Nitruro di alluminio
# Nitruro di alluminio

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 $P6_3mc.$ 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

Il nitruro di alluminio è stato sintetizzato per la prima volta nel 1862 da F. Briegleb e A. Geuther, 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. La rottura dielettrica si verifica in un campo di $1,2-1,8\times 10^{5}\,\mathrm {V/mm}$ (rigidità dielettrica).

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

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. 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).

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 $P6_3mc$ (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

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).

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. 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.

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

La polvere di nitruro di alluminio si produce dall'ossido di alluminio, dall'azoto proveniente dall'ammoniaca $(NH_3)$ 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

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:

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