Nitreto de alumínio: diferenças entre revisões
Descrição sobre nitreto de alumínio, colocando propriedades e demais assuntos interessantes sobre o nitreto Etiquetas: Inserção do elemento "nowiki", possivelmente errônea Editor Visual |
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O '''nitreto de alumínio''' é um [[composto químico]] de [[fórmula química|fórmula]] {{Quim|Al|N}}. Possui alta condutividade térmica, resistência mecânica e estabilidade estrutural, mesmo em altas temperaturas. É utilizado como cerâmica [[semicondutor]]a em dispositivos eletrônicos. |
O '''nitreto de alumínio''' é um [[composto químico]] de [[fórmula química|fórmula]] {{Quim|Al|N}}. Possui alta condutividade térmica, resistência mecânica e estabilidade estrutural, mesmo em altas temperaturas. É utilizado como cerâmica [[semicondutor]]a em dispositivos eletrônicos. |
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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. <ref>{{Citar periódico|ultimo=Clement|primeiro=M|ultimo2=Vergara|primeiro2=L|ultimo3=Sangrador|primeiro3=J|ultimo4=Iborra|primeiro4=E|ultimo5=Sanz-Hervás|primeiro5=A|data=2004-4|titulo=SAW characteristics of AlN films sputtered on silicon substrates|url=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0041624X04000411|jornal=Ultrasonics|lingua=en|volume=42|numero=1-9|paginas=403–407|doi=10.1016/j.ultras.2004.01.034}}</ref> <ref>{{Citar periódico|ultimo=Elmazria|primeiro=O.|ultimo2=Bénédic|primeiro2=F.|ultimo3=El Hakiki|primeiro3=M.|ultimo4=Moubchir|primeiro4=H.|ultimo5=Assouar|primeiro5=M.B.|ultimo6=Silva|primeiro6=F.|data=2006-2|titulo=Nanocrystalline diamond films for surface acoustic wave devices|url=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0925963505002906|jornal=Diamond and Related Materials|lingua=en|volume=15|numero=2-3|paginas=193–198|doi=10.1016/j.diamond.2005.07.031}}</ref> |
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{{Referências}} |
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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).<ref>{{Citar periódico|ultimo=Strite|primeiro=S.|data=1992-7|titulo=GaN, AlN, and InN: A review|url=http://scitation.aip.org/content/avs/journal/jvstb/10/4/10.1116/1.585897|jornal=Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures|volume=10|numero=4|paginas=1237|doi=10.1116/1.585897}}</ref> |
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{{esboço-composto-inorgânico}} |
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=== 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<sup>-2</sup> CºN<sup>-1</sup>) 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).<ref name=":0">{{Citar periódico|ultimo=Firek|primeiro=Piotr|ultimo2=Wáskiewicz|primeiro2=Michał|ultimo3=Stonio|primeiro3=Bartłomiej|ultimo4=Szmidt|primeiro4=Jan|data=2015-12-01|titulo=Properties of AlN thin films deposited by means of magnetron sputtering for ISFET applications|url=http://content.sciendo.com/view/journals/msp/33/4/article-p669.xml|jornal=Materials Science-Poland|volume=33|numero=4|paginas=669–676|doi=10.1515/msp-2015-0095|issn=2083-134X}}</ref> |
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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 (sp<sup>3</sup>). 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. <ref>{{Citar livro|url=https://www.worldcat.org/oclc/49708267|título=Handbook of refractory carbides and nitrides : properties, characteristics, processing, and applications|ultimo=Pierson, Hugh O.|data=1996|editora=Noyes Publications|local=Park Ridge, N.J.|isbn=1591240921|oclc=49708267}}</ref> |
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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. <ref>{{Citar periódico|ultimo=Rodríguez-Clemente|primeiro=R.|ultimo2=Aspar|primeiro2=B.|ultimo3=Azema|primeiro3=N.|ultimo4=Armas|primeiro4=B.|ultimo5=Combescure|primeiro5=C.|ultimo6=Durand|primeiro6=J.|ultimo7=Figueras|primeiro7=A.|data=1993-10|titulo=Morphological properties of chemical vapour deposited AlN films|url=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/0022024893901034|jornal=Journal of Crystal Growth|lingua=en|volume=133|numero=1-2|paginas=59–70|doi=10.1016/0022-0248(93)90103-4}}</ref> |
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[[Ficheiro:Wurtzite polyhedra.png|miniaturadaimagem|Representação esquemática da estrutura cristalina do nitreto de alumínio, a Wurtzita. Tetraedro formado por um átomo de Al e quatro de N.<ref>{{Citar periódico|ultimo=Fu|primeiro=Y.Q.|ultimo2=Luo|primeiro2=J.K.|ultimo3=Nguyen|primeiro3=N.T.|ultimo4=Walton|primeiro4=A.J.|ultimo5=Flewitt|primeiro5=A.J.|ultimo6=Zu|primeiro6=X.T|ultimo7=Li|primeiro7=Y.|ultimo8=McHale|primeiro8=G.|ultimo9=Matthews|primeiro9=A.|data=2017-8|titulo=Advances in piezoelectric thin films for acoustic biosensors, acoustofluidics and lab-on-chip applications|url=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0079642517300403|jornal=Progress in Materials Science|lingua=en|volume=89|paginas=31–91|doi=10.1016/j.pmatsci.2017.04.006}}</ref>]] |
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==== 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 f<sub>i</sub><sup>α</sup> em comparação com o covalente f<sub>i</sub><sup>h</sup>. A ionicidade do nitreto dos principais semicondutores é citada na Tabela 1.<ref name=":1">{{Citar livro|url=http://doi.wiley.com/10.1002/9780470744383|título=Properties of Semiconductor Alloys|ultimo=Adachi|primeiro=Sadao|data=2009-03-20|editora=John Wiley & Sons, Ltd|local=Chichester, UK|lingua=en|doi=10.1002/9780470744383|isbn=9780470744383}}</ref> |
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<math id="Pauling">f_i^\alpha+ f_i^h=1</math> |
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{| class="wikitable" |
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|+Ionicidade por Phillips (f<sub>i</sub>) , Pauling (f<sub>i</sub><sup>P</sup>) e Harrison (f<sub>i</sub><sup>h</sup>) para nitretos semicondutores. <ref name=":1" /> |
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|'''Material''' |
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|f<sub>i</sub> |
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|f<sub>i</sub><sup>P</sup> |
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|f<sub>i</sub><sup>h</sup> |
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|- |
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|'''BN''' |
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|0,221 |
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|0,42 |
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|0,43 |
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|- |
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|'''AlN''' |
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|0,490 |
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|0,56 |
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|0,57 |
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|- |
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|'''GaN''' |
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|0,500 |
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|0,55 |
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|0,61 |
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|- |
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|'''InN''' |
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|0,578 |
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|<nowiki>-</nowiki> |
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|<nowiki>-</nowiki> |
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|} |
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A ionicidade Phillips é baseada na conexão entre as propriedades de ligação química da família A<sup>N</sup>B<sup>8-N</sup> 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<sub>i</sub>), consequentemente tem alta f<sub>c</sub> e então apresenta estrutura tetraédrica com coordenada zinco -blend (zb). A estrutura Wurtzita é obtida quando os valores de f<sub>i</sub> são altos. De acordo com Phillips<ref name=":2">{{Citar periódico|ultimo=Phillips|primeiro=J. C.|data=1970-07-01|titulo=Ionicity of the Chemical Bond in Crystals|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/RevModPhys.42.317|jornal=Reviews of Modern Physics|lingua=en|volume=42|numero=3|paginas=317–356|doi=10.1103/RevModPhys.42.317|issn=0034-6861}}</ref> 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.<ref name=":2" /> |
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==== 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. |
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<br /> |
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{| class="wikitable" |
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|+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.<ref name=":1" /> |
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|'''Material''' |
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|'''Estrutura''' |
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|'''Simetria''' |
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|'''a (Å)''' |
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|'''c (Å)''' |
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|- |
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|'''c-BN''' |
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|zb |
|||
|F_43m(T<sub>d</sub>) |
|||
|3,6155 |
|||
|<nowiki>-</nowiki> |
|||
|- |
|||
|'''h-BN''' |
|||
|h |
|||
|P6<sub>3</sub>/mmc(D<sub>6h</sub>) |
|||
|2,5040 |
|||
|6,6612 |
|||
|- |
|||
|'''w-AlN''' |
|||
|w |
|||
|P6<sub>3</sub>mm(C<sub>6v</sub>) |
|||
|3,112 |
|||
|4,982 |
|||
|- |
|||
|'''c-AlN''' |
|||
|zb |
|||
|F_43m(T<sub>d</sub>) |
|||
|4,38 |
|||
|<nowiki>-</nowiki> |
|||
|- |
|||
|'''α-GaN''' |
|||
|w |
|||
|P6<sub>3</sub>mc(C<sub>6v</sub>) |
|||
|3,1896 |
|||
|5,1855 |
|||
|- |
|||
|'''β-GaN''' |
|||
|zb |
|||
|F_43m(T<sub>d</sub>) |
|||
|4,52 |
|||
|<nowiki>-</nowiki> |
|||
|- |
|||
|'''InN''' |
|||
|W |
|||
|P6<sub>3</sub>mc(C<sub>6v</sub>) |
|||
|3,5848 |
|||
|5,760 |
|||
|} |
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==== 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. |
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{| class="wikitable" |
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|+Planos de clivagem para várias estruturas cristalinas do grupo III-V. <ref name=":1" /> |
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|'''Diamante''' |
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|'''(111)''' |
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|- |
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|'''Blende''' |
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|(110) |
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|- |
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|'''Wurtzita''' |
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|(110), (110) |
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|- |
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|'''Cúbica''' |
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|(100) |
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|} |
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=== 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. |
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<br /> |
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==== 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.<ref name=":3">{{Citar periódico|ultimo=Pelegrini|primeiro=Marcus V.|ultimo2=Pereyra|primeiro2=Inés|data=2010|titulo=Characterization of AlN films deposited by r.f. reactive sputtering aiming MEMS applications|url=https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/pssc.200982861|jornal=physica status solidi c|lingua=en|volume=7|numero=3-4|paginas=840–843|doi=10.1002/pssc.200982861|issn=1610-1642}}</ref> |
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<math>T_m=7159-957a,</math> |
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sendo |
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a = parâmetro de rede para estruturas blend e cúbicas |
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a = a<sub>eef</sub>, a<sub>eef</sub> = <math>(\surd3a^2 c)^{1/3}</math>para haxagonal |
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O AlN possui estabilidade térmica de até 2200 ºC, condutividade térmica de cerca de 320 W / mK e boa capacidade de metalização. <ref name=":0" /> Apenas para comparação, a condutividade térmica do SiO<sub>2</sub> 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.<ref name=":3" /> |
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<br /> |
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{| class="wikitable" |
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|+Ponto de fusão, calor específico e temperatura de Debye para nitretos semicondutores.<ref name=":1" /> |
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|'''Material''' |
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|'''T<sub>m</sub> (K)''' |
|||
|'''C<sub>p</sub> (J/gk)''' |
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|'''Θ<sub>D</sub> (K)''' |
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|- |
|||
|'''c-BN''' |
|||
|3,246 |
|||
|0,643 |
|||
|1,613 |
|||
|- |
|||
|'''h-BN''' |
|||
|<nowiki>-</nowiki> |
|||
|0,805 |
|||
|323 |
|||
|- |
|||
|'''w-AlN''' |
|||
|3,487 |
|||
|0,28 |
|||
|988 |
|||
|- |
|||
|'''α-GaN''' |
|||
|2,791 |
|||
|0,42 |
|||
|821 |
|||
|- |
|||
|'''InN''' |
|||
|2,146 |
|||
|2,274 |
|||
|674 |
|||
|} |
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==== 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. |
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{| class="wikitable" |
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|+Condutividade térmica para nitretos semicondutores e outros materiais de interesse.<ref>{{Citar livro|url=https://www.worldcat.org/oclc/233973232|título=GaN electronics|ultimo=Quay, Rüdiger.|data=2007|editora=Springer|local=Berlin|isbn=9783540718925|oclc=233973232}}</ref> |
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|'''Material''' |
|||
|'''T<sub>m</sub> (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 |
|||
|} |
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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, Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, Al<sub>2</sub>OC. As impurezas fazem com que propriedades elétricas como a resistividade variar em uma faixa muito grande de 10<sup>11</sup> a 10<sup>13</sup> 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.<ref name=":3" /> |
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O efeito de impurezas no material também produz uma forte mudança na resistência dielétrica que varia de 1 a 6 MV / cm.<ref>{{Citar periódico|ultimo=Gerova|primeiro=E.V.|ultimo2=Ivanov|primeiro2=N.A.|ultimo3=Kirov|primeiro3=K.I.|data=1981-7|titulo=Deposition of A1N thin films by magnetron reactive sputtering|url=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/004060908190482X|jornal=Thin Solid Films|lingua=en|volume=81|numero=3|paginas=201–206|doi=10.1016/0040-6090(81)90482-X}}</ref><ref>{{Citar periódico|ultimo=Tsubouchi|primeiro=K.|ultimo2=Mikoshiba|primeiro2=N.|data=1985-9|titulo=Zero-Temperature-Coefficient SAW Devices on AlN Epitaxial Films|url=http://ieeexplore.ieee.org/document/1539723/|jornal=IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics|volume=32|numero=5|paginas=634–644|doi=10.1109/T-SU.1985.31647|issn=0018-9537}}</ref>Normalmente, o valor típico do bandgap correspondente aos títulos Al-N é em torno de 670 cm<sup>-1</sup> 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.<ref>{{Citar periódico|ultimo=Interrante|primeiro=Leonard V.|data=1989|titulo=Preparation and Properties of Aluminum Nitride Films Using an Organometallic Precursor|url=http://jes.ecsdl.org/cgi/doi/10.1149/1.2096657|jornal=Journal of The Electrochemical Society|lingua=en|volume=136|numero=2|paginas=472|doi=10.1149/1.2096657}}</ref> Os valores típicos de bandgap (~6,2 eV) também são afetados pela presença das impurezas no filme depositado. <ref>{{Citar periódico|ultimo=Pastrňák|primeiro=J.|ultimo2=Roskovcová|primeiro2=L.|data=1968|titulo=Optical Absorption Edge of AIN Single Crystals|url=http://doi.wiley.com/10.1002/pssb.19680260223|jornal=Physica Status Solidi (b)|lingua=de|volume=26|numero=2|paginas=591–597|doi=10.1002/pssb.19680260223}}</ref> |
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<br />{{Referências}} |
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<references />{{esboço-composto-inorgânico}} |
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{{Portal3|Química}} |
{{Portal3|Química}} |
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Revisão das 23h49min de 4 de junho de 2019
Nitreto de alumínio Alerta sobre risco à saúde[1] | |
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Identificadores | |
Número CAS | |
Propriedades | |
Fórmula molecular | AlN |
Massa molar | 40.988 g mol-1 |
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
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).[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]
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 fiα em comparação com o covalente fih. A ionicidade do nitreto dos principais semicondutores é citada na Tabela 1.[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
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.
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.
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.[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]
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.
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
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- ↑ 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
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