Оксид гафнію

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:

$\mathrm{H}\mathrm{f}+\mathrm{O}{\phantom{A}}_2\stackrel{700{\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{o}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}o}\mathrm{C}}{\to }\mathrm{H}\mathrm{f}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2$.

Дією перегрітої пари на металічний гафній:

$\mathrm{H}\mathrm{f}+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\stackrel{300{\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{o}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}o}\mathrm{C}}{\to }\mathrm{H}\mathrm{f}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2$.

Розкладанням при нагріванні Шаблон:Li:

$\mathrm{H}\mathrm{f}\mathrm{O}(\mathrm{O}\mathrm{H}){\phantom{A}}_2\stackrel{600-1000{\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{o}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}o}\mathrm{C}}{\to }\mathrm{H}\mathrm{f}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$.

Окисненням киснем Шаблон:Li:

$\mathrm{H}\mathrm{f}\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_4+\mathrm{O}{\phantom{A}}_2\stackrel{500{\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{o}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}o}\mathrm{C}}{\to }\mathrm{H}\mathrm{f}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+2\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_2$.

Розкладанням при нагріванні Шаблон:Li:

$2\mathrm{H}\mathrm{f}\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_2\stackrel{300{\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{o}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}o}\mathrm{C}}{\to }\mathrm{H}\mathrm{f}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+\mathrm{H}\mathrm{f}\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_4$.

Розкладанням перегрітою па́рою Шаблон:Li:

$\mathrm{H}\mathrm{f}\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_2+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\stackrel{300{\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{o}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}o}\mathrm{C}}{\to }\mathrm{H}\mathrm{f}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+2\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}$.

Піролізом оксалату, Шаблон:Li та інших солей гафнію:

$\mathrm{H}\mathrm{f}(\mathrm{C}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_4){\phantom{A}}_2\stackrel{\mathrm{T}}{\to }\mathrm{H}\mathrm{f}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+2\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+2\mathrm{C}\mathrm{O},$

$\mathrm{H}\mathrm{f}(\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4){\phantom{A}}_2\stackrel{\mathrm{T}}{\to }\mathrm{H}\mathrm{f}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$.

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 Шаблон:Li і як діелектрик з високою діелектричною проникністю в конденсаторах DRAM і в передових пристроях метал-оксид-напівпровідник. Оксиди на основі гафнію були представлені Intel у 2007 році як заміна оксиду кремнію в ізоляторі затвора в польових транзисторах. Перевагою для транзисторів є його висока діелектрична проникність: діелектрична проникність HfO₂ в 4-6 разів вища, ніж у SiO₂. 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 і CMOS-сумісних сегнетоелектричних польових транзисторів (пам’ять Шаблон:Li) і мікросхем пам’яті.

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.

Багатошарові плівки з діоксиду гафнію, кремнезему та інших матеріалів були розроблені для використання в Шаблон:Li 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.