Aluminijum nitrid (AlN) ima izuzetno visoku teorijsku toplotnu provodljivost (~320 W/(m·K)), odličnu električnu izolaciju, male dielektrične gubitke i koeficijent termičkog širenja koji odgovara poluprovodničkim materijalima. Bilo da je idealan materijal za velike-podloge za pakovanje čipova, osnovno funkcionalno punilo u toplotno provodljivim mastima i gelovima, ili precizne keramičke komponente koje rade u teškim okruženjima, AlN nastavlja pomicati granice performansi. Međutim, AlN prah je veoma podložan hidrolizi, stvarajući kiseonik-koje sadrže nečistoće (npr. -AlOOH, Al(OH)₃, -Al₂O₃), koje značajno smanjuju čistoću praha i degradiraju toplotnu provodljivost finalnih proizvoda. Što je još kritičnije, proizvodi hidrolize direktno ometaju razvoj i primjenu procesa oblikovanja na bazi vode za AlN keramiku (npr. livenje trake, livenje gelom). Stoga, kako se scenariji primjene AlN-a proširuju-posebno sve veća potreba za kontaktom sa sredinama visoke vlažnosti i vodenim sistemima-poboljšanje antihidrolizne stabilnosti AlN praha postalo je osnovno tehničko usko grlo kako bi se osigurala pouzdana realizacija njegovih izvanrednih svojstava.
Mehanizam hidrolize aluminijum nitrida
Ograničena trenutnim proizvodnim procesima i ekološkom osjetljivošću, industrijska proizvodnja AlN praha visoke čistoće ostaje izazovna. Prvo, kada AlN dođe u kontakt s vodom, hidroksilne grupe (–OH) iz molekula vode stupaju u interakciju s dušikom (N) i aluminijem (Al) u AlN, narušavajući kristalnu strukturu i formirajući amorfne međuproizvode (AlOOH) i NH₃. Oslobođeni NH₃ dalje reaguje sa vodom da formira amonijum (NH₄⁺) i hidroksid ione (OH⁻), a egzotermna priroda podiže temperaturu i alkalnost sistema (pH > 9), olakšavajući naknadne reakcije. Pod određenim temperaturama i alkalnim uslovima, amorfni AlOOH dalje reaguje sa vodom i proizvodi Al(OH)₃. Na kraju, AlN potpuno hidrolizira u Al(OH)₃ i NH₃.
Važno je napomenuti da ovaj proces hidrolize nije ograničen na direktan kontakt između AlN praha i tekuće vode. Izlaganje zraku također može izazvati hidrolizu adsorbiranjem atmosferske vlage. Štaviše, defekti na površini AlN čestica ili prisustvo drugih nečistoća značajno kataliziraju reakciju hidrolize. Stoga je potrebna modifikacija površine kako bi se smanjila kemijska aktivnost površine praha prema vodi.
Tehnologije modifikacije protiv hidrolize za aluminijum nitrid
Da bi se riješio problem hidrolize AlN, postoje dvije glavne strategije modifikacije: termička obrada i modifikacija površine. Modifikacija površine se dalje dijeli na neorganski i organski pristup.
01 Termička obrada
Ova metoda uključuje visokotemperaturnu obradu AlN praha u specifičnoj atmosferi, kontrolirajući sadržaj kisika, temperaturu i vrijeme oksidacije kako bi se formirao gusti Al₂O₃ film na površini kao fizička barijera, čime se u određenoj mjeri poboljšava otpornost praha na hidrolizu. Iako je ova metoda jednostavna i jeftina, njen osnovni nedostatak je u tome što neizbježno uvođenje Al₂O₃ faze tokom termičke obrade značajno degradira ključna svojstva kao što je toplinska provodljivost finalne AlN keramike. Stoga se ne smatra idealnim putem protiv hidrolize za skladištenje i primjenu visokokvalitetnog AlN.
02 Neorganska modifikacija površine
Neorganska modifikacija površine uglavnom koristi neorganske kiseline kao što su H₂SiO₃ ili H₃PO₄ za zaštitu AlN, formirajući na površini tanki sloj nalik na film koji potiskuje hidrolizu u otopini. Općenito, topljivost formiranog filma uvelike utječe na ponašanje hidrolize. Na primjer, aluminijum silikat ima veoma nisku rastvorljivost i u toploj i u hladnoj vodi, dok aluminijum fosfat ima veću rastvorljivost u toploj vodi. Stoga je na povišenim temperaturama antihidrolizni efekat H₂SiO₃ znatno bolji od H₃PO₄. Nadalje, efikasnost ove modifikacije je povezana sa veličinom čestica AlN praha. Manje čestice posjeduju veću površinsku aktivnost i jači kapacitet adsorpcije za neorganske kiseline, što dovodi do izraženijeg antihidroliznog efekta. Za veće čestice, efekat prevlake je manje efikasan nego za male čestice, pa se preferiraju manje veličine. Osim ispiranja neorganskom kiselinom, tretman otopinom Al(H₂PO₄)₃ omogućava fosfatnim anionima da formiraju barem monosloj fosfata na površini čestica AlN, sprječavajući ulazak vode. Stoga je korištenje jednog tretmana otopinom Al(H₂PO₄)₃ na visokoj temperaturi, ili kombiniranje sa pranjem neorganskom kiselinom, također efikasan pristup modifikacije protiv hidrolize. Anorganski površinski modificiran AlN pokazuje dobru otpornost na hidrolizu i nisku cijenu, što ga čini praktičnim i obećavajućim metodom tretmana.
03 Organska modifikacija površine
Organska modifikacija površine obično koristi hidrofobne dugolančane organske molekule za premazivanje površine AlN praha ili za obavljanje polimerizacije na licu mjesta, čime se sprječava da molekuli vode dođu u kontakt s AlN površinom i na taj način poboljšavaju otpornost na hidrolizu. Ovaj pristup karakteriše jednostavnu obradu, kratko vreme tretmana i značajne modifikacione efekte, dok takođe u izvesnoj meri poboljšava disperzibilnost AlN praha u tečnim suspenzijama. Obično korišteni organski modifikatori uključuju organske karboksilne kiseline i stearinsku kiselinu. Karboksilne grupe u takvim organskim kiselinama mogu interagovati i reagovati sa hidroksilnim grupama na AlN površini, pokrivajući AlN površinu dugim organskim lancem koji formira efikasan vodootporni sloj. Dodatno, agensi za spajanje-aditivi koji poboljšavaju međufazna svojstva između neorganskih i organskih materijala-sadrže i hidrofilne i hidrofobne grupe. Hidrofobna grupa hemijski reaguje sa ili ima dobru kompatibilnost sa organskim materijalima, dok hidrofilna grupa može formirati hemijske veze sa neorganskim materijalima. Kada se koristi kao modifikator za AlN, hidrofilna grupa se vezuje za AlN površinu, dok je hidrofobna grupa izložena na AlN površini, dajući hidrofobnost i na taj način sprečavajući direktan kontakt između vode i površine AlN, čime se poboljšava otpornost na hidrolizu. Međutim, budući da organski materijali općenito imaju lošu termičku stabilnost, ova tehnika ima određena ograničenja u primjeni.