Galliumorthophosphat

Galliumorthophosphat
GaPO4 Kristall
Chemismus	GaPO4
Mineralklasse	Oxide/Hydroxide
Kristallsystem	trigonal
Kristallklasse	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
Zwillingsbildung	überwiegend Zwillingslamellen
Kristalloptik
Brechzahl	no = 1.605 ne = 1,623
Doppelbrechung (optische Orientierung)	Δn = 0.018 ; positiv
Pleochroismus
Winkel/Dispersion der optischen Achsen	2vz ~
Weitere Eigenschaften
Phasenumwandlungen	Übergang in cristobalit ähnliche Struktur oberhalb 970 °C
Schmelzpunkt
Chemisches Verhalten	nicht löslich in pH = 5 - 8
Ähnliche Minerale	Quarz
Radioaktivität	nicht radioaktiv
Magnetismus	nicht magnetisch
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.

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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. Zur Zeit 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 Kristalschnitte 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