Zeitung Heute : Aufbauhelfer für Kristalle

Forscher entdecken neues Magnetverfahren

Handys, Solarzellen, Navigationsgeräte, Leuchtdioden – sie alle funktionieren nur, weil in ihnen Bauelemente stecken, die auf hochregelmäßige Halbleiterkristalle wie Silizium oder Galliumarsenid aufgebaut sind. Solche Kristalle werden in der Industrie in großem Maßstab aufwändig „gezüchtet“. Bereits seit rund 100 Jahren gibt es dieses Verfahren, seit etwa 50 Jahren werden die Kristalle in industriellem Maßstab hergestellt. Deutschland gehört dabei weltweit zu den führenden Produktionsländern.

Die Grundstoffe für die Kristalle werden in Tiegeln geschmolzen, damit sie sich dann um einen Kern herum zu regelmäßigen Kristallen anlagern. Thermische Strömungen im Tiegel stören allerdings den perfekten Aufbau der Kristalle. Wie in jedem Kochtopf entstehen auch in einer Schmelze Strömungen aufgrund unterschiedlicher Wärmeverteilung. Vor allem in den Randschichten der Kristalle kommt es zu solchen Unregelmäßigkeiten, sodass nur etwa 70 Prozent der Kristalle ausgewertet werden können.

Da die Schmelze elektrisch leitend ist, kann die in den Tiegeln auftretende Strömung allerdings mit Hilfe von Magnetfeldern beeinflusst werden. Dies wird bereits seit einigen Jahrzehnten mit starken Magneten versucht, die außen an den Tiegeln angebracht sind. Zum Auslösen des Prozesses sind allerdings sehr starke und kostspielige Magnete vonnöten, deren Kraft zudem nur geschwächt im Innern des Tiegels ankommt.

Im Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) in Adlershof konnten Forscher diese Züchtungsverfahren jetzt um einen entscheidenden Schritt verbessern. Dafür erhalten sie in diesem Jahr den Innovationspreis.

Im Rahmen des Projektes KristMAG entwickelten Forscher um Professor Peter Rudolph die entscheidende Verbesserungsidee: Sie ordneten die Magnetfeldgeneratoren nicht mehr außen um die Schmelzöfen an, sondern entwickelten Heizspulen, mit denen sich gleichzeitig Magnetfelder erzeugen lassen. „Da das Magnetfeld unmittelbar in den Schmelztiegel eingekoppelt wird, brauchen wir nur noch relativ geringe Feldstärken. Äußere Magnetfelder müssten sehr stark sein, um bis nach innen zu dringen und würden die Kosten für eine Züchtungsanlage etwa verdoppeln“, sagt Rudolph. Ein im Rahmen des Projektes durch Industriepartner entwickeltes ausgefeiltes Leistungs- und Steuerungssystem erlaubt es, dass die Heizer über Gleichstrom Wärme erzeugen, ein darüber gelagerter Wechselstrom erzeugt die wandernden Magnetfelder.

An dem Projekt waren neben weiteren Forschungseinrichtungen wie dem Weierstraß-Institut für Angewandte Analysis und Stochastik Berlin und der Leibniz-Universität Hannover auch die Industriepartner Steremat Elektrowärme GmbH aus Berlin und Auteam Industrie-Elektronik GmbH Brandenburg beteiligt.

Die Projektpartner haben damit einen neuen Anlagentyp zur Kristallzüchtung entwickelt, der die Zuchtergebnisse für Kristalle zur Herstellung von Halbleitermaterialien für die Informations-, Kommunikations-, Sensor- und Solartechnologie verbessert. Material, Energie und Kosten können mit Hilfe der Entwicklung reduziert werden. Die Entwicklung sei ein gutes Beispiel, wie Industrie und Forschung in der Region zusammenarbeiten können, so Rudolph.

Ein erstes Modul ist bereits an eine Berliner Firma vermarktet worden. Das Interesse an verbesserten Kristallisationsverfahren sei besonders in der Solarindustrie sehr groß, sagt der Forscher. Anwendung und Vermarktung sind bereits gestartet. Sieben Patente und der Markenschutz für KRISTMAG® sind angemeldet. olk

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