Kristallzucht

Kristallzucht ist die künstliche Herstellung von Kristallen im Gegensatz zu durch Kristallisation natürlich gewachsenen Kristallen.

Kristallzucht wird aus folgenden Beweggründen betrieben:

• Es lassen sich durch systematische Zucht sauberer strukturierte Kristalle bilden als die natürlich vorkommenden Kristalle, die allesamt fehlerhaft gewachsen sind. Gut ausgebildete Kristalle spielen in der präparativen Chemie neuer Substanzen eine wichtige Rolle. Mit derartigen Kristallen können Röntgenstrukturanalysen (Einkristalldiffraktometrie) durchgeführt werden, die einen eindeutigen Strukturbeweis ermöglichen.
• Es lassen sich große Mengen Kristalle vergleichsweise billig herstellen. Erschürfen gewachsener Kristalle wäre um ein Vielfaches teurer.
• Es lassen sich Kristalle züchten, die in der Natur gar nicht oder nur als Kümmerformen existieren.
• Kristallzucht wird auch als Hobby betrieben.

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Beispiele

• Gallium-Arsenid (GaAs, Gallium + Arsen) wird industriell zu Kristallen gezüchtet und danach weiterverarbeitet zu Wafern für die Computerindustrie.

• Silicium ist das mit Abstand wichtigste Grundmaterial für die Halbleiterindustrie. Si-Einkristalle werden nach dem Czochralski-Verfahren (untergeordnet auch nach dem Floating Zone Verfahren für Leistungshalbleiter) aus der Schmelze gezüchtet, die Kristalle zersägt, poliert und als Wafer (100, 125, 150, 200, 300mm Durchmesser) in der Mikroelektronik-Industrie zu diskreten Halbleiterbauelementen (Dioden, Transistoren...)und Integrierten Schaltkreisen ("ICs") verarbeitet.

• Bridgman-Verfahren

Kristallzucht mit Salzen

Als Hobby lassen sich Kristalle aus Salzen züchten. Diese können in Gefäßen als separate Kristalle oder mit Hilfe von Impfkristallen an eingehängten Fäden hergestellt werden. Auch eine Zucht auf Steinen ist möglich.

Neben der Zucht von Kristallen aus Kochsalz gibt es im Handel Experimentierkästen, die einzeln verpackte Mengen von Alaun, Ammoniumdihydrogenphosphat und Calciumsulfat enthalten. Diese können mit Lebensmittelfarbe eingefärbt sein, damit die Kristalle natürlichen Mineralen ähneln. Außer diesen Salzen sind Kupfersulfat und Seignettesalz gut für eine Zucht geeignet, da sie große und regelmäßige Kristalle bilden. Des Weiteren zeigt sich, dass für die Zucht von möglichst regelmäßigen Kristallen keine gesättigten Lösungen verwendet werden sollten, da sich die Kristalle sonst sehr schnell bilden. Da die Teilchen keine Zeit haben, sich zu ordnen, bilden sich mehrere kleinere Kristalle.

Methoden

Grundlegend werden zwei Methoden unterschieden.

Verdunstungsmethode

Die Verdunstungsmethode nutzt die Konzentrationserhöhung, die entsteht, wenn das Wasser der Salzlösung verdunstet und das Salz in der Lösung zurückbleibt. Die Begründung dafür sind die unterschiedlichen Siedetemperaturen von Salz und Wasser. Bei längeren Verdunstungsvorgängen entsteht ab einer bestimmten Konzentration eine Übersättigung und schließlich bilden sich aus dem abgeschiedenen Salz Kristalle.

Abkühlungsmethode

Die Abkühlungsmethode beruht auf der Eigenschaft, dass sich viele Salze bei höheren Temperaturen besser in Wasser lösen. Begründen lässt sich diese Tatsache damit, dass sich die Wassermoleküle bei höheren Temperaturen stärker bewegen und dadurch mehr Salz aufnehmen können. Ähnlich wie bei der Verdunstungsmethode bilden sich nach einer Übersättigung Kristalle. Allerdings ist diese Methode aufwändiger als jene und die sich bildenden Kristalle sind um Einiges unregelmäßiger.

Literatur

• K.-Th. Wilke, J. Bohm: Kristallzüchtung, VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin 1988

Siehe auch

• Czochralski-Verfahren
• Epitaxie