Πεντοξείδιο του τανταλίου

Το πεντοξείδιο του τανταλίου (Tantalum pentoxide), επίσης γνωστό ως οξείδιο του τανταλίου(V), είναι η ανόργανη ένωση με τύπο . Είναι ένα λευκό στερεό που είναι αδιάλυτο σε όλους τους διαλύτες, αλλά προσβάλλεται από ισχυρές βάσεις και υδροφθορικό οξύ. Το  είναι ένα αδρανές υλικό με υψηλό δείκτη διάθλασης και χαμηλή απορρόφηση (δηλαδή άχρωμο). Χρησιμοποιείται επίσης εκτενώς στην παραγωγή πυκνωτών, λόγω της υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς του.

 Παρασκευή 

Παρουσία
Το ταντάλιο εμφανίζεται στα ορυκτά τανταλίτης και κολουμπίτης (το κολούμπιο είναι μια αρχαϊκή ονομασία για το νιόβιο), τα οποία εμφανίζονται στον πηγματίτη, έναν πυριγενή σχηματισμό πετρωμάτων. Μείγματα κολουμπίτη και τανταλίτη ονομάζονται κολτάν. Το ταντάλιο ανακαλύφθηκε στον τανταλίτη το 1802 από τον Άντερς Γκούσταφ Έκεμπεργκ στο Ύτερμπι της Σουηδίας και στο Κιμότο της Φινλανδίας. Τα ορυκτά μικρόλιθος (microlite) και πυροχλώριο (pyrochlore) περιέχουν περίπου 70% και 10% ταντάλιο, αντίστοιχα.

Καθαρισμός
Τα μεταλλεύματα τανταλίου περιέχουν συχνά σημαντικές ποσότητες νιοβίου, το οποίο είναι από μόνο του ένα πολύτιμο μέταλλο. Ως εκ τούτου, και τα δύο μέταλλα εξάγονται ώστε να μπορούν να πωληθούν. Η συνολική διαδικασία είναι μια υδρομεταλλουργία και ξεκινά με ένα βήμα έκπλυσης (leaching) κατά το οποίο το μετάλλευμα υποβάλλεται σε επεξεργασία με υδροφθορικό οξύ και θειικό οξύ για την παραγωγή υδατοδιαλυτών υδροφθοριδίων, όπως τα επταφθοροτανταλικά. Αυτό επιτρέπει τον διαχωρισμό των μετάλλων από τις διάφορες μη μεταλλικές ακαθαρσίες στο πέτρωμα.

(FeMn)(NbTa)2O6 + 16 HF → H2[TaF7] + H2[NbOF5] + FeF2 + MnF2 + 6 H2O

Τα υδροφθορίδια του τανταλίου και του νιοβίου απομακρύνονται στη συνέχεια από το υδατικό διάλυμα με εκχύλιση υγρού-υγρού χρησιμοποιώντας οργανικούς διαλύτες, όπως κυκλοεξανόνη ή μεθυλοϊσοβουτυλκετόνη. Αυτό το βήμα επιτρέπει την απλή απομάκρυνση διαφόρων μεταλλικών ακαθαρσιών (π.χ. σιδήρου και μαγγανίου) που παραμένουν στην υδατική φάση με τη μορφή ιόντων φθορίου. Ο διαχωρισμός του τανταλίου και του νιοβίου επιτυγχάνεται στη συνέχεια με ρύθμιση του pH. Το νιόβιο απαιτεί υψηλότερο επίπεδο οξύτητας για να παραμείνει διαλυτό στην οργανική φάση και ως εκ τούτου μπορεί να απομακρυνθεί επιλεκτικά με εκχύλιση σε λιγότερο όξινο νερό.
Το καθαρό διάλυμα υδροφθοριούχου τανταλίου (tantalum hydrogen fluoride) εξουδετερώνεται στη συνέχεια με υδατική αμμωνία για να δώσει ενυδατωμένο οξείδιο του τανταλίου (Ta2O5(H2O)x), το οποίο φρύσσεται σε πεντοξείδιο του τανταλίου (Ta2O5) όπως περιγράφεται σε αυτές τις εξιδανικευμένες εξισώσεις:

 H2[TaF7] + 5 H2O + 7 NH3 →  Ta2O5(H2O)5 + 7 NH4F
 Ta2O5(H2O)5  →   Ta2O5 + 5 H2O

Το φυσικό καθαρό οξείδιο του τανταλίου είναι γνωστό ως ορυκτό ταντίτης (tantite), αν και είναι εξαιρετικά σπάνιο.

 Από αλκοξείδια 
Το οξείδιο του τανταλίου χρησιμοποιείται συχνά στην ηλεκτρονική, συχνά με τη μορφή λεπτής μεμβράνης. Για αυτές τις εφαρμογές μπορεί να παραχθεί με MOCVD (ή σχετικές τεχνικές), η οποία περιλαμβάνει την υδρόλυση των πτητικών αλογονιδίων ή αλκοξειδίων του:

 Ta2(OEt)10 + 5 H2O → Ta2O5 + 10 EtOH
 2 TaCl5 + 5 H2O → Ta2O5 + 10 HCl

 Δομή και ιδιότητες 
Η κρυσταλλική δομή του πεντοξειδίου του τανταλίου έχει αποτελέσει αντικείμενο συζήτησης. Το κύριο υλικό είναι αταξινόμητο (disordered), είναι είτε άμορφο είτε πολυκρυσταλλικό με τους μονοκρυστάλλους να είναι δύσκολο να αναπτυχθούν. Ως εκ τούτου, η κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ έχει περιοριστεί σε μεγάλο βαθμό στην περίθλαση σκόνης, η οποία παρέχει λιγότερες δομικές πληροφορίες.

Είναι γνωστό ότι υπάρχουν τουλάχιστον 2 πολύμορφα. Μια μορφή χαμηλής θερμοκρασίας, γνωστή ως L- ή β-Ta2O5, και η μορφή υψηλής θερμοκρασίας γνωστή ως H- ή α- Ta2O5. Η μετάβαση μεταξύ αυτών των δύο μορφών είναι αργή και αναστρέψιμη, λαμβάνει χώρα μεταξύ 1000 και 1360°C, με ένα μείγμα δομών να υπάρχει σε ενδιάμεσες θερμοκρασίες. Οι δομές και των δύο πολυμορφών αποτελούνται από αλυσίδες που κατασκευάζονται από οκταεδρικά TaO6 και πενταγωνικά διπυραμιδικά πολύεδρα TaO7 που μοιράζονται αντίθετες κορυφές, οι οποίες συνδέονται περαιτέρω με κοινές ακμές. Το συνολικό κρυσταλλικό σύστημα είναι ορθορομβικό και στις δύο περιπτώσεις, με την ομάδα χώρου του β- Ta2O5 να αναγνωρίζεται ως Pna2 με περίθλαση ακτίνων Χ μονοκρυστάλλου.

Έχει επίσης αναφερθεί μια μορφή υψηλής πίεσης (Z- Ta2O5), στην οποία τα άτομα Ta υιοθετούν μια γεωμετρία 7 συντεταγμένων για να δώσουν μια μονόκλινη δομή (ομάδα χώρου C2).

Το καθαρά άμορφο πεντοξείδιο του τανταλίου έχει παρόμοια τοπική δομή με τα κρυσταλλικά πολύμορφα, που αποτελούνται από πολύεδρα TaO6 και TaO7, ενώ η τηγμένη υγρή φάση έχει μια ξεχωριστή δομή που βασίζεται σε πολύεδρα χαμηλότερου συντονισμού, κυρίως TaO5 και TaO6.

Η δυσκολία σχηματισμού υλικού με ομοιόμορφη δομή έχει οδηγήσει σε διακυμάνσεις στις αναφερόμενες ιδιότητές του. Όπως πολλά οξείδια μετάλλων, το Ta2O5 είναι ένας μονωτής και το χάσμα ζώνης του έχει αναφερθεί ποικιλοτρόπως ότι κυμαίνεται μεταξύ 3,8 και 5,3 eV, ανάλογα με τη μέθοδο κατασκευής. 
Γενικά, όσο πιο άμορφο είναι το υλικό, τόσο μεγαλύτερο είναι το παρατηρούμενο χάσμα ζώνης.Αυτές οι παρατηρούμενες τιμές είναι σημαντικά υψηλότερες από εκείνες που προβλέπονται από την υπολογιστική χημεία (2,3 - 3,8 eV).

Η διηλεκτρική σταθερά του είναι συνήθως περίπου 25 αν και έχουν αναφερθεί τιμές άνω των 50. Γενικά, το πεντοξείδιο του τανταλίου θεωρείται υλικό υψηλού κ διηλεκτρικού.

 Αντιδράσεις 
Το Ta2O5 δεν αντιδρά αισθητά ούτε με HCl ούτε με HBr, ωστόσο διαλύεται σε υδροφθορικό οξύ και αντιδρά με διφθοριούχο κάλιο και HF σύμφωνα με την ακόλουθη εξίσωση:

Ta2O5  +  4 KHF2 + 6 HF   →   2 K2[TaF7]  +  5 H2O

Το Ta2O5 μπορεί να αναχθεί σε μεταλλικό Ta μέσω της χρήσης μεταλλικών αναγωγικών όπως το ασβέστιο και το αργίλιο.

Ta2O5 + 5 Ca →  2 Ta + 5 CaO


 Χρήσεις 

 Στην ηλεκτρονική 
Λόγω του υψηλού χάσματος ζώνης και διηλεκτρικής σταθεράς, το πεντοξείδιο του τανταλίου έχει βρει ποικίλες χρήσεις στην ηλεκτρονική, ιδιαίτερα σε πυκνωτές τανταλίου. Αυτοί χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρονικά αυτοκινήτων, κινητά τηλέφωνα και συσκευές τηλεειδοποίησης, ηλεκτρονικά κυκλώματα, εξαρτήματα λεπτής μεμβράνης και εργαλεία υψηλής ταχύτητας. Τη δεκαετία του 1990, αυξήθηκε το ενδιαφέρον για τη χρήση του οξειδίου του τανταλίου ως διηλεκτρικό υψηλού κ για εφαρμογές πυκνωτών DRAM.

Χρησιμοποιείται σε πυκνωτές μετάλλου-μονωτή-μετάλλου ενσωματωμένα στο τσιπ για ολοκληρωμένα κυκλώματα υψηλής συχνότητας CMOS. Το οξείδιο του τανταλίου μπορεί να έχει εφαρμογές ως στρώμα παγίδευσης φορτίου για μη πτητικές μνήμες. Υπάρχουν εφαρμογές του οξειδίου του τανταλίου σε μνήμες μεταγωγής με αντίσταση (resistive switching memories).

 Στην οπτική 
Λόγω του υψηλού δείκτη διάθλασης, το Ta2O5 έχει χρησιμοποιηθεί στην κατασκευή του γυαλιού των φωτογραφικών φακών  
Μπορεί επίσης να εναποτεθεί ως οπτική επίστρωση με τυπικές εφαρμογές να είναι οι αντιανακλαστικές και πολυστρωματικές επιστρώσεις φίλτρων στην εγγύς υπεριώδη ακτινοβολία έως την εγγύς υπέρυθρη ακτινοβολία.

Έχει επίσης βρεθεί ότι το Ta2O5 έχει υψηλό μη γραμμικό δείκτη διάθλασης,  Ta2O5 της τάξης των τριών φορών από το νιτρίδιο του πυριτίου (silicon nitiride), γεγονός που έχει οδηγήσει σε ενδιαφέρον για την αξιοποίηση του Ta2O5 σε φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα. Το Ta2O5 έχει χρησιμοποιηθεί πρόσφατα ως η υλική πλατφόρμα για την παραγωγή υπερσυνέχειας (supercontinuum) και χτενών συχνοτήτων Kerr  σε κυματοδηγούς και οπτικούς συντονιστές δακτυλίου (optical ring resonators). Μέσω της προσθήκης προσμείξεων σπανίων γαιών στη διαδικασία εναπόθεσης, τα λέιζερ κυματοδηγού Ta2O5 έχουν παρουσιαστεί για μια ποικιλία εφαρμογών, όπως η τηλεπισκόπηση (remote sensing) και το LiDAR.

Παραπομπές

Κατηγορία:Ενώσεις τανταλίου
Κατηγορία:Διηλεκτρικά υψηλού κ
Κατηγορία:Οξείδια μετάλλων μετάπτωσης