Auricher Wissenschaftstage –
Forum einer dritten Kultur
Praktikum am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung
in Stuttgart vom 29. März bis zum 9. April 2004
Von Tjarko Tjaden
Am Montag den 29.03.2004, einen Tag nach der Ankunft im Gästehaus des Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart, bei dem ich die Möglichkeit hatte zusammen mit Andrea Richardt ein Praktikum zu absolvieren, wurde ich von Frau Asen-Palmer meinem Betreuer Dipl.-Ing. (FH) H. Bender vorgestellt. Dieser ist zuständig für die wissenschaftliche Servicegruppe Kristallzucht, die zur Abteilung Keimer gehört, benannt nach dem leitenden Professor. Bei dieser Servicegruppe können die Forscher vom Institut Kristalle, die für die Forschung und Technik von Interesse sind, anfordern. Hierbei geht es um neue, aber auch bekannte Materialien mit besonderen Eigenschaften. Im Laufe der Jahre wurde in dieser Gruppe eine Vielzahl von Kristallen gezüchtet wie zum Beispiel verschiedene Halbleiter, Supraleiter, Metalle, Fluoride u. a.
Einkristalle sind Festkörper, bei denen die atomaren Bausteine (Atome, Moleküle, Ionen) eine räumlich periodische Anordnung haben und ein so genanntes Kristallgitter bilden. Man braucht Einkristalle, weil nur bei ihnen die physikalischen und chemischen Eigenschaften genau definiert und reproduzierbar sind, was sehr wichtig für technische Anwendungen ist (z. B. Fertigung von Halbleiter-Chips auf Silicium-Einkristall-Wafern).
Kristallzüchtung ist die kontrollierte Überführung einer mobilen Phase (Schmelze, Lösung, Dampf) in die feste Phase, so dass ein Einkristall mit regelmäßiger Atom- bzw. Molekülanordnung wachsen kann. Zurzeit beschäftigen sich die Mitarbeiter hauptsächlich mit der Züchtung von Hochtemperatursupraleitern.
Supraleiter sind Festkörper, die unterhalb einer bestimmten Temperatur (Sprungtemperatur) eine elektrische Leitfähigkeit ohne Widerstand aufweisen. Zudem haben Supraleiter die Fähigkeit Magnetfelder aus dem Inneren zu verdrängen und können somit auf einem Magnetfeld schweben. Bei den im Moment bekannten Supraleitern treten die oben beschriebenen Eigenschaften allerdings nur bei sehr tiefen Temperaturen auf. Diese lag bei den mir präsentierten Supraleitern bei ca. -170°C. Um diese Temperaturen zu erreichen benutzt man flüssigen Stickstoff oder Helium, welche in einer institutseigenen Aufbereitungsanlage hergestellt werden. Die Hochtemperatursupraleiter bestehen zurzeit noch aus vielen Bestandteilen und Einkristalle sind deshalb schwer zu züchten (Beispiele: Y-Ba-Cu-O, Bi-Sr-Ca-Cu-O, Hg-Ba-Ca-Cu-O).
Mein Tagesablauf sah wie folgt aus: Morgens um 8.00 Uhr betrat ich das Gebäude und erkundigte mich bei meinem Betreuer, welcher sich stets viel Zeit für mich nahm, was ich denn erkunden dürfe. So kam es, dass ich Räume und Gerätschaften zur Züchtung von Kristallen sowie zur weiteren Präparation sah. Weiterhin besuchte ich die Glasbläserei, in der benötigte Gerätschaften wie Ampullen etc. passgenau nach Wunsch hergestellt werden. Ich hatte auch die Gelegenheit einen Blick in den Reinraum, die Abteilung der Lasertechnik und die Dunkelkammer zu werfen. Durch den Umgang mit verschieden Angestellten und freien Mitarbeitern sowie Studenten und Doktoren erlangte ich schnell ein größeres Wissen über die Bedeutung der dort verrichteten Arbeit und warum Grundlagenforschung so wichtig ist. Somit lernte ich auch Begriffe wie die „Sublimation“, „Dotierung" und „bonden" kennen.
Beim Einwiegen von Stoffen für einen neuen Versuch
Filtrieren einer Versuchslösung
Ich durfte dann unter Leitung der Chemischen Assistentin Sabine Lacher bei einem Versuch mitwirken, bei dem auch sie noch über keinerlei Erfahrung verfügte. Sie hatte den Auftrag Amoniumkupferchlorid-Kristalle (Na4CuCl3) herzustellen. Dazu haben wir anhand der Verhältnisformel bestimmte Mengen Amoniumchlorid und Kupferchlorid abgewogen und in Ethanol als Lösungsmittel gegeben. Da wir nicht wussten, wann die Lösung gesättigt war, verwendeten wir relativ viel Ethanol und rührten so lange, bis sich alle Bestandteile aufgelöst hatten. Wenige Stunden später filtrierten wir noch mal und dann hieß es abwarten! Leider zeigte sich, dass nach 2 Tagen der Alkohol bereits verdunstet war und sich keine Kristalle gebildet hatten. Somit wurde der Versuch erneut angesetzt, jedoch unter Verschluss mit geringen Luftlöchern. Wie dies dann gelaufen ist, konnte ich nicht mehr in Erfahrung bringen, da die Abreise schon vor der Tür stand.
Theoretisch könnte ich noch viel berichten über den Ablauf und die Techniken des Kristallzüchtens, doch würde dies sehr ins Detail gehen und den Bericht viel zu lang machen.
Zusammengefasst kann ich sagen, dass ich die Funktionen eines Spiegelofens und die Art und Weise einen Kristall aus einen Tiegel zu „ziehen" kennen lernte, sowie Apparaturen wie das Raster-Elektronen-Mikroskop und Ätzanlagen und Geräte zur Oberflächenbestimmung u. v. m. Außerdem hatte ich für 2 Stunden die Möglichkeit einen Blick in die Abteilung der Nano-Technik zu werfen, welche gegenwärtig von starkem Interesse ist.
Abschließend möchte ich noch erwähnen, dass mir das Praktikum sehr gut gefallen hat, auch wenn ich die Erwartungen hatte mehr praktische Tätigkeiten auszuführen. Dies stellte sich aber meist als sehr problematisch dar. Trotzdem war es eine große Bereicherung für mich ein solches Praktikum zu absolvieren und ich kann es nur weiterempfehlen für Schüler die Interesse an Chemie und Physik haben. Die Unterkunft war sehr gut, und da ich immer ca. um 16.00 Uhr Feierabend hatte, konnte ich mir noch viel von der schönen Stadt Stuttgart ansehen.
Ich danke den Auricher Wissenschaftstagen, Frau Asen-Palmer und den stets hilfsbereiten und netten Betreuern Herr Bender und Frau Lacher. Für weitere Informationen, sowie Fragen oder Kritik stehe ich gerne per Email zu Verfügung.