3.6 Einkristallzucht

Zur Untersuchung richtungsabhängiger physikalischer Größen ist es nötig, Einkristalle der entsprechenden Verbindung zur Verfügung zu haben. Bei einigen Meßgrößen, z.B. bei der thermischen Ausdehnung, können sich die Effekte in den verschiedenen Kristallrichtungen sogar gegenseitig kompensieren, so daß sie in polykristallinen Proben nicht einmal bemerkt werden. Zur Züchtung von Einkristallen stehen unterschiedliche Methoden zur Verfügung, von denen speziell das Bridgman-Verfahren zur Herstellung von Einkristallen ytterbiumhaltiger Verbindungen geeignet ist.

Das Bridgman-Verfahren

Beim Bridgman-Verfahren befindet sich das Probenmaterial in einem Tiegel, der entlang eines Temperaturgradienten bewegt werden kann. Das Probenmaterial wird zunächst aufgeschmolzen und dann entweder langsam aus dem Ofen herausgefahren, oder man erniedrigt allmählich die Temperatur des Ofens. In beiden Fällen bewegt sich die Wachstumsfront des Einkristalls langsam von unten nach oben durch den Tiegel. Durch die konvexe Form der Erstarrungsgrenze kann man eine Keimauslese erreichen, so daß nach einigen Millimetern tatsächlich ein einziger Einkristall entsteht. Da man auch mit geschlossenen Tiegeln arbeiten kann, ist dieses Verfahren, wie oben bereits erwähnt, für die Einkristallzucht von Ytterbium-Verbindungen geeignet. Die Durchführung einer solchen Züchtung ist in der von Ulrich Klinger aufgebauten Kristallzuchtanlage [Klinger96] möglich.

Andere Verfahren

Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Bridgman-Verfahren sind andere Verfahren für die vorliegende Arbeit nicht von Bedeutung. Nur die Flußzüchtung eignet sich für die Verwendung von geschlossenen Tiegeln. Die Verfahren kamen in dieser Arbeit nicht zur Anwendung und werden daher hier nur der Vollständigkeit halber erwähnt.

Beim Czochralski-Verfahren wird eine mit einem Keimkristall versehene Ziehspitze in eine Schmelze des Ausgangsmaterials getaucht und unter Drehbewegung langsam wieder herausgezogen. Dabei erstarrt das Probenmaterial an der Ziehspitze und es entsteht ein zylindrischer Einkristall. Derartige Kristallzüchtungen von Cer- und Uran-Systemen werden an der von C. Schank aufgebauten Tri-Arc-Apparatur [Schank94] durchgeführt [Bosse97, Buschinger97].

Beim Zonen-Schmelzen wird das stabförmig bereitgestellte Ausgangsmaterial langsam durch eine Aufschmelzzone geführt. Beim Erstarren bildet sich der Einkristall ähnlich wie bei der Czochralski-Methode. Der Vorteil hierbei ist, daß sich die Zusammensetzung der Schmelze während des Züchtungsvorganges nicht verändert. Das Zonen-Schmelzen findet in einem von M. Weiden aufgebauten Spiegelofen am anorganischen Spin-Peierls-System CuGeO3 seine Anwendung [Weiden97].

Das Verfahren der Flußzüchtung ist dem Bridgman-Verfahren ähnlich, bis auf daß der Kristall nicht direkt aus der Schmelze des Ausgangsmaterials, sondern aus einem Fluß kristallisiert. Dieser besteht i.d.R. jeweils zur Hälfte aus dem Ausgangsmaterial des zu ziehenden Einkristalls und aus einem Flußmittel. Bei Einkristallen der CeCu2(Si, Ge)2-Systeme verwendet man dafür Kupfer [Heuser96, Bosse97]. Die Prozeßführung ist bei diesem Verfahren sehr langsam, da Ionen des zu ziehenden Kristalls erst durch das Flußmittel zu der Wachstumsfront diffundieren müssen. Man erhält jedoch kleinere Einkristalle von hervorragender Qualität, die entlang des Temperaturgradienten im Fluß entstehen. Das Flußmittel muß nach der Züchtung weggeätzt werden. Für eine Flußzüchtung werden ein bis zwei Wochen benötigt. Dieses Verfahren kann bei Ytterbium-Verbindungen in zwei Fällen Verwendung finden. Einerseits wird der Dampfdruck des Ytterbiums bei hohen Temperaturen durch das Flußmittel u.U. erheblich herabgesetzt, so daß man nicht auf geschlossene Tiegel angewiesen ist. Andererseits kann man die Züchtung in einem durch einen umgebenden Tantaltiegel geschlossenen Al2O3-Tiegel durchführen. Jedoch werden dann die Kosten für einen Tantaltiegel in der erforderlichen Größe nicht mehr zu vernachlässigen sein.

Kapitel 3.5