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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. | |
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 = Quarzkristall ("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 vs. 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 in der Vorlesung 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 kristallinen 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 (und
Legierungen davon) sowie Co5 Sm, 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 YBa2
Cu3O7-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)
