Kristallzucht

Unter Kristallzucht (synonym auch Kristallzüchtung) wird die künstliche Herstellung von Kristallen verstanden. Beide Begriffe beschreiben folglich den technischen Prozess der den Kristall liefert. Dies ist im Deutschen zu unterscheiden von Kristallwachstum (dem chemischen oder physikalischen Prozess der durch Anlagerung von Atomen oder Molekülen zur Bildung von Kristallen führt). Im Englischen werden alle genannten Begriffe mit crystal growth beschrieben. Kristallisation (englisch crystallisation) hingegen bedeutet die Bildung von einem oder vielen Kristallen in einem nicht näher betrachteten Prozess.

Da Kristalle für viele moderne technische Anwendungen die unverzichtbare Materialbasis darstellen, wird die Zucht von Kristallen einiger Materialien (an erster Stelle Silicium) heute in Größenordnungen von einigen Tausend Tonnen jährlich weltweit industriell betrieben. In diesen Fällen stellt also der Kristall als solcher, bzw. das daraus hergestellte Bauelement, das Ziel der Bemühungen dar. Eine andere Zielsetzung wird hingegen oft in der präparativen Chemie neuer Substanzen verfolgt (besonders pharmazeutische Chemie). Hier werden kleine aber gut ausgebildete Kristalle der zu untersuchenden Substanz routinemäßig durch Röntgenstrukturanalyse (Einkristalldiffraktometrie) untersucht, und dadurch die Kristallstruktur bestimmt. Es sei darauf hingewiesen, dass schon in den 1950er Jahren die Strukturbestimmung der Desoxyribonukleinsäure (DNA) als Träger der Erbinformation von Lebewesen durch solche Untersuchungen erfolgte.

Züchtungsmethoden

Die Klassifikation erfolgt zweckmäßig nach der Art des Phasenübergangs der zur Bildung des Kristalls folgt:

Züchtung aus der Schmelze

Das Kristallwachstum aus einer Schmelze wird bei allen diesen Verfahren dadurch ausgelöst, dass ein ursprünglich oberhalb der Schmelztemperatur T_f befindliches Volumen (die Schmelze) langsam auf eine Temperatur kleiner T_f abgekühlt wird und dabei kristallisiert.

• Czochralski-Verfahren: Die Schmelze (Temperatur nur wenig oberhalb T_f) befindet sich in einem Tiegel. Von oben taucht ein Keimkristall ein und wird unter Drehung nach oben gezogen.
• Bridgman-Verfahren bzw. Bridgman-Stockbarger-Verfahren: Die Schmelze befindet sich in einer Ampulle. Diese wird durch einen vertikalen Rohrofen abgesenkt, der im oberen Teil eine Temperatur T₁ > T_f und im unteren Teil T₂ < T_f erzeugt. Diese ursprüngliche Variante wird auch als vertikales Bridgman-Verfahren bezeichnet; es wird aber auch eine Variante mit horizontalem Temperaturgradienten betrieben (horizontales Bridgman-Verfahren)
• Zonenschmelzverfahren: Wird in zwei Varianten betrieben:
  • Zonenschmelzen im Tiegel: Ähnlich dem Bridgman-Verfahren horizontal oder vertikal; allerdings ist der Ofen so konstruiert, dass sich nur eine schmale Zone oberhalb T_f befindet. Diese Zone „wandert“ durch Bewegung des Ofens oder des Tiegels durch das bei T < T_f befindliche übrige Material.
  • Tiegelfreies Zonenschmelzen (floating zone): Funktioniert nur für elektrisch leitende Materialien und wird insbesondere für Silicium-Kristalle höchster Qualität verwendet. Dabei wird ein polykristalliner Vorratsstab senkrecht durch eine Spule geschoben, die durch anliegende Wechselspannung einen Wirbelstrom im Material erzeugt. Dieser Wirbelstrom führt wegen des elektrischen Widerstandes des Materials zu einer Erwärmung bis oberhalb T_f in einer schmalen Schmelzzone. Diese wandert wiederum durch Bewegung von Kristall und Vorratsstab relativ zur Spule durch das Material.
• Verneuil-Verfahren: Das pulverförmige Ausgangsmaterial wird mittels Brenner verflüssigt und tropft auf einen Impfkristall (Keimkristall).
• Nacken-Kyropoulus-Verfahren: Benannt nach Richard Nacken und Spyro Kyropoulos. Dabei befindet sich ähnlich dem Czochralski-Verfahren die Schmelze in einem Tiegel und von oben taucht ein Keimkristall ein. Die Kristallisation wird hier aber nicht durch Bewegung des Keimkristalls erreicht, sondern durch dessen Abkühlung z. B. mittels Anblasen durch Luft (oder auch Helium, wegen der höheren Wärmeleitfähigkeit).

Züchtung aus der Gasphase

Bei der Züchtung aus der Gasphase gibt es im Wesentlichen zwei Verfahren die Sublimation bzw. physikalische Gasphasenabscheidung sowie die chemische Gasphasenabscheidung.

Die Sublimation bzw. physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) wird durchgeführt, indem die zu züchtende Substanz zunächst auf physikalischem Weg verdampft wird, beispielsweise indem man sie so weit erhitzt, dass sie in die Gasphase übergeht. Dabei muss die Substanz nicht notwendiger Weise zuvor geschmolzen sein (Sublimation). Ein solches Verhalten zeigt z. B. elementares Iod. Das Gas bewegt sich zu einem Keimkristall und ermöglicht unter geeigneten Bedingungen dort das Wachstum eines Kristalls.

Die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) funktioniert technisch ähnlich; aber hier wird der Übergang der zu züchtenden Substanz S in die Gasphase erst durch eine Hilfssubstanz (Transportmittel, H) ermöglicht, weil ansonsten deren Dampfdruck und damit auch die Transportrate zu gering wäre. Damit findet an der Quelle eine Reaktion S + H → SH statt. Das gasförmige SH bewegt sich dann zum Keimkristall wo in der Rückreaktion SH → S + H die ursprüngliche Substanz wieder gebildet und als Kristall abgeschieden wird. Die Hilfssubstanz H steht damit wieder zur Verfügung und wird im Prozess nicht verbraucht. Solche Prozesse werden oft in der Epitaxie von Halbleitern durchgeführt.

Züchtung aus der Lösung

Im einfachsten Fall wird die Substanz in einem geeigneten Lösungsmittel (bei Salzen oft Wasser) bis zur Sättigung gelöst. Das Kristallwachstum aus der Lösung wird dann entweder durch Verdunsten des Lösungsmittels oder durch Temperaturänderung ausgelöst. (Meist durch Abkühlung, weil sich die Löslichkeit in der Regel mit abnehmender Temperatur verringert.) Alternativ kann die Löslichkeit auch durch Zugabe anderer Substanzen (z. B. Ethanol zu wässrigen Lösungen) verringert werden. Kristallzucht von Salzen aus wässrigen Lösungen ist teilweise einfach und mit Mitteln des Chemie-Unterrichtes in Schulen oder zu Hause durchführbar. Entsprechende Experimentierkästen werden im Handel angeboten. Geeignete Substanzen sind z. B. Kupfervitriol, Alaune (KAl(SO₄)₂·12H₂O oder andere), Gelbes Blutlaugensalz (Kaliumhexacyanidoferrat(II)-Trihydrat.

Einige Substanzen wie Siliciumdioxid (SiO₂) lösen sich unter Normaldruck nur sehr schlecht in Wasser, aber unter hydrothermalen Bedingungen wesentlich besser. Dies wird in hydrothermalen Züchtungsverfahren ausgenutzt, indem z. B. SiO₂ (also Sand) in überkritischen basischen Lösungsmitteln die sich in Autoklaven befinden gelöst und an kälteren Stellen des Reaktors wieder kristallisiert werden. α-Quarz (Quarz) als wichtigster piezoelektrischer Kristall wird so produziert. Für Spezialzwecke und meist nur in der Forschung werden Schmelzlösungen eingesetzt. Hier dient eine geschmolzene andere Substanz als Lösungsmittel für das zu züchtende Material.

Wertung

Kristalle sind für viele wissenschaftlich-technische Anwendungen unverzichtbare Schlüsselmaterialien und entsprechend ist Kristallzüchtung auf hohem qualitativen und quantitativen Niveau heute weltweit sowohl in der Industrie als auch in Universitäten und Forschungsinstituten etabliert. Scheel^[1] gibt folgende Daten für die weltweite Gesamtproduktion aller Kristallarten: 1979: 5000 Tonnen, 1986: 11000 Tonnen, 1999: 20000 Tonnen. Diese Gesamtmengen verteilen sich etwa wie folgt:

Materialgruppe	Anteil	Beispiele
Halbleiter	60 %	Silicium, Galliumarsenid
Szintillatoren	12 %	Tl:CsI, BGO
Optik	10 %
Akustooptik	10 %	Lithiumniobat
Laser, NLO	5 %	Cr:Al2O3 (Rubin), Nd:YAG
Uhren, Schmuck	3 %	Al2O3-Kristall als Uhrglas

Literatur

• Klaus-Thomas Wilke, Joachim Bohm (Hrsg.): Kristallzüchtung. 2. Aufl. Verlag Deutsch, Thun 1988 (2 Bde.).
• Hans J. Scheel: Historical aspects of crystal growth technology. In: Journal of Crystal Growth. 211, Nr. 1–4, 2000, S. 1–12, doi:10.1016/S0022-0248(99)00780-0.

Weblinks

• Leibniz-Institut für Kristallzüchtung, Berlin-Adlershof
• Unterschiede der Kristallzüchtungsmethoden
• Diverse Methoden und Varianten im Überblick
• Technische Zuchtverfahren und Experimente für zu Hause

Einzelnachweise

1. ↑ Hans J. Scheel: Historical aspects of crystal growth technology. In: Journal of Crystal Growth. 211, Nr. 1–4, 2000, S. 1–12, doi:16/S0022-0248(99)00780-0.