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Progress in preparation of AlN-reinforced magnesium matrix composites:A review

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China Foundry 2024年第1期21卷 1-10页

作者： Lu Chen Shu-lin Lü Di-jia Zhao Wei Guo Jian-yu Li Shu-sen Wu State Key Lab of Materials Processing and Die&Mould Technology School of Materials Science and EngineeringHuazhong University of Science and TechnologyWuhan 430074China

As a ceramic material,AlN has very good thermophysical and mechanical properties.In addition,AlN is an effective refining agent for Mg alloys because it has a lattice constant similar to that of Mg.Therefore,AlN is an ideal reinforcement for magnesium matrix composites(MMCs),and is attracting increasing attention.This review addresses the development of preparation technologies for AlN-reinforced Mg matrix composites.The mainstream preparation techniques include stir casting,melt infiltration,powder metallurgy,and in-situ methods.In addition,the advantages and disadvantages of these techniques are analyzed in depth,and it is pointed out that the next direction for the preparation of high-performance AlN-reinforced MMCs is less aluminization and multiple technologies integration.

关键词： AlN MMCs preparation thermophysical property mechanical property

Preparation of unidirectional porous AlN ceramics via the combination of freeze casting and combustion synthesis

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Journal of Materials Science & Technology 2022年第5期100卷 161-168页

作者： Zhilei Wei Zhejian Zhang Xiaoyu Zhang Zhiyuan Li Tao Li Jiabin Hu Shunjian Xu Zhongqi Shi State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials Xi’an Jiaotong UniversityXi’an 710049China School of Mechanical and Electrical Engineering Xinyu UniversityXinyu 338000China

Unidirectional porous AlN ceramics(UP-AlNs)have attracted great attention for their wide applications in catalyst supports,filters and composite reinforcements.However,traditional fabrication processes usually require high temperature and long production cycle.Herein,UP-AlNs were successfully fabricated via the combination of tertiary butyl alcohol(TBA)-based freeze casting and combustion synthesis route using Al and AlN powders as raw materials.The microstructure,open porosity,thermal conductivity and compressive strength of UP-AlNs can be manipulated by synergistically regulating the AlN diluent content and Al/AlN solid loading of the freezing slurries.The optimal UP-AlNs exhibited controllable structure wavelength(λ)and open porosity in a wide range of 21.1-47.1μm and 54.2%-86.0%,respectively.In addition,the corresponding products also possessed anisotropic thermal conductivity and compressive strength.This novel route for the fabrication of UP-AlNs has the advantages of low cost,energy-saving and high efficiency,which shows significant promise for industrial applications.

关键词： AlN Freeze casting Combustion synthesis Thermal conductivity Compressive strength

MOCVD生长AlN单晶薄膜的气相和表面化学反应综述

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化工学报 2023年第7期74卷 2800-2813页

作者：何晓崐刘锐薛园左然江苏科技大学苏州理工学院江苏张家港215600 欧柏林学院化学与生物化学系美国俄亥俄欧柏林44074 江苏大学能源与动力工程学院江苏镇江212013

作为第三代半导体材料的代表,AlN单晶具有禁带宽度大、击穿电场强度高、电子饱和迁移率高等特点,被广泛应用于紫外和深紫外发光器件的制造。金属有机化学气相沉积(MOCVD)是生长AlN单晶薄膜最主要的技术。由于Al—N键在三种Ⅲ族氮化物(Al... 详细信息

作为第三代半导体材料的代表,AlN单晶具有禁带宽度大、击穿电场强度高、电子饱和迁移率高等特点,被广泛应用于紫外和深紫外发光器件的制造。金属有机化学气相沉积(MOCVD)是生长AlN单晶薄膜最主要的技术。由于Al—N键在三种Ⅲ族氮化物(AlN、GaN和InN)中最强,导致MOCVD生长AlN过程的气相寄生反应最为严重,进而造成AlN的生长速率和效率过低、生长窗口过窄等问题。此外,较高的Al—N键能还导致含Al粒子在表面的迁移率过低,致使薄膜表面形貌变差。这些问题都与薄膜生长过程发生的化学反应密切相关。分别从气相反应路径和表面反应机理两方面,较全面地总结了前人针对MOCVD生长AlN薄膜机理开展的研究工作,并介绍了本课题组近年来在该方向取得的研究成果。最后归纳了现阶段MOCVD生长AlN研究中存在的问题与不足,并在此基础上进行了展望。

关键词： AlN MOCVD 化学反应自由基计算流体力学计算化学

AlN/β-Ga_(2)O_(3)HEMT直流特性仿真

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人工晶体学报 2024年第5期53卷 766-772页

作者：贺小敏唐佩正张宏伟张昭胡继超李群蒲红斌西安理工大学自动化与信息工程学院西安710048

本文利用器件仿真软件对AlN/β-Ga_(2)O_(3)高电子迁移率晶体管(HEMT)器件的直流特性进行研究。由于AlN具有很强的极化效应,在AlN/β-Ga_(2)O_(3)异质结界面处产生高浓度二维电子气(2DEG),使AlN/β-Ga_(2)O_(3)异质结基HEMT具有更加优... 详细信息

本文利用器件仿真软件对AlN/β-Ga_(2)O_(3)高电子迁移率晶体管(HEMT)器件的直流特性进行研究。由于AlN具有很强的极化效应,在AlN/β-Ga_(2)O_(3)异质结界面处产生高浓度二维电子气(2DEG),使AlN/β-Ga_(2)O_(3)异质结基HEMT具有更加优越的器件性能。理论计算得到AlN/β-Ga_(2)O_(3)异质结界面处产生的面电荷密度为2.75×10^(13) cm^(-2)。通过分析器件的能带结构、沟道电子浓度分布,研究AlN势垒层厚度、栅极长度、栅漏间距,以及金属功函数等参数对器件转移特性和输出特性的影响。结果表明:随着AlN势垒层厚度的增大,阈值电压减小,最大跨导减小,沟道电子浓度增大使饱和漏电流增大;随着栅极长度缩短,跨导增大,当栅极长度缩短至0.1μm时,器件出现了短沟道效应,并且随着栅极长度的缩短,栅下沟道区电子浓度增大,而电子速度基本不变,导致饱和漏电流增大,导通电阻减小,并且器件的饱和特性变差;随着栅漏间距的增大,跨导增大,沟道区电子浓度不变,而电子速度略有增加,导致饱和漏电流增大;肖特基栅金属功函数的增加会增大阈值电压,不会改变器件跨导,沟道电子浓度减小导致饱和漏电流减小。上述结论为后面的器件的优化改进提供了理论依据。

关键词： β-Ga_(2)O_(3) AlN HEMT 阈值电压跨导饱和漏电流

Mg-Al合金在空气中燃烧时Mg的优先反应特性及Al的氮化反应机理

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火炸药学报 2022年第2期45卷 222-228,I0004页

作者：谢晓朱晨光赵凤起仪建华秦钊李海建西安近代化学研究所燃烧与爆炸技术重点实验室陕西西安710065 南京理工大学化学与化工学院江苏南京210094

为了分析铝合金燃烧过程中存在的不同金属相间对氧气的竞争反应特性,采用热重-差示扫描量热(TG-DSC)对镁铝二元合金的氧化性能进行分析;采用X射线衍射仪(XRD)对反应前后样品的相组成进行检测;采用扫描电子显微镜(SEM)对反应物及产物的... 详细信息

为了分析铝合金燃烧过程中存在的不同金属相间对氧气的竞争反应特性,采用热重-差示扫描量热(TG-DSC)对镁铝二元合金的氧化性能进行分析;采用X射线衍射仪(XRD)对反应前后样品的相组成进行检测;采用扫描电子显微镜(SEM)对反应物及产物的形貌进行观测;采用自制的燃烧反应装置对镁铝合金粉在空气中的燃烧过程进行了研究。结果表明,Mg-Al合金在空气中反应时,镁与氧气的反应优先于铝与氧气的反应;在10℃/min的升温速率下,镁与氧气的优先反应不能阻碍Al的氧化,二者的氧化产物会继续反应生成MgAl_(2)O_(4),该反应在温度高于800℃时变得更加明显;当镁铝合金发生燃烧时能观测到粒子的微爆现象,Mg与氧气的优先反应使得铝与N_(2)反应生成AlN;释能途径不同,使得铝的燃烧放热出现巨大的差别,当铝转化为AlN,其反应放热大大减少(约为12 kJ/g),只有其被氧化成Al_(2)O_(3)时放出热量的40%。

关键词：物理化学 Mg-Al合金 AlN 优先氧化氮化反应机理微爆反应

等离子体增强原子层沉积AlN上MOCVD外延单晶GaN研究

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无机材料学报 2024年

作者：卢灏许晟瑞黄永陈兴徐爽刘旭王心颢高源张雅超段小玲张进成郝跃西安电子科技大学芜湖研究院先进微电子器件研究中心西安电子科技大学微电子学院

氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料，具有较大的禁带宽度，较高的击穿电场强度、电子迁移率、热导系数以及直接带隙等优秀特性，被广泛应用于电子器件和光电子器件中。早期工艺制备GaN材料由于与衬底的失配问题，导致难以获得高质量单晶... 详细信息

氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料，具有较大的禁带宽度，较高的击穿电场强度、电子迁移率、热导系数以及直接带隙等优秀特性，被广泛应用于电子器件和光电子器件中。早期工艺制备GaN材料由于与衬底的失配问题，导致难以获得高质量单晶GaN薄膜。直到两步生长法的提出，先在衬底上低温生长氮化铝(AlN)成核层，再高温生长GaN，极大提高了GaN的材料质量。为了继续提高GaN晶体质量，目前用于制备AlN成核层的方法有磁控溅射以及分子束外延等。本研究提出在两英寸c面蓝宝石衬底上使用原子层沉积(Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition， PEALD)方法制备AlN成核层来外延GaN。相比于磁控溅射方法，PEALD方法制备AlN的晶体质量更好；相比于分子束外延方法，PEALD方法的工艺简单，成本低以及产量大。沉积AlN测试结果表明，AlN沉积速率为0.1 nm/cycle；AlN薄膜具有随其厚度变化而变化的岛状形貌。外延GaN测试结果表明，当沉积厚度为20.8 nm的AlN时，GaN外延层有最平整的表面，均方根粗糙度为0.272 nm，同时具有最好的光学特性，以及最低的位错密度。总之，本研究提出了一种在PEALD沉积AlN上外延单晶GaN的新方法，沉积20.8 nm的AlN有利于获取高质量的GaN薄膜，可以用于制备高电子迁移率晶体管及发光二极管。

关键词： GaN AlN PECVD 成核层外延

Preparation of AlN film grown on sputter-deposited and annealed AlN buffer layer via HVPE

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Chinese Physics B 2021年第3期30卷 430-435页

作者：李迪迪陈晶晶苏旭军黄俊牛牧童许金通徐科 Suzhou Institute of Nano-tech and Nano-bionics Chinese Academy of SciencesSuzhou 215123China Suzhou Nanowin Science and Technology Co. Ltd.Suzhou 215123China School of Physical Science and Technology ShanghaiTech UniversityShanghai 201210China Key Laboratory of Infrared Imaging Materials and Detectors Shanghai Institute of Technical PhysicsChinese Academy of SciencesShanghai 200083China

AlN films grown on sputter-deposited and annealed AlN buffer layer by high temperature hydride vapor phase epitaxy(HVPE)have been fabricated and structurally characterized.The crystalline quality and surface morphology of as-grown AlN films with various V/III ratios were studied and compared.The XRD results showed that the crystalline quality of the AlN film could be optimized when the growth V/III ratio was 150.At the same time,the full width at half-maximum(FWHM)values of(0002)-and(10¯12)-plane were 64 arcsec and 648 arcsec,respectively.As revealed by AFM,the AlN films grown with higher V/III ratios of 150 and 300 exhibited apparent hillock-like surface structure due to the low density of screw threading dislocation(TD).The defects microstructure and strain field around the HVPE-AlN/sputtered-AlN/sapphire interfaces have been investigated by transmission electron microscopy(TEM)technique combined with geometric phase analysis(GPA).It was found that the screw TDs within AlN films intend to turn into loops or half-loops after originating from the AlN/sapphire interface,while the edge ones would bend first and then reacted with others within a region of 400 nm above the interface.Consequently,part of the edge TDs propagated to the surface vertically.The GPA analysis indicated that the voids extending from sapphire to HVPE-AlN layer were beneficial to relax the interfacial strain of the best quality AlN film grown with a V/III ratio of 150.

关键词： hydride vapor phase epitaxy(HVPE) AlN threading dislocation(TD) sputter-deposition

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飞秒激光选区微织构AlN超浸润平板热管

表面技术 2024年

作者：娄德元李珩邱媛江宏亮杨东超陈晨阳董超帅李腾刘顿湖北工业大学机械工程学院沈阳飞机工业(集团)有限公司

目的为了提升AlN基板的散热性能，研究嵌入式一体化AlN平板热管的激光加工方法。方法通过飞秒激光微织构技术结合热处理工艺制备出AlN亲疏水组合表面，组装嵌入式一体化平板热管，测试其传热性能。通过三维表面轮廓仪、SEM、EDS和XPS分... 详细信息

目的为了提升AlN基板的散热性能，研究嵌入式一体化AlN平板热管的激光加工方法。方法通过飞秒激光微织构技术结合热处理工艺制备出AlN亲疏水组合表面，组装嵌入式一体化平板热管，测试其传热性能。通过三维表面轮廓仪、SEM、EDS和XPS分别分析表面的三维轮廓、形貌、元素含量和化学成分，研究表面亲、疏水的形成机理。结果楔形亲疏组合AlN平板热管的启动时间、启动温度均最低，相较于全超亲水样品，启动时间降低了14.9%，启动温度降低了6.0%。楔形亲疏组合热管的热阻最低，热流密度最高。相较于全亲水热管，热阻降低了33%，热流密度提升了2%。结论AlN陶瓷表面经过激光织构会产生AlOX(多价铝氧化物)，具有较高的表面能，呈超亲水状态。热处理能使表面充分氧化，降低表面能，呈超疏水状态。嵌入一体化AlN平板热管的设计和无化学激光选区微织构方法，为电子陶瓷基板的散热提供了一种新思路。

关键词： AlN 飞秒激光微织构超疏水超亲水平板热管传热性能

冷喷涂Cu包覆AlN增强铜基复合涂层的制备与性能研究

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表面技术 2024年

作者：周胜王金芳张孟杨淑娟唐宁邵玲陆青松戴晟张勇台州学院浙江省工量刃具检测与深加工技术研究重点实验室浙江理工大学纺织科学与工程学院台州学院材料科学与工程学院浙江银轮机械股份有限公司

目的通过冷喷涂技术在铜基体上制备了具有高致密高硬度的Cu/AlN涂层，并研究化学镀预处理工艺对冷喷涂Cu/AlN复合涂层微观形貌、力学性能和耐腐蚀性能的影响。方法采用冷喷涂技术在铜基体表面分别沉积Cu、Cu-AlN(球磨混合)和Cu-Cu@AlN... 详细信息

目的通过冷喷涂技术在铜基体上制备了具有高致密高硬度的Cu/AlN涂层，并研究化学镀预处理工艺对冷喷涂Cu/AlN复合涂层微观形貌、力学性能和耐腐蚀性能的影响。方法采用冷喷涂技术在铜基体表面分别沉积Cu、Cu-AlN(球磨混合)和Cu-Cu@AlN(化学镀包覆)涂层，通过扫描电子显微镜(SEM)观察了涂层截面的微观形貌，通过能谱仪(EDS)对涂层元素组成进行了检测，并计算了涂层中AlN的沉积量。借助维氏硬度计和电化学工作站分别对涂层进行了显微硬度和电化学腐蚀行为进行了测试。结果扫描电镜结果显示，Cu-Cu@AlN和Cu-AlN涂层有着比纯Cu涂层更加致密的微观组织，并且与基体的结合更好，孔隙更少。能谱仪结果显示AlN在涂层中分布均匀，并且Cu-Cu@AlN涂层中AlN的含量明显大于Cu-AlN涂层。Cu-Cu@AlN涂层具有最高的显微硬度(151.8HV)，相比基体提升71%。在模拟海洋环境中的电化学测试结果表明，Cu-Cu@AlN涂层的自腐蚀电位最高(-0.166 7V)，表明其腐蚀倾向最低，自腐蚀电流密度最低(1.18μA/cm2)，相比Cu-AlN涂层降低了一个数量级，表明其具有最佳的耐腐蚀性能。电化学阻抗谱(EIS)测试结果表明，Cu-Cu@AlN涂层具有最高的电荷转移电阻(1 625Ω·cm2)，证实其具有最佳的耐蚀性，这与动电位极化测试的结果一致。结论通过化学镀预处理的粉体制备出的Cu-Cu@AlN涂层致密，AlN含量高，该涂层的显微硬度和耐腐蚀性能最好，有望应用在铜及铜合金制备的船舶构件，来延长其在海洋环境中的服役寿命。

关键词：冷喷涂化学镀铜基涂层 AlN 微观形貌耐腐蚀性能