Оксид гафнію

Оксид гафнію
Оксид гафнію
Хімічна формула	HfO₂
Канонічна формула SMILES	O=[Hf]=O
Маса	3,5E−25 кг

Оксид гафнію(IV) — бінарна неорганічна сполука металу гафнію та кисню з формулою HfO₂, безбарвні кристали або білий порошок, нерозчинний у воді, з розчинів солей виділяється у вигляді кристалогідрату.

Отримання

Спалювання металевого гафнію у кисні:

H f + O_{2} \overset{700_{}^{}_{}^{o} C}{\to} H f O_{2}

.

Дією перегрітої пари на металічний гафній:

H f + 2 H_{2} O \overset{300_{}^{}_{}^{o} C}{\to} H f O_{2} + 2 H_{2}

.

Розкладанням при нагріванні дигідроксид-оксиду гафнію:

H f O (O H)_{2} \overset{600 - 1000_{}^{}_{}^{o} C}{\to} H f O_{2} + H_{2} O

.

Окисненням киснем хлориду гафнію(IV):

H f C l_{4} + O_{2} \overset{500_{}^{}_{}^{o} C}{\to} H f O_{2} + 2 C l_{2}

.

Розкладанням при нагріванні оксид-дихлориду гафнію:

2 H f O C l_{2} \overset{300_{}^{}_{}^{o} C}{\to} H f O_{2} + H f C l_{4}

.

Розкладанням перегрітою па́рою оксид-дихлориду гафнію:

H f O C l_{2} + H_{2} O \overset{300_{}^{}_{}^{o} C}{\to} H f O_{2} + 2 H C l

.

Піролізом оксалату, сульфату та інших солей гафнію:

H f (C_{2} O_{4})_{2} \overset{T}{\to} H f O_{2} + 2 C O_{2} + 2 C O,

H f (S O_{4})_{2} \overset{T}{\to} H f O_{2} + 2 S O_{3}

.

Фізичні властивості

Оксид гафнію (IV) являє собою безбарвні кристали, в дрібнодисперсному стані — білий порошок, що кристалізується в декількох кристалічних модифікаціях:

Моноклінна сингонія, параметри комірки a = 0,511 нм, b = 0,514 нм, c = 0,528 нм, β = 99,73°, густина 9,68 г/см³, стійкий за температури нижче 1650 °С.
Тетрагональна сингонія, параметри комірки a = 0,514 нм, c = 0,525 нм, густина 10,01 г/см³, стійкий при температурі від 1650 °С до ≈2500 °С.
Кубічна сингонія, параметри комірки a = 0,511 нм, густина10,43 г/см³, стійкий за температури вище ~2500 °С.

Не розчиняється у воді, р ПР = 63,94.

Діоксид гафнію є малопридатним матеріалом для промислового виробництва через присутність в ньому кисню, незначні домішки якого негативно впливають на механічні якості металу – метал стає дуже крихким, погано піддається обробці.

Застосування

Гафній використовується в оптичних покриттях і як діелектрик з високою діелектричною проникністю в конденсаторах DRAM і в передових пристроях метал-оксид-напівпровідник.^[2] Оксиди на основі гафнію були представлені Intel у 2007 році як заміна оксиду кремнію в ізоляторі затвора в польових транзисторах.^[3] Перевагою для транзисторів є його висока діелектрична проникність: діелектрична проникність HfO₂ в 4-6 разів вища, ніж у SiO₂.^[4] Діелектрична проникність та інші властивості залежать від способу осадження, складу та мікроструктури матеріалу.

Оксид гафнію (а також легований і дефіцитний оксид гафнію) привертає додатковий інтерес як можливий кандидат для пам’яті з резистивним перемиканням^[5] і CMOS-сумісних сегнетоелектричних польових транзисторів (пам’ять FeFET) і мікросхем пам’яті.^[6]^[7]^[8]^[9]

Через свою дуже високу температуру плавлення гафній також використовується як вогнетривкий матеріал в ізоляції таких пристроїв, як термопари, де він може працювати при температурах до 2500 °C.^[10]

Багатошарові плівки з діоксиду гафнію, кремнезему та інших матеріалів були розроблені для використання в пасивному охолодженні будівель. Плівки відбивають сонячне світло та випромінюють тепло на довжинах хвиль, які проходять через земну атмосферу, і можуть мати температуру на кілька градусів нижче, ніж навколишні матеріали за тих самих умов.^[11]

Примітки

↑ ^а ^б ^в Hafnium(IV) oxide
↑ H. Zhu; C. Tang; L. R. C. Fonseca; R. Ramprasad (2012). Recent progress in ab initio simulations of hafnia-based gate stacks. Journal of Materials Science. 47 (21): 7399—7416. Bibcode:2012JMatS..47.7399Z. doi:10.1007/s10853-012-6568-y.
↑ Intel (11 листопада 2007). Intel's Fundamental Advance in Transistor Design Extends Moore's Law, Computing Performance.
↑ G. D. Wilk; R. M. Wallace; J. M. Anthony (2001). High-κ gate dielectrics: Current status and materials properties considerations. Journal of Applied Physics. 89 (10): 5243—5275. Bibcode:2001JAP....89.5243W. doi:10.1063/1.1361065.
↑ K.-L. Lin та ін. (2011). Electrode dependence of filament formation in HfO2 resistive-switching memory. Journal of Applied Physics. 109 (8): 084104–084104–7. Bibcode:2011JAP...109h4104L. doi:10.1063/1.3567915.
↑ Imec (7 червня 2017). Imec demonstrates breakthrough in CMOS-compatible Ferroelectric Memory.
↑ The Ferroelectric Memory Company (8 червня 2017). World's first FeFET-based 3D NAND demonstration. Архів оригіналу за 1 вересня 2017. Процитовано 20 жовтня 2024.
↑ T. S. Böscke; J. Müller; D. Bräuhaus (7 грудня 2011). Ferroelectricity in hafnium oxide: CMOS compatible ferroelectric field effect transistors. 2011 International Electron Devices Meeting. IEEE. с. 24.5.1–24.5.4. doi:10.1109/IEDM.2011.6131606. ISBN 978-1-4577-0505-2.
↑ Nivole Ahner (Серпень 2018). Mit HFO2 voll CMOS-kompatibel (нім.). Elektronik Industrie.
↑ Very High Temperature Exotic Thermocouple Probes product data [Архівовано 2012-02-19 у Wayback Machine.], Omega Engineering, Inc., retrieved 2008-12-03
↑ Aaswath Raman | Innovators Under 35 | MIT Technology Review. Серпень 2015. Процитовано 2 вересня 2015.

[<span_class="wikidata_cite_citetype_Q2881060_citetype_Q4117139_citetype_Q5227240"_data-entity-id="Q278487">Hafnium(IV)_oxide<span_class="wef_low_priority_links"></span></span><div_style="display:none">[[d:Track:Q278487]]</div>-1] а ^б ^в Hafnium(IV) oxide

[2] H. Zhu; C. Tang; L. R. C. Fonseca; R. Ramprasad (2012). Recent progress in ab initio simulations of hafnia-based gate stacks. Journal of Materials Science. 47 (21): 7399—7416. Bibcode:2012JMatS..47.7399Z. doi:10.1007/s10853-012-6568-y.

[3] Intel (11 листопада 2007). Intel's Fundamental Advance in Transistor Design Extends Moore's Law, Computing Performance.

[4] G. D. Wilk; R. M. Wallace; J. M. Anthony (2001). High-κ gate dielectrics: Current status and materials properties considerations. Journal of Applied Physics. 89 (10): 5243—5275. Bibcode:2001JAP....89.5243W. doi:10.1063/1.1361065.

[5] K.-L. Lin та ін. (2011). Electrode dependence of filament formation in HfO2 resistive-switching memory. Journal of Applied Physics. 109 (8): 084104–084104–7. Bibcode:2011JAP...109h4104L. doi:10.1063/1.3567915.

[6] Imec (7 червня 2017). Imec demonstrates breakthrough in CMOS-compatible Ferroelectric Memory.

[7] The Ferroelectric Memory Company (8 червня 2017). World's first FeFET-based 3D NAND demonstration. Архів оригіналу за 1 вересня 2017. Процитовано 20 жовтня 2024.

[HAF1-8] T. S. Böscke; J. Müller; D. Bräuhaus (7 грудня 2011). Ferroelectricity in hafnium oxide: CMOS compatible ferroelectric field effect transistors. 2011 International Electron Devices Meeting. IEEE. с. 24.5.1–24.5.4. doi:10.1109/IEDM.2011.6131606. ISBN 978-1-4577-0505-2.

[HFO1-9] Nivole Ahner (Серпень 2018). Mit HFO2 voll CMOS-kompatibel (нім.). Elektronik Industrie.

[10] Very High Temperature Exotic Thermocouple Probes product data [Архівовано 2012-02-19 у Wayback Machine.], Omega Engineering, Inc., retrieved 2008-12-03

[11] Aaswath Raman | Innovators Under 35 | MIT Technology Review. Серпень 2015. Процитовано 2 вересня 2015.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

Оксид гафнію


Хімічна формула	HfO₂^[1]
Канонічна формула SMILES	O=[Hf]=O^[1]
Маса	3,5E−25 кг^[1]