Nitruro de Aluminio Titanio - AlTiN

El AlTiN es la mejor solucion para aplicaciones donde se requiere alta resistencia a la oxidación  a alta temperatura, como en el maquinado a alta velocidad. Este recubrimiento muestra una temperatura de oxidación por encima de los 800 °C. Es un recubrimiento versátil que continua encontrando nuevas aplicaciones. Excelente para el maquinado de hierro gris, acero endurecido, inoxidable, aleaciones de titanio y alto niquel etc. Adecuado para aplicaciones a alta temperatura.

   

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Raul Armando Torres Galindo

asignatura EES

seccion 02

Nitruro de Aluminio Titanio - AlTiN

El AlTiN es la mejor solucion para aplicaciones donde se requiere alta resistencia a la oxidación  a alta temperatura, como en el maquinado a alta velocidad. Este recubrimiento muestra una temperatura de oxidación por encima de los 800 °C. Es un recubrimiento versátil que continua encontrando nuevas aplicaciones. Excelente para el maquinado de hierro gris, acero endurecido, inoxidable, aleaciones de titanio y alto niquel etc. Adecuado para aplicaciones a alta temperatura.

   

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Nitruro del galio del aluminio

Nitruro del galio del aluminio (AlGaN) es a material del semiconductor. Es una aleación de nitruro del aluminio y nitruro del galio.
AlGaN se utiliza para fabricar diodos electroluminosos funcionamiento en azul a ultravioleta región, donde las longitudes de onda abajo a 250 nanómetro (UV lejano) fueron alcanzadas. También se utiliza en azul lasers del semiconductor. También se utiliza en detectores de la radiación ultravioleta, y en AlGaN/GaN HEMT transistores.
AlGaN es de uso frecuente junto con nitruro del galio o nitruro del aluminio, formando heterojunctions.
Las capas de AlGaN se pueden también crecer encendido zafiro.

Aspectos de seguridad y de la toxicidad

La toxicología de AlGaN no se ha investigado completamente. El polvo de AlGaN es un irritante a pelar, ojos y pulmones. Los aspectos del ambiente, de salud y de seguridad de las fuentes del nitruro del galio del aluminio (por ejemplo trimethylgallium y amoníaco) e higiene industrial que supervisan estudios del estándar MOVPE las fuentes se han divulgado recientemente en una revisión ^[1].

Referencias

^ Ediciones del ambiente, de salud y de seguridad para las fuentes usadas en el crecimiento de MOVPE de semiconductores compuestos; D V Shenai-Khatkhate, R Goyette, R L DiCarlo y G Dripps, diario del crecimiento cristalino, vol. 1-4, pp. 816-821 (2004); doi:doi: 10.1016/j.jcrysgro.2004.09.007

Raul Armando Torres Galindo

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Nanohilos que dan lugar a LEDs ultravioleta

Recientemente se ha descubierto una nueva técnica de fabricación que permite obtener pequeños LEDs (diodos emisores de luz) altamente eficaces, a partir de nanohilos. Estos LEDs emiten luz ultravioleta, lo que los hace muy apropiados para la mayor parte de dispositivos basados en luz, por no mencionar una aplicación muy importante como es el almacenamiento de datos. Esta nueva técnica de fabricación ha sido desarrollada en el 'National Institute of Standards and Technology (NIST)'.
 Dicha técnica es compatible con una producción comercial a gran escala, lo que representa ya de por sí una clara ventaja. Estos nanodispositivos emisores de luz podrían representar la base de una nueva tecnología más barata (muy importante) y ultra-compacta, que incluiría sensores y dispositivos de comunicación óptica. ¿Cuáles serían sus principales aplicaciones? Pues básicamente, para almacenamiento de información y como dispositivos sensores biológicos. Pero, para ello, los nanohilos de los que proceden tendrían que ser de un tipo particular de material semiconductor. Los candidatos que más prometen para estos 'nanoLEDs' son el nitruro de galio, el nitruro de aluminio y el nitruro de indio. Las técnicas de fabricación son variadas, entre ellas se encuentra la fotolitografía (que consiste en un grabado con luz), y otras técnicas variadas. En el NIST, lo que hacen es alinear los nanohilos aplicando un campo eléctrico, lo que les ahorra la actual forma de separarlos uno a uno, y esto es lo que hace que sea rentable a nivel comercial.
 Una característica de los nuevos nanohilos LEDs es que están hechos de un solo compuesto: nitruro de galio (GaN). En realidad son uniones P-N, y pueden funcionar con poca potencia. Cuando se aplica un voltaje a la unión, el LED emite luz con un pico de emisión que cae en el rango ultravioleta. El grupo que ha trabajado en esto en el NIST ha desarrollado diferentes LEDs y los ha probado comprobando que tenían las mismas propiedades ópticas, y que aguantaban además bastante tiempo.

Raul Armando Torres Galindo

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Unos investigadores desarrollan una tecnología que reduce el costo de la iluminación LED.

Las bombillas tradicionales de incandescencia desperdician gran parte de la energía que consumen en calor, siendo por tanto muy ineficientes. Los tubos fluorescentes, o las bombillas de bajo consumo basadas en su misma tecnología, son más eficientes y duran más, pero presentan otros problemas. Con el tiempo pierden eficacia, tienen una demora a la hora de encenderse y tardan un rato en alcanzar su máxima luminosidad una vez encendidas. Lo peor es que contienen mercurio, un metal pesado muy contaminante. Por todo esto, y desde hace algún tiempo, se piensa en la introducción de diodos emisores de luz, o LED en sus siglas en inglés, como sistemas de iluminación. Esta tecnología es cuatro veces más eficiente que las bombillas tradicionales y si se adoptara de manera general se produciría un ahorro de energía de un 10% respecto al consumo total. Además pueden durar muchos años sin estropearse (se calcula que podrían llegar a unos 15).
Aunque la iluminación LED no es un sistema perfecto. Además del problema de no iluminar con una luz totalmente blanca son caros. Una cosa es el uso de unos cuantos LED en una linterna o un semáforo y otra es iluminar una oficina.
Ahora Timothy D. Sands y sus colaboradores de Purdue University han conseguido solucionar un gran obstáculo que había para la producción de LED baratos.
Los LED son fabricados sobre un substrato de zafiro, material que es muy caro de producir. Estos investigadores han conseguido la fabricación de LED a bajo coste utilizando un substrato de silicio recubierto con otro material.
Un LED es un dispositivo de estado sólido y emite luz gracias al uso de unos semiconductores, no hay filamento incandescente ni un gas encerrado en una ampolla ni nada similar. Como semiconductor se suelen emplear nitruro de galio sobre un substrato de zafiro, que además hace las veces de espejo reflector. El uso de este substrato de zafiro hace que una instalación de un sistema iluminación LED sea 20 veces más cara que la convencional.
En la nueva configuración se recubre un substrato de silicio con una capa reflectora de nitruro de circonio. Normalmente este compuesto es inestable en contacto con el silicio, pero estos investigadores lo han solucionado colocando una capa intermedia de nitruro de aluminio entre el substrato y la capa reflectora.
Para la manufactura del LED los investigadores usan una técnica de deposición por pulverización reactiva (reactive sputter deposition), que es habitual en la industria microelectrónica. En esta técnica se usa gas argón para bombardear el blanco del material que finalmente se deposita sobre el substrato. La ventaja del nitruro de zirconio y del nitruro de aluminio es que sus átomos se colocan adecuadamente sobre la estructura cristalina del silicio, capa atómica a capa atómica, en un crecimiento que se denomina epitaxial.
El arreglo de los átomos en estructura cristalina, cuando se tiene diversos compuestos y a veces con diferentes parámetros de red, no es sencillo y constituye uno de los retos con los se tiene que enfrentar que este tipo de científicos. Si la estructura cristalina no es la adecuada este tipo de dispositivos simplemente no funcionan.
Gracias a esta nueva tecnología se podrán producir LED a muy bajo coste y quizás sea posible su empleo masivo en iluminación. Se puede además producir muchos LED simultáneamente sobre la misma galleta de substrato y asimismo el nuevo substrato disipa mejor el calor, alargándose con ello la vida útil del dispositivo.
Como una gran parte del consumo de electricidad es debido a la iluminación, la adopción generalizada de la iluminación LED produciría un ahorro considerable. Una bombilla convencional tiene un rendimiento de un 10% mientras que los LED tienen un rendimiento de entre un 47% a un 64%. Sin embargo las lámparas LED actuales cuestan unos 100 dólares por lo que su amortización no es buena. Cuando este coste caiga a los 5 dólares es de esperar una generalización de su uso que sustituirá las lámparas fluorescentes.
Estos investigadores esperan que los LED de bajo coste lleguen al mercado en unos dos años, una vez se solucionen los pequeños problemas que todavía quedan.

Raul Armando Torres Galindo

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Formula química del nitruro de aluminio

El Nitruro de Aluminio pertenece al grupo de las sales binarias o haloideas (por estar compuesto por dos elementos diferentes), esto lo podemos saber por su terminación en "uro", otro ejemplo es la sal Cloruro de Sodio (NaCl).

Para poder escribir su formula lo único que tenemos que hacer es poner en primer lugar el elemento que actúa como positivo o perdedor de electrones con un subíndice que corresponda a la valencia con que actúa el otro elemento, como en este caso el elemento positivo es el aluminio este va ir primero y como la valencia con que trabaja en este caso el nitrógeno es -3 (debe ser forzosamente la valencia negativa ya que el Nitrógeno en este caso como esta en primer lugar en el nombre esto indica que actúa como elemento negativo), por lo que la primera parte quedaría como Al3 (Aluminio con subíndice 3).
Ahora pasamos con el Nitrógeno, como es el negativo se escribe en segundo lugar con el subíndice que corresponde a la valencia con la que trabaja el Aluminio, esto es, con la de +3 (única valencia que tiene el Al), por lo que quedaría como N3 (Nitrógeno con subíndice de 3).
Como los dos elementos tienen subíndice de 3 estos no se pueden reducir, ya que solo para reducir se puede dividir entre 2.

Por lo que concluimos que la formula química del Nitruro de Aluminio es: Al3N3.

Raul Armando Torres Galindo

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Respuesta piezoeléctrica del nitruro de aluminio

La piezoelectricidad consiste en la generación de un campo eléctrico en un material al serle aplicada una tensión mecánica que modifique su forma (efecto directo), o también en el cambio en la forma del material al aplicársele un cierto campo eléctrico (efecto inverso). Por lo tanto, es un mecanismo de conversión de energía mecánica en eléctrica y viceversa. [14]
Las características cristalinas del material (orientación de los cristales, tamaño de grano y estructura) condicionan sus propiedades piezoeléctricas. Los sistemas relevantes en cuestiones piezoeléctricas son los sistemas cúbico, ortorrómbico, tetragonal, trigonal y hexagonal. Como ya se ha mencionado, el nitruro de aluminio cristaliza en el sistema hexagonal, con simetría alrededor del eje c, por lo que debemos buscar un AlN hexagonal para garantizar una respuesta piezoeléctrica. Cabe anotar que las películas de nitruro de aluminio pueden presentar dos polaridades distintas dependiendo de la colocación de la celda unitaria, según el átomo central del tetraedro sea un átomo de aluminio o uno de nitrógeno.
Las propiedades morfológicas del material obtenido dependen en gran medida de su polaridad, ya que las películas terminadas en nitrógeno suelen tener una mayor rugosidad que las terminadas en aluminio, pero en cambio su calidad cristalina es mejor . Las condiciones iníciales de depósito influyen en gran medida en la polaridad del material obtenido. Aunque en principio podría pensarse que todo el material tiene la misma polaridad, sin embargo es posible que existan zonas en las que los cristales tienen distintas polaridades. La presencia de estos dominios de inversión se ha atribuido a distintas causas, como la naturaleza de la superficie del sustrato , los defectos extendidos relacionados con la presencia de átomos de oxígeno  y otras condiciones propias del crecimiento.

Raul Armando Torres Galindo

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Estudio estructural del AlN

El método comúnmente utilizado para determinar la calidad cristalina de las películas policristalinas es la difracción de rayos X, ya que proporciona de forma directa información sobre la orientación cristalina, el estrés y el tamaño de grano. La difracción de rayos X (DRX) es una técnica no destructiva de análisis de materiales que se basa en el hecho de que los cristales difractan los rayos X que inciden sobre ellos de una forma que depende de su estructura. La difracción es un fenómeno relacionado con la forma en la que interactúan dos o más ondas cuyas fases son diferentes debido a la diferencia entre los caminos que recorren [13]. Sin embargo, ésta es una técnica relativamente cara y las medidas llevan mucho tiempo, mientras que, por el contrario, la espectroscopia de absorción de infrarrojos por transformada de Fourier es una técnica rápida y más barata. El aspecto de los picos de los espectros de FT-IR del nitruro de aluminio está relacionado con la orientación del material, por lo que dicha técnica podría ser una alternativa a las medidas habituales de DRX.

Al ser una técnica complementaria que me permite conocer que estructura se ha formado en la película, es de nuestro interés el tener difracciones en los planos (002), (101), (102) bien definidos pues estos nos garantizan un material con propiedades piezoeléctrico.

 
Estudio Vibracional del AlN

La espectrofotometría de infrarrojos por transformada de Fourier (FT-IR) es una técnica no destructiva ampliamente utilizada en la caracterización de materiales en forma de película delgada, que se basa en la absorción de fotones por los modos de vibración de los átomos enlazados en un sólido al hacer incidir sobre él un rayo de luz con una longitud de onda concreta en el rango del infrarrojo medio. Esta absorción se produce si la diferencia de electronegatividad entre los distintos átomos de la molécula es apreciable, y tiene lugar para unas frecuencias características que dependen del modo de vibración de los enlaces y del entorno químico, ya que para que un enlace absorba un fotón es necesario que la frecuencia de la luz incidente coincida con la frecuencia de vibración del enlace.[11] Por lo tanto, la posición y la intensidad de las bandas de absorción en el infrarrojo obtenidas permiten, en teoría, identificar los enlaces, determinar su estructura y estimar su concentración.

Las películas se analizaran con FTIR ya que con esta espectroscopia se pueden observar las frecuencias de vibración características de los enlaces de aluminio y además se puede determinar que tipo de estructura toma el aluminio con el nitrógeno y de esta manera encontrar la película con las mejores propiedades para ser un buen piezoeléctrico.

Raul Armando Torres Galindo

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Nitruro de aluminio nominales constantes físicas:

Peso molecular (g / mol.)	40,99
Densidad aparente (g/cm3)	3,26
Toque Densidad (g/cm3)	0,40 a 0,57
Punto de fusión (° C)	3000 ° C (se descompone)
Punto de ebullición (° C)	sublima en 2200
Superficie específica (m2 / g)	2,7 a 3,4
Conductividad térmica (W / mK)	100 a 220
Dureza de Mohs @ 20 ° C	5-7
pH	6,3
Peso específico	3,26
Fase de Cristal	monofásicos de AlN
Cristalografía	hexagonal
Color	blanco

Raul Armando Torres Galindo

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Nitruro de aluminio nominales constantes físicas:

Peso molecular (g / mol.)	40,99
Densidad aparente (g/cm3)	3,26
Toque Densidad (g/cm3)	0,40 a 0,57
Punto de fusión (° C)	3000 ° C (se descompone)
Punto de ebullición (° C)	sublima en 2200
Superficie específica (m2 / g)	2,7 a 3,4
Conductividad térmica (W / mK)	100 a 220
Dureza de Mohs @ 20 ° C	5-7
pH	6,3
Peso específico	3,26
Fase de Cristal	monofásicos de AlN
Cristalografía	hexagonal
Color	blanco

Raul Armando Torres Galindo

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Calidad cristalina del nitruro de aluminio

Desde un punto de vista cristalográfico un material policristalino es bueno cuando el tamaño de sus microcristales es grande en la dirección perpendicular al sustrato y cuando éstos se encuentran muy bien orientados. Puesto que el nitruro de aluminio con estructura wurtzita tiene cuatro átomos en la celda unitaria, existen nueve modos ópticos y tres modos acústicos para k ≈ 0 (en el centro de la zona de Brillouin) los cuales son teóricamente:
(E2) 303 cm − 1 , (E2) 426 cm-1, (A1) 514 cm-1 , (E1) 614 cm-1 , (A1) 663 cm-1 , (E1) 671.6cm-1 (A1) 659.3cm-1 , (E1) 821 cm-1 (E1) 895cm-1) [12].

De entre todos estos modos, sólo los modos A1 y E1 pueden activarse por la radiación infrarroja [12,14] . Dichos picos corresponden a los modos transversales ópticos E1(TO) 671.6 cm-1 y A1(TO) 614 cm-1 del nitruro de aluminio hexagonal. El modo E1(TO) en 671.6cm-1 se excita por un campo eléctrico perpendicular al eje c de la molécula, mientras que el modo A1(TO) en 614 cm-1 se excita por un campo paralelo a dicho eje. Por lo tanto, el aspecto de los dos picos del espectro dará información sobre la posición de las moléculas de nitruro de aluminio y, por tanto, la orientación de los microcristales, respecto al haz de luz incidente.

La existencia de estos dos picos se debe a la excitación por parte de la señal incidente de los modos ópticos E1(TO) y A1(TO) (esquematizados en la figura 2) debido a la diferencia de electronegatividad entre los átomos de nitrógeno y los de aluminio en la molécula de AlN.

Raul Armando Torres Galindo

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Nitruro de aluminio

En los últimos años se ha realizado un esfuerzo importante en la búsqueda de nuevos materiales con estructuras cada vez más complejas, que presenten a la vez propiedades de conducción iónica y electrónica. [1] Este tipo de materiales, como el nitruro de aluminio, tienen aplicaciones en campos importantes de la tecnología como componentes de diversos dispositivos optoelectrónicos. De entre los nuevos materiales estudiados se destacan los nitruros metálicos. En este tipo de compuestos no existe todavía un conocimiento profundo de los mecanismos de transporte de carga por lo que se hace necesario un estudio fundamental en muestras de gran calidad cristalina.

Como película policristalina orientada en el eje c, el nitruro de aluminio (AlN) se puede implementar como componente en sensores ópticos en el rango de ultravioleta (UV), así como en dispositivos óptico-acústicos.

Existe un amplio interés en el nitruro de aluminio hexagonal por su aplicación en LED's y detectores en el azul y ultravioleta, debido a su notable estabilidad térmica y química, también es conveniente para su aplicación en ambientes extremos de altas temperaturas.

Es de gran importancia para el país el estudio y desarrollo de nuevas técnicas de investigación como la deposición por láser pulsado (PLD) ya que se pueden generar nuevos materiales nanoestructurados como es en este caso el de los nitruros del grupo III-V uno de ellos el AlN pues esta siendo objeto de estudio debido a sus amplias perspectivas de aplicación en dispositivos semiconductores en las regiones de las longitudes de onda del azul y el ultravioleta; además de que se crean jóvenes investigadores que pueden contribuir a la ciencia y desarrollo del país con la ayuda de las universidades que trabajan en estos temas y de los grupos que existen en estas líneas de investigación posibilitando avances tecnológicos necesarios para la industria nacional.
MATERIAL

El nitruro de aluminio cristaliza en el sistema hexagonal, con una estructura de tipo wurtzita (caracterizada por sus constantes de red a y c) experimentalmente se encuentra que la fase wurzita es la estructura cristalina más estable para el AlN. Es el material de banda más ancha a temperatura ambiente (Eg =6.2 eV) siendo considerado un semiconductor del grupo III-V lo que le confiere propiedades luminiscentes. La luminiscencia es un proceso que se caracteriza por un espectro de emisión con una banda dominante centrada en 400 nm, aproximadamente. Esta emisión se atribuye a una recombinación de procesos relacionados con los dominios de oxígeno en la red de AlN. [8] Igualmente el AlN posee altas propiedades como dureza (2x103 kgf mm-2), temperatura de fusión (2400ºC), así como una velocidad acústica alta (5760 m/s)

Cada átomo de aluminio está ligado a cuatro átomos de nitrógeno y viceversa, formando un tetraedro distorsionado con tres enlaces Al-N(i) (i = 1,2,3) separados 120º y situados en un plano perpendicular al enlace Al-N(0) en la dirección del eje c.

La técnica que se empleará para el depósito de las películas de nitruro de aluminio es la deposición por láser pulsado. Inicialmente esta técnica era poco considerada debido a su tendencia de depositar macropartículas junto con átomos y moléculas. Sin embargo, debido al éxito para depositar capas finas de cerámicas superconductoras de alta temperatura crítica, se despertó un gran interés en el perfeccionamiento de la técnica, utilizándose hoy ya en escala industrial. La interacción de los pulsos de alta densidad de energía del láser con un material sólido, usualmente de excímero, es capaz de generar partículas con características fuera del equilibrio.

La mayoría de éstas son especies atómicas y moleculares, electrónica y vibracionalmente excitadas, con energías cinéticas suficientes para superar las barreras que conduzcan a la formación de nuevos compuestos o fases singulares la técnica puede dar origen a la formación de compuestos en fases metaestables con propiedades únicas.

El nitruro de aluminio que se desea depositar se caracterizará tanto desde el punto de vista estructural y cristalográfico como desde el punto de vista piezoeléctrico. Estas caracterizaciones se llevan a cabo paralelamente con las tareas de producción del material. De esta manera es posible aplicar la información obtenida a la selección de los parámetros de depósito del AlN para conseguir un material con las propiedades cristalinas, morfológicas y piezoeléctricas óptimas.

RAUL ARMANDO TORRES GALINDO

ASIGNATURA EES

SECCION 02