Wat zijn hoofdgroepmetalen en welke elementen behoren bij deze categorie?

Hoofdgroepmetalen zijn elementen waarbij een p-orbitaal het laatst toegevoegde elektron bevat. Hoofdgroepmetalen zijn de zwaardere elementen van de boorgroep, de stikstofgroep en de koolstofgroep. Door de aanduiding hoofdgroepmetalen worden deze elementen onderscheiden van overgangsmetalen, de actiniden en de lanthaniden. Men kan het begrip hoofdgroepmetalen ook breder bekijken door bijvoorbeeld ook elementen waarbij het elektron ook in een s-orbitaal geplaatst mag zijn tot de hoofdgroepmetalen te rekenen. In dat geval worden de aardalkalimetalen en de alkalimetalen ook tot gerekend tot de hoofdgroepmetalen.

Periodiek systeem der elementen
De indeling van hoofdgroepmetalen kan verschillen. Voor de verduidelijking wordt een tabel gehanteerd. Hoofdgroepmetalen staan in het ‘periodiek systeem der elementen’. Dit  is een tabel waarin alle scheikundige elementen systematisch zijn weergegeven. Door deze systematische weergave kunnen de fysische en chemische eigenschappen van elementen in kaart worden gebracht. Het is door deze tabel zelfs mogelijk om te voorspellen welke chemische en fysische eigenschappen elementen hebben. Het periodiek systeem der elementen wordt ook wel de tabel van Mendelejev genoemd. Dmitri Ivanovitsj Mendelejev was een Russische scheikundige en hij wordt gezien als de grondlegger van het periodiek systeem dat vandaag de dag wordt gebruikt. In het periodiek systeem staan alle bekende elementen op volgorde van atoomnummer. Deze indeling is zodanig dat alle elementen uit dezelfde periode naast elkaar gerangschikt zijn en elementen uit dezelfde groep boven elkaar staan. Ook elementen uit hetzelfde blok en uit dezelfde reeks staan in de buurt van elkaar in het periodiek systeem der elementen.

Eigenschappen van hoofdgroepmetalen
Hoofdgroepmetalen hebben eigenschappen met elkaar gemeen. Een belangrijke eigenschap van hoofdgroepmetalen is dat het metallieke geleiders zijn. De band waarin deze metallieke geleiding plaats vindt bestaat voornamelijk uit p- of s-golffuncties. De geleiding bestaat niet uit d- of f-functies. De p- en s-banden hebben een grotere overlap en zijn breder. Hierdoor benaderen de elektronen meer het ideaal van een vrij elektronengas. Verder is de chemie van hoofdgroepmetalen eenvoudiger. Dit komt omdat er minder oxidatietoestanden zijn die met elkaar kunnen concurreren. Omdat er minder concurrerende oxidatietoestanden zijn kan een betere geleiding plaatsvinden.

Zwaardere elementen kunnen wel te maken krijgen met het optreden van inertie in de s-orbitaal. De ionlading die het meest voorkomt wordt twee lager dan het groepsnummer. De ionen bevatten meestal geen kleur in tegenstelling tot de d- en f-metalen.

Welke hoofdgroepmetalen zijn er?
De indeling van elementen in de categorie hoofdgroepmetalen kan verschillen. Over het algemeen worden de volgende metalen tot de hoofdgroepmetalen gerekend:

  • Aluminium, symbool Al en atoomnummer 13
  • Gallium, symbool Ga en atoomnummer 31.
  • Indium, symbool In en atoomnummer 49.
  • Thallium, symbool Tl en atoomnummer 81.
  • Tin, symbool Sn en atoomnummer 50.
  • Lood, symbool Pb en atoomnummer 82.

Wat zijn coördinatieverbindingen of (metaal)complexen?

Chemische verbindingen die bestaan uit één of meerdere overgangsmetalen of één of meerdere liganden worden coördinatieverbindingen genoemd of (metaal)complexen. Overgangsmetalen zijn en speciale groep metalen waarvan de atoomnummers zijn ingedeeld in het D-blok van het periodiek systeem der elementen.

Een ligand is een negatief molecuul, een neutraal molecuul of een ion met een vrij elektronenpaar. Een ligand kan worden gebruikt om een binding aan de gaan met metalen of metaalionen. Men spreekt dan van een metaal-ligandbinding. Deze ligandverbinding kan ook worden beschreven als een interactie tussen een Lewiszuur en een Lewisbase. Deze termen voor bepaalde basen en zuren komen uit de zuur-basetheorie van Gilbert Lewis. Een Lewisbase is volgens deze theorie een molecule of ion dat beschikt over vrije elektronen. Deze kunnen worden gebruikt om een chemische binding aan te gaan met een Lewis-zuur. Bindingen tussen metaalionen en ligand zijn covalente bindingen en hebben een partieel ionair karakter. Het elektronenpaar dat voor de binding zorgt is alleen afkomstig van de ligand oftewel de Lewisbase. Een Lewisbase is een elektronenpaardonor.

Een coördinatieverbinding  kan neutraal zijn, deze niet geladen verbinding noemt men coördinatieverbinding. Indien een coördinatieverbinding geladen is spreekt men ook wel van een complex ion. De complex ion heeft een negatief of een positief tegenion bij zich. Coördinatieverbindingen hebben over het algemeen een specifieke kleur en hebben daarnaast bijzondere magnetische eigenschappen.

Wat is doteren en hoe kan dit proces worden uitgevoerd?

In de techniek kunnen pure materialen worden gebruikt voor de fabricage van producten. Het kan echter voorkomen dat bepaalde materialen in pure vorm niet over de gewenste eigenschappen beschikken voor een specifiek product. De eigenschappen van de materialen kunnen worden verbetert op verschillende manieren. Één van deze manieren is doteren. Het woord ‘doteren’ is afgeleid van het Latijnse woord ‘dotare’, dit betekend voorzien.

Doteren is een proces waarbij onzuiverheden in basismateriaal worden geplaatst. In feite worden doormiddel van doteren vreemde atomen toegevoegd aan het kristalrooster van een basismateriaal.

Hoe gaat doteren in zijn werk?
Het doel van doteren is het veranderen en verbeteren van de materiaaleigenschappen. Vooral in de halfgeleidertechnologie wordt het woord doteren regelmatig gebruikt. Een halfgeleider heeft over het algemeen de structuur van een isolator. Aan deze structuur worden zeer specifieke onzuiverheden toegevoegd. Het kristallijne basismateriaal wordt tijdens het doteren voorzien van atomen van een ander materiaal. Er ontstaat doormiddel van doteren een overschot aan vrije elektronen in het materiaal of juist een te kort aan vrije elektronen. Hierdoor wordt materiaal geleidend in de vorm van elektronengeleiding en gatengeleiding en wordt het oorspronkelijk isolerende basismateriaal verandert in een halfgeleidend materiaal.

Methodes door doteren
Er zijn verschillende manieren om het doteren uit te voeren. De meest gangbare methodes voor doteren zijn ionenimplantatie en diffusie. Deze twee methodes worden hieronder kort toegelicht.

Doteren doormiddel van ionenimplantatie
Doteren doormiddel van ionenimplantatie gebeurd met een ionenbron onder vacuüm. Over het algemeen is de ionenbron een speciale variant van een deeltjesversneller. In deze ionenbron wordt gebruik gemaakt van een magneetveld. Door het magneetveld worden ionen met de juiste massa afgescheiden. Het elektrische veld zorgt er voor dat de ionen worden versneld. De ionen worden door het elektrische veld vervolgens richting het materiaal, dat gedoteerd moet worden, geschoten. Dit gebeurd met zeer grote snelheden van meer dan 300.000 kilometer per uur. De ionen kunnen op verschillende dieptes het basismateriaal binnendringen.

Deze indringdiepte is afhankelijk van de grootte van het ion en het materiaal dat ingeplant moet worden in het basismateriaal. De onderdelen van het proces dat verbonden is aan ionenimplantatie kunnen nauwkeurig op elkaar worden afgestemd. Het is mogelijk om de snelheid van de ionen te regelen en versnellerspanning af te stemmen op het materiaal. Hiermee kan de indringdiepte van de ionen goed worden geregeld. Dit zorgt er voor dat de halfgeleider, die tijdens dit proces wordt gemaakt, over de juiste eigenschappen beschikt.

Doteren doormiddel van diffusie
Diffusie kan ook worden gebruikt als methode voor het doteren. Dit proces wordt meestal in twee stappen uitgevoerd. De eerste stap is het aanbrengen van een laag met een hoge concentratie onzuiverheden op het basismateriaal. Dit aanbrengen wordt ook wel predepositie genoemd. Vervolgens wordt het geheel doormiddel van warmte behandelt. Bij een hoge temperatuur worden de onzuiverheden in het kristalrooster opgenomen. Dit is doteren doormiddel van diffusie.