Alumīnija nitrīds (AlN) pirmo reizi tika sintezēts 1877. gadā, taču tā potenciālais pielietojums mikroelektronikā neveicināja augstas kvalitātes, komerciāli dzīvotspējīga materiāla izstrādi līdz 1980. gadu vidum.
AIN ir alumīnija nitrāta forma. Alumīnija nitrīds atšķiras no alumīnija nitrāta ar to, ka tas ir slāpekļa savienojums ar īpatnējo oksidācijas pakāpi -3, savukārt nitrāts attiecas uz jebkuru slāpekļskābes esteri vai sāli. Šī materiāla kristāliskā struktūra ir sešstūrains vurcīts.
AIN sintēze
AlN tiek ražots, vai nu karbotermiski reducējot alumīnija oksīdu, vai tiešā veidā nitridējot alumīniju. Tā blīvums ir 3,33 g/cm3, un, neskatoties uz to, ka tas nekust, tas disociējas temperatūrā virs 2500 °C un atmosfēras spiedienā. Bez šķidrumu veidojošu piedevu palīdzības materiāls ir kovalenti saistīts un izturīgs pret saķepināšanu. Parasti oksīdi, piemēram, Y2O3 vai CaO, ļauj saķepināt temperatūrā no 1600 līdz 1900 grādiem pēc Celsija.
Detaļas, kas izgatavotas no alumīnija nitrīda, var ražot, izmantojot dažādas metodes, tostarp aukstās izostatiskās presēšanas, keramikas iesmidzināšanas, zemspiediena iesmidzināšanas, lentes liešanas, precīzās apstrādes un sausās presēšanas.
Galvenās iezīmes
AlN ir necaurlaidīgs lielākajai daļai izkausētu metālu, tostarp alumīnija, litija un vara. Tas ir necaurlaidīgs lielākajai daļai izkausētu sāļu, ieskaitot hlorīdus un kriolītu.
Alumīnija nitrīdam ir augsta siltumvadītspēja (170 W/mk, 200 W/mk un 230 W/mk), kā arī liela tilpuma pretestība un dielektriskā izturība.
Tas ir jutīgs pret hidrolīzi pulvera veidā, ja tiek pakļauts ūdens vai mitruma iedarbībai. Turklāt skābes un sārmi uzbrūk alumīnija nitrīdam.
Šis materiāls ir elektrības izolators. Dopings uzlabo materiāla elektrisko vadītspēju. AIN parāda pjezoelektriskās īpašības.
Lietojumprogrammas
Mikroelektronika
Visievērojamākā AlN īpašība ir tā augstā siltumvadītspēja, kas keramikas materiālu vidū ir otrais aiz berilija. Temperatūrā zem 200 grādiem pēc Celsija tā siltumvadītspēja pārsniedz vara siltumvadītspēju. Šī augstas vadītspējas, tilpuma pretestības un dielektriskās izturības kombinācija ļauj to izmantot kā substrātus un iepakojumu lieljaudas vai augsta blīvuma mikroelektronisko komponentu komplektiem. Nepieciešamība izkliedēt omu zudumu radīto siltumu un uzturēt komponentus to darba temperatūras diapazonā ir viens no ierobežojošajiem faktoriem, kas nosaka elektronisko komponentu iepakojuma blīvumu. AlN substrāti nodrošina efektīvāku dzesēšanu nekā parastie un citi keramikas substrāti, tāpēc tos izmanto kā skaidu nesējus un siltuma izlietnes.
Alumīnija nitrīds ir plaši komerciāls pielietojums mobilo sakaru ierīču RF filtros. Alumīnija nitrīda slānis atrodas starp diviem metāla slāņiem. Komerciālajā sektorā plaši izplatīti lietojumi ietver elektriskās izolācijas un siltuma pārvaldības komponentus lāzeros, mikroshēmās, uzmavas, elektriskos izolatoros, skavu gredzenus pusvadītāju apstrādes iekārtās un mikroviļņu ierīču iepakojumus.
Citas lietojumprogrammas
AlN izmaksu dēļ tā pielietojums vēsturiski aprobežojas tikai ar militāro aeronautiku un transporta jomām. Tomēr materiāls ir plaši pētīts un izmantots dažādās jomās. Tā izdevīgās īpašības padara to piemērotu vairākiem svarīgiem rūpnieciskiem lietojumiem.
AlN rūpnieciskie pielietojumi ietver ugunsizturīgus kompozītmateriālus agresīvu kausētu metālu apstrādei un efektīvas siltumapmaiņas sistēmas.
Šo materiālu izmanto, lai konstruētu tīģeļus gallija arsenīda kristālu audzēšanai, un to izmanto arī tērauda un pusvadītāju ražošanā.
Citi ierosinātie alumīnija nitrīda lietojumi ietver ķīmisko sensoru toksiskām gāzēm. Ir pētīta AIN nanocauruļu izmantošana, lai ražotu gandrīz vienas dimensijas nanocaurules izmantošanai šajās ierīcēs. Pēdējo divu desmitgažu laikā ir pētītas arī gaismas diodes, kas darbojas ultravioletajā spektrā. Novērtēts plānslāņa AIN pielietojums virsmas akustisko viļņu sensoros.
