Nitruro di alluminio

Il nitruro di alluminio (AlN) è un materiale ceramico che presenta buona conduttività termica, basse perdite dielettriche, basso consumo dielettrico, un coefficiente di dilatazione termica corrispondente a quello del silicio, insieme ad altre proprietà fisiche che rendono il nitruro di alluminio il materiale più interessante quale substrato per unità microelettroniche integrate.

Dopo la scoperta avvenuta 160 anni fa, il nitruro di alluminio è stato uno dei composti più studiati dai ricercatori ed è stato recentemente lanciato come wafer semiconduttore dalla società tedesca Fraunhofer IISB. Il nitruro di alluminio è noto come un composto refrattario con elevata durezza e buona resistenza allo shock termico, basso coefficiente di dilatazione termica, elevata resistività elettrica, buona resistenza alla corrosione e all’usura e ampio band gap (6.2 eV).

Per le sue proprietà il nitruro di alluminio ha attirato una crescente attenzione da parte della ricerca e si sono verificati progressi significativi grazie alle sue ampie applicazioni nei diodi emettitori di luce ultravioletta, diodi laser, dispositivi a onde acustiche superficiali

Proprietà

Il nitruro di alluminio forma una struttura tipo wurtzite termodinamicamente stabile a forma esagonale in cui alluminio e azoto sono legati tramite legame covalente. Il materiale è stabile a temperature molto elevate in atmosfere inerti. Nell’aria, l’ossidazione superficiale inizia sopra i 700°C con formazione di uno strato di ossido di alluminio che protegge il materiale fino a 1370°C.

struttura
struttura

Si dissolve lentamente negli acidi minerali attraverso l’attacco ai bordi dei grani e negli alcali forti attraverso l’attacco ai grani di nitruro di alluminio. A differenza della maggior parte delle ceramiche, il nitruro di alluminio ha una conduttività termica molto alta superata solo dall’ossido di berillio. Quando è monocristallino, questo valore può raggiungere fino a 285 W/(m·K) mentre se è policristallino la conduttività termica ha valore compreso tra 70 e 210 W/(m·K).

L’elevata conduttività termica del nitruro di alluminio è il risultato della sua bassa massa molare rispetto a quella dell’allumina del forte legame e della struttura cristallina relativamente semplice. Similmente ad altre ceramiche, ha una resistività elettrica molto elevata, nell’intervallo 10-16 Ω⋅m e pertanto è un isolante elettrico. È un materiale meccanicamente duro con un elevato punto di fusione superiore a 2000 °C e mostra una tendenza ad assorbire ossigeno

Preparazione del nitruro di alluminio

A causa delle sue proprietà i ricercatori hanno sviluppato e adottato una varietà di metodi per sintetizzare la polvere di nitruro di alluminio come il processo di nitrurazione diretta (DN), il processo di riduzione e nitrurazione carbotermica (CRN).

Il principio base del processo CRN prevede la conversione dell’ossido di alluminio e carbonio sotto atmosfera di azoto una temperatura superiore a 1600 °C per diverse ore secondo la reazione:
Al2O3(s) + 3 C(s) + N2(g) → 2 AlN(s) + 3 CO(g)

proprietà
proprietà

Per ridurre la temperatura di sintesi del processo è necessario migliorare la reattività della polvere di ossido di alluminio o riducendo la dimensione delle particelle mediante macinazione o riducendo l’energia di attivazione superficiale della polvere aggiungendo composti contenenti metalli alcalino-terrosi o delle terre rare. Con questi due metodi, tuttavia, avviene solo l’attivazione della superficie della polvere, mentre la parte interna delle particelle mantiene la struttura cristallina di α- Al2O3.

Un terzo metodo prevede la sostituzione delle polveri α- Al2O3 con allumina idrata che, tuttavia, si trasforma in α- Al2O3 quando la temperatura supera i 1200 °C. Sono quindi state altre fonti di alluminio come l’idrossido di alluminio, l’ossido di idrossido di alluminio AlOOH e altre forme polimorfe di Al2O3 e propano ammoniaca quali agenti di riduzione-nitrurazione.

Con questa modalità la sintesi della polvere di nitruro di alluminio avviene a 1200 °C, il metodo non è adatto per l’applicazione nell’industria perché prevedeva l’uso di ammoniaca che è tossica. Un metodo di sintesi più recente che ha dato buoni risultati prevede l’utilizzo dell’alluminato di sodio NaAlO2 che si decompone sopra i 1000 °C rilasciando ossido di sodio.

Il rilascio di ossido di sodio porta al collasso della struttura cristallina dell’alluminato e gli atomi di ossigeno e di alluminio distribuiti irregolarmente nella struttura cristallina originale formano allumine ad alta energia con scarsa coordinazione. Tuttavia queste allumine ad alta energia reagiscono con l’azoto prima di trasformarsi in α- Al2O3 ad alte temperature, si ottiene la polvere di nitruro di alluminio a una temperatura relativamente bassa.

Stabilità del nitruro di alluminio all’idrolisi

Le polveri di nitruro di alluminio sono suscettibili all’idrolisi con formazione di prodotti indesiderati.  Sulla superficie delle particelle di nitruro di alluminio si forma inizialmente uno strato amorfo composto da AlOOH, che poi si trasforma in idrossido di alluminio secondo le seguenti reazioni:
AlN + 2 H2O → AlOOH + NH3
AlOOH + H2O → Al(OH)3

NH3 + H2O → NH4+ + OH

Pertanto la maggior parte dei processi di trattamento prevedono il rivestimento della superficie delle particelle nitruro di alluminio con molecole organiche a catena lunga, come acidi carbossilici e, in particolare acido stearico, alcol cetilico e acido n-decanoico.

Queste sostanze organiche sono idrofobiche e quindi impediscono all’acqua di entrare in contatto con la superficie delle particelle protette. Tuttavia l’utilizzo di solventi organici infiammabili e pericolosi ha aperto la strada a nuove metodologie per proteggere le polveri superficiali di nitruro di alluminio mediante chemisorbimento di anioni idrofili da specie acide come l’acido fosforico o l’acido silicico da mezzi acquosi.

Usi

Grazie alla sua elevata resistenza alla corrosione alle alte temperature, il nitruro di alluminio viene utilizzato come materiale per crogioli per metalli fusi e per le sue proprietà piezoelettriche, è usato per i sensori di onde acustiche superficiali, filtri nei sistemi di comunicazione, dispositivi medici a ultrasuoni, altoparlanti e sensori. Esso, infatti, ha la capacità di convertire la sollecitazione meccanica in un segnale elettrico, o viceversa.

usi
usi

Materiali ceramici al nitruro di alluminio possono essere utilizzati in tubi di protezione per termocoppie, parti isolanti ad alta temperatura e come ceramica strutturale resistente alle alte temperature e alla corrosione. Viene  utilizzato come base per circuiti, substrato per semiconduttori o come dissipatore di calore nell’elettronica ad alta capacità o nelle tecnologie di illuminazione a LED.

Viene spesso utilizzato per applicazioni elettroniche grazie alle sue eccellenti proprietà di dissipazione del calore e inoltre l’elevata conduttività termica abbinata alla bassa dilatazione termica rendono il nitruro di alluminio un materiale eccellente per la resistenza agli shock termici che sopporta riscaldamento e raffreddamento rapidi.

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