摘要
论文解读文章
氮化铝(AlN)因其高热导率(~320 W·m⁻¹·K⁻¹)和高电阻率(9×10¹³ Ω·m)被广泛应用于电动车散热基板及半导体封装材料。然而，通过碳热还原-氮化(CRN)法合成的AlN粉体通常会含有残余碳，来源于反应未参与的碳源。残余碳会影响烧结体系的电性能，并在半导体加工中作为杂质存在，因此高纯度AlN材料的制备需要有效去除残余碳。目前常规的空气氧化热处理(约700 °C)可去除部分自由碳，但对于嵌入AlN晶格中的缺陷碳(CAl、Ci、CN)或碳与铝/氧反应形成的铝碳化物及铝氧碳化物(Al₂OC、Al₄C₃、Al₄O₄C)等高热稳定碳相难以去除。这种局限性使得单步氧化法难以实现完全脱碳，因此开展本研究旨在开发高效的两步脱碳策略。
研究人员首先采用传统空气氧化热处理进行第一步脱碳(First decarbonization process)，去除AlN粉体表面及部分自由碳，碳含量从>2 wt%下降至约2,000 ppm。然而，通过FE-SEM和TEM观察发现，部分碳仍被包埋在AlN颗粒之间，无法接触氧气而未被去除。为解决这一问题，研究人员设计了第二步脱碳(Second decarbonization process)，在H₂(4%)–N₂混合气氛下进行热处理，利用氢气对残余碳进行气相氢化(Hydrogasification)，生成可挥发的碳氢化物如甲烷(CH₄)，进一步降低碳含量。实验结果显示，在900–1300 °C范围内，随着温度升高，残余碳逐渐降低，从第一步脱碳后的2,320 ppm降低至1,730 ppm，显示高温有利于碳移除。
为了分析碳释放行为及机制，研究人员利用碳-硫(C-S)分析对不同热处理时间的样品进行检测。结果显示，短时热处理(1–2 h)可有效降低残余碳，但超过2 h，残余碳含量反而增加。通过XRD分析发现，这是由于AlN晶格中的CN缺陷释放碳，并形成Al₂OC相关固溶体(Al₂OC–AlN)，导致C-S分析检测到的碳增加。进一步热力学分析及XRD峰位偏移表明，延长第二步脱碳处理时间会引起晶格膨胀，表明Al₂OC相关结构部分掺入AlN晶格。这种掺杂导致的低角度XRD峰位偏移间接验证了Al₂OC–AlN固溶体的形成。
主要实验技术包括：高纯氧化铝与碳黑按1:3.1摩尔比混合湿磨制备粉体；CRN法在氮气气氛下于1730 °C合成AlN；空气氧化进行第一步脱碳；H₂(4%)–N₂气氛热处理进行第二步脱碳；采用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FE-SEM)、透射电镜(TEM)及碳-硫(C-S)分析对结构、形貌及残余碳含量进行表征，同时监测气氛成分。
研究结果显示：
1. **第一步脱碳过程**：空气热处理有效去除粉体表面自由碳，残余碳含量稳定在约2,000 ppm，未进一步下降。
2. **第二步脱碳过程**：在H₂(4%)–N₂气氛下，高温促进残余碳向碳氢化物转化并挥发，短时间(1–2 h)处理显著降低碳含量，但处理时间过长导致AlN晶格CN缺陷碳释放并形成Al₂OC–AlN固溶体，残余碳出现反弹。
3. **晶格分析**：XRD结果显示，第二步脱碳处理后AlN主要衍射峰向低角度偏移，表明晶格膨胀，支持Al₂OC–AlN固溶体的形成；未检测到金属铝或其他杂质相，表明处理条件下AlN结构稳定。
4. **碳释放行为**：C-S分析时间分辨曲线显示早期碳释放峰(约12 s)对应自由碳，晚期峰(24–30 s)对应热稳定碳相如Al₂OC相关固溶体。
讨论与结论：本研究表明，常规空气氧化无法完全去除AlN粉体中的残余碳，必须结合氢气辅助还原处理才能进一步降低碳含量。两步脱碳策略通过控制热处理温度与时间，实现自由碳的氧化去除和晶格缺陷碳的部分挥发，同时注意过度延长处理时间可能导致固溶体形成及碳反弹。该策略为高纯AlN粉体的制备提供了可靠方法，对改善AlN基电子器件材料性能具有重要意义。论文发表在《Materials Today Communications》。
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