# Nitreto de alumínio

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.
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).

## 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).
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$^3$). 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.
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.

### 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 f$_i$$^α$ em comparação com o covalente f$_i$$^h$. A ionicidade do nitreto dos principais semicondutores é citada na Tabela 1.
$f_{i}^{\alpha }+f_{i}^{h}=1$
Ionicidade por Phillips (f$_i$) , Pauling (f$_i$$^P$)  e Harrison (f$_i$$^h$) para nitretos semicondutores. :
| Material | f$_i$ | f$_i$$^P$ | f$_i$$^h$ |
| 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 A$^N$B$^{8-N}$ 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 (f$_i$), consequentemente tem alta f$_c$ e então apresenta estrutura tetraédrica com coordenada zinco -blend (zb). A estrutura Wurtzita é obtida quando os valores de f$_i$ são altos. De acordo com Phillips 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.

### 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.
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. :
| Material | Estrutura | Simetria | a (Å) | c (Å) |
| c-BN | zb | F_43m(T$_d$) | 3,6155 | - |
| h-BN | h | P6$_3$/mmc(D$_{6h}$) | 2,5040 | 6,6612 |
| w-AlN | w | P6$_3$mm(C$_{6v}$) | 3,112 | 4,982 |
| c-AlN | zb | F_43m(T$_d$) | 4,38 | - |
| α-GaN | w | P6$_3$mc(C$_{6v}$) | 3,1896 | 5,1855 |
| β-GaN | zb | F_43m(T$_d$) | 4,52 | - |
| InN | W | P6$_3$mc(C$_{6v}$) | 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.
Planos de clivagem para várias estruturas cristalinas do grupo III-V. :
| 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.
$T_{m}=7159-957a,$
sendo
a = parâmetro de rede para estruturas blend e cúbicas
a = a$_{eef}$, a$_{eef}$ = $(\surd 3a^{2}c)^{1/3}$para haxagonal
O AlN possui estabilidade térmica de até 2200 ºC, condutividade térmica de cerca de 320 W / mK e boa capacidade de metalização. Apenas para comparação, a condutividade térmica do SiO$_2$ 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.
Ponto de fusão, calor específico e temperatura de Debye para nitretos semicondutores. :
| Material | T$_m$ (K) | C$_p$ (J/gk) | Θ$_D$ (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.
Condutividade térmica para nitretos semicondutores e outros materiais de interesse. :
| Material | T$_m$ (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, Al$_2$O$_3$, Al$_2$OC. As impurezas fazem com que propriedades elétricas como a resistividade variar em uma faixa muito grande de 10$^{11}$ a 10$^{13}$ 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.
O efeito de impurezas no material também produz uma forte mudança na resistência dielétrica que varia de 1 a 6 MV / cm.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. Os valores típicos de bandgap (~6,2 eV) também são afetados pela presença das impurezas no filme depositado.