Nitrure d'aluminium : déballage du conducteur thermique « miracle » et sa place dans la technologie de demain

Le nitrure d'aluminium est communément considéré comme un conducteur thermique exceptionnel pour plusieurs raisons. Il s'agit d'un matériau futuriste dont le potentiel semble largement inexploré. Le monde avait ignoré le potentiel de ce composé pendant plus d'un siècle, depuis sa découverte. Heureusement, la recherche nous a permis d'exploiter les possibilités offertes par ce matériau unique.

Les dispositifs à base de nitrure d'aluminium révolutionnent déjà l'énergie, les micropuces nanotechnologiques, la fabrication de l'acier et les applications RF. Avec des recherches plus poussées, cette tendance ne peut que s'accentuer.

Qu'est-ce que le nitrure d'aluminium ?

Le nitrure d'aluminium est un composé ionique formé par la combinaison de l'aluminium, un métal, et de l'azote, un non-métal. Ce composé se forme par transfert d'électrons du métal vers le non-métal. L'aluminium cède ses trois électrons externes à l'azote, formant ainsi un composé stable. Ce matériau possède une phase wurtzite, d'où sa semi-conductivité à large bande interdite.

Structure de Lewis du nitrure d'aluminium

L'aluminium appartient au groupe 13 du tableau périodique, tandis que l'azote appartient au groupe 15. Cela signifie que l'aluminium possède 3 électrons covalents (libres), tandis que l'azote en possède 5. En tant que non-métal dans un composé ionique, l'azote a besoin de 8 électrons sur sa couche externe. Il forme ainsi un composé stable, similaire aux gaz nobles.

L'aluminium possédant exactement le même nombre d'électrons que l'azote, ils se combinent dans un rapport de 1:1. Autrement dit, un seul atome d'aluminium et un seul atome d'azote sont nécessaires pour former du nitrure d'aluminium (AlN).

Comme l'azote reçoit trois électrons libres de l'aluminium, il possède une charge ionique 3-ve (N3-). L'aluminium possède une charge 3+ pour céder ses trois électrons externes (Al3+). La structure de Lewis du composé est la suivante :

Constante diélectrique de l'AlN

Avant d'aborder le concept de constante diélectrique, il est important de comprendre le nitrure d'aluminium en tant que matériau diélectrique. Nous savons tous que l'AlN est une céramique isolante électrique. Mais ce que vous ignorez peut-être, c'est ses applications massives en piézoélectronique, en microélectronique, etc., comme matériau diélectrique.

Alors, qu'est-ce qui fait du nitrure d'aluminium un matériau diélectrique ? Qu'est-ce que cela signifie au départ ?

Le mot « diélectrique » est une combinaison de deux racines grecques : « dia » et « électrique ». « dia » signifie « passant à travers », tandis que « électrique » signifie « champ électrique ». Par conséquent, la racine de « diélectrique » signifie « matériau traversé par les champs électriques ».

Un champ électrique Le champ électrique (E) est une région entourant les particules chargées électriquement. Si l'on place une charge, par exemple p, dans un champ électrique, celle-ci subira une force égale à l'intensité du champ multipliée par p, soit F = pE.

Lorsqu'un conducteur métallique est placé dans un champ électrique, les électrons qu'il contient sont libres de se déplacer. Les charges positives se déplacent vers une extrémité du morceau de métal, tandis que les charges négatives se déplacent vers l'autre extrémité. On obtient ainsi un dipôle électrique, créant un nouveau champ électrique (E') opposé au champ électrique initial (E).

Le nouveau champ électrique continue de se former jusqu'à ce que les charges cessent de se déplacer et qu'un équilibre soit atteint. À l'aide de la formule du champ résultant, Er = E - E', vous cherchez à trouver la différence entre le champ électrique initial et le nouveau champ. Par exemple, E - E' donne zéro, car les deux forces sont égales.

Étant donné que le champ résultant est nul, nous concluons qu’un conducteur électrique inhibe les champs électriques.

Comme mentionné précédemment, le nitrure d'aluminium, en tant que matériau diélectrique, est un isolant. Exposées à un champ électrique, les charges contenues dans un matériau diélectrique ne peuvent pas se déplacer librement ou peuvent se déplacer légèrement. La capacité d'un atome à se polariser sous l'effet d'un champ électrique dépend de sa structure atomique. Autrement dit, une bonne structure atomique ou moléculaire donnera une constante diélectrique plus élevée.

La constante diélectrique du nitrure d'aluminium est comprise entre 8,3 et 9,3. Elle indique la quantité d'énergie emmagasinée dans le nitrure d'aluminium sous l'effet d'un champ électrique. Vous souhaitez peut-être connaître la quantité d'énergie emmagasinée qui peut être convertie en chaleur et comment elle réagit à des températures élevées. Le point de fusion du nitrure d'aluminium peut atteindre 2 200 °C (3 990 °F). Il se décompose donc à 1 800 °C (3 270 °F) sous vide.

Propriétés chimiques du nitrure d'aluminium

La formule chimique du nitrure d'aluminium est AlN, où Al représente l'aluminium et N le nitrure. Le nitrure d'aluminium est souvent confondu avec nitrate d'aluminiumBien que l'AlN soit une forme de nitrate d'aluminium, les deux composés sont très différents. L'AlN a un état d'oxydation -3, tandis que le nitrate d'aluminium est un ester de l'acide nitrique. De plus, la formule chimique de ce dernier composé est Al(NO₃)₃.

Synthèse du nitrure d'aluminium

Le nitrure d'aluminium se forme par deux processus. L'un implique la nitruration directe de l'aluminium, tandis que l'autre dépend de plusieurs facteurs. Le second processus implique la réduction carbothermique de l'oxyde d'aluminium. L'AlN se dissocie à des températures supérieures à 2 500 °C. Sa masse volumique étant de 3,26 g.cm-3, il se dissocie au lieu de fondre au-delà de cette température.

Le frittage est également possible en utilisant des additifs liquides tels que CaO ou Y2O3. Plusieurs méthodes de traitement sont utilisées pour former différentes pièces en nitrure d'aluminium, telles que le pressage à sec et le pressage isostatique à froid. D'autres méthodes de traitement incluent le moulage par injection de céramique, l'usinage de précision, le moulage en bande et le moulage par injection basse pression.

Le nitrure d'aluminium est attaqué par les acides forts et les alcalis. Cependant, il résiste aux attaques des métaux fondus comme le lithium et le cuivre, ainsi qu'aux sels fondus comme la cryolite et le chlorure. De plus, sa forme pulvérulente est facilement hydrolysée par l'eau et l'humidité. Doté d'une résistivité volumique élevée, l'AlN présente une conductivité thermique élevée pour un matériau céramique et une rigidité diélectrique élevée.

Propriétés thermiques et électriques du nitrure d'aluminium

Le nitrure d'aluminium est un matériau remarquable pour sa conductivité thermique élevée. Il présente également une conductivité électrique élevée et constitue un excellent isolant électrique. Combinés à une résistivité volumique élevée, ces caractéristiques font de l'AlN un matériau recherché en microélectronique pour une utilisation comme substrat.

En ce qui concerne la conductivité thermique, l'AlN arrive en deuxième position après le béryllium. Cependant, sa conductivité thermique est supérieure à celle du cuivre à température modérée (environ 200 °C).

L'AlN est adapté aux composants microélectroniques exigeant un volume et une résistivité élevés. En microélectronique, les substrats de refroidissement sont plus performants que les substrats céramiques classiques. Ils sont donc utilisés comme dissipateurs et caloporteurs.

Dans le domaine des télécommunications, le nitrure d'aluminium est utilisé dans la fabrication de filtres RF pour les appareils de télécommunication. Il est également utilisé comme isolant dans les bagues de serrage, les lasers, les puces électroniques, les boîtiers de dispositifs à micro-ondes, etc. L'AlN est stable dans les atmosphères de carbone, d'hydrogène et de dioxyde de carbone jusqu'à 980 °C. Ce matériau est également utilisé en optoélectronique dans l'ultraviolet profond.

La large bande interdite de ce matériau hautement conducteur confère au nitrure d'aluminium un avantage en optoélectronique.

Conclusion

La place du nitrure d'aluminium dans les technologies de demain se dessine peu à peu. Les avantages de ce matériau en microélectronique, en piézoélectronique et en optoélectronique ultraviolette profonde sont indispensables. C'est pourquoi il est judicieux de se lancer dans l'aventure du nitrure d'aluminium pour se tailler une place dans l'avenir.