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Perfekte Kristalle als wissenschaftliche Schmuckstücke

Wien (TU): Das Labor zur Proben- und Einkristallherstellung am Institut für Festkörperphysik der Technischen Universität Wien erstrahlt im neuen Glanz. Aber nicht nur das: der besondere Stolz des Institutes ist die neue Anlage zur Züchtung hochwertiger Einkristalle. Damit kann die gezielte Entwicklung neuer Materialen vorangetrieben werden, mit denen sich zur Zeit anstehende Probleme wie z. B. Umweltverträglichkeit, Energieeffizienz lösen lassen. Möglich wurde die 469.000,- Euro teure technische Laboraufrüstung durch die Initiative UNIINVEST 2004, die Universitäre Forschungsinfrastruktur des Bundesministeriums für Wissenschaft, Bildung und Kultur (bmbwk).

Abb. 1: Spiegel - Ofen zur Kristallzucht nach dem "floating zone" Verfahren.

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Abb. 1: Spiegel - Ofen zur Kristallzucht nach dem "floating zone" Verfahren.

Abb. 1: Spiegel - Ofen zur Kristallzucht nach dem "floating zone" Verfahren.

Abb. 2: Detail der Zugvorrichtung des 4-Spiegel-Ofens, Vakuum- bzw. Hochdruckfederbalg- abdichtung.

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Abb. 2: Detail der Zugvorrichtung des 4-Spiegel-Ofens, Vakuum- bzw. Hochdruckfederbalg- abdichtung.

Abb. 2: Detail der Zugvorrichtung des 4-Spiegel-Ofens, Vakuum- bzw. Hochdruckfederbalg- abdichtung.

Abb. 3: Kalte Rinne, Cold-boat, zur Herstellung polykristalliner Materialien in kurzer Stäbchenform.

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Abb. 3: Kalte Rinne, Cold-boat, zur Herstellung polykristalliner Materialien in kurzer Stäbchenform.

Abb. 3: Kalte Rinne, Cold-boat, zur Herstellung polykristalliner Materialien in kurzer Stäbchenform.

Abb. 4: Hukin Tiegel, Cold-cruzible, zur Herstellung größerer Mengen polykristalliner Materialien in "Knopfform".

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Abb. 4: Hukin Tiegel, Cold-cruzible, zur Herstellung größerer Mengen polykristalliner Materialien in "Knopfform".

Abb. 4: Hukin Tiegel, Cold-cruzible, zur Herstellung größerer Mengen polykristalliner Materialien in "Knopfform".

Bereits bisher konnten am Institut für Festkörperphysik der TU Wien die physikalischen Eigenschaften von Materialien bei extremen Bedingungen, insbesondere bei sehr tiefen Temperaturen und hohen Magnetfeldern auf höchstem wissenschaftlichen Niveau untersucht werden. Was jedoch fehlte, war eine Anlage zur Züchtung hochwertiger Einkristalle - das Kernstück im Bereich einer herausragenden Probenpräparation.

Das mit diesen hochreinen Kristallen erworbene Verständnis bildet die Basis für eine gezielte "intelligente" Entwicklung von Materialien für konkrete Anwendungen, z. B. supraleitende Sensoren, Datenspeicher, Peltierelemente, thermoelektrische und thermomagnetische Komponenten, Aktuatoren. Entscheidenden Wettbewerbsvorteil wird das Institut für Festkörperphysik auch dadurch erzielen, dass es in Zukunft nicht mehr auf die Bereitstellung hochwertiger Einkristalle durch andere Institutionen angewiesen ist.

Neues Material mit intensivem Blick ins Innere

Ausgegangen werden soll von einer Untersuchung der elektronischen Korrelationen in Schwere-Fermionen-Systemen, um eine darauf aufbauende Maßschneiderung der Eigenschaften für thermoelektrische und magnetische Substanzen zu ermöglichen. Dazu ist ein tief greifendes Verständnis des Zusammenhanges zwischen der chemischen Zusammensetzung und Struktur eines Materials einerseits und seinen physikalischen Eigenschaften andererseits erforderlich. Dies setzt jedoch höchste Materialqualität, detaillierte analytische Methoden und entsprechende theoretische Modellierung voraus.

Für FestkörperphysikerInnen ist es heute schon Voraussetzung. Materialeigenschaften auf quantenmechanischem Niveau zu verstehen und zu modellieren. Der Trend bei den im praktischen Einsatz stehenden Werkstoffen geht aber zu immer größerer Komplexität, die zunehmend aufwändigere Methoden für die Herstellung, Untersuchung und theoretische Beschreiben erfordern.

Beispiele aus der Grundlagenforschung für die Praxis

Derzeit werden elektronisch hochkorrelierte Systeme, in denen Quanteneffekte zu außergewöhnlichen Eigenschaften führen, international besonders aktiv erforscht. Einige dieser Eigenschaften werden bereits für die industrielle Anwendung genutzt, wie z.B. in der Medizin die Supraleitung in der Kern-Spin (NR) Tomographie oder bei Superconducting Quantum Interference Devices (SQUIDS) in der Hirnforschung.

In reduzierten Dimensionen führen starke elektronische Korrelationen zu besonders drastischen Effekten. Daher bergen elektronisch hochkorrelierte Materialien besonders in mikro- und nanostrukturierter Form ein gewaltiges Anwendungspotenzial. So kommt z.B. der "kolossale" Magnetwiderstand bereits in der Computerindustrie bei den Datenspeichern zur Anwendung.

Besonders viel versprechend erscheint der Einsatz von Kondoisolatoren in thermoelektrischen Bauelementen, die elektrische Energie in Wärme (Wärmepumpen) oder Wärme in elektrische Energie (Generatoren) umwandeln. Sie sind umweltfreundlich, da sie kühlmittel- und emissionsfrei arbeiten. State-of-the-art-Bauelemente auf der Basis von konventionellen Halbleitern können bei Raumtemperatur und oberhalb davon effizient genug betrieben werden. Für Anwendungen bei tiefen Temperaturen als Generatoren in der Raumfahrt oder zur Kühlung von Infrarot-Detektoren sind noch entsprechende Materialentwicklungen notwendig.

Die zuvor erwähnten Kondoisolatoren bieten hier einen wichtigen Ansatzpunkt. Sie haben meist unterhalb der Raumtemperatur riesige Thermokräfte, die in den thermoelektrischen Wirkungsgrad quadratisch eingehen. Von Nachteil sind die hohen thermischen Leitfähigkeiten, die es bisher verhindern, einen großen Temperaturgradienten im Material aufzubauen. Die Suche nach Kondoisolatoren mit niedriger thermischer Leitfähigkeit stellt daher einen wichtigen Aspekt des Forschungsvorhabens am Institut für Festkörperphysik der TU Wien dar.

Optimistischer Blick in die Zukunft:

Die Resultate detaillierter Tieftemperaturexperimente an diesen Systemen stellen derzeit die treibende Kraft für theoretische Arbeiten dar und sind somit für das Aufstellen neuer Konzepte unerlässlich. Es ist zu erwarten, dass der Einfluss der Entwicklung auf diesem Gebiet weit über die Grenzen der Festkörperphysik hinausgehen wird. Unser Ziel ist es, diese Entwicklung mitzugestalten und die neuesten Erkenntnisse unmittelbar in die Herstellung von Materialien mit spezifischen quantenmechanischen Eigenschaften einfließen zu lassen.

Zur Erreichung dieses Zieles sind hochwertige Einkristalle unabdingbar. Für deren Züchtung benötigt man den Spiegel-Ofen, eine Probenvorbereitung unter Schutzgas sowie die Präparation geeignet geformter polykristalliner Ausgangsmaterialien,
anlagenspezifische Details [pdf]. Durch den Ausbau des Computerclusters am Center of Computational Materials Science (CMS) wird die begleitende theoretische Modellierung ermöglicht.