Aluminiumnitrid

Kristallstruktur
__ Al3+     __ N3−
Allgemeines
Name	Aluminiumnitrid
Verhältnisformel	AlN
Kurzbeschreibung	weißer pulverförmiger Feststoff
Externe Identifikatoren/Datenbanken
CAS-Nummer 24304-00-5 ECHA-InfoCard 100.041.931 PubChem 90455 Wikidata Q414445
Eigenschaften
Molare Masse	40,99 g·mol−1
Aggregatzustand	fest
Dichte	3,26 g·cm−3
Schmelzpunkt	2150–2200 °C
Löslichkeit	bei Kontakt mit Wasser allmähliche Hydrolyse unter Ammoniakbildung
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung Achtung H- und P-Sätze H: 315​‐​319​‐​335 P: 261​‐​305+351+338
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen (0 °C, 1000 hPa).

Aluminiumnitrid

Aluminiumnitrid, Summenformel AlN, ist eine chemische Verbindung von Aluminium und Stickstoff. Es gehört zur Stoffklasse der Nitride und ist ein III-V-Verbindungshalbleiter.

Eigenschaften

Aluminiumnitrid ist ein farbloser Feststoff, der in der Wurtzit-Struktur mit der hexagonalen Raumgruppe P6₃mc kristallisiert. 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 M_r beträgt 40,99 u. Unter Stickstoffatmosphäre besitzt es einen Schmelzpunkt von 2150–2200 °C und hat eine Härte nach Mohs von 9.

Aluminiumnitridkeramik

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.

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 der AlN-Keramik an den Stellen interessant, an dem viel Wärme abgeführt werden muss, die Werkstoffe jedoch keinen elektrischen Strom leiten dürfen.

Aluminiumnitrid lässt sich auch durch physikalische Abscheideverfahren (PVD), sog. Sputtern oder durch metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD), als Dünnschicht gewinnen. AlN ist schwach piezoelektrisch.

Synthese

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

$\mathrm {2\ Al_{2}O_{3}+9\ C+4\ NH_{3}\longrightarrow 4\ AlN+3\ CH_{4}+6\ CO}$

$\mathrm {Al_{2}O_{3}+3\ C+N_{2}\longrightarrow 2\ AlN+3\ CO}$

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

$\mathrm {2\ Al+N_{2}\longrightarrow 2\ AlN}$

$\mathrm {Al_{2}O_{3}+2\ NH_{3}\longrightarrow 2\ AlN+3\ H_{2}O}$

Reaktionsverhalten

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

$\mathrm {AlN+NaOH+3\ H_{2}O\longrightarrow NH_{3}+Na[Al(OH)_{4}]}$

Weitere physikalische Eigenschaften

Folgende Eigenschaften gelten für die AlN-Festkörperphase. Die Eigenschaften von AlN-Dünnschichten sind stark prozessabhängig, so dass z. 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: 4,63·10⁻⁶ (RT bis 1850 °C)
• spezifische Wärme: 0,738 J/gK
• Wärmeleitfähigkeit: 180–220 W/mK

Weblinks

• Physikalische Daten, Ioffe-Institut St.Petersburg (engl.)
• Anceram
• CeramTec International