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Aluminiumnitrid
Aus Fotonexus.
| Strukturformel | ||||||||||||
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| Keine Strukturformel vorhanden | ||||||||||||
| Allgemeines | ||||||||||||
| Name | Aluminiumnitrid | |||||||||||
| Andere Namen | keine | |||||||||||
| Summenformel | AlN | |||||||||||
| CAS-Nummer | 24304-00-5[1] | |||||||||||
| Kurzbeschreibung | hellgraues Pulver | |||||||||||
| Eigenschaften | ||||||||||||
| Molmasse | 40,99 g/mol[1] | |||||||||||
| Aggregatzustand | fest | |||||||||||
| Dichte | 3,26 g/cm3[1] | |||||||||||
| Schmelzpunkt | 2150-2200 °C[1] | |||||||||||
| Siedepunkt | nicht bestimmt[1] | |||||||||||
| Dampfdruck | nicht bestimmt[1] (-) | |||||||||||
| Löslichkeit |
bei Kontakt mit Wasser Entstehung giftiger Gase[1] | |||||||||||
| Sicherheitshinweise | ||||||||||||
| Gefahrstoffkennzeichnung | ||||||||||||
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| R- und S-Sätze | R: Vorlage:R-Sätze[1] | |||||||||||
| S: Vorlage:S-Sätze[1] | ||||||||||||
| weitere Sicherheitshinweise | ||||||||||||
| MAK | - | |||||||||||
| Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen. | ||||||||||||
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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 Mr 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.
Inhaltsverzeichnis |
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:
- Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): \mathrm{2Al_2O_3 + 9C + 4NH_3 \to 4AlN + 3CH_4 + 6CO}
- Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): \mathrm{Al_2O_3 + 3C + N_2 \to 2AlN + 3CO}
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:
- Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): \mathrm{2Al + N_2 \to 2AlN}
- Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): \mathrm{Al_2O_3 + 2 NH_3 \to 2AlN + 3H_2O}
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:
- Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): \mathrm{AlN + NaOH + 3H_2O \to NH_3 + Na[Al(OH)_4]}
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 x 10-6 (RT bis 1850°C)
- spezifische Wärme: 0,738 J/gK
- Wärmeleitfähigkeit: 180 bis 220 W/mK
Quellen
Weblinks
- Physikalische Daten, Ioffe-Institut St.Petersburg, engl.
- http://www.sinteropt.de/
- http://www.anceram.de/
- http://www.ceramtec.de/
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