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Nitreto de alumínio

composto químico
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]

Propriedades do Material

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Estrutura Cristalina

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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]

 
Representação esquemática da estrutura cristalina do nitreto de alumínio, a Wurtzita. Tetraedro formado por um átomo de Al e quatro de N.[8]

Ionicidade AlN

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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 fiα em comparação com o covalente fih. A ionicidade do nitreto dos principais semicondutores é citada na Tabela 1.[9]

 

Ionicidade por Phillips (fi) , Pauling (fiP)  e Harrison (fih) para nitretos semicondutores. [9]
Material fi fiP fih
BN 0,221 0,42 0,43
AlN 0,490 0,56 0,57
GaN 0,500 0,55 0,61
InN 0,578 - -

A ionicidade Phillips é baseada na conexão entre as propriedades de ligação química da família ANB8-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 (fi), consequentemente tem alta fc e então apresenta estrutura tetraédrica com coordenada zinco -blend (zb). A estrutura Wurtzita é obtida quando os valores de fi 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]

Parâmetros de Rede

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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.

Estrutura cristalina, grupo espacial, constantes de malha a e c (T = 300K) para nitretos semicondutores; d = diamante, zb = blende, h = hexagonal, w = wurtzita e rs = cúbico.[9]
Material Estrutura Simetria a (Å) c (Å)
c-BN zb F_43m(Td) 3,6155 -
h-BN h P63/mmc(D6h) 2,5040 6,6612
w-AlN w P63mm(C6v) 3,112 4,982
c-AlN zb F_43m(Td) 4,38 -
α-GaN w P63mc(C6v) 3,1896 5,1855
β-GaN zb F_43m(Td) 4,52 -
InN W P63mc(C6v) 3,5848 5,760

Plano de Clivagem

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

Planos de clivagem para várias estruturas cristalinas do grupo III-V. [9]
Diamante (111)
Blende (110)
Wurtzita (110), (110)
Cúbica (100)

Propriedades Mecânicas

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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.

Propriedades Térmicas

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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]


 


sendo

            a = parâmetro de rede para estruturas blend e cúbicas

            a = aeef, aeef =   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]

Ponto de fusão, calor específico e temperatura de Debye para nitretos semicondutores.[9]
Material Tm (K) Cp (J/gk) ΘD (K)
c-BN 3,246 0,643 1,613
h-BN - 0,805 323
w-AlN 3,487 0,28 988
α-GaN 2,791 0,42 821
InN 2,146 2,274 674

Propriedades Elétricas e Ópticas

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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.

Condutividade térmica para nitretos semicondutores e outros materiais de interesse.[12]
Material Tm (K)
Si 148
GaAs 54
InP 68
c-BN 749
GaN 130
w-AlN 285
w-InN 38,5; 45; 80; 176
6H-SiC 390; 490
4H-SiC 330
Safira 42
Diamond 2000; 2500

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

  1. ↑ «Aluminum Nitride». Accuratus 
  2. ↑ Clement, M; Vergara, L; Sangrador, J; Iborra, E; Sanz-Hervás, A (abril de 2004). «SAW characteristics of AlN films sputtered on silicon substrates». Ultrasonics (em inglês). 42 (1-9): 403–407. doi:10.1016/j.ultras.2004.01.034 
  3. ↑ Elmazria, O.; Bénédic, F.; El Hakiki, M.; Moubchir, H.; Assouar, M.B.; Silva, F. (fevereiro de 2006). «Nanocrystalline diamond films for surface acoustic wave devices». Diamond and Related Materials (em inglês). 15 (2-3): 193–198. doi:10.1016/j.diamond.2005.07.031 
  4. ↑ Strite, S. (julho de 1992). «GaN, AlN, and InN: A review». Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures. 10 (4). 1237 páginas. doi:10.1116/1.585897 
  5. ↑ a b Firek, Piotr; Wáskiewicz, Michał; Stonio, Bartłomiej; Szmidt, Jan (1 de dezembro de 2015). «Properties of AlN thin films deposited by means of magnetron sputtering for ISFET applications». Materials Science-Poland. 33 (4): 669–676. ISSN 2083-134X. doi:10.1515/msp-2015-0095 
  6. ↑ Pierson, Hugh O. (1996). Handbook of refractory carbides and nitrides : properties, characteristics, processing, and applications. Park Ridge, N.J.: Noyes Publications. ISBN 1591240921. OCLC 49708267 
  7. ↑ Rodríguez-Clemente, R.; Aspar, B.; Azema, N.; Armas, B.; Combescure, C.; Durand, J.; Figueras, A. (outubro de 1993). «Morphological properties of chemical vapour deposited AlN films». Journal of Crystal Growth (em inglês). 133 (1-2): 59–70. doi:10.1016/0022-0248(93)90103-4 
  8. ↑ Fu, Y.Q.; Luo, J.K.; Nguyen, N.T.; Walton, A.J.; Flewitt, A.J.; Zu, X.T; Li, Y.; McHale, G.; Matthews, A. (agosto de 2017). «Advances in piezoelectric thin films for acoustic biosensors, acoustofluidics and lab-on-chip applications». Progress in Materials Science (em inglês). 89: 31–91. doi:10.1016/j.pmatsci.2017.04.006 
  9. ↑ a b c d e Adachi, Sadao (20 de março de 2009). Properties of Semiconductor Alloys (em inglês). Chichester, UK: John Wiley & Sons, Ltd. ISBN 9780470744383. doi:10.1002/9780470744383 
  10. ↑ a b Phillips, J. C. (1 de julho de 1970). «Ionicity of the Chemical Bond in Crystals». Reviews of Modern Physics (em inglês). 42 (3): 317–356. ISSN 0034-6861. doi:10.1103/RevModPhys.42.317 
  11. ↑ a b c Pelegrini, Marcus V.; Pereyra, Inés (2010). «Characterization of AlN films deposited by r.f. reactive sputtering aiming MEMS applications». physica status solidi c (em inglês). 7 (3-4): 840–843. ISSN 1610-1642. doi:10.1002/pssc.200982861 
  12. ↑ Quay, Rüdiger. (2007). GaN electronics. Berlin: Springer. ISBN 9783540718925. OCLC 233973232 
  13. ↑ Gerova, E.V.; Ivanov, N.A.; Kirov, K.I. (julho de 1981). «Deposition of A1N thin films by magnetron reactive sputtering». Thin Solid Films (em inglês). 81 (3): 201–206. doi:10.1016/0040-6090(81)90482-X 
  14. ↑ Tsubouchi, K.; Mikoshiba, N. (setembro de 1985). «Zero-Temperature-Coefficient SAW Devices on AlN Epitaxial Films». IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics. 32 (5): 634–644. ISSN 0018-9537. doi:10.1109/T-SU.1985.31647 
  15. ↑ Interrante, Leonard V. (1989). «Preparation and Properties of Aluminum Nitride Films Using an Organometallic Precursor». Journal of The Electrochemical Society (em inglês). 136 (2). 472 páginas. doi:10.1149/1.2096657 
  16. ↑ Pastrňák, J.; Roskovcová, L. (1968). «Optical Absorption Edge of AIN Single Crystals». Physica Status Solidi (b) (em alemão). 26 (2): 591–597. doi:10.1002/pssb.19680260223 
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