Alüminyum Nitrit (AlN) Nanopartikülleri

Alüminyum Nitrit (AlN), elektronik sektöründe yaygın olarak kullanılan bir bileşiktir, bu kullanımın ana sebepleri arasında yüksek ısı iletkenliği ve iyi bir elektrik yalıtkanı olması yer alır. Bu bileşiğin ısıl iletkenliği, 170-180 W/mK aralığında olup, bu değer birçok seramiğin ısıl iletkenlik değerlerinden daha yüksektir. 

Ayrıca, Alüminyum Nitrit metalize edilebilir özellikte olup, bu da onu elektronik bileşenlerde ısıyı etkili bir şekilde dağıtacak soğutucular olarak kullanılabilir kılar. Alüminyum Nitrit, büyük formlarda, ince tabakalar veya toz olarak bulunabilir ve nanopartikül formunda daha etkili özellikler gösterir. Bu makale, Alüminyum Nitrit nanopartiküllerinin özellikleri, uygulamaları ve gelecekteki kullanım potansiyelleri hakkında bilgi vermeyi amaçlamaktadır. Yüksek kaliteli ve yüksek performanslı Aliminyum Nitrit (AlN) ürünlerini keşfetmek için, şimdi Nanografi'yi ziyaret edin.

Giriş

Alüminyum Nitrit (AlN), hem kimyasal direnç hem de termal iletkenlik açısından olağanüstü özelliklere sahiptir.  Bu makale, AlN'nin bu özelliklerini ve uygulamalarını detaylı bir şekilde açıklamaktadır.

Alüminyum Hakkında

Alüminyum, yumuşak, gümüşi beyaz renkli ve atom numarası 13 olan bir metaldır. Bu metal, 660˚C'de eriyebilen bir erime noktasına sahiptir. Alüminyum, alaşımlarla güçlendirilebilir, ancak genellikle demirden daha az tokluğa sahiptir. Alüminyumun yoğunluğu, metreküp başına yaklaşık 2,7 ton olup, demirin yoğunluğundan (yaklaşık 7,8 ton/m3) daha düşüktür. Camın yoğunluğu ise bileşimine bağlı olarak 2 ila 8 ton/m3 arasında değişebilir.

Alüminyumun düşük yoğunluğu, demire göre yaklaşık üçte bir daha hafif olması, onu özellikle çekici kılar. 19. yüzyılın sonunda Paul Heroult (Fransız) ve Charles Martin Hall (Amerikalı), metalik alüminyumun en yaygın oksidi olan alüminadan verimli bir şekilde çıkarılması için bağımsız olarak bir süreç geliştirdiler. Her iki araştırmacı da birbirlerinin çalışmalarını tanıdı ve bu süreç bugün Hall-Heroult süreci olarak bilinir. Bu süreç, alüminyum cevheri boksitten alümin üretmek için Karl-Josef Bayer tarafından geliştirilen ekonomik bir yöntemle tamamlanmıştır. Böylece 20. yüzyılın başlarında alüminyum, metalik malzemelerin küresel kullanımında önemli bir yer edinmiştir.

Şekil 1: Hall-Heroult süreci örneği.

20. yüzyılın ortalarına gelindiğinde, alüminyum alaşımları, demir alaşımlarından sonra dünyada en yaygın kullanılan ikinci alaşım haline gelmişti. Alüminyumun düşük yoğunluğu, özellikle hafif metal elemanlara ihtiyaç duyulan pek çok alanda kullanımını mümkün kıldı. Bunlar arasında nakliye araçlarının imalatı öne çıkıyor. Bu durum, 1903 yılında Wright kardeşlerin kendi ünlü uçaklarının karterini (krank mili desteği) yerel bir alüminyum eritme şirketinden sipariş etmeleriyle de gözlemlenmiştir. Bu, tarihi uçuşun gerçekleşmesinden önce gelen bir döneme aittir ve alüminyumun motor parçalarında başarıyla kullanılabileceğini gösteriyordu. 1957 yılında Sovyetler Birliği'nin Sputnik 1'i uzaya fırlatmasıyla alüminyumun uzay teknolojisindeki önemi de arttı.

Günümüzde, alüminyum ve alaşımlarının özellikleri, çeşitli alaşımlar aracılığıyla iyileştirilmekte ve karmaşık şekillerde dökülebilmektedir. Alüminyum alaşımları, uçak gövdeleri ve kanatlarından (genellikle karbon fiberlerle güçlendirilmiş), otomobil parçalarına (motor kafaları, pistonlar, tekerlekler), merdiven ve iskele yapımından, içecek kutularına ve folyo olarak bilinen ince tabakalara kadar geniş bir kullanım alanına sahiptir. Meksika'da, alüminyum alaşımlı ürünlerin üretimi, önemli bir işleme endüstrisidir ve 2017 verilerine göre bu alandaki yıllık kar yaklaşık yedi milyar dolardır.

Alüminyum Nitrit (AlN) Nedir?

Alüminyum Nitrit (AlN) nanopartikülleri, nanometre ölçeğindeki partikül boyutlarıyla karakterize edilen ileri düzey bir seramik malzemedir. 6,2 eV'lik geniş bir bant aralığına sahip olan ve yarı iletken özelliklere sahip AlN, 200 °C'de bakırın ısı iletkenliğinden daha yüksek değerlere ulaşır. Bu bileşik, oksidasyona ve aşınmaya karşı yüksek direnç gösterir, refrakter özelliklere sahiptir ve elektriksel olarak yalıtkandır. 

Nano boyutları, onlara benzersiz fiziksel ve kimyasal özellikler kazandırır. Yüksek ısı iletkenliği, mükemmel elektrik yalıtımı ve iyi ısıl kararlılık gibi özelliklerle tanınan Alüminyum Nitrit, mikrodalga güç transistörlerinin üretiminde alt tabaka olarak ve güç elektroniğinde çeşitli potansiyel uygulamalar için kullanılır. Alüminyum Nitrit, alüminanın termal indirgenmesi yoluyla sentezlenir ve 0,5 ila 3 μm aralığındaki görünür ve kızılötesi dalga boylarına karşı şeffaflığı ile kızılötesi ve radar sistemlerinde pencere malzemesi olarak kullanılabilir.

AlN nanopartiküllerinin üretimi, genellikle gaz fazı sentezi, kimyasal buhar biriktirme veya mekanik öğütme gibi yöntemlerle gerçekleştirilir. Bu yöntemler, nanopartiküllerin boyutlarının kontrol edilmesini ve yüksek kaliteli üretimini sağlar. Bu süreçler, AlN nanopartiküllerinin istenilen özelliklere sahip olmasını ve güvenli bir şekilde kullanılmasını mümkün kılar.

Alüminyum Nitrit (AlN) Özellikleri

Seramik Alüminyum Nitrit, yüksek elektrik direnci ve yüksek termal iletkenliği birleştiren özgün özelliklere sahiptir. Önemli bir nokta, tüm seramiklerin yüksek ısı iletkenliğe sahip olmamasıdır. Bu özelliğe sahip olan az sayıdaki seramiklerden biri Alüminyum Nitrittir; diğerleri kübik bor nitrit ve berilyum oksittir. Berilyum oksit, yüksek toksisitesi nedeniyle kullanım alanı sınırlıdır, ve kübik bor nitritin üretimi karmaşıktır. Bu sebeplerle, yüksek ısı iletkenliği gerektiren uygulamalarda Alüminyum Nitrit, etkili bir seçenektir.

Alüminyum Nitrit tozunun temel özellikleri şunlardır:

• Mükemmel termal iletkenlik
• Yüksek çalışma sıcaklığı
• Düşük termal genleşme katsayısı
• Düşük dielektrik sabiti
• İyi elektrik yalıtımı ve elektriksel direnç
• Sıkıştırmada mekanik direnç
• Gazlara karşı korozyon direnci
• Alüminana göre 5 kat daha yüksek termal iletkenlik
• Erimiş metallere (alüminyum, bakır, lityum vb.) dayanıklılık
• Yüksek saflık
• Asit ve alkali saldırılarına karşı duyarlılık

Alüminyum Nitrit (AlN) Kullanım Alanları

Alüminyum Nitrit (AlN) Nanopartikülleri, yeni nesil yüksek performanslı seramik alt tabakalar ve ambalaj malzemeleri olarak kabul edilen seramik substratlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. AlN seramiklerinin dikkate değer iki ana özelliği, yüksek termal iletkenlik ve düşük termal genleşme katsayısıdır. Bunun yanı sıra, yüksek mukavemet ve iyi mekanik özellikler de sunar. AlN seramiklerinin dezavantajlarından biri, ince oksit tabakalarının ısıl iletkenliği etkileyebilmesidir ve daha iyi bir alt tabaka tutarlılığı için sıkı kontrol gereklidir. AlN'nin büyük ölçekli yerli üretim teknolojisi, hâlâ Al2O3'e göre olgunlaşmamış durumdadır ve genellikle yüksek maliyetler, gelişimini sınırlayan ana engeldir. Bununla birlikte, araştırmacılar bu durumu geliştirmek için sürekli çalışmalar yapmaktadır.
AlN seramiklerinin diğer önemli kullanım alanları şunlardır:

• Güç transistörleri, tristörler, LD'ler ve LED'ler için ısı emici malzemeler.
• Elektronik bileşenlerde yalıtım ve ısı dağılımı gerektiğinde.
• Yarı iletken modüller ve IC paketler için devre alt katmanları.
• Erimiş metaller, vakumlu biriktirme ve tek kristaller için kullanılan potlar.
• Kızılötesi ve radar uygulamaları için pencere malzemeleri.
• Soğutmasız güç lazer diyotları için ısı emici malzemeler.
• Düşük dielektrik sabiti ve düşük dağılım faktörü gereken bileşenler.
• Akış termal genleşme katsayısı önemli olan bağlantı elemanları.
• Elektronik tüpler ve lazerler için elektrik yalıtkanı.
• Sensörler ve dedektörler için çip tutucu.
• Yarı iletken işlem makinelerinde (ayna, kelepçe halkası gibi) kullanılan elektrik yalıtkanı.
• Optoelektronik sistemlerde ve mikroelektronik devrelerde substrat ve yalıtkan olarak kullanımı.

Şekil 2: Alüminyum mini soğutucu örneği.

Alüminyum Nitrit LED Araştırması

Council for Scientific Research araştırmacılar, ısı dağılımını iyileştiren ve enerji tüketimini azaltan LED ampuller için yenilikçi destekler geliştirdiler. Bu geliştirme, yüksek termal iletkenliğe sahip bir malzeme olan Alüminyum Nitrit(AlN) tabanlı çok katmanlı alt katmanların kullanımına dayanmaktadır.

CSIC Seramik ve Cam Enstitüsü'ndeki bir ekip, bu substratları bantlamak ve tungsten devrelerini serigrafi baskı yoluyla entegre etmek için özel yöntemler geliştirdi. Ayrıca, farklı katmanları istifleyerek ve 1.900 °C'de ısıtarak, bu katmanların sisteme etkin bir şekilde entegre edilmesini sağladılar. Bu yöntem, bir Rus şirketi tarafından endüstriyel gelişim için kullanılacak.

Aliminyum Nitrit (AlN) tabanlı bu LED ampuller, düşük güç tüketimi, uzun ömür, küçük boyut, dayanıklılık ve titreşime karşı direnç gibi avantajlar sunmaktadır. Araştırmacılar, Alüminyum Nitritin LED'ler gibi yüksek güç yoğunluğuna sahip cihazlarda ısıyı etkili bir şekilde dağıtabilen ideal bir malzeme olduğunu belirtiyorlar. Bu seramik destekler, ampullerin soğutulmasına yardımcı olarak ömrünü uzatıyor. Bu araştırma, biyomateryaller, seramik kalkanlar ve diğer yüksek katma değerli seramik ürünlerin geliştirilmesi açısından da büyük önem taşımaktadır.

Sonuç