Einkristall: Unterschied zwischen den Versionen
imported>Aka K (Tippfehler entfernt) |
imported>Acky69 K (s.auch) |
||
| Zeile 1: | Zeile 1: | ||
[[Datei:Monokristalines Silizium für die Waferherstellung.jpg|hochkant|mini|Monokristallines Silicium ( | [[Datei:Monokristalines Silizium für die Waferherstellung.jpg|hochkant|mini|Monokristallines Silicium ([[Ingot]]) für die Wafer-Herstellung]] | ||
Ein '''Einkristall''' oder '''Monokristall''' ist ein makroskopischer [[Kristall]], dessen Bausteine ([[Atom]]e, [[Ion]]en oder [[Molekül]]e) ein durchgehendes einheitliches, [[homogen]]es [[Kristallgitter]] bilden. Dies unterscheidet Einkristalle von [[Polykristall|polykristallinen]] Aggregaten, [[Kristallzwilling|verzwillingten]] Kristallen oder [[Amorphes Material|amorphen]] Substanzen. | Ein '''Einkristall''' oder '''Monokristall''' ist ein makroskopischer [[Kristall]], dessen Bausteine ([[Atom]]e, [[Ion]]en oder [[Molekül]]e) ein durchgehendes einheitliches, [[Homogenität (Physik)|homogen]]es [[Kristallgitter]] bilden. Dies unterscheidet Einkristalle von [[Polykristall|polykristallinen]] Aggregaten, [[Kristallzwilling|verzwillingten]] Kristallen oder [[Amorphes Material|amorphen]] Substanzen ([[Glas|Gläsern]]). | ||
== Chemische Einteilung == | == Chemische Einteilung == | ||
Analog zur [[Chemischer Stoff#Einteilung der chemischen Stoffe|Einteilung aller chemischen Stoffe]] kann man Einkristalle nach ihrem chemischen Aufbau in zwei fundamentale Gruppen einteilen: | |||
* [[Chemisches Element|Chemische Elemente]]: Einkristalle der [[Halbleiter]]elemente [[Silicium]] und (heute seltener) [[Germanium]] werden – meist in Form von [[Wafer]]n – in großer Zahl für elektronische Geräte verwendet. 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. | |||
:[[Datei:Brillanten.jpg|mini|Einkristalle zu Schmuckzwecken, hier Diamanten mit Brillantschliff]] | |||
:Die Kohlenstoffmodifikation [[Diamant]] wird oft als Einkristall verwendet, nicht nur in Form des [[Brillant]]en als Schmuck, sondern auch beim Einsatz als Schneidwerkzeug, beispielsweise bei manchen [[Glasschneider]]n. | |||
* [[Chemische Verbindung]]en: Verschiedene Einkristalle aus mehr oder weniger komplexen Verbindungen werden technisch verwendet, zum Beispiel [[Galliumarsenid]] in der Elektronik oder der Hochfrequenztechnik, [[Lithiumniobat]] in der nichtlinearen Optik oder [[Saphir]] als hochstabiles Fenster. | |||
== Anwendung zur Analyse == | |||
Die [[Kristallstrukturanalyse]] zur Aufklärung von Kristall- bzw. Molekülstrukturen ist heute eine Standardmethode der Chemie und der Biochemie. Hierfür ist jedoch die [[Kristallisation]] 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 [[Beugung (Physik)|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]]. | |||
Zur Strukturaufklärung von chemischen Verbindungen unter Anwendung von [[Röntgenstrahlung|Röntgenstrahlen]] (die auch mittels [[Synchrotron]] erzeugt werden können) oder [[Neutronenstrahl]]en werden Einkristalle benötigt, um unter anderem die genauen [[Bindungslänge]]n und die Anordnung der Atome in einem Molekül zu ermitteln. Die dafür verwendeten Kristalle sind dabei meistens kleiner als ein Millimeter. Auch bei [[Makromolekül]]en, [[Makrocyclische Verbindungen|makrocyclischen Verbindungen]] und [[Naturstoff]]en, einschließlich der [[Protein]]e, der [[Desoxyribonukleinsäure|DNA]] und der [[Ribonukleinsäure|RNA]], kann die Einkristall-Strukturanalyse zur Bestimmung der dreidimensionalen Strukturen bis hin zu atomarer Auflösung angewandt werden, wenn Einkristalle erhalten werden können. | |||
== Mechanisch-technische Anwendung == | == Mechanisch-technische Anwendung == | ||
In der Technik werden Einkristalle wegen ihrer reproduzierbaren Eigenschaften eingesetzt. Da sie nahezu keine [[Korngrenze]]n oder andere Strukturfehler besitzen, erhöht sich beispielsweise die mechanische Belastbarkeit des Materials. So werden z. B. Turbinenschaufeln aus einer einkristallinen [[Nickellegierung|Nickelbasis-Superlegierung]] gefertigt. Dabei haben diese Einkristalle eine einheitliche Ausrichtung der Gitterstruktur, können aber durchaus mehrere [[Phase (Materie)|Phasen]] besitzen. | In der Technik werden Einkristalle wegen ihrer reproduzierbaren Eigenschaften eingesetzt. Da sie nahezu keine [[Korngrenze]]n oder andere Strukturfehler besitzen, erhöht sich beispielsweise die mechanische Belastbarkeit des Materials. So werden z. B. Turbinenschaufeln aus einer einkristallinen [[Nickellegierung|Nickelbasis-Superlegierung]] gefertigt.<ref>{{Literatur |Autor=Jacqueline Wahl, Ken Harris |Titel=New single crystal superalloys – overview and update |Sammelwerk=MATEC Web of Conferences |Band=14 |Datum=2014 |ISSN=2261-236X |DOI=10.1051/matecconf/20141417002 |Seiten=17002 |Online=http://www.matec-conferences.org/10.1051/matecconf/20141417002 |Abruf=2020-07-26}}</ref> Dabei haben diese Einkristalle eine einheitliche Ausrichtung der Gitterstruktur, können aber durchaus mehrere [[Phase (Materie)|Phasen]] besitzen. | ||
== Einkristalline Oberflächen und zweidimensionale Kristalle == | == 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.<ref>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}}.</ref> Bringt man eine einzelne Schicht organischer Moleküle auf einkristalline Oberflächen auf, erhält man bei niedriger Bedeckung meist [[Selbstorganisierende Monoschicht]]en. 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 [[Kohlenstoff]]atomen, fehlt ohne ebene Unterlage erwartungsgemäß die kristalline Fernordnung und bildet eine wellige Defektstruktur. | 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.<ref>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}}.</ref> Bringt man eine einzelne Schicht organischer Moleküle auf einkristalline Oberflächen auf, erhält man bei niedriger Bedeckung meist [[Selbstorganisierende Monoschicht]]en. 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 [[Kohlenstoff]]atomen, fehlt ohne ebene Unterlage erwartungsgemäß die kristalline Fernordnung und bildet eine wellige Defektstruktur. | ||
== Siehe auch == | |||
* [[Kristallorientierung]] | |||
== Literatur == | == Literatur == | ||
Aktuelle Version vom 28. Februar 2022, 09:44 Uhr
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 (Gläsern).
Chemische Einteilung
Analog zur Einteilung aller chemischen Stoffe kann man Einkristalle nach ihrem chemischen Aufbau in zwei fundamentale Gruppen einteilen:
- Chemische Elemente: Einkristalle der Halbleiterelemente Silicium und (heute seltener) Germanium werden – meist in Form von Wafern – in großer Zahl für elektronische Geräte verwendet. 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.
- Die Kohlenstoffmodifikation Diamant wird oft als Einkristall verwendet, nicht nur in Form des Brillanten als Schmuck, sondern auch beim Einsatz als Schneidwerkzeug, beispielsweise bei manchen Glasschneidern.
- Chemische Verbindungen: Verschiedene Einkristalle aus mehr oder weniger komplexen Verbindungen werden technisch verwendet, zum Beispiel Galliumarsenid in der Elektronik oder der Hochfrequenztechnik, Lithiumniobat in der nichtlinearen Optik oder Saphir als hochstabiles Fenster.
Anwendung zur Analyse
Die Kristallstrukturanalyse zur Aufklärung von Kristall- bzw. Molekülstrukturen ist heute eine Standardmethode der Chemie und der Biochemie. Hierfür ist jedoch die Kristallisation 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.
Zur Strukturaufklärung von chemischen Verbindungen unter Anwendung von Röntgenstrahlen (die auch mittels Synchrotron erzeugt werden können) oder Neutronenstrahlen 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. Auch bei Makromolekülen, makrocyclischen Verbindungen und Naturstoffen, einschließlich der Proteine, der DNA und der RNA, kann die Einkristall-Strukturanalyse zur Bestimmung der dreidimensionalen Strukturen bis hin zu atomarer Auflösung angewandt werden, wenn Einkristalle erhalten werden können.
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.[1] 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.[2] 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.
Siehe auch
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
- ↑ Jacqueline Wahl, Ken Harris: New single crystal superalloys – overview and update. In: MATEC Web of Conferences. Band 14, 2014, ISSN 2261-236X, S. 17002, doi:10.1051/matecconf/20141417002 (matec-conferences.org [abgerufen am 26. Juli 2020]).
- ↑ 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.
