Nitreto de alumínio

Nitreto de alumínio Alerta sobre risco à saúde[1]
Identificadores
Número CAS	24304-00-5
Propriedades
Fórmula molecular	AlN
Massa molar	40.988 g mol-1
Aparência	sólido cristalino, branco azulado
Densidade	3260 kg m-3
Ponto de fusão	2200 °C
Ponto de ebulição	2517 °C
Condutividade térmica	140–180 W m-1 K-1
Termoquímica
Capacidade calorífica molar Cp 298	740 J Kg-1 K-1
Compostos relacionados
Outros aniões/ânions	Fosfeto de alumínio Óxido de alumínio Carbeto de alumínio
Outros catiões/cátions	Nitreto de boro Nitreto de gálio Nitreto de magnésio Nitreto de silício
Página de dados suplementares
Estrutura e propriedades	n, εr, etc.
Dados termodinâmicos	Phase behaviour Solid, liquid, gas
Dados espectrais	UV, IV, RMN, EM
Exceto onde denotado, os dados referem-se a materiais sob condições normais de temperatura e pressão Referências e avisos gerais sobre esta caixa. Alerta sobre risco à saúde.

O nitreto de alumínio é um composto químico de fórmula AlN. Possui alta condutividade térmica, resistência mecânica e estabilidade estrutural, mesmo em altas temperaturas. É utilizado como cerâmica semicondutora em dispositivos eletrônicos.

O nitreto de alumínio, AlN, é um material com excelentes propriedades mecânicas, térmicas, ópticas e eletrônicas e por isso apresentam um enorme potencial em diversas aplicações tecnológicas. Um exemplo disso é a alta velocidade de propagação de onda superficial, as excelentes propriedades piezelétricas, o excelente coeficiente de acoplamento eletromecânico, alta dureza, alto ponto de fusão e associado à estabilidade química a altas temperaturas (acima de 2000 ºC). Essas combinações excepcionais fazem do AlN um candidato atraente a ser aplicado em sensores de temperatura e pressão baseados em ondas acústicas superficiais, por exemplo. ^{[2] [3]}

O AlN pode ser usado como um substrato cerâmico para a elaboração de microcircuitos, principalmente na área aeroespacial, pois possui excelentes propriedades térmicas, como a dissipação térmica. O AlN também é aplicado nas janelas de transmissão de luz e nos dispositivos de emissão na região UV devido ao seu alto valor da largura de banda (~6,2 eV).^[4]

O nitreto de alumínio (AlN) é formado pela reação dos elementos de nitrogênio e alumínio. A estrutura do AlN é normalmente hexagonal fechada (hcp) do tipo wurtzita (2H) (hP4). O AlN com tal estrutura apresenta o maior coeficiente piezoelétrico (5 ∙ 10^-2 CºN^-1) entre os nitretos do grupo IIIA, tornando-o apropriado para aplicações como em microeletrônica. O AlN possui estrutura cristalográfica isomorfa e com alta resistividade (~1013 Ω∙cm).^[5]

A figura da Wurtzite mostra a ligação atômica do AlN, onde o átomo de alumínio é ligado a quatro átomos de nitrogênio em um arranjo tetraédrico quatro vezes coordenado (sp³). O alumínio tem menor eletronegatividade do que o nitrogênio. No entanto, o elemento de nitrogênio tem o menor raio atômico. O nitreto de alumínio é excelente isolante elétrico porque seus elétrons estão fortemente ligados ao núcleo e não estão disponíveis para ligação metálica. ^[6]

O nitreto de alumínio pode ser encontrado em três formas: Wurtzita é a forma mais comum, porque pode ser encontrada em temperatura ambiente. Ambas as outras formas são as fases metaestáveis: a forma Zincblende é mais freqüentemente obtida quando o crescimento em Si (001) e GaAs (100) a granel, e a outra forma é a cúbica, conhecida como Rocksalt, que foram encontrados apenas em experimentos com alta pressão. A orientação de crescimento preferencial do Wurtzite está no eixo c. ^[7]

A ionicidade da ligação atômica é um parâmetro significante para obter informações sobre a estrutura cristalina do AlN. A ionicidade pode ser definida de acordo com a relação da equação abaixo, que é uma fração do iônico f_i^α em comparação com o covalente f_i^h. A ionicidade do nitreto dos principais semicondutores é citada na Tabela 1.^[9]

${\displaystyle f_{i}^{\alpha }+f_{i}^{h}=1}$

A ionicidade Phillips é baseada na conexão entre as propriedades de ligação química da família A^NB^8-N de cristais e sua estrutura eletrônica de banda de energia. Analisando a energia iônica e covalente, Phillips encontrou uma correlação entre a ionicidade da ligação química e a estrutura cristalina adotada pelo composto que para valores reduzidos de (f_i), consequentemente tem alta f_c e então apresenta estrutura tetraédrica com coordenada zinco -blend (zb). A estrutura Wurtzita é obtida quando os valores de f_i são altos. De acordo com Phillips^[10] a ligação química observada presente nos semicondutores e a estabilização da estrutura do material entre a mistura de zinco e a wurtzita são o resultado do equilíbrio entre a ionicidade e a ligação química covalente.^[10]

O grupo de simetria do material é definido pela distância entre átomos na rede cristalina e o arranjo na estrutura e com isso é possível explicar as propriedades físicas e químicas de um material. Para definir a simetria de uma estrutura hexagonal é necessário definir os parâmetros de rede do AlN, a = 0,3112 nm e c = 0,4982 nm. A constante de rede e a simetria estão expostas na tabela abaixo.

Outro parâmetro que depende dos átomos dispostos na estrutura é o plano de clivagem, esta propriedade é mostrada na Tabela abaixo.

Embora o AlN possua propriedades mecânicas significativas acima mencionadas, sua dureza (Dureza Vickers) é de 12 GPa, o módulo de elasticidade é de 315 GPa e a resistência à flexão está entre 590 - 970 MPa. Além disso, o nitreto de alumínio é capaz de se deformar plasticamente em alguns graus acima do dúctil a frágil. Além dessas propriedades mecânicas, o AlN possui alta temperatura e resistência à corrosão.

As propriedades térmicas dos nitretos monocristais são baseadas no alto ponto de fusão (> 2000 ºC), porém o nitreto de alumínio é um material de difícil reprodução de crescimento dos monocristais. Assim, o ponto de fusão do AlN pode ser obtido com base nos parâmetros de rede usando a Equação 2. As propriedades térmicas básicas, como a temperatura de fusão, o calor específico e a temperatura de Debye de alguns nitretos semicondutores são mostradas na Tabela 4.^[11]

${\displaystyle T_{m}=7159-957a,}$

sendo

            a = parâmetro de rede para estruturas blend e cúbicas

            a = a_eef, a_eef =  ${\displaystyle (\surd 3a^{2}c)^{1/3}}$para haxagonal

O AlN possui estabilidade térmica de até 2200 ºC, condutividade térmica de cerca de 320 W / mK e boa capacidade de metalização. ^[5] Apenas para comparação, a condutividade térmica do SiO₂ é de 1,38 W / mK. Esta característica permite uma melhor dissipação de calor no dispositivo em que é aplicada, aumentando a eficiência e, consequentemente, a vida útil do dispositivo.^[11]

Devido a estas propriedades térmicas, o nitreto de alumínio é o material mais apropriado para ser aplicado em dispositivos eletrônicos que exigem demanda de alta potência. A condutividade térmica de alguns nitretos é apresentada na Tabela de Condutividade.

A metodologia para preparar amostras precisa de atenção porque pode interferir nas propriedades do material, como propriedades ópticas e elétricas, normalmente as impurezas encontradas são: O, Al₂O₃, Al₂OC. As impurezas fazem com que propriedades elétricas como a resistividade variar em uma faixa muito grande de 10¹¹ a 10¹³ Ω.cm. O AlN também possui uma das mais altas velocidades de ondas acústicas de superfície (SAW) (aproximadamente 5500 m/s), tornando-se um material atraente para a aplicação de circuitos integrados Si e na fabricação de dispositivos SAW.^[11]

O efeito de impurezas no material também produz uma forte mudança na resistência dielétrica que varia de 1 a 6 MV / cm.^[13][14]Normalmente, o valor típico do bandgap correspondente aos títulos Al-N é em torno de 670 cm^-1 e pode ser diminuído com o recozimento pós-processamento, devido ao estreitamento da largura da banda vibracional que contribui para uma melhoria na cristalinidade do filme.^[15] Os valores típicos de bandgap (~6,2 eV) também são afetados pela presença das impurezas no filme depositado. ^[16]

Referências

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