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Materialforschung:Ingenieure wollen im Weltall Kristalle züchten

Wissenschaftliche Tagung zu Kristallen

Künstlich gezüchtete Kristalle aus Calciumfluorid

(Foto: dpa/dpaweb)

In beinahe jedem technischen Gerät sind Kristalle verbaut. Doch die Ansprüche an das Material steigen weiter.

Das Verführerische am Kristall ist seine Struktur. In schöner Regelmäßigkeit sind die Atome angeordnet, dreidimensional und mit immer gleichem Abstand zueinander. Kristallgitter nennt sich das, und es macht das Material so wertvoll: Wärme, Licht und Elektronen finden mühelos ihren Weg hindurch. Gleichzeitig behalten Kristalle auch bei hohen Temperaturen ihre mechanische Festigkeit. Beides Eigenschaften, die in Industrie und Technik hochbegehrt sind.

Der LED-Bildschirm des Flachbildfernsehers, der piepende Scanner der Supermarktkasse, die Positronen-Emmissions-Tomografie, mit der Krebszellen sichtbar gemacht werden können - all das funktioniert nur dank der Hilfe von Kristallen. Es ist kein bisschen übertrieben zu sagen, ohne Kristalle wäre die Welt heute eine andere. Denn unsere komplette Kommunikations- und Medientechnik basiert auf diesen Bausteinen: im Auto und im Smartphone, in der Solarzelle und in der Gasturbine, in Bohrern und in Lasern, in Uhren, Messgeräten, Leuchtdioden - wir sind umgeben von Kristallen. Und wissen es kaum.

"Für den Laien sind Kristalle hauptsächlich schöne Steine, ihre technische Bedeutung ist den meisten völlig unklar. Manch einer kennt noch den Begriff Halbleiter, aber kaum einer weiß, dass das ein Kristall ist", sagt Jochen Friedrich. Er leitet die Abteilung Kristallzüchtung des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie in Erlangen (IISB) und versucht mit Kollegen herauszufinden, wie man Kristalle synthetisch so herstellen kann, dass sie optimale Eigenschaften aufweisen. Heißt: Das Kristallgitter sollte möglichst frei von Verunreinigungen sein.

Rein theoretisch kann ein Kristall aus jedem Element hergestellt werden

"Diese Fehler müssen bereits bei der Züchtung vermieden werden, die Chancen, das hinterher ausgleichen zu können, sind für die Bauelementehersteller gering", sagt Friedrich. Je besser das Ausgangsmaterial ist, desto weniger Verunreinigungen werden in den Kristall eingebaut. Für die Mikroelektronik braucht es beispielsweise sehr saubere Kristalle, während eine Solarzelle auch funktioniert, wenn der Halbleiter gewisse Verunreinigungen aufweist.

In der Natur finden sich wenige Kristalle, die für die Technik verwendbar sind. "Deshalb machen wir die lieber selber", sagt Jochen Friedrich. Rein theoretisch kann ein Kristall aus jedem Element hergestellt werden. Rein praktisch ist das in den allermeisten Fällen zu aufwendig, zu teuer oder einfach noch nicht erforscht.

Das mit Abstand bekannteste Material zur Kristallzüchtung ist Silizium. Die Kristalle werden aus der Schmelze gewonnen. Dafür wird das Material in einem Tiegel geschmolzen und kurz über dem Schmelzpunkt gehalten - bei Silizium sind das 1414 Grad Celsius. Ein sogenannter Impfkristall wird an die Oberfläche der Schmelze gehalten und langsam nach oben gezogen. Die Schmelze kühlt sich ab und es wächst nach und nach mehr Material an dem Impfkristall an.

Tüfteleien brauchen nun mal ihre Zeit

In einem weiteren Verfahren wird das aufgeschmolzene Rohmaterial von unten nach oben zum Erstarren gebracht. Die meisten Kristalle entstehen aus Schmelzen, sie können aber auch - wie Quarz-Kristalle - aus Lösungen oder der Gasphase gezüchtet werden. Siliziumcarbid zum Beispiel wird direkt aus der Gasphase als dünne, kristalline Schicht auf einen Träger abgeschieden. Wird dabei die Struktur des Ausgangsstoffes übernommen, sprechen Experten von einer epitaktischen Schicht.

Das klingt alles nach einfachen physikalischen Prozessen. Aber: "Schmelzen sind in der Regel turbulent, wir müssen überlegen, wie wir das in den Griff kriegen", sagt Jochen Friedrich. Denn Turbulenzen erzeugen die gefürchteten Verunreinigungen, "Versetzungen", wie Wissenschaftler dazu sagen. Ein Grund für solche Turbulenzen sind sogenannte Dotierstoffe wie Arsen, Bor oder Phosphor. Diese werden der Schmelze zugegeben, um den Widerstand des Materials herabzusetzen. Aber sie verteilen sich beim Kristallwachstum nicht gleichmäßig. Forscher wie Jochen Friedrich wollen den Kristall nicht nur möglichst sauber züchten, sondern auch möglichst viel von dieser sauberen Masse herstellen können.

Solche Tüfteleien brauchen ihre Zeit. So haben die Erlanger Forscher schon in den 90er-Jahren gemeinsam mit einer Firma im sächsischen Freiberg ein neues Verfahren zur Herstellung von Galliumarsenid entwickelt. "Es hat fast zehn Jahre gedauert, bis das Material so groß und so reproduzierbar herstellbar war, dass es für die Industrie verwendet werden konnte", sagt Friedrich, der auch Vorsitzender der Deutschen Gesellschaft für Kristallwachstum und Kristallzüchtung ist. "So ein Produkt müssen sie ja auch zu einem vernünftigen Preis herstellen können, damit es sich langfristig durchsetzen kann." Heute steckt Galliumarsenid, das mit diesem Verfahren hergestellt wird, in fast jedem Handy.

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