Aluminiumnitrid

Aluminiumnitrid, Summenformel AlN, ist ein chemische Verbindung von Aluminium und Stickstoff. Es kristallisiert in der Wurtzit-Struktur mit in der hexagonalen Raumgruppe P6₃mc. Die Al-Atome bilden eine dichte Kugelpackung auf einem hexagonalen Gitter, die N-Atome besetzen die Hälfte der tetraedrischen Lücken dieses Gitters. Die Gitterkonstanten betragen a: 3,1114 Å und c: 4,9792 Å. 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. In Stickstoffatmosphäre besitzt es einen Schmelzpunkt von 2000 °C und sonst einen Sublimationspunkt von 2000 °C und hat eine Härte nach Mohs von 9.

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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, 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:

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 weist keine Hydrolyseempfindlichkeit auf. In Natronlauge zersetzt sich sowohl Aluminiumnitridpulver als auch gesinterte AlN-Keramik in Ammoniak und Aluminatlösung gemäß:

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

Quellen

1. ↑ ^{a b c d e f g h} Eintrag zu Aluminiumnitrid in der GESTIS-Stoffdatenbank des BGIA, abgerufen am 11. Okt. 2007 (JavaScript erforderlich)