Nhôm Nitride (AlN) lần đầu tiên được tổng hợp vào năm 1877, nhưng ứng dụng tiềm năng của nó trong vi điện tử đã không thúc đẩy sự phát triển của vật liệu chất lượng cao, khả thi về mặt thương mại cho đến giữa những năm 1980.
AIN là một dạng nhôm nitrat. Nhôm nitrit khác với nhôm nitrat ở chỗ nó là một hợp chất nitơ có trạng thái oxy hóa cụ thể là -3, trong khi nitrat dùng để chỉ bất kỳ este hoặc muối nào của axit nitric. Cấu trúc tinh thể của vật liệu này là wurtzite lục giác.
Tổng hợp AIN
AlN được sản xuất thông qua quá trình khử alumin bằng nhiệt khí hoặc quá trình nitrat hóa trực tiếp nhôm. Nó có mật độ 3,33 g/cm3 và, mặc dù không nóng chảy, phân ly ở nhiệt độ trên 2500 °C và áp suất khí quyển. Không có sự hỗ trợ của các chất phụ gia tạo chất lỏng, vật liệu được liên kết cộng hóa trị và có khả năng chống thiêu kết. Thông thường, các oxit như Y2O3 hoặc CaO cho phép thiêu kết ở nhiệt độ từ 1600 đến 1900 độ C.
Các bộ phận làm bằng nhôm nitride có thể được sản xuất bằng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm ép đẳng tĩnh lạnh, ép phun gốm, ép phun áp suất thấp, đúc băng, gia công chính xác và ép khô.
Các tính năng chính
AlN không thấm vào hầu hết các kim loại nóng chảy, bao gồm nhôm, liti và đồng. Nó không thấm vào phần lớn các muối nóng chảy, bao gồm cả clorua và criolit.
Nhôm nitride sở hữu tính dẫn nhiệt cao (170 W/mk, 200 W/mk và 230 W/mk) cũng như điện trở suất và độ bền điện môi cao.
Nó dễ bị thủy phân ở dạng bột khi tiếp xúc với nước hoặc độ ẩm. Ngoài ra, axit và kiềm tấn công nhôm nitride.
Vật liệu này là một chất cách điện cho điện. Pha tạp tăng cường tính dẫn điện của vật liệu. AIN hiển thị các thuộc tính áp điện.
Các ứng dụng
vi điện tử
Đặc tính đáng chú ý nhất của AlN là tính dẫn nhiệt cao, chỉ đứng sau berili trong số các vật liệu gốm. Ở nhiệt độ dưới 200 độ C, độ dẫn nhiệt của nó vượt trội so với đồng. Sự kết hợp giữa độ dẫn điện cao, điện trở suất thể tích và độ bền điện môi này cho phép sử dụng nó làm chất nền và bao bì cho các cụm linh kiện vi điện tử công suất cao hoặc mật độ cao. Nhu cầu tản nhiệt sinh ra do tổn thất điện trở và duy trì các thành phần trong phạm vi nhiệt độ hoạt động của chúng là một trong những yếu tố hạn chế quyết định mật độ đóng gói của các thành phần điện tử. Chất nền AlN cung cấp khả năng làm mát hiệu quả hơn so với chất nền gốm thông thường và khác, đó là lý do tại sao chúng được sử dụng làm chất mang chip và tản nhiệt.
Nhôm nitride tìm thấy ứng dụng thương mại rộng rãi trong các bộ lọc RF cho các thiết bị liên lạc di động. Một lớp nhôm nitride nằm giữa hai lớp kim loại. Các ứng dụng phổ biến trong lĩnh vực thương mại bao gồm các thành phần cách điện và quản lý nhiệt trong laser, chiplet, ống kẹp, chất cách điện, vòng kẹp trong thiết bị xử lý chất bán dẫn và bao bì thiết bị vi sóng.
Ứng dụng khác
Do chi phí của AlN, các ứng dụng của nó trong lịch sử đã bị giới hạn trong các lĩnh vực hàng không và vận tải quân sự. Tuy nhiên, vật liệu này đã được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Các đặc tính thuận lợi của nó làm cho nó phù hợp với một số ứng dụng công nghiệp quan trọng.
Các ứng dụng công nghiệp của AlN bao gồm vật liệu tổng hợp chịu lửa để xử lý các kim loại nóng chảy mạnh và hệ thống trao đổi nhiệt hiệu quả.
Vật liệu này được sử dụng để xây dựng nồi nấu kim loại cho sự phát triển của tinh thể gali arsenua và cũng được sử dụng trong sản xuất thép và chất bán dẫn.
Các ứng dụng được đề xuất khác cho nhôm nitride bao gồm làm cảm biến hóa học cho khí độc. Việc sử dụng các ống nano AIN để tạo ra các ống nano gần như một chiều để sử dụng trong các thiết bị này là chủ đề nghiên cứu. Trong hai thập kỷ qua, các điốt phát quang hoạt động trong quang phổ cực tím cũng đã được nghiên cứu. Ứng dụng của màng mỏng AIN trong cảm biến sóng âm bề mặt đã được đánh giá.
