Введение

Пентаоксид тантала, также известный как оксид тантала(V), — это неорганическое соединение с формулой Ta₂O₅. Это белое твердое вещество, нерастворимое во всех растворителях, но подвергается воздействию сильных оснований и плавиковой кислоты. Это инертный материал с высоким показателем преломления и низким поглощением (то есть бесцветный), что делает его полезным для создания покрытий. Он также широко используется в производстве конденсаторов благодаря высокой диэлектрической проницаемости.

Возникновение

Тантал встречается в минералах танталите и колумбите (колумбий — устаревшее название ниобия), которые образуются в пегматитах — магматических горных породах. Смеси колумбита и танталита называются колтаном. Танталит был открыт Андерсом Густавом Экебергом в Йтерби (Швеция) и Кимото (Финляндия). Минералы микролит и пирохлор содержат примерно 70% и 10% тантала соответственно.

Структура и свойства

Кристаллическая структура пентоксида тантала долгое время была предметом дискуссий. Основной материал неупорядочен и может быть аморфным или поликристаллическим, при этом получение монокристаллов затруднено. В связи с этим, рентгеновская кристаллография в основном ограничивается дифракцией порошка, которая предоставляет меньше структурной информации. Известно о существовании как минимум двух полиморфных модификаций. Низкотемпературная форма, обозначаемая как L или β-Ta2O5, и высокотемпературная форма, обозначаемая как H или α-Ta2O5. Переход между этими двумя формами протекает медленно и обратимо, в диапазоне температур от 1000 до 1360 °C, при этом при промежуточных температурах существует смесь структур. В обоих случаях кристаллическая система – орторомбическая, а пространственная группа β-Ta2O5, установленная методом дифракции рентгеновских лучей на монокристалле, – Pna2. Также сообщалось о существовании высокотемпературной модификации (Z-Ta2O5), в которой атомы Ta имеют координационное число 7, формируя моноклинную структуру (пространственная группа C2). Чистый аморфный пентоксид тантала имеет локальную структуру, аналогичную кристаллической модификации, построенную из полиэдров TaO6 и TaO7, в то время как расплавленная жидкая фаза характеризуется отличной структурой, основанной на полиэдрах с более низкой координацией, преимущественно TaO5 и TaO6. Сложность получения материала с однородной структурой приводит к разбросу в значениях его свойств. Как и многие оксиды металлов, Ta2O5 является изолятором, а ширина запрещенной зоны варьируется от 3,8 до 5,3 эВ в зависимости от метода получения. Как правило, чем более аморфен материал, тем больше наблюдаемая ширина запрещенной зоны. Эти экспериментальные значения значительно выше, чем предсказанные методами вычислительной химии (2,3–3,8 эВ). Диэлектрическая проницаемость обычно составляет около 25, хотя сообщалось и о значениях, превышающих 50. В целом, пентоксид тантала считается диэлектриком с высокой диэлектрической проницаемостью (high-k диэлектрик).

В электронике

Благодаря широкой запрещенной зоне и высокой диэлектрической проницаемости, пентоксид тантала нашел широкое применение в электронике, особенно в танталовых конденсаторах. Они используются в автомобильной электронике, сотовых телефонах и пейджерах, электронных схемах, тонкопленочных компонентах и высокоскоростных инструментах. В 1990-х годах возрос интерес к использованию оксида тантала в качестве диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью для конденсаторов DRAM. Он применяется в металл-изолятор-металл конденсаторах для высокочастотных интегральных схем CMOS. Оксид тантала может быть использован в качестве слоя захвата заряда для энергонезависимых запоминающих устройств. Существуют области применения оксида тантала в резистивной памяти с переключаемым сопротивлением.

В оптике

Из-за высокого показателя преломления, Ta2O5 использовался в производстве стекла фотообъективов. Его также можно наносить в качестве оптического покрытия, типичные области применения которого – антиотражающие покрытия и многослойные фильтры в ближнем ультрафиолетовом и ближнем инфракрасном диапазонах. Было установлено, что Ta2O5 обладает высоким нелинейным показателем преломления, примерно в три раза превышающим показатель нитрида кремния, что вызвало интерес к его использованию в фотонных интегральных схемах. В последнее время Ta2O5 применяется в качестве материальной платформы для генерации сверхширокого спектра и гребенчатых спектров Керра.