Nach zwölf Jahren am Ziel
Wissenschaftler*innen der FH Münster entwickeln Einkristall für Europium-Laser
Prof. Dr. Thomas Jüstel zeigt in seinem Labor, wie sich ein Einkristall durch UV-Licht anregen lässt. (Foto: FH Münster/Katharina Kipp)
Patrick Pues mit einer hauchdünnen Platte, die aus gezüchteten Einkristallen gesägt wurde. (Foto: FH Münster/Katharina Kipp)
Prof. Dr. Thomas Jüstel (l.) und Patrick Pues forschen seit Jahren an Einkristallen. (Foto: FH Münster/Katharina Kipp)
Münster/Steinfurt (17. Juni 2021). Seit fast zwölf Jahren forschen Wissenschaftler*innen der FH Münster an sogenannten Einkristallen. Das sind Kristalle, die in ihrer atomaren Struktur absolut einheitlich aufgebaut sind. Sie finden Einsatz in Hochleistungslasern, um Frequenzen zu verdoppeln, oder im Krankenhaus bei der Computertomographie. Jetzt hat eine französische Arbeitsgruppe sogar einen Laser gebaut, bei dem Einkristalle auf Basis der an der FH Münster entwickelten Materialien zum Einsatz kommen. Möglich wurde das durch die jahrelange Forschungstätigkeit am Fachbereich Chemieingenieurwesen (CIW) der FH Münster, die 2009 unter Leitung von Prof. Dr. Thomas Jüstel begann.
Damals führte Helga Bettentrup erste Synthesen von sogenannten Wolframaten – eine Mineralgruppe, die unter anderem in der Röntgentechnik eingesetzt wird – in Pulverform durch und charakterisierte diese. 2015 intensivierte Sebastian Schwung die Forschungen. Beide legten damit einen wichtigen Grundstein zur Züchtung der Kristalle in Idar-Oberstein durch den Industriepartner Elektro-Optics Technology (EOT). Anschließend unterstützte Patrick Pues die Forschungstätigkeit. „Während meiner Masterarbeit 2017 habe ich die Züchtungsmethode für die Verbindung Kalium-Europiumwolframat optimiert, die seitdem kontinuierlich weiterentwickelt wurde“, erklärt Pues.
Einkristalle werden in speziellen Öfen mit Temperaturen um 1000 Grad Celsius oder höher gezüchtet. Das aufgeschmolzene Material befindet sich in einem kleinen Tiegel, darüber ist eine schmale Stange montiert, an der der Kristall langsam nach oben wächst. „Damit das klappt, sind viele Faktoren entscheidend – zum Beispiel Ofentemperatur, Rotationsgeschwindigkeit der Stange und Materialzusammensetzung. Hier ist definitiv Geduld gefragt“, so Pues. Und damit das Züchten von Einkristallen überhaupt gelingt, ist ein Startkeim notwendig, der dem neuen Kristall Orientierung gibt, wie und wo er hinwachsen muss. Das Problem: Es gab keine Startkeime aus Kalium-Europiumwolframat. Pues hat das mit seiner Masterarbeit geändert. „Ich habe aus meinen gezüchteten Kristallen hauchdünne Platten gesägt und daraus Stifte gemacht.“ Aus einem dieser Startkeime ist dann der perfekte Einkristall entstanden – mit regelmäßig gewachsenen Atomen, ohne Streuzentren und ohne Einschlüsse.
Inzwischen steht Pues kurz vor Abschluss seiner Promotion, in der er diverse Einkristalle optisch charakterisiert hat. „Ziel meiner Arbeit war es herauszufinden, inwieweit photolumineszierende Einkristalle als optisches Referenzmaterial verwendet werden können.“ Darüber hinaus konnten viele neue Erkenntnisse der optischen Eigenschaften der untersuchten Verbindungen gewonnen werden. „Unser Vorhaben ist ein gutes Beispiel dafür, dass man in Forschungsprojekten oft einen langen Atem braucht“, sagt Jüstel. Denn Einkristalle zu züchten, ist alles andere als einfach. „Es ist eine langwierige und aufwendige Prozedur und nicht jedes Material eignet sich gleich gut dafür“, erklärt Pues. Er habe während seiner Masterarbeit viel ausprobieren und dabei ständig sämtliche Parameter im Blick halten müssen. „Es ist schön zu sehen, dass sich die Mühe von vielen Partnern und langjährigen Kooperationen gelohnt hat“, so Jüstel.