Einkristall

Einkristall

Monokristallines Silicium (sogenannter Ingot) für die Wafer-Herstellung

Ein Einkristall oder Monokristall ist ein makroskopischer Kristall, dessen Bausteine (Atome, Ionen oder Moleküle) ein durchgehendes einheitliches, homogenes Kristallgitter bilden. Dies unterscheidet Einkristalle von polykristallinen Aggregaten, verzwillingten Kristallen oder amorphen Substanzen.

Chemische Einteilung

Man kann Einkristalle nach ihrem chemischen Aufbau in drei Gruppen einteilen:

Chemische Elemente
Einkristalle werden in der Halbleiterindustrie zur Herstellung von Wafern benötigt, beispielsweise aus Silicium. Große Einkristalle werden durch Animpfen von geschmolzenem Ausgangsmaterial mit einem kleinen Einkristall (Impfkristall) im Czochralski-Verfahren (Tiegelziehen) hergestellt. Eine andere Möglichkeit stellt das Zonenschmelzverfahren dar.
Chemische Verbindungen
Neben den Einkristallen aus einem chemischen Element werden in der Elektronik auch Einkristalle aus mehr oder weniger komplexen Verbindungen wie Galliumarsenid oder Lithiumniobat verwendet.
Zur Strukturaufklärung von chemischen Verbindungen unter Anwendung von Röntgenstrahlen, Neutronenstrahlen oder Synchrotronstrahlen werden Einkristalle benötigt, um unter anderem die genauen Bindungslängen und die Anordnung der Atome in einem Molekül zu ermitteln. Die dafür verwendeten Kristalle sind dabei meistens kleiner als ein Millimeter.
(Biologische) Makromoleküle
Mit Hilfe der Einkristall-Röntgenstrukturanalyse werden die dreidimensionalen Strukturen von makrocyclischen Verbindungen, Naturstoffen, Proteinen, DNA und RNA bei hoher Auflösung bestimmt.

Anwendung zur Analyse

Die Kristallstrukturanalyse zur Aufklärung von Molekülstrukturen ist heute eine Standardmethode der Chemie und der Biochemie. Hierfür ist jedoch die Kristallisation der Moleküle Voraussetzung, was insbesondere bei biologischen Molekülen sehr schwierig sein kann. Idealerweise wird die Untersuchung an einem Einkristall durchgeführt. Manchmal ist dies unmöglich, da nicht genügend große Einkristalle einer Substanz zur Verfügung stehen. Heutzutage ist es zwar möglich, selbst das Beugungsmuster von Kristallpulvern im Rahmen einer Kristallstrukturanalyse auszuwerten, allerdings geht hierbei durch Überlagerung von Beugungsmaxima Information verloren, sodass die Ergebnisse von geringerer Qualität sind. Doch selbst aufwendig gezüchtete Einkristalle besitzen noch Gitterfehler.

Mechanisch-technische Anwendung

In der Technik werden Einkristalle wegen ihrer reproduzierbaren Eigenschaften eingesetzt. Da sie nahezu keine Korngrenzen oder andere Strukturfehler besitzen, erhöht sich beispielsweise die mechanische Belastbarkeit des Materials. So werden z. B. Turbinenschaufeln aus einer einkristallinen Nickelbasis-Superlegierung gefertigt. Dabei haben diese Einkristalle eine einheitliche Ausrichtung der Gitterstruktur, können aber durchaus mehrere Phasen besitzen.

Einkristalline Oberflächen und zweidimensionale Kristalle

Auch die Oberflächen von anorganischen Einkristallen sind einkristallin. Sie können als zweidimensionaler Einkristall verstanden werden, wenn man nur die oberste Schicht betrachtet, und sind Gegenstand der Forschung im Bereich der Oberflächenchemie und -physik. Niedrig indizierte Einkristalloberflächen sind z. B. Si(111), Ag(100) oder Au(110). Auf diesen Oberflächen sind die Atome auf ebenen Terrassen angeordnet, die durch meist monoatomare Stufen unterbrochen sind. An diesen Stufen zeigen Adsorbate ein anderes Verhalten als auf atomar glatten Bereichen.[1] Bringt man eine einzelne Schicht organischer Moleküle auf einkristalline Oberflächen auf, erhält man bei niedriger Bedeckung meist Selbstorganisierende Monoschichten. Diese nur eine Moleküllage hohen organischen Schichten können analog zu anorganischen einkristallinen Oberflächen als zweidimensionale Einkristalle bezeichnet werden. Wie bei aus Atomen aufgebauten Einkristallen sind die Moleküle auch hier hochgeordnet. Graphen, eine freistehende Schicht aus Kohlenstoffatomen, fehlt ohne ebene Unterlage erwartungsgemäß die kristalline Fernordnung und bildet eine wellige Defektstruktur.

Literatur

  • Burkhard Altekrüger, Martin Gier: Züchtung von Silizium-Einkristallen mit 300 mm Durchmesser. In: Vakuum in Forschung und Praxis. 11, Nr. 1, ISSN 0947-076X, 1999, S. 31–36, doi:10.1002/vipr.19990110110.

Einzelnachweise

  1. Thomas Waldmann, Christina Nenon, Katrin Tonigold, Harry E. Hoster, Axel Groß, R. Jürgen Behm: The role of surface defects in large organic molecule adsorption: substrate configuration effects. In: Physical Chemistry Chemical Physics. 14, Nr. 30, 2012, S. 10726, doi:10.1039/c2cp40800g.

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