Hafnium(IV)-oxid

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Kristallstruktur
Kristallstruktur von Hafnium(IV)-oxid
__ Hf4+     __ O2−
Raumgruppe

P21/cVorlage:Raumgruppe/Unbekannter Anzeige-Typ

Allgemeines
Name Hafnium(IV)-oxid
Andere Namen

Hafniumdioxid

Verhältnisformel HfO2
CAS-Nummer 12055-23-1
PubChem 292779
Kurzbeschreibung

farbloser Feststoff[1]

Eigenschaften
Molare Masse 210,49 g·mol−1
Aggregatzustand

fest

Dichte

9,68 g·cm−3 [1]

Schmelzpunkt

2812 °C[1]

Siedepunkt

5400 °C[1]

Dampfdruck

gering[1]

Löslichkeit

nahezu unlöslich in Wasser[1]

Brechungsindex

2,00 bei 500 nm[2]

Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung [1]
keine GHS-Piktogramme
H- und P-Sätze H: keine H-Sätze
P: keine P-Sätze [1]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen. Brechungsindex: Na-D-Linie, 20 °C
Vorlage:Infobox Chemikalie/Summenformelsuche vorhanden

Hafniumdioxid ist eine chemische Verbindung aus den Elementen Hafnium und Sauerstoff. Es gehört zur Stoffklasse der Oxide.

Gewinnung und Darstellung[Bearbeiten]

Hafniumdioxid wird durch Glühen des Hydroxids, Oxalats, Oxidchlorids oder Sulfats bei 600–1000 °C dargestellt. Die Hydrolyse von Hf(OR)4 (R = i-Amyl) liefert hochreines Hafniumdioxid.[3]

Eigenschaften[Bearbeiten]

Hafnium(IV)-oxid

Hafniumdioxid ist in reinem Zustand ein weißes, mikrokristallines Pulver mit monokliner Kristallstruktur[4], das einen sehr hohen Schmelz- und Siedepunkt sowie eine Dichte von 9,68 g·cm−3 hat. Der Brechungsindex beträgt 1,95 bis 2,00, die Dielektrizitätskonstante der amorphen Form liegt im Bereich von 20 bis 25[5][6]. Das Oxid ist praktisch unlöslich in Wasser und organischen Lösungsmitteln.

Es besitzt eine hohe Härte, eine geringe Wärmeausdehnung und ist chemisch Zirkoniumdioxid (ZrO2) sehr ähnlich.[3] Die Verbindung hat eine monokline Kristallstruktur mit der Raumgruppe P21/cVorlage:Raumgruppe/Unbekannter Anzeige-Typ. Bei 1720 °C geht sie in eine Modifikation mit tetragonalem Kristallsystem[3] mit der Raumgruppe P42/nmcVorlage:Raumgruppe/Unbekannter Anzeige-Typ und bei 2600 °C in eine kubische Form mit der Raumgruppe Fm3mVorlage:Raumgruppe/Unbekannter Anzeige-Typ über. Die tetragonal Form kann durch Dotierung (zum Beispiel mit Si, Ge, Sn, Ti, P, Al) stabilisiert werden. Die Formen unterscheiden sich auch in der Dielektrizitätskonstante. So besitzt die monokline Form eine Dielektrizitätskonstante von 16-18, die tetragonale Form von 30 und die kubische Form von 70.[7] Einige Quellen berichten auch von einer weiteren orthorhombischen Form.[8]

Verwendung[Bearbeiten]

Verwendet wird es in der Halbleiterproduktion als High-k-Dielektrikum oder als Vergütungs- oder Spiegelmaterial in der optischen Industrie.

Aufgrund seiner gegenüber Siliciumdioxid erhöhten Dielektrizitätskonstante sah man Hafniumdioxid als Werkstoff an, der z.B. bei der Produktion von Halbleiterbausteinen mit 45 nm-Struktur das bisher verwendete Siliciumdioxid ersetzen könnte.[9]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. a b c d e f g h i Datenblatt Hafnium(IV)-oxid bei AlfaAesar, abgerufen am 15. Dezember 2010 (JavaScript erforderlich).
  2. ltschem.com: Hafnium Oxide, abgerufen am 2. November 2014.
  3. a b c  Georg Brauer (Hrsg.): Handbuch der Präparativen Anorganischen Chemie. 3., umgearb. Auflage. Band II, Enke, Stuttgart 1978, ISBN 3-432-87813-3, S. 1371.
  4. Robert Ruh, H. J. Garrett, R. F. Domagala, N. M. Tallan: The System Zirconia-Hafnia. In: Journal of the American Ceramic Society. Band 51, 1968, S. 23–27.
  5. Pan Kwi Park, Sang-Won Kang: Enhancement of dielectric constant in HfO[sub 2] thin films by the addition of Al[sub 2]O[sub 3]. In: Applied Physics Letters. 89, 2006, S. 192905, doi:10.1063/1.2387126.
  6. M.N. Jones, Y.W. Kwon, D.P. Norton: Dielectric constant and current transport for HfO2 thin films on ITO. In: Applied Physics A. 81, 2005, S. 285–288, doi:10.1007/s00339-005-3208-2.
  7. Vorlage:Internetquelle/Wartung/Zugriffsdatum nicht im ISO-FormatVorlage:Internetquelle/Wartung/Datum nicht im ISO-FormatDaniel Cunningham: "A First-Principles Examination of Dopants in HfO2". In: Honors Scholar Theses. Paper 359. University of Connecticut, 5-2-2014, S. 25, abgerufen am 8. Februar 2015 (englisch).
  8. P. Rauwel and E. Rauwel: Probing the Electronic Structure of HfO2 polymorphs via Electron Energy Loss Spectroscopy, abgerufen am 8. Februar 2015.
  9. NZZ Online: (Noch) keine Grenzen für das Mooresche Gesetz, 23. Mai 2007.