Kristálynövekedés

A kristálynövekedés (ritkábban a kristálynövekedés ) alatt a kristályok mesterséges előállítását értjük. Mindkét kifejezés leírja a kristályt szállító technikai folyamatot. Németül ezt meg kell különböztetni a kristálynövekedéstől , attól a kémiai vagy fizikai természetes folyamattól, amely atomok vagy molekulák hozzáadásával kristályok képződéséhez vezet. Angolul mindkét kifejezést kristálynövekedésként írják le . A kristályosítás (angol kristályosítás ) általában egy vagy több kristály képződését jelenti, a konkrét eljárástól függetlenül.

Mivel a kristályok számos modern műszaki alkalmazás nélkülözhetetlen anyagi alapját képezik, egyes anyagok (elsősorban szilícium) kristályainak termesztését napjainkban ipari méretekben, évente néhány ezer tonna nagyságrendben végzik világszerte. Ezekben az esetekben a kristály önmagában, vagy a belőle készült alkotóelem jelenti a törekvések célját, de gyakran más célokat követnek az új anyagok előkészítő kémiájában . Itt a vizsgálandó anyag kicsi, de jól formált kristályait rutinszerűen megvizsgálják röntgenszerkezeti elemzéssel (egykristályos diffraktometria), és ezáltal meghatározzák a kristályszerkezetet . Már az 1950 -es években ilyen vizsgálatokat alkalmaztak a dezoxiribonukleinsav (DNS) szerkezetének meghatározására, mint az élőlények genetikai információjának hordozója.

Tenyésztési módszerek

Az osztályozás célszerűen a fázisátmenet típusán alapul , amely a kristály kialakulásához vezet:

Növekszik az olvadékból

Mindezekben a folyamatokban az olvadékból származó kristálynövekedést az váltja ki, hogy az eredetileg T f olvadási hőmérséklet feletti térfogatot (az olvadék) lassan lehűtik T f alatti hőmérsékletre, és a folyamat során kristályosodik.

  • Verneuil -eljárás : A por alakú kiindulási anyagot egy égő segítségével cseppfolyósítják , és rácsepegtetik egy magkristályra ( magkristály ).
  • Bridgman-eljárás vagy Bridgman-Stockbarger-eljárás : Az olvadék ampullában van. Ezt egy függőleges csőkemence csökkenti, amely T 1  >  T f hőmérsékletet generál a felső részben és T 2  <  T f az alsó részben . Ez az eredeti változat függőleges Bridgman -módszerként is ismert ; Azonban vízszintes hőmérséklet -gradienssel rendelkező változat is működik ( vízszintes Bridgman -módszer )
  • Nyak Kyropoulus eljárás : Richard Nacken és Spyro Kyropoulos nevéhez fűződik . Az olvadék hőmérséklete csak kismértékben a fenti T f van egy tégelybe, és egy kissé hűvösebb oltókristály elárasztásra bele felülről . A kristály a tégelybe nő.
  • Czochralski -folyamat : a fenti folyamat továbbfejlesztése. Nagyobb hosszúságok lehetségesek, ha lassan felfelé húzzák a kristályt. A kristályosodási front ugyanabban a magasságban marad, így jobban szabályozható a hőmérséklet. Ezenkívül a kristályt lassan forgatják, hogy kompenzálják a vízszintes hőmérséklet -gradienseket. Ez nagyobb átmérőket tesz lehetővé. A forgás elvékonyítja a kristályosodási front előtti határréteget is, így a szennyeződések, amelyeknek nem kellene beépülniük a kristályba, gyorsabban elszállnak.
  • Zónaolvasztási folyamat : Két változatban működik:
    • Zóna olvadás a tégelyben: Hasonló a Bridgman -eljáráshoz, vízszintes vagy függőleges; a kemencét azonban úgy tervezték, hogy csak egy keskeny zóna legyen T f felett . Ez a zóna a kemence vagy a tégely mozgásán keresztül „vándorol” a maradék anyagon keresztül T  <  T f .
    • Tégelymentes zónaolvasztás ( úszó zóna ): Csak elektromosan vezető anyagoknál működik, és különösen a legjobb minőségű szilíciumkristályoknál használatos . A polikristályos betápláló rudat függőlegesen tolják egy tekercsen, amely örvényáramot generál az anyagban az alkalmazott váltakozó feszültség révén . Az anyag elektromos ellenállása miatt ez az örvényáram T f fölé melegszik egy keskeny olvadási zónában. Ez viszont áthalad az anyagon, miközben a kristály és a betápláló rúd a tekercshez képest mozog.

Növekedés a gázfázisból

A gázfázisból való növekedésnek alapvetően két módja van : szublimáció vagy fizikai gázfázisú lerakás és kémiai gázfázisú lerakás .

A szublimációt vagy a fizikai gőzlerakást (PVD) úgy végezzük, hogy a termeszteni kívánt anyagot először fizikailag elpárologtatjuk, például úgy, hogy addig melegítjük, amíg gázfázisba nem változik. Az anyagot nem feltétlenül kell előzetesen megolvasztani (szublimáció). Az ilyen viselkedés azt mutatja, hogy pl. B. elemi jód . A gáz magvakristályba kerül, és megfelelő körülmények között lehetővé teszi egy kristály növekedését.

A kémiai gőzlerakás (CVD) műszakilag hasonló módon működik; de itt az S anyag gázfázisba növesztendő átmenetét csak egy segédanyag teszi lehetővé ( szállítóeszköz , H ), mert különben gőznyomása és ezáltal a szállítási sebesség is túl alacsony lenne. Az S  +  H  →  SH reakció a forrásnál megy végbe . A gáz halmazállapotú SH ezután a magkristályba kerül , ahol az SH  →  S  +  H fordított reakcióban az eredeti anyag ismét képződik, és kristályként lerakódik. A H segédanyag tehát ismét rendelkezésre áll, és nem kerül felhasználásra a folyamat során. Az ilyen folyamatokat gyakran a félvezetők epitaxiájában hajtják végre.

Kultúra a megoldásból

A legegyszerűbb esetben az anyagot megfelelő oldószerben ( sók esetében gyakran vízben ) feloldjuk, amíg telítődik . Az oldatból származó kristálynövekedést ezután vagy az oldószer elpárologtatása, vagy a hőmérséklet változása váltja ki. (Általában hűtéssel, mert az oldhatóság rendszerint csökken a hőmérséklet csökkenésével.) Alternatív megoldásként az oldhatóság más anyagok (például etanol vizes oldatokhoz) hozzáadásával is csökkenthető . A sók kristálynövelése vizes oldatokból részben egyszerű, és elvégezhető az iskolában vagy otthon végzett kémiai órák segítségével. Az üzletekben megfelelő kísérleti készletek kaphatók. Alkalmas anyagok pl. B. Vitriol , alumínium (KAl (SO 4 ) 2 · 12H 2 O vagy mások) vagy sárga véralúg -só ( kálium -hexacianidoferrát (II) trihidrát).

Egyes anyagok, például a szilícium -dioxid (SiO 2 ) normál nyomáson csak nagyon rosszul oldódnak vízben, de hidrotermikus körülmények között sokkal jobban. Ezt a hidrotermális termesztési folyamatokban kihasználják pl. B. SiO 2 (azaz homok) szuperkritikus bázikus oldószerekben, amelyek autoklávokban helyezkednek el , feloldva és átkristályosítva a reaktor hidegebb pontjain. Az α-kvarcot ( kvarcot ), mint a legfontosabb piezoelektromos kristályt így állítják elő. Az olvasztóoldatokat speciális célokra használják, és többnyire csak a kutatásban. Itt egy olvadt más anyag szolgál oldószerként a termesztendő anyaghoz.

sztori

A (nagy) ipari kristálynövekedés csak a 20. század eleje óta létezik a rubin kereskedelmi termesztésére szolgáló Verneuil -eljárás feltalálásával .

A kristályokat azonban jóval hosszabb ideig termesztették, mivel a kínaiak állítólag már ie 2700 -ban kifejlődtek. Chr. Eljárás sókristályok kinyerésére. A kristályokról és azok kinyeréséről további feljegyzések találhatók Idősebb Pliniusban (i . Sz . 23–79 körül) a vitriolokon és Georgius Agricolában (1494–1555), aki többek között. írt a salétrom tisztításáról kristályosítással.

Az egyik első szolvotermikus szintézis Robert Wilhelm Bunsenre nyúlik vissza , aki 1839 -ben bárium- és stroncium -karbonát -termesztésre használta fel .

1852 -ben először herapatitot állítottak elő, amely erős polarizációt mutat, majd később kereskedelmi forgalomban oldatból termesztették; később ezeket a kristályokat polarizáló fóliák hámozták le.

Az első sikeres kísérletek a rubin mesterséges előállítására, a Verneuil -féle áttörés előtt , H. Gaudintól származtak 1837 és 1840 között, de úgy vélte, hogy csak üveget készített, mert a sűrűsége nem látszott megegyezni a természetes rubinnal. valószínűleg a beszorult gázbuborékok miatt.

Jan Czochralski 1916 -ban Berlinben fejlesztette ki a róla elnevezett Czochralski -folyamatot . Ez a folyamat most elsősorban a nagy szilícium - egykristályok - a számítógép- és napenergia -iparban használt - vontatására szolgál.

Az ezt követő években a kristálynövekedés gyorsan nőtt a fejlődő technológia számára megfelelő anyagok szükségessége miatt, és mára számos technikai eredmény egyik alapja, például a lézerek és a félvezető technológia területén .

Értékelés

A kristályok nélkülözhetetlen kulcsanyagai számos tudományos és műszaki alkalmazásnak, és ennek megfelelően a kristálytermesztés magas minőségi és mennyiségi szinten napjainkban világszerte az iparban, valamint az egyetemeken és kutatóintézetekben honos. A Scheel a következő adatokat adja a kristálytípusok globális össztermeléséről: 1979: 5000 tonna, 1986: 11 000 tonna, 1999: 20 000 tonna. Ezek a teljes összegek nagyjából a következők szerint oszlanak meg:

Anyagcsoport aránya Példák
félvezető 60% Szilícium , gallium -arzenid
Szcintillátorok 12% Tl: CsI, BGO
optika 10%
Acousto-optika 10% Lítium -niobát
Lézer , NLO 05% Cr: Al 2 O 3 ( rubin ), Nd: YAG
Órák , ékszerek 03% Al 2 O 3 kristály, mint óraüveg

irodalom

  • Klaus-Thomas Wilke, Joachim Bohm (szerk.): Kristálynövekedés . 2. kiadás: Verlag Deutsch, Thun 1988 (2 kötet).
  • Hans J. Scheel: A kristálynövelési technológia történeti vonatkozásai . In: Journal of Crystal Growth . szalag 211 , nem. 1-4 , 2000, pp. 1-12 , doi : 10.1016 / S0022-0248 (99) 00780-0 .

web Linkek

Egyéni bizonyíték

  1. ↑ mineralienatlas.de .
  2. ↑ Klaus-Thomas Wilke, Joachim Bohm (szerk.): Kristallzüchtung , 2. kiadás. Verlag Deutsch, Thun 1988 (2 kötet).
  3. ↑ RA Laudise: A kristályok hidrotermális szintézise . In: C&EN . 28, 1986, 30-43.
  4. ^ D. Harris: Egy évszázados zafírkristály -növekedés . In: Proceedings of the 10. DoD Electromagnetic Windows Symposium Norfolk, Virginia. 2004.
  5. ^ Hans J. Scheel: A kristálynövelési technológia történeti vonatkozásai . In: Journal of Crystal Growth . szalag 211 , nem. 1-4 , 2000, pp. 1-12 , doi : 10.1016 / S0022-0248 (99) 00780-0 .