نظرًا لأن سيراميك نيتريد السيليكون عبارة عن مركبات تساهمية قوية، لا يمكن إكمال نقل الحرارة إلا من خلال اهتزاز الشبكة، متأثرًا بعوامل مثل الكثافة وتكوين الطور والبنية المجهرية والأكسجين الشبكي، وعادةً ما تكون التوصيل الحراري الفعلي لسيراميك نيتريد السيليكون أقل بكثير من النظرية. القيمة، والتي تعد حاليًا أكبر عنق الزجاجة الذي يحد من تطبيق ركائز نيتريد السيليكون .
الكثافة وتكوين المرحلة
بشكل عام، نظرًا لأن تقليل المسام في السيراميك يمكن أن يجعل البنية المجهرية أكثر إحكاما، فإن مسار توصيل الفونونات في المادة يكون أكثر استمرارية، وبالتالي تقليل تشتت الفونونات. لذلك، فإن زيادة كثافة سيراميك نيتريد السيليكون قدر الإمكان يعد شرطًا أساسيًا للحصول على سيراميك نيتريد السيليكون عالي التوصيل الحراري.
سيراميك نيتريد السيليكون له أيضًا تأثير أكبر على التوصيل الحراري، نيتريد السيليكون له مرحلتين بلوريتين α و β، بسبب التماثل الهيكلي المنخفض لـ α-Si3N4، تحتوي خليته على المزيد من التجاويف، ويمكن أن تستوعب المزيد من أيونات الشوائب، وتأثير التشتت الفونونات أقوى. بالإضافة إلى ذلك، فإن محتوى الأكسجين في α-Si3N4 أعلى بكثير من محتوى β-Si3N4، وستنتج شوائب الأكسجين تفاعلات محلول صلب لتوليد الشواغر في السيليكون، وتتسبب أيضًا في تشتت الفونون، مما سيؤدي إلى تقليل التوصيل الحراري. في عملية تلبيد الطور السائل، يتم تحويل الطور α تدريجيًا إلى الطور β. مع زيادة محتوى الطور β نسبة إلى محتوى الطور α، تزداد التوصيلية الحرارية لسيراميك نيتريد السيليكون تدريجيًا.
علم التشكل الدقيق
إن حجم الحبوب وسمك طبقة حدود الحبوب ومحتوى الطور الزجاجي لهما تأثيرات مهمة على التوصيل الحراري لنتريد السيليكون. أثناء تلبيد الطور السائل لسيراميك نيتريد السيليكون، فإن الطور السائل لمركب أكسيد النيتروجين المتكون من تفاعل المواد المضافة وSiO2 على السطح عند درجة حرارة عالية يفضي إلى تكثيف السيراميك. بعد التبريد، سيبقى الطور السائل في سيراميك نيتريد السيليكون، وتكون الموصلية الحرارية منخفضة للغاية. يوجد جزء من الطور الزجاجي المتشكل على شكل فيلم حدودي حبيبي، يبلغ سمكه حوالي 1 ~ 2 نانومتر؛ يشكل جزء آخر من الطور الزجاجي الزائد غلافًا زجاجيًا عند تقاطع حبيبات القضيب الطويلة لـ β-Si3N4. كلما زاد محتوى الطور الحدودي للحبيبات مع الموصلية الحرارية المنخفضة، انخفضت الموصلية الحرارية لسيراميك نيتريد السيليكون.
وبالإضافة إلى ذلك، فإن زيادة حجم الحبوب يؤدي إلى تحسين التوصيل الحراري، ولكن عندما يصل حجم الحبوب إلى القيمة الحرجة، فإن زيادة حجم الحبوب ليس لها تأثير واضح على تحسين التوصيل الحراري لنتريد السيليكون. ولذلك، فقط من خلال تلبيد درجة حرارة عالية والحفاظ على الحرارة على المدى الطويل لتعزيز نمو الحبوب غير طبيعي من نيتريد السيليكون لا يمكن الاستمرار في تحسين التوصيل الحراري، فمن الضروري استكشاف طرق أخرى أكثر فعالية.
شعرية محتوى الأكسجين
في أنظمة التلبيد المختلفة، ترتبط التوصيل الحراري لنتريد السيليكون سلبًا مع محتوى الأكسجين الشبكي. لفترة طويلة، ركز الباحثون على تقليل محتوى الأكسجين الشبكي للمحلول الصلب في نيتريد السيليكون لتحسين التوصيل الحراري لنيتريد السيليكون. من خلال زيادة درجة حرارة التلبيد وتمديد وقت الاحتفاظ بدرجة الحرارة المرتفعة، يمكن إذابة نيتريد السيليكون بالكامل وترسيبه في الطور السائل بلزوجة أقل، مما يقلل من عيوب الشبكة ويزيد حجم الحبوب، وهو ما يلعب دورًا مهمًا في تحسين التوصيل الحراري لنيتريد السيليكون ، ولكن التكلفة العالية الناتجة لا تساعد على تعميم وتطبيق ركائز نيتريد السيليكون ذات الموصلية الحرارية العالية.
ولذلك، يمكن تعديل تكوين الطور السائل عن طريق اختيار مسحوق ذو درجة نقاء عالية ومحتوى منخفض من الأكسجين، وإدخال إضافات تلبيد غير أكسيدية، وما إلى ذلك. يمكن أن يعيق الطور السائل ذو محتوى الأكسجين المنخفض تكوين أكسجين شبكي في β- Si3N4، وبالتالي تحسين التوصيل الحراري بشكل ملحوظ. في الوقت الحاضر، في ظل انخفاض محتوى الأكسجين الشبكي، لم يحقق مسحوق نيتريد السيليكون اختراقًا كبيرًا، بل هو وسيلة اقتصادية وفعالة لاستخدام غير الأكاسيد بدلاً من إضافات تلبيد الأكسيد المقابلة وتنظيم محتوى الأكسجين الشبكي عن طريق ضبط تكوين الطور السائل لتحسينه. الموصلية الحرارية لسيراميك نيتريد السيليكون.
