Il nitruro di alluminio è un composto binario formato da alluminio e azoto in uguale proporzione, la cui formula minima è quindi AN, o anche AlIIIN−III. È un composto covalente non molecolare, dove sia l'alluminio che l'azoto sono entrambi tetracoordinati e tetraedrici.
In condizioni ambiente si presenta come polvere bianca, ma è possibile ottenerlo in forma di cristalli esagonali, incolori e durissimi.
Il nitruro di alluminio è un tipico semiconduttore del tipo III-V ad ampio band-gap. Venne ottenuto per la prima volta nel 1862 da F. Briegleb e A. Geuther, poi preparato in forma pura da J. W. Mallet nel 1876, ma il suo potenziale impiego nella microelettronica fu compreso solo negli anni 1980 grazie alla sua conducibilità termica relativamente elevata.
Produzione e stabilità Il nitruro di alluminio si ottiene per riduzione termica dell'ossido di alluminio con carbone in atmosfera di azoto o ammoniaca, sotto pressione, a una temperatura di circa 1.600 °C, secondo le seguenti reazioni chimiche:
Al2O3 + 3 C + N2 → 2 AlN + 3 CO
2 Al2O3 + 9 C + 4 NH3 → 4 AlN + 3 CH4 + 6 CO
Un'ulteriore via sintetica è la nitrurazione diretta. Con questo metodo l'alluminio metallico (o l'ossido di alluminio) viene trasformato in nitruro di alluminio facendolo reagire con azoto molecolare o ammoniaca a una temperatura superiore a 900 °C: 2Al \ + \ N2 -> 2AlN
Al2O3 \ + \ 2NH3 -> 2AlN \ + \ 3H2O
In tal modo si ottiene AlN sufficientemente puro per scopi chimici, ma non altrettanto per impieghi i elettronica, che prevedono raffinazioni o altre tecniche, del tipo della crescita epitassiale o della deposizione chimica da vapore.
Il nitruro di alluminio ha buona stabilità termica: riscaldato in aria, inizia a ossidarsi solo a ~700 °C; nel vuoto, si decompone a partire da ~1.800 °C; in atmosfera inerte, fonde a ~2.200 °C.
In acqua il cristallo è insolubile ma, come polvere finemente suddivisa, tende a idrolizzarsi lentamente con svolgimento di ammoniaca; reagisce lentamente con gli acidi minerali e, anche allo stato cristallino, è lentamente attaccato da soluzioni concentrate di idrossidi alcalini.
Proprietà e struttura Il nitruro di alluminio è un composto molto stabile termodinamicamente, la sua formazione dagli elementi è esotermica e esoergonica: ΔHƒ° = -318,0 kJ/mol e ΔGƒ° = -287,0 kJ/mol. Il composto è combustibile, ma difficilmente infiammabile.
Il nitruro di alluminio AlN è formato dall'unione 1:1 di alluminio, avente 3 elettroni esterni (3s2 3p1), con l'azoto, avente 5 elettroni esterni (2s2 2p3), a dare un reticolo cristallino in cui vi sono 8 elettroni di valenza per ogni atomo (Al o N), come accade per i cristalli isoelettronici di valenza del nitruro di boro BN e del silicio o del diamante. In effetti, nella sua fase più stabile a temperatura e pressione ambiente AlN cristallizza in una fase esagonale del tipo della wurtzite (w-AlN, simile a quella della lonsdaelite, o diamante esagonale), gruppo spaziale P63mc (N° 186) le cui costanti di reticolo sono a = 311,14 pm e c = 497,92 pm; la sua durezza su scala di Mohs è molto alta, pari a 9, come il corindone.
Per AlN esiste anche un'altra fase avente struttura cubica, del tipo blenda di zinco (c-AlN), che però è metastabile, per la quale è previsto che possa mostrare superconduttività se sottoposta ad alte pressioni.
Proprietà elettroniche, conducibilità elettrica e termica Questa struttura w-AlN è dotata di un band gap diretto molto ampio, pari a 6,015 eV a temperatura ambiente. AlN è uno dei pochi materiali ad averlo al contempo così alto e diretto: quello del dell'omologo nitruro di gallio GaN è anch'esso diretto, ma è poco più della metà (3,4 eV), mentre quello del diamante è solo di poco inferiore (~5,5 eV), ed è indiretto.
Per l'ampiezza del band gap il nitruro di alluminio si comporta essenzialmente da materiale elettricamente isolante ma, d'altro canto, per lo stesso motivo trova potenziale applicazione nell'optoelettronica per dispositivi che operano nell'ultravioletto lontano. A tal proposito, il suo indice di rifrazione è n = 2,1543, un valore simile a quello del nitruro di boro cubico, 2,1. Inoltre, data la compattezza e simmetria della struttura cristallina, AlN è dotato di elevata conducibilità termica, cosa che lo rende molto utile per lo smaltimento di calore in microelettronica e con il vantaggio, rispetto a un metallo, di essere elettricamente isolante.
La conducibilità elettrica per il materiale intrinseco (non drogato), cade nell'intervallo , che sale di diversi ordini di grandezza a quando drogato. Il materiale ha alta rigidità dielettrica: la perforazione del dielettrico si verifica solo per campi elettrici molto elevati, nell'intervallo .
Il nitruro di alluminio ha un'elevata conducibilità termica: un monocristallo di nitruro di alluminio intrinseco di alta qualità, cresciuto in MOCVD, ha una conducibilità termica di , un valore che si accorda con calcoli teorici al riguardo. Per campioni ceramici policristallini usati come isolanti elettrici la conducibilità termica è nell'intervallo mentre, per monocristalli, si trova .
Piezoelettricità Data la rilevante differenza di elettronegatività esistente tra Al (1,61) e N (3,04), i legami Al−N nel cristallo sono sì covalenti, ma alquanto polari: la carica parziale per l'atomo Al oscilla secondo le stime tra +1,8 e e +2,3 e, e una di segno opposto su N. Dato poi che la struttura cristallina di AlN manca di un centro di simmetria, il nitruro di alluminio risulta piezoelettrico, con una polarizzazione elettrica che raggiunge valori ragguardevoli e maggiori che negli analoghi nitruri di gallio (GaN) e indio (InN) .
Questo materiale è interessante come alternativa non tossica all'ossido di berillio, anch'esso con la struttura cubica della wurtzite, e con band gap altissimo (10,6 eV). Per esso sono disponibili metodi di metallizzazione della superficie per usare il nitruro di alluminio al posto dell'ossido di alluminio nelle più importanti applicazioni elettroniche.
Applicazioni 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 band gap diretto contenente una quantità di alluminio significativa da un punto di vista tecnologico: possiede infatti la più ampia banda proibita di tutti i semiconduttori. È pertanto un ingrediente chiave per la maggior parte delle buche quantiche basate su nitruri. Un'attenzione crescente viene posta sull'Al_{x}In_{1-x}N, che per ha un passo reticolare che combacia con quello del nitruro di gallio (GaN). .
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. Una misura del band gap di un monocristallo di nitruro di alluminio ha fornito il valore di 6,2 eV (usando la riflessione nell'ultravioletto lontano). 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 del nitruro 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.
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. Dopo più di un decennio di ricerca Agilent adesso produce un filtro RF chiamato FBAR per l'uso nella telefonia mobile. Questa tecnologia è strettamente associata all'ingegneria nel campo dei MEMS.
Reattività La polvere di nitruro di alluminio manifesta alta idrolizzabilità. In acqua si osserva idrolisi a idrossido di alluminio e ammoniaca. Le forme ceramiche sinterizzate di AlN non mostrano tendenza all'idrolisi. In soluzione di idrossido di sodio sia la polvere di nitruro di alluminio che la forma ceramica sinterizzata si decompongono in ammoniaca e tetraidrossialluminato di sodio:
AlN \ + \ NaOH \ + \ 3H2O -> NH3 \ + \ Na[Al(OH)4]
Note
Voci correlate Nitruri Nitruro di boro Nitruro di gallio Fosfato di alluminio Nitruro di indio
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