Kristallzüchtung

Kristallzucht ist die künstliche Herstellung von Kristallen im Gegensatz zu durch Kristallisation natürlich gewachsenen Kristallen.

Kristallzucht wird aus folgenden Beweggründen betrieben:

• Es lassen sich durch systematische Zucht sauberer strukturierte Kristalle bilden als die natürlich vorkommenden Kristalle, die allesamt fehlerhaft gewachsen sind. Gut ausgebildete Kristalle spielen in der präparativen Chemie neuer Substanzen eine wichtige Rolle. Mit derartigen Kristallen können Röntgenstrukturanalysen (Einkristalldiffraktometrie) durchgeführt werden, die einen eindeutigen Strukturbeweis ermöglichen.
• Es lassen sich große Mengen Kristalle vergleichsweise günstig herstellen. Das Erschürfen natürlich gewachsener Kristalle wäre um ein Vielfaches teurer.
• Es lassen sich Kristalle züchten, die in der Natur gar nicht oder nur als Kümmerformen existieren.
• Kristallzucht wird auch als Hobby betrieben.

Züchtungsmethoden

Es werden viele verschiedene Züchtungsverfahren für Einkristalle unterschieden.

Dazu gehören:

• aus gesättigter Lösung
• aus der Gasphase (siehe auch: Chemische Gasphasenabscheidung)
• nach Nacken und Kyropoulus (Schmelze mit Keim im Ofen abkühlen lassen; erzeugt starke Spannungen)
• Bridgman-Stockbarger-Verfahren (Ampulle oder Tiegel mit polykristallinem Material Impfkristall durch einen Ofen mit Temperaturgradienten bewegen)
• Czochralski-Verfahren (Ziehen des Einkristalls mittels Impfkristall aus einer Schmelze heraus)
• Zonenschmelzverfahren (Bewegen eines polykristallinen Materials durch einen geheizten Ring)
• Pedestalverfahren (Mischform aus Czochralski- und Zonenschmelzverfahren)
• Verneuil-Verfahren (Pulver wird mittels Brenner verflüssigt und tropft auf Impfkristall)
• Hydrothermalsynthese

Beispiele

• Gallium-Arsenid (GaAs, Gallium + Arsen) wird industriell zu Kristallen gezüchtet und danach weiterverarbeitet zu Wafern für die Computerindustrie.

• Silizium ist das mit Abstand wichtigste Grundmaterial für die Halbleiterindustrie. Silizium-Einkristalle werden zumeist nach dem Czochralski-Verfahren (untergeordnet auch nach dem Zonenschmelzverfahren für Leistungshalbleiter) aus der Schmelze gezüchtet. Die Kristalle anschließend zersägt, poliert und als Wafer verschiedener Durchmesser in der Mikroelektronik-Industrie zu diskreten Halbleiterbauelementen (Dioden, Transistoren, etc.) und integrierten Schaltkreisen verarbeitet.

• Synthetische Edelsteine wie z.B. Korund können mittels Verneuil-Verfahren hergestellt werden.

Kristallzucht mit Salzen

Als Hobby lassen sich Kristalle aus Salzen züchten. Diese können in Gefäßen als separate Kristalle oder mit Hilfe von Impfkristallen an eingehängten Fäden hergestellt werden. Auch eine Zucht auf Steinen ist möglich.

Neben der Zucht von Kristallen aus Kochsalz gibt es im Handel Experimentierkästen, die einzeln verpackte Mengen von Alaun, Ammoniumdihydrogenphosphat und Calciumsulfat enthalten. Diese können mit Lebensmittelfarbe eingefärbt sein, damit die Kristalle natürlichen Mineralen ähneln. Außer diesen Salzen sind Kupfersulfat und Seignettesalz gut für eine Zucht geeignet, da sie große und regelmäßige Kristalle bilden. Des Weiteren zeigt sich, dass für die Zucht von möglichst regelmäßigen Kristallen keine übersättigten Lösungen verwendet werden sollten, da sich die Kristalle sonst sehr schnell bilden. Da die Teilchen keine Zeit haben, sich zu ordnen, bilden sich mehrere kleinere Kristalle.

Geeignete Salze

• Kupfersulfat
• Seignettesalz
• ADP-Salz (Ammoniumdihydrogenphosphat)
• AMAG-Salz (Ammoniummagnesiumsulfat)
• AMCO-Salz (Ammoniumcobaltmagnesiumsulfat-Hexahydrat)
• AMNI-Salz (Ammoniumnickelmagnesiumsulfat)
• Ammoniumsulfat
• Pottasche (Kaliumcarbonat)
• Chromalaun (Chrom(III)-kaliumsulfat-Dodecahydrat)
• Gelbes Blutlaugensalz (Kaliumhexacyanoferrat(II)-Trihydrat)
• Rotes Blutlaugensalz (Kaliumhexacyanoferrat(III))
• Kalialaun (Kaliumaluminiumsulfat-Dodecahydrat)
• Cobalt(II)-sulfat (Kobaltsulfat-Heptahydrat)

Methoden

Grundlegend werden zwei Methoden unterschieden:

Verdunstungsmethode

Die Verdunstungsmethode nutzt die Konzentrationserhöhung, die entsteht, wenn das Wasser der Salzlösung verdunstet und das Salz in der Lösung zurückbleibt. Die Begründung dafür sind die unterschiedlichen Siedetemperaturen von Salz und Wasser. Bei längeren Verdunstungsvorgängen entsteht ab einer bestimmten Konzentration eine Übersättigung und schließlich bilden sich aus dem abgeschiedenen Salz Kristalle. Die Verdunstungsmethode dauert zwar länger als die Abkühlungsmethode (Wochen bis Monate) allerdings bilden sich qualitativ hochwertigere Kristalle (bessere Form, glasklar).

Abkühlungsmethode

Die Abkühlungsmethode beruht auf der Eigenschaft, dass sich viele Salze bei höheren Temperaturen besser in Wasser lösen. Begründen lässt sich diese Tatsache damit, dass sich die Wassermoleküle bei höheren Temperaturen stärker bewegen und dadurch mehr Salz aufnehmen können. Ähnlich wie bei der Verdunstungsmethode bilden sich nach einer Übersättigung Kristalle. Allerdings ist diese Methode aufwändiger als jene und die sich bildenden Kristalle sind um Einiges unregelmäßiger und qualitativ nicht so hochwertig wie bei der Verdunstungsmethode (trübe Kristalle).

Weblinks

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

Literatur

• K.-Th. Wilke, J. Bohm: Kristallzüchtung, VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin 1988

Siehe auch

• Epitaxie