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Pentóxido de tantalio

El pentóxido de tantalio , también conocido como óxido de tantalio (V), es el compuesto inorgánico con la fórmula Ta
2Oh
5Es un sólido blanco insoluble en todos los disolventes pero atacado por bases fuertes y ácido fluorhídrico .
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

Aparición

El tantalio se encuentra en los minerales tantalita y columbita (el columbio es 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 . El tantalio fue descubierto en la tantalita en 1802 por Anders Gustaf Ekeberg en Ytterby , Suecia, y Kimoto, Finlandia. Los minerales microlita y pirocloro contienen aproximadamente un 70% y un 10% de Ta, respectivamente.

Refinando

Los minerales de tantalio suelen contener cantidades significativas de niobio , que es en sí mismo un metal valioso. Por ello, se extraen ambos metales para poder venderlos. El proceso general es hidrometalúrgico y comienza con una etapa de lixiviación , en la 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

Los fluoruros de hidrógeno de tantalio y niobio se eliminan luego de la solución acuosa mediante extracción líquido-líquido utilizando disolventes orgánicos , como ciclohexanona o metil isobutil cetona . Este paso permite la eliminación simple de varias impurezas metálicas (por ejemplo, hierro y manganeso) que permanecen en la fase acuosa en forma de fluoruros . La separación del tantalio y el niobio se logra luego mediante el ajuste del pH . El niobio requiere un mayor nivel de acidez para permanecer soluble en la fase orgánica y, por lo tanto, se puede eliminar selectivamente mediante extracción en agua menos ácida. La solución de fluoruro de hidrógeno de tantalio puro se neutraliza luego con amoníaco acuoso para dar óxido de tantalio hidratado (Ta 2 O 5 (H 2 O) x ), que se calcina a pentóxido de tantalio (Ta 2 O 5 ) como se describe en estas ecuaciones idealizadas: [3]

H2 [TaF7 ] + 5 H2O + 7 NH3 → ⁠1/2⁠ Ta 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]

A partir de alcóxidos

El óxido de tantalio se utiliza con frecuencia 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 volátiles o alcóxidos :

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 motivo de debate. El material en masa es desordenado , [5] siendo amorfo o policristalino ; siendo difícil formar cristales individuales . Por ello, la cristalografía de rayos X se ha limitado en gran medida a la difracción de polvos , que proporciona menos información estructural.

Se sabe que existen al menos dos 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; tiene 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 TaO 6 y bipiramidales pentagonales TaO 7 que comparten vértices opuestos; que además están unidos por aristas compartidas. [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 cristal único. [8] [9]

También se ha informado de una forma de alta presión ( Z-Ta2O5 ) , en la que los átomos de Ta adoptan una geometría de coordenadas 7 para dar una estructura monoclínica (grupo espacial C2). [10]

El pentóxido de tantalio puramente amorfo tiene una estructura local similar a los polimorfos cristalinos, construidos a partir de poliedros TaO 6 y TaO 7 , mientras que la fase líquida fundida tiene una estructura distinta basada en poliedros de coordinación inferiores, principalmente TaO 5 y TaO 6. [11 ]

La dificultad de formar material con una estructura uniforme ha llevado a variaciones en sus propiedades reportadas. Al igual que muchos óxidos metálicos, el Ta 2 O 5 es un aislante y su brecha de banda se ha reportado de diversas maneras entre 3,8 y 5,3 eV, dependiendo del método de fabricación. [12] [13] [14] En general, cuanto más amorfo es el material, mayor es su brecha de banda observada. Estos valores observados son significativamente más altos que los predichos por la química computacional (2,3 - 3,8 eV). [15] [16] [17]

Su constante dieléctrica suele ser de alrededor de 25 [18] , aunque se han informado valores superiores a 50. [19] En general, el pentóxido de tantalio se considera un material dieléctrico de alto k .

Reacciones

El Ta 2 O 5 no reacciona apreciablemente ni con HCl ni con HBr, sin embargo se disolverá en ácido fluorhídrico y reaccionará con bifluoruro de potasio y HF de acuerdo con la siguiente ecuación: [20] [21]

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

El 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 de 10 μF × 30 V CC , de cuerpo sólido, recubiertos con resina epoxi. La polaridad está marcada explícitamente.

Usos

En electrónica

Debido a su alto intervalo de banda y constante dieléctrica , el pentóxido de tantalio ha encontrado una variedad de usos en electrónica, particularmente en capacitores de tantalio . Estos se utilizan en electrónica automotriz , teléfonos celulares y buscapersonas, circuitos electrónicos, componentes de película delgada y herramientas de alta velocidad. En la década de 1990, aumentó el interés en el uso de óxido de tantalio como dieléctrico de alto k para aplicaciones de capacitores DRAM . [22] [23]

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 de captura de carga para memorias no volátiles . [24] [25] Existen aplicaciones de óxido de tantalio en memorias de conmutación resistiva . [26]

En óptica

Debido a su alto índice de refracción , el Ta 2 O 5 se ha utilizado en la fabricación del vidrio de lentes fotográficas . [2] [27] También se puede depositar como un recubrimiento óptico con aplicaciones típicas como recubrimientos antirreflejos y de filtros multicapa en el rango de ultravioleta cercano al infrarrojo cercano . [28]

También se ha descubierto que Ta 2 O 5 tiene un alto índice de refracción no lineal , [29] [30] del orden de tres veces el del nitriuro de silicio , lo que ha generado 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 [31] [32] y peines de frecuencia Kerr [30] en guías de onda y resonadores de anillo ópticos . Mediante la adición de dopantes de tierras raras en el proceso de deposición, se han presentado láseres de guía de onda Ta 2 O 5 para una variedad de aplicaciones, como la teledetección y el LiDAR . [33] [34] [35]

Referencias

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