एल्युमीनियम नाइट्राइड (AlN) में अत्यधिक उच्च सैद्धांतिक तापीय चालकता (~320 W/(m·K)), उत्कृष्ट विद्युत इन्सुलेशन, कम ढांकता हुआ नुकसान और अर्धचालक सामग्री से मेल खाने वाले थर्मल विस्तार का गुणांक होता है। चाहे उच्च-शक्ति चिप पैकेजिंग सब्सट्रेट्स के लिए एक आदर्श सामग्री के रूप में, थर्मली कंडक्टिव ग्रीस और जैल में एक मुख्य कार्यात्मक भराव के रूप में, या कठोर वातावरण में काम करने वाले सटीक सिरेमिक घटकों के रूप में, एएलएन प्रदर्शन सीमाओं को आगे बढ़ाना जारी रखता है। हालाँकि, AlN पाउडर हाइड्रोलिसिस के प्रति अत्यधिक संवेदनशील है, जिससे ऑक्सीजन युक्त अशुद्धियाँ उत्पन्न होती हैं (उदाहरण के लिए, -AlOOH, Al(OH)₃, -Al₂O₃), जो पाउडर की शुद्धता को काफी कम कर देता है और अंतिम उत्पादों की तापीय चालकता को कम कर देता है। अधिक गंभीर रूप से, हाइड्रोलिसिस उत्पाद सीधे AlN सिरेमिक (उदाहरण के लिए, टेप कास्टिंग, जेलकास्टिंग) के लिए पानी आधारित निर्माण प्रक्रियाओं के विकास और अनुप्रयोग में बाधा डालते हैं। इसलिए, जैसे-जैसे AlN के अनुप्रयोग परिदृश्यों का विस्तार हो रहा है, विशेष रूप से उच्च आर्द्रता वाले वातावरण और जलीय प्रणालियों के साथ संपर्क की बढ़ती आवश्यकता, AlN पाउडर की एंटी-हाइड्रोलिसिस स्थिरता में सुधार इसके उत्कृष्ट गुणों की विश्वसनीय प्राप्ति सुनिश्चित करने के लिए एक मुख्य तकनीकी बाधा बन गई है।
एल्युमिनियम नाइट्राइड का हाइड्रोलिसिस तंत्र
वर्तमान उत्पादन प्रक्रियाओं और पर्यावरणीय संवेदनशीलता द्वारा सीमित, उच्च शुद्धता वाले एएलएन पाउडर का औद्योगिक उत्पादन चुनौतीपूर्ण बना हुआ है। सबसे पहले, जब AlN पानी से संपर्क करता है, तो पानी के अणुओं से हाइड्रॉक्सिल समूह (-OH) AlN में नाइट्रोजन (N) और एल्यूमीनियम (Al) के साथ संपर्क करते हैं, क्रिस्टल संरचना को बाधित करते हैं और अनाकार मध्यवर्ती उत्पाद (AlOOH) और NH₃ बनाते हैं। जारी एनएच₃ आगे पानी के साथ प्रतिक्रिया करके अमोनियम (एनएच₄⁺) और हाइड्रॉक्साइड आयन (ओएच⁻) बनाता है, और एक्सोथर्मिक प्रकृति सिस्टम के तापमान और क्षारीयता (पीएच > 9) को बढ़ाती है, जिससे बाद की प्रतिक्रियाओं की सुविधा मिलती है। कुछ तापमान और क्षारीय स्थितियों के तहत, अनाकार AlOOH पानी के साथ प्रतिक्रिया करके Al(OH)₃ का उत्पादन करता है। अंततः, AlN पूरी तरह से Al(OH)₃ और NH₃ में जल-अपघटित हो जाता है।
उल्लेखनीय है कि यह हाइड्रोलिसिस प्रक्रिया AlN पाउडर और तरल पानी के बीच सीधे संपर्क तक सीमित नहीं है। हवा के संपर्क में आने से वायुमंडलीय नमी को सोखकर हाइड्रोलिसिस भी प्रेरित किया जा सकता है। इसके अलावा, AlN कण सतह पर दोष या अन्य अशुद्धियों की उपस्थिति हाइड्रोलिसिस प्रतिक्रिया को महत्वपूर्ण रूप से उत्प्रेरित करती है। इसलिए, पानी के प्रति पाउडर की सतह की रासायनिक गतिविधि को कम करने के लिए सतह संशोधन की आवश्यकता होती है।
एल्यूमिनियम नाइट्राइड के लिए एंटी-हाइड्रोलिसिस संशोधन तकनीकें
AlN के हाइड्रोलिसिस मुद्दे को संबोधित करने के लिए, दो मुख्य संशोधन रणनीतियाँ मौजूद हैं: थर्मल उपचार और सतह संशोधन। सतही संशोधन को आगे अकार्बनिक और जैविक दृष्टिकोण में विभाजित किया गया है।
01 थर्मल उपचार
इस विधि में एक विशिष्ट वातावरण के तहत AlN पाउडर का उच्च तापमान उपचार शामिल है, एक भौतिक बाधा के रूप में सतह पर एक घनी Al₂O₃ फिल्म बनाने के लिए ऑक्सीजन सामग्री, तापमान और ऑक्सीकरण समय को नियंत्रित किया जाता है, जिससे पाउडर के हाइड्रोलिसिस प्रतिरोध में कुछ हद तक सुधार होता है। यद्यपि यह विधि सरल और कम लागत वाली है, लेकिन इसका मुख्य दोष यह है कि थर्मल उपचार के दौरान Al₂O₃ चरण का अपरिहार्य परिचय अंतिम AlN सिरेमिक की तापीय चालकता जैसे प्रमुख गुणों को महत्वपूर्ण रूप से ख़राब कर देता है। इस प्रकार, इसे उच्च गुणवत्ता वाले AlN भंडारण और अनुप्रयोग के लिए एक आदर्श एंटी-हाइड्रोलिसिस मार्ग नहीं माना जाता है।
02 अकार्बनिक सतह संशोधन
अकार्बनिक सतह संशोधन मुख्य रूप से AlN की रक्षा के लिए H₂SiO₄ या H₃PO₄ जैसे अकार्बनिक एसिड का उपयोग करता है, जो सतह पर एक पतली फिल्म जैसी परत बनाता है जो समाधान में हाइड्रोलिसिस को दबा देता है। आम तौर पर, गठित फिल्म की घुलनशीलता हाइड्रोलिसिस व्यवहार को बहुत प्रभावित करती है। उदाहरण के लिए, एल्यूमीनियम सिलिकेट की गर्म और ठंडे पानी दोनों में घुलनशीलता बहुत कम होती है, जबकि एल्यूमीनियम फॉस्फेट की गर्म पानी में घुलनशीलता अधिक होती है। इसलिए, ऊंचे तापमान पर, H₂SiO₃ का एंटी-हाइड्रोलिसिस प्रभाव H₃PO₄ की तुलना में काफी बेहतर होता है। इसके अलावा, इस संशोधन की प्रभावशीलता AlN पाउडर के कण आकार से संबंधित है। छोटे कणों में उच्च सतह गतिविधि और अकार्बनिक एसिड के लिए मजबूत सोखने की क्षमता होती है, जिससे अधिक स्पष्ट एंटी-हाइड्रोलिसिस प्रभाव होता है। बड़े कणों के लिए, कोटिंग प्रभाव छोटे आकार के कणों की तुलना में कम प्रभावी होता है, इसलिए छोटे आकार को प्राथमिकता दी जाती है। अकार्बनिक एसिड धोने के अलावा, Al(H₂PO₄)₃ समाधान के साथ उपचार से फॉस्फेट आयनों को AlN कण सतह पर कम से कम फॉस्फेट की एक मोनोलेयर बनाने की अनुमति मिलती है, जिससे पानी के प्रवेश को रोका जा सकता है। इसलिए, एकल उच्च तापमान Al(H₂PO₄)₃ समाधान उपचार का उपयोग करना, या इसे अकार्बनिक एसिड धोने के साथ संयोजन करना भी एक प्रभावी एंटी-हाइड्रोलिसिस संशोधन दृष्टिकोण है। अकार्बनिक रूप से सतह-संशोधित एएलएन अच्छा हाइड्रोलिसिस प्रतिरोध और कम लागत प्रदर्शित करता है, जो इसे एक व्यावहारिक और आशाजनक उपचार विधि बनाता है।
03 जैविक सतह संशोधन
कार्बनिक सतह संशोधन आमतौर पर AlN पाउडर सतह को कोट करने या इन-सीटू पोलीमराइजेशन करने के लिए हाइड्रोफोबिक लंबी श्रृंखला वाले कार्बनिक अणुओं का उपयोग करता है, जिससे पानी के अणुओं को AlN सतह से संपर्क करने से रोका जाता है और इस प्रकार हाइड्रोलिसिस प्रतिरोध में सुधार होता है। इस दृष्टिकोण में सरल प्रसंस्करण, कम उपचार समय और महत्वपूर्ण संशोधन प्रभाव शामिल हैं, जबकि कुछ हद तक तरल निलंबन में एएलएन पाउडर की फैलाव क्षमता में भी सुधार होता है। आम तौर पर उपयोग किए जाने वाले कार्बनिक संशोधक में कार्बनिक कार्बोक्जिलिक एसिड और स्टीयरिक एसिड शामिल हैं। ऐसे कार्बनिक अम्लों में कार्बोक्सिल समूह AlN सतह पर हाइड्रॉक्सिल समूहों के साथ संपर्क और प्रतिक्रिया कर सकते हैं, जिससे AlN सतह एक लंबी कार्बनिक श्रृंखला से ढक जाती है जो एक प्रभावी जलरोधी परत बनाती है। इसके अतिरिक्त, युग्मन एजेंटों {{4}एडिटिव्स जो अकार्बनिक और कार्बनिक पदार्थों के बीच इंटरफेशियल गुणों में सुधार करते हैं - में हाइड्रोफिलिक और हाइड्रोफोबिक दोनों समूह होते हैं। हाइड्रोफोबिक समूह रासायनिक रूप से कार्बनिक पदार्थों के साथ प्रतिक्रिया करता है या उनके साथ अच्छी संगतता रखता है, जबकि हाइड्रोफिलिक समूह अकार्बनिक पदार्थों के साथ रासायनिक बंधन बना सकता है। जब AlN के लिए संशोधक के रूप में उपयोग किया जाता है, तो हाइड्रोफिलिक समूह AlN सतह से बंध जाता है, जबकि हाइड्रोफोबिक समूह AlN सतह पर उजागर होता है, जिससे हाइड्रोफोबिसिटी मिलती है और इस प्रकार पानी और AlN सतह के बीच सीधे संपर्क को रोका जाता है, जिससे हाइड्रोलिसिस प्रतिरोध में सुधार होता है। हालाँकि, क्योंकि कार्बनिक पदार्थों में आम तौर पर खराब तापीय स्थिरता होती है, इस तकनीक के अनुप्रयोग में कुछ सीमाएँ हैं।