Il nitruro di alluminio (AlN) è un tipo di ceramica che vanta un’adeguata conduttività termica, perdite dielettriche minime, basso consumo dielettrico e un coefficiente di dilatazione termica simile a quello del silicio. Queste peculiarità fisiche rendono il nitruro di alluminio un materiale altamente interessante per essere impiegato come substrato nelle unità microelettroniche integrate.
Questo composto, scoperto circa 160 anni fa, è stato ampiamente studiato dagli scienziati. Di recente, l’azienda tedesca Fraunhofer IISB ha promosso il suo utilizzo nei wafer semiconduttori. Il nitruro di alluminio si distingue per la sua elevata durezza, buona resistenza allo shock termico, basso coefficiente di dilatazione termica, alta resistività elettrica, resistenza alla corrosione e all’usura e un ampio band gap (6.2 eV), caratteristiche che lo rendono un perfetto composto refrattario.
Le sue eccezionali proprietà hanno interessato notevolmente il mondo della ricerca. Infatti, il nitruro di alluminio ha trovato largo impiego in diverse applicazioni come i diodi emettitori di luce ultravioletta, diodi laser e dispositivi ad onda acustica superficiale.
Proprietà
Il nitruro di alluminio si forma attraverso una reazione che produce una struttura tipo wurtzite termodinamicamente stabile a forma esagonale. In questa struttura, alluminio e azoto sono legati da un legame covalente. È un materiale stabile a temperature molto elevate in atmosfere inerti e inizia a ossidarsi sopra i 700°C formando uno strato di ossido di alluminio. Questo strato protegge il materiale fino a 1370°C. Dissolve lentamente negli acidi minerali e negli alcali forti.
Un aspetto interessante del nitruro di alluminio è la sua conduttività termica molto elevata. Quando è monocristallino, può raggiungere un valore fino a 285 W/(m·K) mentre se è policristallino varia tra 70 e 210 W/(m·K). Questa elevata conduttività termica del nitruro di alluminio è un risultato della sua bassa massa molare, del forte legame e della struttura cristallina relativamente semplice.
Preparazione del nitruro di alluminio
Gli esperti hanno sviluppato diversi metodi per sintetizzare il nitruro di alluminio, ad esempio attraverso il processo di nitrurazione diretta (DN) o il processo di riduzione e nitrurazione carbotermica (CRN). Il principio fondamentale del processo CRN comporta la conversione dell’ossido di alluminio e del carbonio sotto atmosfera di azoto a temperature superiori a 1600 °C per diverse ore.
Per ridurre la temperatura di sintesi del processo, è necessario migliorare la reattività della polvere di ossido di alluminio, riducendo la dimensione delle particelle o l’energia di attivazione superficiale della polvere. Un terzo metodo prevede l’uso dell’alluminato di sodio NaAlO2 come sostanza di partenza.
Stabilità del nitruro di alluminio all’idrolisi
Le polveri di nitruro di alluminio sono sensibili all’idrolisi con formazione di prodotti secernenti. Spesso, i processi di trattamento prevedono il rivestimento della superficie delle particelle di nitruro di alluminio con molecole organiche a catena lunga.
Usi del nitruro di alluminio
Grazie alla sua resistenza alla corrosione alle alte temperature, il nitruro di alluminio viene utilizzato come materiale per costruire crogioli per metalli fusi o come sensori di onde acustiche superficiali. Le proprietà piezoelettriche del nitruro di alluminio ne fanno un materiale ideale anche per i filtri nei sistemi di comunicazione, dispositivi medici a ultrasuoni, altoparlanti e sensori siccome ha la capacità di convertire la sollecitazione meccanica in un segnale elettrico, e viceversa.
Il nitruro di alluminio può essere utilizzato anche come base per circuiti, substrato per semiconduttori o come dissipatore di calore nell’elettronica ad alta capacità o nelle tecnologie di illuminazione a LED. Le sue eccellenti proprietà di dissipazione del calore e la resistenza a shock termici rendono il nitruro di alluminio un materiale eccellente per applicazioni elettroniche.