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Silizium ist das Element, dem Sie den Computer zu verdanken haben, mit dem Sie diese Zeilen lesen. Es ist nicht nur ein wichtiger Bestandteil der Mikroelektronik und der Computerchips, sondern auch für warme, weiße Strände verantwortlich – Siliziumdioxid, ein Oxid von Silizium, ist der häufigste Bestandteil von Sand.

Silizium ist laut der Royal Society of Chemistry das siebthäufigste Element im Universum und das zweithäufigste Element auf unserem Planeten, nach Sauerstoff. Etwa 25 Prozent der Erdkruste bestehen aus Silizium. Neben Computerchips wird Silizium in vielen Bereichen verwendet; zu den seltsamsten Orten, an denen dieses Element auftaucht, gehören Menstruationstassen, Brustimplantate und Ofenhandschuhe – in Form von Silikon.

Was macht Silizium so besonders, dass ein ganzes Tal in Kalifornien danach benannt wurde? Lesen Sie weiter.

Nur die Fakten

• Atomzahl (Anzahl der Protonen im Kern): 14
• Atomsymbol (im Periodensystem der Elemente): Si
• Atomgewicht (durchschnittliche Masse des Atoms): 28,09
• Dichte: 2,3296 Gramm pro Kubikzentimeter
• Phase bei Raumtemperatur: Fest
• Schmelzpunkt: 1.414 Grad Celsius (2.577 Grad Fahrenheit)
• Siedepunkt: 3.265 Grad Celsius (5.909 Grad Fahrenheit)
• Anzahl der Isotope (Atome desselben Elements mit einer unterschiedlichen Anzahl von Neutronen): 24
• Häufigstes Isotop: Si-28 (92 Prozent natürliche Häufigkeit)

Silizium der Halbleiter

In der Natur ist Silizium kein Einzelgänger. In der Regel findet man es in Verbindung mit zwei Sauerstoffmolekülen als Siliziumdioxid, auch bekannt als Kieselsäure. Quarz, ein häufiger Bestandteil von Sand, besteht aus nicht kristallisiertem Siliziumdioxid.

Silizium ist weder ein Metall noch ein Nichtmetall; es ist ein Metalloid, ein Element, das irgendwo zwischen den beiden liegt. Die Kategorie der Metalloide ist so etwas wie eine Grauzone, für die es keine feste Definition gibt, aber Metalloide haben im Allgemeinen sowohl Eigenschaften von Metallen als auch von Nichtmetallen. Sie sehen metallisch aus, leiten Elektrizität aber nur mittelmäßig gut. Silizium ist ein Halbleiter, was bedeutet, dass es Elektrizität leitet. Im Gegensatz zu einem typischen Metall wird Silizium jedoch mit zunehmender Temperatur besser elektrisch leitend (Metalle werden bei höheren Temperaturen schlechter leitend).

Silizium wurde erstmals 1824 von dem schwedischen Chemiker Jöns Jacob Berzelius isoliert, der nach Angaben der Chemical Heritage Foundation auch Cer, Selen und Thorium entdeckte. Berzelius erhitzte Siliziumdioxid mit Kalium, um Silizium zu reinigen, so die Thomas Jefferson National Accelerator Facility. Heute wird bei der Veredelung Kohlenstoff mit Siliziumdioxid in Form von Sand erhitzt, um das Element zu isolieren.

Silizium ist ein Hauptbestandteil von Low-Tech-Produkten, darunter Ziegelsteine und Keramik. Aber in der High-Tech-Branche macht sich das Element wirklich bemerkbar. Als Halbleiter wird Silizium zur Herstellung von Transistoren verwendet, die elektrische Ströme verstärken oder schalten und das Rückgrat der Elektronik von Radios bis zu iPhones bilden.

Silizium wird auf verschiedene Weise in Solarzellen und Computerchips verwendet, zum Beispiel als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), dem grundlegenden Schalter in vielen elektronischen Geräten. Um Silizium zu einem Transistor zu machen, wird die kristalline Form des Elements mit Spurenmengen anderer Elemente wie Bor oder Phosphor verfälscht, so das Lawrence Livermore National Laboratory. Die Spurenelemente verbinden sich mit den Siliziumatomen und setzen Elektronen frei, die sich im gesamten Material bewegen können, so die University of Virginia.

Indem sie Zwischenräume aus unverfälschtem Silizium schaffen, können die Ingenieure eine Lücke erzeugen, in der diese Elektronen nicht fließen können – wie ein Schalter in der „Aus“-Stellung.

Um den Schalter auf „Ein“ zu stellen, wird eine Metallplatte, die an eine Stromquelle angeschlossen ist, in der Nähe des Kristalls angebracht. Wenn der Strom fließt, wird die Platte positiv geladen. Elektronen, die negativ geladen sind, werden von der positiven Ladung angezogen, so dass sie den Sprung über das reine Siliziumsegment schaffen können. (Neben Silizium können auch andere Halbleiter in Transistoren verwendet werden.)

Wer hätte das gedacht?

• Als die Astronauten der Apollo 11 im Jahr 1969 auf dem Mond landeten, ließen sie einen weißen Beutel zurück, der eine Siliziumscheibe enthielt, die etwas größer als ein Silberdollar war. In mikroskopisch kleiner Schrift sind auf der Scheibe 73 Botschaften eingraviert, jede aus einem anderen Land, die guten Willen und Frieden wünschen.
• Silikon ist nicht dasselbe wie Silikon, das berühmte Polymer, das in Brustimplantaten, Menstruationsbechern und anderen medizinischen Technologien zu finden ist. Silikon besteht aus Silizium zusammen mit Sauerstoff, Kohlenstoff und Wasserstoff. Da es so gut hitzebeständig ist, wird Silikon zunehmend zur Herstellung von Küchengeräten wie Topflappen und Backblechen verwendet.
• Silikon kann gefährlich sein. Wenn es über einen längeren Zeitraum eingeatmet wird, kann es eine Lungenkrankheit verursachen, die als Silikose bekannt ist.
• Lieben Sie das Schillern eines Opals? Dank Silizium. Der Edelstein ist eine Form von Siliziumdioxid, das an Wassermoleküle gebunden ist.
• Siliziumkarbid (SiC) ist nach Angaben des Institute of Materials, Minerals, and Mining fast so hart wie ein Diamant. Auf der Mohs’schen Härteskala rangiert es zwischen 9 und 9,5, etwas weniger als Diamant, der eine Härte von 10 aufweist.
• Pflanzen verwenden Silizium zur Stärkung ihrer Zellwände. Laut einer 1994 in der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichten Arbeit scheint das Element ein wichtiger Nährstoff zu sein, der die Widerstandsfähigkeit gegen Krankheiten fördert.
• Silicon Valley hat seinen Namen von dem in Computerchips verwendeten Silizium. Der Spitzname tauchte zum ersten Mal 1971 in der Zeitung „Electronic News“ auf.
• Leben auf Siliziumbasis, wie die Horta aus „Star Trek“, ist nach Ansicht von Forschern des Caltech vielleicht nicht nur Science Fiction. Frühe Forschungen haben gezeigt, dass Silizium in kohlenstoffbasierte Moleküle wie Proteine eingebaut werden kann.

Aktuelle Forschung

Die heutige Siliziumforschung klingt fast wie Science-Fiction: 2006 gaben Forscher bekannt, dass sie einen Computerchip entwickelt haben, der Siliziumkomponenten mit Gehirnzellen verschmilzt. Elektrische Signale von den Gehirnzellen könnten an die elektronischen Siliziumkomponenten des Chips übertragen werden und umgekehrt. Die Hoffnung besteht darin, irgendwann elektronische Geräte zur Behandlung neurologischer Störungen zu entwickeln.

Eine 2018 in Nature erschienene Studie testet eine neue Art von Quantengeräten aus Silizium. Quantencomputer könnten eines Tages zur Norm werden und die derzeitige Computertechnologie durch die Fähigkeit, Berechnungen parallel durchzuführen, übertreffen. Die Herstellung dieser Geräte mit denselben Techniken, mit denen herkömmliche Siliziumchips hergestellt werden, könnte die Entwicklung dieser Geräte beschleunigen und möglicherweise zu neuen Verwendungszwecken für Quantengeräte führen.

Silizium ist auch vielversprechend für die Herstellung von unglaublich winzigen Lasern, den sogenannten Nanonadeln, die zur schnelleren und effizienteren Datenübertragung als herkömmliche optische Kabel verwendet werden können. Supraleiterlaser leiten Wärme viel leichter ab als Glaslaser, sagte John Badding, ein Materialchemiker an der Penn State University. Das bedeutet, dass sie leistungsfähiger sind als herkömmliche Laser.

Badding und sein Team arbeiten auch an der nächsten Generation von Lichtleitfasern, die Supraleiter anstelle von einfachem Glas enthalten, sagte er gegenüber Live Science.

„Halbleiter haben eine ganze Reihe von Eigenschaften, die man mit Gläsern einfach nicht erreichen kann“, sagte Badding. Die Einbettung von Halbleitermaterialien in Glasfasern würde es ermöglichen, Mini-Elektronik in diese Kabel einzubauen, die für die Übertragung von Informationen über große Entfernungen unerlässlich ist. Halbleiterkabel würden auch die Manipulation von Licht in der Faser ermöglichen, fügte Badding hinzu.

Traditionelle Siliziumchips werden durch die Ablagerung von Schichten des Elements auf einer flachen Oberfläche hergestellt, wobei in der Regel mit einem Vorläufergas wie Silan (SiH4) begonnen wird und das Gas sich verfestigen kann, so Badding. Kabel hingegen werden gezogen. Um ein Glasfaserkabel herzustellen, beginnt man mit einem Glasstab, erhitzt ihn und zieht ihn dann wie einen Toffee zu einem langen, dünnen Faden.

Badding und seine Kollegen haben einen Weg gefunden, Halbleiter in diese spaghettiartige Form zu bringen. Sie verwenden gezogene Glasfasern mit winzigen Löchern und komprimieren dann Gase wie Silan unter hohem Druck, um sie in diese Zwischenräume zu pressen.

„Das wäre so, als würde man einen Gartenschlauch, der von der Penn State nach New York führt, komplett mit Silizium füllen“, so Badding. „Man würde denken, dass alles verstopft und durcheinander gerät, aber das ist nicht der Fall.“

Die resultierenden Halbleiterstränge sind drei- bis viermal dünner als ein menschliches Haar. Badding und sein Team experimentieren auch mit anderen Halbleitern wie Zinkselenid (Zink und Selen), um Fasern mit bisher nicht gekannten Kapazitäten zu schaffen.

Mehr über Silizium:

• Einen unterhaltsamen und interessanten Einblick in die Geschichte des Silicon Valley, einschließlich Informationen über die Köpfe und Produkte, die an der Entstehung der Hightech-Start-ups beteiligt waren, bietet die interaktive Zeitleiste von NPR zum Silicon Valley.
• Sie mögen im Periodensystem der Elemente nahe beieinander liegen, aber Silizium und Kohlenstoff sind unterschiedliche chemische Wesen. Dow Corning erläutert die Unterschiede, die darin bestehen, dass das eine organisch und das andere anorganisch ist.
• HowStuffWorks bietet eine großartige Übersicht über die Funktionsweise von Halbleitern und die Bedeutung von Silizium.
• Wollen Sie wissen, wie die berühmten Intel-Chips, die natürlich aus Silizium bestehen, hergestellt werden? Das Technologieunternehmen beschreibt die Geschichte seiner Chips, wie sie sich im Laufe der Zeit verändert haben, wie sie hergestellt werden und wie sie funktionieren.

Zusätzliche Berichte von Rachel Ross, Live Science-Mitarbeiterin.