Latest / Das Periodensystem der Elemente / 14. Silizium (Si) - Der Sand der Zeit

Transcript

14. Silizium (Si) - Der Sand der Zeit · Das Periodensystem der Elemente

• 0:00
  Willkommen zu einer neuen Folge von Wissensreise durch das
• 0:04
  Periodensystem, deinem Podcast zum Entspannen, Loslassen und
• 0:09
  lernen. Kennst du schon unsere anderen
• 0:12
  Schlafreisereien wie Schlafreise durch das Universum oder
• 0:17
  Schlafreise durch vergessene Welten.
• 0:20
  Heute reisen wir zum 14 Element im Periodensystem zu einem
• 0:25
  Element. Das unter deinen Füßen liegt das
• 0:28
  in jedem Sandkorn steckt, das die moderne Computerwelt erst
• 0:33
  möglich gemacht hat und das nach Sauerstoff das zweithäufigste
• 0:37
  Element der Erdkruste ist. Willkommen bei Silicium, dem
• 0:42
  Sand der Zeit, dem stillen Fundament unserer digitalen
• 0:47
  Zivilisation. Schließe deine Augen und stelle
• 0:51
  dir einen Strand vor. Endloser weißer Sand erstreckt
• 0:55
  sich vor dir. Milliarden winziger Kristalle,
• 0:58
  die im Sonnenlicht glitzern. Nimm eine Handvoll dieses Sandes
• 1:04
  und lass ihn durch deine Finger rieseln.
• 1:07
  Fast jedes dieser Körner besteht hauptsächlich aus
• 1:10
  Siliziumdioxid, der Verbindung von Silizium und Sauerstoff.
• 1:15
  Dieser scheinbar gewöhnliche Sand ist die Grundlage von etwas
• 1:19
  außergewöhnlichem, er ist der Rohstoff für Computerchips, für
• 1:23
  Glasfaserkabel, für Solarzellen. Der Sand unter deinen Füßen
• 1:28
  verbindet dich mit der digitalen Revolution.
• 1:32
  Silizium trägt die Ordnungszahl 1414 Protonen im Kern 14
• 1:38
  Elektronen in der Hülle. Es steht in der vierten
• 1:42
  Hauptgruppe des Periodensystems direkt unter Kohlenstoff und
• 1:47
  teilt mit diesem die Fähigkeit, 4 Bindungen einzugehen.
• 1:51
  Doch während Kohlenstoff die Basis des Lebens ist, ist
• 1:55
  Silicium die Basis der Technologie.
• 1:58
  Es ist ein Halbmetall, ein Metalloid, das Eigenschaften
• 2:02
  sowohl von Metallen als auch von Nichtmetallen besitzt.
• 2:07
  Der Name Silicium leitet sich vom lateinischen Silex ab, was
• 2:12
  Kieselstein oder Feuerstein bedeutet.
• 2:15
  Menschen nutzen Siliziumverbindungen seit der
• 2:19
  Steinzeit Feuerstein, ein Gestein reich an Siliziumdioxid,
• 2:24
  war das Material für Werkzeuge und Waffen.
• 2:28
  Die scharfen Kanten eines geschlagenen Feuersteins
• 2:30
  ermöglichten unseren Vorfahren das Jagen, das Bearbeiten von
• 2:35
  Materialien, das Überleben, das Element Silizium selbst wurde
• 2:40
  erst im 19 Jahrhundert isoliert. Der schwedische Chemiker Jöns
• 2:45
  Jacob Bercelius reduzierte 1824 Silicium Tetrafluorid mit Kalium
• 2:52
  und erhielt Unreines Amorphes Silicium.
• 2:57
  Die Reindarstellung von kristallinem Silicium gelang
• 3:00
  erst später, heute wissen wir, dass Silicium in reiner Form ein
• 3:05
  glänzender grau schwarzer Kristall ist, hart und spröde.
• 3:11
  Ähnlich wie Diamant in seiner Kristallstruktur in der
• 3:15
  Erdkruste macht Silicium etwa 28% der Masse aus.
• 3:20
  Es ist überall in Gesteinen, in Mineralien, im Boden Quarz das
• 3:27
  häufigste Mineral auf der Erdoberfläche ist reines
• 3:30
  Siliciumdioxid SIO 2. Feldspäte eine Gruppe von
• 3:36
  Mineralien, die etwa 60% der Erdkruste ausmachen, sind
• 3:40
  silikate, Verbindungen aus Silizium, Sauerstoff und anderen
• 3:44
  Elementen wie Aluminium, Kalium, Natrium.
• 3:48
  Die Vielfalt der Silikate ist erstaunlich, von einfachen
• 3:52
  Strukturen wie Olivin, das dem Olivgrün seinen Namen gibt, bis
• 3:57
  zu komplexen Schichtsilikaten wie Glimmer und Ton.
• 4:02
  Die Kristallstruktur der Silikate basiert auf sio 4
• 4:07
  Tetraedern, in denen ein Siliciumatom von 4
• 4:10
  Sauerstoffatomen umgeben ist. Diese Tetraeder können sich zu
• 4:15
  Ketten, ringen, Schichten oder dreidimensionalen Netzwerken
• 4:20
  verbinden, was die enorme Vielfalt der Silikatminerale
• 4:24
  erklärt. Glas, eine der ältesten von
• 4:28
  Menschen geschaffenen Materialien, basiert auf
• 4:31
  Siliciumdioxid. Die ersten Glasobjekte
• 4:36
  entstanden vor etwa 4500 Jahren in Mesopotamien und Ägypten.
• 4:42
  Glas wird durch Schmelzen von Sand mit Soda und Kalk bei etwa
• 4:47
  1500 Grad Celsius hergestellt. Beim Abkühlen erstarrt die
• 4:52
  Schmelze nicht zu einem Kristall, sondern bildet eine
• 4:56
  amorphe Struktur, einen Festkörper ohne regelmäßige
• 5:00
  Ordnung. Glas ist streng genommen eine
• 5:03
  eingefrorene Flüssigkeit, die Glasherstellung revolutionierte
• 5:08
  das Leben, Fenster ließen Licht herein, hielten aber Wind und
• 5:12
  Wetter draußen, glasgefäße ermöglichten die Lagerung von
• 5:17
  Flüssigkeiten. Optische Gläser führten zur
• 5:20
  Erfindung von Brillen im 13 Jahrhundert von Teleskopen und
• 5:24
  Mikroskopen im 17 Jahrhundert. Galileo beobachtete durch sein
• 5:30
  Teleskop die Monde des Jupiter Leovenhuk, sah durch sein
• 5:35
  Mikroskop Bakterien, beide Instrumente basierten auf
• 5:40
  geschliffenem Glas auf Siliziumdioxid.
• 5:44
  Im 20 Jahrhundert kam die transformativste Anwendung von
• 5:48
  Silizium der Halbleiter Silizium in seiner reinen kristallinen
• 5:54
  Form ist ein schlechter elektrischer Leiter, kein
• 5:58
  Metall, aber auch kein vollständiger Isolator.
• 6:02
  Doch wenn man winzigste Mengen anderer Elemente hinzufügt, eine
• 6:06
  Technik namens Dotierung, verändert sich die elektrische
• 6:10
  Leitfähigkeit dramatisch. Dotiert man Silicium mit
• 6:15
  Phosphor oder Arsen Elementen mit 5 Valenzelektronen, entsteht
• 6:20
  ein n Typ Halbleiter mit überschüssigen Elektronen
• 6:25
  dotiert man es mit Bor oder Gallium Elementen mit 3
• 6:30
  Valenzelektronen entsteht ein p Typ Halbleiter mit
• 6:34
  Elektronenlöchern. Kombiniert man diese beiden
• 6:37
  Typen in einem PN Übergang. Entsteht eine Diode, die Strom
• 6:42
  nur in eine Richtung fließen lässt, der Transistor erfunden
• 6:48
  1947 in den Bell Laboratories von John Bardeen, Walter
• 6:54
  Brattain und William Schockley war die Schlüsselinnovation ein
• 6:58
  Transistor kann als Schalter oder Verstärker fungieren,
• 7:02
  kontrolliert den Stromfluss mit winzigen elektrischen Signalen.
• 7:07
  Die ersten Transistoren waren aus Germanium, doch Silicium
• 7:11
  erwies sich als überlegen stabiler bei höheren
• 7:14
  Temperaturen reichlich verfügbar, einfacher zu
• 7:18
  verarbeiten. Der integrierte Schaltkreis, der
• 7:21
  Mikrochip folgte in den späten 50er Jahren.
• 7:25
  Jack Killby bei Texas Instruments und Robert Neuss bei
• 7:29
  Fairchile Semi conductor entwickelten unabhängig
• 7:32
  voneinander Methoden, um mehrere Transistoren auf einem einzelnen
• 7:37
  Silicium Kristall zu integrieren.
• 7:40
  Der erste Mikrochip enthielt eine Handvoll Transistoren,
• 7:45
  moderne Prozessoren enthalten Milliarden, das Moor Esche
• 7:50
  Gesetz formuliert 1965 von Gordon Moore.
• 7:54
  Einem Mitbegründer von Intel besagt, dass sich die Anzahl der
• 7:59
  Transistoren auf einem Chip etwa alle 2 Jahre verdoppelt.
• 8:04
  Diese exponentielle Entwicklung hielt Jahrzehnte an, Chips
• 8:09
  wurden kleiner, schneller, leistungsfähiger, günstiger, die
• 8:15
  digitale Revolution wurde möglich, der Computer.
• 8:20
  Einst raumfüllende Maschine schrumpfte zum Desktop, zum
• 8:24
  Laptop, zum Smartphone. Jedes dieser Geräte enthält
• 8:28
  Silicium, Chips, Prozessoren, Speicherchips, Grafikchips, das
• 8:33
  Gerät, mit dem du diese Worte vielleicht hörst, verdankt seine
• 8:37
  Existenz Silicium, die gesamte digitale Infrastruktur,
• 8:42
  Internet, Rechenzentren, Telekommunikation basiert auf
• 8:46
  Silicium. Das Silicon Valley, das Zentrum
• 8:50
  der Technologieindustrie südlich von San Francisco, verdankt
• 8:53
  seinen Namen dem Silicium. Hier in den 60er und 70er Jahren
• 8:58
  entstanden Unternehmen wie Intel, RMD, Apple, die die
• 9:03
  Halbleiterindustrie prägten, der Name Silicon Valley wurde
• 9:08
  erstmals 1971 von einem Journalisten verwendet und wurde
• 9:13
  zum Synonym für technologische Innovation.
• 9:18
  Die Herstellung von Silicium Chips ist ein faszinierender,
• 9:22
  hochkomplexer Prozess. Es beginnt mit Sand
• 9:26
  siliciumdioxid, das zu metallurgischem Silicium
• 9:29
  reduziert wird, etwa 98% rein für Halbleiter reicht das nicht.
• 9:35
  Das Silicium wird weiter gereinigt durch den Siemens
• 9:38
  Prozess oder Flüssigbettreaktoren bis es 9
• 9:41
  neunen rein ist. 99,99999% weniger als ein Fremdatom pro
• 9:48
  Milliarde Siliciumatome. Dieses hochreine Silicium wird
• 9:53
  zu Einkristallen gezogen, zu ingotts zylindrischen Kristallen
• 9:57
  von beeindruckender Perfektion. Der chochalski Prozess taucht
• 10:02
  einen Kristallkeim in geschmolzenes Silizium und zieht
• 10:06
  langsam einen Kristall heraus, der bis zu 2 Meter lang und über
• 10:10
  300 Millimeter im Durchmesser sein kann.
• 10:14
  Dieser Ingott wird in dünne Scheiben warfer geschnitten, die
• 10:19
  poliert werden, bis sie spiegelglatt sind.
• 10:24
  Auf diesen Werfern werden durch photolithographie mikroskopische
• 10:28
  Strukturen erzeugt. U wo Licht projiziert, Muster
• 10:33
  durch Masken auf eine lichtempfindliche Schicht
• 10:37
  chemische Ätzmittel entfernen, Material an bestimmten Stellen
• 10:41
  Schicht für Schicht werden Transistoren, Leiterbahnen,
• 10:45
  Isolatoren aufgebaut. Moderne Chips haben über 100
• 10:49
  Schichten Strukturen von nur wenigen Nanometern Größe kleiner
• 10:54
  als Viren. Die Fabriken, Fabs genannt, in
• 10:58
  denen diese Chips hergestellt werden, gehören zu den
• 11:01
  saubersten Räumen der Welt. Ein einziges Staubkorn könnte
• 11:05
  einen Chip ruinieren, die Luft wird tausendfach pro Stunde
• 11:10
  gefiltert, Arbeiter tragen Ganzkörperanzüge, sogenannte
• 11:14
  Bunny Suits, eine moderne fab kostet 10 bis 20 Milliarden
• 11:19
  Dollar, Taiwan, Südkorea, Japan, die USA.
• 11:24
  Hier befinden sich die führenden Chiphersteller TSMC.
• 11:28
  In Taiwan produziert Chips für Apple, AMD, Nvidia, Samsung in
• 11:33
  Südkorea ist sowohl Hersteller als auch Entwickler eigener
• 11:38
  Chips Intel, in den USA kämpft um seine einst dominante
• 11:44
  Position die geopolitische Bedeutung der
• 11:48
  Halbleiterindustrie wurde in den letzten Jahren deutlich.
• 11:52
  Wer Chips kontrolliert, hat technologische und
• 11:55
  wirtschaftliche Macht. Silicium ist auch das Material
• 11:59
  der Solarzellen, Photovoltaik, die direkte Umwandlung von
• 12:03
  Sonnenlicht in Elektrizität, basiert ebenfalls auf Silicium
• 12:08
  Halbleitern, wenn Licht auf eine Solarzelle trifft, werden
• 12:13
  Elektronen angeregt, erzeugen elektrischen Strom in.
• 12:16
  Die meisten Solarzellen heute sind aus Kristallinem oder
• 12:20
  polykristallinem Silicium. Die Solarindustrie wächst
• 12:24
  exponentiell Solarenergie ist mittlerweile in vielen Regionen
• 12:29
  die günstigste Energiequelle von wenigen Megawatt in den 80er
• 12:33
  Jahren auf über 800 Gigawatt installierter Kapazität
• 12:38
  weltweit. Silicium ermöglicht die
• 12:40
  Energiewende den Übergang von fossilen Brennstoffen zu
• 12:44
  erneuerbaren Energien. Glasfaserkabel, die das Internet
• 12:49
  um die Welt tragen, bestehen aus Hochreinem Siliciumdioxidglas.
• 12:55
  Lichtpulse Rasen durch diese Fasern mit nahezu
• 12:58
  Lichtgeschwindigkeit, übertragen riesige Datenmengen ohne
• 13:02
  Glasfasern gäbe es kein modernes Internet, kein Streaming, keine
• 13:07
  Cloud Services in der Medizin, findet Silicium Anwendung in
• 13:12
  Implantaten. Silikonkautschuk, ein Polymer
• 13:16
  basierend auf Silicium Sauerstoffketten ist
• 13:19
  Biokompatibel, flexibel, haltbar.
• 13:22
  Es wird in Herzklappen, Kathetern, Brustimplantaten
• 13:26
  verwendet. Silicium spielt auch eine Rolle
• 13:29
  im menschlichen Körper, wenn auch eine untergeordnete
• 13:34
  Spurenelemente von Silicium finden sich in Bindegewebe,
• 13:38
  Knochen, haut. Die genaue biologische Funktion
• 13:42
  ist nicht vollständig geklärt, aber es scheint an der
• 13:45
  Kollagenbildung beteiligt zu sein.
• 13:49
  Die Science Fiction fragt seit Jahrzehnten, könnte
• 13:53
  Siliciumbasiertes Leben existieren, Kohlenstoff bildet
• 13:58
  die Basis unseres Lebens, aber Silicium steht direkt darunter
• 14:03
  im Periodensystem, kann ähnliche Bindungen eingehen.
• 14:07
  Doch Silicium Sauerstoffbindungen sind extrem
• 14:10
  stark. Die entstehenden Verbindungen
• 14:12
  wie Siliciumdioxid sind fest, nicht flexibel wie organische
• 14:17
  Moleküle. Siliciumbasiertes Leben bleibt
• 14:21
  Spekulation, faszinierend, aber unwahrscheinlich in der
• 14:25
  Industrie wird Silicium in Legierungen verwendet, Aluminium
• 14:31
  Siliciumlegierungen sind leicht und korrosionsbeständig.
• 14:36
  Ideal für Automobilteile, Flugzeugkomponenten,
• 14:40
  Ferrosilicium eine Eisensiliciumlegierung wird in
• 14:44
  der Stahlproduktion verwendet, um Stahl zu Entgasen und seine
• 14:48
  Eigenschaften zu verbessern. Silikone, Polymere mit Silicium
• 14:54
  Sauerstoffrückgrat sind überall im Alltag Dichtungsmassen,
• 14:59
  Schmiermittel, Backformen, Medizinprodukte.
• 15:03
  Silikone sind vielseitig, temperaturbeständig,
• 15:07
  wasserabweisend. Die Gewinnung und Verarbeitung
• 15:10
  von Silicium hat Umweltauswirkungen, die
• 15:14
  Reduktion von Siliciumdioxid zu metallurgischem Silicium
• 15:18
  erfordert hohe Temperaturen, verbraucht viel Energie, oft aus
• 15:23
  fossilen Quellen, die Reinigung zu halbleitersilicium setzt
• 15:27
  gefährliche Chemikalien ein. Die Chip Produktion verwendet
• 15:32
  Lösungsmittel, Säuren, Gase, die umweltschädlich sind, wenn sie
• 15:36
  nicht ordnungsgemäß behandelt werden.
• 15:40
  Die Elektronikindustrie steht vor der Herausforderung,
• 15:43
  nachhaltiger zu werden Recycling von Silizium aus alten Chips und
• 15:49
  Solarzellen ist technisch möglich, aber wirtschaftlich oft
• 15:53
  nicht rentabel. Millionen Tonnen
• 15:55
  Elektronikschrott landen jährlich auf Deponien,
• 15:58
  verschwenden wertvolle Materialien, setzen Schadstoffe
• 16:02
  frei. Gleichzeitig bietet Silizium
• 16:06
  Lösungen für Umweltprobleme, Solarzellen reduzieren CO 2,
• 16:11
  Emissionen ersetzen fossile Brennstoffe, effiziente
• 16:16
  Halbleiter ermöglichen energiesparende Geräte,
• 16:20
  intelligente Stromnetze Elektrofahrzeuge.
• 16:24
  Sensoren basierend auf Silicium überwachen Umweltverschmutzung,
• 16:28
  verfolgen Klimadaten. Die Zukunft der Silicium
• 16:33
  Technologie ist spannend Quantencomputer experimentieren
• 16:36
  mit Silicium basierten Cubits Neuromorphe Chips, inspiriert
• 16:42
  vom menschlichen Gehirn, könnten künstliche Intelligenz
• 16:46
  effizienter machen Silicium Photonik integriert optische
• 16:50
  Komponenten auf Chips. Verspricht schnellere
• 16:53
  Datenübertragung, doch wir erreichen physikalische Grenzen.
• 16:59
  Transistoren sind so klein geworden, dass Quanteneffekte
• 17:02
  Probleme bereiten, das Mooresche Gesetz verlangsamt sich, die
• 17:07
  Industrie sucht nach alternativen, neue Materialien
• 17:11
  wie Graphen, neue Architekturen wie 3 d Chips, doch Silizium
• 17:17
  wird dominieren bleiben, zumindest noch Jahrzehnte.
• 17:21
  Während du überall das nachdenkst, erinnere dich das
• 17:25
  Silizium in deinem Smartphone, in deinem Computer, in den
• 17:29
  Solarzellen, auf Dächern. All das begann, als Sand die
• 17:36
  Transformation von gewöhnlichem Sand zu hochpräzisen Mikrochips
• 17:41
  ist eine der beeindruckendsten technologischen Leistungen der
• 17:45
  Menschheit. Diese Technologie verbindet uns.
• 17:50
  Ermöglicht Kommunikation über Kontinente Zugang zu wissen,
• 17:54
  wirtschaftlichen Fortschritt. Aber sie trägt auch
• 17:57
  Verantwortung. Die Produktion von Chips
• 18:00
  konzentriert sich in wenigen Ländern, schafft Abhängigkeiten,
• 18:05
  der Energieverbrauch von Rechenzentren, das Mining von
• 18:08
  Kryptowährungen, all das belastet die Umwelt, wir müssen
• 18:12
  Wege finden, Technologie nachhaltig zu nutzen.
• 18:16
  Geräte länger nutzen, reparieren statt wegwerfen, recyceln,
• 18:21
  energieeffiziente Chips entwickeln, erneuerbare Energien
• 18:24
  nutzen, die digitale Dividende gerecht verteilen,
• 18:29
  sicherstellen, dass Technologie allen zugute kommt, nicht nur
• 18:32
  einer Elite Silizium der Sand der Zeit erinnert uns daran,
• 18:38
  dass die wertvollsten Dinge oft aus dem Gewöhnlichsten
• 18:41
  entstehen, aber sie entstehen nur durch menschliche
• 18:45
  Kreativität, die. Durch Wissenschaft, durch harte
• 18:48
  Arbeit. Und sie erfordern Weisheit im
• 18:52
  Umgang unsere Erde, Reich an Silizium, Reich an Ressourcen,
• 18:58
  ist das Fundament unserer Zivilisation, wir müssen achtsam
• 19:03
  sein, wie wir diese Ressourcen nutzen, sicherstellen, dass sie
• 19:07
  für zukünftige Generationen erhalten bleiben.
• 19:11
  Die digitale Revolution sollte nicht auf Kosten der Umwelt
• 19:15
  gehen. Sondern im Einklang mit ihr.
• 19:18
  Gute Nacht und möge das Silizium, das unsere Welt
• 19:21
  verbindet, uns auch daran erinnern, dass wir verbunden
• 19:24
  sind mit diesem Planeten, dass wir Verantwortung tragen für
• 19:28
  seine Zukunft und dass wahre Innovation nicht nur
• 19:31
  technologischer Fortschritt ist, sondern auch Nachhaltigkeit,
• 19:35
  Gerechtigkeit, Fürsorge für die Erde, die uns trägt.