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. Zurzeit wird Galliumorthophosphat nur von der Firma Piezocryst in Österreich kommerziell hergestellt. Wie bei synthetischem Quarz erfolgt die Zucht hydrothermal.

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. Das Kristallwachstum erfolgt ähnlich wie die von Berlinit hydrothermal bei Temperaturen unter 250 °C.

${\displaystyle \mathrm {Ga(OH)_{3}+H_{3}PO_{4}\longrightarrow GaPO_{4}+3\ H_{2}O} }$

Eigenschaften

Galliumorthophosphat ist ein farbloses, im trigonalen Kristallsystem kristallisierendes Galliumsalz mit der Härte 5,5 nach der Mohs’schen Härteskala.

Die Kristallstruktur von Galliumorthophosphat ist isotyp zu α-Quarz, indem Silicium abwechselnd durch Gallium und Phosphor ersetzt wird.

Deshalb besitzt diese Verbindung nahezu dieselben Eigenschaften wie Quarz, besitzt jedoch wie das ebenfalls intensiv untersuchte Aluminiumorthophosphat einen doppelt so großen Piezoeffekt. Durch diese Verdopplung ergeben sich für viele technische Anwendungen Vorteile gegenüber Quarz, wie zum Beispiel eine höhere Kopplungskonstante bei Resonatoren.

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).

Galliumorthophosphat hat im Gegensatz zu Quarz bis zu 933 °C (andere Quelle 976 °C) 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. Für die Verbindung konnte eine UV-Lumineszenz nachgewiesen werden. Seine Löslichkeit in Phosphorsäure sinkt mit steigender Temperatur.

Das Dihydrat besitzt eine monokline Kristallstruktur mit der Raumgruppe P2₁/n (Raumgruppen-Nr. 14, Stellung 2)Vorlage:Raumgruppe/14.2 (a = 9,77, b= 9,64, c= 9,68 Å, β = 102,7°).

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.

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.

Literatur

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

Einzelnachweise

1. ↑ Physical characterizations of #x003B1;-GaPO4 single crystals grown by the flux method. 1. Mai 2007, S. 1077–1081, doi:10.1109/FREQ.2007.4319245. 
2. ↑ Ion Tiginyanu, Pavel Topala, Veaceslav Ursaki: Nanostructures and Thin Films for Multifunctional Applications Technology, Properties and Devices. Springer, 2016, ISBN 978-3-319-30198-3, S. 195 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche). 
3. 1 2 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.
4. ↑ P. Armand, M. Beaurain, B. Ruffle, B. Menaert, D. Balitsky, S. Clement, P. Papet: Characterizations of piezoelectric GaPO4 single crystals grown by the flux method. In: Journal of Crystal Growth. 310, 2008, S. 1455, doi:10.1016/j.jcrysgro.2007.11.049.
5. ↑ Dieser Stoff wurde in Bezug auf seine Gefährlichkeit entweder noch nicht eingestuft oder eine verlässliche und zitierfähige Quelle hierzu wurde noch nicht gefunden.
6. ↑ europa.eu: Europäische Kommission : CORDIS : Dienst für Projekte und Ergebnisse : Neue piezoelektrische Kristalle für sensorische Anwendungen, abgerufen am 12. März 2017.
7. 1 2 3 4 5 K. Byrappa, Masahiro Yoshimura: Handbook of Hydrothermal Technology. Cambridge University Press, 2008, ISBN 978-0-08-094681-8, S. 248 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche). 
8. ↑ Jacqueline I. Kroschwitz: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, Fuel Resources to Heat ... Wiley, 1994, ISBN 0-471-52681-9, S. 311 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche). 
9. 1 2 3 Günter P. Merker, Rüdiger Teichmann: Grundlagen Verbrennungsmotoren Funktionsweise, Simulation, Messtechnik. Springer-Verlag, 2014, ISBN 978-3-658-03195-4, S. 558 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche). 
10. ↑ archives-ouvertes.fr: Study on the origin of 1/f in bulk acoustic wave resonators, abgerufen am 12. März 2017.
11. ↑ 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.
12. ↑ 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.
13. ↑ Govindhan Dhanaraj, Kullaiah Byrappa, Vishwanath Prasad, Michael Dudley: Springer Handbook of Crystal Growth. Springer Science & Business Media, 2010, ISBN 978-3-540-74761-1, S. 614 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche). 
14. ↑ 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.
15. ↑ 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.
16. ↑ 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.