Этоксид тантала(V)

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Этоксид тантала​(V)​
Изображение химической структуры
Общие
Хим. формула C10H25O5Ta
Классификация
Рег. номер CAS 6074-84-6
PubChem 2733710 и 50908975
Рег. номер EINECS 228-010-2
SMILES
 
InChI
 
ChemSpider 21169490
Безопасность
Пиктограммы СГС Пиктограмма «Пламя» системы СГСПиктограмма «Восклицательный знак» системы СГС
NFPA 704
NFPA 704 four-colored diamondОгнеопасность 1: Следует нагреть перед воспламенением (например, соевое масло). Температура вспышки выше 93 °C (200 °F)Опасность для здоровья 2: Интенсивное или продолжительное, но не хроническое воздействие может привести к временной потере трудоспособности или возможным остаточным повреждениям (например, диэтиловый эфир)Реакционноспособность 2: Подвергается серьёзным химическим изменениям при повышенной температуре и давлении, бурно реагирует с водой или может образовывать взрывчатые смеси с водой (например, фосфор, калий, натрий)Специальный код W: Реагирует с водой необычным или опасным образом (например, цезий, натрий, рубидий)
1
2
2
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.

Этоксид тантала(V) представляет собой металлоорганическое соединение с формулой Ta2(OC2H5)10, часто сокращенно обозначаемое как Ta2(OEt)10. Это бесцветное твердое вещество, которое растворяется в некоторых органических растворителях, но легко гидролизуется. Используется для приготовления пленок оксида тантала(V).

Структура

[править | править код]

Алкоксиды тантала агрегируют в растворе в виде димеров[1] с октаэдрическими шести-координатными центрами тантала[2]. Последующий кристаллографический анализ установил, что метоксид и изопропоксиды ниобия принимают биоктаэдрические структуры[3][4]. С геометрической точки зрения, десять атомов кислорода этоксидного лиганда молекулы Ta2(OEt)10 в растворе образуют пару октаэдров, имеющих общий край с двумя атомами тантала, расположенными в их центрах. С точки зрения связывания каждый центр тантала окружен октаэдрически четырьмя монодентатными и двумя мостиковыми этоксидными лигандами . Каждый из атомов кислорода мостиковых этоксидов связан с обоими центрами тантала, и эти два лиганда находятся в цис-положении друг с другом в координационной сфере . Формула [(EtO)4Ta(μ-OEt)]2 более полно представляет эту димерную структуру, хотя для большинства целей обычно используется упрощенная формула.

Иллюстрация анализа ЯМР Архивная копия от 11 января 2020 на Wayback Machine.

Изготовление

[править | править код]

Известно несколько подходов к получению этоксида тантала(V). Метатезис соли из хлорида тантала(V), как правило, наиболее успешен. Пентахлорид тантала, Ta2Cl10, обеспечивает удобную отправную точку для получения этоксида тантала(V). Прямая реакция с этанолом возможна и сопровождается образованием хлористого водорода, сильной кислоты в растворе, согласно уравнению (EtC2H5 относится к этильной группе):

10EtOH + Ta2Cl10 → Ta2(OEt)10 + 10HCl

К сожалению, кислотные условия способствуют образованию смешанных хлоридно-этоксидных соединений TaClx(OC2H5 )5 − x, 0 < x < 5, снижая выход и усложняя очистку продукта этоксида тантала(V). По этой причине обычно добавляют аммиак для улавливания выделенной HCl и поддержания основных условий реакции.

10EtOH + Ta2Cl10 + 10NH3 → Ta2(OEt)10 + 10NH4Cl

Метатезис соли с использованием алкоксида щелочного металла так же часто используется:

10NaOEt + Ta2Cl10 → Ta2(OEt)10 + 10NaCl

Это же соединение может быть получено электрохимически[3]. Два полу-уравнения и общее уравнение для этой реакции:

катод: 2EtOH + 2e− → 2EtO− + H2
анод: Та → Та5+ + 5е−
всего: 2Ta + 10EtOH → 2Ta5+ + 10EtO− + 5H2 → Ta2(OEt)10 + 5H2

Коммерческое производство этоксида тантала(V) с использованием этого электрохимического подхода успешно применяется в России. Соединение также может быть получено путем прямой реакции металлического тантала с этанолом, и в этом случае общее уравнение такое же, как показано выше для электрохимического подхода.

Реакции

[править | править код]

Наиболее важной реакцией алкоксидов тантала является гидролиз с образованием пленок и гелей оксидов тантала. Хотя эти реакции являются сложными, образование пленки оксида тантала(V) путем гидролиза можно описать этим упрощенным уравнением:

Ta2(OC2H5)10 + 5H2O → Ta2O5 + 10C2H5OH

Оптические покрытия этоксидом тантала(V) могут быть получены химическим осаждением из паровой фазы под низким давлением. При давлении всего 1,33 мПа и температуры 700 °C, пленка кремнезема желаемой глубины сначала осаждается в результате разложения тетраэтоксисилана, Si(OEt)4 или ди-трет-бутиоксидиацетоксисилана, Si(OC(CH3 )3)2(OOCCH3)2, затем тантала(V) этоксид вводится. Как и в случае этоксида ниобия(V), предшественник этоксида термически разлагается с образованием оксидного слоя с соответствующим выделением диэтилового эфира :

Ta2(OEt)10 → Ta2O5 + 5Et–O–Et

Пиролиз также приводит к образованию пленки оксида тантала(V) путем химического осаждения из паровой фазы, и в этом случае этоксид тантала(V) полностью окисляется, образуя диоксид углерода и водяной пар[5]:

Ta2(OC2H5)10 + 30O2 → Ta2O5 + 20CO2 + 25H2O

Пленки из аморфного оксида тантала(V) также могут быть получены методом осаждения на атомном слое или методом импульсного химического осаждения из паровой фазы, в котором этоксид тантала(V) и хлорид тантала(V) наносятся поочередно. При температуре около 450 °С полученные пленки имеют показатели преломления и свойства диэлектрической проницаемости, аналогичные тем, которые получают с помощью традиционных подходов. Подготовка этих пленок происходит с потерей хлорэтана [6]:

Ta2(OC2H5)10 + Ta2Cl 10 → 2Ta2O5 + 10C2H5Cl

Золь-гель обработка также приводит к получению тонких пленок оксида тантала(V) с использованием аналогичного химического подхода. Золь-гель маршруты с использованием этоксида тантала(V) для получения слоистых материалов перовскита также были разработаны[7].

Приложения

[править | править код]

Соединение в основном используется для изготовления тонкопленочных материалов на основе оксида тантала(V), используя такие подходы, как химическое осаждение из паровой фазы,[8] нанесение атомного слоя,[6] и золь-гель обработка[9]. Эти материалы имеют полупроводниковое, электрохромное,[10] и оптическое применение.

Пленки оксида тантала(V) имеют множество применений, в том числе в качестве оптических пленок с показателями преломления до 2,039[11] и в качестве тонкопленочного диэлектрического материала в динамической памяти с произвольным доступом и полупроводниковых полевых транзисторах[6]. Подход, выбранный для подготовки этих материалов, определяется желаемыми свойствами. Прямой гидролиз целесообразен, когда допустимо присутствие остаточной воды или использование высоких температур для сушки. Микро-паттерны могут быть получены путем сайт-селективного осаждения с использованием подхода гидролиза путем образования самосборного монослоя с последующим отжигом при высокой температуре[12]. Химическое осаждение из паровой фазы позволяет контролировать толщину пленки в нанометровом масштабе, что важно для некоторых применений. Прямой пиролиз удобен для оптических применений, где важны прозрачные материалы с низкими потерями света из-за поглощения, и также используется для подготовки нитридной памяти только для чтения[5]. Электрохромизм — это свойство некоторых материалов изменять цвет при приложении заряда[13] и является средством, с помощью которого действует так называемое « умное стекло» . Пленки, полученные гидролизом этоксида тантала(V), использовали для получения пленок аморфного оксида тантала(V), подходящих для электрохромных применений[10].

Тонкие пленки из смешанных металлов также были получены из этого соединения. Например, пленки танталата лития, LiTaO3, желательны по своим нелинейно-оптическим свойствам и были получены путем первой реакции этоксида тантала(V) с дипивалоилметанатом лития, LiCH(COC(CH3)3)2, для получения предшественника подходит для парофазной эпитаксии металлов (форма химического осаждения из паровой фазы)[14]. Пленки танталата стронция, Sr (TaO3)2, также были получены с использованием методов осаждения атомных слоев и исследованы их свойства[15].

Исследовательское применение этоксида тантала(V) предназначено для синтеза новых соединений с интересными химическими или геометрическими свойствами. В реакции, связанной с гидролизом, обработка карбоновыми кислотами дает оксоалкоксидкарбоксилаты, например, Ta4O4(OEt)8(OOCCH3)4[16]. Ядро Ta4O4 таких соединений образует кластер кубанового типа. Каждый оксолиганд связывается между тремя центрами тантала, каждый из которых также связан с двумя алкоксидными и одним карбоксилатным лигандами.

Безопасность

[править | править код]

Имеются сведения о вредном воздействии этоксидa тантала(V) на ткани слизистых оболочек и верхних дыхательных путей, что может привести к временной/постоянной потере зрения, ожогам рта, горла и пищеварительного тракта.Внешний СДС Архивная копия от 29 января 2020 на Wayback Machine.

Примечания

[править | править код]
  1. ↑ Bradley, D. C. Nuclear Magnetic Resonance Studies on Niobium and Tantalum Penta-alkoxides (англ.) // Journal of the Chemical Society[англ.] : journal. — Chemical Society, 1968. — P. 219—223. — doi:10.1039/J19680000219.
  2. ↑ Bradley, D. C. Metal Oxide Alkoxide Polymers: Part II. The Hydrolysis Of Tantalum Pentaethoxide (англ.) // Can. J. Chem.[англ.] : journal. — 1961. — Vol. 39, no. 9. — P. 1818—1826. — doi:10.1139/v61-239.
  3. ↑ 1 2 Turova, N. Y. Tantalum(V) Alkoxides: Electrochemical Synthesis, Mass-Spectral Investigation and Oxoalkoxocomplexes (англ.) // Polyhedron[англ.] : journal. — 1996. — Vol. 15, no. 21. — P. 3869—3880. — doi:10.1016/0277-5387(96)00092-7.
  4. ↑ Mehrotra, Ram C.; Singh, Anirudh. Recent Trends in Metal Alkoxide Chemistry // Progress in Inorganic Chemistry (неопр.). — John Wiley & Sons, 1997. — Т. 46. — С. 239—454. — ISBN 9780470167045. — doi:10.1002/9780470166475.ch4.
  5. ↑ 1 2 Chang, K. K. & Chen, C.-H., "Method For Fabricating A Nitride Read-Only-Memory (NROM)", US patent, issued 2002-10-08
  6. ↑ 1 2 3 Kukli, K. Atomic Layer Deposition and Chemical Vapor Deposition of Tantalum Oxide by Successive and Simultaneous Pulsing of Tantalum Ethoxide and Tantalum Chloride (англ.) // Chem. Mater.[англ.] : journal. — 2000. — Vol. 12, no. 7. — P. 1914—1920. — doi:10.1021/cm001017j.
  7. ↑ Nalwa, H. S. Handbook of Advanced Electronic and Photonic Materials and Devices: Chalcogenide Glasses and Sol-Gel Materials (англ.). — Academic Press, 2001. — P. 208. — ISBN 9780125137553.
  8. ↑ Baumeister, P. W. Optical Coating Technology (неопр.). — SPIE, 2004. — ISBN 9780819453136.
  9. ↑ Chemical Surface Modifications // Metallic Biomaterial Interfaces (неопр.). — John Wiley & Sons, 2008. — С. 51. — ISBN 9783527318605.
  10. ↑ 1 2 Tepehan, F. Z. Optical Properties Of Sol-Gel Dip-Coated Ta2O5 Films For Electrochromic Applications (англ.) // Sol. Eng. Mat. Sol. Cells[англ.] : journal. — 1999. — Vol. 59, no. 3. — P. 265—275. — doi:10.1016/S0927-0248(99)00041-0.
  11. ↑ Oubaha, M. Optical Properties of High Refractive Index Thin Films Processed at Low-Temperature (англ.) // Opt. Mater.[англ.] : journal. — 2012. — Vol. 34, no. 8. — P. 1366—1370. — doi:10.1016/j.optmat.2012.02.023. Архивировано 19 июля 2018 года.
  12. ↑ Masuda, Y. Site-Selective Deposition And Micropatterning Of Tantalum Oxide Thin Films Using A Monolayer (англ.) // J. Eur. Ceram. Soc.[англ.] : journal. — 2004. — Vol. 24, no. 2. — P. 301—307. — doi:10.1016/S0955-2219(03)00230-9.
  13. ↑ Mortimer, R. J. Electrochromic Materials (англ.) // Annu. Rev. Mater. Res.. — 2011. — Vol. 41. — P. 241—268. — doi:10.1146/annurev-matsci-062910-100344.
  14. ↑ Wernberg, A. A. Solid-Phase Epitaxial-Growth Of Lithium Tantalate Thin-Films Deposited By Spray-Metalorganic Chemical-Vapor-Deposition (англ.) // Appl. Phys. Lett. : journal. — 1993. — Vol. 63, no. 3. — P. 331—333. — doi:10.1063/1.110061.
  15. ↑ Lee, W. J. SrTa2O6 Thin Films Deposited By Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition (англ.) // Jpn. J. Appl. Phys.[англ.] : journal. — 2001. — Vol. 40, no. 12. — P. 6941—6944. — doi:10.1143/JJAP.40.6941.
  16. ↑ Schubert, U. Sol–Gel Processing of Metal Compounds // Comprehensive Coordination Chemistry II (неопр.). — Pergamon, 2003. — Т. 7. — С. 629—656. — (Reference Module in Chemistry, Molecular Sciences and Chemical Engineering). — ISBN 978-0-12-409547-2. — doi:10.1016/B0-08-043748-6/06213-7.

Ссылки

[править | править код]
Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Этоксид_тантала(V)&oldid=137196034