Galliumorthophosphat

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Galliumorthophosphat
Chemische Formel

GaPO4

Mineralklasse Oxide/Hydroxide
Kristallsystem trigonal
Kristallklasse; Symbol nach Hermann-Mauguin trigonal-trapezoedrisch, 32 (D3)
Farbe farblos
Strichfarbe weiß
Mohshärte 5.5
Dichte (g/cm3) 3.57 g/cm3
Glanz
Transparenz durchsichtig
Bruch muschelig, spröde
Spaltbarkeit keine
Habitus
Häufige Kristallflächen $ \{10{\bar {1}}1\},~\{01{\bar {1}}1\},~\{0001\} $
Zwillingsbildung überwiegend Zwillingslamellen
Kristalloptik
Brechungsindex no= 1.605
ne= 1,623
Doppelbrechung
(optischer Charakter)
Δn = 0.018 ; positiv
Weitere Eigenschaften
Phasenumwandlungen Übergang in cristobalit ähnliche Struktur oberhalb 970 °C
Chemisches Verhalten nicht löslich in pH = 5 - 8
Ähnliche Minerale Quarz
Besondere Kennzeichen homöotyp zu Quarz

Galliumorthophosphat (GaPO4 oder Galliumphosphat) ist ein farbloser, im trigonalen Kristallsystem kristallisierender Kristall mit der Härte 5.5 nach der Mohs’schen Härteskala. GaPO4 ist isotyp zu Quarz, wobei die Siliziumatome abwechselnd durch Gallium und Phosphor ersetzt werden. Deshalb besitzt dieser Kristall nahezu dieselben Eigenschaften wie Quarz, jedoch bei doppelt so großem Piezoeffekt. Durch diese Verdopplung ergeben sich für viele technische Anwendungen Vorteile gegenüber Quarz, wie zum Beispiel eine höhere Kopplungskonstante bei Resonatoren.

Im Gegensatz zu Quarz kommt GaPO4 jedoch nicht in der freien Natur vor, sondern muss synthetisch hergestellt werden. Wie bei synthetischem Quarz erfolgt die Zucht hydrothermal.

Modifikationen

GaPO4 hat im Gegensatz zu Quarz keinen α-β Phasenübergang, so dass die Tieftemperaturphase des GaPO4 (Struktur wie α-Quarz) bis 970 °C stabil ist und damit auch die physikalischen Eigenschaften des Kristalls. Bei 970 °C findet jedoch eine Phasenumwandlung in eine cristobalit-ähnliche Struktur statt.

Struktur

Analog zu Quarz ist GaPO4 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).

Vorkommen

Da GaPO4 in der Natur nicht vorkommt, kann der Kristall nur synthetisch hergestellt werden. Zurzeit wird GaPO4 nur von einer Firma in Österreich kommerziell hergestellt.

Technische Bedeutung

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 GaPO4 zu ersetzen.

GaPO4 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. GaPO₄wird aufgrund dieser Materialeigenschaften insbesondere für piezoelektrische Hochtemperatur-Drucksensoren sowie in Hochtemperatur- Mikrowaagen eingesetzt.

Literatur

G. Gautschi: „Piezoelectric Sensorics“, Springer Verlag

Weblinks

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