Sägen aus Nanoröhrchen 03.08.2013, 09:41 Uhr

Bessere Trennung von Siliziumkristallen reduziert Materialverluste

Bei der Herstellung von Wafern aus Siliziumkristallen entsteht viel Abfall. Ein Drittel des Kristalls geht beim Zersägen verloren. Mit neuen, extrem dünnen Drähten, die Forscher aus Freiburg und Australien entwickelt haben, lassen sich Siliziumkristalle deutlich besser teilen.

Neuartige Nanoröhrchen, beschichtet mit Diamantsplittern, könnten traditionellen Stahldrähten bei der Teilung von Siliziumkristallen in der Solarfertigung überlegen sein. Aufgrund ihrer hohen Zugfestigkeit sind die Nanodrähte weitaus dünner und reduzieren den Schnittverlust um bis zu 30 Prozent.

Neuartige Nanoröhrchen, beschichtet mit Diamantsplittern, könnten traditionellen Stahldrähten bei der Teilung von Siliziumkristallen in der Solarfertigung überlegen sein. Aufgrund ihrer hohen Zugfestigkeit sind die Nanodrähte weitaus dünner und reduzieren den Schnittverlust um bis zu 30 Prozent.

Foto: Fraunhofer IWM

Siliziumkristalle werden mit hohem Energie- und Zeitaufwand hergestellt. Ein Gutteil davon landet gleich wieder im Abfall und muss recycelt werden: Siliziummehl, das beim Zersägen des Kristalls herunterrieselt, um hauchdünne Wafer zu erhalten. Zwar sind die Sägedrähte im Laufe der Jahre immer feiner und die Wafer immer dünner geworden. Trotzdem gehen beim Sägen noch bis zu ein Drittel des Materials verloren.

Jetzt haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik in Freiburg zusammen mit Kollegen der australischen Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation eine Technik entwickelt, mit der sich extrem dünne Sägedrähte herstellen lassen, die den Abfall um mehrere Zehnerpotenzen reduzieren könnten. Statt feiner Fäden aus Stahl setzen sie noch viel feinere Nanoröhrchen ein. Beide werden mit Diamantpartikeln beschichtet, die die eigentliche Sägearbeit übernehmen.

Top Stellenangebote

Zur Jobbörse
Universitätsklinikum Leipzig-Firmenlogo
Projektleiter (m/w/d) Bereich 5 - Bau und Gebäudetechnik, Abt. Bau Universitätsklinikum Leipzig
Leipzig Zum Job 
POLYVANTIS-Firmenlogo
Ingenieur / Techniker Elektrotechnik / Automatisierungstechnik (m/w/d) OT, Messsysteme POLYVANTIS
Weiterstadt Zum Job 
Duale Hochschule Baden-Württemberg Stuttgart-Firmenlogo
Ingenieur*in (m/w/d) für Elektrotechnik Duale Hochschule Baden-Württemberg Stuttgart
Stuttgart Zum Job 
SATA GmbH & Co. KG-Firmenlogo
Entwicklungs- und Konstruktionsingenieur (m/w/d) SATA GmbH & Co. KG
Kornwestheim Zum Job 
RITTAL GmbH & Co. KG-Firmenlogo
Value Chain Consultant (m/w/d) RITTAL GmbH & Co. KG
Herborn Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Bauingenieur (w/m/d) Konstruktiver Ingenieurbau Schwerpunkt Instandsetzung Die Autobahn GmbH des Bundes
Dillenburg Zum Job 
Rittal-Firmenlogo
Projektingenieur (m/w/d) Produktentwicklung Klimatisierung Rittal
Herborn Zum Job 
H-O-T Härte- und Oberflächentechnik GmbH & Co. KG-Firmenlogo
Entwicklungsingenieur (m/w/d) Beschichtungstechnik H-O-T Härte- und Oberflächentechnik GmbH & Co. KG
Nürnberg Zum Job 
Berliner Stadtreinigungsbetriebe (BSR)-Firmenlogo
Projektingenieurin / Projektingenieur oder Projektleitung (w/m/d) Energieanlagen Berliner Stadtreinigungsbetriebe (BSR)
EF Holding GmbH-Firmenlogo
Betriebsleiter (m/w/d) Stahlwerk im stahlwerkstypischen Umfeld EF Holding GmbH
Salzgitter Zum Job 
FUNKE Wärmeaustauscher Apparatebau GmbH-Firmenlogo
Verfahrensingenieur (m/w/d) im technischen Vertrieb Rohrbündelwärmeaustauscher FUNKE Wärmeaustauscher Apparatebau GmbH
Gronau (Leine) Zum Job 
KTR Systems GmbH-Firmenlogo
Berechnungsingenieur (m/w/d) KTR Systems GmbH
ONTRAS-Firmenlogo
Spezialist Strategische Technologie (m/w/d) ONTRAS
Leipzig Zum Job 
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V.-Firmenlogo
Ingenieur/in Luft- und Raumfahrttechnik, Maschinenbau, Physikalische Ingenieurwissenschaften (w/m/d) Fachlich-Wissenschaftliche Leitung des Teams "Systementwurf und Integration des Antriebssystems" Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V.
Cottbus Zum Job 
Verband der Automobilindustrie e. V. (VDA)-Firmenlogo
Geschäftsführer (m/w/d) VDA QMC in China Verband der Automobilindustrie e. V. (VDA)
Peking, Shanghai (China) Zum Job 
Deutsche Infineum GmbH & Co. KG-Firmenlogo
Engineering Leader (m/f/d) Deutsche Infineum GmbH & Co. KG
Stuttgart Netze GmbH-Firmenlogo
(Junior) Ingenieur Arbeitssteuerung und Qualitätsmanagement (w/m/d) Stuttgart Netze GmbH
Stuttgart Zum Job 
Stuttgart Netze GmbH-Firmenlogo
Ingenieur Baukoordination und Qualitätssicherung (w/m/d) Stuttgart Netze GmbH
Stuttgart Zum Job 
Stadt Ochtrup-Firmenlogo
Bauingenieur/in / Bautechniker/in (m/w/d) im Bereich Straßenbau Stadt Ochtrup
Ochtrup Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Ingenieurin oder Ingenieur im Straßenbau (w/m/d) Die Autobahn GmbH des Bundes
Wolfenbüttel, Braunschweig Zum Job 

Dass die Beschichtung mit Diamantpartikeln die richtige Lösung ist, war nicht nur den Freiburgern und ihren australischen Partnern klar. Die Beschichtung der Fäden aus Nanoröhrchen, die nur Mikrometer dick, mit Diamant war allerdings die große Hürde, die bisher niemand in der Welt genommen hat. Denn Diamant wächst in einer stark kohlenstoffhaltigen Atmosphäre bei einer Temperatur von 900 Grad Celsius. Schlimmer noch: Außer extrem hartem Diamant scheidet sich auf den Nanoröhrchen butterweicher Graphit ab. Den ätzten die Freiburger Wissenschaftler mit Wasserstoff erfolgreich weg, schädigten aber gleichzeitig die Nanoröhrchen. Ihre so dringend benötigte Festigkeit war dahin.

Eine Verunreinigung brachte die Forscher auf die richtige Spur

Da kam ihnen der Zufall zu Hilfe. Bei einem ihrer Beschichtungsversuche gab es eine Verunreinigung mit Quarzglas. Das legte sich, wie sich bei einer späteren Analyse mit einem Transmissionselektronenmikroskop der australischen Partner herausstellte, wie eine hauchdünne Schutzschicht über die Nanoröhrchen. Wasserstoff konnte ihnen nichts mehr anhaben. Außerdem erwies sich die Schutzhülle als idealer Nährboden für Diamantpartikel.

Derart geschützt musste nur noch ein Weg gefunden werden, aus den kurzen Nanoröhrchen, die wie ein winziger Wald auf einer Unterlage (Substrat) wachsen, einen Faden zu spinnen.  Das ist eine Spezialität der australischen Forscher. Es gelang ihnen, Fäden mit einem Durchmesser von 10 bis 20 Mikrometer herzustellen. Stahldrähte, die zum Zerteilen von Siliziumkristallen verwendet werden, sind bis zu zehnmal so dick, aber trotzdem nicht so fest.

Nanodrähte sind Stahldrähten überlegen

Beschichtet mit Diamant sind die Nanoröhrchen die Sägen der Zukunft, glaubt der Freiburger Physiker Manuel Mee, der die Forschungsgruppe leitet. „Die neuen Sägedrähte könnten traditionellen Stahldrähten überlegen sein, weil sie sich aufgrund ihrer hohen Zugfestigkeit weitaus dünner herstellen lassen und somit deutlich weniger Schnittverlust erzeugen.“ Jetzt muss nur noch die Industrie überzeugt werden, beispielsweise die Unternehmen der Solarbranche. Dass mittlerweile patentierte Verfahren wird derzeit für Sägeversuche genutzt, um der Industrie zu beweisen, dass es ein hohes Einsparpotenzial hat.

Ein Beitrag von:

  • Wolfgang Kempkens

    Wolfgang Kempkens studierte an der RWTH Aachen Elektrotechnik und schloss mit dem Diplom ab. Er arbeitete bei einer Tageszeitung und einem Magazin, ehe er sich als freier Journalist etablierte. Er beschäftigt sich vor allem mit Umwelt-, Energie- und Technikthemen.

Themen im Artikel

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.