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Óxido de hafnio (IV)

compuesto químico

El óxido de hafnio (IV) es el compuesto inorgánico de fórmula HfO
2. También conocido como dióxido de hafnio o hafnia, este sólido incoloro es uno de los compuestos más comunes y estables del hafnio. Es un aislante eléctrico con una banda prohibida de 5.3 ~ 5.7 eV .[2]​ El dióxido de hafnio es mediador en algunos procesos que dan como resultado hafnio metálico.

 
Óxido de hafnio
General
Fórmula molecular HfO2
Identificadores
Número CAS 12055-23-1[1]​
ChemSpider 258363
PubChem 292779
UNII 3C4Z4KG52T
InChI=InChI=1S/Hf.2O
Key: CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N
Propiedades físicas
Masa molar 211,936379 g/mol
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El óxido de hafnio (IV) es bastante inerte. Reacciona con ácidos fuertes como el ácido sulfúrico concentrado y con bases fuertes. Se disuelve lentamente en ácido fluorhídrico para dar aniones fluorohafnato. A temperaturas elevadas, reacciona con el cloro en presencia de grafito o tetracloruro de carbono para dar tetracloruro de hafnio .

Estructura editar

El hafnio adopta típicamente la misma estructura que la zirconia (ZrO2). A diferencia del TiO2, que presenta Ti de seis coordenadas en todas las fases, la zirconia y el hafnio constan de centros metálicos de siete coordenadas. Se han observado experimentalmente una variedad de otras fases cristalinas, que incluyen fluorita cúbica (Fm3m), tetragonal (P42/nmc), monoclínica (P21/c) y ortorrómbica (Pbca y Pnma).[3]​ También se sabe que el hafnio puede adoptar otras dos fases metaestables ortorrómbicas (grupo espacial Pca21 y Pmn21) en un amplio rango de presiones y temperaturas,[4]​ presumiblemente siendo las fuentes de la ferroelectricidad observada en películas delgadas de hafnio.[5]​

Las películas delgadas de óxidos de hafnio depositadas por la deposición de la capa atómica suelen ser cristalinas. Debido a que los dispositivos semiconductores se benefician de tener películas amorfas presentes, los investigadores han producido aleaciones de óxido de hafnio con aluminio o silicio (formando silicatos de hafnio), que tienen una temperatura de cristalización más alta que el óxido de hafnio.[6]​

Aplicaciones editar

El hafnio se utiliza en recubrimientos ópticos y como dieléctrico de alto κ en condensadores DRAM y en dispositivos semiconductores avanzados de óxido metálico.[7]​ Los óxidos a base de hafnio fueron introducidos por Intel en 2007 como un reemplazo del óxido de silicio como aislante de puerta (gate) en transistores de efecto de campo .[8]​ La ventaja de los transistores es su alta constante dieléctrica : la constante dieléctrica del HfO 2 es 4-6 veces mayor que la del SiO 2 .[9]​ La constante dieléctrica y otras propiedades dependen del método de deposición, composición y microestructura del material.

El óxido de hafnio (así como el óxido de hafnio dopado y deficiente en oxígeno) atrae un interés adicional como posible candidato para la construcción de memorias de conmutación resistiva,[10]​ así como transistores de efecto de campo ferroeléctrico compatibles con CMOS (memoria FeFET ) y chips de memoria.[11]​[12]​[13]​[14]​

Debido a su alto punto de fusión, el hafnio también se utiliza como material refractario en el aislamiento de dispositivos como termopares, donde puede operar a temperaturas de hasta 2500 °C.[15]​

Se han desarrollado películas de varias capas de dióxido de hafnio, sílice y otros materiales para su uso en la refrigeración pasiva de edificios. Las películas reflejan la luz solar e irradian calor en longitudes de onda que atraviesan la atmósfera de la Tierra y pueden tener temperaturas varios grados más frías que los materiales circundantes en las mismas condiciones.[16]​

Referencias editar

  1. ↑ Número CAS
  2. ↑ Bersch, Eric (2008). «Band offsets of ultrathin high-k oxide films with Si». Phys. Rev. B 78 (8): 085114. Bibcode:2008PhRvB..78h5114B. doi:10.1103/PhysRevB.78.085114. 
  3. ↑ Table III, V. Miikkulainen (2013). «Crystallinity of inorganic films grown by atomic layer deposition: Overview and general trends». Journal of Applied Physics 113 (2): 021301-021301-101. Bibcode:2013JAP...113b1301M. doi:10.1063/1.4757907. 
  4. ↑ T. D. Huan; V. Sharma; G. A. Rossetti, Jr.; R. Ramprasad (2014). «Pathways towards ferroelectricity in hafnia». Physical Review B 90 (6): 064111. Bibcode:2014PhRvB..90f4111H. arXiv:1407.1008. doi:10.1103/PhysRevB.90.064111. 
  5. ↑ T. S. Boscke (2011). «Ferroelectricity in hafnium oxide thin films». Applied Physics Letters 99 (10): 102903. Bibcode:2011ApPhL..99j2903B. doi:10.1063/1.3634052. 
  6. ↑ J.H. Choi (2011). «Development of hafnium based high-k materials—A review». Materials Science and Engineering: R 72 (6): 97-136. doi:10.1016/j.mser.2010.12.001. 
  7. ↑ 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. 
  8. ↑ Intel (11 de noviembre de 2007). «Intel's Fundamental Advance in Transistor Design Extends Moore's Law, Computing Performance». 
  9. ↑ Wilk G. D., Wallace R. M., Anthony J. M. (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. , Table 1
  10. ↑ K.-L. Lin (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. 
  11. ↑ Imec (7 de junio de 2017). «Imec demonstrates breakthrough in CMOS-compatible Ferroelectric Memory». 
  12. ↑ The Ferroelectric Memory Company (8 de junio de 2017). «World's first FeFET-based 3D NAND demonstration». 
  13. ↑ T. S. Böscke, J. Müller, D. Bräuhaus (7 Dec 2011). «Ferroelectricity in hafnium oxide: CMOS compatible ferroelectric field effect transistors». 2011 International Electron Devices Meeting (IEEE): 24.5.1-24.5.4. ISBN 978-1-4577-0505-2. doi:10.1109/IEDM.2011.6131606. 
  14. ↑ Nivole Ahner (August 2018). Mit HFO2 voll CMOS-kompatibel (en alemán). Elektronik Industrie. 
  15. ↑ Very High Temperature Exotic Thermocouple Probes product data, Omega Engineering, Inc., retrieved 2008-12-03
  16. ↑ «Aaswath Raman | Innovators Under 35 | MIT Technology Review». August 2015. Consultado el 2 de septiembre de 2015. 
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