Aluminiumnitride: de "wonder"-thermische geleider en zijn plaats in de technologie van morgen

Aluminiumnitride staat om verschillende redenen algemeen bekend als een wonderbaarlijke warmtegeleider. We hebben het over een futuristisch materiaal waarvan de mogelijkheden grotendeels onontgonnen lijken. De wereld heeft de potentie van de verbinding meer dan een eeuw lang genegeerd sinds de eerste ontdekking. Gelukkig heeft onderzoek ons geholpen om de laaghangende vruchten van dit unieke materiaal te plukken.

Apparaten op basis van aluminiumnitride zorgen al voor een revolutie in energie, nanotechnologische microchips, staalproductie en RF-toepassingen. Met meer onderzoek kan deze trend alleen maar toenemen.

Wat is aluminiumnitride?

Aluminiumnitride is een ionische verbinding die ontstaat door de combinatie van aluminium, een metaal, en stikstof, een niet-metaal. De verbinding ontstaat door elektronenoverdracht van het metaal naar het niet-metaal. Aluminium geeft zijn drie buitenste elektronen af aan stikstof, waardoor een stabiele verbinding ontstaat. Het materiaal heeft een wurtzietfase, wat de halfgeleidbaarheid met een brede bandkloof verklaart.

Aluminium Nitride Lewis Structuur

Aluminium staat in groep 13 van het periodiek systeem, terwijl stikstof in groep 15 staat. Dit betekent dat aluminium 3 covalente (vrije) elektronen heeft, terwijl stikstof er 5 heeft. Als niet-metaal in een ionische verbinding heeft stikstof 8 elektronen in zijn buitenste schil nodig. Daarmee vormt het een stabiele verbinding die vergelijkbaar is met edelgassen.

Omdat aluminium precies het aantal elektronen heeft dat stikstof nodig heeft, combineren ze zich in een verhouding van 1:1. Dit betekent dat er slechts één aluminium- en één stikstofatoom nodig zijn om aluminiumnitride (AlN) te vormen.

Omdat stikstof drie vrije elektronen van aluminium krijgt, heeft het een ionlading van 3 ve (N3-). Aluminium heeft een lading van 3+ voor het afgeven van zijn drie buitenste elektronen (Al3+). De Lewisstructuur van de verbinding is als volgt:

AlN-diëlektrische constante

Voordat u ingaat op het concept van de diëlektrische constante, moet u aluminiumnitride als diëlektrisch materiaal begrijpen. We weten allemaal dat AlN een elektrisch isolerend keramiek is. Maar wat u misschien niet weet, zijn de enorme toepassingen ervan in de piëzo-elektronica, micro-elektronica, enz. als diëlektrisch materiaal.

Dus, wat maakt aluminiumnitride tot een diëlektrisch materiaal? Wat betekent dat in de eerste plaats?

Het woord "diëlektricum" is een combinatie van twee Griekse grondwoorden: "dia" en "elektrisch". "Dia" betekent "doorlaten", terwijl "elektrisch" elektrisch veld betekent. De grondbetekenis van diëlektricum is dus "een materiaal dat elektrische velden doorlaat".

Een elektrisch veld (E-veld) is een gebied rondom elektrisch geladen deeltjes. Als je een lading, bijvoorbeeld p, in een elektrisch veld plaatst, ondervindt deze een kracht die gelijk is aan de sterkte van het veld vermenigvuldigd met p, oftewel F = pE.

Wanneer een metalen geleider in een elektrisch veld wordt geplaatst, kunnen de elektronen erin vrij bewegen. De positieve ladingen zullen naar één kant van het stuk metaal bewegen, terwijl de negatieve ladingen naar de andere kant zullen bewegen. Zo ontstaat een elektrische dipool, die een nieuw elektrisch veld (E') creëert dat het oorspronkelijke elektrische veld (E) tegenwerkt.

Het nieuwe elektrische veld blijft zich vormen totdat de ladingen stoppen met bewegen en een evenwicht is bereikt. Met behulp van de formule voor het resulterende veld, Er = E - E', wilt u het verschil tussen het oorspronkelijke elektrische veld en het nieuwe veld bepalen. In dit geval levert E - E' nul op, omdat de twee krachten gelijk zijn.

Omdat het resulterende veld nul is, concluderen we dat een elektrische geleider elektrische velden remt.

Zoals eerder vermeld, is aluminiumnitride, als diëlektrisch materiaal, een isolator. Bij blootstelling aan een elektrisch veld kunnen de ladingen in een diëlektrisch materiaal niet vrij bewegen, of slechts een beetje. Het vermogen van een atoom om te polariseren bij blootstelling aan een elektrisch veld is afhankelijk van zijn atomaire structuur. Dit betekent dat een goede atomaire of moleculaire structuur een hogere diëlektrische constante oplevert.

De diëlektrische constante van aluminiumnitride ligt tussen 8,3 en 9,3. Dit geeft de hoeveelheid energie aan die in aluminiumnitride is opgeslagen in een elektrisch veld. U wilt misschien weten hoeveel van de opgeslagen energie kan worden omgezet in warmte en hoe het reageert op hoge temperaturen. Het smeltpunt van aluminiumnitride kan oplopen tot 2200 °C (3990 °F). Het ontleedt dus bij 1800 °C (3270 °F) in een vacuüm.

Chemische eigenschappen van aluminiumnitride

De chemische formule voor aluminiumnitride is AlN, waarbij Al staat voor aluminium en N voor nitride. Aluminiumnitride wordt vaak verward met aluminium nitraatHoewel AlN een vorm van aluminiumnitraat is, zijn de twee verbindingen zeer verschillend. AlN heeft een oxidatietoestand van -3, terwijl aluminiumnitraat een ester van salpeterzuur is. Bovendien is de chemische formule van de laatste verbinding Al(NO₃)₃

Synthese van aluminiumnitride

Aluminiumnitride wordt gevormd via twee processen. Eén proces omvat directe nitrering van aluminium, terwijl het andere afhankelijk is van een aantal factoren. Het tweede proces omvat carbothermische reductie van aluminiumoxide. AlN dissocieert bij temperaturen boven 2500 °C. Omdat het materiaal een dichtheid van 3,26 g.cm-3 heeft, dissocieert het in plaats van te smelten boven deze temperatuur.

Sinteren is ook mogelijk met behulp van vloeistofvormende additieven zoals CaO of Y₂O₂. Er zijn verschillende verwerkingsmethoden die worden gebruikt om verschillende aluminiumnitrideonderdelen te vormen, zoals droogpersen en koud isostatisch persen. Andere verwerkingsmethoden zijn onder meer keramisch spuitgieten, precisiebewerking, tapegieten en lagedrukspuitgieten.

Aluminiumnitride wordt aangetast door sterke zuren en alkalische korrels. Het is echter bestand tegen aantasting door gesmolten metalen zoals lithium en koper, en gesmolten zouten zoals cryoliet en chloride. Bovendien hydrolyseert het in poedervorm gemakkelijk door water en vocht. Met een hoge volumeweerstand vertoont AlN een hoge thermische geleidbaarheid voor een keramisch materiaal en een hoge diëlektrische sterkte.

Thermische en elektrische eigenschappen van aluminiumnitride

Aluminiumnitride is een opmerkelijk materiaal vanwege zijn kenmerkende hoge thermische geleidbaarheid. Het vertoont ook een hoge elektrische geleidbaarheid en is een uitstekende elektrische isolator. Deze eigenschappen, gecombineerd met een hoge volumeweerstand, maken AlN tot een gewild materiaal in de micro-elektronica voor gebruik als substraat.

Over thermische geleidbaarheid gesproken: AlN staat op de tweede plaats na beryllium. Het heeft echter een hogere thermische geleidbaarheid dan koper bij gematigde temperaturen (ongeveer 200 °C).

AlN is geschikt voor micro-elektronische componenten die een groot volume en een hoge soortelijke weerstand vereisen. In de micro-elektronica heb je betere koelsubstraten dan conventionele keramische substraten. Daarom worden ze gebruikt als koellichamen en warmtedragers.

In de telecommunicatie wordt aluminiumnitride gebruikt bij de productie van RF-filters voor telecommunicatiegadgets. Het wordt ook gebruikt als isolator in klemringen, lasers, chiplets, de behuizing van microgolfapparatuur, enz. AlN is stabiel in koolstof-, waterstof- en kooldioxide-atmosferen tot 980 °C. Het materiaal wordt ook gebruikt in diep-ultraviolette opto-elektronica.

Door de grote bandkloof van dit zeer geleidende materiaal heeft aluminium nitride een voorsprong in de opto-elektronica.

Conclusie

De plaats van aluminiumnitride in de technologie van morgen krijgt langzaam vorm. De voordelen van het materiaal in de micro-elektronica, piëzo-elektronica en diep-ultraviolette opto-elektronica zijn onmisbaar. Reden genoeg om je in het aluminiumnitride-avontuur te wagen en een plekje voor jezelf te veroveren in de toekomst.