Aluminium nitrida (AlN) mempunyai kekonduksian terma teori yang sangat tinggi (~320 W/(m·K)), penebat elektrik yang sangat baik, kehilangan dielektrik yang rendah, dan pekali pengembangan haba padan bahan semikonduktor. Sama ada sebagai bahan ideal untuk-substrat pembungkusan cip berkuasa tinggi, pengisi fungsi teras dalam gris dan gel pengalir haba atau komponen seramik ketepatan yang beroperasi dalam persekitaran yang keras, AlN terus menolak sempadan prestasi. Walau bagaimanapun, serbuk AlN sangat mudah terdedah kepada hidrolisis, menghasilkan oksigen-yang mengandungi kekotoran (cth, -AlOOH, Al(OH)₃, -Al₂O₃), yang mengurangkan ketulenan serbuk dengan ketara dan merendahkan kekonduksian terma produk akhir. Lebih kritikal, produk hidrolisis secara langsung menghalang pembangunan dan aplikasi proses pembentukan berasaskan air untuk seramik AlN (cth, tuangan pita, penuangan gel). Oleh itu, apabila senario aplikasi AlN berkembang-terutamanya peningkatan keperluan untuk bersentuhan dengan persekitaran kelembapan tinggi dan sistem akueus-meningkatkan kestabilan anti-hidrolisis serbuk AlN telah menjadi hambatan teknikal teras untuk memastikan realisasi sifat cemerlangnya yang boleh dipercayai.
Mekanisme Hidrolisis Aluminium Nitrida
Terhad oleh proses pengeluaran semasa dan sensitiviti alam sekitar, pengeluaran industri serbuk AlN ketulenan tinggi kekal mencabar. Pertama, apabila AlN menyentuh air, kumpulan hidroksil (–OH) daripada molekul air berinteraksi dengan nitrogen (N) dan aluminium (Al) dalam AlN, mengganggu struktur kristal dan membentuk produk perantaraan amorf (AlOOH) dan NH₃. NH₃ yang dibebaskan selanjutnya bertindak balas dengan air untuk membentuk ammonium (NH₄⁺) dan ion hidroksida (OH⁻), dan sifat eksotermik meningkatkan suhu dan kealkalian sistem (pH > 9), memudahkan tindak balas seterusnya. Di bawah suhu dan keadaan beralkali tertentu, AlOOH amorf seterusnya bertindak balas dengan air untuk menghasilkan Al(OH)₃. Akhirnya, AlN terhidrolisis sepenuhnya kepada Al(OH)₃ dan NH₃.
Perlu diperhatikan bahawa proses hidrolisis ini tidak terhad kepada sentuhan langsung antara serbuk AlN dan air cecair. Pendedahan kepada udara juga boleh menyebabkan hidrolisis dengan menyerap kelembapan atmosfera. Selain itu, kecacatan pada permukaan zarah AlN atau kehadiran kekotoran lain dengan ketara memangkinkan tindak balas hidrolisis. Oleh itu, pengubahsuaian permukaan diperlukan untuk mengurangkan aktiviti kimia permukaan serbuk terhadap air.
Teknologi Pengubahsuaian Anti-Hidrolisis untuk Aluminium Nitrida
Untuk menangani isu hidrolisis AlN, dua strategi pengubahsuaian utama wujud: rawatan haba dan pengubahsuaian permukaan. Pengubahsuaian permukaan dibahagikan lagi kepada pendekatan bukan organik dan organik.
01 Rawatan Terma
Kaedah ini melibatkan rawatan suhu tinggi serbuk AlN di bawah suasana tertentu, mengawal kandungan oksigen, suhu, dan masa pengoksidaan untuk membentuk filem Al₂O₃ padat di permukaan sebagai penghalang fizikal, dengan itu meningkatkan rintangan hidrolisis serbuk sedikit sebanyak. Walaupun kaedah ini mudah dan kos rendah, kelemahan terasnya ialah pengenalan fasa Al₂O₃ yang tidak dapat dielakkan semasa rawatan haba secara ketara merendahkan sifat utama seperti kekonduksian terma seramik AlN akhir. Oleh itu, ia tidak dianggap sebagai laluan anti-hidrolisis yang ideal untuk penyimpanan dan penggunaan AlN berkualiti tinggi.
02 Pengubahsuaian Permukaan Tak Organik
Pengubahsuaian permukaan bukan organik terutamanya menggunakan asid bukan organik seperti H₂SiO₃ atau H₃PO₄ untuk melindungi AlN, membentuk lapisan nipis seperti filem pada permukaan yang menyekat hidrolisis dalam larutan. Secara amnya, keterlarutan filem yang terbentuk sangat mempengaruhi tingkah laku hidrolisis. Sebagai contoh, aluminium silikat mempunyai keterlarutan yang sangat rendah dalam kedua-dua air panas dan sejuk, manakala aluminium fosfat mempunyai keterlarutan yang lebih tinggi dalam air panas. Oleh itu, pada suhu tinggi, kesan anti-hidrolisis H₂SiO₃ adalah jauh lebih baik daripada H₃PO₄. Tambahan pula, keberkesanan pengubahsuaian ini adalah berkaitan dengan saiz zarah serbuk AlN. Zarah yang lebih kecil mempunyai aktiviti permukaan yang lebih tinggi dan kapasiti penjerapan yang lebih kuat untuk asid tak organik, yang membawa kepada kesan anti-hidrolisis yang lebih ketara. Untuk zarah yang lebih besar, kesan salutan kurang berkesan berbanding zarah bersaiz kecil, jadi saiz yang lebih kecil diutamakan. Selain pencucian asid tak organik, rawatan dengan larutan Al(H₂PO₄)₃ membolehkan anion fosfat membentuk sekurang-kurangnya satu lapisan fosfat pada permukaan zarah AlN, menghalang kemasukan air. Oleh itu, menggunakan rawatan larutan Al(H₂PO₄)₃ tunggal suhu tinggi, atau menggabungkannya dengan pencucian asid tak organik, juga merupakan pendekatan pengubahsuaian anti-hidrolisis yang berkesan. AlN yang diubah suai permukaan secara bukan organik mempamerkan rintangan hidrolisis yang baik dan kos rendah, menjadikannya kaedah rawatan yang praktikal dan menjanjikan.
03 Pengubahsuaian Permukaan Organik
Pengubahsuaian permukaan organik biasanya menggunakan molekul organik rantai panjang hidrofobik untuk menyalut permukaan serbuk AlN atau melakukan pempolimeran in-situ, dengan itu menghalang molekul air daripada menghubungi permukaan AlN dan dengan itu meningkatkan rintangan hidrolisis. Pendekatan ini menampilkan pemprosesan mudah, masa rawatan yang singkat, dan kesan pengubahsuaian yang ketara, di samping meningkatkan kebolehserakan serbuk AlN dalam ampaian cecair sedikit sebanyak. Pengubah suai organik yang biasa digunakan termasuk asid karboksilik organik dan asid stearik. Kumpulan karboksil dalam asid organik tersebut boleh berinteraksi dan bertindak balas dengan kumpulan hidroksil pada permukaan AlN, meliputi permukaan AlN dengan rantai organik panjang yang membentuk lapisan kalis air yang berkesan. Selain itu, agen gandingan-aditif yang meningkatkan sifat antara muka antara bahan bukan organik dan organik-mengandungi kedua-dua kumpulan hidrofilik dan hidrofobik. Kumpulan hidrofobik secara kimia bertindak balas dengan atau mempunyai keserasian yang baik dengan bahan organik, manakala kumpulan hidrofilik boleh membentuk ikatan kimia dengan bahan bukan organik. Apabila digunakan sebagai pengubah untuk AlN, kumpulan hidrofilik terikat pada permukaan AlN, manakala kumpulan hidrofobik terdedah pada permukaan AlN, memberikan hidrofobisiti dan dengan itu menghalang sentuhan langsung antara air dan permukaan AlN, dengan itu meningkatkan rintangan hidrolisis. Walau bagaimanapun, kerana bahan organik umumnya mempunyai kestabilan haba yang lemah, teknik ini mempunyai batasan tertentu dalam aplikasi.