Auf 2000 Grad erhitzt 29.05.2013, 15:05 Uhr

US-Forscher verwandeln Zement in einen Halbleiter

Aus Aluminiumzement lässt sich durch Wärmebehandlung und kontrollierte Abkühlung ein Halbleiter herstellen. US-Forscher entwickelten jetzt ein Verfahren, um diesen Zement kontrolliert produzieren zu können.

Einen Zement, der als Halbleiter in der Produktion elektronischer Bauteile eingesetzt werden kann, hat der US-Forscher Chris Benmore vom Argonne National Laboratory entwickelt.

Einen Zement, der als Halbleiter in der Produktion elektronischer Bauteile eingesetzt werden kann, hat der US-Forscher Chris Benmore vom Argonne National Laboratory entwickelt.

Foto: Wes Agresta/Argonne National Laboratory

Es klingt, als seien Alchemisten am Werk. Forscher in den USA haben Aluminiumzement, aus dem normalerweise hoch belastbare Industrieböden gegossen werden, in einen Halbleiter verwandelt. Während normaler Zement isolierend wirkt, ist der neue Zement leitfähig. Er hat die amorphe (nicht kristalline) Struktur von Glas, ist aber weniger bruchanfällig. Das neuartige Material ist so leitfähig wie Metall, ist aber zugleich korrosionsfest.

Der neuartige Zement lässt sich in der Herstellung von elektronischen Bauteilen wie Transistoren und kompletten Mikroprozessoren einsetzen, wie Chris Benmore berichtet, Physiker am Argonne National Laboratory in Illinois. Denkbar seien Dünnfilmtransistoren, wie sie in Flachbildschirmen eingebaut werden. Aber auch Chips ließen sich mit Aluminiumzement herstellen.

Elektronen wie in einer Falle

Das Geheimnis der neuen Werkstoffe: In ihrem Inneren befinden sich zusätzliche Elektronen, die auf Grund der Materialstruktur wie in einer Falle sitzen und dennoch für eine gewisse elektrische Leitfähigkeit des Materials sorgen.

Bisher konnten nur Metalle mit einer glasähnlichen Struktur hergestellt werden. Diese sind härter als das Ausgangsmaterial, lassen sich allerdings nicht verformen. Da sie in magnetischen Feldern kaum Energie verschlucken, werden sie zum Bau von Transformatoren genutzt. Besonders scharfe Skalpelle und Antennen von Funkuhren bestehen ebenfalls aus metallischem Glas.

Das Forscherteam musste zu reichlich rabiaten Methoden greifen, um auch Zement in eine solche Struktur zu zwingen. Sie erhitzten das Material, das aus Calcium und Aluminiumoxiden besteht, mit einem Kohlendioxid-Laser auf 2000 Grad Celsius, sodass es sich verflüssigte. Bei der kontrollierten Abkühlung in unterschiedlichen Atmosphären bildete sich die amorphe Struktur. Wie die überschüssigen Elektronen in das Material hineingeraten, wissen die Forscher aus den USA, Deutschland, Japan und Finnland noch nicht genau. Bisher wurde dieser Effekt nur in Ammoniak beobachtet, einer Flüssigkeit.

Andere Werkstoffe im Test

Dass sich dieser spezielle Zement in einen Halbleiter umwandeln lässt, war schon seit einiger Zeit bekannt. Jetzt haben die Forscher die Produktionstechnik dokumentiert, sodass sie das Material gezielt herstellen können. Dazu simulierten sie die Verfahren in Hochleistungsrechnern, um die Zahl aufwändiger Experimente zu reduzieren. „Jetzt wollen wir auch andere Werkstoffe umwandeln, um ihnen eine amorphe Struktur zu geben“, sagt Benmore. Er erwartet Materialien mit überraschenden neuen Eigenschaften.

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