Aluminiumnitrid

Einordnung und Grunddaten

Aluminiumnitrid (AlN) ist eine chemische Verbindung aus Aluminium und Stickstoff. Es gehört zu den Nitriden und ist ein III-V-Verbindungshalbleiter mit breiter Bandlücke. Die Bandlücke, also der Energieabstand, den Elektronen für elektrische Leitung überwinden müssen, beträgt bei Raumtemperatur E_Gap = 6,015 eV.

Der Stoff ist ein weißer, pulverförmiger Feststoff. Seine molare Masse beträgt 40,99 g·mol⁻¹, die Dichte 3,26 g·cm⁻³. Bei Kontakt mit Wasser findet allmählich eine Hydrolyse unter Bildung von Ammoniak statt. Die Standardbildungsenthalpie ΔH_f⁰ beträgt −318,0 kJ/mol.

Herstellung

Aluminiumnitridpulver kann carbothermisch aus Aluminiumoxid, Kohlenstoff im Überschuss sowie Stickstoff oder Ammoniak hergestellt werden. Diese Reaktion erfolgt ab 1600 °C:

2 Al₂O₃ + 9 C + 4 NH₃ → 4 AlN + 3 CH₄ + 6 CO

Al₂O₃ + 3 C + N₂ → 2 AlN + 3 CO

Ein weiterer Herstellungsweg ist die Direktnitridierung. Dabei werden metallisches Aluminium- oder Aluminiumoxidpulver ab 900 °C mit N₂ oder NH₃ umgesetzt:

2 Al + N₂ → 2 AlN

Al₂O₃ + 2 NH₃ → 2 AlN + 3 H₂O.

Struktur und physikalische Eigenschaften

Aluminiumnitrid ist brennbar, aber schwer entzündbar, und besitzt einen ammoniakartigen Geruch. Es kristallisiert in der Wurtzit-Struktur mit der hexagonalen Raumgruppe P6₃mc (Raumgruppen-Nr. 186). Die Aluminiumatome bilden eine dichteste Kugelpackung auf einem hexagonalen Gitter; Stickstoffatome besetzen die Hälfte der tetraedrischen Lücken dieses Gitters.

Die Gitterkonstanten sind a = 311,0 pm und c = 498,0 pm. 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 liegt der Schmelzpunkt über 2200 °C, ab 2400 °C zersetzt sich die Verbindung. Die Härte nach Mohs beträgt 9.

AlN zeigt einen piezoelektrischen Effekt: Bei mechanischer Verformung kann eine elektrische Spannung entstehen. Dies wird beispielsweise für Filter von Mikrowellensignalen in Smartphones genutzt.

Reaktionen mit Wasser und Lauge

Aluminiumnitridpulver ist stark hydrolyseempfindlich. In Wasser wird es unvollständig in Aluminiumhydroxid und Ammoniak gespalten. Gesinterte Keramik aus Aluminiumnitrid ist dagegen nicht hydrolyseempfindlich.

In Natronlauge zersetzen sich sowohl Pulver als auch gesinterte Keramik. Dabei entstehen Ammoniak und eine Aluminatlösung:

AlN + NaOH + 3 H₂O → NH₃ + Na[Al(OH)₄].

Aluminiumnitridkeramik und Anwendungen

Aluminiumnitridkeramik wird üblicherweise bei etwa 1800 °C drucklos gesintert. Durch geeignete Sinteradditive erfolgt Flüssigphasensintern. Als Standardverfahren hat sich weitgehend die Dotierung mit Calcium- und Yttriumoxid durchgesetzt.

AlN-Keramik besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit von 180 W/(m·K). Sie eignet sich deshalb für Bauteile, bei denen viel Wärme abgeführt werden muss, der Werkstoff aber elektrisch nicht leitend sein darf. Sie wird vor allem als Substratwerkstoff in der Leistungselektronik verwendet.

Industriell wird Aluminiumnitrid außerdem als Dünnschicht durch physikalische Abscheideverfahren (PVD), Sputtern oder metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) gewonnen.