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Über dieses Buch

Der Schwerpunkt dieses Lehrbuchs liegt auf elektronischen Materialien (Leiter, Dielektrika, anorganische und organische Halbleiter) und deren Anwendungen. Physikalische Grundlagen werden bei den allgemeinen Anwendungen beschrieben und Unterkapitel bieten Vertiefung anhand spezieller Anwendungen. Eine Gegenüberstellung von Fachbegriffen auf deutsch und auf englisch bereiten die Lernenden auf das Verstehen wissenschaftlicher Fachpublikationen vor. Fragenkomplexe ermöglichen die eigenständige Überprüfung des Kenntnisstands.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Allgemeine Grundlagen der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik

Zusammenfassung
Dieses erste Kapitel soll den Leser mit den notwendigen fachlichen Grundlagen vertraut machen, der bisher kaum mit Fragen der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik in Berührung gekommen ist. Es handelt sich um Basisinformationen, die dem eigentlichen Grundthema des Buches Materialien der Elektronik und Energietechnik im weitesten Sinne zugrunde liegen. Dazu zählt zum einen das Themengebiet Aufbau der Materie, das im Buch als bekannt vorausgesetzt wird. Zum anderen werden die Grundlagen der mechanischen Eigenschaften der Materie erläutert, welche in jeder elektrotechnischen Anwendung implizit von großer Bedeutung sind. Neben der mechanischen Festigkeit der Werkstoffe muss in elektronischen Bauteilen beispielsweise die thermische Längenausdehnung an jeder Material-Material-Grenzfläche beachtet werden.
Peter Wellmann

2. Leiter und Metalle

Zusammenfassung
Vergleicht man die unterschiedlichen Werkstoffe Metalle, Halbleiter und Isolatoren, fällt auf, dass die Leitfähigkeit eine Bandbreite aufweist, wie bei keiner anderen Materialeigenschaft über mehr als 20 Größenordnungen (vgl. Abb. 2.1). Der Ursprung begründet sich in der Bandstruktur der verschiedenen Materialien.
Peter Wellmann

3. Halbleiter

Zusammenfassung
In der Elektrotechnik unterscheidet man zwischen aktiven und passiven elektronischen Bauelementen. Unter passiven Bauelementen versteht man elektrische Widerstände, Kondensatoren (bzw. Kapazitäten) und Spulen (bzw. Induktivitäten). Ihre elektrischen Eigenschaften sind zeitlich konstant und können bestenfalls durch das Verschieben mechanischer Elemente (z. B. regelbare Widerstände (= Potenziometer) und regelbare Kondensatoren) angepasst werden. Unter aktiven Bauelementen versteht man solche, die eine nicht-lineare Strom-Spannungskennlinie aufweisen und Schaltfunktionen übernehmen. Dazu zählen insbesondere Dioden (elektrische Gleichrichterfunktion von Wechselströmen) und Transistoren (elektronische Schalter), welche sich Halbleitermaterialien zunutze machen. Im Falle der Dioden stehen neben der „klassischen“ Gleichrichterfunktion die Lichtabsorption (Photodiode und Solarzelle) und die Lichtemission (Laser- und Leuchtdiode) im Vordergrund. Halbleiter nehmen mit ihren vielfältigen Anwendungsgebieten die zentrale Rolle bei den Materialien der Elektronik und Energietechnik ein. Um diesem Umstand gerecht zu werden, behandelt Kap. 3 ausführlich vier Halbleiterklassen und deren Anwendungsgebiete. Abschn. 3.1 widmet sich dem Halbleitermaterial Silizium, welches die schaltende Elektronik und Mikroelektronik dominiert. Neben der Herstellung des Halbleitermaterials Silizium wird die Dotierung des Materials und die Anwendung in bipolaren und unipolaren elektronischen Schaltbauelementen erörtert. Abschn. 3.2 behandelt die Verbindungshalbleiter und deren Einsatz in Leucht- und Laserdioden. Ergänzend wird auf Anwendungen in schnellschaltenden und leistungsstarken Transistoren eingegangen. Abschn. 3.3 befasst sich mit polykristallinen und amorphen Halbleitern, wie sie häufig in Solarzellen und Dünnschichttransistoren zum Einsatz kommen. Eine vergleichsweise neue Materialklasse bilden die in Abschn. 3.4 vorgestellten organischen Halbleiter, welche für großflächige, mittels nasschemischer Druckverfahren prozessierte, elektronische Bauelementanwendungen von großem Interesse sind. Vier Tafeln zu den Themenkomplexen Ladungsträgerstatistik im Halbleiter (Tafel A), Bandstruktur (Tafel B), Solarzellen (Tafel C) und Grundzüge der Si-Halbleitertechnologie (Tafel D) vertiefen die naturwissenschaftlichen und technologischen Grundlagen.
Peter Wellmann

4. Graphen und weitere Kohlenstoffallotrope

Zusammenfassung
Mit Graphen bezeichnet man eine dünne, zwei-dimensionale Kohlenstoffschicht, die aus nur einer Lage (Monolage), hexagonal miteinander verbundener Atome besteht (Abb. 4.1). Graphen weist einige besondere physikalische Eigenschaften auf: Eine extrem große Ladungsträgermobilität, eine hohe optische Transparenz, ein chemisch inertes Verhalten, eine große mechanische Stabilität und eine verschwindend kleine Gaspermeabilität. Eine ideale, unendlich ausgedehnte Graphen-Schicht zeigt metallisches Verhalten. Unter besonderen Randbedingungen bildet sich eine elektronische Bandlücke mit halbleitenden Materialeigenschaften aus. Graphen gilt als eines der vielversprechendsten neuen elektronischen Materialien mit zahlreichen Anwendungen in der (Mikro-)Elektronik, Optoelektronik, Batterie- und Brennstoffzellentechnologie, um nur einige Bereiche zu nennen. In Abschn. 4.1.3 wird gezeigt, dass sich ein-dimensionale Kohlenstoffnanoröhren und null-dimensionale Kohlenstoffbälle ebenfalls von Graphen ableiten lassen.
Peter Wellmann

5. Isolatoren und Dielektrika

Zusammenfassung
Die beiden Begriffe Isolatoren und Dielektrika kennzeichnen die gleiche Materialklasse und heben lediglich unterschiedliche physikalische Eigenschaften hervor. Isolatoren sollen in erster Linie den elektrischen Stromfluss unterbinden. Dielektrika spielen in Kondensatoren und in der kapazitiven Kopplung metallischer Leiter eine zentrale Rolle.
Peter Wellmann

6. Supraleiter

Zusammenfassung
Die Entdeckung des Phänomens der Supraleitung geht auf den holländischen Wissenschaftler Heike Kamerlingh Onnes zurück, der sich zu Beginn des 20. Jahrhunderts mit der Erforschung temperaturabhängiger elektrischer Eigenschaften von Leitern beschäftigte. Die Forschungsarbeiten wurden möglich, weil K. Onnes im Jahr 1908 die technische Verflüssigung von Helium gelungen war. Helium weist unter Normalbedingungen (Raumdruck) eine Verflüssigungstemperatur von 4,2 K auf, welche in der superfluiden Phase (Unterdruck) sogar auf deutlich unter 2 K gesenkt werden kann. Damit stand erstmals der Weg offen, die Eigenschaften von Werkstoffen bei sehr tiefen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt zu untersuchen. Im Jahr 1911 beobachtete K. Onnes ein anomales Verhalten im temperaturabhängigen Verlauf des Metalls Quecksilber. Unterhalb der Temperatur von 4,1 K fiel der spezifische Widerstand sprunghaft auf den Wert Null und erreichte den sogenannten supraleitenden Zustand. Für die Entdeckung der metallischen Supraleitung wurde K. Onnes im Jahr 1913 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Ein weiterer Meilenstein in der Supraleiterforschung gelang den beiden Forscher K. Bednorz und A. Müller, die im Jahr 1986 zum ersten Mal Hochtemperatur-Supraleitung an keramischen Perowskit-Strukturen nachwiesen und dafür im Jahr 1987 ebenfalls den Nobelpreis für Physik erhielten.
Peter Wellmann

7. Magnetische Materialien

Zusammenfassung
Der Begriff Magnet wird erstmals um 400 v. Chr. im damaligen Griechenland erwähnt. In der Antike trugen eine Halbinsel in Thessalien und eine Stadt in Ionien und Lydien (heutige Westtürkei) den Namen Magnesia. Magnes ist darüber hinaus ein Männername. Die Stadt Herakleia im Gebiet Lydien gilt als erster bekannter Fundort des Magnetsteins (Magnetit, Fe3O4). Einer Erzählung zufolge soll seine anziehende Wirkung auf Eisen einem Wanderer aufgefallen sein, der dies beim Beschreiten des Magnetsteinbodens mit seinen mit Eisennägeln befestigten Schuhsolen bemerkte. Bis in das 17. Jahrhundert hinein blieben Naturmagnete die einzige Quelle der magnetischen Kraft (Literatur: Geschichte des Magnetismus – Albert Kloss, VDE-Verlag).
Peter Wellmann

8. Thermoelektrika

Zusammenfassung
Der thermoelektrische Effekt beschreibt den Zusammenhang zwischen elektrischer Potenzial- und Temperaturdifferenz und zwischen elektrischer Stromdichte und Wärmestromdichte in einem Material. Je nach Anwendung macht man sich bei der Beschreibung der thermoelektrischen Vorgänge die Phänomene des Seebeck-, Peltier- und Thomson-Effektes zunutze. In thermoelektrischen, elektrotechnischen Anwendungen spielen die Kontaktstelle zweier unterschiedlicher Metalle und die sich ausbildende Kontaktspannung eine wichtige Rolle. Auf der Materialseite stehen neben Metallen vor allem hochdotierte Halbleiter im Vordergrund.
Peter Wellmann

9. Materialien für Batterie-, Brennstoffzellen- und Wasserspaltung-Technologien

Zusammenfassung
Eine Reihe von Anwendungen in der Elektro- und Energietechnik, wie Batterien, Brennstoffzellen und Technologien zur Wasserstoffgeneration aus Wasser beziehen interdisziplinäre Prozesse ein. An der Grenzfläche zwischen elektronischen Materialien und Elektrolyten bestimmen elektrochemische Vorgänge die Bauelementfunktion. Dies stellt nicht nur an die Korrosionsbeständigkeit der eingesetzten Materialien besondere Anforderungen. Um die Funktionalität sicherzustellen, müssen darüber hinaus auch die chemischen Potenziale, also die Fermi-Energie im Festkörper und die Redox-Potenziale der beteiligten chemischen Komponenten, aufeinander abgestimmt sein. Im Folgenden werden, ausgehend von der grundlegenden Bauelementfunktion, typische Materialsysteme von Batterien, Brennstoffzellen und elektrochemischen Zellen zum Spalten von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff vorgestellt und deren materialwissenschaftlichen Fragestellungen diskutiert.
Peter Wellmann

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