在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，氮化鎵（GaN）作為第三代半導(dǎo)體的核心代表，憑借其優(yōu)異的理化性能正深刻改變著多個(gè)行業(yè)的技術(shù)格局。對(duì)于不熟悉這類(lèi)材料的讀者而言，理解其本質(zhì)、應(yīng)用價(jià)值以及主流制備技術(shù)，能更好地把握這一新材料的發(fā)展趨勢(shì)。本文將從氮化鎵的基本特性入手，梳理其核心應(yīng)用領(lǐng)域，再通過(guò)三個(gè)詳細(xì)案例解析那艾儀器噴霧干燥技術(shù)在其制備中的具體應(yīng)用，讓技術(shù)內(nèi)容更易理解。

氮化鎵是分子式為GaN的無(wú)機(jī)化合物，屬于Ⅲ族氮化物，外觀呈暗灰色粉末，密度6.1g/cm3，熔點(diǎn)約1700℃，升華溫度800℃，具有纖鋅礦、閃鋅礦及巖鹽礦三種晶體結(jié)構(gòu)，其中熱力學(xué)穩(wěn)定的是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。作為寬禁帶半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度達(dá)3.4V，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)硅材料的1.12V，同時(shí)還具備高擊穿電場(chǎng)（約為硅的10倍以上）、高熱導(dǎo)率（130-200W/(m·K)）、高電子遷移率等優(yōu)異特性。這些特性讓氮化鎵具備了耐高溫、耐高壓、低能耗、小型化的優(yōu)勢(shì)，也使其在諸多高端領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)材料的替代。

憑借這些核心優(yōu)勢(shì)，氮化鎵的應(yīng)用場(chǎng)景已覆蓋多個(gè)關(guān)鍵行業(yè)。在消費(fèi)電子領(lǐng)域，它是快充充電器的核心材料，能實(shí)現(xiàn)更高功率密度和更小體積，目前在30W到240W低功率充電器市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位；在通信領(lǐng)域，其高頻率特性適配5G基站的射頻功放需求，可降低信號(hào)衰減，提升通信效率；新能源領(lǐng)域中，氮化鎵器件廣泛應(yīng)用于新能源汽車(chē)的車(chē)載充電器、光伏逆變器、儲(chǔ)能系統(tǒng)等，能顯著提升能量轉(zhuǎn)換效率，部分應(yīng)用中效率可提升至99%以上；此外，在照明（LED核心材料）、航空航天（極端環(huán)境電子器件）、深海通信等領(lǐng)域，氮化鎵也發(fā)揮著不可替代的作用。

在氮化鎵的制備工藝中，噴霧干燥技術(shù)因具備操作簡(jiǎn)單、量產(chǎn)性好、產(chǎn)品粒徑均勻等優(yōu)勢(shì)，被廣泛用于粉體成型及復(fù)合材料制備環(huán)節(jié)。該技術(shù)通過(guò)將料漿霧化成微小液滴，在熱氣流中快速干燥獲得粉體產(chǎn)品，能有效控制產(chǎn)品的粒度分布和形貌，適配氮化鎵材料高性能要求。以下是三個(gè)不同應(yīng)用場(chǎng)景下那艾儀器噴霧干燥機(jī)制備氮化鎵的詳細(xì)案例。

第一個(gè)案例是氧化石墨烯-氮化鎵核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的噴霧干燥制備，該復(fù)合材料主要應(yīng)用于電子器件散熱和光伏發(fā)電領(lǐng)域。制備過(guò)程首先需配制濃度為3～8mg/ml的氧化石墨烯分散液，分散方式可采用超聲分散、機(jī)械研磨或高速攪拌中的一種或多種。在攪拌狀態(tài)下將氮化鎵粉末逐步加入分散液，繼續(xù)以100～800rpm的轉(zhuǎn)速攪拌并加入分散穩(wěn)定劑，形成均勻的氧化石墨烯-氮化鎵混合物料。隨后將該混合物料送入噴霧干燥機(jī)，設(shè)定進(jìn)風(fēng)溫度20～220℃、出風(fēng)溫度50～100℃，通過(guò)霧化器將料漿霧化成微小液滴，在熱氣流中快速干燥后，直接獲得核殼結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯-氮化鎵復(fù)合材料前驅(qū)體。后續(xù)再通過(guò)激光還原、熱還原或高壓還原等方式對(duì)前驅(qū)體進(jìn)行還原處理，最終得到高性能的復(fù)合材料。該工藝的核心優(yōu)勢(shì)在于利用噴霧干燥技術(shù)實(shí)現(xiàn)了氧化石墨烯在氮化鎵表面的均勻包覆，且全程采用水溶液分散，還原過(guò)程無(wú)有毒有害物質(zhì)，生產(chǎn)成本低，同時(shí)產(chǎn)物的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率均有顯著提升。

第二個(gè)案例是氮化鎵陶瓷粉體的量產(chǎn)制備，采用閉式循環(huán)噴霧干燥機(jī)，主要解決傳統(tǒng)工藝中氧雜質(zhì)控制難、粒徑分布寬、溶劑回收率低的問(wèn)題。該案例的待干燥物料為氮化鎵陶瓷料漿，料漿中添加PEG+PVB作為成型劑，研磨劑采用酒精，固形物含量控制在40wt%-50wt%，料漿溫度保持常溫。干燥過(guò)程采用氮?dú)庾鳛檠h(huán)氣體，確保干燥環(huán)境的惰性氛圍，避免氮化鎵氧化，塔內(nèi)含氧量嚴(yán)格控制在≤3%。噴霧干燥機(jī)采用壓力噴嘴霧化方式，設(shè)定進(jìn)風(fēng)溫度170-220℃、出風(fēng)溫度80-90℃，通過(guò)主塔+旋風(fēng)除塵器+布袋除塵器的三點(diǎn)收料方式收集產(chǎn)品。該工藝的酒精蒸發(fā)能力≥25kg/h，酒精回收率可達(dá)98%以上，產(chǎn)品殘余酒精含量≤0.5%，主塔收集的粉體中徑D50為50-100μm，粉體收集率≥90%。加熱方式采用50kw的防爆電加熱（實(shí)際功耗25kw），配套冷凝塔回收酒精，冷凝塔輸入水溫度7-12℃，輸出水溫度10-15℃，形成完整的閉環(huán)工藝。該案例通過(guò)閉式循環(huán)設(shè)計(jì)和精準(zhǔn)的參數(shù)控制，實(shí)現(xiàn)了氮化鎵陶瓷粉體的規(guī)模化量產(chǎn)，產(chǎn)品純度和粒徑均勻性均能滿(mǎn)足陶瓷器件成型要求。

第三個(gè)案例是低壓力冷噴霧干燥制備氮化鎵涂層前驅(qū)體，該涂層主要應(yīng)用于不銹鋼基材的功能改性，適配極端環(huán)境下的器件防護(hù)需求。制備的核心是先通過(guò)噴霧干燥技術(shù)制備符合冷噴涂要求的氮化鎵團(tuán)聚粉體，再將團(tuán)聚粉體用于涂層沉積。噴霧干燥環(huán)節(jié)選用氮化鎵原始粉體，其初級(jí)粒徑為幾十納米，通過(guò)配制合適濃度的料漿，送入低壓力冷噴霧干燥機(jī)，優(yōu)化霧化壓力和干燥參數(shù)，獲得粒徑為幾微米的團(tuán)聚粉體。干燥過(guò)程需嚴(yán)格控制進(jìn)風(fēng)溫度和出風(fēng)溫度，確保團(tuán)聚粉體的流動(dòng)性和分散性，避免二次團(tuán)聚。后續(xù)將該團(tuán)聚粉體作為噴涂原料，采用氦氣作為工藝氣體，在室溫下通過(guò)低壓力冷噴涂技術(shù)沉積到不銹鋼基材表面。噴霧干燥制備的團(tuán)聚粉體在高速?zèng)_擊基材時(shí)，表面原生氧化膜被去除，同時(shí)在顆粒-基材界面形成新的氧化層，促進(jìn)涂層結(jié)合。該工藝通過(guò)噴霧干燥技術(shù)精準(zhǔn)控制團(tuán)聚粉體的粒徑和形貌，為后續(xù)涂層的致密性和結(jié)合強(qiáng)度提供保障，最終獲得的氮化鎵涂層具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和力學(xué)性能，邊界無(wú)裂紋， dislocation密度高。

以上三個(gè)案例分別覆蓋了復(fù)合材料制備、陶瓷粉體量產(chǎn)和涂層前驅(qū)體制備三大場(chǎng)景，展現(xiàn)了噴霧干燥技術(shù)在氮化鎵制備中的靈活性和適配性。隨著氮化鎵應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，噴霧干燥技術(shù)也在通過(guò)工藝優(yōu)化（如精準(zhǔn)控溫、惰性氛圍控制、高效溶劑回收）進(jìn)一步提升產(chǎn)品性能，降低生產(chǎn)成本。對(duì)于相關(guān)行業(yè)從業(yè)者而言，掌握這類(lèi)高效制備技術(shù)，將為氮化鎵材料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供更有力的支撐。