Tantalum pentoksida

Tantalum pentoksida

  Ta5+   O2−
Nama
Nama IUPAC
Tantalum(V) oxide
Nama IUPAC (sistematis)
Ditantalum pentaoksida
Penanda
Model 3D (JSmol)
3DMet {{{3DMet}}}
ChemSpider
Nomor EC
Nomor RTECS {{{value}}}
  • InChI=1S/5O.2Ta
  • O=[Ta](=O)O[Ta](=O)=O
Sifat
Ta2O5
Massa molar 441,893 g/mol
Penampilan serbuk putih, tak berbau
Densitas β-Ta2O5 = 8,18 g/cm3[1]
α-Ta2O5 = 8.37 g/cm3
Titik lebur 1.872 °C (2.145 K)
diabaikan
Kelarutan Tidak larut dalam pelarut organik dan sebagian besar asam mineral, bereaksi dengan HF
Celah pita 3,8 - 5,3 eV
−32,0·10−6 cm3/mol
Indeks bias (nD) 2,275
Kecuali dinyatakan lain, data di atas berlaku pada suhu dan tekanan standar (25 °C [77 °F], 100 kPa).
N verifikasi (apa ini YaYN ?)
Referensi

Tantalum pentoksida, dikenal juga sebagai tantalum(V) oksida, adalah suatu senyawa anorganik dengan rumus Ta.


Ia berupa padatan putih yang tidak larut dalam semua pelarut tetapi dapat diserang oleh basa kuat dan asam fluorida. Ta adalah bahan inert dengan indeks refraksi tinggi dan absorbansi rendah (tak berwarna), sehingga membuatnya berguna untuk penyalutan.[2] Ia juga digunakan secara luas dalam produksi kapasitor, karena memiliki konstanta dielektrik yang tinggi.

Preparasi

Keterjadian dan pemurnian

Tantalum terdapat dalam mineral tantalit dan kolumbit (columbium merupakan nama kuno untuk niobium), yang terjadi dalam pegmatit, suatu formasi batuan beku. Campuran kolumbit dan tantalit disebut coltan. Tantalit ditemukan oleh Anders Gustaf Ekeberg di Ytterby, Swedia, dan Kimoto, Finlandia. Mineral mikrolit dan piroklor mengandung masing-masing 70% dan 10% Ta.

Bijih tantalum sering mengandung niobium, yang merupakan logam berharga, dalam jumlah yang signifikan. Dengan demikian, kedua logam diekstraksi sehingga bisa dijual. Proses keseluruhan merupakan salah satu hidrometalurgi dan dimulai dengan langkah pelindian; di mana bijih diolah dengan asam fluorida dan asam sulfat untuk menghasilkan hidrogen fluorida yang dapat larut dalam air, seperti heptafluorotantalat. Hal ini memungkinkan pemisahan logam dari berbagai ketakmurnian non-logam yang terdapat di dalam batuan.

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

Tantalum dan niobium hidrogen fluorida kemudian dikeluarkan dari larutan akuatik dengan cara ekstraksi cair-cair menggunakan pelarut organik, seperti sikloheksanon dan metil isobutil keton. Langkah ini memungkinkan penghilangan beberapa pengotor logam (misalnya besi dan mangan) yang tetap berada dalam fase akuatik dalam bentuk fluoridanya. Pemisahan tantalum dan niobium kemudian dicapai dengan penyesuaian pH. Niobium membutuhkan tingkat keasaman yang lebih tinggi agar tetap larut dalam fase organik sehingga dapat dipisahkan secara selektif dengan cara ekstraksi ke dalam air yang kurang asam.

Larutan tantalum hidrogen fluorida kemudian dinetralkan menggunakan larutan amonia dalam air untuk mendapatkan tantalum oksida terhidrasi (Ta2O5(H2O)x), yang kemudian dikalsinasi menjadi tantalum pentoksida (Ta2O5) seperti dijelaskan pada persamaan yang telah disederhanakan berikut:[3]

H2[TaF7] + 5 H2O + 7 NH3 → 0.5 Ta2O5(H2O)5 + 7 NH4F
Ta2O5(H2O)5 → Ta2O5 + 5 H2O

Tantalum oksida murni alami dikenal sebagai mineral tantit, meskipun sangat langka.[4]

Dari alkoksida

Tantalum oksida sering digunakan dalam elektronika, sering kali dalam bentuk film tipis. Untuk aplikasi ini dapat diproduksi dengan metode deposisi uap kimia logam organik (bahasa Inggris: metalorganic chemical vapour deposition, MOCVD) (atau teknik terkait), yang melibatkan hidrolisis halida atau alkoksida volatilnya:

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

Struktur dan sifat

Struktur kristal tantalum pentoksida telah menjadi masalah perdebatan. Bahan curahnya tidak teratur,[5] amorf atau polikristalin; dengan kristal tunggal menjadi sulit untuk tumbuh. Kristalografi sinar-X umumnya terbatas pada difraksi bubuk, sehingga kurang memberikan informasi struktural.

Setidaknya diketahui ada 2 polimorf. Bentuk suhu rendah, yang dikenal sebagai L- atau β-Ta2O5, dan bentuk suhu tinggi yang dikenal sebagai H- atau α-Ta2O5. Transisi antara kedua bentuk ini lamban dan reversibel; terjadi pada suhu antara 1000-1360 °C, dengan struktur campuran pada suhu menengah.[5] Struktur kedua polimorf terdiri dari rantai yang dibangun dari TaO6 oktahedral dan TaO7 pentagonal bipiramidal polyhedra berbagi simpul yang berlawanan; yang selanjutnya digabungkan dengan berbagi tepi.[6][7] Sistem kristal keseluruhan bersifat ortorombik dalam kedua kasus, dengan kelompok ruang β-Ta2O5 diidentifikasi sebagai Pna2 oleh difraksi sinar-X kristal tunggal .[8]

Sebuah bentuk tekanan tinggi (Z-Ta2O5) juga telah dilaporkan, di mana atom Ta mengadopsi sebuah geometri 7 koordinasi menghasilkan struktur monoklinik (kelompok ruang C2).[9]

Kesulitan dalam membentuk material dengan struktur seragam telah menyebabkan variasi sifat yang dilaporkan. Seperti kebanyakan oksida logam, Ta adalah isolator dan celah pitanya telah dilaporkan terjadi antara 3,8 dan 5,3 eV, tergantung pada metode pembuatannya.[10][11][12] Secara umum semakin amorf suatu bahan, semakin besar celah pita yang teramati.

Perlu dicatat bahwa nilai yang diamati ini secara signifikan lebih tinggi daripada yang diprediksikan oleh kimia komputasi (2,3 - 3,8 eV).[13][14][15]

Konstanta dielektriknya biasanya sekitar ~25[16] meskipun nilai lebih dari 50 telah dilaporkan.[17] Secara umum tantalum pentoksida dianggap sebagai bahan dielektrik k-tinggi.

Reaksi

Ta kurang bereaksi dengan HCl atau HBr, namun akan larut dalam asam fluorida, dan bereaksi dengan kalium bifluorida dan HF sesuai dengan persamaan berikut:[18][19]

Ta + 4 KHF2 + 6 HF → 2 K + 5 H

Ta dapat direduksi menjadi logam Ta menggunakan logam reduktor seperti kalsium dan aluminium.

Ta + 5 Ca → 2 Ta + 5&nbspCaO
Beberapa kapasitor tantalum 10uF x 30VDC, jenis bodi padat celup epoksi. Polaritas tercantum dengan jelas.

Kegunaan

Elektronika

Karena tingginya celah pita dan konstanta dielektrik, tantalum pentoksida telah menemukan berbagai kegunaan dalam elektronika, terutama pada kapasitor tantalum. Ini digunakan dalam elektronik otomotif, telepon seluler, dan pager, sirkuit elektronik; komponen film tipis; serta alat berkelajuan tinggi. Pada tahun 1990-an, tumbuh minat penggunaan tantalum oksida sebagai dielektrik k tinggi untuk aplikasi kapasitor DRAM.[20][21]

Ini digunakan pada kapasitor logam-isolator-logam on-chip untuk sirkuit terpadu CMOS berfrekuensi tinggi. Tantalum oksida mungkin memiliki aplikasi sebagai lapisan perangkap muatan untuk memori yang tidak mudah menguap.[22][23] Terdapat aplikasi oksida tantalum untuk memori pengalih resistif.[24]

Kegunaan lain

Indeks refraksinya yang tinggi telah menyebabkan Ta digunakan dalam pabrikasi kaca lensa fotografi.[2][25]

Referensi

  1. ^ 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. 
  2. ^ a b Fairbrother, Frederick (1967). The Chemistry of Niobium and Tantalum. New York: Elsevier Publishing Company. hlm. 1–28. ISBN 978-0-444-40205-9. 
  3. ^ Anthony Agulyanski (2004). "Fluorine chemistry in the processing of tantalum and niobium". Dalam Anatoly Agulyanski. Chemistry of Tantalum and Niobium Fluoride Compounds (edisi ke-1st). Burlington: Elsevier. ISBN 9780080529028. 
  4. ^ "Tantite: Tantite mineral information and data". Mindat.org. Diakses tanggal 2016-03-03. 
  5. ^ a b Askeljung, 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. 
  6. ^ 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. 
  7. ^ Wells, A.F. (1947). Structural Inorganic Chemistry. Oxford: Clarendon Press. 
  8. ^ Wolten, G. M.; Chase, A. B. (1 August 1969). "Single-crystal data for β Ta2O5 and A KPO3". Zeitschrift für Kristallographie. 129 (5-6): 365–368. Bibcode:1969ZK....129..365W. doi:10.1524/zkri.1969.129.5-6.365. 
  9. ^ 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. 
  10. ^ Kukli, Kaupo; Aarik, Jaan; Aidla, Aleks; Kohan, Oksana; Uustare, Teet; Sammelselg, Väino (1995). "Properties of tantalum oxide thin films grown by atomic layer deposition". Thin Solid Films. 260 (2): 135–142. Bibcode:1995TSF...260..135K. doi:10.1016/0040-6090(94)06388-5. 
  11. ^ 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. 
  12. ^ 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. 
  13. ^ Ramprasad, R. (1 January 2003). "First principles study of oxygen vacancy defects in tantalum pentoxide". Journal of Applied Physics. 94 (9): 5609. Bibcode:2003JAP....94.5609R. doi:10.1063/1.1615700. 
  14. ^ 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. 
  15. ^ 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. doi:10.1039/C2CP43492J. 
  16. ^ 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. 
  17. ^ 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. 
  18. ^ Agulyansky, A. (2003), "Potassium fluorotantalate in solid, dissolved and molten conditions", J. Fluorine Chemistry: 155–161, doi:10.1016/S0022-1139(03)00190-8 
  19. ^ Brauer, Georg (1965). Handbook of preparative inorganic chemistry. [S.l.]: Academic Press. hlm. 256. ISBN 978-0-12-395591-3. 
  20. ^ 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. 
  21. ^ 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. 
  22. ^ Wang, X; et al. (2004). "A Novel MONOS-Type Nonvolatile Memory Using High- Dielectrics for Improved Data Retention and Programming Speed". IEEE Transactions on Electron Devices. 51 (4): 597. Bibcode:2004ITED...51..597W. doi:10.1109/TED.2004.824684. 
  23. ^ Zhu, H; et al. (2013). "Design and Fabrication of Ta2O5 Stacks for Discrete Multibit Memory Application". IEEE Transactions on Nanotechnology. 12 (6): 1151–1157. doi:10.1109/TNANO.2013.2281817. 
  24. ^ Lee, M-.J; et al. (2011). "A fast, high-endurance and scalable non-volatile memory device made from asymmetric Ta2O5−x/TaO2−x bilayer structures". Nature Materials. 10: 625. Bibcode:2011NatMa..10..625L. doi:10.1038/NMAT3070. 
  25. ^ Musikant, Solomon (1985). "Optical Glas Composition". Optical Materials: An Introduction to Selection and Application. CRC Press. hlm. 28. ISBN 978-0-8247-7309-0. 


Kembali kehalaman sebelumnya