Aluminiumnitrid

Kristallstruktur
Struktur von Aluminiumnitrid
Vorlage:Farbe Al3+ 0 Vorlage:Farbe N3−
Allgemeines
Name	Aluminiumnitrid
Verhältnisformel	AlN
Kurzbeschreibung	weißer pulverförmiger Feststoff<ref name="GESTIS" />
Externe Identifikatoren/Datenbanken
CAS-Nummer Vorlage:CASRN EG-Nummer 246-140-8 ECHA-InfoCard 100.041.931 PubChem 90455 ChemSpider 81668 DrugBank Wikidata [[:d:|]]
Eigenschaften
Molare Masse	40,99 g·mol−1
Aggregatzustand	fest<ref name="GESTIS" />
Dichte	3,26 g·cm−3<ref name="GESTIS" />
Schmelzpunkt	> 2400 °C (Zersetzung)<ref name="GESTIS" />
Löslichkeit	bei Kontakt mit Wasser allmähliche Hydrolyse unter Ammoniakbildung<ref name="GESTIS" />
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung<ref name="GESTIS">Eintrag zu Vorlage:Linktext-Check in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFAVorlage:Abrufdatum (JavaScript erforderlich)</ref> Gefahrensymbol Gefahrensymbol Achtung H- und P-Sätze H: 373​‐​410 P: 260​‐​270​‐​273<ref name="GESTIS" />
Thermodynamische Eigenschaften
ΔHf0	−318,0 kJ/mol<ref name="CRC90_5_5">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.</ref>
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.<ref>J. Li, K. B. Nam, M. L. Nakarmi, J. Y. Lin, H. X. Jiang: Band structure and fundamental optical transitions in wurtzite AlN. In: Applied Physics Letters. Band 83, Nr. 25, 2003, S. 5163–5165, doi:10.1063/1.1633965. </ref> Die Bandlücke beträgt bei Raumtemperatur <math>E_\mathrm{Gap}=6{,}015\,\text{eV} </math>.<ref>Martin Feneberg, Robert A. R. Leute, Benjamin Neuschl, Klaus Thonke, Matthias Bickermann: High-excitation and high-resolution photoluminescence spectra of bulk AlN. In: Physical Review B. Band 82, Nr. 7, 2010, S. 075208, doi:10.1103/PhysRevB.82.075208. </ref>

Geschichte

Die Existenz der Verbindung wurde erstmals im Jahr 1862 von den deutschen Chemikern Friedrich Briegleb und Johann Georg Anton Geuther beschrieben.<ref name="Soukup_anorg">Rolf Werner Soukup: Chemiegeschichtliche Daten anorganischer Substanzen, Version 2020, S. 6 (PDF).</ref><ref name="Briegleb">F. Briegleb; J. G. A. Geuther: Ueber das Stickstoffmagnesium und die Affinitäten des Stickgases zu Metallen in Ann. Chem. Pharm. 123 (1862) 228–241.</ref> Dem irischen Chemiker John William Mallet gelang die Darstellung des Reinstoffs 1876.<ref name="Mallet">J. W. Mallet: On aluminum nitride, and the action of metallic aluminum upon sodium carbonate at high temperatures. In: J. Chem. Soc. Bd. 30, 1876, S. 349–354, doi:10.1039/JS8763000349.</ref>

Synthese

Aluminiumnitridpulver lässt sich aus Aluminiumoxid, Stickstoff bzw. Ammoniak und Kohlenstoff im Überschuss bei einer Temperatur ab 1600 °C in einer carbothermischen Reaktion darstellen:

<math>\mathrm{2 \ Al_2O_3 + 9 \ C + 4 \ NH_3 \longrightarrow 4 \ AlN + 3 \ CH_4 + 6 \ CO}</math>

<math>\mathrm{Al_2O_3 + 3 \ C + N_2 \longrightarrow 2 \ AlN + 3 \ CO}</math>

Ein weiterer Weg ist die Direktnitridierung. Bei dieser Syntheseart wird metallisches Aluminium- bzw. Aluminiumoxidpulver bei Temperaturen ab 900 °C mit N₂ oder NH₃ zu AlN umgesetzt:

<math>\mathrm{2 \ Al + N_2 \longrightarrow 2 \ AlN}</math>

<math>\mathrm{Al_2O_3 + 2 \ NH_3 \longrightarrow 2 \ AlN + 3 \ H_2O}</math>

Eigenschaften

Datei:Aluminium Nitride.jpg

Aluminiumnitrid

Aluminiumnitrid ist ein weißer, brennbarer, aber schwer entzündbarer pulverförmiger Feststoff mit ammoniakartigem Geruch, der sich in Wasser zersetzt.<ref name="GESTIS" /> Er kristallisiert in der Wurtzit-Struktur mit der hexagonalen Raumgruppe P6₃mc (Raumgruppen-Nr. 186)Vorlage:Raumgruppe/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 = 311,0 pm und c = 498,0 pm.<ref>Heinz Schulz, K. H. Thiemann: Crystal structure refinement of AlN and GaN. In: Solid State Communications. Band 23, Nr. 11, 1977, S. 815–819, doi:10.1016/0038-1098(77)90959-0. </ref><ref>P. Motamedi, K. Cadien: Structural and optical characterization of low-temperature ALD crystalline AlN. In: Journal of Crystal Growth. Band 421, 2015, S. 45–52, doi:10.1016/j.jcrysgro.2015.04.009. </ref> Die Dichte 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. Unter Stickstoffatmosphäre besitzt es einen Schmelzpunkt von über 2200 °C und eine Härte nach Mohs von 9. Ab 2400 °C zersetzt sich die Verbindung.<ref name="GESTIS" />

AlN zeigt einen piezoelektrischen Effekt und findet beispielsweise bedeutende Anwendung in der Herstellung von Filtern für Mikrowellensignale in Smartphones.

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:

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

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.<ref>Ruixian Yu, Guangxia Liu, Guodong Wang, Chengmin Chen, Mingsheng Xu, Hong Zhou, Tailin Wang, Jiaoxian Yu, Gang Zhao, Lei Zhang: Ultrawide-bandgap semiconductor AlN crystals: growth and applications. In: Journal of Materials Chemistry C. Band 9, Nr. 6, 2021, S. 1852–1873, doi:10.1039/D0TC04182C. </ref>

Weblinks

• Physikalische Daten, Ioffe-Institut St.Petersburg (engl.)

Einzelnachweise

<references />