Ausgehend von Aluminium und angetrieben durch Materialverarbeitung und Elektrochemie als Zwillingsmotoren gelangt hochreines ultrafeines Aluminiumoxid vom Labor in die industrielle Spitzenposition und beweist seinen unbestreitbaren Wert als „Material-Eckpfeiler“ in zwei strategischen Bereichen: fortschrittliche Halbleiter und die allgemeine Gesundheitsbranche.
Im Halbleitersektor stellt die Chipherstellung immer strengere Anforderungen an die Reinheit, Partikelgröße, kristallographische Phase und thermische Stabilität der Trägermaterialien, da sich die Prozessknoten in Richtung 5 nm, 3 nm und noch feinere Geometrien weiterentwickeln. Aufgrund seiner extrem hohen chemischen Inertheit, seiner hervorragenden elektrischen Isolierung, seiner guten Anpassung an die Wärmeausdehnung sowie seiner Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit ist hochreines ultrafeines Aluminiumoxid zu einer wichtigen Komponente in Substraten für integrierte Schaltkreise, wichtigen Keramikteilen für Ätzgeräte, rotierenden Sputtertargets mit hoher Dichte für die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), Saphirsubstraten und leistungsstarken Verpackungsfüllstoffen geworden. Insbesondere in Umgebungen des Plasmaätzens und der chemisch-mechanischen Planarisierung (CMP) sind Komponenten auf Aluminiumoxidbasis direkt stark korrosiven Gasen und Hochgeschwindigkeitspartikelbeschuss ausgesetzt. Der Verunreinigungsgrad-insbesondere von schädlichen Elementen wie Na, K, Fe und Cu-muss auf den ppm- oder sogar ppb-Bereich kontrolliert werden, während die Partikelgrößen präzise im Nanometer- bis Submikrometerbereich verteilt werden müssen. Diese Parameter bestimmen direkt die Lebensdauer, Ausbeute und Prozessstabilität der Anlage. Derzeit sind High-End-Produkte in diesem Bereich noch stark von einigen wenigen Lieferanten aus Japan und Deutschland abhängig; Die inländische Substitutionsrate bleibt niedrig, was dies zu einem kritischen Engpass macht, der die Eigenständigkeit der chinesischen Halbleiterindustriekette einschränkt.
Gleichzeitig geht in der Gesundheitsbranche hochreines, ultrafeines Aluminiumoxid dank seiner zahlreichen oberflächenaktiven Stellen, seiner guten Zytokompatibilität, seiner pH-Reaktionsfähigkeit und seiner ungiftigen Abbauprodukte allmählich über die traditionelle Wahrnehmung von inerten Keramiken hinaus. Als Medikamententransportmittel ermöglicht es eine effiziente Beladung und kontrollierte Freisetzung von Proteinen, Nukleinsäuren und niedermolekularen Chemotherapeutika. In hochfesten orthopädischen und zahnmedizinischen Keramiken verbessert die Einführung von Nano-Aluminiumoxid die Bruchzähigkeit und Verschleißfestigkeit erheblich. Bei der Biosensorik sorgen oberflächenfunktionalisierte nanoporöse Aluminiumoxidmembranen für hochempfindliche elektrochemische Reaktionen auf Glukose, DNA-Biomarker und sogar zirkulierende Tumorzellen. Allerdings wurden die Herstellungsverfahren für die ultrafeinen Aluminiumoxid-Rohstoffe, die für diese fortschrittlichen Anwendungen benötigt werden, lange Zeit durch Patentschranken und Technologieblockaden von ausländischen Unternehmen monopolisiert. Inländische Unternehmen kämpfen mit allgemeinen Herausforderungen wie breiten Partikelgrößenverteilungen, schlechter Chargenkonsistenz und begrenzten Oberflächenmodifizierungstechniken, die den Übergang der „inländischen Substitution“ von der Materialebene zur Geräteebene erheblich behindern.
Als Reaktion auf diese dringende Situation gehen wir von Rohstoffen auf Aluminiumbasis aus und integrieren systematisch Präzisionspulververarbeitungstechnologien mit elektrochemischen Kontrollmethoden. Dabei führen wir eingehende Untersuchungen entlang der gesamten Kette „Vorbereitung – Charakterisierung – Anwendung“ von hochreinem ultrafeinem Aluminiumoxid durch. Im Hinblick auf die Reinheitskontrolle haben wir kombinierte Prozesse entwickelt, die chemische Reinigung mit mehrstufiger physikalischer Trennung koppeln, um Spurenverunreinigungen effektiv aus der Aluminiumquelle zu entfernen, und haben ein vollständiges Spurenanalysesystem vom Rohmaterial bis zum Endprodukt eingerichtet. Zur Kontrolle der Morphologie haben wir durch Anpassung der Elektrolytzusammensetzung, der Stromdichte, der hydrothermischen Reaktionsparameter und der Phasenumwandlungsbedingungen eine systematische Anpassung der Partikelgröße, der spezifischen Oberfläche, der Porengrößenverteilung und der freiliegenden Kristallflächen erreicht und so eine Reihe von Produkten mit kugelförmigen, flockenartigen, faserigen und hohlen hierarchischen Strukturen erhalten. Auf der funktionellen Anwendungsseite wurden die vorbereiteten Aluminiumoxidpulver beim dichten Sintern von Halbleiter-Ätzringen, der Mikrostrukturoptimierung von PVD-Targets und der Bioligandenkopplung auf Arzneimittelträgeroberflächen verwendet. Vorläufige Ergebnisse zeigen deutliche Vorteile bei der Plasmaerosionsbeständigkeit, der Gleichmäßigkeit der Dünnschichtabscheidung und der Kinetik der Arzneimittelfreisetzung. Unsere über viele Jahre gesammelte Erfahrung hat uns zu der Erkenntnis geführt, dass wir nur durch die Öffnung der synergetischen Kette „Rohstoffveredelung – Pulvertechnik – Geräteverifizierung“ und durch die Kombination von elektrochemischer In-situ-Charakterisierung mit Computersimulation fremde technologische Barrieren grundlegend durchbrechen können. Nur dann können wir zuverlässige hochreine Aluminiumoxidlösungen für die Eigenständigkeit von Halbleitergeräten und biomedizinischen Materialien bereitstellen und Chinas strategisch aufstrebenden Industrien dabei helfen, den entscheidenden Schritt „von einem Produkt zu einem überlegenen Produkt“ zu machen.