Zirkonium

-	Isotop	NH	t_1/2	ZM	ZE M eV	ZP	-	⁸⁸Zr	{syn.}	83,4 d	epsilon	0,670	⁸⁸Y	-	⁸⁹Zr	{syn.}	78,41 h	epsilon	2,832	⁸⁹Y	-	⁹⁰Zr	51,45 %	Zr ist stabil mit 50 Neutronen				-	⁹¹Zr	11,22 %	Zr ist stabil mit 51 Neutronen				-	⁹²Zr	17,15 %	Zr ist stabil mit 52 Neutronen				-	⁹³Zr	{syn.}	1,53 · 10⁶ a	β^-	0,091	⁹³Nb	-	⁹⁴Zr	17,38 %	Zr ist stabil mit 54 Neutronen				-	⁹⁵Zr	{syn.}	64,02 d	β^-	1,125	⁹⁵Nb	-	⁹⁶Zr	2,8 %	> 3,8 · 10¹⁹ a	β^-	3,350	⁹⁶Mo

- NMR-Eigenschaften

-		⁹¹Zr	-	Kernspin	-5/2	-	gamma / rad/T	2,496 · 10⁷	-	Empfindlichkeit	0,00948	-	Larmorfrequenz bei B = 4,7 T	18,7 M Hz

- Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt,
gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Zirkonium, auch Zirconium, ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Zr und der Ordnungszahl 40.

Geschichte

Zr,40.jpg Es wurde nach dem Mineral Zirkon benannt, das eine Zirkoniumverbindung ist und 1789 von Martin Heinrich Klaproth entdeckt wurde.

Vorkommen

Verbindungen, in denen Zirkonium in der Natur am häufigsten vorkommt:

Zirkon (Silikat ZrSiO₄)
Baddeleyit (Dioxid ZrO₂, siehe auch Zirkoniumdioxid)

Diese Minerale finden sich häufig in Granit, einem in der Erdkruste weit verbreitetem Gestein. Die Zirkonkristalle sind sehr klein, typischerweise um 0,1 mm groß, und sind für radiometrische Altersbestimmungen sehr wichtig.

Gewinnung

Das meiste Zirkonium dürfte aus dem Mineral Zirkon stammen, das man aus sogenannten Seifenlagerstätten abbaut. Solche Lagerstätten entstehen, wenn sich verwitterungsresistente Mineralien (wie eben Zirkon) zum einen dadurch anreichern, dass alle anderen Minerale des Gesteins, in dem sie enthalten sind, zersetzt werden und zweitens, wenn solche resistenten Minerale durch Strömungen (wie Ebbe und Flut) angereichert werden gesehen sind Sandstrände riesige Quarzseifen.

Eigenschaften

Massives Zirkonium ist in allen Säuren außer Flusssäure unlöslich. Pulverisiertes Zirkonium verbrennt mit weißer Flamme zu Zirkoniumoxid, bei Anwesenheit von Stickstoff auch zu Zirkoniumnitrid und Zirkoniumoxinitrid. Bei genügender Energiezufuhr aber vermag auch kompaktes Zirkonium zu brennen, was bei der Bearbeitung des Metalls beachtet werden muss. Zirkoniumbrände sind sehr riskant. Zum Löschen dürfen weder Wasser (heftige Reaktion unter Wasserstoffbildung) noch Kohlendioxid oder Halon verwendet werden.

Verwendung

Es wird zum Bau chemischer Anlagen verwendet.
Kerntechnik: Da der Einfangquerschnitt von Zirkonium für thermische Neutronen sehr klein ist, werden seine Legierungen wie Zircaloy, die meistens etwas Zinn oder Niob enthalten, für die Hüllrohre von Uranbrennstäben im Reaktorbau (Kernkraftwerk) benutzt.
Filmtechnik: Für nicht-pyrotechnische Aufpralleffekte von z. B. Gewehrkugeln auf Metalloberflächen benutzt. Sendet beim Aufprall einen Funkenschwall ab.
Militär: Die Brennbarkeit wird auch in Waffen wie der Schrotflinten-Spezialmunition Dragon's Breath und der US-amerikanischen Allzweck-Gleitbombe AGM-154 JSOW ausgenutzt.
Zirkoniumlegierungen werden auch für chirurgische Instrumente verwendet.
Zirkoniumverbindungen wie Zirkoniumdioxid oder Zirkoniumsilikat dienen zur Herstellung feuerfester Auskleidungen in Tiegeln und Behältern.
YSZ (yttria stabilized zirconia, kubische Fluorit-Struktur) wird als Oxidionen leitende Membran in Brennstoffzellen (SOFC, solid oxide fuel cell) und in Sauerstoff-Sensoren (z. B. Lambdasonde im Auto) eingesetzt und fand bereits um 1900 in der Nernstlampe Verwendung.
Y-TZP (yttria stabilized tetragonal zirconia) ist eine Keramik mit extrem hoher Bruchzähigkeit und wird z. B. in der Zahntechnik als hochstabiles Kronen- und Brückengerüst, in künstlichen Hüftgelenken oder als Verbindungselement bei Teleskopen verwendet und löst zunehmend Gold und andere Metalle in der Funktion ab.
Anwendungsmöglichkeit in der Halbleiterindustrie:

In der Halbleiterindustrie werden voraussichtlich ab 2007 bis 2008 für das Gate-Oxid von FETs so genannte high-k Materialien verwendet. Zur Zeit wird Siliziumdioxid (SiO₂) dazu benutzt. Durch die fortschreitende Verkleinerung der Transistoren muss auch das Gate-Oxid dünner werden. Für die geplanten Prozesse wie 90 nm und 65 nm sind Oxiddicken von 1,1-1,6 nm notwendig.

Je dünner das Gate-Oxid, desto größer ist aber der Leckstrom vom Gate in den Halbleiter. Um den Leckstrom zu verringern, sucht man Materialien mit einer höheren Dielektrizitäts-Konstante $\epsilon_r$ als SiO₂. Letzteres hat $\epsilon_r = 3,9$ . Zirkoniumoxid (ZrO₂) hingegen erreicht $\epsilon_r = 25$ . Das ebenfalls als high-k Material eingesetzte Hafnium-Oxid erreicht bis zu $\epsilon_r = 20$ .

Das Gate im FET funktioniert ungefähr wie ein Kondensator. Durch eine angelegte Spannung werden an beiden Elektroden entgegensetzte Ladungen gesammelt. Die Ladung im Kanal (Inversions-Zone) führt zur Leitung des FETs. Die Ladung ist dabei $Q = C U$ . Beim Plattenkondensator ist

$C = \frac{\epsilon A}{d}$ .

Würde man die Gate-Oxid-Dicke $d$ erhöhen, sinkt die Kapazität. Dadurch stehen bei gleicher angelegter Gate-Spannung $U_{GS}$ weniger Elektronen im Kanal zur Verfügung und der FET leitet schlechter. Das ist gleichbedeutend mit einer Erhöhung der Threshold-Spannung $U_T$ . Um die Ladung konstant zu halten, muss man die Dielektrizitäts-Konstate $\epsilon = \epsilon_0 \epsilon_r$ erhöhen.

In der Prozesstechnik wird die so genannte Equivalent Oxide Thickness EOT eingeführt. Sie gibt die äquivalente Oxid-Dicke an. Das ist wegen einer quantenmechanisch begründeten Verschiebung des Schwerpunktes der Ladungsverteilung von der Oberfläche in den Halbleiter hinein notwendig. Darum ist sie ein bisschen größer als die physikalische Oxid-Dicke. Sie bezieht sich auf das Dielektrikum SiO₂.

Durch die Verwendung von high-k Materialien ( $k = \epsilon_r$ ) kann die Oxiddicke bei gleich bleibender EOT um den Faktor

$\frac{\epsilon_{r,ZrO_2}}{\epsilon_{r,SiO_2}} = 6{,}4$

erhöht werden. Damit sinkt der Gate-Leckstrom beträchtlich.

Weblinks

Zirconium_rod.jpg

Abbildung in der Elementansammlung von Pniok