ההתפתחות המהירה של טכנולוגיות כגון בינה מלאכותית, תקשורת 5G ורכבי אנרגיה חדשים הובילה להגדלת צפיפות ההספק ורמות האינטגרציה במכשירים אלקטרוניים, מה שהופך את "פיזור החום" לגורם מפתח המגביל את ביצועי המכשירים. בהשוואה לחומרים מסורתיים כגון Al₂O₃, BeO ו-SiC, AlN (אלומיניום ניטריד), עם מוליכות תרמית מצוינת, חוזק מכני גבוה, התאמת התפשטות תרמית טובה, יציבות כימית, אי-רעילות, קבוע דיאלקטרי נמוך והתנגדות חשמלית גבוהה, הפך לחומר קריטי לאריזות ניהול אלקטרוניות ולאריזה אלקטרונית. עם זאת, אבקת AlN נוטה להידרוליזה ביישומים מעשיים. כאשר הוא נחשף לאוויר לח, פני השטח שלו עוברים תגובה בלתי הפיכה עם מים, ומייצרים אלומיניום הידרוקסיד [Al(OH)₃], AlOOH ומוצרים אחרים. זה מוביל לריקון חנקן, נקבוביות מוגברת ותכולת חמצן בקרמיקה מסוג AlN שסנטרה לאחר מכן, ירידה משמעותית במוליכות התרמית, ואפילו שחרור גז אמוניה במהלך השימוש, מה שעלול להשפיע על הרכיבים הסובבים (למשל, הרעלת זרזי פלטינה). לכן, מציאת שיטות אנטי--מתאימות הידרוליזה היא חיונית לפיתוח של AlN.
התנהגות הידרוליזה של אלומיניום ניטריד
ניתן לחלק באופן גס את התנהגות ההידרוליזה של AlN לשלושה שלבים אופייניים:
(1) תקופת אינדוקציה: התרכובת האמורפית הידרוקסיד האמורפית (AHC) הקיימת על פני השטח AlN מתמוססת לאט, וה-pH נשאר יציב ברובו (נמשך 17-180 דקות בטמפרטורת החדר; תקופת האינדוקציה נעלמת ב-90 מעלות).
(2) תקופת תגובה מהירה: לאחר התמוססות ה-AHC, משטח ה-AlN נחשף ועובר הידרוליזה מהירה ליצירת AlOOH אמורפי, אשר הופך לאחר מכן לבוהמיט גבישי (AlOOH). ה-pH עולה בחדות ל-9-10.
(3) תקופת ייצוב המוצר: בטמפרטורות נמוכות (22-50 מעלות), הבוהמיט מתמוסס עוד יותר ומתגבש מחדש לכדי באיריט (-Al(OH)₃). בטמפרטורות גבוהות (80-90 מעלות), הבוהמיט נשאר יציב ולא נוצר באייריט.
גורמים מרכזיים המשפיעים על תהליך ההידרוליזה
1. גורמים סביבתיים: המדיום הסביבתי הוא גורם מרכזי הקובע את משך כל שלב ואת אופי מוצרי ההידרוליזה.
(1) טמפרטורה: Fukumoto et al. נמצא שכאשר הטמפרטורה נמוכה מ-77.85 מעלות, תוצר ההידרוליזה הסופי הוא Al(OH)₃; מעל 77.85 מעלות, המוצר העיקרי הוא AlOOH. חומצות חזקות (למשל, HCl) או בסיסים חזקים (למשל, NaOH) מאיצים את ההידרוליזה, בעוד שחומצות חזקות בינוניות (למשל, H₃PO₄) יכולות לעכב הידרוליזה על ידי יצירת שכבת פוספט מגנה.
(2) pH: Kocjan מצא שה-pH הראשוני אינו משנה את קצב ההידרוליזה הכולל, אך ב-pH=10 מתבטלת תקופת האינדוקציה (AHC אמורפי לא יכול להתקיים ביציבות בתנאים אלקליים). בסביבות חומציות של pH=1-3, יוני H⁺ יכולים להתאחד עם OH⁻ על פני השטח AlN, ולעכב את ההידרוליזה.
(3) אווירה: Hou et al. חקר סביבות-טמפרטורות גבוהות (1000-1150 מעלות) ומצא שבגלל ש-H₂O מקדם את הדיפוזיה פנימה של H⁺, הנטייה להידרוליזה/חמצון של AlN היא הגבוהה ביותר באווירת Ar-20 vol% H₂O, עם עלייה של 21.1% לאחר 15 שעות. באווירה של 20% נפח H₂O, O₂ מתחרה עם H₂O, וכתוצאה מכך לעלייה במסה של 12.0% בלבד, מה שמעיד על כך שחמצן מדכא הידרוליזה בטמפרטורה{11}}גבוהה.
2. גודל החלקיקים: מחקרים הראו שקצב ההידרוליזה של AlN בגודל -ננו מהיר פי 5-10 מזה של AlN בגודל -תת-מיקרון. הידרוליזה מתחילה בפגמים פני השטח כגון שלבים, ומדגימה את ההשפעה המשמעותית של גודל החלקיקים ומורפולוגיה של פני השטח על קינטיקה של הידרוליזה.
3. Preparation process: Currently, the industrial production of AlN powder is dominated by carbothermal reduction and direct nitridation methods. Li et al. found that AlN prepared by carbothermal reduction has a stable γ-Al₂O₃ layer on its surface, resulting in the longest induction period (>24 שעות), בעוד שתקופת האינדוקציה עבור AlN שהוכנה על ידי ניטרידציה ישירה היא רק 6 שעות.