News: Silicium auf Knopfdruck
Bisher war die Gewinnung von Silicium aufwändig und teuer. Eine jüngst entwickelte Methode eröffnet ganz neue Perspektiven.
© (Ausschnitt)
Für Computerchips ist Silicium unentbehrlich. Um im Elektronikzeitalter eine entsprechend große Menge dieses aus Quarz (Siliciumdioxid) hergestellten Chipmaterials bereitzustellen, sind Produktionsverfahren gefragt, die diesen Grundstoff möglichst kostengünstig auf den Markt bringen.
Doch die bisherigen Methoden zur Gewinnung von Silicium sind eher aufwändig und teuer. Denn Siliciumdioxid muss bei 1700 Grad Celsius in Anwesenheit von Kohlenstoff zur Schmelze gebracht werden, damit nach der Reaktion schließlich reines Silicium übrig bleibt. Aber selbst dann ist es noch nicht hochwertig genug, um daraus Computerchips zu fertigen. Daher erhitzt man anschließend das chemisch gereinigte Silicium abschnittsweise in einem speziellen Ofen, bis es schmilzt, und lässt es dann auskristallisieren.
Angesichts dieses komplizierten Verfahrens war es für Toshiyuki Nohira und seine Kollegen von der Kyoto University Grund genug, eine neue Möglichkeit der Siliciumgewinnung zu probieren. Und tatsächlich gelang ihnen auf elektrochemischem Weg, natürlich vorkommendes Siliciumdioxid ohne Schmelzprozess in Silicium zu überführen. Dazu tauchten sie ein kleines Stück des Oxids in ein Bad aus geschmolzenem, 850 Grad heißem Calciumchlorid. Das Quarzstückchen war außerdem mit einem stromführenden Draht verbunden.
Es passierte Folgendes: An den Stellen, an denen der Metalldraht den Quarz berührte, wurde das Silicium reduziert, wobei der frei werdende Sauerstoff durch die Salzschmelze zur Gegenkathode wanderte. Auf diese Weise erfolgte ein langsamer Umwandlungsprozess von Siliciumdioxid zu Silicium. Da das Element im Gegensatz zu seinem Oxid elektrisch leitend ist, breitete sich die Veränderung vom Kontaktpunkt nach allen Seiten aus.
Auf diese Weise könnte man vielleicht einmal mit einer winzigen Elektrode selbst mikroskopisch kleine Mengen Siliciumdioxid umwandeln, was insbesondere für die Chipindustrie interessant ist. Denn schließlich bestehen diese elektronischen Bauelemente aus einer Abfolge von unzähligen leitenden und nicht leitenden Elementen. Während die leitenden oder besser halbleitenden Elemente aus Silicium bestehen, sorgt das Siliciumdioxid für die elektrische Isolierung. Bislang ließen sich zwar die mikroskopisch kleinen Abschnitte auf einem Chip nachträglich oxidieren, der umgekehrte Weg, Siliciumdioxid zurück in elementares Silicium zu wandeln, stand jedoch nicht offen. Aber all das ist noch Zukunftsmusik. Bisher sind die Forscher in diese Größenordnung noch nicht vorgedrungen.
Ein Nachteil hat das Verfahren von Nohira und seinem Team jedoch noch: Das gewonnene Silicium ist noch recht spröde und muss daher nachbehandelt werden. Andererseits ist das zurzeit auch erforderlich, trösten sich die Fachleute. Sie hoffen nun, dass sich unter Verwendung einer Mixtur aus verschiedenen geschmolzenen Salzen die Prozesstemperatur bei der Umwandlung auf rund 500 Grad Celsius absenken lässt. Dadurch würde das Material nicht so sehr beansprucht werden.
Weiterhin gehen die Wissenschaftler davon aus, dass sich die Umwandlungsmethode auch zur Gewinnung anderer Elemente wie beispielsweise Zirkonium eignet. Falls sich das bewahrheitet, würde dem zugrunde liegenden Prinzip sicherlich noch größere Aufmerksamkeit zuteil.
Doch die bisherigen Methoden zur Gewinnung von Silicium sind eher aufwändig und teuer. Denn Siliciumdioxid muss bei 1700 Grad Celsius in Anwesenheit von Kohlenstoff zur Schmelze gebracht werden, damit nach der Reaktion schließlich reines Silicium übrig bleibt. Aber selbst dann ist es noch nicht hochwertig genug, um daraus Computerchips zu fertigen. Daher erhitzt man anschließend das chemisch gereinigte Silicium abschnittsweise in einem speziellen Ofen, bis es schmilzt, und lässt es dann auskristallisieren.
Angesichts dieses komplizierten Verfahrens war es für Toshiyuki Nohira und seine Kollegen von der Kyoto University Grund genug, eine neue Möglichkeit der Siliciumgewinnung zu probieren. Und tatsächlich gelang ihnen auf elektrochemischem Weg, natürlich vorkommendes Siliciumdioxid ohne Schmelzprozess in Silicium zu überführen. Dazu tauchten sie ein kleines Stück des Oxids in ein Bad aus geschmolzenem, 850 Grad heißem Calciumchlorid. Das Quarzstückchen war außerdem mit einem stromführenden Draht verbunden.
Es passierte Folgendes: An den Stellen, an denen der Metalldraht den Quarz berührte, wurde das Silicium reduziert, wobei der frei werdende Sauerstoff durch die Salzschmelze zur Gegenkathode wanderte. Auf diese Weise erfolgte ein langsamer Umwandlungsprozess von Siliciumdioxid zu Silicium. Da das Element im Gegensatz zu seinem Oxid elektrisch leitend ist, breitete sich die Veränderung vom Kontaktpunkt nach allen Seiten aus.
Auf diese Weise könnte man vielleicht einmal mit einer winzigen Elektrode selbst mikroskopisch kleine Mengen Siliciumdioxid umwandeln, was insbesondere für die Chipindustrie interessant ist. Denn schließlich bestehen diese elektronischen Bauelemente aus einer Abfolge von unzähligen leitenden und nicht leitenden Elementen. Während die leitenden oder besser halbleitenden Elemente aus Silicium bestehen, sorgt das Siliciumdioxid für die elektrische Isolierung. Bislang ließen sich zwar die mikroskopisch kleinen Abschnitte auf einem Chip nachträglich oxidieren, der umgekehrte Weg, Siliciumdioxid zurück in elementares Silicium zu wandeln, stand jedoch nicht offen. Aber all das ist noch Zukunftsmusik. Bisher sind die Forscher in diese Größenordnung noch nicht vorgedrungen.
Ein Nachteil hat das Verfahren von Nohira und seinem Team jedoch noch: Das gewonnene Silicium ist noch recht spröde und muss daher nachbehandelt werden. Andererseits ist das zurzeit auch erforderlich, trösten sich die Fachleute. Sie hoffen nun, dass sich unter Verwendung einer Mixtur aus verschiedenen geschmolzenen Salzen die Prozesstemperatur bei der Umwandlung auf rund 500 Grad Celsius absenken lässt. Dadurch würde das Material nicht so sehr beansprucht werden.
Weiterhin gehen die Wissenschaftler davon aus, dass sich die Umwandlungsmethode auch zur Gewinnung anderer Elemente wie beispielsweise Zirkonium eignet. Falls sich das bewahrheitet, würde dem zugrunde liegenden Prinzip sicherlich noch größere Aufmerksamkeit zuteil.
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