Mit Geduld zum Superkristall
Masterabsolvent der FH Münster arbeitete für das Forschungsinstitut FEE / Kooperation vertieft
Auch die Bruchstücke der Einkristalle lassen sich durch UV-Licht anregen. (Foto: FH Münster/Pressestelle)
Die Arbeit am Spektrometer war für Patrick Pues essenziell, um seine gezüchteten Einkristalle charakterisieren zu können. (Foto: FH Münster/Pressestelle)
Eine Kooperation, die weiter ausgebaut werden soll (v.l.): Florian Baur vom Fachbereich Chemieingenieurwesen der FH Münster, FEE-Mitarbeiter Dr. Sebastian Schwung, ehemaliger Student der FH Münster, Projektkoordinator seitens FEE Dr. Daniel Rytz, Prof. Dr. Ulrich Wittrock vom Labor für Photonik der FH Münster, Patrick Pues, Prof. Dr. Thomas Jüstel und Dr. David Enseling vom Fachbereich Chemieingenieurwesen der FH Münster.
Münster/Steinfurt (1. Dezember 2017). Drei Öfen im Labor bollern seit Wochen munter vor sich hin. Darin: Jeweils Temperaturen um 1000 Grad Celsius, ein kleiner Tiegel mit aufgeschmolzenem Material. Und darüber eine schmale, dauerhaft rotierende Stange, die mit 0,15 Millimetern Zugrate pro Stunde die Oberflächenspannung des Materials im Tiegel auf die Probe stellt – und nach oben zieht. Was das Ganze soll? Hier züchtet Patrick Pues vom Fachbereich Chemieingenieurwesen der FH Münster Kristalle. Genauer gesagt: Einkristalle beim Forschungsinstitut für mineralische und metallische Werkstoffe Edelsteine/Edelmetalle (FEE) in Idar-Oberstein.
„Kristalle, die in ihrer atomaren Struktur absolut einheitlich aufgebaut sind, nennen sich Einkristalle – sie sind sozusagen perfekt“, erklärt Pues, der gerade seine Masterarbeit beim FEE vollendet hat. Man braucht Einkristalle beispielsweise für Hochleistungslaser, um Frequenzen zu verdoppeln, oder im Krankenhaus im CT-Scanner. Aber: Einkristalle zu züchten, das ist eine langwierige und aufwendige Prozedur, und nicht jedes Material eignet sich gleich gut dafür. Deshalb müssen die Züchter ausprobieren, ständig Parameter wie die Ofentemperatur, die Rotationsgeschwindigkeit der Stange oder die Materialzusammensetzung variieren. Alles wirkt sich auf die Wachstumsgeschwindigkeit, das Gewicht und die Qualität der Einkristalle aus. „Da ist Geduld gefragt, und auch am Wochenende kannst du nicht wirklich abschalten, denn es gibt keine Größe, die dir anzeigt, wann der Kristall komplett ausgewachsen ist“, erklärt Pues. „Ist er zu groß oder der Ofen zu kalt, fällt er von der Stange ab – und löst sich wieder vollständig auf. Ist er zu klein oder nicht optimal gewachsen, eignet er sich nicht für die Kunden des FEE. Es kommt auf das Gefühl und den Zeitpunkt an.“
Das klingt ein wenig danach, als sei das Züchten von Einkristallen so etwas wie Lottospielen. Aber wenn man den Dreh raus hat, dann lassen sich die entdeckten Parameter für Kristalle, die aus dem gleichen Material gezüchtet werden sollen, adaptieren. Pues hat an den Materialien Lithiumtetraborat und Kalium-Europiumwolframat geforscht und aus ihnen in einem halben Jahr insgesamt sieben Kristalle gezüchtet. „Das ist schon viel, haben mir die Kollegen von FEE erklärt, eine Züchtung kann schließlich mehrere Wochen dauern. Man darf nur nicht aufgeben!“, sagt Pues, der in diesem Bereich nun promovieren möchte.
Wenn man aus dem eingeschmolzenen Lithiumtetraborat oder Kalium-Europiumwolframat einen Kristall züchten will, braucht es dafür einen so genannten Startkeim. „Das sind kleine Kristalle in Stiftform, sie sitzen am Ende der rotierenden Stange und geben dem neuen Kristall Orientierung, wie und wo er hinwachsen muss“, erklärt Pues. Und aus Kalium-Europiumwolframat gab es bislang noch keine Startkeime – jetzt aber schon. Pues hat es nämlich geschafft, aus seinen gezüchteten Kristallen hauchdünne Platten zu sägen, aus denen er wiederum Stifte machte. „Und aus einem dieser neuen Stiftskristalle als Keim konnte ich einen perfekten Einkristall züchten; die Atome sind ganz regelmäßig gewachsen, und er hat keine Streuzentren oder Einschlüsse.“
Aber Pues beobachtete für seine Masterarbeit nicht nur die Kristalle in den Öfen und änderte Rahmenbedingungen. Viel Zeit investierte er auch darin, die Materialien und gezüchteten Kristalle von A bis Z zu charakterisieren. „Zum Beispiel Farbkoordinaten zu bestimmen, eine Sättigungsmessung mit einem Laser durchzuführen oder das Kristallgitter und seine Orientierung im Achsensystem zu analysieren“, berichtet Pues.
Seit sechs Jahren kooperiert die FH Münster nun bereits mit FEE, insbesondere die Arbeitsgruppe Tailored Optical Materials (TOM) von Prof. Dr. Thomas Jüstel, Dekan des Fachbereichs Chemieingenieurwesen. Messungen rund um Kristalle und Einkristalle werden in den Laboren auf dem Steinfurter Campus durchgeführt, deshalb gibt es regelmäßig Besuch aus Idar-Oberstein. „Mittlerweile arbeitet außerdem einer unserer promovierten Absolventen bei FEE“, sagt der Dekan. „Das ist eine sehr inspirierende Kooperation, die wir gerne gemeinsam ausbauen wollen.“