超声雾化大尺度合成球形AlN颗粒研究

刘素静，程庆华 (长江大学物理科学与技术学院，湖北 荆州 434023)

超声雾化大尺度合成球形AlN颗粒研究

刘素静，程庆华 (长江大学物理科学与技术学院，湖北 荆州 434023)

以Al(NO3)3和CH3OH为反应原料，经超声雾化后与NH3在高温下制备AlN(氮化铝)颗粒，X射线显示所得到的AlN颗粒具有六方晶体结构，通过扫描电子显微镜(SEM)对制备的颗粒的形貌及尺寸分布进行分析，制备的AlN颗粒呈现的是类似球状的形貌，直径约在100～200nm，并且对不同前驱体制备的AlN粉末的形貌进行了分析，找到了能够制备类球状AlN粉末相对较好的前驱体溶液。

超声雾化；球形;X射线衍射；扫描电子显微镜

AlN(氮化铝)属于二元共价化合物，晶体结构为六方纤锌矿晶体结构，原子的自扩散系数小，其固有的难以烧结的缺点曾一度限制了它的发展，直到Long和Foster首次合成了AlN陶瓷[1]，以及20世纪50年代后期，人们对非氧化陶瓷的重视，开始将AlN作为一种新的材料进行研究，其优良的热学性能和电学性能引起了国内外研究者的广泛兴趣。AlN陶瓷导热性能好，热膨胀系数与硅接近，体积电阻率高，介电常数和介电耗损小，无毒、耐高温和腐蚀，力学性能良好，其综合性能优于氧化铝和氧化铍，是新一代半导体基片和电子器件封装的理想材料[2～6]。另外，AlN由于能与许多金属和某些融盐在高温下共存，因此是优良的坩埚材料。而其优异的耐高温性、抗热震性以及化学稳定性则非常适合做耐火材料，也用作防腐蚀涂层；其优良的耐磨耗性能，可用作研磨材料和耐磨损零件。目前，制备AlN的方法有以下几种：铝粉直接氮化法[7，8]、碳热还原法[9，10]、自蔓延高温合成法(SHS)[11]和化学气相沉淀法[12]。这些方法制得的AlN颗粒的直径为1～2 μm。

笔者在NH3的氛围中，通过一种新颖的2步可控方法合成了直径比较均一的AlN球。

1 试 验

1.1试验药品及仪器

1)药品 甲醇(CH3OH)，购自上海化学试剂公司，为分析纯；硝酸铝(Al(NO3)3)粉末(99.0%)，购自天津市纵横兴工贸有限公司；氨气(NH3)，为高纯(99.9%)；氮气(N2)，为高纯(99.99%)。

2)仪器 85-2恒温磁力搅拌器；超声喷雾器，工作频率为0～1.7kHz；SFG-2.300电热恒温鼓风干燥箱；MP 200A型电子天平；NCCSY程序控制升温管式炉。

1.2前驱体的配制

图1 试验装置图

称取一定质量的Al(NO3)3和CH3OH，将Al(NO3)3分批次慢慢放入磁力搅拌的CH3OH溶液中，磁力搅拌器持续搅拌4～5h使充分反应，得到澄清偏浅黄色液体即为试验所用的前驱体。

1.3AlN粉末的制备

试验装置如图1所示。在确保气密性的情况下，通入80sccm的氮气0.5h，将整个气体回路中空气排尽；继续通入N2，接通加热炉的主回路电源，执行预先设定好的升温程序；待加热到预定的反应温度时，启动雾化器，并把N2流量调到120sccm，将配置好的前驱体溶液经雾化后用N2作为载气带入到刚玉管，同时通入NH3(100sccm)。反应时间为2h。反应完毕后，关闭N2和雾化器。系统在N2的保护下，自然降温到600℃以下，在管内的下风向处，可以收集到产量较多灰白色的颗粒状产物。将收集到的产物用CH3OH洗涤2次，离心分离，并且烘干。干燥后放入陶瓷方舟中，置于高温炉通入NH3，1200℃下退火4h。

1.4AlN粉末的表征

用丹东Y-2000X射线粉末衍射仪对所得到产物的晶体结构和相纯进行表征, 工作条件为:Cu 靶, 石墨片滤波, 管压30kV, 电流20mA, 步长0.03(°)/s, 扫描范围: 20～60°。利用JEOL JSM-6700F型扫描电镜观察粉末的形貌、尺寸以及分布情况。

2 结果与讨论

2.1样品的XRD分析

图2是在1200 ℃的反应温度下制备，并通过1200℃退火4h后所得到样品的XRD衍射图谱。图中的衍射峰位对应的晶面指数分别为(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)和(112)晶面，这和六方AlN的标准图谱基本一样。这说明所得到的粉末纯度比较高，没有氧化铝及其他铝酸盐杂质成分存在。

2.2样品的SEM分析

图3是经过1200 ℃退火后得到样品的SEM(扫描电镜)照片，从低倍率的SEM照片中可以看到制备的AlN颗粒呈现的是类似球状的形貌，从图中还可以发现小面积的团聚现象，或许是由于残留在颗粒表面的部分未洗干净的Al2O3在NH3条件下退火将附近的AlN球烧结在一起所造成的。制备样品的直径约在100～200nm。

图2 制备样品的X射线衍射图 图3 AlN粉末的扫描电镜图

2.3试验条件与机理的讨论

1) 前驱体的配制 在一般的喷雾热分解技术的合成步骤中，前驱体的配制比较重要；而前驱体对于经过改良后的超声雾化技术也同样重要。真溶液、水溶液都可以作为前驱体，而醇类和有机溶液作为前驱体也有很多报道[13]。前驱体溶液的粘滞度会最终影响产物的形貌和颗粒的尺寸。下面，笔者对前驱体对产物的影响做了一系列的对比试验。

图4是不同的前驱体溶液在1200℃下制备的样品形貌，其中图4(a)的前驱体为异丙醇铝溶于乙醇，得到的样品没有具体的形貌；图4(b)的前驱体为Al(NO3)3溶于蒸馏水，样品形貌不唯一。笔者猜想导致样品形貌变化的原因在于异丙醇铝溶于乙醇和硝酸铝溶于水的溶解度不同，以及形成前驱体溶液的粘滞性不一样，这些都会影响前驱体随着载流气体进入反应容器中的速率以及总量，而导致最终影响样品的形貌及其产量。

图4 不同前驱体制备样品的SEM图

2)退火对样品的影响 图5是在1200℃下制备的样品，此样品没有经过高温退火，从EDS(能量色散谱仪)图中可以看到O的含量相对较高，推断此时的样品中含有少量的Al2O3,而通过NH3气氛内高温退火之后可以得到纯净的AlN，而且通过扫描电镜图发现样品的球状不是很明显，且有比较严重的团聚现象。

3 结 语

笔者以Al(NO3)3和CH3OH为反应原料制备前驱体，超声雾化后与NH3在高温下反应制备了大量直径在100～200nm的类球状AlN颗粒。且对不同前驱体制备的AlN粉末的形貌进行了分析，找到了能够制备类球状AlN粉末相对较好的前驱体溶液。这种方法成本低廉，工艺简单，但是得到的AlN颗粒仍有团聚想象存在，制备分散性良好的AlN颗粒是需要进一步改进和研究的地方。

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[编辑] 洪云飞

O469

A

1673-1409(2009)01-N026-03

2008-12-09

湖北省教育厅重点项目(D200612001)。

刘素静(1979-)，女，2004年大学毕业，硕士，现主要从事凝聚态物理方面的教学与研究工作。