Η ταχεία ανάπτυξη τεχνολογιών όπως η τεχνητή νοημοσύνη, οι επικοινωνίες 5G και τα νέα ενεργειακά οχήματα οδήγησαν σε συνεχή αύξηση της πυκνότητας ισχύος και των επιπέδων ολοκλήρωσης σε ηλεκτρονικές συσκευές, καθιστώντας τη «διάχυση θερμότητας» βασικό παράγοντα που περιορίζει την απόδοση της συσκευής. Σε σύγκριση με παραδοσιακά υλικά όπως Al2O3, BeO και SiC, το AlN (νιτρίδιο αλουμινίου), με την εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα, την υψηλή μηχανική αντοχή, την καλή αντιστοίχιση θερμικής διαστολής, τη χημική σταθερότητα, τη μη{2}}τοξικότητα, τη χαμηλή διηλεκτρική σταθερά και την υψηλή ηλεκτρική αντίσταση, έχει γίνει ένα κρίσιμο υλικό για τη διαχείριση των ηλεκτρονικών συσκευασιών. Ωστόσο, η σκόνη AlN είναι επιρρεπής σε υδρόλυση σε πρακτικές εφαρμογές. Όταν εκτίθεται σε υγρό αέρα, η επιφάνειά του υφίσταται μια μη αναστρέψιμη αντίδραση με το νερό, παράγοντας υδροξείδιο του αργιλίου [Al(OH)3], AlOOH και άλλα προϊόντα. Αυτό οδηγεί σε κενά αζώτου, αυξημένο πορώδες και περιεκτικότητα σε οξυγόνο στα επακόλουθα πυροσυσσωματωμένα κεραμικά AlN, σημαντική πτώση της θερμικής αγωγιμότητας και ακόμη και την απελευθέρωση αερίου αμμωνίας κατά τη χρήση, η οποία μπορεί να επηρεάσει τα γύρω συστατικά (π.χ. δηλητηρίαση καταλυτών πλατίνας). Επομένως, η εύρεση κατάλληλων μεθόδων κατά της υδρόλυσης είναι ζωτικής σημασίας για την ανάπτυξη του AlN.
Συμπεριφορά Υδρόλυσης Νιτριδίου Αλουμινίου
Η συμπεριφορά υδρόλυσης του AlN μπορεί χονδρικά να χωριστεί σε τρία χαρακτηριστικά στάδια:
(1) Περίοδος επαγωγής: Η προϋπάρχουσα άμορφη ένωση υδροξειδίου (AHC) στην επιφάνεια του AlN διαλύεται αργά και το pH παραμένει σε μεγάλο βαθμό σταθερό (διαρκεί 17–180 λεπτά σε θερμοκρασία δωματίου· η περίοδος επαγωγής εξαφανίζεται στους 90 βαθμούς).
(2) Περίοδος ταχείας αντίδρασης: Αφού διαλυθεί το AHC, η επιφάνεια του AlN εκτίθεται και υφίσταται ταχεία υδρόλυση για να σχηματίσει άμορφο AlOOH, το οποίο στη συνέχεια μετασχηματίζεται σε κρυσταλλικό βοημίτη (AlOOH). Το pH αυξάνεται απότομα στο 9-10.
(3) Περίοδος σταθεροποίησης προϊόντος: Σε χαμηλές θερμοκρασίες (22–50 βαθμοί), ο βοημίτης διαλύεται περαιτέρω και ανακρυσταλλώνεται σε μπαγερίτη (-Al(OH)3). Σε υψηλές θερμοκρασίες (80–90 μοίρες), ο βοημίτης παραμένει σταθερός και δεν σχηματίζεται μπαγερίτης.
Βασικοί Παράγοντες που Επηρεάζουν τη Διαδικασία Υδρόλυσης
1. Περιβαλλοντικοί παράγοντες: Το περιβαλλοντικό μέσο είναι βασικός παράγοντας που καθορίζει τη διάρκεια κάθε σταδίου και τη φύση των προϊόντων υδρόλυσης.
(1) Θερμοκρασία: Fukumoto et al. βρέθηκε ότι όταν η θερμοκρασία είναι κάτω από 77,85 βαθμούς, το τελικό προϊόν υδρόλυσης είναι Al(OH)3. πάνω από 77,85 μοίρες, το κύριο προϊόν είναι το AlOOH. Ισχυρά οξέα (π.χ. HCl) ή ισχυρές βάσεις (π.χ. NaOH) επιταχύνουν την υδρόλυση, ενώ μέτρια ισχυρά οξέα (π.χ. H3PO4) μπορούν να αναστείλουν την υδρόλυση σχηματίζοντας ένα προστατευτικό φωσφορικό στρώμα.
(2) pH: Ο Kocjan διαπίστωσε ότι το αρχικό pH δεν αλλάζει τον συνολικό ρυθμό υδρόλυσης, αλλά στο pH=10 η περίοδος επαγωγής εξαλείφεται (το άμορφο AHC δεν μπορεί να υπάρξει σταθερά υπό αλκαλικές συνθήκες). Σε όξινα περιβάλλοντα με pH=1-3, τα ιόντα Η+ μπορούν να συνδυαστούν με OH- στην επιφάνεια του AlN, καθυστερώντας την υδρόλυση.
(3) Ατμόσφαιρα: Hou et al. μελέτησε περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας (1000–1150 μοίρες) και διαπίστωσε ότι επειδή το H2O προάγει την προς τα μέσα διάχυση του H+, η τάση υδρόλυσης/οξείδωσης του AlN είναι υψηλότερη σε ατμόσφαιρα Ar–20 vol% H2O, με αύξηση μάζας 21,1% μετά από 15 ώρες. Σε μια ατμόσφαιρα αέρα–20 vol% H2O, το O2 ανταγωνίζεται το H2O, με αποτέλεσμα μια αύξηση της μάζας μόνο κατά 12,0%, υποδεικνύοντας ότι το οξυγόνο καταστέλλει την υδρόλυση υψηλής{11} θερμοκρασίας.
2. Μέγεθος σωματιδίων: Μελέτες έχουν δείξει ότι ο ρυθμός υδρόλυσης του AlN μεγέθους νανο-είναι 5–10 φορές ταχύτερος από αυτόν του AlN μεγέθους υπομικρών-. Η υδρόλυση ξεκινά σε επιφανειακά ελαττώματα όπως βήματα, αποδεικνύοντας τη σημαντική επίδραση του μεγέθους των σωματιδίων και της μορφολογίας της επιφάνειας στην κινητική της υδρόλυσης.
3. Preparation process: Currently, the industrial production of AlN powder is dominated by carbothermal reduction and direct nitridation methods. Li et al. found that AlN prepared by carbothermal reduction has a stable γ-Al₂O₃ layer on its surface, resulting in the longest induction period (>24 ώρες), ενώ η περίοδος επαγωγής για το AlN που παρασκευάζεται με άμεση νιτρίωση είναι μόνο 6 ώρες.