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 mit ammoniakartigem Geruch[1]

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

fest

Dichte

3,26 g·cm−3[1]

Schmelzpunkt

> 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​‐​280​‐​305+351+338​‐​304+340​‐​501 [1]
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.
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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 mit breiter Bandlücke (≈ 6,2 eV).

Eigenschaften[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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). 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].

Aluminiumnitridkeramik[Bearbeiten | Quelltext 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/(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[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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[Bearbeiten | Quelltext 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 sich Aluminiumnitrid sowohl als Pulver als auch als gesinterte Keramik zu Ammoniak und Aluminatlösung gemäß:

Weitere physikalische Eigenschaften[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b c d e f g h Eintrag zu CAS-Nr. 24304-00-5 in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 24. April 2016 (JavaScript erforderlich).
  2. 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.