Kristallzüchtung – eine Schlüsseltechnologie
Einkristalle sind aus unserem Leben nicht wegzudenken. In Form von Juwelen üben sie seit Jahrhunderten eine ungebrochene Faszination auf die Menschheit aus. Neben dieser rein ästhetischen Funktion kommt den Einkristallen aber auch eine äußerst wichtige technische Bedeutung zu. Viele umwälzende Neuerungen der vergangenen 50 Jahre wären ohne die Verwendung von Bauteilen, die aus Einkristallen bestehen, nicht möglich gewesen:
- Computer, Internet, Handy, Fernsehen, GPS, LEDs und Solarzellen basieren auf Halbleiter-Kristallen.
- In der Optik werden Einkristalle zum Beispiel in Form von Fenstern und Linsen in hochent-wickelte optische Systeme integriert.
- Mit Laserkristallen bestückte Geräte erlauben die Entwicklung von neuartigen Behandlungs-methoden in der Medizin. Auch in der modernen Messtechnik und in der Materialverarbeitung gehören Laserwerkzeuge mittlerweile zum Standard.
- Metall-Kristalle werden wegen ihrer Beständigkeit bei hohen Temperaturen als Schaufeln für Hochleistungsturbinen zur Energiegewinnung eingesetzt.
Die enorme Bedeutung von Einkristallen spiegelt sich in den stark steigenden Produktionszahlen wider. Die Weltjahresproduktion von großen Einkristallen ist von 5000 Tonnen im Jahr 1980 auf heute über 30 000 Tonnen angestiegen.
Aktuelle Forschungsthemen in der Kristallzüchtung
Die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten in der Kristallzüchtung werden durch die spezifischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung bestimmt. Es gibt jedoch gemeinsame Zielsetzungen, die für praktisch alle Kristallzüchtungs-Technologien gelten.
- Die Anlagen müssen vergrößert werden, um größere Kristalle züchten zu können und so die Produktivität und Ausbeute zu erhöhen.
- Kristallfehler, welche die Leistung und Funktion der aus den Kristallen hergestellten Produkte beeinträchtigen, müssen vermieden werden.
- Andere, sehr spezielle Kristallfehler müssen kontrolliert in den Kristall eingebaut werden, um damit die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Kristalle den Erfordernissen der jeweiligen Anwendungen anzupassen.
- Für alle relevanten Kristalleigenschaften im Mikro- und Makrobereich muss eine große Homogenität und hohe Reproduzierbarkeit erreicht werden.
Defect-Engineering, eine moderne Lösungsstrategie
Mit Hilfe des sogenannten Defect-Engineering versuchen Forscher und Entwickler, größere Kristalle zu züchten und gleichzeitig deren Qualität im mikroskopischen oder sogar atomistischen Bereich zu verbessern. Dies wird durch eine genau kontrollierte Wahl der Wachstumsbedingungen erreicht. Die Fehlerbildung ist in den meisten Fällen direkt an das Temperaturfeld während des Wachstums gekoppelt. Die Lösungsstrategie ist deshalb zweigleisig. Zum einen wird der Kristallzüchtungsprozess sorgfältig analysiert, um die Beziehung zwischen den wichtigen Züchtungsbedingungen zu finden und mit diesen Informationen ein Modell für die Fehlerbildung zu erstellen. Zum anderen wird ein Prozessmodell entwickelt, das die Wachstumsparameter (also jene Elemente des Züchtungsprozesses, die direkt manipuliert werden können) zu den Wachstumsbedingungen (meist das Temperaturfeld) in Beziehung setzt. Dies erreicht man durch die kombinierte Anwendung von experimenteller Analyse und Computersimulation.