氮化铝热膨胀系数及高温弹性系数的第一性原理研究
氮化铝粉体研究报告
氮化铝粉体研究报告目录一、氮化铝粉体的制备技术 (3)1.1、碳热还原法 (3)1.2、直接氮化法 (3)1.3、自蔓延高温合成法 (4)二、氮化铝粉体的成型技术 (4)2.1、流延成型 (4)2.2、注射成型 (5)2.3、凝胶注射成型 (5)三、氮化铝陶瓷的烧结技术 (5)3.1、常压和热压烧结 (6)3.2、放电等离子烧结和微波烧结 (6)四、国内关于鼓励氮化物产业发展的政策文件 (6)五、氮化铝产业链及市场现状分析 (8)5.1、氮化铝产业链分析 (8)5.2、氮化铝产业市场规模分析 (11)5.3、氮化铝技术痛点分析 (11)六、氮化铝粉体：国内外重点公司技术分析 (12)6.1、国外公司及其产品 (12)6.2、国内公司及其产品 (13)6.3、国内外氮化铝粉体性能的主要差距 (13)七、专利情报分析 (15)7.1、全球专利检索 (15)7.2、技术情报分析 (15)7.3、竞争对手分析 (18)八、氮化铝粉体未来发展趋势 (24)九、几点建议 (24)氮化铝（AlN）是一种六方纤锌矿结构的共价键化合物，通常为灰色或灰白色，是典型的III-Ⅴ族宽禁带半导体材料，具有热导率高、高温绝缘性和介电性能好、高温下材料强度大、热膨胀系数低并且与半导体硅材料相匹配、无毒等优点，并兼具良好的热学、电学和力学等性能，能高效地逸散大型元器件的热量，因而成为理想的电子封装散热材料，是组装大功率和超大规模集成电路不可缺少的高性能陶瓷基板材料。
同时，氮化铝粉体在高导热复合材料制备方面也发挥了重要作用，被认为是提高聚合物导热性能、力学性能的最佳填料，已受到国内外研究者的广泛重视。
一、氮化铝粉体的制备技术1.1、碳热还原法碳热还原法就是将超细氧化铝粉和高纯度碳粉球磨混合，在氮气氛围中，一定的温度（1400~1800℃）下，利用碳还原氧化铝，与氮气生成AlN粉体，其反应式为：Al2O3+3C+N2→2AlN+3CO。
研究材料热膨胀系数现状
研究材料热膨胀系数现状热膨胀系数现状材料研究材料热膨胀系数大全常用材料的热膨胀系数篇一:导热填料研究现状及进展-各种填料分析介绍导热填料研究现状及进展导热填料的技术研究现状导热绝缘材料的研究进展(1)无机非金属导热绝缘材料通常金属(如Au、Ag、Cu、Al、Mg等)均具有较高的导热性，但均为导体，无法用作绝缘材料，而部分无机非金属材料，如金属氧化物Al2O3、MgO、ZnO、NiO，金属氮化物AlN、Si3N4、BN，以及SiC陶瓷等既具有高导热性，同时也具有优良的绝缘性能、力学性能、耐高温性能、耐化学腐蚀性能等，因此被广泛用作电机、电器、微电子领域中的高散热界面材料及封装材料等。
陶瓷封装具有耐热性好、不易产生裂纹、热冲击后不产生损伤、机械强度高、热膨胀系数小、电绝缘性能高、热导率高、高频特性、化学稳定性高、气密性好等优点，适用于航空航天、军事工程所要求的高可靠、高频、耐高温、气密性1强的产品封装。
由于陶瓷材料所具有的良好的综合性能，使其广泛用于混合集成电路和多芯片模组。
在要求高密封的场合，可选用陶瓷封装。
国外的陶瓷封装材料以日本居首，日本占据了美国陶瓷封装市场的90%,95%，并且占美国国防(军品)陶瓷封装市场的95%,98%。
传统的陶瓷封装材料是Al2O3陶瓷，具有良好的绝缘性、化学稳定性和力学性能，掺杂某些物质可满足特殊封装的要求，且价格低廉，是目前主要的陶瓷封装材料。
SiC的热导率很高，是Al2O3的十几倍，热膨胀系数也低于Al2O3和AlN，但是SiC的介电常数过高，所以仅适用于密度较低的封装。
AlN陶瓷是被国内外专家最为看好的封装材料，具有与SiC相接近的高热导率，热膨胀系数低于Al2O3，断裂强度大于Al2O3，维氏硬度是Al2O3的一半，与Al2O3相比，AlN的低密度可使重量降低20%，因此，AlN封装材料引起国内外封装界越来越广泛的重视。
(2)聚合物基导热绝缘材料由于聚合物材料具有优良的电气绝缘性能、耐腐蚀性能、力学性能、易加工性能等，人们逐步用聚合物材料代替传统的电气绝缘材料，但大多数聚合物材料的热导率很低，无法直接用作导热材料，需要通过加入导热性物质，使其成为导热绝缘材料。
薄膜热膨胀系数测试技术研究
薄膜热膨胀系数测试技术研究石磊;蒋春磊;陈光海;唐永炳【摘要】热膨胀系数是薄膜的重要热学性能参数,也是薄膜热应力和残余应力计算分析过程中的关键数据.文章基于热诱导弯曲原理,分别采用单基片法和双基片法对氮化钛(TiN)和铝(Al)薄膜的热膨胀系数进行测试,并着重对双基片法的测试误差和适用性进行了分析.研究结果表明,薄膜在不同材质基底上弹性模量的差异是影响双基片法薄膜热膨胀系数测试精度的重要因素.当不同材质基片上薄膜弹性模量差异较小时,双基片法测得的热膨胀系数与单基片法所获结果基本一致;而当不同材质基片上薄膜弹性模量相差较大时,双基片法将不再适用.此外,文章结合薄膜的形貌、结构和残余应力表征测试,对TiN和Al薄膜热膨胀系数与其块体材料的差异进行了分析,结果显示残余压应力会导致薄膜热膨胀系数增大,而残余拉应力则具有相反的效果.【期刊名称】《集成技术》【年(卷),期】2017(006)004【总页数】12页(P49-60)【关键词】薄膜;热膨胀系数;弹性模量;残余应力【作者】石磊;蒋春磊;陈光海;唐永炳【作者单位】中国科学院深圳先进技术研究院深圳 518055;中国科学院深圳先进技术研究院深圳 518055;中国科学院深圳先进技术研究院深圳 518055;中国科学院深圳先进技术研究院深圳 518055【正文语种】中文【中图分类】TG156薄膜材料因其独特的结构和性质已广泛应用于硬质耐磨防护、腐蚀防护、生物医用器件、电子元器件、大规模集成电路、平板显示器、有机发光器件(OLED)、白光LED 照明、信息记录与存储、传感器、微机电系统、光伏太阳能器件、半导体芯片等[1]，涉及高新技术产业的各个领域，是实现器件轻薄短小化和系统集成化的有效手段。
热膨胀是薄膜材料的重要力学行为[2]。
在变温过程中，由于薄膜与基底热膨胀系数的差异而导致的薄膜热应力[3]，不仅会影响薄膜器件的性能，如力学性能[4,5]、电学性能[6-9]、光学性能[10-13]等，而且会造成器件变形、开裂甚至破坏、失效，严重影响薄膜器件的性能和使用寿命。
氮化镓的膨胀系数_概述及解释说明
氮化镓的膨胀系数概述及解释说明1、引言1.1 概述随着科学技术的不断进步，新型材料在各个行业中得到广泛应用。
作为一种重要的半导体材料，氮化镓具有许多独特的物理和化学性质，因此备受关注。
其中一个重要的性质就是其膨胀系数。
了解氮化镓的膨胀系数对于该材料在实际应用中的设计和工程上具有重要意义。
1.2 文章结构本文将对氮化镓的膨胀系数进行概述和解释说明。
首先，在第2部分，我们将介绍氮化镓材料的基本情况和特性。
然后，我们将定义并解释膨胀系数及其基本原理（第2.2节），以及相关实验方法与数据收集（第2.3节）。
在第3部分，我们将详细解释影响氮化镓膨胀系数的因素（第3.1节），分析氮化镓膨胀系数与温度之间的关系（第3.2节），并探讨其在实际应用领域中的意义（第3.3节）。
接下来，在第4部分，我们将对实验结果进行分析（第4.1节），讨论可能存在的误差来源及其影响程度（第4.2节），并评估实验结果对现有理论模型的验证和修正的重要性（第4.3节）。
最后，在第5部分，我们将总结主要研究结论（第5.1节），展望氮化镓膨胀系数对相关领域的影响和应用前景（第5.2节），并提出下一步研究方向建议或推荐（第5.3节）。
1.3 目的本文旨在深入了解氮化镓材料的膨胀系数，探索其与温度之间的关系，并分析其在实际应用中的潜在价值。
通过该研究，我们希望为材料科学领域对氮化镓以及其他相关材料的理解和应用提供参考，并为进一步研究和开发工作提供指导。
2. 氮化镓的膨胀系数概述2.1 介绍氮化镓材料氮化镓（GaN）是一种III-V族半导体材料，具有优异的电子、光学和热学性能。
它广泛应用于高功率电子器件、光电子器件和光学传感器等领域。
在这些应用中，了解氮化镓材料的热膨胀特性对于设计和制造相关设备至关重要。
2.2 定义和基本原理膨胀系数是描述物质在温度变化时线性尺寸变化的度量。
它用于表征材料在温度变化下的热膨胀行为。
膨胀系数通常表示为单位温度下尺寸变化的比例，单位可以是长度/长度·摄氏度（K-1）或长度/长度·开尔文（K-1）。
TiN0.3
TiN 0.3/AlN 复合烧结界面扩散现象*邹 芹1,2， 孙俊绒2， 李艳国2， 罗永安2（1. 燕山大学 机械工程学院, 河北 秦皇岛 066004）（2. 燕山大学， 亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室, 河北 秦皇岛 066004）摘要 为研究TiN 0.3/AlN 复合烧结体中两相界面区域的N 原子的扩散现象，通过机械合金化方法制备出非化学计量比TiN 0.3，采用放电等离子体烧结技术分层及复合烧结TiN 0.3/AlN 复合材料，采用金相、XRD 、SEM 、EDS 及TEM 等分析表征TiN 0.3/AlN 复合材料的物相组成、元素分布和组织形貌。
结果表明： AlN 中的N 通过空位扩散机制向TiN 0.3中扩散，其扩散程度逐渐减弱；与AlN 接触的TiN 0.3部分由于吸收了来自AlN 中的N 使成分接近正常比例的TiN ，而远离界面处的部分则接近TiN 0.3的成分；在两相结合区域有宽度在1 nm 以下的非晶层，其电子衍射斑点出现纵向伸长，产生共格，说明六方结构的AlN 晶格向TiN 晶格畸变，形成面心立方结构的TiN 0.3/AlN 。
关键词 TiN/AlN 复合材料；放电等离子体烧结；界面扩散；共格中图分类号 TB383.3 文献标志码 A 文章编号 1006-852X(2023)05-0537-09DOI 码 10.13394/ki.jgszz.2022.0222收稿日期 2022-12-19 修回日期 2023-02-04在先进陶瓷材料领域，以共价键相结合的氮化物陶瓷是非常重要的高温结构陶瓷，目前应用较多的主要有氮化钛[1]、氮化硼[2- 3]、氮化铝[4]、氮化硅[5]等。
氮化钛具有良好的导电性和导热性，被广泛地应用于导电和导热材料领域[6- 7]。
此外，氮化钛的高强度、高硬度、高温热稳定性和耐腐蚀性等优点使其在切削工具、金属基复合材料的增强相、表面涂层等领域发挥出了重要作用[8-10]。
立方氮化铝在一定压强下的电子结构与热力学性质
立方氮化铝在一定压强下的电子结构与热力学性质张淑华;柳福提;程晓洪【摘要】By the first-principles plane-wave ultra-soft pseudo-potential method of density functional theory,electronic structure,elastic constants and thermodynamic properties of Cubic Aluminum Nitride under the pressure(0-30GPa) had been studied,based on the optimized structure.The result of calculation was obtained: with the increasing of pressure,and the lattice parameter was decreased,and the elastic constants,the bulk modulus and the Debye temperature were increased,and the energy gap rose until 5.117eV when the pressure increased to 7GPa,then decreased.%运用超软赝势平面波第一性原理方法，对立方 AlN 晶体在 0-30GPa 的不同压强下进行了结构几何优化，得到平衡晶格参数；在优化结构的基础上计算了电子结构、弹性常数、体弹模量与德拜温度；结果表明立方氮化铝晶体为间接宽带隙半导体，随着压强的增加，晶格参量减小，弹性常数、体弹模量与德拜温度增加，带隙先增大后减小，在 7GPa 时带隙为 5.117eV，达到最大值．【期刊名称】《宜宾学院学报》【年(卷),期】2012(000)006【总页数】4页(P43-46)【关键词】氮化铝;电子结构;弹性;德拜温度;热力学性质【作者】张淑华;柳福提;程晓洪【作者单位】宜宾学院实验与教学资源管理中心,四川宜宾644000;宜宾学院计算物理四川省高校重点实验室,四川宜宾644000 宜宾学院物理与电子工程学院,四川宜宾644000;宜宾学院物理与电子工程学院,四川宜宾644000【正文语种】中文【中图分类】TG146.21氮化铝(AlN)作为Ⅲ－Ⅴ族元素化合物晶体，以共价键相连，属于原子晶体，有纤锌矿、闪锌矿、面心立方、六角晶体等结构类型［1］．它具有许多引人注目的优良性能，如化学稳定性好;机械强度与硬度高;导热性能好，热胀系数小，热导率高，是良好的耐热冲击材料;抗熔融金属侵蚀能力强;还是宽带隙半导体材料(6．2eV)，具有良好的介电性;在电子元器件、高能器件、光学器件等领域有重要应用，很多国家如美国、日本、德国等正在加大对氮化铝晶体材料研究的力度［2－6］．氮化铝具有许多优良的热、电、力学、光学等性能，引起了国内外学者的广泛关注．许多研究者对氮化铝的各种性质进行了大量的研究，如韩莹等［7］对氮化铝薄膜的光学特性进行了研究;郝霄鹏［8］等在常温常压下以AlCl3和Li3 N为前驱物用溶热剂法制备出了六方和立方混合相氮化铝纳米晶粒;李玲等［9］对立方氮化铝纳米晶的溶剂热合成进行了实验研究;赵彦立等［10］用射频磁控反应溅射的方法制备了AlN多晶态和非晶态两类薄膜，得到了氮化铝薄膜的特征声子能量的信息;曾坤［11］等利用第一性原理研究了在AlN掺Ni的铁磁性;张亚黎等［12］对AlN 的低温特性进行了分析研究;李鹏亮等［13］利用高能球磨制备了立方AlN，并对其高温相变进行了研究;P．PERLIN等［14］对氮化物半导体在压强下的性质进行研究;N．E．Christensen［1］、I．Gorczyca 等［15］对氮化铝在高压强下的结构相变进行了计算，都得到了很有价值的结论，对该材料的应用起了重要的参考与指导作用．通过查阅文献，发现对立方氮化铝的电子结构与弹性及在不同压强下的变化趋势却很少报道，故本文采用平面波赝势能方法，运用密度泛函理论对AlN晶体材料在不同压强下的结构与弹性进行第一性原理计算，为氮化铝晶体材料的进一步研究与设计提供重要参考．本文基于密度泛函(DFT)理论的第一性原理，采用平面波赝势计算方法．所有计算是通过美国Accelrys公司MS(material studios)5．5软件中量子力学模块CASTEP软件包进行的，它是基于密度泛函从头算的量子力学程序，它是目前公认为比较精确的理论计算方法．经过收敛性测试，用超软赝势(ultrasoft)代替离子势，参与计算的价态电子为N2s2 2p3和Al3s2 3p1，电子波函数用平面波基组展开，电子与电子之间的相互作用函数选择局域密度近似(LDA)，交换相互关联函数选择CA－PZ进行校正，平面波截断能量(Energy cutoff)=280eV，迭代过程中的收敛精度为5．0×10－6 eV/atom，最大力(Max force)收敛精度为0．01eV/nm，最大应力(Max stress)收敛精度为 0．02GPa，最大位移(Max displacement)收敛精度为5．0 ×10－5 nm，布里渊区积分采用Monkhorst Pack的6×6×6进行分格，在模型的结构优化中，采用BFGS算法，压强分别设为0～30GPa，能量计算都在倒易空间中进行．立方氮化铝晶体具有氯化钠型结构，N原子与Al原子各自构成一面心立方格子，彼此间沿立方边位移立方边长的一半而穿套，一个晶胞包含4个氮原子和4个铝原子，晶体结构的空间群为Fm－3m，国际群号为225，晶胞结构如图1所示．2．1 结构优化经过几何优化，得到零压下立方氮化铝的晶格参数为a=0．3984nm，比文献［1］的结果(a=0．3938nm)仅大1．17%，说明实验的参数设置是合理的，后面的能带与弹性常量的计算是在优化结构的基础上进行的，结果是可信的．在0～30GPa 压强下优化了立方氮化铝晶体结构，得到了不同压强下的晶格参数．压强为30GPa时，a=0．3863nm，在0～30GPa压强范围内，随着压强的增大，晶格参数减小，具体变化关系如图2所示．2．2 电子结构在结构优化的基础上，通过计算立方AlN沿布里渊区高对称点方向的能带结构．当压强为零时，能带结构如图3所示，包括两个窄价带和一个宽导带，最高价带的顶点在G点，导带的底点在X位置，带隙大小为4．879eV，说明立方氮化铝为间接宽带隙半导体．总态密度如图4所示，在－17eV～－13eV为低价带，能量间隔较小，能带较窄，在－8eV～0eV为高价带，从5eV～40eV为导带，能量范围较大，对应能带较宽．随着压强的增大，晶体内原子间距减小，重叠度增加，能带有稍微变宽趋势，但带隙先增大，后减小，如图5所示．当压强为0时，带隙为4．879eV，从0～7GPa范围内，带隙随着压强的增加而增大，当压强为7GPa时，带隙为5．117eV，达到最大值;从7～30GPa范围内，随着压强的增大，带隙逐渐减小，当压强为30GPa时，带隙为4．973eV．这可能意味着立方氮化铝晶体在压强为7GPa时，结构有可能发生变化，与文献［1］中提到的在16．5GPa时氮化铝发生结构相变进行比较，计算数值偏小．为了准确找到带隙最大值对应的位置，在7GPa附近压强间隔设置要小一些，后面的弹性常量的计算也是如此．2．3 弹性常数与体弹模量在0～30GPa压力范围内，分别对不同压力下的弹性常数与体弹模量进行了计算．由于立方氮化铝晶体属于面心立方晶系，其弹性常数Cij只有3个独立分量C11、C12及C44，具体计算结果如表1所示．由表1的计算数据可以看出，在各压强下均满足B=说明在各个压强条件下氮化铝晶体是稳定的．在0～30GPa范围内，随着压强的增大，弹性常数与体弹模量都增大，但增加的快慢不一样，体现出晶体的各向异性，C11比增大最快，其次是C12、C44增加得快，具体变化关系如图6所示．2．4 德拜温度通过弹性常数求出不同压强下的德拜温度，晶体的德拜温度，直接反映它的热力学性质．根据Voigt近似，剪切根据Reuss近似，剪切模量，Hill从理论证明，多晶体模量对于立方晶体，当p=0GPa，体弹模量然后由剪切模量与体弹模量求出压缩纵波与横波速可得到平均声速由平均声速及德拜近似可求得德拜温度，其中ħ是普朗克常数，k是玻耳兹曼常数，n是原胞中所含原子个数，V是一个原胞的体积，ρ=M/V是密度，M是原胞中基元的质量．通过以上的计算过程可以得到不同压强下的立方氮化铝晶体的德拜温度，结果如表2所示．从表2可以看出，压强对德拜温度有重要影响，零压时，德拜温度为1223K，压强为30GPa时，德拜温度为1394K．在0～30GPa压强范围内，随着压强的增大，德拜温度逐渐升高，德拜温度随和压强的关系可直观地用图7表示出来．本文基于密度泛函理论，采用超软赝势平面波第一性原理方法，对立方氮化铝晶体在不同压强下的结构进行了几何优化，得到各压强下的平衡晶格参量;在优化的结构基础上计算了各压强下的能带结构、弹性常数、体弹模量和德拜温度;得到在0～30GPa的压强范围内，立方氮化铝晶体在静态平衡晶格条件下是稳定的，并且随着压强的增加，晶格常量减小，弹性常数、体弹模量与德拜温度都增大，而带隙先增大后减小，在7GPa时，带隙最大．这些计算结果为进一步研究氮化铝晶体材料的性质提供重要的参考．【相关文献】［1］ Christensen N E，Gorczyca I．Calculated structural phase transitions of aluminum nitride under pressure［J］．Phys Rev B，1993，47(8)：4307 －4314．［2］ Siwiec J，Sokolowska A，Olszyna A，et al．Photoluminescence properties of nanocrystal line，wide band gap nitrides(C3N4，BN，AlN，GaN) ［J］．Nanostructured Materials，1998(10)：625．［3］ Cao Y G，Chen X L，Lan Y C，et al．Blue emission and Raman scattering spectrum from AlN nanocrystalline powders［J］．JCrystal Growth，2000(213)：198．［4］ Krnel K，Tomaz K．Protect ion of AlN powder againsthydrolysisusing aluminum dihydrogen phosphate［J］．Journal of the European Ceramic Society，2001(21)：2075．［5］ Tilo P D，Thomas N，Andreas N P．The properties of aluminum oxide and nitride films prepared by d．c．sputter deposition from metallic targets［J］．Surface and Coatings，2003(163 －164)：164．［6］邹清，马鸿雁．氮化铝的研究进展［J］．化学研究与应用，2004，16(1)：11 －14．［7］韩莹，庄松林，袁一方．氮化铝薄膜的光学特性研究［J］．上海理工大学学报，1999，21(1)：21 －24．［8］ Hao X P，Yu M Y，CuiD L，etal．Synthesized AlN nanocrystals in organic solvent at atmospheric pressure［J］．JCrystal Growth，2002(242)：229．［9］李玲，郝霄鹏，于乃刚，等．立方氮化铝纳米晶的溶剂热合成及其对二甲苯催化性质的研究［J］．人工晶体学报，2004，33(3)：296 －300．［10］赵彦立，钟国柱，范希物，等．氮化铝薄膜及其掺锰的光致发光［J］．光电子激光，1999，10(4)：372 －374．［11］曾坤，郭志友，王玉田，等．Ni掺杂AlN铁磁性的第一性原理研究［J］．华南师范大学学报(自然科学版)，2010，(3)：58 －61．［12］张亚黎，许昕睿，饶荣水，等．高导热高电绝缘AlN低温特性及热分析［J］．低温工程，2003(131)：8 －12．［13］李鹏亮，周敬恩，席生岐．高能球磨制备立方AlN及其高温相变［J］．无机材料学报，2006，21(4)：821 －827．［14］Perlin P，Gorczyca 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前驱体法合成氮化铝纳米材料及其生长机制
第48卷第6期2020年6月硅酸盐学报Vol. 48，No. 6June，2020 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY DOI：10.14062/j.issn.0454-5648.20190776 前驱体法合成氮化铝纳米材料及其生长机制李紫璇1，郝留成1,2，张建飞1，周小楠1，黄鑫1，史忠旗1，杨建锋1，王波1(1. 西安交通大学，金属材料国家重点实验室，西安 710049；2. 平顶山集团有限公司，国家电网公司高压开关设备绝缘材料实验室，河南平顶山 467001)摘要：以尿素为固体氮源、AlCl3·6H2O为铝源，通过溶液反应合成金属络合物前驱体Al(CON2H4)6Cl3，前驱体经过1000℃煅烧，制备得到球形h-AlN纳米颗粒。
研究了气氛压力及合成时间对AlN纳米颗粒形貌的影响及AlN的形核生长机制。
结果表明：在0.1~0.2MPa的N2压力下，球状AlN颗粒由＜10nm的等轴状细小晶粒与非晶相团聚而成，直径为320~460nm；随着N2压力增至0.5MPa，球状AlN直径增加至650nm，团聚体中棒状AlN晶体出现，随着烧结时间延长，棒状晶尺寸增大，数量增加。
AlN纳米颗粒由前驱体分解形成的AlCl3和NH3反应而成，随着N2压力增大，坩埚内气相饱和度增大，促进了AlN的形核与生长，使得非晶相含量减少，AlN结晶度提高。
关键词：氮化铝；尿素；前驱体；氮气压力中图分类号：TB32 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2020)06–0787–07网络出版时间：2020–03–23Preparation of Aluminum Nitride Nanomaterials by Precursor MethodLI Zixuan1, HAO Liucheng1,2, ZHANG Jianfei1, ZHOU Xiaonan1, HUANG Xin1, SHI Zhongqi1, YANG Jianfeng1, WANG Bo1(1.State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials, Xi′an Jiaotong University, Xi′an 710049, China;2. High V oltage Switch Insulating Materials Laboratory of State Grid, Pinggao Group Co.,Ltd.,Pingdingshan 467001, Henan, China)Abstract: Al(CON2H4)6Cl3 was firstly synthesized as a precursor with urea and AlCl3·6H2O as a nitrogen source and an aluminum source, respectively, and then the precursor was calcined at 1000℃ to prepare spherical h-AlN nanoparticles. The effects of atmosphere pressure and sintering time on the morphology and the nucleation-growth mechanism of AlN were investigated. The results show that spherical AlN particles with the sizes of 320–460nm are formed by equiaxed fine grains of smaller than 10nm and amorphous phase under N2 pressure of 0.1–0.2MPa. As the N2 pressure increases to 0.5MPa, the diameter of spherical AlN increases to 650nm, and rod-shaped AlN crystals appear in the aggregates. The size and number of rod crystals increase as the sintering time increases. AlN nanoparticles are formed by the reaction of AlCl3 and NH3 due to the decomposition of the precursor. The gas phase saturation in the crucible increases as N2 pressure increases, promoting the nucleation and growth of AlN, reducing the amorphous phase content, and enhancing the crystallinity of AlN.Keywords:alumina nitride; urea; precursor; nitrogen pressure随着电子设备向着集成化及微型化发展，导热且绝缘的封装材料得到了电子工业领域的广泛关注。
台阶聚束AlN_高温热退火形貌演化研究
appearing pits. This study clarifies the evolution mechanism of step-bunching morphology of AlN grown on sapphire substrates
载流子面内局域化效应产生机理,台阶聚束形貌是形成 AlGaN 面内组分调制进而实现面内载流子局域化的
必要条件。 因此在通过 FFA-HTA 方法获得低位错密度 AlN 模板的同时,阐明不同条件的FFA-HTA对 AlN
吕顺鹏1,2 ,蒋 科1,2 ,孙晓娟1,2 ,黎大兵1,2
(1. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,发光学及应用国家重点实验室,长春 130033;
2. 中国科学院大学,材料科学与光电工程中心,北京 100049)
摘要:本文在具有 0. 2°至 1. 0°斜切角的 c 面蓝宝石衬底上通过金属有机化合物化学气相沉积( MOCVD) 生长了台阶
Key words:AlN; surface morphology; high-temperature anneal; step bunching; miscut substrate; thermal etch
0 引 言
AlGaN 是直接带隙宽禁带半导体,其带隙宽度在 3. 4 eV 至 6. 2 eV 连续可调,对应发光波长覆盖 365 nm
基金项目:国家自然科学基金(62004127,61827813,U22A2084)
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热膨胀 系数和 高温弹性 系数进行 了研究 ［ ７ － １ ２ ］ ｏ在实
验方面 ， １ ９ ７ ５年 ，Ｓ ｌ ａ ｃ ｋ等人用 ｘ 射线衍射 的方
法测定 了氮化铝 的热膨胀 系数 ， 发现 氮化铝 的热膨 胀系数 比 Ｓ ｉ 、Ｓ ｉ Ｃ高，但测 量中忽略 了口 轴与ｃ 轴 的
动力学则 要求计算 的系统 比较 大 ， 其 计算量很 大 。 而 结合 密 度泛 函理论 和准 简 谐近似 的计算 方法 是
一
各向异性 。２ ０ ０ １ 年，Ｇ ｏ ｌ ｄ ｂ ｅ ｒ ｇ 等人用 ｘ射线对
六角 晶系氮 化铝在 ３ ０ ０ Ｋ 下 的晶格常数 进行 了实
收稿 日期 ：２ ０ １ ２ — ０ ５ － ３ ０
项目 （ １ ２ ９ ６ ５ １ ３ ５ Ｄ）
种 精确 、高效 的材 料 高温 高压 弹性 系数 计算 方
等人 测量 了氮化 铝在温度 为 ３ ０ ０ Ｋ 时的所有二 阶
角 晶系 ）和 闪锌矿 （ 立 方 晶系）２种 结构 类型 …， 且具有许 多独特优 异 的性 能 。 例 如 ，良好 的化 学稳 定性 、高的导热 性、高 强度 、高硬度 、热膨胀系 数 与硅 相近 、具有 直接带 隙宽禁带 （ 约６ ． ２ ｅ Ｖ）等 。 这 些优 异 的物 理 化学 性质 决 定 了氮化 铝 在光 电器 件 、耐热 冲击材 料 、强腐蚀环 境 的耐腐蚀 结构件 、 发热 体 的封装 材料 、高功率器 件散热 材料 、航空航
第 ３ ７卷 第 １ 期 ２ ０ １ ３年 １月
燕 山大 学 学报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｙａ ｎ ｓ ｈ ａ ｎ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ
Ｖｂ１ ． ３７ Ｎ ０ ．１ Ｊ ａ ｎ． ２０１ ３
文章编号：１ ０ ０ ７ － ７ ９ １ Ｘ（ ２ ０ １ ３ ）０ １ － ０ ０ ２ ７ － ０ ７
究领 域的一个 关键 问题 。 目前 ， 已有许 多 的实验 和理论 方法对氮 化铝 的
子动力学 。 和结合密度泛函理论和准简谐近似
的方 法 等 。尽管 这些 方法 都可 以获得 高温弹 性系数 ， 但 由于经 典分子动力 学的计算依 赖于准确
势函数 ，限制 了其广泛 的应用 ，而第一性 原理分子
天 等方面 具有广 阔 的应用 前景 ［ ２ － ６ ］ ｏ因此 ，氮 化铝
弹 性系数 ［ １ ０ ］ ｏ ２ ０ ０ ３年 ，Ｂ ｅ ｎ ｋ ａ ｂ ｏ ｕ等人利用分 子动 力 学计算 了立方氮化 铝在 ３ ０ ０ － ９ ０ ０ Ｋ 温 度范 围 内 的弹性 系数 ， 其 计算值与 实验值吻合 较好 “ 。 ２ ０ ０ ５ 年 ，Ｓ ｅ ｎ ａ ｗｉ ｒ ａ ｍｅ 等人用布里 渊散射 的方法测量 了 六角 晶系 氮化 铝 的弹性 系数 ［ １ ２ ］ ｏ但 由于高温 实验
法， 但对非立方晶系晶体的高温高压下结构优化和
基金项 目：国家 自然科学基 金资助项 目 （ ５ １ １ ２ １ ０ ６ １ ，５ １ １ ３ １ ０ ０ ２ ） ；河北省应用基础研 究计划重点基础研究
作者简介 ：阴知见 （ １ ９ ８ ８ － ） ，女，山西晋 中人 ，硕士研究生 ，主要研 究方 向为材料物性计算 ； 通信作者：温
０ 引言
氮化 铝是 Ｉ Ｉ Ｉ — Ｖ族元 素化合物 ， 具有 纤锌矿 （ 六
验测 量 。２ ０ ０ ９年 ， Ｆ ｉ ｇ ｇ ｅ等人通 过高分辨率 ｘ射 线对 六角 晶系氮 化铝在 ２ ０ － １ ２ ５ ０ Ｋ 的温度 范围 内 实验测 量 了氮化 铝 的热 膨胀系数 ｐ 。 ２ ０ ０ １ 年， Ｒｅ ｅ ｂ ｅ
氮 化铝 热膨 胀系数及 高温 弹性系数 的一性原理研 究
阴知见 ，邵天骄 ，温 斌 ， ’
（ １ ． 燕 山大学 亚稳材料制备技 术与科学国家重点实验 室，河北 秦皇岛 ０ ６ ６ ０ ０ ４ ；２ ． 大连理工大学 材料科学与
工程 学院，辽宁 大连 １ １ ０ ０ ２ ３ ）
２ ９ ． ２ ３ ％，３ ５ ． ３ ３ ％和 ２ １ ． １ ０ ％。
关键词 ：高温高压；热膨胀 系数 ；弹性系数 ；第一性原理 ；氮化铝
中图分类号：Ｔ Ｎ３ ０ ４ ． ２ 文献标识码：Ａ Ｄ Ｏｌ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ７ － ７ ９ １ Ｘ． ２ ０ １ ３ ． ０ １ ． ０ ０ ５
测量 的困难，六角 晶系氮化铝在温 度 １ ５ ０ ０ Ｋ 以上
的晶体 结构 ， 氮化 铝的热膨胀 系数和 高温 弹性系数 尚未见报 道 。在理论计 算方面 ，高温弹性 系数 的计 算方法 主要有经 典分子 动力学 ［ １ ３ － １ ４ ］ ￣第 一性原理分
在 高温 下 的性 能就成 为当前研 究的热 点。 特 别是氮 化 铝热 膨 胀系 数和 高 温弹 性 系数 是 当前 氮化 铝研
目前已有许多的实验和理论方法对氮化铝的热膨胀系数和高温弹性系数进行了研究712o在实验方面1975年slack等人用x射线衍射的方法测定了氮化铝的热膨胀系数发现氮化铝的热膨胀系数比sisic高但测量中忽略了礴由与辞由的各向异性口12001年goldberg等人用x射线对六角晶系氮化铝在300k下的晶格常数进行了实验测量隅12009年figge等人通过高分辨率x射线对六角晶系氮化铝在201250k的温度范围内实验测量了氮化铝的热膨胀系数一12001年reebe等人测量了氮化铝在温度为300k时的所有二阶弹性系数ri012003年benkabou等人利用分子动力学计算了立方氮化铝在300900k温度范围内的弹性系数其计算值与实验值吻合较好
摘 要 ：结合连续弹性理论和第一性原理方法，对氮化铝 晶体 的热膨胀系数和高温弹性系数进行 了理论计算 。 计算结果表 明，当温度高于 ５ ０ ０ Ｋ时 ，六角和立方氮化铝的热膨胀系数随温度升高呈线性增加 。当温度为 ２ ０ ０ ０ Ｋ时，六角氮化铝ａ 轴、ｃ 轴的热膨胀系数分别为 Ｏ ． ８ ５ ３ ４ ９ ｘ １ ０ Ｋ 和 Ｏ ． ８ ４ ９ ６ ４ ｘ １ ０ Ｋ～；立方氮化铝口 轴 的热膨 胀系数为 １ ． ３ ５ ３ ７ ｘ １ ０ Ｋ～。当温度从 ０ Ｋ升高到 ２ ０ ０ ０ Ｋ，六角氮化 铝的弹性 系数Ｃ Ｃ Ｃ Ｃ ３ ３ 和ｃ ４ ４ 下降幅度 分别为 １ ０ ． ６ １ ％，一 ４ ． ５ ２ ％，一 ２ ． ０ ％，１ ３ ． ８ ０ ％和 ２ ０ ． ７ ６ ％，而立方氮化铝 的弹性 系数ｃ Ｃ ］ ２ 和Ｃ ４ ４ 的下 降幅度分别为