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Lexikon der Geowissenschaften: Schmelzzüchtung

Schmelzzüchtung, Kristallzüchtung aus der Schmelze, die verbreitetste Methode sowohl nach Art und Menge der hergestellten Kristalle als auch nach ihrem Wert. An der Spitze steht hierbei die Züchtung von Halbleiterkristallen, insbesondere von Silicium, aber auch von dielektrischen Kristallen für optische, elektrooptische, piezoelektrische und andere Anwendungen, z.B. als Laserkristalle. Die Palette reicht von den bei tiefen Temperaturen erstarrenden Edelgaskristallen bis zu den Verbindungen mit den höchsten bekannten Schmelzpunkten, den Übergangsmetallkarbiden. Da an der Wachstumsfront die Kristallbausteine direkt vorliegen, spielen Transportprozesse eine untergeordnete Rolle und sind nur für Verunreinigungen oder Dotierstoffe von Belang. Damit ist die erreichbare Wachstumsrate recht hoch im Bereich von bis zu einigen Metern pro Tag. Eine Züchtung aus der Schmelze ist immer zu bevorzugen, es sei denn, die betreffenden Stoffe zerfallen oder verdampfen vor dem Erreichen der Schmelztemperatur, erfahren eine destruktive Phasenumwandlung, erstarren glasartig oder die Bildung der gewünschten Kristallphase ist gehemmt.

Die Verfahrenstechniken und Züchtungsmethoden sind für die Schmelzzüchtung am weitesten entwickelt. Die meisten Stoffe schmelzen bei höheren Temperaturen unter normalem Druck. Damit ist die Temperatur der entscheidende Parameter. Der wichtigste phänomenologische Vorgang ist der Wärmetransport. Die Wärme, die aus der Schmelze zur Wachstumsfront fließt, und die Kristallisationswärme müssen über den Kristall abgeführt werden. Dabei gilt, daß die Wachstumsgeschwindigkeit um so höher ist, je größer der Temperaturgradient im Kristall und je flacher er in der Schmelze ist. Stoffe mit guter Wärmeleitfähigkeit wie Metalle lassen sich schneller kristallisieren als Stoffe mit geringerer Wärmeleitfähigkeit. Abgesehen von ideal reinen Einstoffsystemen, mit denen man es nur selten zu tun haben dürfte, wird aber die Wachstumsgeschwindigkeit bei der Züchtung nicht durch die Wärmeleitung, sondern durch die Phänomene der konstitutionellen Unterkühlung begrenzt, die von einer gewissen Wachstumsrate an zu Instabilitäten der Wachstumsfront führen können.

Die molekulare Wachstumskinetik bei der Schmelzzüchtung ist meistens mit einer atomar rauhen Wachstumsfront wegen der meist kleinen Schmelzentropien und hohen Züchtungstemperaturen verbunden. Die Unterkühlungen sind im allgemeinen klein, so daß die Wachstumsfront mit der Isothermen der Schmelztemperatur zusammenfällt. Anspruchsvolle Züchtungsverfahren arbeiten mit Keimvorgabe (Keim). Folgende Züchtungstechniken sind grundlegend zu unterscheiden: a) Erstarrung in Tiegeln: Der Kristall wächst in einem Tiegel oder anderen Behälter (Bridgman-Stockbarger-Verfahren; Bridgman-Verfahren). b) Ziehen aus der Schmelze: Die Schmelze befindet sich ebenfalls in einem Tiegel, der Kristall wächst frei an einem Keimkristall aus der Schmelze (Czochralski-Verfahren) oder in die Schmelze (Nacken-Kyropoulos-Verfahren). c) tiegelfreie Methoden: Es handelt sich um das tiegelfreie Zonenschmelzen und das Flammenschmelzverfahren. [GMV]

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