Perfekte Kristalle aus schwebenden Tropfen
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.
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-
U. Twente / RK