los disolventes pero es atacado por bases fuertes y ácido fluorhídrico. Ejército de reserva
2oh
5Es un material inerte con un alto índice de refracción y baja absorción (es decir, incoloro), lo que lo hace útil para recubrimientos. [2] También se utiliza ampliamente en la producción de condensadores , debido a su alta constante dieléctrica .

Preparación

Ocurrencia

El tantalio se encuentra en los minerales tantalita y columbita (siendo columbium un nombre arcaico para el niobio), que se encuentran en las pegmatitas , una formación rocosa ígnea. Las mezclas de columbita y tantalita se denominan coltán . La tantalita fue descubierta por Anders Gustaf Ekeberg [ ¿cuándo? ] en Ytterby , Suecia y Kimoto, Finlandia. Los minerales microlita y pirocloro contienen aproximadamente 70% y 10% de Ta, respectivamente.

Refinación

Los minerales de tantalio suelen contener cantidades importantes de niobio , que es en sí mismo un metal valioso. De esta forma, ambos metales se extraen para su comercialización. El proceso general es de hidrometalurgia y comienza con un paso de lixiviación ; en el que el mineral se trata con ácido fluorhídrico y ácido sulfúrico para producir fluoruros de hidrógeno solubles en agua , como el heptafluorotantalato . Esto permite separar los metales de las diversas impurezas no metálicas de la roca.

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

A continuación, los hidrogenofloruros de tantalio y niobio se eliminan de la solución acuosa mediante extracción líquido-líquido utilizando disolventes orgánicos , como ciclohexanona o metil isobutil cetona . Esta etapa permite la eliminación sencilla de diversas impurezas metálicas (por ejemplo, hierro y manganeso) que permanecen en la fase acuosa en forma de fluoruros . Luego se logra la separación del tantalio y el niobio mediante el ajuste del pH . El niobio requiere un mayor nivel de acidez para permanecer soluble en la fase orgánica y, por lo tanto, puede eliminarse selectivamente mediante extracción en agua menos ácida. La solución pura de fluoruro de hidrógeno de tantalio se neutraliza luego con amoníaco acuoso para dar óxido de tantalio hidratado (Ta 2 O 5 (H 2 O) x ), que se calcina para obtener pentóxido de tantalio (Ta 2 O 5 ) como se describe en estas ecuaciones idealizadas: [ 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

El óxido de tantalio puro natural se conoce como mineral tantita , aunque es extremadamente raro. [4]

De alcóxidos

El óxido de tantalio se utiliza frecuentemente en electrónica, a menudo en forma de películas delgadas . Para estas aplicaciones se puede producir mediante MOCVD (o técnicas relacionadas), que implica la hidrólisis de sus haluros o alcóxidos volátiles :

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

Estructura y propiedades

La estructura cristalina del pentóxido de tantalio ha sido objeto de cierto debate. El material a granel está desordenado , [5] siendo amorfo o policristalino ; siendo los monocristales difíciles de cultivar. Como tal, la cristalografía de rayos X se ha limitado en gran medida a la difracción de polvo , que proporciona menos información estructural.

Se sabe que existen al menos 2 polimorfos . Una forma de baja temperatura, conocida como L- o β-Ta 2 O 5 , y la forma de alta temperatura conocida como H- o α-Ta 2 O 5 . La transición entre estas dos formas es lenta y reversible; teniendo lugar entre 1000 y 1360 °C, existiendo una mezcla de estructuras a temperaturas intermedias. [5] Las estructuras de ambos polimorfos consisten en cadenas construidas a partir de poliedros octaédricos de TaO 6 y pentagonales bipiramidales de TaO 7 que comparten vértices opuestos; que se unen además mediante el uso compartido de bordes. [6] [7] El sistema cristalino general es ortorrómbico en ambos casos, y el grupo espacial de β-Ta 2 O 5 se identifica como Pna2 mediante difracción de rayos X de monocristal. [8] También se ha informado de una forma de alta presión ( Z -Ta 2 O 5 ), en la que los átomos de Ta adoptan una geometría de 7 coordenadas para dar una estructura monoclínica (grupo espacial C2). [9]

El pentóxido de tantalio puramente amorfo tiene una estructura local similar a los polimorfos cristalinos, construidos a partir de poliedros de TaO 6 y TaO 7 , mientras que la fase líquida fundida tiene una estructura distinta basada en poliedros de coordinación inferior, principalmente TaO 5 y TaO 6 . [10]

La dificultad para formar materiales con una estructura uniforme ha llevado a variaciones en sus propiedades reportadas. Como muchos óxidos metálicos, el Ta 2 O 5 es un aislante y se ha informado que su banda prohibida está entre 3,8 y 5,3 eV, según el método de fabricación. [11] [12] [13] En general, cuanto más amorfo es el material, mayor es la banda prohibida observada. Estos valores observados son significativamente más altos que los predichos por la química computacional (2,3 - 3,8 eV). [14] [15] [16]

Su constante dieléctrica suele ser de aproximadamente 25 [17], aunque se han informado valores superiores a 50. [18] En general, el pentóxido de tantalio se considera un material dieléctrico de alto k .

Reacciones

Ta 2 O 5 no reacciona apreciablemente ni con HCl ni con HBr, sin embargo, se disolverá en ácido fluorhídrico y reacciona con bifluoruro de potasio y HF de acuerdo con la siguiente ecuación: [19] [20]

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

Ta 2 O 5 se puede reducir a Ta metálico mediante el uso de reductores metálicos como calcio y aluminio.

Ta 2 O 5 + 5 Ca → 2 Ta + 5 CaO
Varios condensadores de tantalio con clasificación de 10 μF × 30 V CC , tipo de cuerpo sólido bañados en epoxi. La polaridad está marcada explícitamente.

Usos

en electronica

Debido a su alta banda prohibida y constante dieléctrica , el pentóxido de tantalio ha encontrado una variedad de usos en electrónica, particularmente en condensadores de tantalio . Se utilizan en electrónica automotriz , teléfonos móviles y buscapersonas, circuitos electrónicos; componentes de película delgada; y herramientas de alta velocidad. En la década de 1990, creció el interés en el uso de óxido de tantalio como dieléctrico de alto k para aplicaciones de condensadores DRAM . [21] [22]

Se utiliza en condensadores de metal-aislante-metal en chip para circuitos integrados CMOS de alta frecuencia . El óxido de tantalio puede tener aplicaciones como capa atrapadora de carga para memorias no volátiles . [23] [24] Existen aplicaciones del óxido de tantalio en memorias de conmutación resistivas . [25]

en optica

Debido a su alto índice de refracción , el Ta 2 O 5 se ha utilizado en la fabricación del cristal de lentes fotográficas . [2] [26] También se puede depositar como un recubrimiento óptico con aplicaciones típicas que son recubrimientos de filtro antirreflectantes y multicapa en UV cercano a infrarrojo cercano . [27]

También se ha descubierto que Ta 2 O 5 tiene un alto índice de refracción no lineal , [28] [29] del orden de tres veces el del nitiruro de silicio , lo que ha despertado el interés en la utilización de Ta 2 O 5 en circuitos integrados fotónicos. . Ta 2 O 5 se ha utilizado recientemente como plataforma material para la generación de supercontinuos [30] [31] y peines de frecuencia de Kerr [29] en guías de ondas y resonadores de anillos ópticos . Mediante la adición de dopantes de tierras raras en el proceso de deposición, los láseres de guía de ondas Ta 2 O 5 se han presentado para una variedad de aplicaciones, como la teledetección y LiDAR . [32] [33] [34]

Referencias

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