Oxyde de gallium(III)

Oxyde de gallium(III)
Image illustrative de l’article Oxyde de gallium(III)
__ Ga3+       __ O2-
Structure cristalline de l'oxyde de gallium(III) β
Identification
No CAS 12024-21-4
No ECHA 100.031.525
No CE 234-691-7
PubChem 5139834
Apparence poudre blanche inodore[1]
Propriétés chimiques
Formule Ga2O3
Masse molaire[2] 187,444 ± 0,003 g/mol
Ga 74,39 %, O 25,61 %,
Propriétés physiques
T° fusion β : 1 740 °C[3]
α : 1 900 °C[1]
Solubilité pratiquement insoluble dans l'eau[1]
Masse volumique β : 5,88 g/cm3[3]
α : 6,44 g/cm3[1] à 20 °C
Cristallographie
Système cristallin β : monoclinique
α : trigonal
Symbole de Pearson β : mS20
α : hR30
Classe cristalline ou groupe d’espace β : C2/m (no 12) [4]

α : R3c (no 167) [5]
Notation Schönflies β : C3
2h ; α : D6
3d.
Paramètres de maille polymorphe β : a = 1 223,2 pm,
b = 304,1 pm,
c = 580,1 pm,
β = 103,73°, Z = 4[6].
polymorphe α : a = 498,25 pm,
c = 1 343,3 pm, Z = 6[7].
Précautions
NFPA 704[3]

Symbole NFPA 704.

 
Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.
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L’oxyde de gallium(III) est un composé chimique de formule Ga2O3. Il s'agit d'un solide blanc ou incolore cristallisé selon plusieurs structures polymorphes. La plus stable est le β-Ga2O3, cristallisé dans le système monoclinique selon le groupe d'espace C2/m (no 12) avec pour paramètres a = 1 223,2 pm, b = 304,1 pm, c = 580,1 pm, β = 103,73° et Z = 4[6]. Il existe également une forme α-Ga2O3 trigonale (R3c, no 167) semblable au corindon (α-Al2O3) stable à plus haute pression avec pour paramètres a = 498,25 pm, c = 1 343,3 pm et Z = 6[7].

Synthèse et polymorphes[modifier | modifier le code]

L'oxyde de gallium(III) peut être obtenu en déshydratant l'hydroxyde de gallium(III) à 500 °C[8] :

2 Ga(OH)3 △⟶ Ga2O3 + 3 H2O↑.

Il est également possible de procéder par décomposition du nitrate de gallium Ga(NO3)3 à 200 °C. Ces deux voies donnent des polymorphes différents, qui finissent par redonner la forme β plus stable à température plus élevée.

Les cinq polymorphes connus de l'oxyde de gallium(III) sont les suivants :

  • α-Ga2O3 — Stable à haute pression, il peut être obtenu en chauffant le β-Ga2O3 sous 65 kbar à 1 100 °C. Il a une structure de type corindon(α-Al2O3). L'hydrate peut être préparé en décomposant l'hydroxyde de gallium précipité à 500 °C. Il est possible d'épitaxier des couches minces d'α-Ga2O3 sur des substrats de saphir orientés selon leur plan c (0001), leur plan m (10-10) ou leur plan a (11-20).
  • β-Ga2O3 — Stable dans les conditions normales de température et de pression, il peut être déposé par hétéroépitaxie sous forme de couches minces sur des substrats tels que le saphir, le GaN, le SiC et le Si, ainsi que par homoépitaxie. On a par exemple réalisé l'ALD sur des substrats de saphir à des températures comprises entre 190 et 550 °C[9]. Des films de β-Ga2O3 de haute qualité ont également été produits par MBE, HVPE (en) et MOCVD[10]. La technique HVPE est préférée pour les dispositifs à semiconducteurs de puissance verticaux en raison de son taux de croissance rapide[11]. Les couches épitaxiales de β-Ga2O3 déposées par MOCVD présentent une meilleure mobilité électronique et une moindre concentration résiduelle de porteurs que celles obtenues par d'autres techniques de croissance de couches minces[12],[13].
  • γ-Ga2O3 — De structure spinelle altérée[14] semblable à celle du γ-Al2O3[15], il est obtenu par chauffage rapide du gel d'hydroxyde à une température de 400 à 500 °C. Une forme plus cristalline de ce polymorphe peut être préparée directement à partir de gallium métallique par synthèse solvothermale (en)[16].
  • δ-Ga2O3 — De structure cubique centrée[17],[18], il est obtenu en chauffant le Ga(NO3)3 à 250 °C[19].
  • ε-Ga2O3 — De structure orthorhombique observée par cristallographie aux rayons X comme un empilement compact[20], il est obtenu en chauffant δ-Ga2O3 à 550 °C. Des couches minces d'ε-Ga2O3 peuvent être déposées par MOCVD à l'aide de triméthylgallium Ga(CH3)3 et d'eau H2O sur des substrats de saphir à des températures comprises entre 550 et 650 °C[21].

Réactions[modifier | modifier le code]

L'oxyde de gallium(III) est amphotère[22]. Il réagit avec les oxydes de métaux alcalins à haute température pour former, par exemple, NaGaO2, et avec les oxydes de Mg, Zn, Co, Ni, Cu pour former des spinelles, comme MgGa2O4[23]. Il se dissout dans une base forte pour former une solution de l'ion gallate Ga(OH)4−.

Avec l'acide chlorhydrique HCl, il forme du trichlorure de gallium GaCl3[24] :

Ga2O3 + 6 HCl ⟶ 2 GaCl3 + 3 H2O.

Il peut être réduit en oxyde de gallium(I) Ga2O par l'hydrogène H2[25] ou par réaction avec le gallium métallique[26] :

Ga2O3 + 2 H2 ⟶ Ga2O + 2 H2O ;
Ga2O3 + 4 Ga ⟶ 3 Ga2O.

Propriétés et applications[modifier | modifier le code]

Ga2O3 est un semi-conducteur ayant une largeur de bande interdite de 4,7 à 4,9 eV susceptible de présenter un intérêt en électronique de puissance[10], pour certaines applications optoélectroniques telles que les photodétecteurs[27], comme matériau phosphorescent[28] ou encore pour des détecteurs de gaz[29]. Il présente une conductivité thermique et une mobilité électronique inférieures d'un ordre de grandeur par rapport à celles du nitrure de gallium GaN et du carbure de silicium SiC, mais il pourrait être économiquement bien plus rentable car c'est le seul semiconducteur à large bande interdite susceptible d'être produit simplement à partir de la phase liquide[10],[30],[31] (procédé de Czochralski[32]). Il est réputé être résistant aux rayonnements ionisants, ce qui le rend également intéressant pour les applications militaires et spatiales[33],[34].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. ↑ a b c et d Entrée « Gallium(III) oxide » dans la base de données de produits chimiques GESTIS de la IFA (organisme allemand responsable de la sécurité et de la santé au travail) (allemand, anglais), accès le 9 janvier 2023 (JavaScript nécessaire)
  2. ↑ Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
  3. ↑ a b et c « Fiche du composé Gallium(III) oxide, 99.99% (metals basis)  », sur Alfa Aesar (consulté le ).
  4. ↑ D. Dohy et J. R. Gavarri, « Oxyde β-Ga2O3: Champ de force, dilatation thermique, et rigidité anisotropes », Journal of Solid State Chemistry, vol. 49, no 1,‎ , p. 107-117 (DOI 10.1016/0022-4596(83)90222-0, Bibcode 1983JSSCh..49..107D, lire en ligne).
  5. ↑ (en) L. J. Eckert et R. C. Bradt, « Thermal Expansion of Alpha Ga2O3 », Journal of the American Ceramic Society, vol. 56, no 4,‎ , p. 229-230 (DOI 10.1111/j.1151-2916.1973.tb12471.x, lire en ligne).
  6. ↑ a et b (en) S. Geller, « Crystal Structure of β‐Ga2O3 », The Journal of Chemical Physics, vol. 33, no 3,‎ , p. 676-684 (DOI 10.1063/1.1731237, Bibcode 1960JChPh..33..676G, lire en ligne).
  7. ↑ a et b (en) M. Marezio et J. P. Remeika, « Bond Lengths in the α‐Ga2O3 Structure and the High‐Pressure Phase of Ga2−xFexO3 », The Journal of Chemical Physics, vol. 46, no 5,‎ , p. 1862-1865 (DOI 10.1063/1.1840945, Bibcode 1967JChPh..46.1862M, lire en ligne).
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  9. ↑ (en) Elham Rafie Borujeny, Oles Sendetskyi, Michael D. Fleischauer et Kenneth C. Cadien, « Low Thermal Budget Heteroepitaxial Gallium Oxide Thin Films Enabled by Atomic Layer Deposition », ACS Applied Materials & Interfaces, vol. 12, no 39,‎ , p. 44225-44237 (PMID 32865966, DOI 10.1021/acsami.0c08477, S2CID 221403770, lire en ligne).
  10. ↑ a b et c (en) Andrew J. Green, James Speck, Grace Xing, Peter Moens, Fredrik Allerstam, Krister Gumaelius, Thomas Neyer, Andrea Arias-Purdue, Vivek Mehrotra, Akito Kuramata, Kohei Sasaki, Shinya Watanabe, Kimiyoshi Koshi, John Blevins, Oliver Bierwagen, Sriram Krishnamoorthy, Kevin Leedy, Aaron R. Arehart, Adam T. Neal, Shin Mou, Steven A. Ringel, Avinash Kumar, Ankit Sharma, Krishnendu Ghosh, Uttam Singisetti, Wenshen Li, Kelson Chabak, Kyle Liddy, Ahmad Islam, Siddharth Rajan, Samuel Graham, Sukwon Choi, Zhe Cheng et Masataka Higashiwaki, « β-Gallium oxide power electronics », APL Materials, vol. 10, no 2,‎ , article no 029201 (DOI 10.1063/5.0060327, Bibcode 2022APLM...10b9201G, S2CID 246660179, lire en ligne).
  11. ↑ (en) Duyoung Yang, Byungsoo Kim, Tae Hoon Eom, Yongjo Park et Ho Won Jang, « Epitaxial Growth of Alpha Gallium Oxide Thin Films on Sapphire Substrates for Electronic and Optoelectronic Devices: Progress and Perspective », Electronic Materials Letters, vol. 18, no 2,‎ , p. 113-128 (DOI 10.1007/s13391-021-00333-5, Bibcode 2022EML....18..113Y, S2CID 245773856, lire en ligne).
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v · m
Ga(I)
Ga(II)
Ga(III)
Organogallium(III)
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