Supreme Semiconductor: Industriediamant

Sep 12, 2023

Industriediamant gilt als der beste Halbleiter zur Reduzierung von Verlusten bei der Stromübertragung über große Entfernungen. Während Silizium heute der Star unter den Halbleitern ist, könnte Diamant es in den folgenden Jahrzehnten ablösen. Mit überlegenen elektronischen und thermischen Kapazitäten bietet dieser Ersatz viele Möglichkeiten in der Energieübertragung, Bionik oder Luftfahrt, wenn die Kosten sinken.

Eine der größten Schwierigkeiten der Energiewendetechnologien sind ihre hohen Kosten, insbesondere aufgrund der Verwendung seltener Materialien und Metalle. In diesem Zusammenhang könnte die Verwendung von Diamanten, einem übermäßig teuren Material, als unerschwinglich angesehen werden. Dies ist jedoch die Meinung von Étienne Gheeraert, Koordinator des europäischen Projekts GreenDiamond.

Ziel des Projekts: Ersetzen von siliziumbasierten Halbleitern eines Konverters durch einen Diamanten, um Energieverluste bei der Stromübertragung von Offshore-Windparks zu reduzieren.

„Die Idee des europäischen Projekts GreenDiamond ist es, Energieverluste so weit wie möglich zu reduzieren“, sagt Étienne Gheeraert. Für leistungselektronische Anwendungen ist das Durchschlagsfeld des Materials einer der wichtigsten Faktoren. Im Fall von Silizium beträgt sie 300.000 V/cm, was recht niedrig ist. Bei Diamant beträgt das Durchschlagsfeld jedoch 10 MV/cm.

Um einer Spannung von 1.000 V standzuhalten, würde ein Konverter eine Schicht von 100 Mikrometern benötigen, was zu einem erheblichen Widerstand führt, verglichen mit 1 Mikrometer bei Diamant. Es wird geschätzt, dass durch diese Änderung die Energieverluste um das Vierfache reduziert werden können.

Elektromobilität

Bei gleicher Leistung, aber reduzierter Größe eröffnet Diamant neue Möglichkeiten für Anwendungen in der Bionik und im Transportwesen. Da das Gewicht des Materials der größte Feind bei der Fahrzeugkonstruktion ist, ist dieser Ersatz sehr interessant.

Wenn es bei kleineren Materialvolumina um Gewichtsreduzierung geht, ist auch bei diesen Anwendungen eine hohe Temperaturbeständigkeit ein wichtiges Argument. Ab 150 °C verändern sich die Eigenschaften von Silizium und sind nicht mehr optimal. Diamant kann leicht bis zu 300 °C erhitzen. Wo ein Siliziumkonverter ein komplexes Kühlsystem erfordert, bietet Diamant daher einfachere und einfachere Lösungen. „Im Falle der Flugzeugelektrifizierung können wir uns den Übergang von einem 400-kg- auf einen 50-kg-Konverter vorstellen, was ein enormer Gewinn wäre“, erklärt Étienne Gheeraert.

Im Allgemeinen handelt es sich bei Halbleitern um anorganische oder organische Materialien, die ihre Funktionalität in Bezug auf die chemische Struktur, die Temperatur, die Beleuchtung und das Vorhandensein von Dotierstoffen steuern können. Der Name Halbleiter kommt von der Tatsache, dass diese Materialien eine elektrische Leitfähigkeit haben, die zwischen der eines Metalls wie Kupfer, Gold usw. und der eines Isolators wie Glas liegt. Sie haben eine Energielücke von weniger als 4 eV (ungefähr 1 eV). In der Festkörperphysik gibt es eine Energielücke zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband, in der elektronische Zustände verboten sind. Im Gegensatz zu Leitern müssen Elektronen in einem Halbleiter Energie erhalten (z. B. durch ionisierende Strahlung), um das verbotene Band zu durchqueren und das Leitungsband zu erreichen. Die Eigenschaften von Halbleitern werden durch die Energielücke zwischen den Valenzbändern und den Leitungsbändern bestimmt.

Diamant ist eine feste Form des Elements Kohlenstoff, dessen Atome in einer Kristallstruktur namens kubischer Diamant angeordnet sind. Diamanten sind auch sehr gute elektrische Isolatoren, was seltsamerweise für elektrische Geräte sowohl nützlich als auch problematisch ist. Diamant ist ein Halbleiter mit großer Bandlücke (Egap = 5,47 eV) mit hohem Potenzial als Material in vielen Geräten, einschließlich Elektronik. Diamantdetektoren sind den Siliziumdetektoren sehr ähnlich, bieten jedoch erhebliche Vorteile, insbesondere eine hohe Strahlungshärte und sehr niedrige Driftströme.

Wesentliche Merkmale von Diamant als fortschrittliches Halbleitermaterial

Anwendungen von Diamantkonvertern

Wenn der Wirkungsgrad eines guten Siliziumkonverters bei etwa 97 % liegt, ist es möglich, mit einem Diamantkonverter 99 % zu erreichen. Dieser Unterschied mag gering erscheinen. Für bestimmte spezifische Anwendungen sind die Vorteile jedoch groß, beispielsweise für die HGÜ-Stromübertragung (Hochspannungs-Gleichstromübertragung) über große Entfernungen, wie es bei Offshore-Windparks der Fall ist. Um 1 GW Strom auf den Kontinent zu bringen, werden 20 MW eingespart!

Die zweite Anwendung ist der Transport im Allgemeinen, da jede Technologie, die Gewicht an einem Fahrzeug einspart, potenziell interessant ist. Während herkömmliche Elektroautos mit Siliziumkonvertern ausgestattet sind, verwenden einige High-End-Fahrzeuge Siliziumkarbid (SiC), das als Zwischenprodukt zwischen Silizium und Diamant angesehen werden kann. Toyota hat beispielsweise geschätzt, dass durch den Wechsel von Si auf SiC eine Reichweitensteigerung von 20 % möglich ist. Das bedeutet, dass durch den Umstieg auf Diamanten noch größere Gewinne erzielt werden können. Allerdings steht das Auto bei den Diamantkonverterprojekten an zweiter Stelle, wobei der Hauptzielmarkt die Luft- und Raumfahrt ist, da es sich um einen Sektor handelt, der ständig versucht, das Gewicht seiner Flugzeuge zu reduzieren.

Natürlicher Diamant wird mit Luxus assoziiert

Diamant ist kein Luxusprodukt, sondern ein Industrieprodukt. Darüber hinaus ist der industrielle Prozess zur Herstellung synthetischer Diamanten seit langem beherrscht. PECVD-Maschinen zur Herstellung von Diamanten ermöglichen es, eine Fläche von 50 Diamanten in der Größe eines Sandkorns auf einer Oberfläche mit 2 Zoll Durchmesser abzuscheiden. Die Herstellung eines Diamanten ist nicht schwierig: Der Prozess benötigt Wasserstoff, der durch Hydrolyse von Wasser und Methan als Kohlenstoffquelle gewonnen werden kann.

Basierend auf der bekannten Produktion in Indien und China wird geschätzt, dass 12 % des Diamantschmucks ohne Wissen des Juweliers industriell hergestellt werden, Tendenz steigend. Deshalb verkaufen uns die Hersteller Diamanten zum gleichen Preis wie die Juweliere. Aber diese Situation kann nicht von Dauer sein; Die Dinge werden sich in den kommenden Jahren ändern, da die Technologie wichtige neue Märkte eröffnet, die den traditionellen Handel völlig durcheinander bringen werden. Nichts wird die Diamantentechnologie aufhalten und der Preis wird auf den Wert eines Industriemarktes sinken. Dies wird geschehen, sobald die Forschung eine weit verbreitete industrielle Anwendung von Diamant in der Elektronik zeigt.

Ist diese Technologie bereit, im industriellen Maßstab das Licht der Welt zu erblicken?

Aus Forschungssicht ist GreenDiamond seit langem an der Herstellung von Diamantkonvertern beteiligt. Ziel des GreenDiamond-Projekts ist es auch, die Industrie einzubeziehen. Am Ende dieses Projekts wurde ein Start-up geboren: DiamFab, das im März 2019 gegründet wurde und 2019 einen Grand Prix i-Lab gewann. Darüber hinaus haben sie bereits einbaufertige Dioden und Transistoren entwickelt nähern sich der Industrialisierung. Die Frage, die sich stellt, hängt mit den Kosten für Diamanten zusammen. Warum ist Diamant so teuer? Denn der Preis unterliegt im Gegensatz zu den meisten technischen Materialien nicht dem Gesetz von Angebot und Nachfrage. Seit den 1970er Jahren waren die tatsächlichen Kosten für die Herstellung synthetischer Diamanten jedoch aufgrund der Maschinen, die sie bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur herstellen können, relativ niedrig. Derzeit wird der Diamantpreis von Juwelieren je nach Nachfrage angepasst.

Diamanten in der Genetik

In jüngster Zeit haben japanische Forscher sogar Diamanten zur Speicherung von DNA-Molekülen verwendet. Die Genforschung erfordert möglichst neutrale Speicherorte, damit DNA-Moleküle nicht reagieren. Mit Diamantoberflächen können Biologen DNA-Moleküle wochenlang in gutem Zustand halten. Die geringe chemische Reaktivität des Diamanten und seine biologische Neutralität verleihen ihm diese beispiellose Rolle.

Die Vielfalt dieser Kohlenstoffkristalle, die bis zu einem Prozentanteil Bor oder Phosphor enthalten, ist sehr groß. Die Chemie lehrt uns jedoch, dass Diamanten an der Luft bei hohen Temperaturen sehr gut brennen. Es ist zweifellos ein teures Mittel zur Herstellung von Kohlendioxid, und dies gibt einen Eindruck von den Grenzen dieses außergewöhnlichen Materials in einer oxidierenden Atmosphäre.

Diamanteigenschaften, die seine Verwendung in verschiedenen Bereichen bestimmen

Erstens die außergewöhnliche Härte, die 150-mal höher ist als die von Korund und zehnmal höher als die der besten Legierungen, die bei der Herstellung von Fräsmaschinen verwendet werden. Diamant wird zum Gesteinsbohren und zur mechanischen Bearbeitung verschiedenster Materialien eingesetzt.

Mehr als die Hälfte der Produktion von Industriediamanten wird zur Herstellung von Spezialwerkzeugen für die verarbeitende Industrie verwendet. Der Einsatz von Diamantfräsern und -bohrern bei der Bearbeitung von Bunt- und Eisenmetallen, harten und superharten Legierungen, Glas, Gummi, Kunststoffen und anderen synthetischen Stoffen bietet im Vergleich zum Einsatz von Hartmetallwerkzeugen einen enormen wirtschaftlichen Effekt. Mit einem Diamantschneider behandelte Oberflächen müssen nicht geschliffen werden, es entstehen praktisch keine Mikrorisse und dadurch erhöht sich oft die Lebensdauer der erhaltenen Teile.

In fast allen Branchen, vor allem in den Bereichen Elektrizität, Radioelektronik und Werkzeugbau, werden große Mengen dünner Drähte aus verschiedenen Materialien verwendet. Gleichzeitig werden strenge Anforderungen an die Kreisform und die Gleichmäßigkeit des Durchmessers des Drahtquerschnitts mit hoher Oberflächengüte gestellt. Ein solcher Draht aus Hartmetallen und Legierungen (Wolfram, Chrom-Nickel-Stahl usw.) kann nur mit Diamantformen hergestellt werden. Formen sind Lamellendiamanten mit feinsten Löchern.

Industrielle Anwendungen

Diamantbohren

Die Durchführung von Bohrvorgängen ermöglicht das Diamantbohren, das sich nicht nur durch die hohe mechanische Festigkeit, sondern auch durch die Präzision der Kantenbildung auszeichnet. Die Technologie sieht vor, in den Arbeitsprozess das System der Kühlung der Schneidelemente durch Wasser einzubeziehen. Zusätzlich zur Kühlfunktion übernimmt das System außerdem eine Filterfunktion, die den beim Bohren entstehenden Staub sofort beseitigt.

Diamant wird häufig in der Öl- und Gasindustrie sowie im Bergbau eingesetzt. Diamanten sind das härteste Material und daher sind Diamantbohrkronen in der Lage, Löcher in nahezu jedes Material mit einer Genauigkeit zu bohren, die mit keiner anderen Bohrtechnik erreicht wird. Diamantbohrkronen sind in der Bergbauindustrie weithin bekannt und obwohl die Grundtechnologie gleich aussieht, ist die Polykristalline Diamant-Kompakttechnologie (PDC) speziell für das Bohren von Öl- und Gasquellen konzipiert.

Wärmeleitfähigkeit

Einkristalle aus synthetischem Diamant, angereichert mit Kohlenstoff-12 (99,9 %), isotopenreinem Diamant, haben die höchste Wärmeleitfähigkeit aller Materialien, 7,5-mal höher als die von Kupfer. Die Leitfähigkeit von natürlichem Diamant wird durch den natürlich vorhandenen Kohlenstoff-13, der als Inhomogenität im Gitter wirkt, um 1,1 % verringert. Diese Eigenschaften ermöglichen den Einsatz des Diamanten als Strahler für elektronische oder optoelektronische Komponenten, beispielsweise Laser.

Die natürliche Wärmeleitfähigkeit des Diamanten wird von Spezialisten genutzt, um einen echten Diamanten von einer Imitation zu unterscheiden. Dieser Test basiert auf einem Paar batteriebetriebener Thermistoren, die in einer feinen Kupferspitze montiert sind. Einer fungiert als Heizgerät, während der andere die Temperatur der Kupferspitze misst. Handelt es sich bei dem zu prüfenden Stein um einen Diamanten, leitet dieser die Wärmeenergie der Spitze schnell genug weiter, um einen messbaren Temperaturabfall zu erzeugen. Dieser Test dauert etwa 2–3 Sekunden.

Diamantsand

Diamant wird in verschiedenen Formen verwendet, in der Industrie wird jedoch am häufigsten Diamantpulver verwendet. Die Pulver werden durch Zerkleinerung minderwertiger Naturdiamanten gewonnen und in speziellen Anlagen zur Herstellung synthetischer Diamanten hergestellt. Diamantpulver werden in Kreissägeblättern, Feindiamantbohrern, Spezialfeilen, aber auch als Schleifmittel eingesetzt. Erst mit Hilfe von Diamantpulvern war es möglich, einzigartige Bohrer herzustellen, die feine, tiefe Löcher in harte und spröde Materialien bohren.

Diamantpulver werden in Schleifereien verwendet, in denen alle Edelsteine, einschließlich Diamanten, geschliffen und poliert werden. Im Diamanten entstehen unter Einwirkung eines geladenen Teilchens ein Lichtblitz und ein Impulsstrom. Diese Eigenschaften ermöglichen den Einsatz von Diamanten als Detektoren für nukleare Strahlung. Der Glanz von Diamanten und das Auftreten elektrischer Stromimpulse während der Bestrahlung ermöglichen den Einsatz in schnellen Partikelzählern.

Verwendung von Diamanten in Schmuck

Diamant ist der wertvollste Stein der Welt und entsteht in Milliarden von Jahren unter der Erdoberfläche. Der außergewöhnliche Druck und die Hitze der Erdkruste verwandeln Kohlenstoff in einen wunderbaren Stein, der von vielen am begehrtesten ist. Bei der Herstellung von Schmuck werden Eigenschaften von Diamanten wie Karatzahl, Farbe, Reinheit und Fluoreszenz berücksichtigt.

Die Art und Weise, wie ein Diamant geschliffen wird, ist der wichtigste Faktor für die Attraktivität eines Minerals. Der mit „ausgezeichnet“ oder „perfekt“ gekennzeichnete Artikel bedeutet, dass der Juwelier dafür gesorgt hat, dass der Diamant proportional geschliffen ist. Schlecht geschliffen leuchtet er nicht oder nicht richtig, da das Licht nicht so durch den Stein reflektiert wird, wie es sein sollte. Selbst seine Unvollkommenheiten, wie etwa die gelbliche Farbe, sind bei einem perfekt geschliffenen Diamanten kaum zu erkennen.

Die reichsten Diamantenminen der Welt

Heute ist die weltweite Diamantenproduktion zwischen Afrika und dem Rest der Welt aufgeteilt. Auf den afrikanischen Kontinent entfallen etwa 60 % der weltweiten Diamantenproduktion, mit großen Vorkommen in Ländern wie Botswana (18 %), Südafrika (9 %), der Demokratischen Republik Kongo (15 %), Angola (6 %). Namibia (1 %). Die anderen großen Produktionsländer außerhalb Afrikas sind Russland mit 22 % der Weltproduktion, aber auch Australien (17 %) und Kanada (7 %) sind zwei wichtige Länder in Bezug auf die Diamantenproduktion.

Botswanas erste Diamantenmine wurde ein Jahr nach der Unabhängigkeit, im Jahr 1967, entdeckt, und seitdem ist der Anteil des Sektors an der Wirtschaft im Laufe der Jahre gewachsen. Heute macht der Bergbausektor, allen voran Diamanten, 80 % der Exporte des Landes, 38 % der Haushaltseinnahmen und 23 % der Zolleinnahmen aus. Das Land ist der größte Produzent Afrikas und nach Russland der zweitgrößte der Welt. Die staatliche Kontrolle über Diamanten basiert jedoch auch auf der öffentlich-privaten Partnerschaft mit De Beers, einer Tochtergesellschaft des angloamerikanischen Riesen und dem größten Diamantenunternehmen der Welt. Die beiden Parteien gründeten ein Joint Venture (50/50), Debswana, um Minen zu erkunden, und ein Unternehmen, Diamond Trading Company Botswana (DTCB), um aus den geförderten Diamanten Kapital zu schlagen.

Im Kongo konzentrieren sich die Diamantenvorkommen auf Kasaï-Oriental, in der Nähe von Mbuji-Mayi und Kasaï-Occidental. Sie sind alluvial, eluvial und primär und stehen in engem Zusammenhang mit Kimberlit-Adern. Die Diamanten kommen auch in Bas-Congo, Haut-Congo, Maniema, Equateur und Bandundu vor. Das Land beherbergt fünf Projekte und Möglichkeiten: Blue Diamond, K North, Kasai Diamond, Kayembe Project und Soneco SARL Project.

In Angola boomt der Diamantensektor. Das Land ist derzeit der fünftgrößte Produzent/Exporteur der Welt. Der Großteil (75 %) der Diamantenproduktion Angolas stammt aus einer einzigen Mine, Catoca, die einem Konsortium gehört, zu dem das russische Unternehmen Alrosa und das staatliche Diamantenunternehmen Endiama gehören.

Südafrikas Diamantenindustrie steht oft im Schatten von Gold, Platin oder anderen Branchen, bei denen Rainbow Nation führend ist. In den Minen des Landes wurden jedoch in der Vergangenheit wichtige Diamantenfunde gemacht, beispielsweise in Cullinan, wo der größte Diamant der Geschichte entdeckt wurde.

Südafrika ist die Heimat wichtiger Diamantenhändler wie De Beers und Petra Diamonds. Es wird geschätzt, dass der Großteil der Diamantenproduktion Südafrikas aus der Mine De Beers Venice und der Mine Petra Diamonds Finsch stammt. Die Mine von Venice ist die Hauptquelle der Diamantenproduktion in Südafrika (40 % der Jahresproduktion). De Beers bereitet dort ein unterirdisches Erweiterungsprojekt vor, das es ihm ermöglichen soll, bis 2022 133 Millionen Tonnen Erz zu verarbeiten und im Laufe seiner Lebensdauer etwa 94 Millionen Karat zu produzieren. Außerdem ist das südafrikanische Bergbauunternehmen Diamcor am Krone-Endora-Projekt aktiv, das Explorationsrechte für rund 5888 Hektar umfasst.

Namibia gehört zu den zehn größten Diamantenproduzenten der Welt und seine gesamte Produktion erfolgt im Schwemmland. Der Offshore-Betrieb von De Beers, Debmarine, produziert volumen- und wertmäßig mehr als die Hälfte der namibischen Produktion. Debmarine ist derzeit die einzige große Offshore-Diamantenmine der Welt. Es gehört Namdeb Holdings, einem Joint Venture (50/50) von De Beers und der namibischen Regierung. Das Projekt beherbergt etwa 80 Millionen Karat.

Nach Angaben der Kimberley Process Group war Simbabwe 2014 mit 4,7 Millionen Karat der achtgrößte Diamantenproduzent der Welt. Seitdem ist die Produktion zurückgegangen, und die Regierung beschloss im März 2016, ihre Diamantenminen zu verstaatlichen. Alle in der Region Marange tätigen Unternehmen wurden ausgewiesen, nachdem sie sich geweigert hatten, der Zimbabwe Consolidated Diamond Company (ZCDC) beizutreten, einer staatlich gegründeten Organisation zur Verwaltung ihrer Diamantenminen. Als Grund wurde der Ablauf der Lizenzen genannt.

Sierra Leone war mehrere Jahre lang das Zentrum des Diamantenhandels, der in den 1990er Jahren zur Finanzierung eines Bürgerkriegs genutzt wurde. Obwohl der Krieg 2002 mit mehr als 50.000 Toten endete, hoben die Vereinten Nationen 2003 das Embargo gegen Diamantenexporte auf. Heute scheint sich das Land von diesen dunklen Jahren zu erholen. Zu den größten Projekten in diesem Sektor zählen die Minen Tongo und Tonguma, die zusammen über eine Ressource von 5 Millionen Karat verfügen. Im März 2017 entdeckte ein Forscher in der Provinz Kono einen riesigen 706-Karat-Diamanten.

In Lesotho befindet sich die höchste Diamantenmine der Welt, die Letšeng-Mine, die dem Bergbauunternehmen Gem Diamonds gehört und auf einer Höhe von 3000 m liegt. Die Letšeng-Mine ist für ihre Fähigkeit bekannt, weiße Diamanten von außergewöhnlicher Qualität zu produzieren. Im Januar 2018 wurde von Gem Diamonds ein 910-Karat-Diamant gefunden, der als der fünftgrößte der Welt gilt.

Laut dem Kimberley-Prozess betrug die Diamantenproduktion Tansanias, die im Jahr 2000 356.000 Karat erreichte, im Jahr 2019 207.000 Karat. Die größte Mine des Landes ist Williamson. Bei der Mine handelt es sich um einen Tagebaubetrieb, der auf dem 146 Hektar großen Kimberlitschlot Mwadui basiert, einem der wirtschaftlich größten Kimberlitvorkommen der Welt. Obwohl die Grube seit 1940 in Betrieb ist, ist sie aufgrund der Größe der Lagerstätte an ihrer tiefsten Stelle nur 120 Meter tief. Der geringe Gehalt der Lagerstätte wird durch den hohen Wert ihrer Diamanten ausgeglichen und eignet sich gut für großvolumige Massenabbaumethoden. Williamson ist bekannt für wunderschön abgerundete weiße Ware und „Bubblegum“-Rosadiamanten, darunter der 23 Karat Williamson Pink (54 Karat Rohstein), der als einer der schönsten rosafarbenen Diamanten gilt, die jemals gefunden wurden.

Andere Diamanten produzierende Länder

Weitere afrikanische Diamanten produzierende Länder sind Ghana (174.000 Karat im Jahr 2015), Guinea (167.000 Karat), Liberia (69.000 Karat), Kongo (40.000 Karat), Elfenbeinküste (15.000 Karat) und Kamerun (2.000 Karat). Diese Daten wurden im Oktober 2019 von Kimberley Process veröffentlicht, einer im Jahr 2000 gegründeten Organisation für mehr Transparenz in der globalen Diamantenindustrie.

Über die Kimberley Process Civil Society Coalition (KP CSC)

Das KP CSC hat die besondere Aufgabe sicherzustellen, dass Diamanten zu Frieden und Wohlstand beitragen und nicht zu Konflikten und Elend. Mit diesem Ziel fordern sie die Industrie und die Regierungen der Diamantenproduktions-, -handels- und -herstellungsländer seit jeher und auch weiterhin auf, sicherzustellen, dass Diamanteneinnahmen nicht zur Finanzierung von Konflikten, Gewalt oder Menschenrechtsverletzungen beitragen.

Das KP CSC stellt fest, dass die Russische Föderation und das Diamantenabbauunternehmen Alrosa – an dem die Russische Föderation einen Anteil von 33 % hält – jeweils das größte Diamantenproduzentenland und das größte Diamantenabbauunternehmen der Welt sind und daher einen erheblichen und globalen Einfluss haben diesem Sektor. Sie fordern daher Regierungen, Industrie und das Zertifizierungssystem des Kimberley-Prozesses (KP) auf, sicherzustellen, dass in Russland oder von Russlands staatlichem Diamantenabbauunternehmen Alrosa geförderte Diamanten nicht zur Finanzierung von Konflikten beitragen.