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Kristallzüchtung und Marangoni-Konvektion

Prof. Dr. Bruno K. Meyer       Prof. Dr. Dietrich Schwabe

Hauptarbeitsgebiet der Forschungsgruppe ist der Massen- und Wärmetransport bei der Kristallzüchtung, insbesondere die Marangoni-Konvektion. Eine Spezialität sind Experimente dazu unter Schwerelosigkeit.

Kristallzüchtung aus der Schmelze ist industriell von großer Wichtigkeit (z.B. Silizium für Halbleiterelektronik, Nd:YAG für LASER). Um homogen dotierte und perfekte Kristalle zu erhalten muss der Massen- und Wärmetransport während der Züchtung gesteuert werden. Normalerweise sind z.B. axiale Inhomogenitäten (Striations) oder auch radiale Inhomogenitäten durch nicht-planare Wachstumsfronten unerwünscht. Diese Probleme werden mittels der Methoden der Hydrodynamik untersucht und soweit als möglich vermieden. Das ist nicht immer möglich, weil die Kristallzüchtungsschmelzen hohe Temperatur haben können (z.B. 1900 oC) und daher turbulent sind. Bei den wichtigsten Kristallzüchtungsverfahren, – dem Czochralskiverfahren aus dem Tiegel und dem tiegelfreien floating-zone-verfahren, – wird der Kristall aus der Schmelze mit freier Oberfläche gezogen, wobei auf Grund der hohen Arbeitstemperaturen große thermische Gradienten anliegen. Daher tritt bei diesen Verfahren die thermokapillare Konvektion (Marangoni-Konvektion) auf.

 

Marangoni-Konvektion

Unter Marangonikonvektion versteht man eine Flüssigkeitsströmung, die durch Gradienten in der Oberflächenspannung angetrieben wird. Untersucht werden vor allem Gradienten, die durch Temperaturunterschiede an einer freien Oberfläche – also einer nicht von einer festen Wand gebildeten Grenzfläche – erzeugt werden. Diese Art der Konvektion spielt eine wichtige Rolle bei der Kristallzüchtung aus der Schmelze, weil dort oft eine freie Oberfläche vorhanden ist. Im Gegensatz zur „chemisch“ erzeugten solutalen Marangonikonvektion kann die thermisch erzeugte über längere Zeit im Experiment beobachtet werden.

Die Marangonikonvektion unterscheidet sich in zwei Punkten von der Auftriebskonvektion: Auftrieb ist ein Effekt der Gravitation und tritt im gesamten Volumen auf. Demgegenüber handelt es sich beim Marangonieffekt um einen Konvektionsantrieb an der Oberfläche, der unabhängig von der Schwerkraft ist. Sie tritt daher auch unter Schwerelosigkeit auf und kann dort ohne Kopplung mit Schwereffekten untersucht werden.

Marangonikonvektion führt zu reichhaltiger Strukturbildung von einfachen Grundzuständen über verschiedene stationäre und periodische Instabilitäten bis hin zu Intermittenz und Chaos (Hexagonale Bénard-Zellen, Mahrfachrollen, Hydrothermalwellen (HTW), Oberflächenwellen (OFW, dreidimensionale stationäre Instabilität (3DSI), Oberflächenoszillationen großer Amplitude und Partikel-Anreicherungs-Strukturen (PAS)).

Neben verschiedenen erdgebundenen Experimenten mit Anwendung auf die Hydrodynamik von Kristallzuchtschmelzen wurden und werden zur Trennung von Auftriebs- und Marangonikonvektion verschiedene Experimente im Spacelab, auf Satelliten in ballistischen Raketen und in Parabelflügen durchgeführt. Wegen der dort herrschenden Mikrogravitation tritt dann die Auftriebskonvektion nicht auf.

In der Forschungsgruppe wird an Kristallzüchtungssystemen mit dem normalen experimentellen Arsenal der Hydrodynamik gearbeitet (LDV, Schlierenoptik, hochaufgelöste Temperaturmessungen, IR-Kamera, aber speziell in kleinen Dimensionen des Schmelzenvolumens. Es besteht know how in Richtung Kristallzüchtung aus der Schmelze, Hochtemperaturschmelzen, Wärme- und Stofftransport, Strahlungswärmetransport, Hydrodynamische Instabilitäten, Benetzungsprobleme, Nichtbenetzung, Oberflächeneigenschaften und Reinheiten von Flüssigkeiten und ihrer Oberflächen.

Bild: Konvektionsstruktur (Bénard-Marangoni-Zellen) unter Schwerelosigkeit (Höhenforschungsrakete MAXUS-4) in einer von unten beheizten Flüssigkeitsschicht. Die in lateral sehr großen Schichten als hexagonales (Bienenwaben – ) Muster bekannten Konvektionszellen sind hier wegen der Nähe der seitlichen Berandung zu 6 „Küchenstücken“ entartet.

Veröffentlichungen

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