Aluminiumnitrid: Der „Wunder“-Wärmeleiter und sein Platz in der Technologie von morgen

Aluminiumnitrid gilt aus mehreren Gründen als Wunder-Wärmeleiter. Es handelt sich um ein futuristisches Material, dessen Potenzial weitgehend unerforscht scheint. Seit seiner Entdeckung wurde das Potenzial dieser Verbindung über ein Jahrhundert lang verschlafen. Glücklicherweise hat uns die Forschung geholfen, die vielversprechenden Möglichkeiten dieses einzigartigen Materials zu nutzen.

Geräte auf Aluminiumnitridbasis revolutionieren bereits die Energieversorgung, Nanotechnologie-Mikrochips, die Stahlherstellung und HF-Anwendungen. Mit weiterer Forschung ist ein weiterer Aufwärtstrend möglich.

Was ist Aluminiumnitrid?

Aluminiumnitrid ist eine ionische Verbindung, die durch die Verbindung von Aluminium, einem Metall, und Stickstoff, einem Nichtmetall, entsteht. Die Verbindung entsteht durch Elektronenübertragung vom Metall auf das Nichtmetall. Aluminium gibt seine drei äußeren Elektronen an Stickstoff ab, wodurch eine stabile Verbindung entsteht. Das Material weist eine Wurtzitphase auf, daher seine Halbleiterfähigkeit mit großer Bandlücke.

Lewis-Struktur von Aluminiumnitrid

Aluminium gehört zur Gruppe 13 des Periodensystems, Stickstoff zur Gruppe 15. Das bedeutet, dass Aluminium drei kovalente (freie) Elektronen besitzt, Stickstoff hingegen fünf. Als Nichtmetall in einer ionischen Verbindung benötigt Stickstoff acht Elektronen in seiner äußeren Schale. Damit bildet er eine stabile Verbindung, die Edelgasen ähnelt.

Da Aluminium genau die gleiche Anzahl an Elektronen besitzt wie Stickstoff, verbinden sich die beiden im Verhältnis 1:1. Das bedeutet, dass zur Bildung von Aluminiumnitrid (AlN) nur ein Aluminium- und ein Stickstoffatom benötigt werden.

Da Stickstoff drei freie Elektronen von Aluminium erhält, besitzt er eine 3-ve Ionenladung (N3-). Aluminium besitzt eine 3+ Ladung für die Abgabe seiner drei äußeren Elektronen (Al3+). Die Lewis-Struktur der Verbindung ist wie folgt:

Dielektrizitätskonstante von AlN

Bevor wir uns mit dem Konzept der Dielektrizitätskonstante befassen, sollten Sie Aluminiumnitrid als dielektrisches Material verstehen. Wir alle wissen, dass AlN eine elektrisch isolierende Keramik ist. Was Sie jedoch vielleicht nicht wissen, sind seine umfangreichen Anwendungen als dielektrisches Material in der Piezoelektronik, Mikroelektronik usw.

Was macht Aluminiumnitrid zu einem dielektrischen Material? Was bedeutet das überhaupt?

Das Wort „Dielektrikum“ setzt sich aus den beiden griechischen Wortwurzeln „dia“ und „elektrisch“ zusammen. „dia“ bedeutet „durchdringend“, „elektrisch“ hingegen „elektrisches Feld“. Die eigentliche Bedeutung von „Dielektrikum“ ist also ein Material, das elektrische Felder durchlässt.

Ein elektrisches Feld (E-Feld) ist ein Bereich, der elektrisch geladene Teilchen umgibt. Platziert man eine Ladung, beispielsweise p, in einem elektrischen Feld, erfährt sie eine Kraft, die der Feldstärke multipliziert mit p entspricht, also F = pE.

Wenn ein Metallleiter in ein elektrisches Feld gebracht wird, können sich die darin enthaltenen Elektronen frei bewegen. Die positiven Ladungen bewegen sich zu einem Ende des Metallstücks, die negativen Ladungen zur gegenüberliegenden Seite. Dadurch entsteht ein elektrischer Dipol, der ein neues elektrisches Feld (E') erzeugt, das dem ursprünglichen elektrischen Feld (E) entgegenwirkt.

Das neue elektrische Feld bildet sich weiter, bis die Ladungen nicht mehr fließen und ein Gleichgewicht erreicht ist. Mithilfe der resultierenden Feldformel Er = E - E' ermitteln Sie die Differenz zwischen dem ursprünglichen und dem neuen elektrischen Feld. Beispielsweise ergibt E - E' Null, da die beiden Kräfte gleich groß sind.

Da das resultierende Feld Null ist, schlussfolgern wir, dass ein elektrischer Leiter elektrische Felder hemmt.

Wie bereits erwähnt, ist Aluminiumnitrid als dielektrisches Material ein Isolator. Bei Einwirkung eines elektrischen Feldes können sich die Ladungen im dielektrischen Material nicht oder nur geringfügig bewegen. Die Fähigkeit eines Atoms, sich in einem elektrischen Feld zu polarisieren, hängt von seiner Atomstruktur ab. Das bedeutet, dass eine gute Atom- oder Molekülstruktur eine höhere Dielektrizitätskonstante ergibt.

Die Dielektrizitätskonstante von Aluminiumnitrid liegt zwischen 8,3 und 9,3. Sie gibt die in Aluminiumnitrid in einem elektrischen Feld gespeicherte Energiemenge an. Sie möchten wissen, wie viel der gespeicherten Energie in Wärme umgewandelt werden kann und wie Aluminiumnitrid auf hohe Temperaturen reagiert. Der Schmelzpunkt von Aluminiumnitrid liegt bei bis zu 2.200 °C bzw. 3.990 °F. Daher zersetzt es sich im Vakuum bei 1.800 °C (3.270 °F).

Chemische Eigenschaften von Aluminiumnitrid

Die chemische Formel für Aluminiumnitrid lautet AlN, wobei Al für Aluminium und N für Nitrid steht. Aluminiumnitrid wird oft verwechselt mit AluminiumnitratObwohl AlN eine Form von Aluminiumnitrat ist, unterscheiden sich die beiden Verbindungen stark. AlN hat die Oxidationsstufe -3, während Aluminiumnitrat ein Ester der Salpetersäure ist. Die chemische Formel der letztgenannten Verbindung lautet Al(NO₃)₃.

Synthese von Aluminiumnitrid

Aluminiumnitrid entsteht durch zwei Prozesse. Einer umfasst die direkte Nitrierung von Aluminium, der andere hängt von verschiedenen Faktoren ab. Der zweite Prozess beinhaltet die carbothermische Reduktion von Aluminiumoxid. AlN dissoziiert bei Temperaturen über 2.500 °C. Da das Material eine Dichte von 3,26 g/cm3 hat, dissoziiert es oberhalb dieser Temperatur, anstatt zu schmelzen.

Sintern ist auch mit flüssigkeitsbildenden Additiven wie CaO oder Y2O3 möglich. Zur Herstellung verschiedener Aluminiumnitridteile kommen verschiedene Verarbeitungsverfahren zum Einsatz, wie beispielsweise Trockenpressen und kaltisostatisches Pressen. Weitere Verarbeitungsmethoden sind Keramikspritzguss, Präzisionsbearbeitung, Foliengießen und Niederdruckspritzguss.

Aluminiumnitrid wird von starken Säuren und Alkalikörnern angegriffen. Es ist jedoch beständig gegen Angriffe durch geschmolzene Metalle wie Lithium und Kupfer sowie geschmolzene Salze wie Kryolith und Chlorid. Zudem wird seine Pulverform leicht durch Wasser und Feuchtigkeit hydrolysiert. Mit seinem hohen Volumenwiderstand weist AlN eine für ein Keramikmaterial hohe Wärmeleitfähigkeit und hohe Durchschlagfestigkeit auf.

Thermische und elektrische Eigenschaften von Aluminiumnitrid

Aluminiumnitrid zeichnet sich durch seine hohe Wärmeleitfähigkeit aus. Es weist zudem eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf und ist ein hervorragender elektrischer Isolator. In Kombination mit dem hohen Volumenwiderstand ist AlN ein gefragtes Material in der Mikroelektronik und wird als Substrat verwendet.

In Bezug auf die Wärmeleitfähigkeit steht AlN nach Berylliumoxid an zweiter Stelle. Bei mittleren Temperaturen (ca. 200 °C) weist es jedoch eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Kupfer auf.

AlN eignet sich für mikroelektronische Komponenten, die hohes Volumen und hohen Widerstand erfordern. In der Mikroelektronik eignen sich AlN-Substrate besser zur Kühlung als herkömmliche Keramiksubstrate. Daher werden sie als Kühlkörper und Wärmeträger eingesetzt.

In der Telekommunikation wird Aluminiumnitrid zur Herstellung von HF-Filtern für Telekommunikationsgeräte verwendet. Es dient auch als Isolator in Klemmringen, Lasern, Chiplets, Mikrowellengehäusen usw. AlN ist in Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Kohlendioxidatmosphären bis 980 °C stabil. Das Material wird auch in der Optoelektronik im tiefen Ultraviolettbereich eingesetzt.

Aufgrund der großen Bandlücke dieses hochleitfähigen Materials hat Aluminiumnitrid in der Optoelektronik die Nase vorn.

Abschluss

Der Platz von Aluminiumnitrid in der Technologie von morgen nimmt langsam Gestalt an. Die Vorteile des Materials in der Mikroelektronik, der Pyrotechnik und der Optoelektronik im tiefen Ultraviolettbereich sind unverzichtbar. Daher ist es ein Grund, sich auf das Abenteuer Aluminiumnitrid einzulassen und sich einen Platz in der Zukunft zu sichern.