Nitreto de alumínio

Predefinição:Info/Química O nitreto de alumínio é um composto químico de fórmula Predefinição:Quim. 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.

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).

Propriedades do Material

Estrutura Cristalina

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).

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.

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.

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

Ionicidade AlN

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.

$f_i^{\alpha }+f_i^h=1$

Ionicidade por Phillips (f_i) , Pauling (f_i^P)  e Harrison (f_i^h) para nitretos semicondutores.

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 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 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.

Parâmetros de Rede

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.

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

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.

Diamante	(111)
Blende	(110)
Wurtzita	(110), (110)
Cúbica	(100)

Propriedades Mecânicas

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

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.

$T_m=7159-957a,$

sendo

            a = parâmetro de rede para estruturas blend e cúbicas

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

O AlN possui estabilidade térmica de até 2200 ºC, condutividade térmica de cerca de 320 W / mK e boa capacidade de metalização. 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.

Ponto de fusão, calor específico e temperatura de Debye para nitretos semicondutores.

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

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.

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.

O efeito de impurezas no material também produz uma forte mudança na resistência dielétrica que varia de 1 a 6 MV / cm.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. Os valores típicos de bandgap (~6,2 eV) também são afetados pela presença das impurezas no filme depositado.
Predefinição:Referências