Galliumorthophosphat

Galliumorthophosphat (Galliumphosphat) ist eine chemische Verbindung des Galliums aus der Gruppe der Phosphate.

Vorkommen

Da Galliumorthophosphat im Gegensatz zu Quarz in der Natur nicht vorkommt, kann der Kristall nur synthetisch hergestellt werden. Mit Stand 2017 wurde Galliumorthophosphat nur von der Firma Piezocryst in Österreich kommerziell hergestellt.<ref name="europa.eu">europa.eu: Europäische Kommission : CORDIS : Dienst für Projekte und Ergebnisse : Neue piezoelektrische Kristalle für sensorische Anwendungen, abgerufen am 12. März 2017.</ref> Wie bei synthetischem Quarz erfolgt die Zucht hydrothermal.<ref name="K. Byrappa, Masahiro Yoshimura" />

Gewinnung und Darstellung

Galliumorthophosphat kann (wie auch andere Galliumphosphate) durch Reaktion von Galliumhydroxid mit Phosphoroxysäuren gewonnen werden. Das Anhydrat kann durch Erhitzung des Dihydrates oder durch Reaktion von Gallium mit Phosphorsäure dargestellt werden.<ref name="Jacqueline I. Kroschwitz">Vorlage:Literatur</ref> Das Kristallwachstum erfolgt ähnlich wie die von Berlinit hydrothermal bei Temperaturen unter 250 °C.<ref name="K. Byrappa, Masahiro Yoshimura" />

<math>\mathrm{Ga(OH)_3 + H_3PO_4 \longrightarrow GaPO_4 + 3 \ H_2O}</math>

Eigenschaften

Galliumorthophosphat ist ein farbloses, im trigonalen Kristallsystem kristallisierendes Galliumsalz mit der Härte 5,5 nach der Mohs’schen Härteskala.<ref name="DOI10.1021/cg7012649">Guogang Xu, Jing Li, Jiyang Wang, Hongyang Zhao, Hong Liu: Flux Growth and Characterizations of Ga₃PO₇ Single Crystals. In: Crystal Growth & Design. 8, 2008, S. 3577, doi:10.1021/cg7012649.</ref>

Die Kristallstruktur von Galliumorthophosphat ist isotyp zu α-Quarz, indem Silicium abwechselnd durch Gallium und Phosphor ersetzt wird.<ref name="Günter P. Merker, Rüdiger Teichmann" />

Deshalb besitzt diese Verbindung nahezu dieselben Eigenschaften wie Quarz, besitzt jedoch wie das ebenfalls intensiv untersuchte Aluminiumorthophosphat einen doppelt so großen Piezoeffekt.<ref name="K. Byrappa, Masahiro Yoshimura">Vorlage:Literatur</ref> Durch diese Verdopplung ergeben sich für viele technische Anwendungen Vorteile gegenüber Quarz, wie zum Beispiel eine höhere Kopplungskonstante bei Resonatoren.<ref name="K. Byrappa, Masahiro Yoshimura" />

Analog zu Quarz ist Galliumorthophosphat aus GaO₄ und PO₄-Tetraedern aufgebaut, die gegeneinander etwas verkippt sind. Die spiralenförmige Anordnung entlang der c-Achse führt zu optisch rechts- und linksdrehenden Kristallen (Enantiomorphie).<ref name="archives-ouvertes.fr">archives-ouvertes.fr: Study on the origin of 1/f in bulk acoustic wave resonators, abgerufen am 12. März 2017.</ref>

Galliumorthophosphat hat im Gegensatz zu Quarz bis zu 933 °C<ref name="DOI10.1111/j.1151-2916.1956.tb15598.x">ELENA C. SHAFER, RUSTUM ROY: Studies of Silica-Structure Phases: I, GaPO₄, GaAsO₄, and GaSbO₄. In: Journal of the American Ceramic Society. 39, 1956, S. 330, doi:10.1111/j.1151-2916.1956.tb15598.x.</ref> (andere Quelle 976 °C<ref name="K. Byrappa, Masahiro Yoshimura">Vorlage:Literatur</ref>) keinen α-β-Phasenübergang, so dass die Tieftemperaturphase des Galliumorthophosphats (Struktur wie α-Quarz) bis zu dieser Temperatur stabil ist und damit auch die physikalischen Eigenschaften des Kristalls. Darüber findet jedoch eine Phasenumwandlung in eine cristobalit-ähnliche Struktur statt.<ref name="Günter P. Merker, Rüdiger Teichmann" /> Für die Verbindung konnte eine UV-Lumineszenz nachgewiesen werden.<ref name="DOI10.1088/0953-8984/25/38/385502">Anatoly N Trukhin, Krishjanis Shmits, Janis L Jansons, Lynn A Boatner: Ultraviolet luminescence of ScPO4 , AlPO4 and GaPO4 crystals . In: Journal of Physics: Condensed Matter. 25, 2013, S. 385502, doi:10.1088/0953-8984/25/38/385502.</ref> Seine Löslichkeit in Phosphorsäure sinkt mit steigender Temperatur.<ref name="Govindhan Dhanaraj, Kullaiah Byrappa, Vishwanath Prasad, Michael Dudley">Vorlage:Literatur</ref>

Das Dihydrat besitzt eine monokline Kristallstruktur mit der Vorlage:Raumgruppe (a = 9,77, b= 9,64, c = 9,68 Å, β = 102,7°).<ref name="DOI10.1107/S0365110X6600118X">R. C. L. Mooney-Slater: The crystal structure of hydrated gallium phosphate of composition GaPO₄.2H₂O. In: Acta Crystallographica. 20, 1966, S. 526, doi:10.1107/S0365110X6600118X.</ref>

Verwendung

Für die Druckmessung in Verbrennungsmotoren wurde speziell für Hochtemperaturanwendungen Galliumorthophosphat als Piezomaterial entwickelt, das sich insbesondere durch eine hohe und von der Temperatur weitgehend unabhängige piezoelektrische Empfindlichkeit auszeichnet. Bemerkenswert an Galliumorthophosphat sind seine Temperaturbeständigkeit bis über 900 °C, eine im Vergleich zu Quarz etwa doppelt so hohe Empfindlichkeit, die bis weit über 500 °C nahezu unverändert bleibt, ein hoher elektrischer Isolationswiderstand bis zu hohen Temperaturen, die Stabilität stabil gegenüber spannungsinduzierter Zwillingsbildung und das fehlen eines pyroelektrischen Effektes.<ref name="Günter P. Merker, Rüdiger Teichmann">Vorlage:Literatur</ref><ref name="DOI10.1016/S0924-4247(97)80289-0">P. Krempl, G. Schleinzer, W. Wallno¨fer: Gallium phosphate, GaPO₄: a new piezoelectric crystal material for high-temperature sensorics. In: Sensors and Actuators A: Physical. 61, 1997, S. 361, doi:10.1016/S0924-4247(97)80289-0.</ref>

Drucksensoren auf Quarzbasis müssen für Anwendungen bei höheren Temperaturen (ab 300 °C) mit Wasser gekühlt werden. Der Wunsch, diese vergleichbar großen Sensoren durch miniaturisierte, ungekühlte zu ersetzen, konnte 1994 erstmals erfüllt werden, als es gelang, Quarz in piezoelektrischen Drucksensoren durch Galliumorthophosphat zu ersetzen.

Galliumorthophosphat besitzt neben dem nahezu temperaturunabhängigen Piezoeffekt auch ausgezeichnete elektrische Isolationswerte bei hohen Temperaturen. Ebenso existieren temperaturkompensierte Kristallschnitte bis über 500 °C und mit Quarz vergleichbare Resonatorgüten. GaPO₄ wird aufgrund dieser Materialeigenschaften insbesondere für piezoelektrische Hochtemperatur-Drucksensoren sowie in Hochtemperatur-Mikrowaagen eingesetzt.<ref name="DOI10.1021/ie200188z">Jason Millichamp, Ebrahim Ali, Nigel P. Brandon, Richard J. C. Brown, David Hodgson, Christos Kalyvas, George Manos, Daniel J. L. Brett: Application of a GaPO₄ Crystal Microbalance for the Detection of Coke Formation in High-Temperature Reactors and Solid Oxide Fuel Cells . In: Industrial & Engineering Chemistry Research. 50, 2011, S. 8371, doi:10.1021/ie200188z.</ref>

Literatur

G. Gautschi: Piezoelectric Sensorics. Springer Verlag, ISBN 978-3-662-04732-3.

Einzelnachweise