एल्युमिनियम नाइट्राइड

एल्युमिनियम नाइट्राइड (एल्युमिनियम नाइट्रोजन) अल्युमीनियम का एक ठोस नाइट्राइड है। इसकी उच्च तापीय चालकता 321 W/(m·K) तक है और एक विद्युत इन्सुलेटर है. इसके वर्टज़ाइट (क्रिस्टल संरचना) चरण (w-AlN) में कमरे के तापमान पर ~ 6 eV का ऊर्जा अंतराल होता है और गहरे पराबैंगनी आवृत्तियों पर संचालित होने वाले optoelectronic ्स में इसका संभावित अनुप्रयोग होता है।

इतिहास और भौतिक गुण
AlN को पहली बार 1862 में एफ. ब्रीग्लेब और ए. ग्यूथर द्वारा संश्लेषित किया गया था। शुद्ध (अनओप्ड) अवस्था में AlN की विद्युत चालकता 10 होती है−11–10−13ओह−1⋅सेमी−1, 10 तक बढ़ रहा है−5–10−6Ω−1⋅सेमी−1जब डोप किया गया। विद्युत विखंडन 1.2-1.8 के क्षेत्र में होता है वी/मिमी (ढांकता हुआ ताकत)। सामग्री मुख्य रूप से हेक्सागोनल वर्टजाइट (क्रिस्टल संरचना) क्रिस्टल संरचना में मौजूद है, लेकिन इसमें एक मेटास्टेबल क्यूबिक जिंकब्लेंड (क्रिस्टल संरचना) चरण भी है, जिसे मुख्य रूप से पतली फिल्मों के रूप में संश्लेषित किया जाता है। यह अनुमान लगाया गया है कि AlN (zb-AlN) का घन चरण उच्च दबाव पर अतिचालकता प्रदर्शित कर सकता है। एएलएन  कोई भी खास नहीं है  क्रिस्टल संरचना में, एएल और एन सी-अक्ष के साथ वैकल्पिक होते हैं, और प्रत्येक बंधन टेट्राहेड्रल रूप से प्रति यूनिट सेल चार परमाणुओं के साथ समन्वित होता है।

वर्टज़ाइट AlN के अद्वितीय आंतरिक गुणों में से एक इसका सहज ध्रुवीकरण है। सहज ध्रुवीकरण की उत्पत्ति एल्यूमीनियम और नाइट्रोजन परमाणुओं के बीच वैद्युतीयऋणात्मकता में बड़े अंतर के कारण वर्टज़ाइट एएलएन में रासायनिक बंधनों का मजबूत आयनिक चरित्र है। इसके अलावा, गैर-सेंट्रोसिमेट्रिक वर्टज़ाइट क्रिस्टल संरचना सी-अक्ष के साथ एक शुद्ध ध्रुवीकरण को जन्म देती है। अन्य III-नाइट्राइड सामग्रियों की तुलना में, AlN में इसकी क्रिस्टल संरचना (P) की उच्च गैर-आदर्शता के कारण बड़ा सहज ध्रुवीकरण होता है।sp: AlN 0.081 C/m2 > InN 0.032 C/m2 > GaN 0.029 C/m2). इसके अलावा, AlN की पीजोइलेक्ट्रिक प्रकृति तनाव के तहत आंतरिक पीजोइलेक्ट्रिक ध्रुवीकरण चार्ज को जन्म देती है। इन ध्रुवीकरण प्रभावों का उपयोग जानबूझकर डोपिंग की आवश्यकता को पूरी तरह से समाप्त करते हुए III-नाइट्राइड सेमीकंडक्टर हेटरोस्ट्रक्चर इंटरफेस पर मुक्त वाहक के उच्च घनत्व को प्रेरित करने के लिए किया जा सकता है। ध्रुवीय दिशा के साथ टूटी व्युत्क्रम समरूपता के कारण, AlN पतली फिल्म को धातु-ध्रुवीय या नाइट्रोजन-ध्रुवीय चेहरों पर उगाया जा सकता है। उनके थोक और सतही गुण इस पसंद पर काफी हद तक निर्भर करते हैं। दोनों ध्रुवों के लिए ध्रुवीकरण प्रभाव की फिलहाल जांच चल रही है।

AlN के लिए महत्वपूर्ण सहज और पीज़ोइलेक्ट्रिक ध्रुवीकरण स्थिरांक नीचे दी गई तालिका में सूचीबद्ध हैं: AlN में उच्च तापीय चालकता है, उच्च गुणवत्ता वाले MOCVD-विकसित AlN एकल क्रिस्टल में 321 W/(m·K) की आंतरिक तापीय चालकता है, जो प्रथम-सिद्धांत गणना के अनुरूप है। विद्युतरोधी सिरेमिक के लिए, पॉलीक्रिस्टलाइन सामग्री के लिए यह 70-210 W/(m·K) है, और एकल क्रिस्टल के लिए 285 W/(m·K) तक है)। AlN उन कुछ सामग्रियों में से एक है जिसमें व्यापक और प्रत्यक्ष बैंडगैप (SiC और GaN से लगभग दोगुना) और बड़ी तापीय चालकता है। यह इसके छोटे परमाणु द्रव्यमान, मजबूत अंतर-परमाणु बंधन और सरल क्रिस्टल संरचना के कारण है। यह गुण AlN को उच्च गति और उच्च शक्ति संचार नेटवर्क में अनुप्रयोग के लिए आकर्षक बनाता है। कई उपकरण छोटी मात्रा में और उच्च गति पर बड़ी मात्रा में ऊर्जा को संभालते हैं और हेरफेर करते हैं, इसलिए AlN की विद्युतरोधी प्रकृति और उच्च तापीय चालकता के कारण, यह उच्च-शक्ति पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए एक संभावित सामग्री बन जाती है। समूह III-नाइट्राइड सामग्रियों में, AlN में गैलियम नाइट्राइड (GaN) की तुलना में उच्च तापीय चालकता है। इसलिए, कई शक्ति और रेडियो फ्रीक्वेंसी इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में गर्मी अपव्यय के मामले में AlN, GaN से अधिक फायदेमंद है।

उच्च तापमान अनुप्रयोगों के लिए थर्मल विस्तारशीलता एक और महत्वपूर्ण गुण है। 300 K पर AlN के परिकलित थर्मल विस्तार गुणांक 4.2×10 हैं−6के−1a-अक्ष के अनुदिश और 5.3×10−6के−1c-अक्ष के अनुदिश।

स्थिरता और रासायनिक गुण
एल्युमीनियम नाइट्राइड निष्क्रिय वायुमंडल में उच्च तापमान पर स्थिर रहता है और लगभग 2200°C पर पिघल जाता है। निर्वात में, AlN ~1800°C पर विघटित होता है। हवा में, सतह का ऑक्सीकरण 700 डिग्री सेल्सियस से ऊपर होता है, और यहां तक ​​कि कमरे के तापमान पर भी, 5-10 एनएम मोटाई की सतह ऑक्साइड परतें पाई गई हैं। यह ऑक्साइड परत सामग्री को 1370°C तक सुरक्षित रखती है। इस तापमान के ऊपर थोक ऑक्सीकरण होता है। एल्युमीनियम नाइट्राइड हाइड्रोजन और कार्बन-डाइऑक्साइड वातावरण में 980°C तक स्थिर रहता है। सामग्री अंतर कणीय क्षरण के माध्यम से खनिज एसिड में धीरे-धीरे घुल जाती है | अनाज-सीमा हमले और एल्यूमीनियम-नाइट्राइड अनाज पर हमले के माध्यम से मजबूत क्षार में। सामग्री पानी में धीरे-धीरे जल-अपघटित होती है। एल्युमीनियम नाइट्राइड क्लोराइड और क्रायोलाइट सहित अधिकांश पिघले हुए लवणों के हमले के प्रति प्रतिरोधी है। एल्यूमिनियम नाइट्राइड को सीएल के साथ पैटर्न किया जा सकता है2-आधारित प्रतिक्रियाशील आयन नक़्क़ाशी।

निर्माण
AlN को गैसीय नाइट्रोजन या अमोनिया की उपस्थिति में अल्यूमिनियम ऑक्साइड  के कार्बोथर्मल कमी या एल्यूमीनियम के प्रत्यक्ष नाइट्रिडेशन द्वारा संश्लेषित किया जाता है। वाई जैसे सिंटरिंग सहायक उपकरण का उपयोग2O3 या CaO, और सघन तकनीकी-ग्रेड सामग्री का उत्पादन करने के लिए गर्म दबाव की आवश्यकता होती है।

अनुप्रयोग
एपिटैक्सी विकसित पतली फिल्म क्रिस्टलीय एल्यूमीनियम नाइट्राइड का उपयोग एएलएन के piezoelectric  गुणों के कारण सिलिकॉन वेफर (इलेक्ट्रॉनिक्स) पर जमा सतह ध्वनिक तरंग सेंसर (एसएडब्ल्यू) के लिए किया जाता है। एक एप्लिकेशन आरएफ और माइक्रोवेव फिल्टर है, जिसका व्यापक रूप से मोबाइल फोन में उपयोग किया जाता है, जिसे  पतली-फिल्म थोक ध्वनिक गुंजयमान यंत्र  (FBAR) कहा जाता है। यह एक माइक्रोइलेक्ट्रोमैकेनिकल सिस्टम डिवाइस है जो दो धातु परतों के बीच एल्यूमीनियम नाइट्राइड का उपयोग करता है। AlN का उपयोग पीजोइलेक्ट्रिक माइक्रोमशीनीकृत अल्ट्रासाउंड ट्रांसड्यूसर बनाने के लिए भी किया जाता है, जो अल्ट्रासाउंड उत्सर्जित और प्राप्त करते हैं और जिनका उपयोग एक मीटर तक की दूरी पर हवा में रेंजफाइंडिंग के लिए किया जा सकता है। एल्यूमिना और बेरिलियम ऑक्साइड के समान इलेक्ट्रॉनिक्स अनुप्रयोगों में AlN का उपयोग करने की अनुमति देने के लिए धातुकरण विधियां उपलब्ध हैं। अकार्बनिक अर्ध-एक-आयामी नैनोट्यूब के रूप में AlN नैनोट्यूब, जो कार्बन नैनोट्यूब के साथ आइसोइलेक्ट्रॉनिक हैं, को जहरीली गैसों के लिए रासायनिक सेंसर के रूप में सुझाया गया है। वर्तमान में गैलियम नाइट्राइड आधारित अर्धचालकों का उपयोग करके पराबैंगनी में संचालित करने के लिए प्रकाश उत्सर्जक डायोड विकसित करने पर बहुत शोध हो रहा है और, मिश्र धातु एल्यूमीनियम गैलियम नाइट्राइड का उपयोग करके, 250 एनएम जितनी छोटी तरंग दैर्ध्य हासिल की गई है। 2006 में, 210 एनएम पर एक अकुशल AlN प्रकाश उत्सर्जक डायोड उत्सर्जन की सूचना मिली थी। AlN-आधारित उच्च-इलेक्ट्रॉन-गतिशीलता ट्रांजिस्टर  (HEMTs) ने AlN के बेहतर गुणों, जैसे बेहतर थर्मल प्रबंधन, कम बफर रिसाव और सभी नाइट्राइड इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए उत्कृष्ट एकीकरण के कारण उच्च स्तर का ध्यान आकर्षित किया है। AlN बफर परत AlN-आधारित HEMTs के लिए एक महत्वपूर्ण बिल्डिंग ब्लॉक है, और इसे विभिन्न सब्सट्रेट्स पर MOCVD या MBE का उपयोग करके विकसित किया गया है। एएलएन बफर के शीर्ष पर निर्माण, द्वि-आयामी इलेक्ट्रॉन गैस (2डीईजी) के साथ एन-चैनल डिवाइस और 2डी होल गैस (2डीएचजी) के साथ पी-चैनल डिवाइस का प्रदर्शन किया गया है। एक ही  अर्धचालक  प्लेटफॉर्म पर उच्च-घनत्व 2DEG और 2DHG का संयोजन इसे CMOS उपकरणों के लिए एक संभावित उम्मीदवार बनाता है।

AlN के अनुप्रयोगों में से हैं
 * ऑप्टो-इलेक्ट्रॉनिक्स,
 * ऑप्टिकल स्टोरेज मीडिया में ढांकता हुआ परतें,
 * इलेक्ट्रॉनिक सबस्ट्रेट्स, चिप वाहक जहां उच्च तापीय चालकता आवश्यक है,
 * सैन्य अनुप्रयोग,
 * गैलियम आर्सेनाइड के क्रिस्टल उगाने के लिए एक क्रूसिबल के रूप में,
 * इस्पात और सेमीकंडक्टर विनिर्माण।

यह भी देखें

 * बोरोन नाइट्राइड
 * एल्युमीनियम फॉस्फाइड
 * एल्युमीनियम आर्सेनाइड
 * एल्युमिनियम एंटीमोनाइड
 * गैलियम नाइट्राइड
 * इंडियम नाइट्राइड
 * एल्युमीनियम ऑक्सीनाइट्राइड
 * टाइटेनियम एल्यूमीनियम नाइट्राइड, TiAlN और AlTiN

उद्धृत स्रोत


श्रेणी:नाइट्राइड्स श्रेणी:एल्यूमीनियम यौगिक श्रेणी:पीज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री श्रेणी:III-V अर्धचालक श्रेणी:प्रकाश उत्सर्जक डायोड सामग्री श्रेणी:III-V यौगिक श्रेणी:वुर्टज़ाइट संरचना प्रकार