Synthetische Steine : Die Diamanten-Maschine

Freiburger Forscher züchten massenweise lupenreine Diamanten - vor allem, um eine Alternative zu Silizium für die Halbleiterindustrie zu schaffen. Doch die richtige Politur könnte die Gewächse aus dem Plasmareaktor auch zu Juwelen machen.

Philipp Graf
Diamant
Begehrt. Ein Diamant ist nicht mehr als Kohlenstoff in superkompakter Form - unabhängig vom Entstehungsprozess.Foto: Anatoly Maslennikov Fotolia

Die Maschine, die einmal die Diamanten-Welt ins Wanken bringen könnte, thront wie ein gigantisches Ei aus Silber in einem Kellerlabor im Norden von Freiburg. „Obelix“ ist bereit für die nächste Schicht. Fast zwei Meter ragt der größte von acht Plasmareaktoren am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF) in die Höhe. Per Knopfdruck hat Ingenieurin Nicola Lang im Bauch von Obelix aus den Gasen Wasserstoff und Methan ein Plasma entfacht. Durch ein Sichtgitter im Aluminiumgewand des Mikrowellenofens kann sie beobachten, wie die grün-bläuliche Gaswolke vor sich hin glimmt.

Genau dort vollzieht sich gerade Magisches: Schicht für Schicht wächst innerhalb von Stunden auf einem Objektträger ein Material, das aussieht wie farbloses Glas. Doch es ist ein makelloser, einkristalliner Diamant. Purer Kohlenstoff in seiner superkompakten Gitterstruktur. Wenn man ihn poliert, beginnt er, auf unnachahmliche Weise zu funkeln.

„Unsere synthetischen Diamanten sind chemisch und physikalisch identisch mit Rohdiamanten, die aufwendig in Minen abgebaut werden“, sagt Nicola Lang. Noch dazu ist Obelix effizient, der silberne Koloss aus Freiburg ist auf Massenproduktion ausgelegt. Vor Kurzem haben Lang und ihr Team mit der Maschine einen Rekord aufgestellt: „Uns ist es gelungen, 600 lupenreine Einkristall-Diamanten gleichzeitig zu züchten. Das sind 0,3 Karat pro Diamant innerhalb von zehn Tagen.“ Die so gewachsenen Steine sind gerade so groß wie eckiges Konfetti. Aber sie sind bestechend rein und haben eine Qualität, die für Juweliere attraktiv sein könnte. Das wäre ein lukrativer Markt. Mehr als 70 Milliarden Euro wurden im vergangenen Jahr weltweit für Diamantschmuck ausgegeben.

Einkristalliner Diamant ist für die Industrie ein teurer Exot

Christoph Nebel winkt ab. „Schmuckdiamanten sind ein hübscher Nebenaspekt unserer Forschung“, sagt der Leiter der Abteilung Halbleitersensorik am IAF. Für den 59-Jährigen ist Diamant ein faszinierender Werkstoff. „Diamant ist sehr leicht, er übersteht hohe Temperaturen ohne Kühlung und ist strahlungshart“, sagt er. Bestückt man das Kohlenstoff-Atomgitter mit zusätzlichen Elementen, erhält der Diamant zudem exzellente elektronische Eigenschaften. Er gilt daher als Halbleitermaterial mit glänzender Zukunft. Die Freiburger Diamanten sollen insbesondere in der Leistungselektronik zum Einsatz kommen, etwa in Bauteilen für die Satellitenkommunikation und in Linsen für Hochenergie-Laser.

Er hat nur einen Makel: „Bisher ist einkristalliner Diamant in der Industrie ein sehr teurer Exot geblieben.“ Das wollen Nebel und sein Team ändern. Die Fraunhofer-Forscher tüfteln seit Jahren daran, den Diamant von einer seltenen Kostbarkeit zur Massenware machen. Sie wollen das Material auf dünne Scheiben aufbringen. Solche Wafer, aus denen dann Bauteile gefertigt werden, sind das ultimative Basisformat der Halbleiterindustrie. „Ein Diamant-Wafer von vier oder sechs Zoll wäre der Durchbruch“, sagt Nebel. Diamant als Alternative zu Silizium und Iridium.

Seit rund 60 Jahren gelingt es Forschern, Diamant im Labor herzustellen. 1954 präsentierte der amerikanische Konzern General Electric der Welt seine ersten synthetischen Diamanten, erzeugt durch das Hochdruck-Hochtemperatur-Verfahren (HPHT). Es ahmt die Bedingungen nach, die bei der zufälligen Entstehung von Kristallen tief im Erdmantel herrschen. Graphit – jene Kohlenstoffform, die in Bleistiftminen steckt – wird zusammen mit einem Katalysator wie Eisen oder Nickel und einem Ziehdiamant in ein Metallgefäß gepackt. Die Kapsel wird bei 1500 Grad Celsius in einer hydraulischen Presse mit Drücken traktiert, die dem 50 000-Fachen des Luftdrucks auf der Erdoberfläche entsprechen. Nach etwa einer Woche unter Hochdruck schließen sich die in Schichten angeordneten Kohlenstoffatome im Graphit tetraedrisch zu Diamant zusammen. Es bilden sich winzige Kristalle, die oft mit Einschlüssen und Stickstoff verunreinigt sind, und deswegen gelblich schimmern.

Fast wie von allein wächst ultrareiner Diamant

Solches Diamantpulver wird vor allem in Werkzeugen zum Bohren, Schleifen und Schneiden eingesetzt. Für die Schmuckindustrie taugen die Krümel nicht. Einige Unternehmen haben es jedoch in den letzten 15 Jahren geschafft, das aufwendige Verfahren so zu verfeinern, dass sie farblose oder farbige Steine von mehreren Karat Gewicht züchten können. Kürzlich stellte die Firma „New Diamond Technologies“ einen geschliffenen Synthesediamanten von zehn Karat vor. Der Rekordklunker war im April in einer der 50 riesigen Diamantpressen herangewachsen, die das Unternehmen in St. Petersburg in einer Fabrikhalle betreibt. Doch die Energiekosten sind so gewaltig, dass sie die Wirtschaftlichkeit derartiger Geschäftsmodelle infrage stellen.

Die Diamantenerzeuger setzen daher zunehmend auf eine zweite Herstellungsmethode, auf jene Beschichtungstechnik, die auch das Fraunhofer-Team erforscht: die Gasphasenabscheidung (chemical vapour deposition, CVD). Dabei gibt man ein Diamantsubstrat in einen Mikrowellenofen und pumpt ein Gasgemisch aus Spuren von Methan und reichlich Wasserstoff hinein. Die Mikrowellen lassen einen heißen Plasmaball entstehen, wobei das Methan ein Wasserstoffatom verliert. Das Restmolekül mit einem Kohlenstoffatom regnet quasi aus der Plasmawolke auf das Substrat herab und lagert sich diamantartig an. Dabei entsteht manchmal neben Diamant auch Graphit. Er wird durch den aggressiven molekularen Wasserstoff weggeätzt. Schicht um Schicht, etwa ein Mikrometer pro Stunde, wächst so fast wie von allein ultrareiner Diamant heran.

Seit 20 Jahren perfektionieren die Fraunhofer-Forscher ihr CVD-Verfahren. Ein Schlüssel dazu ist die patentierte Ellipsoid-Form des Reaktors. Sie ermöglicht es, ein großvolumiges Plasma am Boden zu erzeugen und damit Diamant auf einer großen Fläche abzuscheiden, sagt Nebel. Um schmucktaugliche Einkristalle zu züchten, muss bereits die Unterlage aus monokristallinem Diamant bestehen. Solche Substrate beziehen die Forscher in Form von neun Quadratmillimeter großen Plättchen bei kommerziellen Herstellern. Das sei eine einmalige Anschaffung, da man nach jedem Zyklus mit einem Laser die Substrate von den gewachsenen Steinen abtrennen und wiederverwenden könne.

Die Molekularköche bringen Farbe ins Spiel

„Der eigentliche gewachsene Diamant ist billig“, sagt Nebel. Denn Methan und Wasserstoff sind günstige Industriegase. Die Energiequelle, eine 10-Kilowatt-Mikrowellenanlage, ist der wichtigste Kostentreiber. „Eine zwei Millimeter dicke Schicht von 0,3 Karat kostet in der Herstellung etwa 70 bis 100 Euro“, rechnet er vor. Von der günstigen Produktion können auch Schmuckkäufer profitieren. Die Firma „Pure Grown Diamonds“, die in den USA selbsterzeugte CVD-Juwelen vermarktet, verkauft ihre geschliffenen Steine um bis zu 40 Prozent unter den Preisen für Natursteine.

Nicht nur in ihrer Reinheit übertreffen die Synthesesteine Rohdiamanten. Die Molekularköche können Farbe ins Spiel bringen: „Geben wir Bor ins Gasgemisch, wird das Element in das wachsende Kristallgitter eingebaut und der Diamant wird blau“, sagt Nebel. Mit Stickstoff entstehen gelbe Steine. Komplizierter sei es bei den roten. Solche fancy colours sind in der Schmuckindustrie begehrt, denn Käufer zahlen dafür hohe Preise.

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