نیترید آلومینیوم (AlN) برای اولین بار در سال 1877 سنتز شد، اما کاربرد بالقوه آن در میکروالکترونیک تا اواسط دهه 1980 باعث توسعه مواد با کیفیت بالا و تجاری قابل دوام نشد.

AIN یک شکل نیترات آلومینیوم است. نیترید آلومینیوم با نیترات آلومینیوم تفاوت دارد زیرا یک ترکیب نیتروژن با حالت اکسیداسیون خاص 3- است، در حالی که نیترات به هر استر یا نمک اسید نیتریک اشاره دارد. ساختار کریستالی این ماده ورتزیت شش ضلعی است.

سنتز AIN

AlN از طریق احیای کربوترمال آلومینا یا نیتریداسیون مستقیم آلومینیوم تولید می شود. چگالی آن 3.33 گرم بر سانتی‌متر مکعب است و علی‌رغم ذوب نشدن، در دمای بالای 2500 درجه سانتی‌گراد و فشار اتمسفر تجزیه می‌شود. بدون کمک مواد افزودنی تشکیل دهنده مایع، این ماده به صورت کووالانسی پیوند خورده و در برابر تف جوشی مقاوم است. به طور معمول، اکسیدهایی مانند Y2O3 یا CaO اجازه پخت را در دمای بین 1600 تا 1900 درجه سانتیگراد می دهند.

قطعات ساخته شده از نیترید آلومینیوم را می توان از طریق روش های مختلفی از جمله پرس ایزواستاتیک سرد، قالب گیری تزریقی سرامیکی، قالب گیری تزریقی کم فشار، ریخته گری نواری، ماشین کاری دقیق و پرس خشک تولید کرد.

ویژگی های کلیدی

AlN نسبت به اکثر فلزات مذاب از جمله آلومینیوم، لیتیوم و مس غیرقابل نفوذ است. در برابر اکثر نمک های مذاب از جمله کلریدها و کرایولیت ها نفوذ ناپذیر است.

نیترید آلومینیوم دارای رسانایی حرارتی بالا (170 W/mk، 200 W/mk و 230 W/mk) و همچنین مقاومت با حجم بالا و استحکام دی الکتریک است.

هنگامی که در معرض آب یا رطوبت قرار می گیرد، به صورت پودر در معرض هیدرولیز است. علاوه بر این، اسیدها و قلیاها به نیترید آلومینیوم حمله می کنند.

این ماده عایق برق است. دوپینگ رسانایی الکتریکی یک ماده را افزایش می دهد. AIN خواص پیزوالکتریک را نشان می دهد.

برنامه های کاربردی

میکروالکترونیک

قابل توجه ترین ویژگی AlN رسانایی حرارتی بالای آن است که پس از بریلیوم در بین مواد سرامیکی در رتبه دوم قرار دارد. در دمای کمتر از 200 درجه سانتیگراد، هدایت حرارتی آن از مس پیشی می گیرد. این ترکیبی از رسانایی بالا، مقاومت حجمی و استحکام دی الکتریک استفاده از آن را به عنوان بستر و بسته بندی برای مجموعه های قطعات میکروالکترونیکی با توان یا چگالی بالا امکان پذیر می کند. نیاز به دفع گرمای تولید شده توسط تلفات اهمی و حفظ قطعات در محدوده دمای کاری خود یکی از عوامل محدود کننده ای است که چگالی بسته بندی قطعات الکترونیکی را تعیین می کند. بسترهای AlN خنک کنندگی مؤثرتری نسبت به بسترهای معمولی و سرامیکی دیگر فراهم می کنند، به همین دلیل است که از آنها به عنوان حامل تراشه و سینک حرارتی استفاده می شود.

نیترید آلومینیوم کاربرد تجاری گسترده ای در فیلترهای RF برای دستگاه های ارتباطی سیار پیدا می کند. لایه ای از نیترید آلومینیوم بین دو لایه فلز قرار دارد. کاربردهای متداول در بخش تجاری شامل عایق الکتریکی و اجزای مدیریت حرارت در لیزرها، چیپلت ها، کولت ها، عایق های الکتریکی، حلقه های گیره در تجهیزات پردازش نیمه هادی و بسته بندی دستگاه های مایکروویو می باشد.

سایر برنامه‌ها

با توجه به هزینه AlN، کاربردهای آن از لحاظ تاریخی به حوزه های حمل و نقل هوایی و حمل و نقل نظامی محدود شده است. با این حال، این مواد به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته و در زمینه های مختلف مورد استفاده قرار گرفته است. خواص مفید آن، آن را برای تعدادی از کاربردهای مهم صنعتی مناسب می کند.

کاربردهای صنعتی AlN شامل کامپوزیت های نسوز برای مدیریت فلزات مذاب تهاجمی و سیستم های تبادل حرارت کارآمد می باشد.

از این ماده برای ساخت بوته‌هایی برای رشد کریستال‌های آرسنید گالیم استفاده می‌شود و همچنین در تولید فولاد و نیمه‌رساناها استفاده می‌شود.

از دیگر کاربردهای پیشنهادی نیترید آلومینیوم به عنوان حسگر شیمیایی برای گازهای سمی است. استفاده از نانولوله های AIN برای تولید نانولوله های شبه یک بعدی برای استفاده در این دستگاه ها موضوع تحقیق بوده است. در دو دهه گذشته، دیودهای ساطع کننده نور که در طیف فرابنفش کار می کنند نیز مورد بررسی قرار گرفته اند. کاربرد AIN لایه نازک در حسگرهای موج صوتی سطحی ارزیابی شده است.