Нитрид алюминия
 | |
 | |
| Имена | |
|---|---|
| Другие имена АлН | |
| Идентификаторы | |
3D model ( JSmol ) | |
| ЧЭБИ | |
| ХимическийПаук | |
| Информационная карта ECHA | 100.041.931 |
| Номер ЕС |
|
| 13611 | |
ПабХим CID | |
| номер РТЭКС |
|
| НЕКОТОРЫЙ | |
Панель управления CompTox ( EPA ) | |
| Характеристики | |
| Аль Н | |
| Молярная масса | 40.989 g/mol [1] |
| Появление | твердое вещество от белого до бледно-желтого цвета |
| Плотность | 3,255 г/см 3 [1] |
| Температура плавления | 2500 ° C (4530 ° F; 2770 К) [6] |
| гидролизуется (порошок), нерастворимый (монокристаллический) | |
| Растворимость | нерастворим, подвержен гидролизу в водных растворах оснований и кислот [2] |
| Запрещенная зона | 6,015 эВ [3] [4] ( прямой ) |
| Подвижность электронов | ~300 см 2 /(V·s) |
| Теплопроводность | 321 Вт/(м·К) [5] |
| Структура [7] | |
| Вюрцит | |
| С 6в 4 - П 6 3 мк , №186, лс4 | |
а = 0,31117 нм, с = 0,49788 нм | |
Формульные единицы ( Z ) | 2 |
| Тетраэдрический | |
| Термохимия [8] | |
Теплоемкость ( С ) | 30,1 Дж/(моль·К) |
Стандартный моляр энтропия ( S ⦵ 298 ) | 20,2 Дж/(моль·К) |
Стандартная энтальпия образование (Δ f H ⦵ 298 ) | −318,0 кДж/моль |
Свободная энергия Гиббса (Δ f G ⦵ ) | −287,0 кДж/моль |
| Опасности | |
| СГС Маркировка : | |
   | |
| Предупреждение | |
| Х315 , Х319 , Х335 , Х373 , Х411 | |
| P260 , P261 , P264 , P271 , P280 , P301+P330+P331 , P302+P352 , P303+P361+P353 , P304+P340 , P305+P351+P338 , P310 , P312 , P321 , P332+ П313 , П337+П313 , П362 , П363 , П403+П233 , П405 , П501 | |
| NFPA 704 (огненный алмаз) | |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа). | |
Нитрид алюминия ( Al N твердый нитрид алюминия ) представляет собой . Имеет высокую теплопроводность до 321 Вт/(м·К). [5] и является электрическим изолятором. Его вюрцитная фаза (w-AlN) имеет ширину запрещенной зоны ~6 эВ при комнатной температуре и имеет потенциальное применение в оптоэлектронике, работающей на частотах глубокого ультрафиолета .
История и физические свойства
[ редактировать ]Впервые AlN был синтезирован в 1862 г. Ф. Бриглебом и А. Гойтером. [9] [10]
AlN в чистом (нелегированном) состоянии имеет электропроводность 10 −11 –10 −13 Ой −1 ⋅cm −1 , возрастает до 10 −5 –10 −6 Ой −1 ⋅cm −1 при допинге. [11] Электрический пробой происходит в поле 1,2–1,8 × 10 5 В/мм ( диэлектрическая прочность ). [11]
Материал существует преимущественно в гексагональной кристаллической структуре вюрцита , но также имеет метастабильную кубическую фазу цинковой обманки , которая синтезируется преимущественно в виде тонких пленок. Прогнозируется, что кубическая фаза AlN (zb-AlN) может проявлять сверхпроводимость при высоких давлениях. [12] В кристаллической структуре вюрцита AlN Al и N чередуются вдоль оси c, и каждая связь тетраэдрически координирована с четырьмя атомами на элементарную ячейку.
Одним из уникальных свойств вюрцита AlN является его спонтанная поляризация. Причиной спонтанной поляризации является сильный ионный характер химических связей в вюрците AlN из-за большой разницы в электроотрицательности атомов алюминия и азота. Кроме того, нецентросимметричная кристаллическая структура вюрцита приводит к суммарной поляризации вдоль оси c. По сравнению с другими III-нитридными материалами AlN имеет большую спонтанную поляризацию из-за более высокой неидеальности его кристаллической структуры (P sp : AlN 0,081 Кл/м). 2 > InN 0,032 Кл/м 2 > GaN 0,029 Кл/м 2 ). [13] Более того, пьезоэлектрическая природа AlN приводит к возникновению внутренних пьезоэлектрических поляризационных зарядов под действием напряжения. Эти эффекты поляризации можно использовать для создания высокой плотности свободных носителей заряда на границах раздела полупроводниковых гетероструктур III-нитрида, полностью обходясь без необходимости преднамеренного легирования. Благодаря нарушению инверсионной симметрии вдоль полярного направления тонкая пленка AlN может быть выращена как на металл-полярных, так и на азот-полярных гранях. От этого выбора существенно зависят их объемные и поверхностные свойства. Эффект поляризации в настоящее время исследуется для обеих полярностей.
Критические константы спонтанной и пьезоэлектрической поляризации AlN указаны в таблице ниже: [13] [14]
| числа 31-го (См 2 ) | е 33 (См 2 ) | с 13 (ГПа) | с 33 (ГПа) | из 0 (Ой) | с 0 (Ой) | |
| АлН | -0.60 | 1.46 | 108 | 373 | 3.112 | 4.982 |
AlN имеет высокую теплопроводность . Высококачественный монокристалл AlN, выращенный методом MOCVD, имеет собственную теплопроводность 321 Вт/(м·К), что соответствует расчету из первых принципов. [5] Для электроизоляционной керамики она составляет 70–210 Вт/(м·К) для поликристаллического материала и достигает 285 Вт/(м·К) для монокристаллов). [11]
AlN — один из немногих материалов, которые обладают одновременно широкой и прямой запрещенной зоной (почти в два раза больше, чем у SiC и GaN) и большой теплопроводностью. [15] Это связано с его небольшой атомной массой, прочными межатомными связями и простой кристаллической структурой. [16] Это свойство делает AlN привлекательным для применения в высокоскоростных и мощных сетях связи. Многие устройства обрабатывают и манипулируют большими объемами энергии в небольших объемах и на высоких скоростях, поэтому из-за электроизоляционной природы и высокой теплопроводности AlN он становится потенциальным материалом для мощной силовой электроники. Среди нитридных материалов III группы AlN имеет более высокую теплопроводность по сравнению с нитридом галлия (GaN). Таким образом, AlN более выгоден, чем GaN, с точки зрения рассеивания тепла во многих силовых и радиочастотных электронных устройствах.
Тепловое расширение является еще одним важным свойством для высокотемпературных применений. Рассчитанные коэффициенты теплового расширения AlN при 300 К составляют 4,2×10. −6 К −1 вдоль оси a и 5,3×10 −6 К −1 вдоль оси с. [17]
Стабильность и химические свойства
[ редактировать ]Нитрид алюминия стабилен при высоких температурах в инертной атмосфере и плавится при температуре около 2200 ° C (2470 К; 3990 ° F). В вакууме AlN разлагается при ~ 1800 ° C (2070 К; 3270 ° F). На воздухе окисление поверхности происходит при температуре выше 700 ° C (973 K; 1292 ° F), и даже при комнатной температуре были обнаружены поверхностные оксидные слои толщиной 5–10 нм. Этот оксидный слой защищает материал до 1370 °C (1640 K; 2500 °F). Выше этой температуры происходит объемное окисление. Нитрид алюминия стабилен в атмосфере водорода и углекислого газа до 980 ° C (1250 K; 1800 ° F). [18]
Материал медленно растворяется в минеральных кислотах за счет воздействия на границы зерен и в сильных щелочах за счет воздействия на зерна нитрида алюминия. Материал медленно гидролизуется в воде. Нитрид алюминия устойчив к воздействию большинства расплавленных солей, включая хлориды и криолит . [19]
Нитриду алюминия можно нанести рисунок с помощью Cl 2 на основе реактивного ионного травления . [20] [21]
Производство
[ редактировать ]AlN синтезируют карботермическим восстановлением оксида алюминия в присутствии газообразного азота или аммиака или прямым нитридированием алюминия. [22] использование спекающих добавок, таких как Y 2 O 3 или CaO, и горячее прессование. Для получения плотного материала технического качества необходимо [ нужна ссылка ]
Приложения
[ редактировать ]Эпитаксиально выращенная тонкая пленка кристаллического нитрида алюминия используется в датчиках поверхностных акустических волн (ПАВ), наносимых на кремниевые пластины свойств AlN , из-за пьезоэлектрических . Последние достижения в области материаловедения позволили наносить пьезоэлектрические пленки AlN на полимерные подложки, что позволило разработать гибкие устройства на ПАВ. [23] Одним из применений является радиочастотный фильтр , широко используемый в мобильных телефонах. [24] который называется тонкопленочным объемным акустическим резонатором (FBAR). Это МЭМС- устройство, в котором используется нитрид алюминия, зажатый между двумя металлическими слоями. [25]
AlN также используется для создания пьезоэлектрических микромеханических преобразователей ультразвука, которые излучают и принимают ультразвук и которые можно использовать для определения дальности в воздухе на расстояниях до метра. [26] [27]
Доступны методы металлизации, позволяющие использовать AlN в электронике, аналогично оксиду алюминия и оксида бериллия . Нанотрубки AlN как неорганические квазиодномерные нанотрубки, изоэлектронные углеродным нанотрубкам, были предложены в качестве химических сенсоров токсичных газов. [28] [29]
В настоящее время проводится много исследований по разработке светодиодов для работы в ультрафиолете с использованием полупроводников на основе нитрида галлия , а с использованием сплава алюминия-галлия были достигнуты длины волн всего 250 нм. неэффективном излучении светодиода AlN на длине волны 210 нм. В 2006 году сообщалось о [30]
на основе AlN Транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT) привлекли большое внимание благодаря превосходным свойствам AlN, таким как лучшее управление температурным режимом, снижение утечки буфера и отличная интеграция со всей нитридной электроникой. Буферный слой AlN является важнейшим строительным блоком для HEMT на основе AlN, и его выращивают с помощью MOCVD или MBE на различных подложках. На основе буфера AlN n-канальные устройства с 2D электронным газом были продемонстрированы (2DEG) и p-канальные устройства с 2D дырочным газом (2DHG). Сочетание 2DEG и 2DHG высокой плотности на одной полупроводниковой платформе делает его потенциальным кандидатом для КМОП-устройств.
Среди применений AlN:
- оптоэлектроника,
- диэлектрические слои в оптических носителях информации,
- электронные подложки, носители чипов, где важна высокая теплопроводность,
- военное применение,
- как тигель для выращивания кристаллов арсенида галлия ,
- производство стали и полупроводников .
См. также
[ редактировать ]- Нитрид бора
- Фосфид алюминия
- Арсенид алюминия
- Антимонид алюминия
- Нитрид галлия
- Нитрид индия
- Оксинитрид алюминия
- Алюмонитрид титана , TiAlN или AlTiN.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Хейнс, с. 4.45.
- ^ Фукумото, С.; Хукабе, Т.; Цубакино, Х. (2010). «Гидролизное поведение нитрида алюминия в различных растворах». Дж. Мат. Наука . 35 (11): 2743–2748. дои : 10.1023/А:1004718329003 . S2CID 91552821 .
- ^ Хейнс, с. 12.85.
- ^ Фенеберг, М.; Лейте, РАР; Нойшль, Б.; Тонке, К.; Бикерманн, М. (2010). Физ. Преподобный Б. 82 (7): 075208. Бибкод : 2010PhRvB..82g5208F . дои : 10.1103/physrevb.82.075208 .
{{cite journal}}: CS1 maint: периодическое издание без названия ( ссылка ) - ^ Jump up to: а б с Ченг, Чжэ; Ко, Йи Руи; Мамун, Абдулла; Ши, Цзинцзин; Бай, Тингюй; Хюинь, Кенни; Йейтс, Люк; Лю, Зею; Ли, Жуйян; Ли, Ынгкю; Ляо, Майкл Э.; Ван, Йекан; Ю, Сюань Мин; Кушимото, Маки; Ло, Тэнфэй; Гурски, Марк С.; Хопкинс, Патрик Э.; Амано, Хироши; Хан, Асиф; Грэм, Сэмюэл (2020). «Экспериментальное наблюдение высокой собственной теплопроводности AlN» . Материалы физического обзора . 4 (4): 044602. arXiv : 1911.01595 . Бибкод : 2020PhRvM...4d4602C . doi : 10.1103/PhysRevMaterials.4.044602 . S2CID 207780348 . Проверено 03 апреля 2020 г.
- ^ Хейнс, с. 12.80.
- ^ Вандам, Нобуко С.; Ричард, Сара М.; Винзер, Стивен Р. (1989). «Жидкофазное спекание нитрида алюминия с добавками оксида европия». Журнал Американского керамического общества . 72 (8): 1409–1414. дои : 10.1111/j.1151-2916.1989.tb07662.x .
- ^ Хейнс, с. 5.4.
- ^ Фесенко ИП; Прокопив М.М.; Часник В.И.; и др. (2015). Функциональные материалы на основе нитрида алюминия, полученные из порошков нано/микронного размера методом горячего прессования/спекания без давления . ЭПК АЛКОН. п. 11. ISBN 978-966-8449-53-6 .
- ^ Бриглеб, Ф.; Гейтер, А. (1862). «Об азоте магния и сродстве газообразного азота к металлам» . «Анналы химии» Юстуса Либиха . 123 (2): 228–241. дои : 10.1002/jlac.18621230212 .
- ^ Jump up to: а б с «AlN – Нитрид алюминия» . База данных Иоффе . Санкт-Петербург: ФТИ им. А. Ф. Иоффе, РАН . Проверено 1 января 2014 г.
- ^ Дэнси, Дж. Сельва; Шиба, В. Беналин; Луи, К. Нирмала; Амалрадж, А. (30 сентября 2015 г.). «Сверхпроводимость в полупроводнике AlN III-V группы под высоким давлением» . Орбиталь - Электронный химический журнал . 7 (3). Институт Кимики - Univ. Федеральный округ Мату-Гросу-ду-Сул. дои : 10.17807/orbital.v7i3.628 . ISSN 1984-6428 .
- ^ Jump up to: а б Амбахер, О. (21 октября 1998 г.). «Выращивание и применение нитридов III группы» . Журнал физики D: Прикладная физика . 31 (20): 2653–2710. дои : 10.1088/0022-3727/31/20/001 . ISSN 0022-3727 . S2CID 250782290 .
- ^ Амбахер, О.; Фаутц, Б.; Смарт, Дж.; Шили, младший; Вейманн, штат Нью-Йорк; Чу, К.; Мерфи, М.; Сераковский, AJ; Шафф, В.Дж.; Истман, ЛФ; Димитров Р.; Митчелл, А.; Штуцманн, М. (1 января 2000 г.). «Двумерные электронные газы, индуцированные спонтанной и пьезоэлектрической поляризацией в нелегированных и легированных гетероструктурах AlGaN/GaN» . Журнал прикладной физики . 87 (1): 334–344. Бибкод : 2000JAP....87..334A . дои : 10.1063/1.371866 . ISSN 0021-8979 .
- ^ Хикман, Остин Ли; Чаудхури, Рит; Бадер, Сэмюэл Джеймс; Номото, Казуки; Ли, Лей; Хван, Джеймс CM; Грейс Син, Хуили; Йена, Дебдип (01 апреля 2021 г.). «Электроника нового поколения на сверхширокозонной платформе нитрида алюминия» . Полупроводниковая наука и технология . 36 (4): 044001. Бибкод : 2021SeScT..36d4001H . дои : 10.1088/1361-6641/abe5fd . ISSN 0268-1242 . S2CID 233936255 .
- ^ Сюй, Ранджи Лили; Муньос Рохо, Мигель; Ислам, С.М.; Суд, Адитья; Варескич, Бозо; Катре, Анкита; Минго, Наталио; Гудсон, Кеннет Э .; Син, Хуили Грейс; Йена, Дебдип; Поп, Эрик (14 ноября 2019 г.). «Теплопроводность кристаллического AlN и влияние дефектов атомного масштаба» . Журнал прикладной физики . 126 (18): 185105. arXiv : 1904.00345 . Бибкод : 2019JAP...126r5105X . дои : 10.1063/1.5097172 . ISSN 0021-8979 . S2CID 90262793 .
- ^ Слэк, Глен А.; Бартрам, Сан-Франциско (1 января 1975 г.). «Тепловое расширение некоторых алмазоподобных кристаллов» . Журнал прикладной физики . 46 (1): 89–98. Бибкод : 1975JAP....46...89S . дои : 10.1063/1.321373 . ISSN 0021-8979 .
- ^ Бергер, Л.И. (1997). Полупроводниковые материалы . ЦРК Пресс. стр. 123–124 . ISBN 978-0-8493-8912-2 .
- ^ Прадхан, С; Йена, Словакия; Патнаик, Южная Каролина; Суэйн, ПК; Маджи, Дж. (19 февраля 2015 г.). «Износные характеристики композитов Al-AlN, полученных на месте азотированием» . Серия конференций IOP: Материаловедение и инженерия . 75 (1): 012034. Бибкод : 2015MS&E...75a2034P . дои : 10.1088/1757-899X/75/1/012034 . ISSN 1757-899X . S2CID 137160554 .
- ^ Чимин Линь; Тинг-та Йен; Юн-Джу Лай; Фельметсгер В.В.; Хопкрофт, Массачусетс; Кайперс, Дж. Х.; Пизано, AP (март 2010 г.). «Резонаторы волны Лэмба с температурной компенсацией из нитрида алюминия». Транзакции IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрике и контролю частоты . 57 (3): 524–532. дои : 10.1109/TUFFC.2010.1443 . ПМИД 20211766 . S2CID 20028149 .
- ^ Сюн, Чи; Пернис, Вольфрам HP; Сунь, Сянькай; Шук, Карстен; Фонг, король Ю.; Тан, Хун С. (2012). «Нитрид алюминия как новый материал для микросхемной оптомеханики и нелинейной оптики». Новый журнал физики . 14 (9): 095014. arXiv : 1210.0975 . Бибкод : 2012NJPh...14i5014X . дои : 10.1088/1367-2630/14/9/095014 . ISSN 1367-2630 . S2CID 118571039 .
- ^ Ямакава, Томохиро; Татами, Дзюнъити; Вакихара, Тору; Комея, Кацутоши; Мэгуро, Такеши; Маккензи, Кеннет Джей Ди; Такаги, Шиничи; Ёкоучи, Масахиро (4 октября 2005 г.). «Синтез нанопорошка AlN из γ-Al2O3 восстановительным нитридированием в смеси NH3-C3H8» . Журнал Американского керамического общества . 89 (1): 171–175. дои : 10.1111/j.1551-2916.2005.00693.x . ISSN 0002-7820 . Проверено 26 июня 2023 г.
- ^ Ламанна, Леонардо (ноябрь 2023 г.). «Последние достижения в области полимерных гибких устройств на поверхностных акустических волнах: материалы, обработка и применение» . Передовые технологии материалов . 8 (21). дои : 10.1002/admt.202300362 . ISSN 2365-709X .
- ^ Цуруока, Дуг (17 марта 2014 г.). «Apple и Samsung заказали фильтр для мобильных телефонов с подъемом стоимости Avago» . Деловая газета инвестора .
- ^ «ACPF-7001: Agilent Technologies анонсирует фильтр FBAR для мобильных телефонов и карт данных диапазона PCS в США» . беспроводнаяЗОНА . EN-Genius Network Ltd. 27 мая 2002 г. Проверено 18 октября 2008 г.
- ^ «Жестовой интерфейс для умных часов» .
- ^ Пшибыля, Р.; др. и др. (2014). «3D-ультразвуковое распознавание жестов» . Международная конференция по твердотельным схемам . Сан-Франциско. стр. 210–211.
- ^ Ахмади, А.; Хадипур, Нидерланды; Камфирузи, М.; Багери, З. (2012). «Теоретическое исследование нанотрубок нитрида алюминия для химического определения формальдегида». Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества . 161 (1): 1025–1029. дои : 10.1016/j.snb.2011.12.001 .
- ^ Ахмади Пейган, А.; Омидвар, А.; Хадипур, Нидерланды; Багери, З.; Камфирузи, М. (2012). «Могут ли нанотрубки нитрида алюминия обнаружить токсичные молекулы NH 3 ?». Физика Э. 44 (7–8): 1357–1360. Бибкод : 2012PhyE...44.1357A . дои : 10.1016/j.physe.2012.02.018 .
- ^ Таниясу, Ю.; и др. (2006). «Светодиод из нитрида алюминия с длиной волны 210 нанометров» . Природа . 441 (7091): 325–328. Бибкод : 2006Natur.441..325T . дои : 10.1038/nature04760 . ПМИД 16710416 . S2CID 4373542 .
Цитируемые источники
[ редактировать ]- Хейнс, Уильям М., изд. (2016). Справочник CRC по химии и физике (97-е изд.). ЦРК Пресс . п. 4.45. ISBN 9781498754293 .
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|