Halbmetalle: 6 häufige Elemente, Eigenschaften und Anwendungen

Metalloide

Metalloide Sie nehmen hinsichtlich ihres Materialverhaltens eine Zwischenstellung zwischen Metallen und Nichtmetallen ein. Sie verhalten sich nicht vollständig wie eine der beiden Gruppen. Silizium, Bor, Germanium, Arsen, Antimon und Tellur werden üblicherweise dieser Gruppe zugeordnet, wobei die genaue Liste variieren kann.

Ein hilfreicher Ansatz zum Verständnis von Halbmetallen besteht darin, ihre Funktion in einem Material zu betrachten, anstatt sich nur auf ihre Position im Periodensystem zu konzentrieren. Viele sind spröde und hart, was ihren Einsatz in Bauteilen, die Biegungen, Dehnungen und Belastungen ausgesetzt sind, einschränken kann. 

Aufgrund ihrer elektrischen Eigenschaften sind sie für technische Anwendungen besonders nützlich. Silizium beispielsweise kann unter bestimmten Bedingungen den Fluss eines elektrischen Stroms steuern, was für Halbleiterbauteile wichtig ist. Die Kombination von Metallen mit anderen Elementen macht Halbmetalle ebenfalls nützlich. Schon geringe Zusätze können das Legierungsverhalten verändern, und manche Halbmetallwerkstoffe eignen sich, um die für elektronische Bauelemente erforderlichen elektrischen Eigenschaften zu erzielen. 

Eine der frühen Entdeckungen war Antimon. Antimonverbindungen wurden als Pigmente und in der Medizin verwendet. antikes ÄgyptenDies sind nur einige der anfänglichen Einsatzgebiete, die sich seither erweitert haben und heute in modernen Anwendungen wie der Halbleitertechnologie, Spezialmaterialien, der Legierungsherstellung und elektronischen Bauteilen Verwendung finden.

Die folgenden Abschnitte konzentrieren sich auf die Eigenschaften, die Halbmetalle nützlich machen, wie sie sich von Metallen und Nichtmetallen unterscheiden, und auf die Verwendung von Halbmetallen im Ingenieurwesen und in der Fertigung.

Was sind Halbmetalle?

Halbmetall in Rohform

Halbmetalle sind Elemente, die üblicherweise an der Grenze zwischen Metallen und Nichtmetallen im Periodensystem zu finden sind. Sie lassen sich nicht eindeutig einer der beiden Gruppen zuordnen. Ihr Verhalten kann sich in Gegenwart beliebiger Elemente und in jeder Anwendung sehr unterschiedlich gestalten.

Bor, Silicium, Germanium, Arsen, Antimon und Tellur sind die häufigsten Halbmetalle. Da sie hart und spröde sind, werden sie nicht wie gängige Konstruktionsmetalle wie Stahl, Aluminium oder Kupfer verwendet. Ihre Bedeutung beruht auf anderen Eigenschaften, insbesondere elektrischen und chemischen.

Eines der offensichtlichsten Beispiele ist Silizium. Es ist zwar kein typischer tragender Werkstoff, aber seine Eigenschaften zur Steuerung der elektrischen Leitfähigkeit sind in der Halbleiterfertigung unerlässlich. Bor hingegen hat eine andere Funktion. In einigen Stählen können geringe Mengen zur Verbesserung der Härtbarkeit und damit der Wärmebehandlung eingesetzt werden.

Diese Einteilung ist nicht endgültig. Beachten Sie, dass manche Quellen des Periodensystems einige Elemente enthalten, andere jedoch nicht. Die Antwort ist einfach: Es gibt keine einzelne Eigenschaft, die die Halbmetalle von den beiden Gruppen benachbarter Elemente unterscheidet.

Welche Elemente sind Halbmetalle?

Elemente der Halbmetalle

Die folgenden 6 Elemente werden am häufigsten den Halbmetallen zugeordnet:

1. Bor (B)
2. Silizium (Si)
3. Germanium (Ge)
4. Arsen (As)
5. Antimon (Sb)
6. Tellur (Te)

Weitere Klassifizierungen umfassen auch Polonium, Astat und Bismut. Sie werden gemäß ihren Eigenschaften und der Klassifizierung durch die Quelle eingeordnet.

Bor

Bor

Bor wird in technischen Bauteilen nicht als reines Element verwendet. Sinnvoller ist seine Verwendung als Legierungsbestandteil. In bestimmten Stählen kann Bor zudem die Härtbarkeit verbessern, d. h. es trägt dazu bei, dass der Stahl nach der Wärmebehandlung auch in tieferen Querschnittsschichten eine höhere Härte erreicht.

Silizium

Silizium

Silizium findet in der Industrie ein viel breiteres Anwendungsgebiet. Es ist das wichtigste Halbleitermaterial für integrierte Schaltkreise, Sensoren und zahlreiche elektronische Bauteile. Darüber hinaus kann es Metallen wie Stahl oder Aluminiumlegierungen beigemischt werden, um deren spezifische Eigenschaften zu modifizieren.

Germanium

Germanium

Germanium wird in Halbleiterbauelementen und in der Spezialoptik eingesetzt. Es besitzt zudem nützliche Eigenschaften der Infrarot-Transmission und kann daher auch in anderen elektronischen Bauteilen verwendet werden.

Arsen

Arsen

Die Hauptbelastung mit Arsen erfolgt über Verbindungen und Spezialprodukte. Galliumarsenid ist ein Beispiel dafür. Aufgrund seiner elektrischen Eigenschaften bietet es Vorteile gegenüber herkömmlichen Siliziumbauelementen und wird in elektronischen und optoelektronischen Geräten eingesetzt.

Antimon

Antimon

Antimon wird häufig als Legierungselement verwendet. Antimonlegierungen finden Verwendung in Batterien für Batteriegitter, und Antimonverbindungen werden auch in Flammschutzsystemen und anderen industriellen Anwendungen eingesetzt.

Tellur

Tellur

Tellur findet in einigen speziellen Anwendungen Verwendung. Bestimmten Stählen werden geringe Mengen zugesetzt, um die Beschaffenheit der beim Zerspanen entstehenden Späne zu beeinflussen und dadurch die Bearbeitbarkeit des Stahls zu verbessern. Es wird außerdem in Halbleiter- und thermoelektrischen Werkstoffen eingesetzt.

Weitere Elemente sind manchmal enthalten

Es gibt einige Listen, die Folgendes beinhalten: Polonium, Astat und Bismut als Halbmetalle. Ihre Klassifizierung ist nicht so einheitlich wie die der sechs oben genannten Elemente. Polonium und Astat sind hochradioaktiv und daher praktisch unbrauchbar. Obwohl Bismut manchmal als Halbmetall klassifiziert wird, wird es häufiger als Metall verwendet. Die sechs bekannten Elemente sind in den meisten technischen Diskussionen das geeignetste Mittel, um über Halbmetalle zu sprechen.

Wann wurden Halbmetalle erstmals verwendet?

Einige Halbmetalle werden seit Jahrtausenden verwendet. Antimon ist eines der ältesten Beispiele. Antimonverbindungen fanden sich bereits in Kosmetika und Pigmenten der alten Ägypter, lange bevor es eine moderne Klassifizierung für dieses Element gab.

Arsen ist ebenfalls weit verbreitet und blickt auf eine lange Nutzungsgeschichte zurück. Wie schon im Mittelalter wurden Arsenverbindungen in Pigmenten und verschiedenen anderen Produkten verwendet. Viele dieser Anwendungen wurden später aufgrund seiner Toxizität eingeschränkt.

Die Entwicklung von Silizium erfolgte viel später. Elementares Silizium wurde entdeckt in 1823 von Jöns Jacob Berzelius. Mit dem Fortschritt der Halbleitertechnologie hat ihre Bedeutung rasant zugenommen. In den 1950er Jahren hielten siliziumbasierte Werkstoffe Einzug in die reguläre kommerzielle Elektronikfertigung und wurden zu einem wichtigen Bestandteil moderner Elektronik.

Die Geschichte ist aufschlussreich, da sie die Entwicklung der Rolle dieser Elemente nachzeichnet. Ihre chemischen und optischen Eigenschaften wurden für frühe Anwendungen genutzt. Ihr elektrisches, thermisches und Legierungsverhalten findet in modernen Anwendungen weitaus größere Verwendung.

Welche physikalischen und chemischen Eigenschaften haben Halbmetalle?

Halbmetalle sind keine typischen Metalle. Sie sehen zwar oft metallisch aus, sind aber hart und spröde, nicht duktil. Dies schränkt ihre Anwendungsmöglichkeiten für Bauteile ein, die Biege-, Umform- oder Stoßbelastungen ausgesetzt sind.

Ihre elektrischen Eigenschaften sind in vielen Anwendungen von größerem Nutzen. Beispielsweise können Silizium und Germanium als Halbleiter eingesetzt werden. Ihre Leitfähigkeit lässt sich durch Temperatur, Verunreinigungen und die gezielte Bearbeitung des Materials beeinflussen.

Manche Elemente sind chemisch reaktiver als andere. Halbmetalle bilden tendenziell kovalente Bindungen, und einige wenige können mit Metallen reagieren und als Legierungsbestandteile dienen. Daher ist es notwendig, das jeweilige Element und das umgebende Materialsystem zu betrachten und nicht eine einheitliche Regel für alle Halbmetalle anzuwenden.

Physikalische Eigenschaften von Halbmetallen

Physik Eigenschaften von Halbmetallen Sie unterscheiden sich innerhalb der Gruppe deutlich. Aus materialwissenschaftlicher Sicht sind einige Beobachtungen angebracht.

Viele Halbleiter sind Halbmetalle. Das bekannteste ist Silizium. Es lässt sich gezielt mit Verunreinigungen versehen, was ein wichtiger Schritt in der Halbleiterherstellung ist. Bei Raumtemperatur sind Halbmetalle Feststoffe.

• Wärmeleitfähigkeit: Die Wärmeleitfähigkeit eines Materials ist für verschiedene Elemente unterschiedlich. Sie weisen eine mittlere elektrische und thermische Leitfähigkeit auf, die zwischen der von guten und schlechten Wärmeleitern liegt.
• Dichte: Es gibt ein breites Spektrum an Dichten. Die relative Dichte von Silizium beträgt 2.33, die von Antimon 6.69. Daher lässt die Bezeichnung „Halbmetall“ keine Rückschlüsse auf den Dichtebereich zu.
• Härte: Die Härte variiert ebenfalls zwischen diesen Elementen. Bor besitzt die höchste Härte, während Arsen, Antimon und Tellur vergleichsweise niedrigere Mohs-Härtewerte aufweisen. Dieser Unterschied wird sich auf die Verarbeitung der einzelnen Materialien und deren Verwendung auswirken.
• Mechanische Eigenschaften: Die meisten Halbmetalle sind spröde und wenig duktil. Sie verformen sich unter Belastung nicht plastisch, sondern zerbrechen. Daher eignen sie sich als Grundwerkstoff für einige traditionelle Bauteile nicht.
• Oberflächenbeschaffenheit: Manche Halbmetalle haben ein glänzendes oder metallisches Aussehen. Betrachtet man dieses Beispiel, so zeigt sich jedoch, dass das Aussehen allein nicht ausreicht, um ein Metall zu klassifizieren.

Halbmetalle unterscheiden sich in Härte, Dichte, Schmelzpunkt und elektrischen Eigenschaften. Die wichtigsten Werte für die gängigen Elemente sind unten aufgeführt.

Arsen sublimiert bei normalem Atmosphärendruck.

Diese Werte verdeutlichen die große Bandbreite innerhalb der Halbmetallgruppe. Bor und Silicium sind relativ hart, Antimon und Tellur hingegen deutlich weicher. Silicium und Germanium werden hauptsächlich aufgrund ihrer Halbleitereigenschaften eingesetzt, Bor, Antimon und Tellur finden auch in ausgewählten Legierungen Verwendung.

Chemische Eigenschaften von Halbmetallen

In vielen Fällen weisen sie Eigenschaften auf, die eher denen von Nichtmetallen ähneln, aber auch hier kommt es auf das Element und die Reaktion an.

• Elektronegativitäten: Die Elektronegativitäten der Halbmetalle liegen im mittleren Bereich. Dies beeinflusst ihr Verhalten bei Wechselwirkungen mit anderen Atomen und die Art der chemischen Bindungen, die sie eingehen können.
• Verbindung: Es kommt zu kovalenten Bindungen. Silizium ist ein gutes Beispiel dafür, da es die Grundlage vieler starker kovalenter Strukturen bildet, die für seine Materialeigenschaften von Bedeutung sind.
• Halbmetalle und Metalle: Manche Halbmetalle lassen sich mit Metallen mischen, um deren Eigenschaften zu verändern. Ein praktisches Beispiel ist die Verwendung von Bor in bestimmten Stählen. Im Fall von Tellur, einem Element, können nur geringe Mengen hinzugefügt werden, wodurch sich die Schneideigenschaften einiger Stähle verändern.
• Chemische Reaktivität: Halbmetalle können in Gegenwart verschiedener Elemente und unter unterschiedlichen Bedingungen unterschiedlich reagieren. Manche Verbindungen verhalten sich wie Nichtmetalle, andere reagieren mit Metallen zu ganz anderen Produkten.

Bei der Betrachtung einer technischen Anwendung ist es ratsam, das einzelne Halbmetall und sein Materialsystem zu analysieren, anstatt anzunehmen, dass sich alle Elemente dieser Gruppe auf die gleiche Weise verhalten.

Das chemische Verhalten unterscheidet sich ebenfalls von Halbmetall zu Halbmetall. Silicium bildet üblicherweise kovalente Verbindungen, während Bor bestimmten Stählen zugesetzt werden kann. Tellur und Antimon werden ebenfalls in speziellen Legierungssystemen verwendet. Bei Fertigungsanwendungen sollte das einzelne Element und sein Verwendungszweck berücksichtigt werden, anstatt alle Halbmetalle als eine Materialgruppe zu behandeln.

Anwendungen von Halbmetallen

Halbmetalle finden Verwendung in der Elektronik, in Legierungen, Glas, Polymeren und in verschiedenen chemischen Anwendungen. Die jeweiligen Eigenschaften hängen vom Element und seiner Verwendung ab.

Halbleitermaterialien

Metalloide werden bei der Herstellung von Halbleitern eingesetzt. Silizium wird üblicherweise in Chips, Transistoren, Sensoren und anderen elektronischen Bauteilen verwendet. Germanium wird auch in Halbleiterbauelementen verwendet. Arsenverbindungen, darunter Galliumarsenid, finden in einigen elektronischen und optoelektronischen Anwendungen Verwendung. Antimon wird in einigen speziellen Halbleitermaterialien eingesetzt. (Lesen Sie unseren Leitfaden zu:) Bearbeitung von Kunststoffteilen)

Legierungszusätze

Bor, Silizium, Antimon und Tellur können Metallen beigemischt werden, um bestimmte Eigenschaften zu verändern. Bei einigen Stählen wird Bor hinzugefügt, um die Härtbarkeit nach der Wärmebehandlung zu verbessern. Der Siliziumgehalt variiert je nach Legierungssorte. Einige Aluminiumlegierungen weisen relativ hohe Siliziumanteile auf, während die meisten Stähle nur geringe Mengen enthalten. Antimon wird bestimmten Speziallegierungen und -werkstoffen, wie beispielsweise bleihaltigen Legierungen, zugesetzt.

Glasherstellung

Um die Beständigkeit von Glas gegenüber plötzlichen Temperaturänderungen zu erhöhen, wird dem silikatbasierten Glas Boroxid beigemischt. Laborgeräte, Kochgeschirr und Teile, die Temperaturschwankungen ausgesetzt sind, werden daher aus Borosilikatglas hergestellt.

Silikonprodukte

Silikon wird auch zur Herstellung von Silikonprodukten verwendet. Diese Materialien können als Dichtstoffe, flexibler Gummi, Isolierungen, Schmierstoffe und Formteile eingesetzt werden. 

Chemische Anwendungen

Einige Halbmetallverbindungen werden in chemischen und medizinischen Produkten verwendet. Borverbindungen finden Anwendung in der Glasherstellung, der chemischen Verarbeitung und einigen Arzneimitteln. Arsen- und Antimonverbindungen wurden auch in Pestiziden und Arzneimitteln eingesetzt. Viele dieser Anwendungen gelten aufgrund ihrer Toxizität heute als eingeschränkt.

Fazit

Halbmetalle bilden eine heterogene Gruppe, weshalb sie sich nicht mit einer einzigen einfachen Regel beschreiben lassen. Silicium verhält sich ganz anders als Bor, während Tellur und Antimon in Legierungen und anderen Werkstoffen ihre jeweiligen Anwendungsgebiete haben.

Ihre Anwendungsgebiete ergeben sich aus spezifischen Eigenschaften und nicht aus der Bezeichnung „Halbmetall“ selbst. Silizium wird für Halbleiterbauelemente verwendet, Bor in Stählen und Glas, und Tellur kann bestimmten Stählen zugesetzt werden, um deren Bearbeitbarkeit zu verbessern. Andere Elemente dieser Gruppe finden Anwendung in speziellen elektronischen und chemischen Bereichen. Die Klassifizierung kann variieren. Sechs Elemente gelten allgemein als Halbmetalle, während einige Quellen weitere Elemente einbeziehen. Die genaue Liste hängt also von der verwendeten Klassifizierung ab.

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Halbmetalle – Häufig gestellte Fragen

Was sind Halbmetalle?

Halbmetalle sind Elemente mit einer Mischung aus metallischen und nichtmetallischen Eigenschaften. Sie befinden sich im Allgemeinen an der Grenze zwischen Metallen und Nichtmetallen im Periodensystem. Silicium und Bor sind gängige Beispiele.

Wie viele Halbmetalle gibt es?

Die sechs Elemente des Periodensystems, die allgemein als Halbmetalle gelten, sind: Bor, Silicium, Germanium, Arsen, Antimon und Tellur. In einigen Quellen wird auch Polonium erwähnt, was die Abweichungen in der Gesamtzahl erklärt.

Was sind die 6 wichtigsten Halbmetalle?

Bor (B), Silicium (Si), Germanium (Ge), Arsen (As), Antimon (Sb) und Tellur (Te) sind die sechs allgemein anerkannten Halbmetalle. Sie befinden sich im Periodensystem an der Grenze zwischen Metallen und Nichtmetallen.

Warum werden Halbmetalle als Halbleiter verwendet?

Bestimmte Halbmetalle weisen elektrische Eigenschaften auf, die zwischen denen von Metallen und isolierenden Nichtmetallen, insbesondere Silizium und Germanium, liegen. Ihre Leitfähigkeit lässt sich durch Temperaturänderung und/oder Zugabe geringer Mengen anderer Elemente beeinflussen. Dies macht sie für elektronische Bauelemente von Vorteil.

Wozu werden Halbmetalle verwendet?

Halbmetalle haben je nach Element vielfältige Verwendungsmöglichkeiten. Solarzellen und Halbleiterbauelemente werden aus Silizium hergestellt. Bor wird zur Herstellung von Borosilikatglas legiert, und Germanium findet Anwendung in der Elektronik und in Infrarotanwendungen. Einige Legierungen und elektronische Materialien enthalten auch Antimon und Tellur.