Impfkristall

Impfkristalle sind die Ausgangskristalle für die Züchtung größerer Kristalle.

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Mit ihrer Hilfe kann man übersättigte Lösungen oder Schmelzen zur Kristallisation bringen. Dabei dienen die Impfkristalle als Kristallisationskeime, an denen sich Substanz aus der Lösung bzw. Schmelze abscheidet. Diesen Vorgang bezeichnet man als Animpfen (englisch Seeding). Bei der Kristallisation von Proteinen unterscheidet man je nach Größe der Impfkristalle zwischen Micro Seeding und Macro Seeding. Das praktische Vorgehen wird beim Czochralski-Verfahren beschrieben.

Die Form der Impfkristalle ist ausschlaggebend für das Aussehen der mit den Impfkristallen gezüchteten größeren Kristalle.

Man betrachte z. B. die folgende Reaktionsgleichung:

  Alaun (fest)  <- -> Alaun (gelöst)  (Gleichgewichtspfeil in der Mitte)
  KCrSO4        <- -> K(+) + Cr(3+) + SO4(2-)

Die Geschwindigkeitskonstante k1 der Hinreaktion ist nach Arrhenius temperaturabhängig: k1 = A * exp(– E_akt) / RT], wobei A eine stoffspezifische Konstante, E_akt die molare Aktivierungsenergie, R die universelle Gaskonstante und T die Temperatur ist. Mit den gegebenen Konstanten sieht man leicht, dass bei hohen Temperaturen die Geschwindigkeitskonstante zunimmt. Also ist die Hinreaktion schneller geworden, es gehen mehr Ionen in Lösung, es bleibt aber immer noch ein Feststoff zurück. Dieser wird nun abfiltriert, und man erhält als Filtrat die gesättigte Lösung. Beim Abkühlen nimmt die Geschwindigkeitskonstante k1 wieder ab, die Hinreaktion wird nicht mehr gefördert und die Rückreaktion tritt ein: Es fällt Alaun als Feststoff aus. Dass dieser am Impfkristall adsorbiert und das Kristallwachstum einsetzt, ist sowohl ein sog. kooperativer Effekt als auch eine Folge der Reduktion der Oberflächenenergie an der Impfkristalloberfläche, hervorgerufen durch erniedrigte Galvani-Potentiale.

Anwendungsbereich

Meistens werden Impfkristalle in der Halbleiterindustrie eingesetzt, um den Einkristall für Wafer zu züchten, welche dann als Träger für z. B. Photovoltaik-Produkte, Integrierte Schaltungen oder Transistoren genutzt werden.

Herstellung

Impfkristalle werden unter Laborbedingungen erzeugt, mit der gleichen Kristallorientierung (z. B. „111“), die auch der fertig gezüchtete Kristall besitzen soll.