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Der aus dem IFW Dresden ausgegründeten Technologiefirma Scientific Instruments Dresden (ScIDre) ist es gelungen, eine einzigartige Kristallzüchtungsanlange auf den Markt zu bringen. Besonders und weltweit erstmalig ist die Züchtung von hochschmelzenden Einkristallen unter Gasdrücken von bis zu 300 bar bei frei wählbarer Zusammensetzung der Gasmischung. Damit wird der Wissenschaft ein völlig neuer Parameterbereich zur Materialsynthese in die Hand gegeben. Erster Abnehmer der neuesten ScIDre-Maschine ist die Johns Hopkins University im amerikanischen Baltimore. Mit innovativen Produkten wie diesem sichert ScIDre seit 2009 die Arbeitsplätze des Sächsischen Unternehmens.
Ein zentrales Thema der grundlagenorientierten Materialwissenschaft ist die Herstellung komplexer Einkristalle. Diese in der Natur oft nicht existenten Materialien weisen ganz besondere Eigenschaften auf, deren Erforschung zunächst zum grundlegenden Verständnis physikalischer Phänomene beiträgt. Es sind dann aber auch diese Materialien, die aufgrund ihrer Eigenschaften in verschiedenen, technisch relevanten Bereichen wie Datenspeicherung, Hochleistungselektronik oder -optik ihre Anwendung finden.
Mit einer Vorgängerversion der neuen Hochdruck-Kristallzüchtungsanlage (HKZ) ist die ScIDre GmbH seit 2009 auf dem Markt und hat sich damit in wissenschaftlichen Instituten weltweit einen Namen gemacht. Die Maschine (Bild 1) arbeitet nach dem sog. optischen Zonenschmelzverfahren (optical floating zone). Dabei wird ein kleiner Teil einer stabförmigen Materialprobe mit intensivem Licht aufgeschmolzen und aus der Schmelzzone heraus der Einkristall gezüchtet, während das Ausgangsmaterial kontinuierlich in die Schmelzzone nachgeliefert wird (Bild 2). Die erforderliche Lichtenergie liefert eine leistungsstarke Xenon-Kurzbogenlampe und ermöglicht Schmelztemperaturen von mehr als 3000 °C.
Der technologische Weltrekord
Nun ist es den Forschern und Entwicklern bei ScIDre gelungen, den in ihren Anlagen bislang üblichen Gasdruck von 150 bar auf 300 bar zu steigern, ohne dabei Einbußen in der Präzision des Züchtungsprozesses hinnehmen zu müssen – ein Weltrekord! Gemeinsam mit der Option, die Zusammensetzung der Gasmischung frei variieren zu können, wird für die Materialwissenschaft das Tor zu einer neuen Welt der Materialsynthese aufgestoßen.
Internationale Zusammenarbeit
Initiiert wurde die Entwicklung der neuen Kristallzüchtungsanlage von der Johns Hopkins University in Baltimore, USA. Gemeinsam mit den drei namenhaften Universitäten Cornell, Clark Atlanta und Princeton, gehört Johns Hopkins zu der Werkstoffinnovationsplattform PARADIM (Platform for the Accelerated Realization, Analysis and Discovery of Interface Materials). Die Synthese und Erforschung neuer Materialien, bei denen insbesondere die physikalischen Eigenschaften der Grenzflächen im Fokus stehen, ist das Ziel des mit 25 Millionen Dollar von NSF (National Science Foundation) geförderten Vorhabens.
„Für uns ist es eine große Freude“, so Robert Schöndube, Geschäftsführer der ScIDre GmbH in Dresden, „dass wir von den Spitzenwissenschaftlern in den USA das Vertrauen zur Entwicklung der 300-bar-Version unserer HKZ erhalten haben.“ Einer von ihnen, Prof. Tyrel M. McQueen, verantwortlich in den Gebieten Chemie, Materialwissenschaft und Werkstofftechnik sowie Physik und Astronomie an der Johns Hopkins University, fasst seine Motivation zum Erwerb der neuen Anlage so zusammen: „Materialwissenschaft ist die Basis für so Vieles, was wir technologisch erreicht haben“, sagt er. „Unsere moderne Welt wäre zum Beispiel ohne die heute verfügbaren Werkstoffe der Mikroelektronik nicht denkbar. So hängt die Entwicklung zukünftiger Technologien davon ab, bereits heute neue Materialien mit neuen Eigenschaften zu finden und zu verstehen“, so McQueen weiter.
Die neue HKZ- Anlage ist jetzt auf der Reise in die USA und wird von den ScIDre-Mitarbeitern vor Ort am 25. Februar 2017 in Betrieb genommen.
Über die Hochdruck-Kristallzüchtungsanlage HKZ:
Die Anlage verfügt über einen vertikalen 2-Spiegel-Aufbau, der eine homogene und sehr gut kontrollierbare Energieverteilung auf der Oberfläche der Materialprobe erlaubt. Weltneuheit bei diesem Ofen ist die Möglichkeit, bei Drücken bis zu 300 bar mit verschiedenen Gasen und Gemischen in der Wachstumskammer zu arbeiten. Mit den Xenon-Kurzbogenlampen können Schmelztemperaturen von mehr als 3000 °C erreicht werden. Der Wachstumsprozess ist mit magnetisch gekoppelten Linear- und Rotationsvorschubsystemen bei Ziehgeschwindigkeiten ab 0,1 mm/h mit Prozessüberwachungstechnologien kontrollierbar. Mit einem patentierten, berührungslosen Temperaturmesssystem können die Temperaturen von Zulaufstange, Schmelzzone und Kristall direkt während der Züchtung in situ gemessen werden. Die gesamte Anlage wird über eine anwenderfreundliche Computersteuerung geregelt und überwacht.
Über ScIDre GmbH:
Die Scientific Instruments Dresden GmbH (ScIDre) ist ein international agierendes Technologieunternehmen und versteht sich als Partner der Wissenschaft. Ein leistungsstarkes Team aus Ingenieuren und Wissenschaftlern entwickelt Geräte und Technologien für den Einsatz in physikalischer Grundlagenforschung und anwendungsorientierter Naturwissenschaft. Das Angebot der ScIDre GmbH wird durch spezialisierte Ingenieurdienstleistungen sowie der Sonderfertigung von Einzelteilen und Kleinstserien in ihrer „Campuswerkstatt“ ergänzt.
ScIDre entstand im Jahr 2009 als eine Ausgründung aus dem Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW Dresden). Das Know-how zur Herstellung einer dort entwickelten Anlage zur Einkristallzüchtung im Zonenschmelzverfahren unter hohen Gasdrücken – die Hochdruck-Kristallzüchtungsanlage HKZ – wurde als eines der ersten Produkte, im Rahmen einer Lizenzvereinbarung an die junge Firma übergeben. ScIDre führte eine grundlegende Weiterentwicklung dieser Anlage durch und vermarktet sie seitdem erfolgreich weltweit. Aufbauend auf der Erfahrung im Bereich hoher Gasdrücke und hoher Temperaturen entwickelt ScIDre kontinuierlich weitere innovative Geräte zur Vorbereitung und Durchführung von wissenschaftlichen Kristallzüchtungen und anderen Experimenten aus unterschiedlichen Bereichen der Festkörperphysik und Materialwissenschaft.
Im Jahr 2011 hat ScIDre den Sonderpreis für herausragenden Technologietransfer mit besonderem Entwicklungspotenzial des Sächsischen Staatsministeriums für Wissenschaft und Kunst (SMWK) verliehen bekommen.
http://www.scidre.com
http://www.ifw-dresden.de
Die Kristallzüchtungsanlage (HKZ) für die Materialsynthese komplexer Einkristalle.
Foto: Scidre
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Im Brennpunkt des oberen Spiegels des HKZ befindet sich die Prozesskammer. Hier findet bei Temperatu ...
Foto: Scidre
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Criteria of this press release:
Journalists
Chemistry, Materials sciences, Mechanical engineering, Physics / astronomy
transregional, national
Transfer of Science or Research
German
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