Aluminium Nitrida: Mengungkap Konduktor Termal “Ajaib” dan Perannya dalam Teknologi Masa Depan

Aluminium nitrida secara umum dikenal sebagai konduktor termal yang ajaib karena beberapa alasan. Anda berbicara tentang material futuristik yang potensinya tampaknya belum banyak dieksplorasi. Dunia telah mengabaikan potensi senyawa tersebut selama lebih dari satu abad sejak penemuan pertamanya. Untungnya, penelitian telah membantu kita mendapatkan hasil yang mudah dari material unik ini.

Perangkat berbasis aluminium nitrida telah merevolusi daya, mikrocip nanoteknologi, pembuatan baja, dan aplikasi RF. Dengan penelitian lebih lanjut, tren ini akan terus meningkat.

Apa itu Aluminium Nitrida?

Aluminium nitrida adalah senyawa ionik yang terbentuk dengan menggabungkan aluminium, logam, dan nitrogen, nonlogam. Senyawa ini terbentuk melalui transfer elektron dari logam ke nonlogam. Aluminium memberikan tiga elektron terluarnya ke nitrogen, sehingga membentuk senyawa yang stabil. Material ini memiliki fase wurtzite, sehingga memiliki celah pita semikonduktivitas yang lebar.

Struktur Lewis Aluminium Nitrida

Aluminium berada di golongan 13 tabel periodik, sedangkan nitrogen berada di golongan 15. Artinya, aluminium memiliki 3 elektron kovalen (bebas), sedangkan nitrogen memiliki 5 elektron. Sebagai unsur non-logam dalam senyawa ionik, nitrogen akan membutuhkan 8 elektron di kulit terluarnya. Dengan demikian, ia akan membentuk senyawa stabil yang mirip dengan gas mulia.

Karena aluminium memiliki jumlah elektron yang sama dengan yang dibutuhkan nitrogen, keduanya bergabung dalam rasio 1:1. Artinya, hanya diperlukan satu atom aluminium dan satu atom nitrogen untuk membentuk aluminium nitrida (AlN).

Karena nitrogen memperoleh tiga elektron bebas dari aluminium, ia memiliki muatan ionik 3-ve (N3-). Aluminium akan memiliki muatan 3+ untuk melepaskan 3 elektron terluarnya (Al3+). Struktur Lewis untuk senyawa tersebut ditunjukkan di bawah ini:

Konstanta Dielektrik AlN

Sebelum membahas konsep konstanta dielektrik, Anda perlu memahami aluminium nitrida sebagai bahan dielektrik. Kita semua tahu bahwa AlN adalah keramik isolasi listrik. Namun, yang mungkin tidak Anda ketahui adalah aplikasinya yang sangat luas dalam piezoelektronik, mikroelektronik, dll., sebagai bahan dielektrik.

Jadi, apa yang membuat aluminium nitrida menjadi bahan dielektrik? Apa artinya itu?

Kata "dielektrik" menggabungkan dua akar kata Yunani, "dia" dan "listrik." Dia berarti melewati, sedangkan listrik berarti medan listrik. Oleh karena itu, akar kata dielektrik adalah bahan yang memungkinkan medan listrik melewatinya.

Sebuah medan listrik (medan E) adalah wilayah yang mengelilingi partikel bermuatan listrik. Jika Anda menempatkan muatan, misalnya p dalam medan listrik, muatan tersebut akan mengalami gaya yang sama dengan kekuatan medan dikalikan dengan p, yaitu F = pE.

Bila konduktor logam ditempatkan dalam medan listrik, elektron di dalamnya bebas bergerak. Muatan positif akan bergerak ke salah satu ujung logam sementara muatan negatif akan bergerak ke sisi yang berlawanan. Oleh karena itu, Anda akan memiliki dipol listrik, yang menciptakan medan listrik baru (E') yang berlawanan dengan medan listrik asli (E).

Medan listrik baru terus terbentuk hingga muatan berhenti bergerak dan keseimbangan tercapai. Dengan menggunakan rumus medan resultan, Er = E - E', Anda ingin mencari selisih antara medan listrik awal dan medan listrik baru. Contohnya, E - E' menghasilkan nol karena kedua gaya tersebut sama.

Karena medan resultan adalah nol, kita simpulkan bahwa konduktor listrik menghambat medan listrik.

Seperti yang disebutkan sebelumnya, aluminium nitrida, sebagai bahan dielektrik, adalah isolator. Saat terkena medan listrik, muatan dalam bahan dielektrik tidak bebas bergerak atau mungkin bergerak sedikit. Kemampuan atom untuk terpolarisasi saat terkena medan listrik bergantung pada struktur atomnya. Artinya, struktur atom atau molekul yang baik akan menghasilkan konstanta dielektrik yang lebih tinggi.

Konstanta dielektrik aluminium nitrida berkisar antara 8,3 dan 9,3. Ini menunjukkan jumlah energi yang tersimpan dalam aluminium nitrida dalam medan listrik. Anda mungkin ingin tahu berapa banyak energi yang tersimpan yang dapat diubah menjadi panas dan bagaimana reaksinya terhadap kondisi suhu tinggi. Titik leleh aluminium nitrida mencapai 2.200 °C atau 3.990 °F. Jadi, ia terurai pada suhu 1.800 °C (3.270 °F) dalam ruang hampa.

Sifat Kimia Aluminium Nitrida

Rumus kimia untuk aluminium nitrida adalah AlN, dengan Al yang berarti Aluminium dan N untuk Nitrida. Aluminium nitrida sering disalahartikan dengan aluminium nitratMeskipun AlN merupakan bentuk aluminium nitrat, kedua senyawa tersebut sangat berbeda. AlN memiliki tingkat oksidasi -3, sedangkan aluminium nitrat merupakan ester asam nitrat. Selain itu, rumus kimia senyawa yang terakhir adalah Al(NO₃)₃

Sintesis Aluminium Nitrida

Aluminium nitrida terbentuk melalui dua proses. Salah satunya meliputi nitridasi langsung aluminium sementara yang lain bergantung pada beberapa faktor. Proses kedua melibatkan reduksi karbotermal aluminium oksida. AlN terdisosiasi pada suhu di atas 2.500 °C. Karena material tersebut memiliki kepadatan 3,26 g.cm-3, ia terdisosiasi alih-alih mencair di atas suhu tersebut.

Sintering juga dapat dicapai jika Anda menggunakan aditif pembentuk cairan seperti CaO atau Y2O3. Beberapa metode pemrosesan digunakan untuk membentuk berbagai komponen aluminium nitrida seperti pengepresan kering dan pengepresan isostatik dingin. Metode pemrosesan lainnya meliputi pencetakan injeksi keramik, pemesinan presisi, pengecoran pita, dan pencetakan injeksi bertekanan rendah.

Aluminium nitrida dapat diserang oleh asam kuat dan butiran alkali. Namun, ia tahan terhadap serangan logam cair seperti litium dan tembaga, serta garam cair seperti kriolit dan klorida. Selain itu, bentuk bubuknya mudah terhidrolisis oleh air dan kelembapan. Dengan resistivitas volume tinggi, AlN menunjukkan konduktivitas termal yang tinggi untuk material keramik dan kekuatan dielektrik yang tinggi.

Sifat Termal dan Listrik Aluminium Nitrida

Aluminium nitrida merupakan material yang luar biasa karena konduktivitas termalnya yang tinggi. Material ini juga menunjukkan konduktivitas listrik yang tinggi dan merupakan isolator listrik yang sangat baik. Kombinasi ini dengan resistivitas volume yang tinggi menjadikan AlN sebagai material yang banyak dicari dalam mikroelektronika untuk digunakan sebagai substrat.

Berbicara tentang konduktivitas termal, AlN berada di urutan kedua setelah berilia. Namun, ia memiliki konduktivitas termal yang lebih tinggi daripada tembaga pada suhu sedang (yaitu ~200 °C).

AlN mampu menangani komponen mikroelektronik yang membutuhkan volume dan resistivitas tinggi. Dalam mikroelektronik, Anda memiliki substrat pendingin yang lebih baik daripada substrat keramik konvensional. Oleh karena itu, substrat ini diaplikasikan sebagai penyerap panas dan pembawa panas.

Dalam telekomunikasi, aluminium nitrida digunakan dalam pembuatan filter RF untuk peralatan telekomunikasi. Aluminium nitrida juga digunakan sebagai isolator dalam cincin penjepit, laser, chiplet, kemasan perangkat gelombang mikro, dll. Aluminium Nitrida stabil dalam atmosfer karbon, hidrogen, dan karbon dioksida hingga 980°C. Material ini juga digunakan dalam optoelektronik ultra violet dalam.

Celah pita lebar dari bahan yang sangat konduktif ini memberi aluminium nitrida keunggulan dalam optoelektronik.

Kesimpulan

Peran aluminium nitrida dalam teknologi masa depan perlahan mulai terbentuk. Manfaat material ini dalam mikroelektronika, peizoelektronika, optoelektronika ultraviolet dalam sangatlah penting. Oleh karena itu, ada alasan untuk terjun ke dalam petualangan aluminium nitrida untuk mendapatkan tempat bagi diri Anda di masa depan.