Azotek glinu: odkrywanie „cudownego” przewodnika cieplnego i jego miejsca w technologii jutra

Azotek glinu jest powszechnie znany jako cudowny przewodnik ciepła z kilku powodów. Mówimy o futurystycznym materiale, którego potencjał wydaje się być w dużej mierze niezbadany. Świat nie doceniał potencjału tego związku przez ponad wiek od momentu jego pierwszego odkrycia. Na szczęście badania pomogły nam wykorzystać potencjał tego unikalnego materiału.

Urządzenia na bazie azotku glinu już teraz rewolucjonizują energetykę, mikroprocesory nanotechnologiczne, produkcję stali i zastosowania RF. Dzięki dalszym badaniom ten trend może tylko rosnąć.

Czym jest azotek glinu?

Azotek glinu to związek jonowy powstający w wyniku połączenia glinu, metalu, i azotu, niemetalu. Związek powstaje poprzez przeniesienie elektronów z metalu do niemetalu. Glin oddaje swoje trzy zewnętrzne elektrony azotowi, tworząc stabilny związek. Materiał ten ma fazę wurcytową, stąd jego szerokie pasmo przenoszenia.

Struktura Lewisa azotku glinu

Aluminium znajduje się w grupie 13. układu okresowego, a azot w grupie 15. Oznacza to, że aluminium ma 3 elektrony kowalencyjne (wolne), podczas gdy azot ma ich 5. Jako niemetal w związku jonowym, azot potrzebuje 8 elektronów na swojej powłoce zewnętrznej. Dzięki temu tworzy stabilny związek chemiczny, podobny do gazów szlachetnych.

Ponieważ aluminium ma dokładnie taką liczbę elektronów, jakiej potrzebuje azot, łączą się one w stosunku 1:1. Oznacza to, że do utworzenia azotku glinu (AlN) potrzebny jest tylko jeden atom aluminium i jeden atom azotu.

Ponieważ azot otrzymuje trzy wolne elektrony od glinu, ma ładunek jonowy 3-ve (N3-). Glin będzie miał ładunek 3+ po oddaniu 3 zewnętrznych elektronów (Al3+). Struktura Lewisa tego związku przedstawia się następująco:

Stała dielektryczna AlN

Zanim przejdziemy do koncepcji stałej dielektrycznej, warto zrozumieć azotek glinu jako materiał dielektryczny. Wszyscy wiemy, że AlN to ceramika izolacyjna. Ale być może nie wiesz, że ma on ogromne zastosowanie w piezoelektronice, mikroelektronice itp. jako materiał dielektryczny.

Co zatem sprawia, że azotek glinu jest materiałem dielektrycznym? Co to w ogóle oznacza?

Słowo „dielektryk” łączy w sobie dwa greckie rdzenie: „dia” i „elektryczny”. „Dia” oznacza „przechodzący”, podczas gdy „elektryczny” oznacza „pole elektryczne”. Zatem pierwotne znaczenie słowa „dielektryk” to materiał, który przepuszcza pola elektryczne.

Jakiś pole elektryczne (Pole E) to obszar otaczający cząstki naładowane elektrycznie. Jeśli umieścisz ładunek, powiedzmy p, w polu elektrycznym, będzie on podlegał sile równej natężeniu pola pomnożonemu przez p, czyli F = pE.

Gdy metalowy przewodnik zostanie umieszczony w polu elektrycznym, elektrony w nim zawarte mogą się swobodnie poruszać. Ładunki dodatnie przemieszczą się na jeden koniec kawałka metalu, a ładunki ujemne na przeciwny. W ten sposób powstanie dipol elektryczny, który wytworzy nowe pole elektryczne (E'), przeciwstawiające się pierwotnemu polu elektrycznemu (E).

Nowe pole elektryczne będzie się formować, aż ładunki przestaną się poruszać i zostanie osiągnięta równowaga. Korzystając z otrzymanego wzoru na pole, Er = E - E', należy obliczyć różnicę między pierwotnym polem elektrycznym a nowym polem. W tym przypadku E - E' daje zero, ponieważ obie siły są równe.

Ponieważ wypadkowe pole jest równe zero, możemy stwierdzić, że przewodnik elektryczny hamuje pola elektryczne.

Jak wspomniano wcześniej, azotek glinu, jako materiał dielektryczny, jest izolatorem. Pod wpływem pola elektrycznego ładunki w materiale dielektrycznym nie mogą się swobodnie poruszać lub mogą się nieznacznie poruszać. Zdolność atomu do polaryzacji pod wpływem pola elektrycznego zależy od jego struktury atomowej. Oznacza to, że prawidłowa struktura atomowa lub cząsteczkowa zapewni wyższą stałą dielektryczną.

Stała dielektryczna azotku glinu waha się między 8,3 a 9,3. Wskazuje ona ilość energii zmagazynowanej w azotku glinu w polu elektrycznym. Warto wiedzieć, ile z tej zmagazynowanej energii może zostać przekształcone w ciepło i jak reaguje on na wysokie temperatury. Temperatura topnienia azotku glinu wynosi aż 2200°C (3990°F). Zatem rozkłada się on w próżni w temperaturze 1800°C (3270°F).

Właściwości chemiczne azotku glinu

Wzór chemiczny azotku glinu to AlN, gdzie Al oznacza aluminium, a N azotek. Azotek glinu jest często mylony z azotan glinuChociaż AlN jest formą azotanu glinu, oba związki bardzo się różnią. AlN ma -3 stopień utlenienia, podczas gdy azotan glinu jest estrem kwasu azotowego. Ponadto, wzór chemiczny tego drugiego związku to Al(NO₃)₃.

Synteza azotku glinu

Azotek glinu powstaje w dwóch procesach. Jeden z nich obejmuje bezpośrednie azotowanie aluminium, a drugi zależy od kilku czynników. Drugi proces obejmuje karbotermiczną redukcję tlenku glinu. AlN dysocjuje w temperaturach powyżej 2500°C. Ponieważ materiał ma gęstość 3,26 g/cm-3, dysocjuje zamiast topnieć powyżej tej temperatury.

Spiekanie jest również możliwe przy użyciu dodatków formujących ciecz, takich jak CaO lub Y2O3. Do formowania różnych elementów z azotku glinu stosuje się kilka metod przetwarzania, takich jak prasowanie na sucho i prasowanie izostatyczne na zimno. Inne metody przetwarzania obejmują formowanie wtryskowe ceramiki, obróbkę precyzyjną, odlewanie taśmowe i formowanie wtryskowe niskociśnieniowe.

Azotek glinu jest podatny na działanie silnych kwasów i ziaren alkalicznych. Jest jednak odporny na działanie stopionych metali, takich jak lit i miedź, oraz stopionych soli, takich jak kriolit i chlorek. Ponadto, w postaci proszku, łatwo ulega hydrolizie pod wpływem wody i wilgoci. Dzięki wysokiej rezystywności skrośnej, AlN charakteryzuje się wysoką przewodnością cieplną jak na materiał ceramiczny oraz wysoką wytrzymałością dielektryczną.

Właściwości termiczne i elektryczne azotku glinu

Azotek glinu to wyjątkowy materiał ze względu na swoją charakterystyczną wysoką przewodność cieplną. Wykazuje również wysoką przewodność elektryczną i jest doskonałym izolatorem elektrycznym. W połączeniu z wysoką rezystywnością skrośną sprawia to, że AlN jest poszukiwanym materiałem w mikroelektronice do stosowania jako podłoże.

Jeśli chodzi o przewodność cieplną, AlN plasuje się na drugim miejscu po berylu. Ma jednak wyższą przewodność cieplną niż miedź w umiarkowanych temperaturach (tj. ~200°C).

AlN doskonale nadaje się do elementów mikroelektronicznych wymagających dużej objętości i rezystywności. W mikroelektronice dostępne są lepsze podłoża chłodzące niż konwencjonalne podłoża ceramiczne. Dlatego są one stosowane jako radiatory i nośniki ciepła.

W telekomunikacji azotek glinu jest stosowany do produkcji filtrów RF w urządzeniach telekomunikacyjnych. Stosowany jest również jako izolator w pierścieniach zaciskowych, laserach, chipletach, obudowach urządzeń mikrofalowych itp. AlN jest stabilny w atmosferach węgla, wodoru i dwutlenku węgla do 980°C. Materiał ten znajduje również zastosowanie w optoelektronice w zakresie głębokiego ultrafioletu.

Szeroka przerwa pasmowa tego wysoce przewodzącego materiału zapewnia azotkowi glinu przewagę w optoelektronice.

Wniosek

Miejsce azotku glinu w technologii jutra powoli nabiera kształtów. Korzyści płynące z tego materiału w mikroelektronice, peizoelektronice i optoelektronice głębokiego ultrafioletu są nieodzowne. Dlatego warto odważyć się na przygodę z azotkiem glinu, aby zapewnić sobie miejsce w przyszłości.