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| 名前 | |
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| IUPAC名
酸化タンタル(V)
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| 体系的なIUPAC名
五酸化二タンタル | |
| 識別子 | |
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3Dモデル（JSmol）
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| ケムスパイダー |
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| ECHA 情報カード | 100.013.854 |
パブケム CID
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| ユニ |
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CompTox ダッシュボード ( EPA )
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| プロパティ | |
| タリウム2O5 | |
| モル質量 | 441.893グラム/モル |
| 外観 | 白色、無臭の粉末 |
| 密度 | β-Ta 2 O 5 = 8.18 g/cm 3 [1] α-Ta 2 O 5 = 8.37 g/cm 3 |
| 融点 | 1,872 °C (3,402 °F; 2,145 K) |
| 無視できる | |
| 溶解度 | 有機溶媒やほとんどの鉱酸に不溶で、HFと反応する |
| バンドギャップ | 3.8～5.3eV |
磁化率（χ）
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−32.0 × 10 −6 cm 3 /モル |
屈折率( n D )
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2.275 |
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。
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 インフォボックス参照
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五酸化タンタルは、タンタル（V）酸化物としても知られ、化学式Taの無機化合物である。
2お
5白色の固体で、あらゆる溶媒に溶けませんが、強塩基やフッ化水素酸には溶けます。Ta
2お
5は、屈折率が高く、吸収率が低い（無色）不活性物質であり、コーティングに適しています。 [2]また、誘電率が高いため、コンデンサの製造にも広く使用されています。
準備
発生
タンタルは、ペグマタイト（火成岩）に含まれるタンタライトとコロンバイト（コロンビウムはニオブの古称）という鉱物に含まれています。コロンバイトとタンタライトの混合物はコルタンと呼ばれます。タンタルは、1802 年にスウェーデンのイッテルビーとフィンランドのキモトでアンダース・グスタフ・エーケベリによってタンタライトから発見されました。鉱物のマイクロライトとパイロクロアには、それぞれ約 70% と 10% の Ta が含まれています。
精製
タンタル鉱石には、それ自体が貴重な金属であるニオブが多量に含まれていることがよくあります。そのため、両方の金属を抽出して販売することができます。全体的なプロセスは湿式冶金法の 1 つであり、浸出ステップから始まります。このステップでは、鉱石をフッ化水素酸と硫酸で処理して、ヘプタフルオロタンタル酸塩などの水溶性フッ化水素を生成します。これにより、岩石内のさまざまな非金属不純物から金属を分離できます。
次に、シクロヘキサノンやメチルイソブチルケトンなどの有機溶媒を使用した液液抽出によって、水溶液からタンタルとニオブのフッ化水素が除去されます。このステップにより、フッ化物の形で水相に残っているさまざまな金属不純物（鉄やマンガンなど）を簡単に除去できます。次に、 pH調整によってタンタルとニオブを分離します。ニオブは、有機相に溶解したままにするためにはより高い酸性度を必要とするため、酸性度の低い水に抽出することで選択的に除去できます。次に、純粋なタンタルフッ化水素溶液をアンモニア水で中和して水和酸化タンタル（Ta 2 O 5 (H 2 O) x ）を得、これを焼成して五酸化タンタル（Ta 2 O 5）にします。この理想的な式は次のとおりです。[3]
- H 2 [TaF 7 ] + 5 H 2 O + 7 NH 3 → 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
天然の純粋な酸化タンタルは鉱物タンタイトとして知られていますが、非常に稀少です。[4]
アルコキシドから
酸化タンタルは、多くの場合薄膜の形で電子機器によく使用されます。これらの用途では、揮発性ハロゲン化物またはアルコキシドの加水分解を伴うMOCVD (または関連技術)によって製造できます。
- 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
構造と特性
五酸化タンタルの結晶構造は議論の的となっている。バルク材料は無秩序であり、[5]非晶質または多結晶のいずれかであり、単結晶の成長は困難である。そのため、X線結晶構造解析は主に粉末回折に限られており、構造に関する情報は少ない。
少なくとも 2 つの多形体が存在することが知られています。低温型は L- または β-Ta 2 O 5として知られ、高温型は H- または α-Ta 2 O 5として知られています。これら 2 つの形態間の遷移は遅く可逆的であり、1000 ～ 1360 °C で発生し、中間温度では構造が混在しています。[5]両方の多形の構造は、反対の頂点を共有する八面体 TaO 6と五角形両錐体 TaO 7多面体から構築された鎖で構成され、さらに辺を共有することで結合されています。[6] [7]全体的な結晶系はどちらの場合も斜方晶系であり、 β-Ta 2 O 5の空間群は単結晶 X 線回折によってPna2として識別されています。 [8] [9]
高圧形態（Z -Ta 2 O 5）も報告されており、Ta原子は7配位構造を採用して単斜晶構造（空間群C2）を与える。[10]
純粋に非晶質の五酸化タンタルは、TaO 6とTaO 7多面体から構成される結晶多形と類似した局所構造を持ちますが、溶融液相は、主にTaO 5とTaO 6の低配位多面体に基づく独特の構造を持ちます。[11]
均一な構造を持つ材料を形成するのが難しいため、報告されている特性にはばらつきがある。多くの金属酸化物と同様に、Ta 2 O 5 は絶縁体であり、そのバンドギャップは製造方法に応じて 3.8 ～ 5.3 eV と様々に報告されている。[12] [13] [14]一般に、材料が非晶質であるほど、観測されるバンドギャップは大きくなる。これらの観測値は、計算化学によって予測される値(2.3 ～ 3.8 eV)よりも大幅に高い。 [15] [16] [17]
その誘電率は典型的には25程度である[18]が、50を超える値も報告されている[19] 。一般に五酸化タンタルは高誘電率誘電体材料であると考えられている。
反応
Ta 2 O 5はHClやHBrとはほとんど反応しないが、フッ化水素酸には溶解し、次の式に従ってフッ化カリウムおよびHFと反応する： [20] [21]
- Ta 2 O 5 + 4 KHF 2 + 6 HF → 2 K 2 [TaF 7 ] + 5 H 2 O
Ta 2 O 5 は、カルシウムやアルミニウムなどの金属還元剤を使用することで金属 Ta に還元できます。
- Ta 2 O 5 + 5 Ca → 2 Ta + 5 CaO
用途
エレクトロニクス
五酸化タンタルはバンドギャップと誘電率が高いため、電子機器、特にタンタルコンデンサーでさまざまな用途に使用されています。これらは自動車用電子機器、携帯電話、ポケベル、電子回路、薄膜部品、高速ツールに使用されています。1990年代には、DRAMコンデンサー用途の高誘電率誘電体としてのタンタル酸化物の使用への関心が高まりました。[22] [23]
高周波CMOS集積回路のオンチップ金属-絶縁体-金属コンデンサに使用されます。タンタル酸化物は、不揮発性メモリの電荷トラッピング層としての用途があります。[24] [25]タンタル酸化物は抵抗スイッチングメモリにも応用されています。[26]
光学分野では
Ta 2 O 5は屈折率が高いため、写真レンズのガラスの製造に利用されてきました。[2] [27]また、光学コーティング として堆積させることもできます。典型的な用途は、近紫外線から近赤外線までの反射防止コーティングや多層フィルターコーティングです。 [28]
Ta 2 O 5 は高い非線形屈折率を持つことも判明しており[29] [30]、これはシリコン窒化物に比べて 3 倍程度であり、このため Ta 2 O 5を光集積回路に利用する関心が高まっています。Ta 2 O 5 は最近、導波路や光リング共振器におけるスーパーコンティニューム[31] [32]やカー周波数コム[30]の生成のための材料プラットフォームとして利用されています。堆積プロセスで希土類ドーパントを追加することで、Ta 2 O 5導波路レーザーがリモートセンシングやLiDARなどのさまざまな用途に使用されています。[33] [34] [35]
参考文献
- ^ Reisman, Arnold; Holtzberg, Frederic; Berkenblit, Melvin; Berry, Margaret (1956 年 9 月 20 日)。「VB 族五酸化物とアルカリ酸化物および炭酸塩との反応。III. K 2 O または K 2 CO 3と Ta 2 O 5のシステムの熱および X 線状態図」。アメリカ化学会誌。78 (18) : 4514–4520。doi :10.1021/ja01599a003。
- ^ ab フェアブラザー、フレデリック (1967)。ニオブとタンタルの化学。ニューヨーク：エルゼビア出版会社。pp. 1–28。ISBN 978-0-444-40205-9。
- ^ Anthony Agulyanski (2004)。「タンタルとニオブの処理におけるフッ素化学」。Anatoly Agulyanski (編)。タンタルとニオブのフッ化物化合物の化学(第 1 版)。バーリントン: Elsevier。ISBN 9780080529028。
- ^ 「タンタイト：タンタイト鉱物情報とデータ」Mindat.org . 2016年3月3日閲覧。
- ^ ab アスケルユング、シャーロッタ;マリンダー、ベングト＝オロフ。マルガレータ、サンドベリ（2003 年 11 月 1 日）。 「L-Ta 2 O 5の構造に対する熱処理の影響」。固体化学ジャーナル。176 (1): 250–258。Bibcode :2003JSSCh.176..250A。土井：10.1016/j.jssc.2003.07.003。
- ^ Stephenson, NC; Roth, RS (1971). 「二成分系Ta 2 O 5 –WO 3の構造系統学。V .低温型タンタル酸化物L-Ta 2 O 5の構造」。Acta Crystallographica Section B。27 ( 5 ): 1037–1044。Bibcode :1971AcCrB..27.1037S。doi : 10.1107 /S056774087100342X。
- ^ ウェルズ、AF（1947）。構造無機化学。オックスフォード：クラレンドンプレス。
- ^ ウォルテン、GM;アルバータ州チェイス（1969 年 8 月 1 日）。 「β Ta 2 O 5および A KPO 3の単結晶データ」。結晶写真の時代。129 (5–6): 365–368。Bibcode :1969ZK....129..365W。土井：10.1524/zkri.1969.129.5-6.365。
- ^ ハンス・U・フンメル;ファクラー、リチャード。ピーター・レンマート（1992年）。 「2H-TaS 2 を用いたガス相加水分解、ドラック加水分解および輸送反応によるタンタルオキシド: TT-Ta 2 O 5および T-Ta 2 O 5および T-Ta 2 O 5による結晶構造の合成」。ケミッシェ ベリヒテ。125 (3): 551–556。土井：10.1002/cber.19921250304。
- ^ Zibrov, IP; Filonenko, VP; Sundberg, M.; Werner, P.-E. (2000 年 8 月 1 日)。「B-Ta 2 O 5 と Z-Ta 2 O 5 の構造と相転移 : Ta 2 O 5の2つの高圧形態」。Acta Crystallographica Section B。56 ( 4): 659–665。doi : 10.1107 /S0108768100005462。PMID 10944257。S2CID 22330435 。
- ^ Alderman, OLG; Benmore, CJ; Neuefeind, J.; Coillet, E.; Mermet, A.; Martinez, V.; Tamalonis, A.; Weber, R. (2018). 「アモルファスタンタラと溶融状態との関係」. Physical Review Materials . 2 (4): 043602. Bibcode :2018PhRvM...2d3602A. doi : 10.1103/PhysRevMaterials.2.043602 .
- ^ ククリ、カウポ;アーリク、ジャーン。アイドラ、アレクス。コーハン、オクサナ。ウスタレ、ティート。ヴァイノ・ザメルゼルグ (1995)。 「原子層堆積法により成長させた酸化タンタル薄膜の特性」。薄い固体フィルム。260 (2): 135–142。Bibcode :1995TSF...260..135K。土井：10.1016/0040-6090(94)06388-5。
- ^ Fleming, RM; Lang, DV; Jones, CDW; Steigerwald, ML; Murphy, DW; Alers, GB; Wong, Y.-H.; van Dover, RB; Kwo, JR; Sergent, AM (2000 年 1 月 1 日)。「アモルファス Ta 2 O 5 薄膜における欠陥支配電荷輸送」。応用物理学ジャーナル。88 ( 2): 850。Bibcode : 2000JAP ....88..850F。doi :10.1063/1.373747。
- ^ ムラワラ、プラカシュ A.;澤井幹雄；龍田 敏明辻 修；藤田静雄；藤田茂雄（1993）。 「ペンタエトキシタンタルソースを使用したプラズマ強化液体ソースCVDによって成長させたTa 2 O 5の構造的および電気的特性」。応用物理学雑誌。32 (パート 1、No. 1B): 368–375。Bibcode :1993JaJAP..32..368M。土井：10.1143/JJAP.32.368。S2CID 97813703。
- ^ Ramprasad, R. (2003 年 1 月 1 日). 「五酸化タンタルの酸素空孔欠陥に関する第一原理研究」.応用物理学ジャーナル. 94 (9): 5609–5612. Bibcode :2003JAP....94.5609R. doi :10.1063/1.1615700.
- ^ 澤田 秀雄; 川上 健一 (1999年1月1日). 「Ta 2 O 5の酸素空孔の電子構造」.応用物理学ジャーナル. 86 (2): 956. Bibcode :1999JAP....86..956S. doi :10.1063/1.370831.
- ^ Nashed, Ramy; Hassan, Walid MI; Ismail, Yehea; Allam, Nageh K. (2013). 「タンタル酸化物 (Ta 2 O 5 ) の結晶構造と電子バンド構造の相互作用の解明」.物理化学化学物理学. 15 (5): 1352–7. Bibcode :2013PCCP...15.1352N. doi :10.1039/C2CP43492J. PMID 23243661.
- ^ Macagno, V.; Schultze, JW (1984 年 12 月 1 日). 「タンタル電極上の薄い酸化物層の成長と特性」.電気分析化学および界面電気化学ジャーナル. 180 (1–2): 157–170. doi :10.1016/0368-1874(84)83577-7.
- ^ 平谷正治; 木村聡; 浜田孝之; 飯島聡; 中西尚志 (2002年1月1日). 「誘電定数が向上したタンタル五酸化物の六方晶多形」.応用物理学論文集. 81 (13): 2433.書誌コード:2002ApPhL..81.2433H. doi :10.1063/1.1509861.
- ^ Agulyansky, A (2003). 「固体、溶解および溶融状態におけるフッ化タンタル酸カリウム」J. Fluorine Chem . 123 (2): 155–161. doi :10.1016/S0022-1139(03)00190-8.
- ^ Brauer, Georg (1965).無機化学の分取ハンドブック. Academic Press. p. 256. ISBN 978-0-12-395591-3。
- ^ Ezhilvalavan, S.; Tseng, TY (1999). 「 超大規模集積回路 (ULSI) 用途向け五酸化タンタル (Ta 2 O 5 ) 薄膜の作製と特性 - レビュー」. Journal of Materials Science: Materials in Electronics . 10 (1): 9–31. doi :10.1023/A:1008970922635. S2CID 55644772.
- ^ Chaneliere, C; Autran, JL; Devine, RAB; Balland, B (1998). 「先進誘電体用途向け五酸化タンタル (Ta 2 O 5 ) 薄膜」.材料科学および工学: R. 22 ( 6): 269–322. doi :10.1016/S0927-796X(97)00023-5.
- ^ Wang, X; et al. (2004). 「高 誘電率誘電体を使用した新しいMONOS型不揮発性メモリによるデータ保持とプログラミング速度の向上」. IEEE Transactions on Electron Devices . 51 (4): 597–602. Bibcode :2004ITED...51..597W. doi :10.1109/TED.2004.824684.
- ^ Zhu, H; et al. (2013). 「離散マルチビットメモリアプリケーション向けTa 2 O 5スタックの設計と製造」. IEEE Transactions on Nanotechnology . 12 (6): 1151–1157. Bibcode :2013ITNan..12.1151Z. doi :10.1109/TNANO.2013.2281817. S2CID 44045227.
- ^ Lee, M-.J; et al. (2011). 「非対称Ta 2 O 5− x /TaO 2− x二重層構造から作られた高速、高耐久性、スケーラブルな不揮発性メモリデバイス」。Nature Materials . 10 (8): 625–630. Bibcode :2011NatMa..10..625L. doi :10.1038/NMAT3070. PMID 21743450.
- ^ Musikant, Solomon (1985)。「光学ガラス組成」。光学材料：選択と応用入門。CRC Press。p. 28。ISBN 978-0-8247-7309-0。
- ^ 「光学コーティング用途向け酸化タンタル」。Materion 。2021年4月1日閲覧。
- ^ Tai, Chao-Yi; Wilkinson, James S.; Perney, Nicolas MB; Netti, M. Caterina; Cattaneo, F.; Finlayson, Chris E.; Baumberg, Jeremy J. (2004-10-18). 「自己位相変調を用いた Ta2O5 リブ導波路の非線形屈折率の測定」. Optics Express . 12 (21): 5110–5116. Bibcode :2004OExpr..12.5110T. doi : 10.1364/OPEX.12.005110 . ISSN 1094-4087. PMID 19484065.
- ^ ab Jung, Hojoong; Yu, Su-Peng; Carlson, David R.; Drake, Tara E.; Briles, Travis C.; Papp, Scott B. (2021-06-20). 「Tantala Kerr 非線形集積フォトニクス」. Optica . 8 (6): 811–817. arXiv : 2007.12958 . Bibcode :2021Optic...8..811J. doi :10.1364/OPTICA.411968. ISSN 2334-2536. S2CID 220793938.
- ^ Woods, Jonathan RC; Daykin, Jake; Tong, Amy SK; Lacava, Cosimo; Petropoulos, Periklis; Tropper, Anne C.; Horak, Peter; Wilkinson, James S.; Apostolopoulos, Vasilis (2020-10-12). 「900 nm から 1500 nm のスペクトル領域でのポンプ波長に対するタンタル五酸化物導波路でのスーパーコンティニュアム生成」。Optics Express。28 (21): 32173–32184。Bibcode :2020OExpr..2832173W。doi : 10.1364/OE.403089。ISSN 1094-4087。PMID 33115180。
- ^ ファン、ランラン;リン・ユアン・ヤオ。チャン、リン。ボウズ、アンドレアス。バウワーズ、ジョン。リュウ・ジアウェイ。リン・チャオホン。ワン・テケン。チャオ、ジュンペン。クオ・ハオチュン。リン・ゴン・ルー。シー・ミンシュン;フン・ヨンジュニア;チウ、イージェン。リー・チャオクエイ（2021-04-12）。 「五酸化タンタル (Ta2O5) チャネル導波路における高次モード スーパーコンティニュームの生成」。科学的報告書。11 (1): 7978。ビブコード:2021NatSR..11.7978F。土井：10.1038/s41598-021-86922-8。ISSN 2045-2322. PMC 8042067. PMID 33846403 .
- ^ Tong, Amy SK; Mitchell, Colin J.; Aghajani, Armen; Sessions, Neil; Senthil Murugan, G.; Mackenzie, Jacob I.; Wilkinson, James S. (2020-09-01). 「シリコン上のツリウムドープタンタル五酸化物導波路の分光法」. Optical Materials Express . 10 (9): 2201. Bibcode :2020OMExp..10.2201T. doi : 10.1364/OME.397011 . ISSN 2159-3930.
- ^ Aghajani, A; Murugan, GS; Sessions, NP; Apostolopoulos, V; Wilkinson, JS (2015-06-17). 「レーザー用途向け高屈折率コントラストYb:Ta 2 O 5 導波路の分光法」. Journal of Physics: Conference Series . 619 (1): 012031. Bibcode :2015JPhCS.619a2031A. doi : 10.1088/1742-6596/619/1/012031 . ISSN 1742-6596.
- ^ Subramani, Ananth Z.; Oton, Claudio J.; Shepherd, David P.; Wilkinson, James S. (2010 年 11 月). 「タンタル五酸化物中のエルビウムドープ導波路レーザー」. IEEE Photonics Technology Letters . 22 (21): 1571–1573. Bibcode :2010IPTL...22.1571S. doi :10.1109/LPT.2010.2072495. ISSN 1041-1135. S2CID 28849615.