El trióxido de galio (III) es un compuesto inorgánico de fórmula Ga 2 O 3 . Existe como varios polimorfos , todos los cuales son sólidos blancos insolubles en agua. Aunque no existen aplicaciones comerciales, Ga 2 O 3 es un intermedio en la purificación de galio, que se consume casi exclusivamente como arseniuro de galio . [6] La conductividad térmica de β-Ga 2 O 3 es al menos un orden de magnitud más baja que la de los otros semiconductores de banda prohibida amplia, como GaN y SiC. [7]Se reduce aún más para las nanoestructuras relacionadas que se utilizan normalmente en dispositivos electrónicos. [7] La integración heterogénea con sustratos de alta conductividad térmica como el diamante y el SiC ayuda a disipar el calor de los componentes electrónicos de β-Ga 2 O 3 . [8] [9]
![]() Cristal de β-Ga 2 O 3 | |
![]() Estructura cristalina de β-Ga 2 O 3 | |
Nombres | |
---|---|
Otros nombres trióxido de galio, sesquióxido de galio | |
Identificadores | |
| |
Modelo 3D ( JSmol ) | |
ChemSpider | |
Tarjeta de información ECHA | 100.031.525 ![]() |
PubChem CID | |
Número RTECS |
|
UNII | |
Tablero CompTox ( EPA ) | |
| |
| |
Propiedades | |
Ga 2 O 3 | |
Masa molar | 187,444 g / mol [1] |
Apariencia | polvo cristalino blanco |
Densidad | 6,44 g / cm 3 , alfa 5,88 g / cm 3 , beta |
Punto de fusion | 1.900 ° C (3.450 ° F; 2.170 K) alfa 1725 ° C, beta [2] |
insoluble | |
Solubilidad | soluble en la mayoría de los ácidos |
Brecha de banda | 4,7-4,9 eV (β-Ga 2 O 3 ) |
Estructura | |
α: Trigonal , hR30 , grupo espacial = R 3 c, No. 167 [3] β: monoclínico , MS20 , grupo espacial = C2 / m, No. 12 [4] | |
a = 0.49835 / 1.22247 nm, b = 0.49835 / 0.30403 nm, c = 0.53286 / 0.58088 nm | |
Unidades de fórmula ( Z ) | 6/4 |
Termoquímica | |
Capacidad calorífica ( C ) | 92,1 J / mol · K [5] |
Entropía molar estándar ( S | 85,0 J / mol · K [5] |
Entalpía estándar de formación (Δ f H ⦵ 298 ) | −1089,1 kJ / mol [5] |
Energía libre de Gibbs (Δ f G ˚) | -998,3 kJ / mol [5] |
Peligros | |
Clasificación de la UE (DSD) (desactualizada) | no enlistado |
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para materiales en su estado estándar (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa). | |
![]() ![]() ![]() | |
Referencias de Infobox | |
Preparación
El trióxido de galio se precipita en forma hidratada tras la neutralización de una solución ácida o básica de sal de galio. Además, se forma al calentar galio en el aire o al descomponer térmicamente el nitrato de galio a 200–250 ˚C. Puede ocurrir en cinco modificaciones diferentes, α, β, γ, δ y ε. De estas modificaciones, el β-Ga 2 O 3 es la forma más estable. [10]
- El β-Ga 2 O 3 se prepara calentando nitrato, acetato, oxalato u otros derivados orgánicos por encima de 1000 ° C. Las películas delgadas epitaxiales de β-Ga 2 O 3 se pueden depositar sobre un sustrato de zafiro a temperaturas entre 190 ° C y 550 ° C. [11]
- El α-Ga 2 O 3 se puede obtener calentando el β-Ga 2 O 3 a 65 kbars y 1100 ° C. La forma hidratada se puede preparar descomponiendo hidróxido de galio precipitado y "envejecido" a 500ºC.
- El γ-Ga 2 O 3 se prepara calentando rápidamente el gel de hidróxido a 400–500 ° C. Se puede preparar una forma más cristalina de este polimorfo directamente a partir del metal galio mediante una síntesis solvotermal. [12]
- δ-Ga 2 O 3 se obtiene calentando Ga (NO 3 ) 3 a 250 ° C.
- ε-Ga 2 O 3 se prepara calentando δ-Ga 2 O 3 a 550 ° C. [10] Se depositan películas delgadas de ε-Ga 2 O 3 mediante epitaxia en fase vapor metalorgánica utilizando trimetilgalio y agua sobre sustratos de zafiro a temperaturas entre 550 y 650 ° C [13]
Reacciones
El trióxido de galio (III) es anfótero . [14] Reacciona con óxidos de metales alcalinos a alta temperatura para formar, por ejemplo, NaGaO 2 , y con óxidos de Mg, Zn, Co, Ni, Cu para formar espinelas , por ejemplo, MgGa 2 O 4 . [15] Se disuelve en un álcali fuerte para formar una solución del ion galato, Ga (OH)-
4.
Con HCl, forma tricloruro de galio GaCl 3 . [dieciséis]
- Ga 2 O 3 + 6 HCl → 2 GaCl 3 + 3 H 2 O
Puede reducirse a subóxido de galio (óxido de galio (I)) Ga 2 O por H 2 . [17] o por reacción con galio metálico: [18]
- Ga 2 O 3 + 2 H 2 → Ga 2 O + 2 H 2 O
- Ga 2 O 3 + 4 Ga → 3 Ga 2 O
Estructura
El β-Ga 2 O 3 , con un punto de fusión de 1900 ˚C, es la modificación cristalina más estable. Los iones de óxido están en una disposición de empaquetamiento cúbica más cercana distorsionada, y los iones de galio (III) ocupan sitios tetraédricos y octaédricos distorsionados, con distancias de enlace Ga-O de 1,83 y 2,00 Å respectivamente. [19]
El α-Ga 2 O 3 tiene la misma estructura ( corindón ) que el α-Al 2 O 3 , en el que los iones Ga tienen una coordenada 6. γ-Ga 2 O 3 tiene una estructura de espinela defectuosa similar a la de γ-Al 2 O 3 . [20]
Las películas de ε-Ga 2 O 3 depositadas por epitaxia en fase vapor metalorgánica muestran una estructura columnar con simetría cristalina ortorrómbica . Macroscópicamente, esta estructura se ve por cristalografía de rayos X como un empaque compacto hexagonal . [21]
Aplicaciones potenciales
Se ha estudiado el óxido de galio (III) en el uso de láseres, fósforos y materiales luminiscentes. [10] También se ha utilizado como barrera aislante en uniones estrechas. [22] El β-Ga 2 O 3 monoclínico se utiliza en sensores de gas y fósforos luminiscentes y se puede aplicar a revestimientos dieléctricos para células solares . Este óxido estable también ha mostrado potencial para óxidos conductores transparentes ultravioleta profundos, [23] y aplicaciones de transistores. [24] [25]
Las películas delgadas de ε-Ga 2 O 3 depositadas sobre zafiro muestran aplicaciones potenciales como fotodetector UV ciego al sol . [26]
Las películas delgadas de Ga 2 O 3 son de interés comercial como materiales sensibles a los gases y Ga 2 O 3 . La elipsometría es un procedimiento que se puede utilizar para determinar las funciones ópticas del β-Ga 2 O 3 . [11] [23]
El β-Ga 2 O 3 se utiliza en la producción de catalizador de Ga 2 O 3 -Al 2 O 3 . [27]
Referencias
- ^ Haynes, William M., ed. (2011). Manual CRC de Química y Física (92ª ed.). Boca Raton, FL: CRC Press . pag. 4.64. ISBN 1439855110.
- ^ Patnaik, Pradyot (2002) Manual de productos químicos inorgánicos . McGraw-Hill. ISBN 0-07-049439-8
- ^ Eckert, LJ; Bradt, RC (1973). "Expansión Térmica de Alpha Ga 2 O 3 ". Revista de la Sociedad Americana de Cerámica . 56 (4): 229. doi : 10.1111 / j.1151-2916.1973.tb12471.x .
- ^ Dohy, D .; Gavarri, JR (1983). "Oxyde β-Ga 2 O 3 : Champ de force, dilatación térmica, et rigidité anisotropes". Revista de química del estado sólido . 49 (1): 107-117. Código Bibliográfico : 1983JSSCh..49..107D . doi : 10.1016 / 0022-4596 (83) 90222-0 .
- ^ a b c d Haynes, William M., ed. (2011). Manual CRC de Química y Física (92ª ed.). Boca Raton, FL: CRC Press . pag. 5.12. ISBN 1439855110.
- ^ Greber, JF (2012) "Galio y compuestos de galio" en Enciclopedia de química industrial de Ullmann, Wiley-VCH, Weinheim, doi : 10.1002 / 14356007.a12_163 .
- ^ a b Cheng, Zhe; Tanen, Nicholas; Chang, Celesta; Shi, Jingjing; McCandless, Jonathan; Muller, David; Jena, Debdeep; Xing, Huili Grace; Graham, Samuel (26 de agosto de 2019). "Conductividad térmica significativamente reducida en superredes β- (Al0.1Ga0.9) 2O3 / Ga2O3" . Letras de Física Aplicada . 115 (9): 092105. arXiv : 1905.00139 . doi : 10.1063 / 1.5108757 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Cheng, Zhe; Yates, Luke; Shi, Jingjing; Tadjer, Marko J .; Hobart, Karl D .; Graham, Samuel (1 de marzo de 2019). "Conductancia térmica a través de interfaces heterogéneas de β-Ga2O3-diamante van der Waals" . Materiales APL . 7 (3): 031118. doi : 10.1063 / 1.5089559 .
- ^ Cheng, Zhe; Mu, Fengwen; Tú, Tiangui; Xu, Wenhui; Shi, Jingjing; Liao, Michael E .; Wang, Yekan; Huynh, Kenny; Suga, Tadatomo; Goorsky, Mark S .; Ou, Xin (7 de octubre de 2020). "Transporte térmico a través de películas delgadas β-Ga2O3 monocristalino de corte iónico e interfaces de β-Ga2O3-SiC adheridas" . Materiales e interfaces aplicados ACS . 12 (40): 44943–44951. doi : 10.1021 / acsami.0c11672 . ISSN 1944-8244 .
- ^ a b c Bailar, J; Emeléus, H; Nyholm, R; Trotman-Dickenson, AF (1973). Química Inorgánica Integral . Vol. 1, pág. 1091
- ^ a b Rafie Borujeny, E .; Sendetskyi, O .; Fleischauer, MD; Cadien, KC (2020). "Películas delgadas de óxido de galio heteroepitaxial de bajo presupuesto térmico habilitadas por deposición de capa atómica". Materiales e interfaces aplicados ACS . 12 (39). doi : 10.1021 / acsami.0c08477 . PMID 32865966 .
- ^ Playford, Helen Y .; Hannon, Alex C .; Barney, Emma R .; Walton, Richard I. (2013). "Estructuras de polimorfos no caracterizados de trióxido de galio de difracción total de neutrones". Química: una revista europea . 19 (8): 2803-13. doi : 10.1002 / chem.201203359 . PMID 23307528 .
- ^ Boschi, F .; Bosi, M .; Berzina, T .; Buffagni, E .; Ferrari, C .; Fornari, R. (2015). "Heteroepitaxia de capas de ε-Ga 2 O 3 por MOCVD y ALD". Diario de crecimiento cristalino . 44 : 25-30. doi : 10.1016 / j.jcrysgro.2016.03.013 .
- ↑ Reflujo, Darrell D .; Gammon, Steven D. (2010) Química general , 9ª ed., Thomson Brooks / Cole. ISBN 0538497521
- ^ Downs, Anthony John (ed.) (1993) La química del aluminio, galio, indio y talio . Springer. ISBN 075140103X
- ^ Zuckerman, JJ y Hagen, AP eds. (2009) Reacciones y métodos inorgánicos, la formación de enlaces a halógenos (Parte 2), Wiley-VCH Verlag GmbH, ISBN 9780470145395
- ^ Koch, HF; Girard, LA; Roundhill, DM (1999). "Determinación de galio en un sustituto de cerio y en gotas de un colector de cobre por ICP como estudios modelo para la eliminación de galio de plutonio". Espectroscopía atómica . 20 (1): 30.
- ^ Greenwood, NN; Emeleus, HJ y Sharpe, AG (1963) "La química del galio" en Avances en química inorgánica y radioquímica , vol. 5, Elsevier, Prensa académica
- ^ King, RB (1994) Enciclopedia de química inorgánica . Vol. 3. p. 1256. ISBN 978-0-470-86078-6 .
- ^ Greenwood, Norman N .; Earnshaw, Alan (1997). Química de los Elementos (2ª ed.). Butterworth-Heinemann . pag. 247. ISBN 978-0-08-037941-8.
- ^ Cora, yo (2017). "La estructura real de ε-Ga 2 O 3 y su relación con la fase κ" . CrystEngComm . 19 (11): 1509-1516. doi : 10.1039 / C7CE00123A .
- ^ Dai, ZR; Pan, ZW; Wang, ZL (2002). "Nanocintas y nanoláminas de óxido de galio". El Journal of Physical Chemistry B . 106 (5): 902. CiteSeerX 10.1.1.655.6068 . doi : 10.1021 / jp013228x .
- ^ a b Rebien, M; Henrion, W; Hong, M; Mannaerts, J; Fleischer, M (2002). "Propiedades ópticas de las películas delgadas de óxido de galio". Letras de Física Aplicada . 81 (2): 250. Código Bibliográfico : 2002ApPhL..81..250R . doi : 10.1063 / 1.1491613 .
- ^ Thomas, Stuart R .; Adamopoulos, George; Lin, Yen-Hung; Faber, Hendrik; Sygellou, Labrini; Stratakis, Emmanuel; Pliatsikas, Nikos; Patsalas, Panos A .; Anthopoulos, Thomas D. (2014). "Transistores de película fina de alta movilidad de electrones basados en Ga 2 O 3 cultivados por pirólisis por pulverización ultrasónica atmosférica a bajas temperaturas". Letras de Física Aplicada . 105 (9): 092105. Código Bibliográfico : 2014ApPhL.105i2105T . doi : 10.1063 / 1.4894643 .
- ^ Higashiwaki, M .; Jessen, GH (2018). "Los albores de la microelectrónica de óxido de galio" . Letras de Física Aplicada . 112 (6): 060401. doi : 10.1063 / 1.5017845 .
- ^ Pavesi, M. (2018). "Depiladoras de ε-Ga 2 O 3 como material para fotodetectores UV ciegos al sol". Materiales Química y Física . 205 : 502–507. doi : 10.1016 / j.matchemphys.2017.11.023 .
- ^ Shimizu, Ken-Ichi; Takamatsu, Mikio; Nishi, Koji; Yoshida, Hisao; Satsuma, Atsushi; Tanaka, Tsunehiro; Yoshida, Satohiro; Hattori, Tadashi (1999). "Catalizadores de trixido de galio con soporte de alúmina para reducción selectiva de NO: influencia de la estructura local de especies de trióxido de galio de superficie en la actividad catalítica". El Journal of Physical Chemistry B . 103 (9): 1542. doi : 10.1021 / jp983790w .