Kristalle und Elektronik
Von der E-Gitarre bis zum Axialtomographen im Krankenhaus, vom Personal Computer bis zur Videokonsole – alle heutigen elektronischen Geräte funktionieren dank der Eigenschaften von Kristallen. Man findet Halbleiterkristalle in Chips, piezoelektrische Kristalle in elektronischen Uhren, Mikrofonen und Lautsprechern, pyroelektrische Kristalle in Thermographen und Alarmanlagen und Flüssigkristalle in den Displays von Handys und Fernsehern. Und in den Materialien der Zukunft werden Sie Kristalle wie Graphen oder Quasikristalle finden. Viel Gebrauch gemacht von Kristalle und Elektronik
Wissen Sie, welche kristallinen Eigenschaften für diese Technologie verwendet werden? Können Sie erraten, wie viele Produkte Sie dank der Kristalle jeden Tag verwenden? Wollen Sie wissen, wie Kristalle in der Industrie gewonnen werden?
In jedem der winzigen Chips, die unsere elektronischen Geräte zum Funktionieren bringen, befindet sich eine winzige Platte aus Halbleiterkristall mit winzigen, im Nanomaßstab geätzten Schaltkreisen, die zwischen ein paar hundert und ein paar Millionen elektronische Komponenten integrieren. Die kristallinen Eigenschaften von Halbleitern im kristallinen Zustand machen ihren Betrieb möglich.
Es ist sehr wahrscheinlich, dass Ihr Mobiltelefon mit einem LCD-Bildschirm ausgestattet ist. Die Abkürzung steht für „Liquid Crystal Display“ (Flüssigkristallanzeige) und ihre Funktionsweise basiert tatsächlich auf den Lichtmodulationseigenschaften, die Flüssigkristalle als Kristalle besitzen. Eine weitere Bildschirmtechnologie ist LED („Light Emitting Diode“). In diesem Fall wird das Bild durch das Licht gebildet, das von jedem Pixel, einer kleinen Halbleiterkristalldiode, ausgesendet wird. LEDs sind zunehmend im Alltag präsent, und zwar nicht nur in Fernsehbildschirmen und Mobiltelefonen, sondern auch in Werbetafeln und sogar in den Lampen in unseren Wohnungen.
Kristalle und Elektronik
Telefone werden zunehmend mit Sensoren ausgestattet, die sie „intelligenter“ machen. Sie sind in der Regel mit Kompass, Gyroskop oder Beschleunigungsmesser ausgestattet, die es ihnen ermöglichen, ihre Orientierung und Bewegungen zu kennen. Im Laufe der Zeit werden weitere Sensoren (Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Druck…) integriert werden. Die Technologie der MEMS ermöglicht die Mikroproduktion von mechanischen, thermischen, optischen und flüssigen Strukturen auf kristalliner Basis, zusammen mit der für ihren Betrieb notwendigen Elektronik.
Alle digitalen elektronischen Geräte (einschließlich Mobiltelefone) verwenden eine oder mehrere Uhren, um den Takt elektronischer Schaltungen vorzugeben und deren Betrieb zu synchronisieren. Diese Uhr ist typischerweise ein Schwingkreis, der auf dem piezoelektrischen Effekt eines Quarzkristalls basiert. Tatsächlich wird das entsprechende elektronische Bauteil im Volksmund „Kristall“ genannt und ist dasselbe wie in Armbanduhren, Computern, Radios und einer fast unendlichen Anzahl anderer elektronischer Geräte.
Das gleiche Phänomen der Piezoelektrizität wird auch für den Betrieb anderer Geräte wie Mikrofone und Telefonlautsprecher, Tonabnehmer für Musikinstrumente, Sonar und medizinischen Ultraschall genutzt.
Neben den elektronischen und mechanischen Eigenschaften liegen auch andere Eigenschaften von Kristallen aktuellen Technologien zugrunde, wie z. B. dem Laser oder den Komponenten der nichtlinearen Optik, die es uns ermöglichen, Lichtstrahlen zu erzeugen oder zu manipulieren.
Die Solarenergie verwendet unter anderem Siliziumkristalle, und ihre Zukunft hängt weitgehend davon ab, den billigsten Weg zur Herstellung von III-V-Verbundkristallen zu finden.
Kristalle und Elektronik, Wussten Sie, dass…
Das Silizium, aus dem wir unsere elektronischen Schaltungen bauen, ist das siebte Element im Universum und das zweithäufigste auf der Erde. Etwa ein Viertel der Erdkruste besteht aus Silizium.
Wie nicht anders zu erwarten, ist die Halbleiterindustrie sehr breit gefächert und wettbewerbsintensiv. Im Jahr 2013 lag der weltweite Umsatz bei über 300 Milliarden Dollar.
In einem LCD wird elektrischer Strom verwendet, um Segmente des Flüssigkristalls von einer transparenten Phase in eine undurchsichtige Phase umzuwandeln. Diese Segmente, in der Regel in Form von Punkten oder Pixeln, werden individuell so eingestellt, dass sie polarisiertes Licht blockieren oder durchlassen und so helle oder dunkle Punkte auf dem Bildschirm erzeugen.
In allen LCDs sind die Flüssigkristalle zwischen zwei Stücken Klarglas oder Kunststoff eingeschlossen, aber kein Kunststoff genügt. Wenn das Glas oder der Kunststoff zu viele Natrium- oder andere alkalische Ionen enthält, wandern diese an die Oberfläche, wo jegliche Feuchtigkeit das Muster des elektrischen Feldes und damit die Ausrichtung des Flüssigkristalls verändert. Um dies zu vermeiden, verwenden LCD-Hersteller Borosilikatglas oder tragen eine Beschichtung aus Siliziumdioxid auf das Glas oder den Kunststoff auf.
Die Abmessungen von MEMS-Geräten variieren von weniger als einem Mikrometer bis zu mehreren Millimetern. Auch die Arten von MEMS variieren stark, von relativ einfachen Strukturen ohne bewegliche Teile bis hin zu komplexen elektromechanischen Systemen mit mehreren beweglichen Teilen, die durch integrierte Mikroelektronik gesteuert werden.
Viele MEMS-Mikrosensoren haben eine überlegene Leistung gegenüber herkömmlichen Geräten mit der gleichen Funktion gezeigt. Zum Beispiel ist die miniaturisierte Version eines Drucksensors normalerweise empfindlicher als die besten makroskopischen Versionen ähnlicher Sensoren.
Die Struktur eines optischen Kristalls, der zur Verstärkung der Laseremission verwendet wird, bestimmt seine optischen Eigenschaften und seine Beständigkeit gegen Strahlungsschäden. Daher hängt die Entwicklung von Lasern mit spezifischen Anwendungen stark von der Definition dieser Struktur und von den Methoden ab, die benötigt werden, um Kristalle mit dieser Struktur zu züchten.
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