Galliumorthophosphat
| 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