Werkstoffe für die Elektrotechnik

Die Fortschritte in der Physik haben uns in der letzten Zeit einen tiefen Einblick in den Aufbau der Materie gewährt. Man hat erkannt, daß im wesentlichen die elektronische Struktur der Materie und die Bindungszustände verantwortlich sind für die mechanischen, elektrischen, magnetischen und optischen Eigenschaften der Werkstoffe. Das physikalische Verhalten submikroskopischer Teilchen wird also für die Werkstoffwissenschaft von grundlegender Bedeutung sein. Eine Beschreibung solcher mikrophysikalischer Systeme ermöglicht die Quantenmechanik. Wir wollen hier keinesfalls die Aufgabe vor uns sehen, die Quantenmechanik vollständig zu beschreiben. Wir wollen vielmehr bloß einige quantenmechanische Aspekte näher beleuchten und plausibel machen, die in unser Fachgebiet hereinspielen. Den grundsätzlichen Unterschied zwischen der klassischen Physik und der Physik der submikroskopischen Teilchen kann man schon an einem ganz einfachen Beispiel erkennen.

Substanzen, die man auf chemischem Wege nicht mehr weiter zerlegen kann, nennt man chemische Elemente, und die kleinste Einheit eines Elementes ist das Atom. In diesem Kapitel soll davon die Rede sein, wie Atome aufgebaut sind. Wir gehen vom Gedanken des Bohrschen Atommodells aus und lernen im Stern-Gerlach-Versuch eine für den Atombau wichtige Eigenschaft des Elektrons kennen, nämlich sein magnetisches Moment. Das am einfachsten gebaute Atom — das Wasserstoffatom — wird ausführlicher betrachtet, wir finden hier wesentliche Eigenschaften, die man auch bei den komplizierter gebauten Atomen wieder beobachten kann. Die Konfiguration der Elektronenhülle der verschiedenen Atome werden wir aus einem Energieschema deuten und wir werden erkennen, daß die chemischen Eigenschaften der Elemente ganz eng mit dem Bau der Elektronenschale zusammenhängen (Periodisches System).

Die Frage nach den Bindungskräften oder zwischenatomaren Kräften soll den Sachverhalt klären, warum die Atome im Molekül aneinander gebunden sind und warum die Atome und Moleküle der Festkörper und Flüssigkeiten aneinander haften. Wir werden in diesem Kapitel verschiedene Arten von Anziehungskräften kennenlernen (Ionenbindung, kovalente Bindung, metallische Bindung, van der Waalssche Kräfte), die weitgehend verantwortlich sind für das makrophysikalische Verhalten ganzer Werkstoffgruppen. Die zwischenatomaren Kräfte sind dabei einzig und allein elektrischer Natur, sie rühren her von der elektrostatischen Anziehung zwischen den positiv geladenen Atomkernen und den negativ geladenen Elektronen. Magnetische Kräfte oder Gravitationskräfte fallen hier überhaupt nicht ins Gewicht. Zwischenatomare Anziehungskräfte sind aber nicht die einzige Thematik, die uns hier beschäftigen wird. Wir haben im vorherigen Kapitel besprochen, daß im Atom die Masse im wesentlichen im Atomkern vereinigt ist. Vergleicht man aber den Durchmesser des Atomkerns (~ 10⁻¹⁵ m) mit dem Durchmesser des gesamten Atoms (~ 10⁻¹⁰ m), dann erkennt man, daß im Gesamtatom ungeheure Zwischenräume existieren müssen. Es ist also nicht nur die Frage der Anziehungskräfte zu diskutieren, sondern es ist hinsichtlich der Existenz der Zwischenräume auch zu überlegen, welche Kräfte es verhindern, daß die Atome einander durchdringen, wodurch die Materie in sich zusammenfallen würde. Wir werden daher auch sehr stark ausgeprägte Abstoßungskräfte kennenlernen, die in der Quantenmechanik begründet sind und die zu mehr oder minder definierten Atomradien führen.

In den vorangegangenen Kapiteln haben wir den Aufbau der Atome und die Wirkungsweise zwischenatomarer Kräfte kennengelernt. Die physikalische Erscheinungsform der Stoffe wird sehr wesentlich davon beeinflußt, in welchem Verhältnis die zwischenatomaren Kräfte und die thermischen Kräfte zueinander stehen. Als Konsequenz zeigt sich der Stoff in gasförmigem, flüssigem oder festem Aggregatzustand.

Kristalle sind ganz allgemein räumlich periodische Anordnungen von Atomen, Ionen oder Molekülen, die in dieser Struktur einen festen Körper bilden. Damit unterscheiden sich die Kristalle einerseits von den amorphen Stoffen, wo die Atome vollständig ungeordnet sind. Anderseits unterscheiden sich die Kristalle aber auch von den Gläsern und Flüssigkeiten, wo die Atome eine Ordnung zeigen, die sich bloß auf kleine Bereiche erstreckt (Nahordnung). Kristalle weisen hingegen eine Fernordnung auf, d. h. die räumlich periodische Anordnung der Atome erstreckt sich über Dimensionen, die sehr groß im Vergleich zu den Atomabständen sind.

Die Verwendung metallischer Werkstoffe reicht weit in die geschichtliche Vergangenheit zurück; Zeitepochen — wie die Bronzezeit oder die Eisenzeit — werden nach den hauptsächlich verwendeten Werkstoffen benannt. Aus der heutigen Zeit wären die Metalle nicht mehr wegzudenken; Elektrotechnik, Maschinenbau und Fahrzeugtechnik beruhen in ihren prinzipiellen Funktionen auf der Existenz der Metalle.

Eine ganze Reihe nichtmetallischer, anorganischer Werkstoffe hat in der Elektrotechnik eine große Bedeutung erlangt, weil die Besonderheit ihres Aufbaues und ihrer Struktur auf physikalische Eigenschaften führt, die von hohem technischen Interesse sind. Beispielsweise sind Elektroporzellan, Steatit und Glas für Isolierkörper in der Energietechnik unentbehrlich. Zementsorten verbinden über eine Hydratphase Keramik- und Metallteile. Asbest und Glimmer sind Bestandteile von Verbundwerkstoffen, die in der Hochspannungstechnik für hochwertige Isolierstoffe gebraucht werden. Für Isolierteile bei Hochtemperaturanwendungen werden fast reine Oxide (Magnesiumoxid, Zirkonoxid) benötigt. Metalloxid-Keramiksorten (Al₂O₃), ausgewählte Gläser und Saphirkristalle dienen als Substrate für die verschiedensten mikroelektronischen Technologien. Rubinkristalle werden als Laserwerkstoff eingesetzt. Keramische Spinellstrukturen zeigen ferrimagnetische Eigenschaften und werden als Magnetmaterial bei höchsten Frequenzen verwendet. Titanverbindungen und insbesondere Bariumtitanat sind Werkstoffe mit ausgeprägten ferroelektrischen Eigenschaften. Quarzscheiben zeigen einen piezoelektrischen Effekt und werden für Schwingquarze gebraucht. Gläser mit Silberionengehalt verändern ihre Durchsichtigkeit bei intensiver Lichtbestrahlung; Photonen verwandeln hierbei in reversibler Weise die Ag⁺-Ionen in metallisches Silber und bewirken auf diese Art die Abdunkelung des Glases. Alle Werkstoffe in diesen Beispielen sind nichtmetallisch anorganische Werkstoffe, deren Eigenschaften in ihrem inneren strukturellen Aufbau begründet sind. Die Wissenschaft von den nichtmetallisch anorganischen Werkstoffen faßt man insbesondere im englischsprachigen Raum unter dem Oberbegriff Keramik (keramische Phase) zusammen.

Mechanische Werkstoffeigenschaften stehen in der Elektrotechnik in vielfältiger Weise im Vordergrund des Interesses. Selten sind es die mechanischen Werkstoffeigenschaften allein, die in einem konkreten Anwendungsfall entscheidend sind, fast immer verlangt der Anwender bestimmte Kombinationen von mehreren Werkstoffeigenschaften. Zumeist sind mechanisch-thermische Eigenschaften dort entscheidend, wo der Werkstoff als rein maschinenbauliches oder feinwerktechnisches Konstruktionsmaterial verwendet wird. Mechanisch-thermische Eigenschaften sind im Bereich des Großgeneratorenbaues genauso wichtig, wie im Bereich der Mikroelektronik. Mechanisch-elektrische und mechanisch-magnetische Eigenschaften sind für uns natürlich von besonderer Bedeutung. Für Hochspannungsleitungen fordert man zum Beispiel einen Leiterwerkstoff, der eine hohe Zugfestigkeit bei hoher elektrischer Leitfähigkeit aufweist. Fußisolatoren für Antennenmaste sollen dagegen eine hohe Druckfestigkeit bei guten Isoliereigenschaften besitzen. Ein temperaturstabiler mechanischer Elastizitätsmodul ermöglicht in Verbindung mit dem piezoelektrischen Effekt den Aufbau frequenzstabiler elektrischer Filterkreise. Umgekehrt ermöglicht der Elastizitätsmodul und der Magnetostriktionseffekt die Konstruktion von Ultraschallgeneratoren. Mechanische Werkstoffeigenschaften sind für elektrotechnische Produkte also oft funktionsbestimmende Eigenschaften, sie sind es, die die Realisierung mancher Bauelemente erst möglich machen.

Führt man der Materie Wärme zu, dann kann man drei wichtige Phänomene beobachten: die Materie absorbiert Wärme und nimmt dabei eine höhere Temperatur an, die Materie dehnt sich bei Temperaturerhöhung aus und die Materie zeigt das Phänomen der Wärmeleitung. Wir wollen beleuchten, was man unter diesen Phänomenen versteht, wie man sie meßtechnisch registriert und wie man sie aus dem Aufbau der Materie heraus erklären kann. Tabellen und Schaubilder sollen einen Überblick über die Größenordnung der Werkstoffeigenschaften vermitteln.

Die elektrischen Werkstoffeigenschaften werden für die drei Werkstoffgruppen — die Halbleiter, die Metalle und die Dielektrika — gesondert besprochen. Hierdurch ist es möglich, jene elektrischen Eigenschaften hervorzuheben, die für die betreffende Stoffgruppe besonders typisch und für den technischen Einsatz besonders wichtig sind. Entsprechend der großen Bedeutung der Halbleiterbauelemente für die Elektrotechnik und im Hinblick auf das komplexe Verhalten dieser Werkstoffgruppe, werden die Werkstoffeigenschaften der Halbleiter relativ ausführlich zu behandeln sein. Das Phänomen der Elektrizitätsleitung läßt sich für Halbleiter, Metalle und Dielektrika durch ein gemeinsames Modell beschreiben — das sogenannte Bändermodell. Dieses Bändermodell und eine Reihe der hieraus folgenden Konsequenzen, die besonders für die Halbleiter von Bedeutung sind, werden hier in diesem Kapitel ausführlich beschrieben. Bei den Metallen und bei den Dielektrika werden wir auf manche Details wieder zurückgreifen.

Das Kapitel über die elektrischen Eigenschaften der Metalle baut auf einigen grundlegenden Aussagen auf, die wir im Kapitel über Halbleiter kennengelernt haben. Zunächst ist von der typischen Bandstruktur der Metalle die Rede, die für eine Reihe von Metalleigenschaften verantwortlich ist. Daran schließt ein Abschnitt über die elektrische Leitfähigkeit, und wir beleuchten die Frage, auf welche Weise man die Leitfähigkeit verändern kann. Der dritte Abschnitt widmet sich der Elektronenemission. Hier begegnet uns zum ersten Mal der Begriff der Austrittsarbeit, der für das Verständnis der thermischen Emission entscheidend ist. Die Beeinflußbarkeit der Austrittsarbeit durch äußere Felder führt uns zum Schottky-Effekt und zur Feldemission. Im vierten Abschnitt sprechen wir von Kontakten und wenden uns insbesondere den Metall-Metall-Kontakten und den Metall-Halbleiter-Kontakten zu. Hier begegnet uns die Voltasche Spannungsreihe, wir umreißen die thermoelektrischen Effekte sowie die gleichrichtenden und ohmschen Metall-Halbleiter-Kontakte. Der fünfte Abschnitt ist einem kurzen Überblick über die experimentell beobachtbaren Phänomene der Supraleitung gewidmet. Der letzte Abschnitt enthält einige Tabellen und Angaben über einschlägige Sonderwerkstoffe.

Die elektrischen Eigenschaften der Halbleiter und der Metalle, die wir in den beiden vorstehenden Kapiteln behandelt haben, waren hauptsächlich dadurch gekennzeichnet, daß im Werkstoff Elektronen existieren, die sich nahezu frei bewegen können. Bei der großen Stoffgruppe der Isolatoren (Dielektrika) dagegen sind die Valenzelektronen so eng und fest an die Atome gebunden, daß eine elektronische Leitfähigkeit praktisch nicht auftritt. Die Bandstruktur der Isolatoren ist der Bandstruktur der Halbleiter sehr ähnlich, nur daß die Breite der verbotenen Zone bei den Isolatoren wesentlich größer ist. Will man eine Grenzlinie zwischen Isolator und Halbleiter ziehen, so könnte man die Grenzbreite der verbotenen Zone als das Hundertfache der thermischen Energie bei Raumtemperatur (300 K) festlegen. Das entspricht einer Breite von 2, 6 eV. Stoffe mit einer verbotenen Zone, die kleiner als 2,6 eV ist, würde man hiernach zu den Halbleitern zählen, Substanzen mit einer größeren Breite wären Isolatoren. Berücksichtigt man, daß das Fermi-Niveau etwa in der Mitte der verbotenen Zone liegt, dann kann man in einer kurzen Rechnung zeigen, daß die Fermi-Funktion an den Bandkanten den verschwindend kleinen Wert von 1,4 10⁻²² hat, woraus sich für die Anzahl der freien Elektronen je Kubikmeter Isolator ein Wert von etwa 10⁶ ergibt. Das ist ein Wert, der größenordnungsmäßig für gute Isolatoren auch tatsächlich zutrifft, d. h. in jedem Kubikzentimeter ist ein einziges freies Elektron zu finden, und das ist für eine Elektrizitätsleitung natürlich zu wenig. Im Vergleich dazu existieren im intrinsischen Si-Halbleiter 10¹⁶ und im Metall 10²³ Elektronen je Kubikzentimeter. Wenn also ein elektrisches Feld auf das Dielektrikum einwirkt, dann kann sich kein Elektronenstrom ausbilden, sondern es werden sich höchstens die Ladungen im Atom um eine geringfügige Strecke gegenläufig im Feld verschieben, und es entsteht damit ein atomarer Dipol, weil jetzt die Ladungsschwerpunkte nicht mehr zusammenfallen. Dieser Vorgang führt zur Polarisation.

Das Kapitel über die magnetischen Werkstoffeigenschaften gliedert sich in fünf Abschnitte. Der erste Abschnitt behandelt das magnetische Verhalten der Materie zuerst vom formalen und makroskopischen Standpunkt aus gesehen, stellt dann die Frage nach dem Ursprung des magnetischen Momentes und beschreibt den Atommagnetismus. Daran schließt ein Überblick über die verschiedenen Arten des Magnetismus, die in der Materie auftreten können. Der zweite und dritte Abschnitt ist dem Dia- und Paramagnetismus gewidmet. Der vierte Abschnitt behandelt ausführlich den Ferromagnetismus. Das Wesen der Elementarmagnete, die spontane Magnetisierung und die magnetische Anisotropie stehen am Anfang unserer Überlegungen. Mit diesen Vorkenntnissen sind wir in der Lage, Aussagen über die Domänenstruktur zu machen und schließlich auf dieser Basis den Magnetisierungsprozeß zu beschreiben. Der fünfte Abschnitt bringt in einem kurzen Überblick eine Zusammenstellung wichtiger Magnetwerkstoffe, die in der Elektrotechnik eingesetzt werden.