„Aluminiumnitrid“ – Versionsunterschied

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[[Datei:Aluminium Nitride.jpg|thumb|right|Aluminiumnitrid]]
'''Aluminiumnitrid''', Summenformel AlN, ist eine [[chemische Verbindung]] von [[Aluminium]] und [[Stickstoff]]. Es gehört zur Stoffklasse der [[Nitride]] und ist ein [[III-V-Verbindungshalbleiter]].
'''Aluminiumnitrid''', Summenformel AlN, ist eine [[chemische Verbindung]] von [[Aluminium]] und [[Stickstoff]]. Es gehört zur Stoffklasse der [[Nitride]] und ist ein [[III-V-Verbindungshalbleiter]] [[Halbleiter mit breitem Bandabstand|mit breiter Bandlücke]].<ref>{{Literatur | Autor= J. Li, K. B. Nam, M. L. Nakarmi, J. Y. Lin, and H. X. Jiang | Titel= Band structure and fundamental optical transitions in wurtzite AlN | Sammelwerk= Applied Physics Letters | Band= 83 | Nummer= 25 | Datum=2003 | Seiten=5163–5165 | DOI=10.1063/1.1633965 }}</ref> Die Bandlücke beträgt bei Raumtemperatur <math>E_\mathrm{Gap}=6{,}015\,\text{eV} </math>.<ref>{{Literatur | Autor=Martin Feneberg, Robert A. R. Leute, Benjamin Neuschl, Klaus Thonke, and Matthias Bickermann | Titel=High-excitation and high-resolution photoluminescence spectra of bulk AlN | Sammelwerk= Physical Review B | Band=82 | Nummer=7 | Datum=2010 | Seiten=075208 | DOI=10.1103/PhysRevB.82.075208 }}</ref>


== Eigenschaften ==
== Eigenschaften ==
[[Datei:Aluminium Nitride.jpg|mini|links|Aluminiumnitrid]]
Aluminiumnitrid ist ein farbloser Feststoff, der in der [[Wurtzit]]-Struktur mit der hexagonalen [[Raumgruppe]] P6<sub>3</sub>mc kristallisiert. Die Aluminiumatome bilden eine [[Dichteste Kugelpackung]] auf einem hexagonalen Gitter, die N-Atome besetzen die Hälfte der [[Tetraederlücke|tetraedrischen Lücken]] dieses Gitters. Die [[Gitterparameter|Gitterkonstanten]] betragen a: 311,14 pm und c: 497,92 pm. Die [[Röntgendichte]] von AlN liegt bei 3,26 g/cm³. Aluminium und Stickstoff sind überwiegend [[Atombindung|kovalent]] gebunden, der Anteil der ionischen Bindung beträgt 45 %. Die relative [[Molekülmasse]] M<sub>r</sub> beträgt 40,99 u. Unter Stickstoffatmosphäre besitzt es einen [[Schmelzpunkt]] von 2150–2200&nbsp;°C und eine [[Härte]] nach Mohs von 9.
Aluminiumnitrid ist ein weißer, brennbarer, aber schwer entzündbarer pulverförmiger Feststoff mit ammoniakartigem Geruch, der sich in Wasser zersetzt.<ref name="GESTIS" /> Er kristallisiert in der [[Wurtzit]]-Struktur mit der hexagonalen {{Raumgruppe|P63mc|lang}}. Die Aluminiumatome bilden eine [[Dichteste Kugelpackung]] auf einem hexagonalen Gitter, die N-Atome besetzen die Hälfte der [[Tetraederlücke|tetraedrischen Lücken]] dieses Gitters. Die [[Gitterparameter|Gitterkonstanten]] betragen a&nbsp;=&nbsp;311,14&nbsp;pm und c&nbsp;=&nbsp;497,92&nbsp;pm. Die [[Röntgendichte]] von AlN liegt bei 3,26&nbsp;g/cm³. Aluminium und Stickstoff sind überwiegend [[Atombindung|kovalent]] gebunden, der Anteil der ionischen Bindung beträgt 45 %. Die relative [[Molekülmasse]] M<sub>r</sub> beträgt 40,99&nbsp;u. Unter Stickstoffatmosphäre besitzt es einen [[Schmelzpunkt]] von über 2200&nbsp;°C und eine [[Härte]] nach Mohs von 9. Ab 2400&nbsp;°C zersetzt sich die Verbindung<ref name="GESTIS" />.

AlN zeigt einen [[Piezoelektrizität|piezoelektrischen Effekt]] und findet beispielsweise bedeutende Anwendung in der Herstellung von Filtern für Mikrowellensignalen in Smartphones.


== Aluminiumnitridkeramik ==
== Aluminiumnitridkeramik ==
Aluminiumnitridkeramik wird üblicherweise bei Temperaturen von ca. 1800&nbsp;°C drucklos [[Sintern|gesintert]]. Mit Hilfe geeigneter Sinteradditive kommt es hierbei zum Flüssigphasensintern. In der Praxis hat sich die Dotierung mit [[Calciumoxid|Calcium]]- und [[Yttriumoxid]] als Standardverfahren weitgehend durchgesetzt.
Aluminiumnitridkeramik wird üblicherweise bei Temperaturen von ca. 1800&nbsp;°C drucklos [[Sintern|gesintert]]. Mit Hilfe geeigneter Sinteradditive kommt es hierbei zum Flüssigphasensintern. In der Praxis hat sich die Dotierung mit [[Calciumoxid|Calcium-]] und [[Yttriumoxid]] als Standardverfahren weitgehend durchgesetzt.


Da AlN-Keramik eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit von 180 W/mK besitzt, wird es vor allem in der Leistungselektronik als Substratwerkstoff verwendet. Weiterhin ist der Einsatz von AlN-Keramik dort interessant, wo viel Wärme abgeführt werden muss, die Werkstoffe jedoch nicht elektrisch leitend sein dürfen.
AlN-Keramik besitzt eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit von 180&nbsp;W/(m·K). Der Einsatz von AlN-Keramik ist somit dort interessant, wo viel Wärme abgeführt werden muss, der Werkstoff jedoch nicht elektrisch leitend sein darf. AlN-Keramik wird vor allem in der Leistungselektronik als Substratwerkstoff verwendet.


Aluminiumnitrid lässt sich auch durch physikalische Abscheideverfahren ([[Physikalische Gasphasenabscheidung|PVD]]), sog. [[Sputtern]] oder durch [[metallorganische chemische Gasphasenabscheidung]] (MOCVD), als Dünnschicht gewinnen. Es ist schwach [[piezo]]elektrisch.
In industriellem Maßstab wird Aluminiumnitrid durch physikalische Abscheideverfahren ([[Physikalische Gasphasenabscheidung|PVD]]), [[Sputtern]] oder durch [[metallorganische chemische Gasphasenabscheidung]] (MOCVD) als Dünnschicht gewonnen.


== Synthese ==
== Synthese ==
Aluminiumnitridpulver lässt sich aus [[Aluminiumoxid]], [[Stickstoff]] bzw. [[Ammoniak]] und [[Kohlenstoff]] im Überschuss bei einer Temperatur >1600&nbsp;°C in einer carbothermischen Reaktion darstellen:
Aluminiumnitridpulver lässt sich aus [[Aluminiumoxid]], [[Stickstoff]] bzw. [[Ammoniak]] und [[Kohlenstoff]] im Überschuss bei einer Temperatur ab 1600&nbsp;°C in einer carbothermischen Reaktion darstellen:


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:<math>\mathrm{2 \ Al_2O_3 + 9 \ C + 4 \ NH_3 \longrightarrow 4 \ AlN + 3 \ CH_4 + 6 \ CO}</math>
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:<math>\mathrm{Al_2O_3 + 3 \ C + N_2 \longrightarrow 2 \ AlN + 3 \ CO}</math>
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Ein weiterer Weg ist die Direktnitridierung. Bei dieser Syntheseart wird metallisches Aluminium- bzw. Aluminiumoxidpulver bei Temperaturen >900&nbsp;°C mit N<sub>2</sub> oder NH<sub>3</sub> zu AlN umgesetzt:
Ein weiterer Weg ist die Direktnitridierung. Bei dieser Syntheseart wird metallisches Aluminium- bzw. Aluminiumoxidpulver bei Temperaturen ab 900&nbsp;°C mit N<sub>2</sub> oder NH<sub>3</sub> zu AlN umgesetzt:


:<math>\mathrm{2 \ Al + N_2 \longrightarrow 2 \ AlN}</math>
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== Reaktionsverhalten ==
== Reaktionsverhalten ==
Aluminiumnitridpulver weist eine hohe [[Hydrolyse]]empfindlichkeit auf. Im Wasser ist eine unvollständige Spaltung von Aluminiumnitrid in [[Aluminiumhydroxid]] und [[Ammoniak]] zu beobachten. Gesinterte Keramik ist nicht hydrolyseempfindlich. In [[Natronlauge]] zersetzt Aluminiumnitrid sowohl als Pulver als auch als gesinterte Keramik zu Ammoniak und [[Aluminat]]lösung gemäß:
Aluminiumnitridpulver weist eine hohe [[Hydrolyse]]empfindlichkeit auf. Im Wasser ist eine unvollständige Spaltung von Aluminiumnitrid in [[Aluminiumhydroxid]] und [[Ammoniak]] zu beobachten. Gesinterte Keramik ist nicht hydrolyseempfindlich. In [[Natronlauge]] zersetzt sich Aluminiumnitrid sowohl als Pulver als auch als gesinterte Keramik zu Ammoniak und [[Aluminate|Aluminat]]lösung gemäß:


:<math>\mathrm{AlN + NaOH + 3 \ H_2O \longrightarrow NH_3 + Na[Al(OH)_4]}</math>
:<math>\mathrm{AlN + NaOH + 3 \ H_2O \longrightarrow NH_3 + Na[Al(OH)_4]}</math>

== Weitere physikalische Eigenschaften ==
Folgende Eigenschaften gelten für die AlN-[[Festkörper]]phase. Die Eigenschaften von AlN-Dünnschichten sind stark prozessabhängig, sodass z.&nbsp;B. intrinsische mechanische Spannung auftreten und sich AlN in [[dünne Schichten]] durch andere mechanische und elektrische Eigenschaften auszeichnet.
* [[Bruchfestigkeit]]: 300–400 MPa (4-Punkt-Biegeversuch)
* [[E-Modul]]: 350 GPa
* [[Wärmeausdehnungskoeffizient]]: 4,63·10<sup>−6</sup> (RT bis 1850&nbsp;°C)
* [[spezifische Wärme]]: 0,738 J/gK
* [[Wärmeleitfähigkeit]]: 180–220&nbsp;W/mK

== Einzelnachweise ==
<references/>


== Weblinks ==
== Weblinks ==
* [http://www.ioffe.rssi.ru/SVA/NSM/Semicond/AlN/index.html Physikalische Daten, Ioffe-Institut St.Petersburg] (engl.)
* [http://www.ioffe.rssi.ru/SVA/NSM/Semicond/AlN/index.html Physikalische Daten, Ioffe-Institut St.Petersburg] (engl.)
* [http://www.anceram.de/ Anceram]
* [http://www.anceram.de/ Anceram]
* [http://www.ceramtec.de/ CeramTec International]
* [https://www.ceramtec-group.com/de/ CeramTec]

== Einzelnachweise ==
<references />


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[[Kategorie:Aluminiumverbindung]]
[[Kategorie:Aluminiumverbindung]]
[[Kategorie:Nitrid]]
[[Kategorie:Nitrid]]
[[Kategorie:Halbleiter]]
[[Kategorie:Verbindungshalbleiter]]
[[Kategorie:Beschichtungswerkstoff]]

Aktuelle Version vom 6. Mai 2023, 09:35 Uhr

Kristallstruktur
Struktur von Aluminiumnitrid
_ Al3+ 0 _ N3−
Allgemeines
Name Aluminiumnitrid
Verhältnisformel AlN
Kurzbeschreibung

weißer pulverförmiger Feststoff[1]

Externe Identifikatoren/Datenbanken
CAS-Nummer 24304-00-5
EG-Nummer 246-140-8
ECHA-InfoCard 100.041.931
PubChem 90455
ChemSpider 81668
Wikidata Q414445
Eigenschaften
Molare Masse 40,99 g·mol−1
Aggregatzustand

fest[1]

Dichte

3,26 g·cm−3[1]

Schmelzpunkt

> 2400 °C (Zersetzung)[1]

Löslichkeit

bei Kontakt mit Wasser allmähliche Hydrolyse unter Ammoniakbildung[1]

Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung[1]
Gefahrensymbol Gefahrensymbol

Achtung

H- und P-Sätze H: 373​‐​410
P: 260​‐​280​‐​301+330+331​‐​303+361+353​‐​305+351+338[2]
Thermodynamische Eigenschaften
ΔHf0

−318,0 kJ/mol[3]

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen (0 °C, 1000 hPa).

Aluminiumnitrid, Summenformel AlN, ist eine chemische Verbindung von Aluminium und Stickstoff. Es gehört zur Stoffklasse der Nitride und ist ein III-V-Verbindungshalbleiter mit breiter Bandlücke.[4] Die Bandlücke beträgt bei Raumtemperatur .[5]

Aluminiumnitrid

Aluminiumnitrid ist ein weißer, brennbarer, aber schwer entzündbarer pulverförmiger Feststoff mit ammoniakartigem Geruch, der sich in Wasser zersetzt.[1] Er kristallisiert in der Wurtzit-Struktur mit der hexagonalen Raumgruppe P63mc (Raumgruppen-Nr. 186)Vorlage:Raumgruppe/186. Die Aluminiumatome bilden eine Dichteste Kugelpackung auf einem hexagonalen Gitter, die N-Atome besetzen die Hälfte der tetraedrischen Lücken dieses Gitters. Die Gitterkonstanten betragen a = 311,14 pm und c = 497,92 pm. Die Röntgendichte von AlN liegt bei 3,26 g/cm³. Aluminium und Stickstoff sind überwiegend kovalent gebunden, der Anteil der ionischen Bindung beträgt 45 %. Die relative Molekülmasse Mr beträgt 40,99 u. Unter Stickstoffatmosphäre besitzt es einen Schmelzpunkt von über 2200 °C und eine Härte nach Mohs von 9. Ab 2400 °C zersetzt sich die Verbindung[1].

AlN zeigt einen piezoelektrischen Effekt und findet beispielsweise bedeutende Anwendung in der Herstellung von Filtern für Mikrowellensignalen in Smartphones.

Aluminiumnitridkeramik

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Aluminiumnitridkeramik wird üblicherweise bei Temperaturen von ca. 1800 °C drucklos gesintert. Mit Hilfe geeigneter Sinteradditive kommt es hierbei zum Flüssigphasensintern. In der Praxis hat sich die Dotierung mit Calcium- und Yttriumoxid als Standardverfahren weitgehend durchgesetzt.

AlN-Keramik besitzt eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit von 180 W/(m·K). Der Einsatz von AlN-Keramik ist somit dort interessant, wo viel Wärme abgeführt werden muss, der Werkstoff jedoch nicht elektrisch leitend sein darf. AlN-Keramik wird vor allem in der Leistungselektronik als Substratwerkstoff verwendet.

In industriellem Maßstab wird Aluminiumnitrid durch physikalische Abscheideverfahren (PVD), Sputtern oder durch metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) als Dünnschicht gewonnen.

Aluminiumnitridpulver lässt sich aus Aluminiumoxid, Stickstoff bzw. Ammoniak und Kohlenstoff im Überschuss bei einer Temperatur ab 1600 °C in einer carbothermischen Reaktion darstellen:

Ein weiterer Weg ist die Direktnitridierung. Bei dieser Syntheseart wird metallisches Aluminium- bzw. Aluminiumoxidpulver bei Temperaturen ab 900 °C mit N2 oder NH3 zu AlN umgesetzt:

Reaktionsverhalten

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Aluminiumnitridpulver weist eine hohe Hydrolyseempfindlichkeit auf. Im Wasser ist eine unvollständige Spaltung von Aluminiumnitrid in Aluminiumhydroxid und Ammoniak zu beobachten. Gesinterte Keramik ist nicht hydrolyseempfindlich. In Natronlauge zersetzt sich Aluminiumnitrid sowohl als Pulver als auch als gesinterte Keramik zu Ammoniak und Aluminatlösung gemäß:

Einzelnachweise

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  1. a b c d e f g h Eintrag zu Aluminiumnitrid in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 20. Januar 2022. (JavaScript erforderlich)
  2. Datenblatt Aluminum nitride bei Sigma-Aldrich, abgerufen am 25. Januar 2020 (PDF).
  3. David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90. Auflage. (Internet-Version: 2010), CRC Press / Taylor and Francis, Boca Raton FL, Standard Thermodynamic Properties of Chemical Substances, S. 5-5.
  4. J. Li, K. B. Nam, M. L. Nakarmi, J. Y. Lin, and H. X. Jiang: Band structure and fundamental optical transitions in wurtzite AlN. In: Applied Physics Letters. Band 83, Nr. 25, 2003, S. 5163–5165, doi:10.1063/1.1633965.
  5. Martin Feneberg, Robert A. R. Leute, Benjamin Neuschl, Klaus Thonke, and Matthias Bickermann: High-excitation and high-resolution photoluminescence spectra of bulk AlN. In: Physical Review B. Band 82, Nr. 7, 2010, S. 075208, doi:10.1103/PhysRevB.82.075208.