Rýchly vývoj technológií, ako je umelá inteligencia, 5G komunikácie a nové energetické vozidlá, viedol k neustálemu zvyšovaniu hustoty výkonu a úrovní integrácie v elektronických zariadeniach, vďaka čomu je „rozptyl tepla“ kľúčovým faktorom obmedzujúcim výkon zariadenia. V porovnaní s tradičnými materiálmi, ako sú Al₂O₃, BeO a SiC, sa AlN (nitrid hliníka) so svojou vynikajúcou tepelnou vodivosťou, vysokou mechanickou pevnosťou, dobrou tepelnou rozťažnosťou, chemickou stabilitou, netoxicitou, nízkou dielektrickou konštantou a vysokým elektrickým odporom stal kritickým materiálom pre elektronické balenie a tepelný manažment. Avšak prášok AlN je v praktických aplikáciách náchylný na hydrolýzu. Keď je vystavený vlhkému vzduchu, jeho povrch podlieha nevratnej reakcii s vodou, pričom vzniká hydroxid hlinitý [Al(OH)₃], AlOOH a ďalšie produkty. To vedie k uvoľneniu dusíka, zvýšenej pórovitosti a obsahu kyslíka v následne spekanej AlN keramike, k výraznému poklesu tepelnej vodivosti a dokonca k uvoľňovaniu plynného amoniaku počas používania, čo môže ovplyvniť okolité komponenty (napr. otrava platinových katalyzátorov). Preto je nájdenie vhodných anti-hydrolýznych metód kľúčové pre vývoj AlN.
Hydrolýza nitridu hliníka
Hydrolytické správanie AlN možno zhruba rozdeliť do troch charakteristických stupňov:
(1) Indukčná perióda: Pre-existujúca amorfná hydroxidová zlúčenina (AHC) na povrchu AlN sa pomaly rozpúšťa a pH zostáva do značnej miery stabilné (trvá 17–180 minút pri izbovej teplote; indukčná perióda zmizne pri 90 stupňoch).
(2) Rýchla reakčná perióda: Po rozpustení AHC je povrch AlN odkrytý a podlieha rýchlej hydrolýze za vzniku amorfného AlOOH, ktorý sa následne transformuje na kryštalický bôhmit (AlOOH). pH prudko stúpa na 9-10.
(3) Doba stabilizácie produktu: Pri nízkych teplotách (22–50 stupňov) sa boehmit ďalej rozpúšťa a rekryštalizuje na bayerit (-Al(OH)₃). Pri vysokých teplotách (80–90 stupňov) zostáva boehmit stabilný a nevytvára sa žiadny bayerit.
Kľúčové faktory ovplyvňujúce proces hydrolýzy
1. Environmentálne faktory: Environmentálne médium je kľúčovým faktorom určujúcim trvanie každej fázy a povahu produktov hydrolýzy.
(1) Teplota: Fukumoto a kol. zistilo sa, že keď je teplota nižšia ako 77,85 stupňov, konečným produktom hydrolýzy je Al(OH)3; nad 77,85 stupňa, hlavným produktom je AlOOH. Silné kyseliny (napr. HCl) alebo silné zásady (napr. NaOH) urýchľujú hydrolýzu, zatiaľ čo stredne silné kyseliny (napr. H3PO₄) môžu hydrolýzu inhibovať vytvorením ochrannej fosfátovej vrstvy.
(2) pH: Kocjan zistil, že počiatočné pH nemení celkovú rýchlosť hydrolýzy, ale pri pH=10 je indukčná perióda eliminovaná (amorfný AHC nemôže existovať stabilne v alkalických podmienkach). V kyslom prostredí s pH=1-3 sa ióny H⁺ môžu spájať s OH⁻ na povrchu AlN, čím sa oneskoruje hydrolýza.
(3) Atmosféra: Hou a kol. študovali vysokoteplotné prostredia (1 000 – 1 150 stupňov) a zistili, že pretože H2O podporuje difúziu H⁺ smerom dovnútra, tendencia k hydrolýze/oxidácii AlN je najvyššia v atmosfére Ar–20 obj. % H2O s nárastom hmotnosti o 21,1 % po 15 hodinách. V atmosfére vzduchu s 20 % obj. H2O O2 konkuruje H2O, čo vedie k nárastu hmotnosti iba o 12,0 %, čo naznačuje, že kyslík potláča vysokoteplotnú hydrolýzu.
2. Veľkosť častíc: Štúdie ukázali, že rýchlosť hydrolýzy nano-AlN je 5–10-krát rýchlejšia ako rýchlosť submikrónového-AlN. Hydrolýza začína pri povrchových defektoch, ako sú kroky, čo demonštruje významný vplyv veľkosti častíc a povrchovej morfológie na kinetiku hydrolýzy.
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 h), pričom indukčná perióda pre AlN pripravený priamou nitridáciou je len 6 h.