Ортофосфат галлия

Галлий ортофосфат (галлий фосфат) представляет собой химическое соединение из галлия из группы фосфатов .

Вхождение

Поскольку ортофосфат галлия, в отличие от кварца, не встречается в природе, кристалл можно получить только синтетическим путем. Ортофосфат галлия в настоящее время коммерчески производится только австрийской компанией Piezocryst. Как и в случае с синтетическим кварцем, выращивание гидротермальное.

Извлечение и представление

Ортофосфат галлия (как и другие фосфаты галлия) может быть получен путем взаимодействия гидроксида галлия с фосфороксикислотами. Ангидрат может быть получен нагреванием дигидрата или взаимодействием галлия с фосфорной кислотой . Рост кристаллов аналогичен росту берлинита гидротермально при температурах ниже 250 ° C.

${\ displaystyle \ mathrm {Ga (OH) _ {3} + H_ {3} PO_ {4} \ longrightarrow GaPO_ {4} +3 \ H_ {2} O}}$

характеристики

Ортофосфат галлия представляет собой бесцветную соль галлия, которая кристаллизуется в тригональной кристаллической системе и имеет твердость 5,5 по шкале Мооса .

Кристаллическая структура ортофосфата галлия изотипна α- кварцу в том, что кремний поочередно заменяется галлием и фосфором.

Таким образом, это соединение имеет почти те же свойства, что и кварц, но, как также интенсивно исследуемый ортофосфат алюминия, имеет вдвое больший пьезоэффект . Это удвоение приводит к преимуществам по сравнению с кварцем для многих технических приложений, таких как более высокая константа связи в резонаторах .

Как и кварц, ортофосфат галлия состоит из тетраэдров GaO ₄ и PO ₄ , которые слегка наклонены друг относительно друга. Спиральное расположение вдоль оси c приводит к оптически вращающимся вправо и влево кристаллам ( энантиоморфизм ).

В отличие от кварца, ортофосфат галлия не имеет фазового перехода α-β до 933 ° C (другой источник 976 ° C) , так что низкотемпературная фаза ортофосфата галлия (структура, подобная α-кварцу) стабильна. до этой температуры, а значит, и физических свойств кристалла. Однако выше этого происходит фазовое превращение в структуру, подобную кристобалиту . Для соединения можно было обнаружить УФ- люминесценцию . Его растворимость в фосфорной кислоте уменьшается с повышением температуры.

Дигидрат имеет моноклинную кристаллическую структуру с пространственной группой P 2 ₁ / n (пространственная группа № 14, положение 2) (a = 9,77, b = 9,64, c = 9,68 Å , β = 102,7 °).Шаблон: группа комнат / 14.2

использовать

Для измерения давления в двигателях внутреннего сгорания ортофосфат галлия был разработан как пьезоматериал специально для высокотемпературных применений, который, в частности, характеризуется высокой пьезоэлектрической чувствительностью, которая в значительной степени не зависит от температуры. Что примечательно в ортофосфате галлия, так это его термостойкость до более чем 900 ° C, чувствительность, которая примерно в два раза выше, чем у кварца, которая остается почти неизменной до более чем 500 ° C, высокое электрическое сопротивление изоляции до высокого температуры, устойчивость к двойникованию, индуцированному напряжением, и отсутствие пироэлектрического эффекта.

Датчики давления на основе кварца необходимо охлаждать водой для приложений с более высокими температурами (от 300 ° C). Желание заменить эти сравнительно большие датчики миниатюрными неохлаждаемыми датчиками впервые было удовлетворено в 1994 году, когда появилась возможность заменить кварц в пьезоэлектрических датчиках давления ортофосфатом галлия.

Помимо почти не зависящего от температуры пьезоэффекта, ортофосфат галлия также имеет отличные показатели электроизоляции при высоких температурах. Существуют также кристаллы с термокомпенсацией, выдерживающие температуру до 500 ° C, и характеристики резонатора, сопоставимые с кварцевыми. Благодаря этим свойствам материала GaPO ₄ используется, в частности, в пьезоэлектрических высокотемпературных датчиках давления и в высокотемпературных микровесах .

литература

• Г. Гаучи: Пьезоэлектрическая сенсорика. Springer Verlag, ISBN 978-3-662-04732-3 .

Индивидуальные доказательства

1. ↑ Физические характеристики монокристаллов # x003B1; -GaPO4, выращенных методом флюса . 1 мая 2007 г., стр. 1077-1081 , DOI : 10,1109 / FREQ.2007.4319245 . 
2. ↑ Ион Тигиняну, Павел Топала, Вячеслав Урсаки: Наноструктуры и тонкие пленки для многофункциональных приложений, технологии, свойства и устройства . Springer, 2016, ISBN 978-3-319-30198-3 , стр. 195 ( ограниченный предварительный просмотр в поиске Google Книг). 
3. ↑ ^{на б} Гоган Сюй, Цзин Ли, Цзиян Ван, Хунъян Чжао, Хун Лю: Рост потока и характеристики монокристаллов Ga ₃ PO ₇ . В: Выращивание кристаллов и дизайн. 8, 2008 г., стр. 3577, DOI: 10.1021 / cg7012649 .
4. ↑ П. Арманд, М. Берен, Б. Раффл, Б. Менарт, Д. Балицкий, С. Клемент, П. Папе: Характеристики пьезоэлектрических монокристаллов GaPO4, выращенных методом флюса. В: Журнал роста кристаллов. 310, 2008 г., стр. 1455, DOI: 10.1016 / j.jcrysgro.2007.11.049 .
5. ↑ Это вещество либо еще не было классифицировано с точки зрения его опасности, либо надежный и цитируемый источник еще не найден.
6. ↑ europa.eu: Европейская комиссия: CORDIS: Projects and Results Service: New Piezoelectric Crystals for Sensory Applications , по состоянию на 12 марта 2017 г.
7. ↑ ^{а б в г д} К. Бираппа, Масахиро Йошимура: Справочник по гидротермальной технологии . Cambridge University Press, 2008, ISBN 978-0-08-094681-8 , стр. 248 ( ограниченный просмотр в поиске Google Книг). 
8. ↑ Жаклин И. Крошвиц: Энциклопедия химической технологии Кирк-Отмера, Топливные ресурсы для нагрева ... Wiley, 1994, ISBN 0-471-52681-9 , S. 311 ( ограниченный просмотр в поиске Google Книг). 
9. ↑ ^{a b c} Гюнтер П. Меркер, Рюдигер Тайхманн: Основы двигателей внутреннего сгорания, функциональность, моделирование, измерительная техника . Springer-Verlag, 2014, ISBN 978-3-658-03195-4 , стр. 558 ( ограниченный предварительный просмотр в поиске Google Книг). 
10. ↑ archives-ouvertes.fr: Исследование происхождения 1 / f в резонаторах объемных акустических волн , по состоянию на 12 марта 2017 г.
11. ↑ ELENA C. SHAFER, RUSTUM ROY: Исследования структурных фаз кремнезема: I, GaPO ₄ , GaAsO ₄ и GaSbO ₄ . В: Журнал Американского керамического общества. 39, 1956, стр. 330, DOI: 10.1111 / j.1151-2916.1956.tb15598.x .
12. ↑ Анатолий Трухин, Кришьянис Шмитс, Янис Л. Янсонс, Линн А. Ботнер: Ультрафиолетовая люминесценция кристаллов ScPO4, AlPO4 и GaPO4. В: Журнал физики: конденсированное вещество. 25, 2013 г., стр. 385502, DOI : 10.1088 / 0953-8984 / 25/38/385502 .
13. ↑ Говиндхан Дханарадж, Куллайя Бираппа, Вишванат Прасад, Майкл Дадли: Справочник Спрингера по выращиванию кристаллов . Springer Science & Business Media, 2010, ISBN 978-3-540-74761-1 , стр. 614 ( ограниченный просмотр в поиске Google Книг). 
14. ↑ RCL Mooney-Slater: Кристаллическая структура гидратированного фосфата галлия состава GaPO ₄ .2H ₂ O. In: Acta Crystallographica. 20, 1966, стр. 526, DOI: 10.1107 / S0365110X6600118X .
15. ↑ П. Кремпл, Г. Шлейнцер, В. Валлнёфер: Фосфат галлия, GaPO ₄ : новый пьезоэлектрический кристаллический материал для высокотемпературной сенсорики. В: Датчики и приводы A: Физика. 61, 1997, стр. 361, DOI: 10.1016 / S0924-4247 (97) 80289-0 .
16. ↑ Джейсон Милличэмп, Эбрахим Али, Найджел П. Брэндон, Ричард Дж. К. Браун, Дэвид Ходжсон, Христос Каливас, Джордж Манос, Дэниел Дж. Л. Бретт: Применение кристаллических микровесов GaPO ₄ для обнаружения образования кокса в высокотемпературных реакторах и твердых оксидах Топливные элементы. В: Промышленные и инженерные химические исследования. 50, 2011 г., стр. 8371, DOI: 10.1021 / ie200188z .