Newton, der die Mechanik als geschlossenes System formuliert hat, hat
einmal gesagt: "Dass ich so weit sehen kann, liegt daran, dass ich auf
den Schultern von Riesen stehe." Er meinte damit diejenigen, die
über Jahrtausende die Vorarbeit nicht nur für ihn sondern für die
ganze Menschheit geleistet haben.
Eine solche Bescheidenheit täte vielen heute gut.
Ein gutes Beispiel ist die Entwicklung der Elektromagnetik.
Elektrische und magnetische Effekte sind seit Jahrtausenden
bekannt, wurden aber oft als Magie betrachtet und für "Zauberei"
benutzt. Einen Schub gab es in der Renaissance und der Aufklärung,
als man sich von der Religion als Erklärungsmodell löste. Es
gab viele Irrwege.
Michael Faradays Verdienst war es, alles damals darüber Bekannte
zu sammeln, zu sichten und dann aufzuräumen. Maxwell hat auf dieser
Basis das Ganze in die Sprache der Naturwissenschaft, die Mathematik,
gefasst. Heinrich Hertz hat als Konsequenz aus diesen Formeln erkannt,
dass es elektromagnetische Wellen gibt, die sich wie Licht ausbreiten,
was er in seinen Experimenten zu Beugung, Brechung, Reflexion und
Fokussierung bewiesen hat.
Nun zur Anwendung.
Nach zwei Jahren Dienst als Funker in einem Fernmeldebataillion habe
ich als Studienfach die Elektrotechnik gewählt, nicht zuletzt um zu
erfahren, wie ein Transistor funktioniert. Mein Vertiefungsfach war
Elektronik/Elektrophysik mit Schwerpunkt Herstellung und Analyse von
Halbleiterbauelementen.
Halbleiter spielen heute eine grundlegende Rolle in der Elektronik, ob
in Netzteilen, LED-Lampen, Smartphones, Fernsehern, PCs oder in
Automobilen. Für die weitaus meisten Halbleiter bildet eines der
häufigsten Elemente der Erdkruste, Silizium, die Grundlage. Als
Siliziumdioxid gibt es davon buchstäblich so viel wie Sand am Meer.
Benötigt wird das Silizium aber in extrem reiner Form und streng
einkristallin aufgebaut, d.h., jede Elementarzelle des Kristalls reiht
sich genau an die Nachbarzellen. Die Konfiguration wird als kubisch
flächenzentriert bezeichnet, da sie acht Atome in den Ecken hat und
sechs auf den Seitenflächen. Dazu kommen noch insgesamt vier Atome auf
jeweils einer Raumdiagonale, mit einem Abstand von einem Viertel der
Diagonallänge vom nächsten Eckatom. Diese Anordnung wird auch als
Diamantgitter bezeichnet, da die Kohlenstoffatome im Diamanten
gleichartig angeordnet sind.
Die Atome auf den Diagonalen haben ihre vier stärksten Bindungen zu
den nächsten Nachbarn, d.h., zum Eckatom und den nächsten
Flächenatomen. Die Längen der Bindungen und damit ihre Kräfte sind
dann identisch. Auch andere Halbleiter wie das Germanium besitzen den
gleichen Aufbau. Oft werden auch die Atome auf den Diagonalen mit
ihren vier nächsten Nachbarn als Elementarzelle bezeichnet, was aber
nicht korrekt ist. Die Elementarzellen müssen durch einfache
Translation ineinander übergehen.
Um einen Eindruck von dieser Struktur zu bekommen, kann durch Klicken
auf das Bild eine animierte 3D-Ansicht aktiviert werden: Drehen durch
Mausklick und Ziehen, Zoom durch das Mausrad. Noscript muss
deaktiviert sein.
Kohlenstoff kristallisiert nicht nur in der Dimantstruktur, sondern
als Graphit auch in hexagonaler Anordnung in Ebenen, die leicht
gegeneinander verschiebbar sind. Das wird genutzt beim Bleistift oder
für Schmierstoffe für höhere Temperaturen. Hier eine
animierte 3D-Ansicht, der Übersicht halber nur ein kleiner
Ausschnitt mit lediglich zwei Ebenen und den Bindungen zu den nächsten
Nachbarn: