Aluminiumnitrid

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Kristallstruktur
Struktur von Aluminiumnitrid
__ Al3+     __ N3−
Allgemeines
Name Aluminiumnitrid
Verhältnisformel AlN
CAS-Nummer 24304-00-5
Kurzbeschreibung

weißer pulverförmiger Feststoff[1]

Eigenschaften
Molare Masse 40,99 g·mol−1
Aggregatzustand

fest

Dichte

3,26 g·cm−3[1]

Schmelzpunkt

2150–2200 °C[1]

Löslichkeit

bei Kontakt mit Wasser allmähliche Hydrolyse unter Ammoniakbildung[1]

Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung [1]
07 – Achtung

Achtung

H- und P-Sätze H: 315​‐​319​‐​335
P: 261​‐​305+351+338 [1]
EU-Gefahrstoffkennzeichnung [2][1]
Reizend
Reizend
(Xi)
R- und S-Sätze R: 36/37/38
S: keine S-Sätze
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.
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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[Bearbeiten]

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 Mr beträgt 40,99 u. Unter Stickstoffatmosphäre besitzt es einen Schmelzpunkt von 2150–2200 °C und eine Härte nach Mohs von 9.

Aluminiumnitridkeramik[Bearbeiten]

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/mK. 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[Bearbeiten]

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_2O_3 + 9 \ C + 4 \ NH_3 \longrightarrow 4 \ AlN + 3 \ CH_4 + 6 \ CO}
\mathrm{Al_2O_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_2O_3 + 2 \ NH_3 \longrightarrow 2 \ AlN + 3 \ H_2O}

Reaktionsverhalten[Bearbeiten]

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 Aluminiumnitrid sowohl als Pulver als auch als gesinterte Keramik zu Ammoniak und Aluminatlösung gemäß:

\mathrm{AlN + NaOH + 3 \ H_2O \longrightarrow NH_3 + Na[Al(OH)_4]}

Weitere physikalische Eigenschaften[Bearbeiten]

Folgende Eigenschaften gelten für die AlN-Festkörperphase. Die Eigenschaften von AlN-Dünnschichten sind stark prozessabhängig, sodass z. B. intrinsische mechanische Spannung auftreten und sich AlN in dünne Schichten durch andere mechanische und elektrische Eigenschaften auszeichnet.

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. a b c d e f g Eintrag zu Aluminiumnitrid in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 11. Oktober 2007 (JavaScript erforderlich).
  2. Seit dem 1. Dezember 2012 ist für Stoffe ausschließlich die GHS-Gefahrstoffkennzeichnung zulässig. Bis zum 1. Juni 2015 dürfen noch die R-Sätze dieses Stoffes für die Einstufung von Gemischen herangezogen werden, anschließend ist die EU-Gefahrstoffkennzeichnung von rein historischem Interesse.
  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.

Weblinks[Bearbeiten]