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Pentóxido de tántalo

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Pentóxido de tántalo
General
Fórmula molecular Ta2O5
Identificadores
Número CAS 1314-61-0[1]​
ChemSpider 55987
PubChem 518712 62157, 518712
UNII OEZ64Z53M4
InChI=InChI=1S/5O.2Ta/q5*-2;2*+5
Key: BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N
Propiedades físicas
Masa molar 441,871 g/mol
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El pentóxido de tántalo, también conocido como óxido de tántalo (V), es un compuesto inorgánico de fórmula Ta2O5. Es un sólido blanco insoluble en todos los disolventes, pero atacado por las bases fuertes y el ácido fluorhídrico. Ta2O5 es un material inerte con un alto índice de refracción y baja absorción (es decir, incoloro), lo que lo hace útil para revestimientos.[2]​También se utiliza mucho en la producción de condensadores, debido a su alta constante dieléctrica.

Preparación

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Presencia

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El tántalo se encuentra en los minerales tantalita y columbita (columbio es un nombre arcaico para el niobio), que aparecen en pegmatitas, una formación de roca ígnea. Las mezclas de columbita y tantalita se denominan coltán. Los minerales microlita y pirocloro contienen aproximadamente 70% y 10% de Ta, respectivamente.

Refinado

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Los minerales de tantalio suelen contener cantidades significativas de niobio, que a su vez es un metal valioso. Ambos metales se extraen para su venta. El proceso general es hidrometalúrgico y comienza con una etapa de lixiviación, en la que el mineral se trata con ácido fluorhídrico y ácido sulfúrico para producir fluoruros de hidrógeno solubles en agua, como el heptafluorotantalato. Esto permite separar los metales de las distintas impurezas no metálicas de la roca.

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

A continuación, los hidrofloruros de tántalo y niobio se eliminan de la solución acuosa mediante extracción líquido-líquido utilizando disolventes orgánicos, como ciclohexanona o metil isobutil cetona. Esta etapa permite eliminar fácilmente diversas impurezas metálicas (por ejemplo, hierro y manganeso) que permanecen en la fase acuosa en forma de fluoruros. La separación del tántalo y el niobio se consigue entonces mediante el ajuste del pH. El niobio requiere un mayor nivel de acidez para permanecer soluble en la fase orgánica y, por tanto, puede eliminarse selectivamente mediante extracción en agua menos ácida. A continuación, la solución de fluoruro de hidrógeno de tántalo puro se neutraliza con amoniaco acuoso para obtener óxido de tántalo hidratado (Ta2O5(H2O)x), que se calcina para obtener pentóxido de tántalo (Ta2O5), tal como se describe en estas ecuaciones idealizadas:[3]​

H2[TaF7] + 5 H2O + 7 NH3 → 1/2 Ta2O5(H2O)5 + 7 NH4F

Ta2O5(H2O)5 → Ta2O5 + 5 H2O

El óxido de tántalo puro natural se conoce como mineral tantita, aunque es extremadamente raro.[4]​

De los alcóxidos

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El óxido de tántalo se utiliza con frecuencia en electrónica, a menudo en forma de láminas delgadas. Para estas aplicaciones puede producirse mediante MOCVD (o técnicas relacionadas), que implica la hidrólisis de sus haluros volátiles o alcóxidos

Ta2(OEt)10 + 5 H2O → Ta2O5 + 10 EtOH

2 TaCl5 + 5 H2O → Ta2O5 + 10 HCl

Usos

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En electrónica

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El pentóxido de tántalo se utiliza en electrónica, sobre todo en condensadores de tántalo, debido a su elevado intervalo de banda y a su constante dieléctrica. Se utilizan en electrónica de automoción, teléfonos móviles y buscapersonas, circuitos electrónicos, componentes de película fina y herramientas de alta velocidad. En la década de 1990, creció el interés por el uso del óxido de tántalo como dieléctrico de alta k para aplicaciones de condensadores DRAM.[5]​[6]​

Se utiliza en condensadores metal-aislante-metal en chip para circuitos integrados CMOS de alta frecuencia. El óxido de tántalo puede tener aplicaciones como capa de captura de carga para memorias no volátiles.[7]​[8]​ Existen aplicaciones del óxido de tántalo en memorias de conmutación resistiva.[9]​

En óptica

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Debido a su elevado índice de refracción, el Ta2O5 se ha utilizado en la fabricación del vidrio de lentes fotográficas[2]​[10]​ También puede depositarse como revestimiento óptico, siendo sus aplicaciones típicas los revestimientos antirreflectantes y de filtros multicapa en el ultravioleta cercano al infrarrojo cercano.[11]​

También se ha descubierto que el Ta2O5 tiene un alto índice de refracción no lineal,[12]​[13]​del orden de tres veces el del nitiruro de silicio, lo que ha despertado el interés por la utilización del Ta2O5 en circuitos integrados fotónicos. El Ta2O5 se ha utilizado recientemente como plataforma material para la generación de supercontinuum[14]​[15]​y peines de frecuencia Kerr[13]​en guías de onda y resonadores ópticos de anillo. Mediante la adición de dopantes de tierras raras en el proceso de deposición, se han presentado láseres de guía de ondas de Ta2O5 para diversas aplicaciones, como la teledetección y el LiDAR.[16]​[17]​[18]​

Referencias

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  1. ↑ Número CAS
  2. ↑ a b Fairbrother, Frederick (1967). The Chemistry of Niobium and Tantalum. New York: Elsevier Publishing Company. pp. 1–28. ISBN 978-0-444-40205-9. (requiere registro). 
  3. ↑ Anthony Agulyanski (2004). «Fluorine chemistry in the processing of tantalum and niobium». En Anatoly Agulyanski, ed. Chemistry of Tantalum and Niobium Fluoride Compounds (1st edición). Burlington: Elsevier. ISBN 9780080529028. 
  4. ↑ «Tantite: Tantite mineral information and data». Mindat.org. Consultado el 3 de marzo de 2016. 
  5. ↑ 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. S2CID 55644772. doi:10.1023/A:1008970922635. 
  6. ↑ 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. 
  7. ↑ Wang, X (2004). «A Novel MONOS-Type Nonvolatile Memory Using High-κ Dielectrics for Improved Data Retention and Programming Speed». IEEE Transactions on Electron Devices 51 (4): 597-602. Bibcode:2004ITED...51..597W. doi:10.1109/TED.2004.824684. 
  8. ↑ Zhu, H (2013). «Design and Fabrication of Ta2O5 Stacks for Discrete Multibit Memory Application». IEEE Transactions on Nanotechnology 12 (6): 1151-1157. Bibcode:2013ITNan..12.1151Z. S2CID 44045227. doi:10.1109/TNANO.2013.2281817. 
  9. ↑ Lee, M-.J (2011). «A fast, high-endurance and scalable non-volatile memory device made from asymmetric Ta2O5−x/TaO2−x bilayer structures». Nature Materials 10 (8): 625-630. Bibcode:2011NatMa..10..625L. PMID 21743450. doi:10.1038/NMAT3070. 
  10. ↑ Musikant, Solomon (1985). «Optical Glas Composition». Optical Materials: An Introduction to Selection and Application. CRC Press. p. 28. ISBN 978-0-8247-7309-0. 
  11. ↑ «Tantalum Oxide for Optical Coating Applications». Materion. Consultado el 1 de abril de 2021. 
  12. ↑ Tai, Chao-Yi; Wilkinson, James S.; Perney, Nicolas M. B.; Netti, M. Caterina; Cattaneo, F.; Finlayson, Chris E.; Baumberg, Jeremy J. (18 de octubre de 2004). «Determination of nonlinear refractive index in a Ta2O5 rib waveguide using self-phase modulation». Optics Express (en inglés) 12 (21): 5110-5116. Bibcode:2004OExpr..12.5110T. ISSN 1094-4087. PMID 19484065. doi:10.1364/OPEX.12.005110. 
  13. ↑ a b Jung, Hojoong; Yu, Su-Peng; Carlson, David R.; Drake, Tara E.; Briles, Travis C.; Papp, Scott B. (20 de junio de 2021). «Tantala Kerr nonlinear integrated photonics». Optica (en inglés) 8 (6): 811-817. Bibcode:2021Optic...8..811J. ISSN 2334-2536. S2CID 220793938. arXiv:2007.12958. doi:10.1364/OPTICA.411968. 
  14. ↑ Woods, Jonathan R. C.; Daykin, Jake; Tong, Amy S. K.; Lacava, Cosimo; Petropoulos, Periklis; Tropper, Anne C.; Horak, Peter; Wilkinson, James S. et al. (12 de octubre de 2020). «Supercontinuum generation in tantalum pentoxide waveguides for pump wavelengths in the 900 nm to 1500 nm spectral region». Optics Express (en inglés) 28 (21): 32173-32184. Bibcode:2020OExpr..2832173W. ISSN 1094-4087. PMID 33115180. doi:10.1364/OE.403089. 
  15. ↑ Fan, Ranran; Lin, Yuan-Yao; Chang, Lin; Boes, Andreas; Bowers, John; Liu, Jia-Wei; Lin, Chao-Hong; Wang, Te-Keng; Qiao, Junpeng; Kuo, Hao-Chung; Lin, Gong-Ru; Shih, Min-Hsiung; Hung, Yung-Jr; Chiu, Yi-Jen; Lee, Chao-Kuei (12 de abril de 2021). «Higher order mode supercontinuum generation in tantalum pentoxide (Ta2O5) channel waveguide». Scientific Reports (en inglés) 11 (1): 7978. Bibcode:2021NatSR..11.7978F. ISSN 2045-2322. PMC 8042067. PMID 33846403. doi:10.1038/s41598-021-86922-8. 
  16. ↑ Tong, Amy S. K.; Mitchell, Colin J.; Aghajani, Armen; Sessions, Neil; Senthil Murugan, G.; Mackenzie, Jacob I.; Wilkinson, James S. (1 de septiembre de 2020). «Spectroscopy of thulium-doped tantalum pentoxide waveguides on silicon». Optical Materials Express (en inglés) 10 (9): 2201. Bibcode:2020OMExp..10.2201T. ISSN 2159-3930. doi:10.1364/OME.397011. 
  17. ↑ Aghajani, A; Murugan, G S; Sessions, N P; Apostolopoulos, V; Wilkinson, J S (17 de junio de 2015). «Spectroscopy of high index contrast Yb:Ta 2 O 5 waveguides for lasing applications». Journal of Physics: Conference Series 619 (1): 012031. Bibcode:2015JPhCS.619a2031A. ISSN 1742-6596. doi:10.1088/1742-6596/619/1/012031. 
  18. ↑ Subramani, Ananth Z.; Oton, Claudio J.; Shepherd, David P.; Wilkinson, James S. (November 2010). «Erbium-Doped Waveguide Laser in Tantalum Pentoxide». IEEE Photonics Technology Letters 22 (21): 1571-1573. Bibcode:2010IPTL...22.1571S. ISSN 1041-1135. S2CID 28849615. doi:10.1109/LPT.2010.2072495. 

Enlaces externos

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