Nitruro di alluminio

Nitruro di alluminio
	Nitruro di alluminio
Nome IUPAC
	Nitruro di alluminio
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolare	AlN
Massa molecolare (u)	40.988 g/mol
Aspetto	solido cristallini, blu chiaro-bianco
Numero CAS	24304-00-5
Numero EINECS	246-140-8
PubChem	90455
SMILES	N#[Al]
Proprietà chimico-fisiche
Densità (g/cm3, in c.s.)	3255 kg/m3
Temperatura di fusione	2473
Temperatura di ebollizione	2790
Proprietà termochimiche
ΔfH0 (kJ·mol−1)	−0.2414
ΔfG0 (kJ·mol−1)	−0.2109
Indicazioni di sicurezza
Temperatura di autoignizione	Non infiammabile
Simboli di rischio chimico
	attenzione
Frasi H	315 - 319 - 335
Consigli P	261 - 305+351+338

Il nitruro di alluminio è il composto binario formato da alluminio e azoto, contiene lo ione nitruro e possiede formula bruta AlN. La sua fase principale è la wurtzite (w-AlN). Ha un ampio bandgap (6.2 eV) ed è un materiale isolante che trova potenziale applicazione nell'optoelettronica ultravioletta. Il nitruro di alluminio cristallizza in strutture di wurtzite, nel raggruppamento spaziale esagonale P6₃mc. L'atomo di alluminio costituisce la struttura esagonale, l'atomo di azoto occupa la metà delle posizioni tetraedriche della struttura. Le costanti di reticolo sono a = 3.1114 Å e c = 4.9792 Å. La densità del nitruro di alluminio è pari a 3,26 g/cm³. Alluminio e azoto presentano un legame covalente parziale, la parte di legame ionico ammonta al 45 %. Il peso molecolare relativo M_r è 40,99 u. In atmosfera di azoto manifesta un punto di fusione e sublimazione di 2000 °C ed ha una durezza in scala Mohs di 9.

Le ceramiche di nitruro di alluminio in atmosfera normale vengono sintetizzate a pressione, a una temperatura di circa 1800 °C. Con l'aiuto di opportuni sinterizzatori giunge alla fase di sinterizzazione fluida. In pratica viene dopato con ossido di calcio e ossido di ittrio, procedimento standard ampiamente utilizzato.

La ceramica al nitruro di alluminio ha un'ottima conducibilità termica, pari a 180 W/mK, che lo rendono un substrato dalle elevate prestazioni in elettronica (come isolante elettrico, ma conduttore di calore). La ceramica al nitrato di alluminio risulta interessante in numerosi impieghi, poiché se il calore viene efficacemente trasportato, il pezzo non è buon conduttore elettrico. Il nitruro di alluminio viene modellato tramite tecniche a spruzzo, o sputtering. Inoltre è debolmente piezoelettrico.

Storia modifica

Il nitruro di alluminio è stato sintetizzato per la prima volta nel 1862 da F. Briegleb e A. Geuther^[2]^[3], ma il suo potenziale impiego nell'optoelettronica fu compreso solo negli anni 80 grazie alla conducibilità termica relativamente elevata. Allo stato puro (non drogato) ha una conduttività elettrica di $10^{-11}-10^{-13}\,\Omega ^{-1}\mathrm {cm^{-1}}$ , che sale a $10^{-5}-10^{-6}\,\Omega ^{-1}\mathrm {cm^{-1}}$ quando drogato^[4]. La rottura dielettrica si verifica in un campo di $1,2-1,8\times 10^{5}\,\mathrm {V/mm}$ (rigidità dielettrica)^[4].

È previsto che la fase cubica tipo blenda di zinco del nitrato di alluminio (zb-AlN) possa mostrare superconduttività ad alte pressioni^[5].

Il nitruro di alluminio ha un'elevata conduttività termica; un cristallo singolo di nitruro di alluminio di alta qualità coltivato in MOCVD ha una conduttività termica intrinseca di $321\,\mathrm {W/(m\cdot K)}$ , coerente con un calcolo del primo principio^[6]. Per una ceramica elettricamente isolante, è $70-210\,\mathrm {W/(m\cdot K)}$ per il materiale policristallino e fino a $285\,\mathrm {W/(m\cdot K)}$ per i cristalli singoli)^[4].

Questo materiale è interessante come alternativa non tossica al berillio. Metodi di metallizzazione sono disponibili per usare il nitruro di alluminio al posto dell'alluminio e dell'ossido di berillio (BeO) per le più importanti applicazioni elettroniche. Il nitruro di alluminio è sintetizzato attraverso la riduzione carbotermica dell'ossido di alluminio o attraverso la diretta nitrizzazione dell'alluminio.

Il nitruro di alluminio è un materiale legato prevalentemente in modo covalente, e ha una struttura cristallina esagonale isomorfa con uno dei polimorfi di zinco solfuro conosciuto come wurtzite. Il gruppo spaziale di questa struttura è P6₃mc (gruppo n°186). L'uso di sintetizzatori e la compressione a caldo sono necessari per ottenere un materiale denso ad uso professionale. Il materiale è stabile ad alte temperature se è in atmosfera inerte. All'aria, l'ossidazione superficiale avviene a circa 700 °C, ed anche a temperatura ambiente sono state rilevate ossidazioni di 5-10. Questo strato ossidato protegge l'interno fino a 1370 °C; oltre questa temperatura avviene un'ossidazione massiccia. Il nitruro di alluminio è stabile in atmosfera di idrogeno e di diossido di carbonio fino a 980 °C. Il materiale si scioglie in acidi minerali sotto l'attacco di granuli superficiali, e in alcali forti se attaccato ai granuli di alluminio nitruro. Il materiale si idrolizza lentamente in acqua. Il nitruro di alluminio è resistente ad attacchi dalla maggior parte dei sali inclusi e criolite.

Applicazioni modifica

La principale applicazione del nitruro di alluminio è definita nel campo della conduttività elettrica.

Gli studi sperimentali si sono concentrati principalmente sulla fase wurtzite. Il nitruro di alluminio è infatti l'unico semiconduttore a gap diretto contenente una quantità di alluminio significativa da un punto di vista tecnologico: possiede infatti la più larga banda proibita di tutti i semiconduttori. È pertanto un ingrediente chiave per la maggior parte delle buche quantiche basate su nitruri. Attenzione crescente viene posta sull' ${\ce {Al_{x}In_{1-x}N}}$ , che per $x=0,83$ ha un passo reticolare che combacia con quello del nitruro di gallio (GaN). Il piegamento della banda proibita derivato dai primi studi sperimentali sembra essere talmente intenso da portare a una minore energia di gap per il composto con matching reticolare rispetto al nitruro di gallio. Dal lato teorico, il parametro di bowing sembra accostarsi a 2,53 eV, ma l'incertezza associata a questo valore è di gran lunga maggiore rispetto ad altri composti come nitruro di gallio di indio (GaInN) e nitruro di gallio di alluminio (AlGaN)^[Chiarire].

Attualmente c'è anche molta ricerca sui diodi emettitori di luce per lavorare con gli ultravioletti usando nitruro di gallio come base semiconduttrice; usando le leghe nitruro di gallio alluminio, è stata ottenuta una lunghezza d'onda di 250 nm. Nel maggio 2006 è stata ottenuta un'inefficiente emissione LED a 210 nm ^[7]. La banda proibita del singolo cristallo di nitruro di alluminio è stata misurata (usando la riflessione UV del vuoto) a 6.2 eV. Questo permette di ottenere una lunghezza d'onda iniziale di circa 200 nm. Comunque, devono essere superate alcune difficoltà prima che questi emettitori diventino una realtà commerciale. Tra le applicazioni delnitruro di alluminio vi sono l'optoelettronica, come mediatore nella diffusione ottica e vi è un'applicazione nei substrati elettronici come chip carrier, dove la conducibilità termica è indispensabile, e infine in campo bellico.^{[senza fonte]}

Il nitruro di alluminio cristallino prodotto epitassialmente è usato anche per sensori di onde acustiche di superficie (SAW's), ottenute da wafers depositati sul silicio, grazie alle proprietà piezoelettriche del nitruro di alluminio. Agilent dopo più di un decennio di ricerca adesso produce un filtro RF usato nella telefonia mobile chiamato FBAR. Questa tecnologia è strettamente associata all'ingegneria nel campo dei MEMS.

Sintesi modifica

La polvere di nitruro di alluminio si produce dall'ossido di alluminio, dall'azoto proveniente dall'ammoniaca (NH₃) e dal carbonio in eccesso a una temperatura maggiore di 1600 °C con una reazione carbotermica:

{\ce {2 Al2O3 \ + \ 9C \ + \ 4NH3 -> 4AlN \ + \ 3CH4 \ + \ 6CO}}

{\ce {Al2O3\ +\ 3C\ +\ N2->2AlN\ +\ 3CO}}

Un'ulteriore via sintetica è la nitrizzazione diretta. Con questa sintesi l'alluminio metallico (o l'ossido di alluminio) viene trasformato in nitruro di alluminio facendolo reagire con azoto molecolare o ammoniaca a una temperatura maggiore di 900 °C:

{\ce {2Al\ +\ N2->2AlN}}

{\ce {Al2O3 \ + \ 2NH3 -> 2AlN \ + \ 3H2O}}

Reattività modifica

La polvere di nitruro di alluminio manifesta alta idrolizzabilità. In acqua si osserva la dissociazione a idrossido di alluminio e ad ammoniaca. Le ceramiche sinterizzate non mostrano tendenza all'idrolisi. In idrossido di sodio sia la polvere di nitruro di alluminio che la ceramica sinterizzata di nitruro di alluminio si decompongono in ammoniaca e idrossialluminato di sodio:

{\ce {AlN\ +\ NaOH\ +\ 3H2O->NH3\ +\ Na[Al(OH)4]}}

Note modifica

^ scheda del nitruro di alluminio su IFA-GESTIS Archiviato il 16 ottobre 2019 in Internet Archive.
^ (EN) Fesenko, I.P., Prokopiv, M.M. e Chasnyk, V.I., Aluminium nitride based functional materials, prepared from nano/micron-sized powders via hot pressing/pressureless sintering, EPC ALCON, 2015, p. 11, ISBN 978-96-68-44953-6.
^ (DE) F. Briegleb e A. Geuther, Ueber das Stickstoffmagnesium und die Affinitäten des Stickgases zu Metallen, in Justus Liebigs Annalen der Chemie, vol. 123, n. 2, 1862, DOI:10.1002/jlac.1862123021.
^ ^a ^b ^c (EN) AlN – Aluminium Nitride, su ioffe.rssi.ru. URL consultato il 1º gennaio 2014.
^ (EN) G. Selva Dancy, V. Benaline Sheeba, C. Nirmala Louis e A. Amalraj, Superconductivity in Group III-V Semiconductor AlN Under High Pressure, in Orbital - the Electronic Journal of Chemistry, vol. 7, n. 3, Instituto de Quimica - Univ. Federal do Mato Grosso do Sul, 30 settembre 2015, DOI:10.17807/orbital.v7i3.628.
^ (EN) Zhe Cheng, Yee Rui Koh, Abdullah Mamun, Jingjing Shi, Tingyu Bai, Kenny Huynh, Luke Yates, Zeyu Liu, Ruiyang Li, Eungkyu Lee, Michael E. Liao, Yekan Wang, Hsuan Ming Yu, Maki Kushimoto, Tengfei Luo, Mark S. Goorsky, Patrick E. Hopkins, Hiroshi Amano, Asif Khan e Samuel Graham, Experimental observation of high intrinsic thermal conductivity of AlN, in Physical Review Materials, vol. 4, n. 4, 2020, p. 044602, DOI:10.1103/PhysRevMaterials.4.044602. URL consultato il 3 aprile 2020.
^ Home – Physics World

Voci correlate modifica

Collegamenti esterni modifica

Accademici modifica

Ioffe data archive, su ioffe.rssi.ru.
Electronic Structure of AlN (PDF), su lrsm.upenn.edu. URL consultato il 6 gennaio 2007 (archiviato dall'url originale il 31 ottobre 2006).
MSDS (University of Oxford), su physchem.ox.ac.uk. URL consultato il 6 gennaio 2007 (archiviato dall'url originale il 18 ottobre 2007).

Commerciali modifica

Ceramic Substrates and Components Ltd, su ceramic-substrates.co.uk. URL consultato il 6 gennaio 2007 (archiviato dall'url originale il 25 dicembre 2005).
Goodfellow, su goodfellow.com. URL consultato il 6 gennaio 2007 (archiviato dall'url originale il 29 ottobre 2006).

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Portale Chimica

Portale Fisica

[1] scheda del nitruro di alluminio su IFA-GESTIS Archiviato il 16 ottobre 2019 in Internet Archive.

[2] (EN) Fesenko, I.P., Prokopiv, M.M. e Chasnyk, V.I., Aluminium nitride based functional materials, prepared from nano/micron-sized powders via hot pressing/pressureless sintering, EPC ALCON, 2015, p. 11, ISBN 978-96-68-44953-6.

[3] (DE) F. Briegleb e A. Geuther, Ueber das Stickstoffmagnesium und die Affinitäten des Stickgases zu Metallen, in Justus Liebigs Annalen der Chemie, vol. 123, n. 2, 1862, DOI:10.1002/jlac.1862123021.

[prop1-4] (EN) AlN – Aluminium Nitride, su ioffe.rssi.ru. URL consultato il 1º gennaio 2014.

[5] (EN) G. Selva Dancy, V. Benaline Sheeba, C. Nirmala Louis e A. Amalraj, Superconductivity in Group III-V Semiconductor AlN Under High Pressure, in Orbital - the Electronic Journal of Chemistry, vol. 7, n. 3, Instituto de Quimica - Univ. Federal do Mato Grosso do Sul, 30 settembre 2015, DOI:10.17807/orbital.v7i3.628.

[prop20-6] (EN) Zhe Cheng, Yee Rui Koh, Abdullah Mamun, Jingjing Shi, Tingyu Bai, Kenny Huynh, Luke Yates, Zeyu Liu, Ruiyang Li, Eungkyu Lee, Michael E. Liao, Yekan Wang, Hsuan Ming Yu, Maki Kushimoto, Tengfei Luo, Mark S. Goorsky, Patrick E. Hopkins, Hiroshi Amano, Asif Khan e Samuel Graham, Experimental observation of high intrinsic thermal conductivity of AlN, in Physical Review Materials, vol. 4, n. 4, 2020, p. 044602, DOI:10.1103/PhysRevMaterials.4.044602. URL consultato il 3 aprile 2020.

[7] Home – Physics World

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