Aluminiumnitrid
Kristallstruktur | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
__ Al3+ __ N3− | |||||||
Allgemeines | |||||||
Name | Aluminiumnitrid | ||||||
Verhältnisformel | AlN | ||||||
Kurzbeschreibung |
weißer pulverförmiger Feststoff[1] | ||||||
Externe Identifikatoren/Datenbanken | |||||||
| |||||||
Eigenschaften | |||||||
Molare Masse | 40,99 g·mol−1 | ||||||
Aggregatzustand |
fest | ||||||
Dichte |
3,26 g·cm−3[1] | ||||||
Schmelzpunkt | |||||||
Löslichkeit |
bei Kontakt mit Wasser allmähliche Hydrolyse unter Ammoniakbildung[1] | ||||||
Sicherheitshinweise | |||||||
| |||||||
Thermodynamische Eigenschaften | |||||||
ΔHf0 |
−318,0 kJ/mol[2] | ||||||
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 (≈ 6,2 eV).
Eigenschaften
Aluminiumnitrid ist ein farbloser Feststoff, der in der Wurtzit-Struktur mit der hexagonalen Raumgruppe P63mc (Raumgruppen-Nr. 186) 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 Mr beträgt 40,99 u. Unter Stickstoffatmosphäre besitzt es einen Schmelzpunkt von 2150–2200 °C und 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.
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.
Synthese
Aluminiumnitridpulver lässt sich aus Aluminiumoxid, Stickstoff bzw. Ammoniak und Kohlenstoff im Überschuss bei einer Temperatur >1600 °C in einer carbothermischen Reaktion darstellen:
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:
Reaktionsverhalten
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:
Weitere physikalische Eigenschaften
Folgende Eigenschaften gelten für die AlN-Festkörperphase. Die Eigenschaften von AlN-Dünnschichten sind stark prozessabhängig, sodass z. B. intrinsische mechanische Spannungen auftreten und sich AlN in dünnen 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
Einzelnachweise
- ↑ a b c d e f g Eintrag zu Aluminiumnitrid in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA (JavaScript erforderlich) .
- ↑ 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.