Was ist Galliumoxid?
Galliumoxid ist eine anorganische Verbindung in Form eines weißen Pulvers.
Die chemische Formel von Galliumoxid lautet Ga2O3, das Molekulargewicht 187,44 und die CAS-Registrierungsnummer 12024-21-4. Es gilt unter den empfohlenen Lagerungsbedingungen als chemisch stabiles Material.
Die empfohlenen Lagerungsbedingungen besagen, dass Glas ein sicheres Behälter- und Verpackungsmaterial ist und dass das Produkt in einem versiegelten Behälter an einem kühlen, gut belüfteten Ort und möglichst ohne direkte Sonneneinstrahlung gelagert werden sollte.
Anwendungen von Galliumoxid
Galliumoxid wird als Rohstoff für grüne Leuchtstoffe und als Substrat für LEDs (Light-Emitting Diodes) verwendet, die Leuchtstofflampen und Glühbirnen in herkömmlichen Beleuchtungsanlagen ersetzen.
Außerdem wird erwartet, dass Leistungshalbleiterbauelemente (z. B. Schaltgeräte für die Stromumwandlung), die Galliumoxid verwenden, kleiner sind und aufgrund des geringeren Leitungswiderstands weniger Verluste aufweisen als die bisher verwendeten Halbleiterchips aus Siliziumkarbid.
Eigenschaften von Galliumoxid
Galliumoxid ist in vielen Säuren, wie z. B. Salzsäure, löslich, in Wasser jedoch praktisch unlöslich.
Gallium(III)-oxid nimmt fünf verschiedene Formen an: α, β, γ, δ und ε. Davon hat β-Galliumoxid (III) einen Schmelzpunkt von 1740 °C. β-Galliumoxid (III) ist die stabilste Form.
Struktur des Galliumoxids
Die stabilste Form von Galliumoxid (III), β-Galliumoxid (III), weist eine verzerrte kubisch dicht gepackte Struktur und eine verzerrte tetraedrische oder oktaedrische Struktur auf. Die Ga-O-Bindungsabstände betragen 1,83 Å bzw. 2,00 Å. Die Stabilität von β-Galliumoxid (III) wird auf diese strukturellen Verzerrungen zurückgeführt.
Weitere Informationen zu Galliumoxid
1. Synthese von Galliumoxid
Gallium(III)-oxid wird als Niederschlag durch Neutralisation saurer oder basischer Galliumsalzlösungen gewonnen. Es wird auch durch Erhitzen von Galliummetall in Luft oder durch Pyrolyse von Gallium(III)-nitrat bei 200-250 °C hergestellt.
β-Ga2O3 kann durch Erhitzen von Gallium(III)-acetat, Gallium(III)-nitrat, Gallium(III)-oxalat und anderen organischen Derivaten von Gallium(III) bei 1000 °C gewonnen werden.
2. Andere Kristallstrukturen des Galliumoxids
α-Ga2O3 erhält man durch Erhitzen von β-Ga2O3 bei 65 kbar und 1100 °C für 1 Stunde. Hydrate von α-Ga2O3 werden durch Zersetzung von Galliumhydroxid bei 500 °C gebildet.
γ-Ga2O3 kann durch schnelles Erhitzen von Galliumhydroxidgel bei 400-500 °C gewonnen werden. δ-Ga2O3 wird durch Erhitzen von Gallium(III)-nitrat bei 250 °C gewonnen.
ε-Ga2O3 wird durch 30-minütiges Erhitzen von δ-Ga2O3 auf 550 °C gewonnen.
3. Katalyse von Galliumoxid
β-Gallium(III)-oxid ist auch für die Herstellung von Katalysatoren sehr wichtig. Es wird zum Beispiel für die Synthese von Ga2O3-Al2O3-Katalysatoren benötigt.
Ga2O3-Al2O3-Katalysatoren werden synthetisiert, indem man eine wässrige Lösung von Gallium(III)-nitrat mit Aluminiumoxid umsetzt, bei 393 K bis zur Trockne eindampft und dann die Verbindung bei 823 K für 4 Stunden an der Luft pyrolysiert.
4. Nanostruktur des Galliumoxids
Nanobänder und Nanoblätter aus Gallium(III)-oxid können durch Reaktion von Ga0 mit Wasser bei hohen Temperaturen oder durch Verdampfen von Galliumnitrid in einer heißen Sauerstoffatmosphäre synthetisiert werden. Die Struktur der Gallium(III)-Oxid-Nanobänder und -Nanoblätter ist rein einkristallin und weist keine strukturellen Abweichungen auf.
Die durch thermische Verdampfungsreaktionen erhaltenen Reaktanten wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Röntgendiffraktometer (XRD) und energiedispersiver Röntgenanalyse (EDS) analysiert. Die Ergebnisse der Analyse zeigen auch, dass die Reaktanten eine graue, baumwollartige Struktur haben.
Die REM-Aufnahmen zeigen, dass die Reaktanten eine draht- oder blattartige Struktur aufweisen, während die TEM-Aufnahmen zeigen, dass Gallium(III)-oxid eine bandartige Struktur aufweist.