Einführung in die Kristallzüchtung
Introduction to Crystal Growth

Das Modul umfasst eine Einführung in die Züchtung von Kristallen von den physikalischen Grundlagen bis hin zu aktuellen Verfahren wie sie in Forschung und Industrie zur Anwendung kommen. Neben der Vermittlung der zugrundeliegenden thermodynamischen Prinzipien wird hierzu insbesondere der konkrete Bezug zur täglichen Arbeit in einem Labor zur Kristallzüchtung hergestellt. Das Modul hat folgenden Inhalt:

• Thermodynamik von Legierungen (Phasen und Phasenübergänge, Zustandsgleichungen, Thermodynamische Potenziale und Gleichgewichte, Zustandsdiagramme, Gibbs’sche Phasenregel, …)
• Behandlung von Ein- und Zweistoffsystemen in idealer und realer Mischung
• Metallurgischer Phasendiagramme (binär, pseudo-binär, ternär) und deren Anwendung in der Kristallzüchtung
• Kristallwachstum, Keimbildung, Kornauswahl
• Transportphänomene (Stoff-, Impuls-, Wärmetransport) und Wachstumskinetik
• Verfahren zur Züchtung einkristalliner Volumen- und Dünnfilmproben aus der festen Phase, Schmelze, Gasphase und Lösung
• Experimentelle Phasenanalyse und Bestimmung der Struktur von Ein- und Polykristallen (Diffraktion, Spektroskopie, Mikroskopie, indirekte Verfahren …)

Nach der erfolgreichen Teilnahme an diesem Modul sind die Studierenden in der Lage, die thermodynamischen Grundlagen der Kristallzüchtung zu erklären. Weiterhin können sie für die Einkristallzüchtung relevante Prozesse wie Keimbildung und Kornauswahl phänomenologisch diskutieren. Sie können metallurgische Phasendiagramme interpretieren und daraus grundlegende Aussagen zur Wachstumskinetik sowie zu geeignete Züchtungsverfahren ableiten.

Dazu haben sich die Studierenden einen Überblick über verschiedene in Forschung und Industrie eingesetzte Verfahren zur Züchtung einkristalliner Materialien erarbeitet. Insbesondere können die Studierenden die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse sowie zentrale Vor- bzw. Nachteil dieser Methoden beschreiben. Ebenso besitzen die Studierenden Grundkenntnisse über Methoden zur metallurgischen Untersuchung von Ein- und Polykristallen.

Keine Vorkenntnisse nötig, die über die Zulassungsvoraussetzungen zum Masterstudium hinausgehen.

In der Vorlesung werden die Grundlagen der Theorie und der experimentellen Methoden erklärt und durch konkrete Beispiele verständlich gemacht. Dabei wird zunächst elektronischer Tafelanschrieb benutzt, um Grundlagen in angemessenem Tempo zu erarbeiten. Funktionale Zusammenhänge werden mit Hilfe von interaktiven Grafiken und auch kurzen Beispielprogrammen veranschaulicht. Die offene Diskussion mit den Studierenden ist ein wichtiger Bestandteil der Vorlesung. In den Beispielen werden Theorie und Experiment auf einer Ebene behandelt und die Verzahnung sichtbar gemacht.

In den Übungen wird das Wissen durch Anwendung des Gelernten auf ausgewählte Beispiele vertieft. Neben klassischen Aufgaben beinhalten diese insbesondere Diskussionen zu Fallbeispielen aus der aktuellen Forschung sowie Besichtigungen von Laboren zur Kristallzüchtung.

Tafelanschrieb mit Tablet-PC

Vortragsfolien, dynamische Grafiken, Filme

Vorlesungsmitschrift mit Literaturverweisen

Übungsaufgaben- und Beispiele

K.-T. Wilke und J. Bohm „Kristallzüchtung”

L. Schultz und J. Freudenberger „Physikalische Werkstoffeigenschaften”

P. R. Sahm, I. Egry und T. Volkmann „Schmelze, Erstarrung, Grenzflächen“

R.-E. Reed-Hill „Physical Metallurgy Principles“

A. Smakula „Einkristalle”

B. R. Pamplin (Ed.) „Crystal Growth”

D. T. J. Hurle (Ed.) „Handbook of Crystal Growth”

W. A. Tiller „The Science of Crystallization”

H. Okamoto „Phase Diagrams for Binary Alloys”

Es findet eine mündliche Prüfung von 25 Minuten Dauer statt. Darin wird das Erreichen der im Abschnitt Lernergebnisse dargestellten Kompetenzen mindestens in der dort angegebenen Erkenntnisstufe exemplarisch durch Verständnisfragen, Beispielrechnungen und Diskussionen anhand von Skizzen, Diagrammen und Formeln überprüft.

Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

• Welche Formen der Enthalpie könnten bei Züchtungen aus der Schmelze eine Rolle spielen?
• Erläutern Sie anhand der Gleichung von Clausius-Clapeyron wie sich Änderungen von Druck oder Temperatur auf das chemische Potenzial auswirken.
• Worin besteht der Unterschied zwischen einer idealen und einer realen Mischung?
• Was schließen Sie aus dem vorgelegten Ce-Ni Phasendiagramm über die Einkristallzüchtung von Ce2Ni7? Welche Verfahren würden sie anwenden?
• Eine gepresste Tablette aus Ytteriumoxid-, Bariumoxid-, und Kupferoxidpulver wurde in einem Ofen bei etwa 900°C zur Reaktion gebracht. Mit welchen Methoden würden Sie versuchen die entstandene Probe metallurgisch zu charakterisieren? Erklären Sie Ihr Vorgehen.