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Materialien umfassen zunächst
alles außer Vakuum. In der Regel konzentrieren wir uns auf halbwegs
homogene Materialien, aber auch für viele Kombinationen halbwegs homogener
Materialien. Die Hauptgruppen sind: |
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Gase und
Plasma ( ionisiertes Gas) Ohne Plasmatechnik keine
Mikroelektronik - trotzdem lassen wir das hier weg. |
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Spannend. sind auch
Zwischenformen:
- Schleim = Biologie.
- "Flüssigkristalle", Festkörper"elektrolyte",
..
- Schmelzen von Metallen und Halbleitern wie Si
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Flüßigkeiten. Können im Zentrum
der MaWi stehen (z.B. die "Flüssigkristalle"), lassen wir
hier aber weitestgehend weg. Materialwissenschaftler, die bevorzugt mit
Flüssigkeiten und Gasen arbeiten, kennt man auch unter dem Begriff
"Chemiker". |
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Feststoffe oder
Festkörper. |
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Festkörper = primäres Thema dieser
Vorlesung |
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Festkörper gibt's
in zwei Extremen:
- Anordnung der beteiligten Atome / Moleküle ist in perfekter Ordnung =
perfekter Kristall. In der Nähe dieses
Extrems kommen manche Edelsteine, z. B. der der Diamant, und das für die
Mikrolektronik benötigte Silizium.
- Anordnung der beteiligten Atome / Moleküle in perfekter Unordnung.
Diesem Extrem kommen manche amorphe Gläser und viele Kunststoffe =
Polymere nahe.
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Der typische
Festkörper liegt irgendwo zwischen den Extremen, ist aber eher halbwegs
ordentlich aufgebaut als vollständig unordentlich. |
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| Mögliche
Anordnung von SiO2 "Molekülen". Einmal in
perfekter Ordnung = Quarz Kristall ("Bergkristall"), einmal in
"perfekter" Unordnung = Glas. Ein bißchen "Dreck",
hier Na, hilft oft um die Dinge unordentlicher zu machen. |
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Die Bilder erlauben eine
erste Definition von Ordnung - Unordnung: |
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Wieviel bits braucht man
zur Beschreibung? Perfekte Ordnung = kleinstmögliche Anzahl. Beim
perfekten Kristall reicht es z. B. zu konstatieren: setze Baublock (=
SiO2 Molekül) auf Koordinate (0, 0, 0).
Wiederhole auf Koordinaten a · (h, k, l), a =
Abstand, h,k,l = Integers. Für perfekte Unordnung: müssten wir
dagegen einen Satz von N Vektoren (N = Zahl der
Atome). angeben. |
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Das Thema hier werden
überwiegend die nicht so ganz perfekten Kristalle sein |
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Einkristall
Perfekter Kristall (vorausgesetzt man extrapoliert das Bild ins Unendliche).
Oberfläche = Imperfektion. Halbwegs typisch für bestes Si |
Polykristall
Poly-Kristall, aus (Kristall)
Körnern mit diversen Defekten
oder Kristallbaufehlern. Halbwegs typisch für alle Gebrauchsmetalle
etc. |
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Wichtig
ist jetzt der folgende Merkspruch: |
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Merke
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- Die meisten bekannten Materialien außerhalb der Welt der Biologie und
der "Kunststoffe" sind Kristalle mit diversen Defekten, auch
Kristallbaufehler genannt.
- Kristallbaufehler bestimmen viele Eigenschaften der Materialien
- Kristallbaufehler ermöglichen "Materials Engineering" und
machen deshalb Materialien interessant
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Der 2. Punkt
erklärt nebenbei das Rätsel aus Modul 1.1.1: Warum können Eigenschaften bei
gleicher Chemie verschieden sein? Anwort: Die Art und Zahl der Defekte ist
verschieden! |
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Besonders spannend
(für Materialwissenschaftler) sind natürlich die Absonderlichkeiten,
die nicht ins Schema passen, wie z.B. die amorphen Metalle oder Dinge wie
"Quasikristalle", die
wir hier aber ignorieren. |
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Hier mal einige wichtige Kristalle für die
Elektrotechnik: |
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| Wichtige Kristalle in der
Elektrotechnik |
| Halbleiter |
Metalle / Leiter |
Sonstige |
Si, GaAs, InP, GaP, GaN,
Ge, ...
"CIS" (CuInSe2), CdTe, ...
SnO2, ZnO, ... |
Cu, Al, Ag (Legierungen)
für "Drähte"
Au, W, Ta, ... für spezielle Bauelemente
Fe, Ni, Co (Legierungen); Co5Sm,
Nd2Fe14B , ... für "magnetische"
Anwendungen.
TaSi2, NiSi2, .. für Chips
ITO (Indium -Tin-Oxide"), ... |
Dielektrika
Ferroelektrika
Piezomaterialien
"Schwingquarze"
Materialien für Widerstände, Heizer (z.B. MoSi2
oder Graphit)
Glimmer (?)
Supraleiter, insbesondere die Abkömmlinge von
YBa2CuO7 (Yttrium - Barium - Kupfer -
Oxid; ein paradigmatisches Material! |
| Wichtige amorphe Materialien in der
Elektrotechnik |
| Halbleiter |
Kunststoffe |
Sonstige |
Amorphes Si (Solarzellen)
Organische Halbleiter ("OLED") |
PVC, Teflon, ...
Isolation und "low e"
Leitende Polymere |
Photolacke ("Resists")
für Chip- und Platinenherstellung.
Glas ("Bildröhre")
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© H. Föll (MaWi für ET&T - Script)
