Strontiumtitanat

Kristallstruktur
_ Sr2+ 0 _ Ti4+ 0 _ O2−
Allgemeines
Name	Strontiumtitanat
Verhältnisformel	SrTiO3
Kurzbeschreibung	farbloses kristallines Pulver[1]
Externe Identifikatoren/Datenbanken
CAS-Nummer 12060-59-2 EG-Nummer 235-044-1 ECHA-InfoCard 100.031.846 PubChem 82899 Wikidata Q421340
Eigenschaften
Molare Masse	183,49 g·mol−1
Aggregatzustand	fest
Dichte	5,12 g·cm−3[2]
Schmelzpunkt	2060 °C[3]
Löslichkeit	nahezu unlöslich in Wasser[3]
Brechungsindex	2,394 (620 nm)[4]
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung[1] keine GHS-Piktogramme H- und P-Sätze H: keine H-Sätze P: keine P-Sätze[1]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen. Brechungsindex: Na-D-Linie, 20 °C

Strontiumtitanat ist eine chemische Verbindung des Strontiums aus der Gruppe der Titanate.

Vorkommen

Strontiumtitanat kommt natürlich in Form des sehr seltenen und erst 1982 entdeckten Minerals Tausonit (nach dem russischen Geologen Lev Vladimirovich Tauson) vor.^[5]

Gewinnung und Darstellung

Strontiumtitanat wird mit Hilfe eines Verneuil-Verfahrens aus Strontiumcarbonat und Titandioxid gewonnen.^[6]

${\displaystyle {\ce {SrCO3 + TiO2 -> SrTiO3 + CO2 ^}}}$

Eigenschaften

Strontiumtitanat besitzt eine kubische Elementarzelle des Perowskit-Typs mit der Raumgruppe Pm3m (Raumgruppen-Nr. 221)Vorlage:Raumgruppe/221. Im Zentrum der Elementarzelle befindet sich das Ti⁴⁺-Kation, auf den Flächenzentren befinden sich die O²⁻-Anionen und auf den Eckplätzen die Sr²⁺-Kationen. Bis zu einer Temperatur von 105 K besitzt es eine tetragonale Kristallstruktur mit der Raumgruppe I4/mcm (Nr. 140)Vorlage:Raumgruppe/140. Darüber tritt ein antiferrodistortiver Übergang zur Perowskitstruktur auf.^[7] Strontiumtitanat besitzt ungewöhnliche physikalische Eigenschaften. So ist es die einzige bekannte Verbindung, die bei tiefen Temperaturen (minus 195 bis 770 Grad Celsius) duktil, bei zunehmender Hitze (770 bis 1230 Grad Celsius) spröde und bei sehr hohen Temperaturen (1230 bis 1530 Grad Celsius) wieder duktil ist.^[8]

Strontiumtitanat ist ein indirekter Halbleiter mit einer Bandlücke von 3,25 eV (und direkter Bandlücke von 3,75 eV) und ist somit für sichtbares Licht transparent.^[9] Bei Raumtemperatur besitzt Strontiumtitanat eine hohe relative Permittivität von circa 300, welche beim Abkühlen zunächst deutlich ansteigt, dann aber bei Temperaturen unterhalb von 4 K einen konstanten Wert von ca. 10⁴ annimmt (und nicht wie bei einem Ferroelektrikum bei der Curie-Temperatur divergiert). Es ist deshalb ein Quanten-Paraelektrikum.^[10] Bereits bei sehr niedriger Dotierung wird Strontiumtitanat supraleitend und zeigt mit zunehmender Ladungsträgerdichte ein breites Maximum der supraleitenden Sprungtemperatur mit Maximalwert von ca. 0,3 K (in Volumenexperimenten) bzw. von ca. 0,5 K (im Gleichstromwiderstand).^[11]

Strontiumtitanat-Einkristalle zeigen persistente Photoleitung bei Raumtemperatur. Nach Belichtung erhöht sich die freie Elektronen-Konzentration um zwei Größenordnungen und bleibt über Tage erhöht.^[12]

Verwendung

Strontiumtitanat wird aufgrund seines hohen Brechungsindex für optische Bauelemente und als Fenster im Infrarot-Bereich verwendet. Strontiumtitanat hat dieselbe Perowskit-Kristallstruktur wie viele andere Oxide mit für Anwendungen interessanten Eigenschaften (z. B. Hochtemperatursupraleitung in Kupraten) und ist deshalb populäres Substrat für die Dünnfilmabscheidung dieser Materialien.^[13]

An atomaren Gitterfehlern hat Strontiumtitanat die Eigenschaft eines Halbleiters und wird in der Forschung als Memristor erprobt.^[14]

Radionuklidbatterien

In sowjetischen Radionuklidbatterien wurde Strontiumtitanat mit dem Strontiumisotop ⁹⁰Sr für terrestrische Zwecke verwendet.^[15] Vorteilig ist hierbei die chemische Beständigkeit und physikalische Haltbarkeit (hoher Schmelz- und Siedepunkt, unlöslich in Wasser), nachteilig die gegenüber metallischem Strontium geringere Leistungsdichte ~0,45 W_thermisch für SrTiO₃ im Vergleich zu ~0,9 W_thermisch pro Gramm für elementares Strontium. Da Plutonium-238 sowohl eine höhere Leistungsdichte als auch eine höhere Halbwertszeit (= längere und langsamer abfallende Leistungsabgabe) hat, ist Strontium-90 als Radionuklidbatterie heutzutage fast vollständig außer Gebrauch gekommen. Nichtsdestotrotz wäre Sr-90 aufgrund der prinzipiell besseren Verfügbarkeit (Extraktion aus abgebrannten Kernbrennstoff) im Vergleich zu Plutonium-238 (Extraktion von Neptunium-237 aus abgebrannten Kernbrennstoff und anschließender Beschuss mit thermischen Neutronen) für Anwendungen, bei denen der Preis eine größere Rolle als das Gewicht spielt, prinzipiell interessant.

Literatur

• Anissa Gunhold, Wolfgang Maus-Friedrichs, Karsten Gömann, Günter Borchardt: Strontiumtitanat: Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten als Sauerstoffsensor. In: TU Contact. Nr. 12, Mai 2003, S. 31–37 (PDF). 
• Michael Bäurer: Kornwachstum in Strontiumtitanat. Univ.-Verlag Karlsruhe, Karlsruhe 2009, ISBN 978-3-86644-335-8 (PDF). 

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b c} Datenblatt Strontium titanate, single crystal substrate, <100> bei Sigma-Aldrich, abgerufen am 1. Dezember 2019 (PDF).
2. ↑ Taşyürek, Lütfi & Sevim, Melike & Çaldıran, Zakir & Aydoğan, Şakir & Metin, Onder. (2018). The Synthesis of SrTiO₃ Nanocubes and the Analysis of nearly ideal diode application of Ni/SrTiO₃ nanocubes/n-Si heterojunctions. Materials Research Express. 5. doi:10.1088/2053-1591/aaa745.
3. ↑ ^{a b} Eintrag zu Strontiumtitanat in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 4. November 2018. (JavaScript erforderlich)
4. ↑ Optical Properties of Zinc Oxide and Strontium Titanate Thin Films (PDF; 6,9 MB)
5. ↑ Webmineral: Tausonite
6. ↑ H. J. Scheel: Kristallzüchtung und Charakterisierung von Strontiumtitanat SrTiO₃. In: Zeitschrift für Kristallographie - Crystalline Materials. 143, 1976, S. 417–428, doi:10.1524/zkri.1976.143.jg.417.
7. ↑ Jakob Sidoruk: Konkurrierende ferroische Ordnungsparameter in SrTiO₃: Domänenverhalten und Schaltverhalte. Dissertation, Universität Göttingen, 2014.
8. ↑ Welt der Physik: Von spröde keine Rede – neuartige Keramiken, Artikel vom 12. März 2003.
9. ↑ K. van Benthem, C. Elsässer, R. H. French: Bulk electronic structure of SrTiO₃: Experiment and theory. In: Journal of Applied Physics. Band 90, Nr. 12, 15. Dezember 2001, S. 6156–6164, doi:10.1063/1.1415766. 
10. ↑ K. A. Müller, H. Burkard: SrTiO₃: An intrinsic quantum paraelectric below 4 K. In: Physical Review B. Band 19, Nr. 7, 1. April 1979, S. 3593–3602, doi:10.1103/PhysRevB.19.3593. 
11. ↑ Clément Collignon, Xiao Lin, Carl Willem Rischau, Benoît Fauqué, Kamran Behnia: Metallicity and Superconductivity in Doped Strontium Titanate. In: Annu. Rev. Condens. Matter Phys. 10. Jahrgang, 2019, S. 25–44, doi:10.1146/annurev-conmatphys-031218-013144, arxiv:1804.07067. 
12. ↑ Marianne C. Tarun, Farida A. Selim, Matthew D. McCluskey: Persistent Photoconductivity in Strontium Titanate. In: Physical Review Letters. Band 111, 2013, doi:10.1103/PhysRevLett.111.187403.
13. ↑ Florencio Sanchez, Carmen Ocal, Josep Fontcuberta: Tailored surfaces of perovskite oxide substrates for conducted growth of thin films. In: Chemical Society Reviews. 43. Jahrgang, 2014, S. 2272, doi:10.1039/c3cs60434a. 
14. ↑ techtransfer.ima.kit.edu: Bewegliche Leerstellen
15. ↑ Rashid Alimov: Radioisotope Thermoelectric Generators. (Memento vom 13. Oktober 2013 im Internet Archive) Belonia, April 2005, abgerufen am 20. Dezember 2010.