Kristalle – versteckte Alltagshelfer

Ohne dass wir es bewusst wahrnehmen, sind wir in unserem Alltag umgeben von Kristallen: Digitale Massenmedien, LED-Beleuchtungen, Elektroautos – selbst das Internet gäbe es nicht ohne Kristalle. Während Kristalle für gewöhnlich als Schmucksteine wie Diamanten, Rubine und Smaragde bekannt sind, spielen sie außerdem in der Industrie eine bedeutende Rolle. Die Halbleiter-Kristalle wie Silizium, Siliziumkarbid oder Galliumarsenid, die hier benötigt werden, entstehen in Laboren und Fertigungshallen, denn sie müssen spezifischen Anforderungen an Größe, Reinheit und Perfektion entsprechen. Erst Kristalle mit besonderen physikalischen Eigenschaften ermöglichten beispielsweise im 20. Jahrhundert die revolutionären Innovationen der modernen Informations- und Kommunikationstechnik, die heute im Alltag unverzichtbar sind. Das wissenschaftliche Merkmal von Kristallen ist die dreidimensionale Symmetrie, also die regelmäßige Anordnung der Kristallbausteine. Dieser Aufbau ermöglicht die störungsfreie Ausbreitung von elektrischen Strömen bzw. Signalen, Licht und Schall. Das prädestiniert Kristalle für technische Anwendungen im Bereich der Elektronik, Optik und Akustik. Sie werden im industriellen Maßstab gezüchtet und in Scheiben, sog. Wafer, geschnitten, auf denen die elektronischen Strukturen aufgebracht werden. In kleinster Plättchen-Form sind Wafer elementarer Bestandteil der Mikrochips, die sich beispielsweise in unseren Smartphones wiederfinden.

Mit wenigen Mitteln und etwas Geduld Alaun-Kristalle wachsen lassen

Der Zusammenhang zwischen funkelnden Kristallen einerseits und einem gewöhnlichen Smartphone andererseits ist auf Anhieb nicht offensichtlich. Während der Projektwoche rund um das Thema Kristalle gingen 45 Schülerinnen und Schüler der Montessori Schule Herzogenaurach dem Einfluss von Kristallmaterialien auf unser tägliches Leben genauer auf den Grund. Dr. Christian Reimann, der die Gruppe „Silizium und Spezialmaterialien“ am Fraunhofer IISB leitet, brachte zur Veranschaulichung echtes Kristallmaterial und prozessierte Wafer aus den Laboren des Fraunhofer IISB mit in die Klassenräume der Kinder. Daraus werden am IISB elektronische Bauelemente, beispielsweise Mikrochips für Computer, gefertigt. Es gibt verschiedene Züchtungsprozesse, die häufig nur unter extremen Bedingungen möglich sind. Beispielweise werden Silizium-Kristalle aus einer 1400 Grad heißen Silizium-Schmelze hergestellt.

An der Montessori Schule Herzogenaurach züchteten die Kinder in kleinen Forschungsteams Alaun-Kristalle, so wie es im Laborverfahren üblich ist: Der Ausgangspunkt dafür ist eine gesättigte Kaliumaluminiumsulfat-Lösung, in welcher dann erste Kristalle, sogenannte Impfkristalle, wachsen. Sie werden entnommen, durchbohrt, aufgefädelt und in eine neue Lösung in einem größeren Gefäß gegeben. Während des Wachstumsprozesses braucht es dann Ruhe und etwas Zeit. In ca. vier Wochen können die Schülerinnen und Schüler ihre drei bis acht Zentimeter großen Kristalle herausnehmen. Die Entnahme der Kristalle wird für die Kinder besonders spannend, denn während des Züchtungsprozesses experimentierten die Gruppen mit verschiedenen Einflussgrößen, die sich auf das Wachstum auswirken. So wurde beispielsweise die Temperatur variiert, wodurch die Kristalle langsamer oder schneller wachsen.

Die Metropolregion Nürnberg: Einzigartiger Standort für Wide-Bandgap-Halbleiter und MINT-Nachwuchsförderung

In der Metropolregion Nürnberg wurde von Prof. Walter Schottky und Dr. Eberhard Spenke bereits in den 1940er Jahren der Grundstein für die bis heute andauernde Halbleiterforschung gelegt. Hier findet man eine einzigartige Konzentration an Industrie- und Forschungseinrichtungen auf dem Gebiet der Wide-Bandgap-Halbleiter. So ist die Region nicht nur ein optimaler Nährboden für wissenschaftlichen Nachwuchs im MINT-Bereich, sondern bietet auch hervorragende Perspektiven – speziell in den Werkstoffwissenschaften, einem elementaren Forschungszweig des Fraunhofer IISB. Die Abteilung Materialien des IISB betreibt seit rund zwanzig Jahren in Erlangen und in Freiberg/Sachsen für die deutsche und internationale Industrie angewandte Forschung auf dem Gebiet der Halbleiterkristallzüchtung. Die Schwerpunkte des Fraunhofer IISB sind dabei Halbleiterkristalle für elektronische Systeme, also Silizium und spezielle Verbindungshalbleiter. Die Kristalle werden in den Reinräumen des Instituts als Wafer letztlich zu elektronischen Bauelementen und Modulen für Anwendungsbereiche wie Automotive oder Luftfahrt weiterentwickelt. Kristalle sind als Grundlage der Wertschöpfungskette für Leistungselektronik, die das Fraunhofer IISB mit seinen Forschungsgebieten abbildet, unverzichtbar.

Für die Montessori Schule Herzogenaurach, mit ihrem Standort im Herzen der Metropolregion Nürnberg, gilt naturwissenschaftliches Arbeiten als Zukunftsaufgabe. Durch die Projektwoche „Kristalle“ konnten die Nachwuchsforscherinnen und -forscher selbst einen Einblick in die Herstellung von Kristallen und deren vielfältige Anwendungsgebiete gewinnen. „Projektarbeit und naturwissenschaftliches Forschen stellen einen wichtigen Baustein im Lernalltag dar. Deswegen freuen wir uns besonders über die Kooperation mit dem Fraunhofer IISB und die Möglichkeit, so aktuell und spannend Inhalte zu vermitteln“, erläutert die Schulleiterin Rebekka Oberhofer die Motivation der Schule und dankt Herrn Dr. Reimann mit seinem Team für die Idee, die Organisation und die hervorragende Umsetzung. Mit dem Workshop zur Kristallzüchtung wurde der Grundstein für eine Schulpartnerschaft zwischen dem Fraunhofer IISB und der Montessori Schule Herzogenaurach gelegt. Es ist geplant, durch weitere Kooperationen die Begeisterung der Schülerinnen und Schüler für MINT-Fächer nachhaltig zu fördern. So macht Forschen Spaß!