Nitreto de alumínio: desvendando o condutor térmico “milagroso” e seu lugar na tecnologia do futuro

O nitreto de alumínio é comumente conhecido como um condutor térmico milagroso por alguns motivos. Estamos falando de um material futurista cujo potencial parece amplamente inexplorado. O mundo dormiu sobre o potencial do composto por mais de um século desde sua primeira descoberta. Felizmente, a pesquisa nos ajudou a obter os frutos mais fáceis deste material único.

Dispositivos à base de nitreto de alumínio já estão revolucionando a energia, os microchips nanotecnológicos, a fabricação de aço e as aplicações de radiofrequência. Com mais pesquisas, essa tendência só tende a crescer.

O que é nitreto de alumínio?

O nitreto de alumínio é um composto iônico formado pela combinação de alumínio, um metal, e nitrogênio, um não metal. O composto se forma pela transferência de elétrons do metal para o não metal. O alumínio cede seus três elétrons externos ao nitrogênio, formando um composto estável. O material possui uma fase wurtzita, daí sua semicondutividade com ampla banda proibida.

Estrutura de Lewis de nitreto de alumínio

O alumínio está no grupo 13 da tabela periódica, enquanto o nitrogênio está no grupo 15. Isso significa que o alumínio possui 3 elétrons covalentes (livres), enquanto o nitrogênio possui 5. Como um não metal em um composto iônico, o nitrogênio precisará de 8 elétrons em sua camada externa. Com isso, formará um composto estável semelhante aos gases nobres.

Como o alumínio possui o número exato de elétrons que o nitrogênio necessita, eles se combinam na proporção de 1:1. Ou seja, apenas um átomo de alumínio e um átomo de nitrogênio são necessários para formar nitreto de alumínio (AlN).

Como o nitrogênio obtém três elétrons livres do alumínio, ele tem uma carga iônica 3-ve (N3-). O alumínio terá uma carga 3+ por ceder seus três elétrons externos (Al3+). A estrutura de Lewis do composto é mostrada abaixo:

Constante Dielétrica de AlN

Antes de abordar o conceito de constante dielétrica, é importante entender o nitreto de alumínio como um material dielétrico. Todos sabemos que o AlN é uma cerâmica isolante elétrica. Mas o que você talvez não saiba é que ele tem ampla aplicação em piezoeletrônica, microeletrônica, etc., como material dielétrico.

Então, o que torna o nitreto de alumínio um material dielétrico? O que isso significa, em primeiro lugar?

A palavra "dielétrico" combina duas raízes gregas, "dia" e "elétrico". Dia significa passagem, enquanto elétrico significa campo elétrico. Portanto, a raiz de dielétrico significa um material que permite a passagem de campos elétricos.

Um campo elétrico (Campo E) é uma região que envolve partículas eletricamente carregadas. Se você colocar uma carga, digamos p, em um campo elétrico, ela experimentará uma força igual à intensidade do campo multiplicada por p, ou seja, F = pE.

Quando um condutor metálico é colocado em um campo elétrico, os elétrons dentro dele ficam livres para se mover. As cargas positivas se movem para uma extremidade do pedaço de metal, enquanto as cargas negativas se movem para o lado oposto. Portanto, você terá um dipolo elétrico, criando um novo campo elétrico (E') que se opõe ao campo elétrico original (E).

O novo campo elétrico continua a se formar até que as cargas parem de se mover e o equilíbrio seja alcançado. Usando a fórmula do campo resultante, Er = E - E', você precisa encontrar a diferença entre o campo elétrico original e o novo campo. No caso em questão, E - E' resulta em zero, já que as duas forças são iguais.

Como o campo resultante é zero, concluímos que um condutor elétrico inibe campos elétricos.

Como mencionado anteriormente, o nitreto de alumínio, como material dielétrico, é um isolante. Quando exposto a um campo elétrico, as cargas dentro de um material dielétrico não têm liberdade para se mover ou podem se mover um pouco. A capacidade de um átomo de se polarizar quando exposto a um campo elétrico está sujeita à sua estrutura atômica. Ou seja, uma boa estrutura atômica ou molecular resultará em uma constante dielétrica mais alta.

A constante dielétrica do nitreto de alumínio varia entre 8,3 e 9,3. Isso indica a quantidade de energia armazenada no nitreto de alumínio em um campo elétrico. Você pode querer saber quanta energia armazenada pode ser convertida em calor e como ela reage a condições de alta temperatura. O ponto de fusão do nitreto de alumínio chega a 2.200 °C ou 3.990 °F. Portanto, ele se decompõe a 1.800 °C (3.270 °F) no vácuo.

Propriedades químicas do nitreto de alumínio

A fórmula química do nitreto de alumínio é AlN, com Al representando Alumínio e N representando Nitreto. O nitreto de alumínio é frequentemente confundido com nitrato de alumínioEmbora o AlN seja uma forma de nitrato de alumínio, os dois compostos são muito diferentes. O AlN tem um estado de oxidação -3, enquanto o nitrato de alumínio é um éster do ácido nítrico. Além disso, a fórmula química deste último composto é Al(NO₃)₃.

Síntese de nitreto de alumínio

O nitreto de alumínio é formado por meio de dois processos. Um envolve a nitretação direta do alumínio, enquanto o outro depende de alguns fatores. O segundo processo envolve a redução carbotérmica do óxido de alumínio. O AlN dissocia-se em temperaturas acima de 2.500 °C. Como o material tem uma densidade de 3,26 g.cm-3, ele dissocia-se em vez de fundir acima dessa temperatura.

A sinterização também é possível com o uso de aditivos formadores de líquidos, como CaO ou Y2O3. Alguns métodos de processamento são utilizados para formar diferentes peças de nitreto de alumínio, como prensagem a seco e prensagem isostática a frio. Outros métodos de processamento incluem moldagem por injeção de cerâmica, usinagem de precisão, fundição em fita e moldagem por injeção de baixa pressão.

O nitreto de alumínio é atacado por ácidos fortes e grãos alcalinos. No entanto, é resistente a ataques de metais fundidos, como lítio e cobre, e sais fundidos, como criolita e cloreto. Além disso, sua forma em pó é facilmente hidrolisada por água e umidade. Com alta resistividade volumétrica, o AlN demonstra alta condutividade térmica para um material cerâmico e alta rigidez dielétrica.

Propriedades térmicas e elétricas do nitreto de alumínio

O nitreto de alumínio é um material notável por sua alta condutividade térmica característica. Também demonstra alta condutividade elétrica e é um excelente isolante elétrico. Esses fatores, combinados com a alta resistividade volumétrica, fazem do AlN um material muito procurado em microeletrônica para uso como substrato.

Em termos de condutividade térmica, o AlN vem em segundo lugar, depois da berília. No entanto, apresenta uma condutividade térmica superior à do cobre em temperaturas moderadas (~200 °C).

O AlN é adequado para componentes microeletrônicos que exigem alto volume e alta resistividade. Em microeletrônica, substratos com melhor resfriamento são encontrados do que substratos cerâmicos convencionais. Por isso, são aplicados como dissipadores e transportadores de calor.

Em telecomunicações, o nitreto de alumínio é utilizado na fabricação de filtros de RF para dispositivos de telecomunicações. Também é utilizado como isolante em anéis de fixação, lasers, microchips, encapsulamento de dispositivos de micro-ondas, etc. O AlN é estável em atmosferas de carbono, hidrogênio e dióxido de carbono de até 980 °C. O material também é utilizado em optoeletrônica ultravioleta profunda.

A ampla lacuna de banda desse material altamente condutor dá ao nitreto de alumínio uma vantagem na optoeletrônica.

Conclusão

O lugar do nitreto de alumínio na tecnologia do futuro está lentamente tomando forma. Os benefícios do material em microeletrônica, peizoeletrônica e optoeletrônica ultravioleta profunda são indispensáveis. Daí o motivo para se aventurar na aventura do nitreto de alumínio e garantir um lugar para si no futuro.