Нитрид алюминия: распаковка «чуда» теплопроводника и его место в завтрашних технологиях

Нитрид алюминия широко известен как чудесный проводник тепла по нескольким причинам. Речь идёт о футуристическом материале, потенциал которого, похоже, ещё не раскрыт. Мир не подозревал о потенциале этого соединения более века с момента его первого открытия. К счастью, исследования помогли нам получить доступ к самым доступным возможностям этого уникального материала.

Устройства на основе нитрида алюминия уже произвели революцию в энергетике, нанотехнологических микросхемах, производстве стали и радиочастотных технологиях. С дальнейшими исследованиями эта тенденция может только усилиться.

Что такое нитрид алюминия?

Нитрид алюминия — это ионное соединение, образованное алюминием (металл) и азотом (неметалл). Это соединение образуется в результате переноса электронов от металла к неметаллу. Алюминий отдаёт три внешних электрона азоту, образуя стабильное соединение. Материал имеет фазу вюрцита, что обуславливает его широкую запрещённую зону полупроводников.

Структура Льюиса нитрида алюминия

Алюминий находится в 13-й группе периодической таблицы, а азот — в 15-й. Это означает, что у алюминия 3 ковалентных (свободных) электрона, а у азота — 5. Будучи неметаллом в ионном соединении, азоту требуется 8 электронов на внешней оболочке. Благодаря этому он образует устойчивое соединение, подобное инертным газам.

Поскольку алюминий имеет ровно столько же электронов, сколько и азот, они соединяются в соотношении 1:1. Это означает, что для образования нитрида алюминия (AlN) требуется всего один атом алюминия и один атом азота.

Поскольку азот получает три свободных электрона от алюминия, он имеет ионный заряд 3 (N3-). Алюминий, отдав свои три внешних электрона (Al3+), будет иметь заряд 3+. Структура Льюиса для этого соединения показана ниже:

Диэлектрическая проницаемость AlN

Прежде чем перейти к концепции диэлектрической проницаемости, необходимо понять, что нитрид алюминия является диэлектриком. Мы все знаем, что AlN — это электроизоляционная керамика. Но вы, возможно, не знаете о его широком применении в качестве диэлектрика в пьезоэлектронике, микроэлектронике и т. д.

Итак, что же делает нитрид алюминия диэлектриком? Что это значит?

Слово «диэлектрик» образовано от двух греческих корней: «диа» и «электрик». «Диа» означает «прохождение», а «электрик» — «электрическое поле». Таким образом, корень слова «диэлектрик» означает материал, пропускающий электрические поля.

Ан электрическое поле (Электронное поле) — это область, окружающая электрически заряженные частицы. Если поместить заряд, например, p, в электрическое поле, на него будет действовать сила, равная напряжённости поля, умноженной на p, то есть F = pE.

Когда металлический проводник помещён в электрическое поле, электроны внутри него могут свободно перемещаться. Положительные заряды переместятся к одному концу металлического проводника, а отрицательные — к противоположному. Таким образом, возникает электрический диполь, создающий новое электрическое поле (E'), противоположное исходному электрическому полю (E).

Новое электрическое поле продолжает формироваться до тех пор, пока заряды не прекратят движение и не достигнет равновесия. Используя формулу для полученного поля Er = E - E', нужно найти разницу между исходным и новым электрическим полем. В данном случае E - E' равно нулю, поскольку обе силы равны.

Поскольку результирующее поле равно нулю, мы приходим к выводу, что электрический проводник подавляет электрические поля.

Как уже упоминалось, нитрид алюминия, будучи диэлектриком, является изолятором. Под воздействием электрического поля заряды внутри диэлектрика не могут свободно перемещаться или могут немного перемещаться. Способность атома поляризоваться под воздействием электрического поля зависит от его атомной структуры. Следовательно, хорошая атомная или молекулярная структура обеспечивает более высокую диэлектрическую проницаемость.

Диэлектрическая проницаемость нитрида алюминия составляет от 8,3 до 9,3. Она показывает количество энергии, запасённой нитридом алюминия в электрическом поле. Возможно, вам будет интересно узнать, какая часть этой энергии может быть преобразована в тепло и как он реагирует на высокие температуры. Температура плавления нитрида алюминия достигает 2200 °C (3990 °F). Таким образом, в вакууме он разлагается при температуре 1800 °C (3270 °F).

Химические свойства нитрида алюминия

Химическая формула нитрида алюминия — AlN, где Al означает алюминий, а N — нитрид. Нитрид алюминия часто путают с нитрат алюминияХотя AlN является формой нитрата алюминия, эти два соединения существенно различаются. AlN имеет степень окисления -3, тогда как нитрат алюминия представляет собой сложный эфир азотной кислоты. Кроме того, химическая формула последнего соединения — Al(NO₃)₃.

Синтез нитрида алюминия

Нитрид алюминия образуется в результате двух процессов. Один из них включает прямое азотирование алюминия, а другой зависит от нескольких факторов. Второй процесс включает карботермическое восстановление оксида алюминия. Нитрид алюминия диссоциирует при температуре выше 2500 °C. Поскольку плотность материала составляет 3,26 г/см3, при температуре выше указанной он диссоциирует, а не плавится.

Спекание также возможно при использовании жидкоформующих добавок, таких как CaO или Y2O3. Для изготовления различных деталей из нитрида алюминия используются различные методы обработки, такие как сухое прессование и холодное изостатическое прессование. К другим методам обработки относятся литье керамики под давлением, прецизионная механическая обработка, литьё в ленту и литьё под низким давлением.

Нитрид алюминия подвержен воздействию сильных кислот и щелочей. Однако он устойчив к воздействию расплавленных металлов, таких как литий и медь, а также расплавленных солей, таких как криолит и хлорид. Кроме того, его порошкообразная форма легко гидролизуется водой и влагой. Обладая высоким удельным объёмным сопротивлением, нитрид алюминия демонстрирует высокую теплопроводность для керамического материала и высокую диэлектрическую прочность.

Тепловые и электрические свойства нитрида алюминия

Нитрид алюминия – замечательный материал благодаря своей высокой теплопроводности. Он также обладает высокой электропроводностью и является отличным электроизолятором. В сочетании с высоким объёмным удельным сопротивлением эти свойства делают AlN востребованным материалом для использования в качестве подложки в микроэлектронике.

По теплопроводности нитрид алюминия занимает второе место после бериллия. Однако при умеренных температурах (около 200 °C) его теплопроводность выше, чем у меди.

Нитрид алюминия (AlN) подходит для микроэлектронных компонентов, требующих большого объёма и высокого удельного сопротивления. В микроэлектронике подложки обеспечивают лучшее охлаждение, чем обычные керамические. Поэтому их применяют в качестве радиаторов и теплоносителей.

В телекоммуникациях нитрид алюминия используется для производства радиочастотных фильтров для телекоммуникационных устройств. Он также применяется в качестве изолятора в зажимных кольцах, лазерах, микросхемах, корпусах микроволновых устройств и т. д. Нитрид алюминия стабилен в атмосфере углерода, водорода и углекислого газа при температурах до 980 °C. Этот материал также применяется в оптоэлектронике в глубоком ультрафиолетовом диапазоне.

Широкая ширина запрещенной зоны этого высокопроводящего материала дает нитриду алюминия преимущество в оптоэлектронике.

Заключение

Место нитрида алюминия в технологиях будущего постепенно обретает форму. Преимущества этого материала в микроэлектронике, пьезоэлектронике и оптоэлектронике глубокого ультрафиолета незаменимы. Вот почему стоит окунуться в мир нитрида алюминия и найти своё место в будущем.