Mit Geduld zum Superkristall

Karriere 07. 04. 2018
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Masterabsolvent der FH Münster arbeitete für das Forschungsinstitut FEE / Kooperation vertieft

Drei Öfen im Labor heizen wochenlang vor sich hin. Darin: Jeweils Temperaturen um 1000 °C, ein kleiner Tiegel mit aufgeschmolzenem Material. Und darüber eine schmale, dauerhaft rotierende Stange, die mit 0,15 mm/h die Oberflächenspannung des Materials im Tiegel auf die Probe stellt – und nach oben zieht. Hier züchtet Patrick Pues vom Fachbereich Chemieingenieurwesen der FH Münster Kristalle. Genauer gesagt: Einkristalle beim Forschungsinstitut für mineralische und metallische Werkstoffe Edelsteine/Edelmetalle (FEE) in Idar-Oberstein.

Kristalle, die in ihrer atomaren Struktur absolut einheitlich aufgebaut sind, nennen sich Einkristalle – sie sind sozusagen perfekt, erklärt Pues, der gerade seine Masterarbeit beim FEE vollendet hat. Einkristalle werden beispielsweise für Hochleistungslaser benötigt, um Frequenzen zu verdoppeln, oder im Krankenhaus im CT-Scanner. Aber: Einkristalle zu züchten ist eine langwierige und aufwendige Prozedur, und nicht jedes Material eignet sich gleich gut dafür. Deshalb müssen die Züchter umfangreiche Tests durchführen, ständig Parameter wie die Ofentemperatur, die Rotationsgeschwindigkeit der Stange oder die Materialzusammensetzung variieren. Alles wirkt sich auf die Wachstumsgeschwindigkeit, das Gewicht und die Qualität der Einkristalle aus.

Wie Pues erläutert, ist dafür Geduld gefragt - rund um die Uhr über Wochen. Denn es gibt keine Größe, die anzeigt, wann der Kristall komplett ausgewachsen. Ist er zu groß oder der Ofen zu kalt, fällt er von der Stange ab – und löst sich wieder vollständig auf. Ist er zu klein oder nicht optimal gewachsen, eignet er sich nicht für die Kunden des FEE. Es kommt auf das Gefühl und den Zeitpunkt an, so Pues weiter

Das klingt ein wenig danach, als sei das Züchten von Einkristallen so etwas wie Lottospielen. Allerdings lassen sich die bei den Versuchen entdeckten Parameter für Kristalle, die aus dem gleichen Material gezüchtet werden sollen, adaptieren. Pues hat an den Materialien Lithiumtetraborat und Kalium-Europiumwolframat geforscht und aus ihnen in einem halben Jahr insgesamt sieben Kristalle gezüchtet. Das ist schon viel, wie die Kollegen von FEE dem Jungforscher Pues versichern, der in diesem Bereich nun promovieren möchte. Eine Züchtung kann schließlich mehrere Wochen dauern.

Wer aus dem eingeschmolzenen Lithiumtetraborat oder Kalium- Europiumwolframat einen Kristall züchten will, braucht dafür einen so genannten Startkeim. Das sind kleine Kristalle in Stiftform, doe am Ende der rotierenden Stange sitzen und dem neuen Kristall Orientierung geben, wie und wo er hinwachsen muss, wie Pues erklärt. Und aus Kalium-Europiumwolframat gab es bislang noch keine Startkeime – jetzt aber schon. Pues hat es geschafft, aus seinen gezüchteten Kristallen hauchdünne Platten zu sägen, aus denen er wiederum Stifte machte. Und aus einem dieser neuen Stiftskristalle als Keim konnte er einen perfekten Einkristall züchten; die Atome sind ganz regelmäßig gewachsen, und er hat keine Streuzentren oder Einschlüsse.

Aber Pues beobachtete für seine Masterarbeit nicht nur die Kristalle in den Öfen und änderte Rahmenbedingungen. Viel Zeit investierte er auch darin, die Materialien und gezüchteten Kristalle von A bis Z zu charakterisieren. Pues hat zum Beispiel Farbkoordinaten bestimmt, eine Sättigungsmessung mit einem Laser durchgeführt oder das Kristallgitter und seine Orientierung im Achsensystem analysiert.

Seit sechs Jahren kooperiert die FH Münster nun bereits mit FEE, insbesondere die Arbeitsgruppe Tailored Optical Materials (TOM) von Prof. Dr. Thomas Jüstel, Dekan des Fachbereichs Chemieingenieurwesen. Messungen rund um Kristalle und Einkristalle werden in den Laboren auf dem Steinfurter Campus durchgeführt, deshalb gibt es regelmäßig Besuch aus Idar-Oberstein. Mittlerweile arbeitet nach Auskunft des Dekans außerdem einer der promovierten Absolventen bei FEE. Das ist eine sehr inspirierende Kooperation, die Auf Wunsch von Prof. Jüstel gemeinsam ausgebaut werden sollte.

  • www.fh-muenster.de/ciw/
  • Prof. Dr. Thomas Jüstel; www.fh-muenster.de/ciw/personal/professoren/juestel/arbeitsgruppe.php; Arbeitsgruppe Tailored Optical Materials (TOM)

Text zum Titelbild: Die Arbeit am Spektrometer war für Patrick Pues essenziell, um seine gezüchteten Einkristalle charakterisieren zu können (Foto: FH Münster/Pressestelle)


Eine Kooperation, die weiter ausgebaut werden soll (v.l.): Florian Baur (Fachbereich Chemieingenieurwesen, FH Münster), Dr. Sebastian Schwung (FEE, ehemaliger Student der FH Münster), Dr. Daniel Rytz (Projektkoordinator FEE), Prof. Dr. Ulrich Wittrock (Laserzentrum FH Münster), Patrick Pues, Prof. Dr. Thomas Jüstel und Dr. David Enseling (Fachbereich Chemieingenieurwesen, FH Münster)


Auch die Bruchstücke der Einkristalle lassen sich durch UV-Licht anregen (Foto: FH Münster/Pressestelle)

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