1.1.2 Fokus auf Kristalle

Kristall = Ordnung

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:
   
Gase und Plasma ( ionisiertes Gas) Ohne Plasmatechnik keine Mikroelektronik - trotzdem lassen wir das hier weg.  
Spannend sind auch Zwischenformen:
  • Schleim = Biologie
  • "Flüssigkristalle", Festkörper"elektrolyte", ..
  • Schmelzen von Metallen und Halbleitern wie Si
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".  
Feststoffe oder Festkörper.
Festkörper = primäres Thema dieser Vorlesung
Festkörper gibt's in zwei Extremen:
  1. 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.
  2. Anordnung der beteiligten Atome / Moleküle in perfekter Unordnung. Diesem Extrem kommen manche amorphe Gläser und viele Kunststoffe = Polymere nahe.
Der typische Festkörper liegt irgendwo zwischen den Extremen, ist aber eher halbwegs ordentlich aufgebaut als vollständig unordentlich.
Kirstallin - amorph Vergleich
Mögliche Anordnung von SiO2-"Molekülen". Einmal in perfekter Ordnung = Quarzkristall ("Bergkristall"), einmal in "perfekter" Unordnung = Glas. Ein bißchen "Dreck", hier Na, hilft oft, um die Dinge unordentlicher zu machen.
Die Bilder erlauben eine erste Definition von Ordnung vs. Unordnung:
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.
Das Thema hier in der Vorlesung werden überwiegend die nicht so ganz perfekten Kristalle sein:
 
Perfekter Kristall Kristall mit Defekten
Einkristall
Perfekter Kristall (vorausgesetzt, man extrapoliert das Bild ins Unendliche). Oberfläche = Imperfektion. Halbwegs typisch für bestes Si.
Polykristall
Poly-Kristall, aus kristallinen Körnern mit diversen Defekten oder Kristallbaufehlern. Halbwegs typisch für alle Gebrauchsmetalle etc.
 
Wichtig ist jetzt der folgende Merkspruch:
Merke
  • 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.
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!
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.
Hier mal einige wichtige Kristalle für die Elektrotechnik:
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 (und Legierungen davon) sowie 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 YBa2Cu3O7-x (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&IT - Script)