Perfekte Kristalle aus schwebenden Tropfen

  • 14. December 2016

Wachstum ohne mechanischen Stress führt zu höhere Quali­tät bei Meta­kris­tallen.

Forscher der Universität Twente in den Niederlanden wollen die Kristalle schwebend wachsen lassen. Das geschmol­zene Metall, aus dem die hoch­reinen Kristalle ge­wonnen werden, schwebt dank eines elektro­magne­tischen Feldes in einem Vakuum. Durch das elektro­magne­tische Schweben erfährt das Material keinen Druck von den Wänden her. Defekte am Kristall werden so auf ein Minimum redu­ziert.

Kristallwachstum

Abb.: Kristallwachstum im Vakuum – graphische Dar­stel­lung des Ver­fahrens. (Bild: U. Twente)

Kristalle mit hervorragenden Eigenschaften finden beispielsweise in der Halb­leiter­industrie oder in Teilchen­beschleu­nigern Ver­wen­dung. Die übliche Technik für das Kristall­wachs­tum sieht so aus: Das Material wird in einem Schmelz­tiegel erhitzt bis es flüssig ist. Anschlie­ßend wird eine etwas kältere Stange mit einem Kristall­keim in die Flüssigkeit einge­taucht und ebenda expan­diert das Metall in fester Form, in Kris­tallen. Durch die Wände des Schmelz­tiegels erfährt das Material aller­dings Stress und das Material des Tiegels hinter­lässt Spuren. Dabei kann eine Konta­mi­nation mit Kohlen­stoff auf­treten.

Die Hinwendung zu schwebendem Wachstum ist vielversprechend, aber nicht selbst­ver­ständ­lich. Die Kunst besteht darin, die Flüssig­keit schwebend zu halten. Eine Ultra­violett­quelle stellt sicher, dass das Metall ioni­siert wird. Durch die elek­trische Ladung kann es unter dem Ein­fluss eines elek­tri­schen Feldes schweben. Der Laser lässt das Metall schmelzen und durch den Posi­tions­sensor wird der schwebende Tropfen an seinem Platz ge­halten. In der Flüs­sig­keit wächst dann der Keim des neuen Kristalls. Er wird als Ganzes aus dem Vakuum­system extra­hiert. Für die ange­strebten Kristall­größen genügt die elektro­statische Levi­tation wahr­schein­lich nicht. Daher fällt die Wahl auf die elektro­magne­tische Variante.

Kein Kontakt mit einer Wand, unter Ultrahochvakuum und sehr rein: Ergeben sich hier­durch tat­säch­lich Kristalle mit hervor­ragen­den Eigen­schaften? Das Team der Uni Twente wird die neuen Kristalle mit einer ganzen Reihe von Tech­niken wie Low Energy-Elek­tronen­mikro­skopie und Raster­kraft­mikro­skopie charak­teri­sieren. Kollegen der Univer­sität Leiden unter­suchen die chemischen Eigen­schaften der Kristalle. Für das Projekt „Perfek­tio­nierung von Metall­kristallen“ hat die Techno­logie­stiftung STW dem Team eine halbe Million Euro für einen Zeit­raum von vier Jahren zuer­kannt.

U. Twente / RK

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  • 30. November 2017

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