Il nitruro di alluminio (AlN) è un nitruro del gruppo III-V con struttura esagonale di wurtzite ampiamente utilizzato nel campo dei dispositivi elettronici acustici. Ha un ampio bandgap diretto (bandgap di 6,2 eV), è compatibile con la tecnologia CMOS e ha un'elevata conduttività termica. Inoltre, i film sottili di nitruro di alluminio hanno raggiunto un rapido sviluppo grazie alle loro caratteristiche come l'elevata velocità di fase delle onde acustiche superficiali (SAW) e il basso coefficiente di temperatura del materiale (TCD). Tuttavia, a causa delle limitazioni nell'applicazione dei film sottili AlN, il loro coefficiente di accoppiamento elettromeccanico effettivo laterale è relativamente piccolo (≈ 0,5%). Per migliorare il suo coefficiente di accoppiamento elettromeccanico pur mantenendo altre eccellenti caratteristiche, un metodo efficace è quello di drogarlo per creare nuovi nitruri ternari, cosa che si ottiene insieme ad altri nitruri III e metalli di transizione. Lo scandio (Sc) è un elemento del gruppo IIIB ed è comunemente considerato un metallo di transizione. Sc generalmente esiste stabilmente come composti ScN e ha una struttura cubica di pietra salina. A causa delle dimensioni simili degli atomi di scandio e di Al, ha la stabilità dei metalli di transizione ed è attualmente un argomento caldo nella ricerca degli elementi dei sottogruppi.
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1. Effetto diSCDoperando conDdiversoCconcentrazioni su AlNStruttura di cristallo
I film sottili ScxAl1-xN studiati sono stati preparati su substrato di zaffiro utilizzando il metodo sputtering con magnetron a tre concentrazioni di target in lega ScAl: 13%, 20% e 40%. I risultati del test XRD sono mostrati in Fig.1. Attraverso l'osservazione, il picco di diffrazione (002) ad ogni concentrazione è evidente, e l'intensità e metà larghezza a metà massimo indicano che ha un buon orientamento preferito sull'asse C. Quando la concentrazione di atomi di Sc drogati aumenta, il volume della cella aumenta, la spaziatura interplanare d del cristallo aumenta e l'angolo θ al picco caratteristico di diffrazione (002) diminuisce di conseguenza. Quando la concentrazione di drogaggio Sc aumenta dal 13% al 20%, l'aumento di 2θ al picco di diffrazione (002) non è significativo perché la quantità di drogaggio non cambia molto. Quando la concentrazione viene aumentata dal 20% al 40%, 2θ al picco di diffrazione di (002) viene ridotto da 35,82° a 35,77°.
All'aumentare della concentrazione di droganti degli atomi di Sc, cambia anche la tendenza della crescita delle cellule cristalline. Poiché il volume degli atomi di Sc è maggiore di quello degli atomi di Al, quando Sc entra in AlN, ciò porterà ad un aumento delle direzioni a e c dell'asse del cristallo. Tuttavia, la crescita delle cellule cristalline nella direzione dell'asse a è più rapida e il loro c/a diminuisce gradualmente. A causa delle diverse modalità di coordinazione di w-AlN, ScN e h-ScN, quando Sc entra nella struttura w-AlN, compete con Al per N.
Fig. 1 Diagramma XRD per cristalli AlN con diverse concentrazioni di Sc
2. Impatti della concentrazione di doping Sc sulle prestazioni di AlN
All’aumentare della concentrazione di drogaggio Sc, questa competizione diventa più intensa, portando a distorsione strutturale, ammorbidimento della struttura e diminuzione di c/a. L'ammorbidimento del cristallo porta anche ad un aumento della sua sensibilità piezoelettrica. La piezoelettricità ha prodotto un'enorme risposta piezoelettrica, pari al 500% di quella dell'AlN quando la concentrazione di Sc ha raggiunto il 40%.
Inoltre, in altri campi di ricerca legati alla fotonica integrata, questo materiale mostra eccellenti prestazioni sia nelle proprietà ottiche che piroelettriche.
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