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Ossido di tantalio

composto chimico

L'ossido di tantalio, o ossido di tantalio(V) o anche pentossido di ditantalio, (nome IUPAC sistematico) è un composto inorganico del tantalio pentavalente e dell'ossigeno avente formula minima Ta2O5.

Ossido di tantalio
Nome IUPAC
ossido di tantalio(V)
Nomi alternativi
pentossido di ditantalio (IUPAC sistematico)
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolareTa2O5
Massa molecolare (u)441,893 g/mol
Aspettosolido bianco
Numero CAS1314-61-0
Numero EINECS215-238-2
PubChem62157 e 518712
SMILES
[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ta+5].[Ta+5]
Proprietà chimico-fisiche
Densità (g/cm3, in c.s.)β-Ta2: 8,18 g/cm3 (20 °C); α-Ta2: 8,37 g/cm3
Indice di rifrazione2,275
Solubilità in acqua(20 °C) poco solubile
Temperatura di fusione1872 °C (2145 K)
Indicazioni di sicurezza
Frasi H---
Consigli P---[1]

A temperatura ambiente si presenta come un solido per lo più policristallino incolore o bianco e inodore, insolubile in tutti i solventi, ma è attaccato da basi forti e acido fluoridrico. L'ossido di tantalio(V) è un materiale inerte ad alto indice di rifrazione e basso assorbimento (cioè incolore), che lo rende utile per i rivestimenti[2]. È anche ampiamente utilizzato nella produzione di condensatori, grazie alla sua elevata costante dielettrica.

Preparazione

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In natura

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Il tantalio si trova nei minerali tantalite-(Fe), tantalite-(Mn), tantalite-(Mg) e columbite (columbium è il nome arcaico del niobio), che si trovano nelle pegmatiti, una formazione rocciosa ignea. Le miscele di columbite e tantalite sono chiamate coltan. La tantalite è stata scoperta da Anders Gustav Ekeberg a Ytterby (Svezia), e a Kimoto, (Finlandia). I minerali microlite e pirocloro contengono rispettivamente circa il 70% e il 10% di tantalio.

Raffinamento

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I minerali di tantalio contengono spesso quantità significative di niobio, che è di per sé un metallo prezioso. Pertanto, entrambi i metalli vengono estratti in modo che possano essere venduti. Il processo complessivo è di tipo idrometallurgico e inizia con una fase di lisciviazione, in cui il minerale viene trattato con acido fluoridrico e acido solforico per produrre acido fluoridrico solubile in acqua, come l'eptafluorotantalato di potassio. Ciò consente di separare i metalli dalle varie impurità non metalliche presenti nella roccia:

 

L'idrofluoruro di tantalio e l'idrofluoruro di niobio vengono quindi rimossi dalla soluzione acquosa mediante estrazione liquido-liquido utilizzando solventi organici, come il cicloesanone o il metilisobutilchetone. Questo passaggio permette la semplice rimozione di varie impurità metalliche (es. ferro e manganese) che rimangono nella fase acquosa sotto forma di fluoruri. La separazione del tantalio e del niobio viene quindi ottenuta mediante regolazione del pH. Il niobio richiede un livello di acidità più elevato per rimanere solubile nella fase organica e può quindi essere rimosso selettivamente mediante estrazione in acqua meno acida. La soluzione pura di fluoruro di idrogeno di tantalio viene quindi neutralizzata con ammoniaca acquosa per dare ossido di tantalio idrato (Ta2O5(H2O)x), che viene calcinato a pentossido di tantalio (Ta2O5) come descritto nelle seguenti equazioni idealizzate:[3]

 
 

L'ossido di tantalio puro naturale è noto come minerale tantite, sebbene sia estremamente raro[4].

Produzione da alcossidi

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L'ossido di tantalio è molto usato in elettronica, spesso sotto forma di film sottili. Per queste applicazioni può essere prodotto mediante MOCVD (o tecniche correlate), che prevede l'idrolisi dei suoi alogenuri o alcossidi volatili:

 
 

dove   è l'etossido di tantalio(V).

Struttura e proprietà

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La struttura cristallina del pentossido di tantalio è stata oggetto di dibattito. Il materiale sfuso è disordinato[5], essendo amorfo o policristallino, con i singoli cristalli difficili da coltivare. In quanto tale, la cristallografia a raggi X è stata in gran parte limitata alla diffrazione da polvere, che fornisce informazioni strutturali in minor quantità.

È nota l'esistenza di almeno 2 polimorfi: una forma a bassa temperatura, nota come L- o β-Ta2O5, e la forma ad alta temperatura nota come H- o α-Ta2O5. La transizione tra queste due forme è lenta e reversibile e si svolge tra 1000 e 1360 °C, con una miscela di strutture esistenti a temperature intermedie[5]. Le strutture di entrambi i polimorfi sono formate da catene costituite da poliedri ottaedrici TaO6 e pentagonali bipiramidali TaO7 che condividono vertici opposti e che sono ulteriormente uniti dalla condivisione dei bordi[6][7]. L'intero sistema cristallino è ortorombico in entrambi i casi, con il gruppo spaziale di β-Ta2O5 identificato come Pna21 (gruppo spaziale n°33) mediante diffrazione di raggi X da cristallo singolo[8]. È stata riportata anche una forma ad alta pressione (chiamata Z-Ta2O5), in cui gli atomi di tantalio adottano una geometria a 7 coordinate per dare una struttura monoclina (gruppo spaziale C2, gruppo n°5)[9].

Il pentossido di tantalio puramente amorfo ha una struttura locale simile ai polimorfi cristallini, costituiti da poliedri TaO6 e TaO7, mentre la fase liquida fusa ha una struttura distinta basata su poliedri di coordinazione inferiore, principalmente TaO5 e TaO6[10].

La difficoltà nel formare materiale con una struttura uniforme ha portato a variazioni nelle sue proprietà riportate. Come molti ossidi metallici, l'ossido di tantalio(V) è un isolante e il suo gap di banda è stato variamente riportato tra 3,8 e 5,3 eV, a seconda del metodo di fabbricazione[11][12][13]. In generale, più il materiale è amorfo, maggiore è la sua banda proibita osservata. Questi valori osservati sono significativamente più alti di quelli previsti dalla chimica computazionale (2,3 - 3,8 eV)[14][15][16].

La sua costante dielettrica è tipicamente di circa 25[17] sebbene siano stati riportati valori superiori a 50[18]. In generale, l'ossido di tantalio(V) è considerato un materiale dielettrico ad alto k.

Reazioni

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L'ossido di tantalio(V) non reagisce in modo apprezzabile né con acido cloridrico (HCl) né con acido bromidrico (HBr), tuttavia si dissolverà in acido fluoridrico e reagirà con bifluoruro di potassio (KHF2) e acido fluoridrico (HF) secondo la seguente reazione:[19][20]

 

L'ossido di tantalio(V) può essere ridotto a tantalio metallico tramite l'uso di riducenti metallici come calcio:

 

o alluminio.

Usi

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Diversi condensatori al tantalio nominali da 10 μF × 30 V CC, del tipo a corpo solido con rivestimento epossidico. La polarità è esplicitamente contrassegnata.

In elettronica

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A causa del suo elevato gap di banda e della costante dielettrica, l'ossido di tantalio ha trovato una varietà di usi nell'elettronica, in particolare nei condensatori al tantalio. Questi sono utilizzati nell'elettronica automobilistica, telefoni cellulari e cercapersone, nei circuiti elettronici, componenti a film sottile e strumenti ad alta velocità. Negli anni '90, è cresciuto l'interesse per l'uso dell'ossido di tantalio come dielettrico ad alto k per applicazioni di condensatori DRAM[21][22].

Viene utilizzato in condensatori metallo-isolante-metallo su chip per circuiti integrati CMOS ad alta frequenza. L'ossido di tantalio può avere applicazioni come strato di intrappolamento della carica per memorie non volatili[23][24]. Vi sono applicazioni dell'ossido di tantalio anche nelle memorie di tipo RRAM[25].

Altri usi

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Grazie al suo alto indice di rifrazione, l'ossido di tantalio(V) è stato utilizzato nella fabbricazione del vetro degli obiettivi fotografici[2][26] Può anche essere depositato come rivestimento ottico con applicazioni tipiche come rivestimenti antiriflesso e filtri multistrato dal vicino ultravioletto al vicino infrarosso[27].

Note

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  1. ^ scheda dell'ossido di tantalio(V) su IFA-GESTIS Archiviato il 16 ottobre 2019 in Internet Archive.
  2. ^ a b (EN) Frederick Fairbrother, The Chemistry of Niobium and Tantalum, New York, Elsevier Publishing Company, 1967, ISBN 978-04-44-40205-9.
  3. ^ (EN) Anthony Agulyanski, Fluorine chemistry in the processing of tantalum and niobium, in Chemistry of Tantalum and Niobium Fluoride Compounds, 1ª ed., Burlington, Elsevier, 2004, ISBN 978-00-80-52902-8.
  4. ^ (EN) Tantite: Tantite mineral information and data, su Mindat.org. URL consultato il 3 marzo 2016.
  5. ^ a b (EN) Askeljung, Charlotta, Marinder, Bengt-Olov e Sundberg, Margareta, Effect of heat treatment on the structure of L-Ta2O5, in Journal of Solid State Chemistry, vol. 176, n. 1, 1º novembre 2003, pp. 250–258, DOI:10.1016/j.jssc.2003.07.003.
  6. ^ (EN) Stephenson, N. C. e Roth, R. S., Structural systematics in the binary system Ta2O5–WO3. V. The structure of the low-temperature form of tantalum oxide L-Ta2O5, in Acta Crystallographica Section B, vol. 27, n. 5, 1971, pp. 1037–1044, DOI:10.1107/S056774087100342X.
  7. ^ (EN) A.F. Wells, Structural Inorganic Chemistry, Oxford, Clarendon Press, 1947.
  8. ^ (EN) Wolten, G. M. e Chase, A. B., Single-crystal data for β Ta2O5 and A KPO3, in Zeitschrift für Kristallographie, vol. 129, 5–6, 1º agosto 1969, pp. 365–368, DOI:10.1524/zkri.1969.129.5-6.365.
  9. ^ (EN) Zibrov, I. P., Filonenko, V. P., Sundberg, M. e Werner, P.E., Structures and phase transitions of B-Ta2O5 and Z-Ta2O5: two high-pressure forms of Ta2O5, in Acta Crystallographica Section B, vol. 56, n. 4, 1º agosto 2000, pp. 659–665, DOI:10.1107/S0108768100005462.
  10. ^ (EN) O. L. G. Alderman, C.J. Benmore, J. Neuefeind, E. Coillet, A. Mermet, V. Martinez, A. Tamalonis e R. Weber, Amorphous tantala and its relationship with the molten state, in Physical Review Materials, vol. 2, n. 4, 2018, pp. 043602, DOI:10.1103/PhysRevMaterials.2.043602.
  11. ^ (EN) Kukli, Kaupo, Aarik, Jaan, Aidla, Aleks, Kohan, Oksana, Uustare, Teet e Sammelselg, Väino, Properties of tantalum oxide thin films grown by atomic layer deposition, in Thin Solid Films, vol. 260, n. 2, 1995, pp. 135–142, DOI:10.1016/0040-6090(94)06388-5.
  12. ^ (EN) R. M. Fleming, D. V. Lang, C. D. W. Jones, M. L. Steigerwald, D. W. Murphy, G. B. Alers, Y.-H. Wong, R. B. van Dover, J. R. Kwo e A. M. Sergent, Defect dominated charge transport in amorphous Ta2O5 thin films, in Journal of Applied Physics, vol. 88, n. 2, 1º gennaio 2000, pp. 850, DOI:10.1063/1.373747.
  13. ^ (EN) Murawala, Prakash A., Sawai, Mikio, Tatsuta, Toshiaki, Tsuji, Osamu, Fujita, Shizuo e Fujita, Shigeo, Structural and Electrical Properties of Ta2O5 Grown by the Plasma-Enhanced Liquid Source CVD Using Penta Ethoxy Tantalum Source, in Japanese Journal of Applied Physics, vol. 32, Part 1, No. 1B, 1993, pp. 368–375, DOI:10.1143/JJAP.32.368.
  14. ^ (EN) R. Ramprasad, First principles study of oxygen vacancy defects in tantalum pentoxide, in Journal of Applied Physics, vol. 94, n. 9, 1º gennaio 2003, pp. 5609–5612, DOI:10.1063/1.1615700.
  15. ^ (EN) Sawada, H. e Kawakami, K., Electronic structure of oxygen vacancy in Ta2O5, in Journal of Applied Physics, vol. 86, n. 2, 1º gennaio 1999, pp. 956, DOI:10.1063/1.370831.
  16. ^ (EN) Nashed, Ramy, Hassan, Walid M. I., Ismail, Yehea e Allam, Nageh K., Unravelling the interplay of crystal structure and electronic band structure of tantalum oxide (Ta2O5), in Physical Chemistry Chemical Physics, vol. 15, n. 5, 2013, pp. 1352–7, DOI:10.1039/C2CP43492J.
  17. ^ (EN) Macagno, V. e Schultze, J.W., The growth and properties of thin oxide layers on tantalum electrodes, in Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry, vol. 180, 1–2, 1º dicembre 1984, pp. 157–170, DOI:10.1016/0368-1874(84)83577-7.
  18. ^ (EN) Hiratani, M., Kimura, S., Hamada, T., Iijima, S. e Nakanishi, N., Hexagonal polymorph of tantalum–pentoxide with enhanced dielectric constant, in Applied Physics Letters, vol. 81, n. 13, 1º gennaio 2002, pp. 2433, DOI:10.1063/1.1509861.
  19. ^ (EN) A. Agulyansky, Potassium fluorotantalate in solid, dissolved and molten conditions, in J. Fluorine Chemistry, vol. 123, 2003, pp. 155–161, DOI:10.1016/S0022-1139(03)00190-8.
  20. ^ (EN) Georg Brauer, Handbook of preparative inorganic chemistry, Academic Press, 1965, p. 256, ISBN 978-0-12-395591-3.
  21. ^ (EN) Ezhilvalavan, S. e Tseng, T. Y., Preparation and properties of tantalum pentoxide (Ta2O5) thin films for ultra large scale integrated circuits (ULSIs) application - a review, in Journal of Materials Science: Materials in Electronics, vol. 10, n. 1, 1999, pp. 9–31, DOI:10.1023/A:1008970922635.
  22. ^ (EN) Chaneliere, C., Autran, J.L., Devine, R.A.B. e Balland, B., Tantalum pentoxide (Ta2O5) thin films for advanced dielectric applications, in Materials Science and Engineering: R, vol. 22, n. 6, 1998, pp. 269–322, DOI:10.1016/S0927-796X(97)00023-5.
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  25. ^ (EN) Lee, M.J., A fast, high-endurance and scalable non-volatile memory device made from asymmetric Ta2O5−x/TaO2−x bilayer structures, in Nature Materials, vol. 10, n. 8, 2011, pp. 625–630, DOI:10.1038/NMAT3070.
  26. ^ (EN) Solomon Musikant, Optical Glas Composition, in Optical Materials: An Introduction to Selection and Application, CRC Press, 1985, p. 28, ISBN 978-08-24-77309-0.
  27. ^ (EN) Tantalium Oxide for Optical Coating Applications, su Materion. URL consultato il 1º aprile 2021.

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