Nitruro di alluminio

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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]
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
irritante

attenzione

Frasi H 315 - 319 - 335
Consigli P 261 - 305+351+338 [1]

Il nitruro di alluminio è il composto binario formato da alluminio e azoto, contiene lo ione nitruro. Ha 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. L'alluminio nitruro cristallizza in strutture di Wurtzite, nel raggruppamento spaziale esagonale P63mc. L'atomo di Al costituisce la struttura esagonale, l'atomo di azoto N occupa la metà delle posizioni tetraedriche della struttura. Le costanti reticolari sono a: 3.1114 Å e c: 4.9792 Å. La densità dell' AlN 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 Mr 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, ad una temperatura di circa 1800 °C. Con l'aiuto di opportuni sinterizzatori giunge alla fase di sinterizzazione fluida. In pratica viene dopato con ossidi di Calcio e Yttrio, procedimento standard ampiamente utilizzato.

La ceramica AlN 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 AlN 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. L'AlN è debolmente piezoelettrico.

Storia[modifica | modifica sorgente]

L'AlN è stato sintetizzato per la prima volta nel 1877, ma il suo potenziale impiego nell'optoelettronica fu compreso solo negli anni 80 grazie alla conducibilità termica relativamente elevata per isolamento elettrico ceramica (70-210 W•m−1•K−1 per materiali policristallini, e alto 275 W•m−1•K−1 per singolo cristallo). Questo materiale è interessante come alternativa non tossica al berillio. Metodi di metallizzazione sono disponibili per usare AIN al posto dell'alluminio e BeO per le più importanti applicazioni elettroniche. L'AlN è sintetizzato attraverso la riduzione carbotermica di alluminio o attraverso la diretta nitrizzazione dell'alluminio.

L'alluminio nitruro è un materiale legato prevalentemente in modo covalente, ed ha una struttura cristallina esagonale isomorfa con uno dei polimorfi di zinco solfuro conosciuto come wurtzite. Il gruppo spaziale di questa struttura è P63mc. 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. L'alluminio nitruro è stabile in atmosfera di idrogeno e 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 | modifica sorgente]

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

Gli studi sperimentali si sono concentrati principalmente sulla fase a 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 il più largo energy gap di tutti i semiconduttori. È pertanto un ingrediente chiave per la maggior parte delle buche quantiche basate su nituri. Attenzione crescente viene posta sull'AlxIn1-xN, che per x=0.83 ha un passo reticolare che combacia con quello del GaN. Il piegamento della banda proibita derivato dai primi studi sperimentali sembra esser talmente intenso da portare ad una minore energia di gap per il composto con matching reticolare rispetto al GaN. 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 GaInN e 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 [1]. Il bandgap del singolo cristallo AlN è stato misurato (usando la riflessione UV del vuoto) a 6.2 eV. Questo permette di ottenere una lunghezza d'onda di circa 200 nm, all'inizio. Comunque, devono essere superate alcune difficoltà prima che questi emettitori diventino una realtà commerciale. Tra le applicazioni dell'AlN: optoelettronica, come mediatore nella diffusione ottica, nei substrati elettronici, come chip carrier dove la conducibilità termica è indispensabile e in campo bellico.

L'alluminio nitruro 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 dell'AlN. Agilent dopo più di un decennio di ricerca adesso produce un filtri RF usato nella telefonia mobile chiamato FBAR. Questa tecnologia è strettamente associata all'ingegneria nel campo dei MEMS.

Sintesi[modifica | modifica sorgente]

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

2 Al2O3 + 9 C + 4 NH3 → 4 AlN + 3 CH4 + 6 CO
Al2O3 + 3 C + N2 → 2 AlN + 3 CO

Una ulteriore via sintetica è la nitrizzazione diretta. Con questa sintesi l'alluminio metallico (o l'ossido di alluminio) viene trasformato in AlN facendolo reagire con N2 o NH3 ad una temperatura > 900 °C.

2 Al + N2 → 2 AlN
Al2O3 + 2 NH3 → 2 AlN + 3 H2O

Reattività[modifica | modifica sorgente]

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

AlN + NaOH + 3 H2O → NH3 + Na[Al(OH)4]

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ scheda del nitruro di alluminio su IFA-GESTIS

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]

Accademici[modifica | modifica sorgente]

Commerciali[modifica | modifica sorgente]