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Lexikon der Geowissenschaften: Kristallzüchtung aus Lösungen

Kristallzüchtung aus Lösungen, Lösungszüchtung, die mit am längsten bewußt ausgeübte Methode zur Kristallherstellung, z.B. in Form der Salzgewinnung aus Meerwasser oder Sole. Schon früh wurden damit Erkenntnisse über die Kristallisationsvorgänge gesammelt, deren Erforschung sich, insbesondere aus wäßrigen Lösungen, aufgrund der relativ einfachen Zugänglichkeit und Durchführbarkeit der Versuche fast von selbst anbot. Heute spielt diese Art der Materialherstellung v.a. in der chemischen Industrie und bei der Arzneimittelherstellung in Form der Massenkristallisation eine wesentliche Rolle. Eine große technische Bedeutung hat auch die Abscheidung von Epitaxieschichten (Epitaxie) aus Hochtemperaturlösungen für die Herstellung elektronischer Bauelemente gewonnen. Im Vergleich zur Züchtung aus der Schmelze (Schmelzzüchtung) liegen die erzielbaren Wachstumsgeschwindigkeiten deutlich niedriger, bis maximal einen Millimeter pro Tag, was sich aus der Notwendigkeit des Transportes der Kristallbausteine durch das Lösungsmittel an die Wachstumsfront ergibt. Bei zu hohen Wachstumsgeschwindigkeiten kann es leicht zu Einschlüssen auch von Lösungsmitteltröpfchen kommen. Da in den meisten Fällen in nahezu isothermer Temperaturverteilung gearbeitet wird, ist die Qualität der erhaltenen Kristalle durchaus mit der anderer Züchtungsverfahren vergleichbar.

Bei der Kristallisation aus der Lösung handelt es sich um einen Phasenübergang in einem Mehrstoffsystem, bei dem eine oder mehrere Komponenten einer aus mindestens zwei Komponenten zusammengesetzten flüssigen Phase, der Lösung, in eine Kristallphase übergehen. Kennzeichnend ist ein deutlicher Unterschied in der Zusammensetzung zwischen der Lösung und der Kristallphase. Für eine erfolgreiche Züchtung sollen die zu kristallisierenden Substanzen eine gute Löslichkeit besitzen (etwa 20 g/kg Lösungsmittel) und eine genügend große Abhängigkeit von der Temperatur zeigen. Dann wird man i.a. bei Temperaturen beginnen, bei denen sich die Substanz in großer Menge löst, und dann durch kontrollierte Temperaturerniedrigung die überschüssige Substanzmenge als Kristall abscheiden. Ist die Löslichkeit nahezu temperaturunabhängig, kann durch gezieltes Verdampfen des Lösungsmittels die Substanz kristallisiert werden. Ist die Löslichkeit der Substanz nicht besonders groß, kann diese zum einen durch Verwendung höherer Temperaturen und höherer Drucke bei der Hydrothermalsynthese vergrößert werden, oder es läßt sich zum anderen das Volumen der Lösung durch Verwendung einer Temperaturdifferenzmethode in vernünftigen Größenordnungen halten ( Abb. ). Dabei wird in einem Bereich des Züchtungsgefäßes über einem Bodensatz der zu züchtenden Substanz eine gesättigte Lösung bei einer Temperatur T1 hergestellt. In einem anderen Teil des Züchtungsgefäßes wird eine niedrigere Temperatur T2 eingestellt, bei der die Lösung Material entsprechend der geringeren Löslichkeit abscheidet. Diese Lösung wird in den ersten Teil des Züchtungsgefäßes zurückgeführt und kann neues Material auflösen. [GMV]


Kristallzüchtung aus Lösungen: Schema der Kristallzüchtung aus Lösungen mittels Temperaturdifferenzverfahren (1 = Gefäß für die Vorratslösung, 2 = Wachstumsgefäß, 3 = Rührer, 4 = zu lösendes Vorratsmaterial, 5 = Keimkristall, 6 = Zufluß der Lösung hoher Konzentration, 7 = Rückfluß der Lösung geringerer Konzentration). Kristallzüchtung aus Lösungen:
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