Monokristall

Monokristallines Silizium (sogenannter Ingot) für die Wafer-Herstellung

Ein Einkristall ist ein makroskopischer Kristall, dessen Bausteine (Atome, Ionen oder Moleküle) ein einheitliches, homogenes Kristallgitter bilden. Dies unterscheidet Einkristalle von polykristallinen Aggregaten, verzwillingten Kristallen oder amorphen Substanzen.

Chemische Unterscheidung

Man unterscheidet Einkristalle nach ihren chemischen Bestandteilen in drei Gruppen:

Chemische Elemente

Einkristalle werden in der Halbleiterindustrie zur Herstellung von Wafern benötigt, beispielsweise aus Silicium. Große Einkristalle werden durch Animpfen von geschmolzenem Ausgangsmaterial mit einem kleinen Einkristall (Impfkristall) im Czochralski-Verfahren (Tiegelziehen) hergestellt. Eine andere Möglichkeit stellt das Zonenschmelzverfahren dar. Neben den Einkristallen aus einem chemischen Element gibt es auch Einkristalle aus mehr oder weniger komplexen Verbindungen wie Galliumarsenid oder Lithiumniobat.

Chemische Verbindungen

Einkristalle werden zur Strukturaufklärung von chemischen Verbindungen unter Anwendung von Röntgenstrahlen, Neutronenstrahlen oder Synchrotronstrahlen benötigt, um unter anderem die genauen Bindungsabstände und die Anordnung der Atome in einem Molekül zu ermitteln. Die benötigten Kristalle brauchen dabei selten größer als ein Millimeter zu sein.

Biologische Makromoleküle

Mit Hilfe der Einkristall-Röntgenstrukturanalyse werden die dreidimensionalen Strukturen von makrozyklischen Verbindungen, Naturstoffen, Proteinen, DNA und RNA bei hoher Auflösung bestimmt.

Anwendung zur Analyse

Die Kristallstrukturanalyse zur Aufklärung von Molekülstrukturen ist heute eine Standardmethode der Chemie und der Biochemie. Hierfür ist jedoch die Kristallisation der Moleküle Voraussetzung, was insbesondere bei biologischen Molekülen sehr schwierig sein kann. Idealerweise wird die Untersuchung an einem Einkristall durchgeführt. Manchmal ist dies unmöglich, da nicht genügend große Einkristalle einer Substanz zur Verfügung stehen. Heutzutage ist es zwar möglich, selbst das Beugungsmuster von Kristallpulvern im Rahmen einer Kristallstrukturanalyse auszuwerten, allerdings geht hierbei durch Überlagerung von Beugungsmaxima Information verloren, sodass die Ergebnisse von geringerer Qualität sind. Doch selbst aufwendig gezüchtete Einkristalle besitzen noch Gitterfehler.

Mechanisch-technische Anwendung

In der Technik werden Einkristalle wegen ihrer reproduzierbaren Eigenschaften eingesetzt. Da sie nahezu keine Korngrenzen oder anderen Strukturfehler besitzen, erhöht sich beispielsweise die mechanische Belastbarkeit des Materials. So werden z. B. Turbinenschaufeln als Einkristall aus Nickelbasis-Legierungen gefertigt. Dabei haben diese Einkristalle eine einheitliche Ausrichtung der Gitterstruktur, können aber durchaus mehrere Phasen besitzen.