Einkristallen

Einkristallen, auch Monokristalle genannt, bezeichnen Kristalle, deren Kristallgitter eine durchgehende Orientierungsordnung über große Materialbereiche aufweist. Gegenüber Polykristallinität, bei der das Material aus vielen Kristallen unterschiedlicher Orientierung besteht, oder amorphen Formen ohne Langreichweitenordnung, besitzen Einkristalle eine einheitliche Kristallorientierung. Diese Eigenschaft führt zu anisotropen physikalischen Eigenschaften, etwa in der mechanischen Festigkeit, der optischen Brechung oder der elektronischen Leitfähigkeit, die je nach Richtung variieren können.

Viele Einkristalle entstehen durch kontrollierte Kristallzüchtung. Typische Verfahren sind der Czochralski-Prozess, bei dem aus einer Schmelze ein einzelner Kristall gezogen wird; das Floating-Zone-Verfahren, bei dem Verunreinigungen durch lokale Schmelze verschoben werden; und das Bridgman-Stockbarger-Verfahren, bei dem aus einer Schmelze in einem Temperaturgradienten eine Kristallstruktur entsteht. Natürliche Einkristalle bilden sich in der Erdkruste, z. B. Diamant, Quarz oder Korund, die als Makrostrukturen auftreten können. Größe und Reinheit hängen stark von Temperaturgradienten, Druck und Verunreinigungen ab.

Zu den Kennzeichen von Einkristallen gehört die Langreichweitenordnung des Kristallgitters. Zur Bestimmung und Charakterisierung werden Techniken wie Röntgenbeugung, Laue-Beugung oder Elektronenmikroskopie eingesetzt. Durch gezieltes Dotieren lassen sich elektrische oder optische Eigenschaften steuern. Nachteile sind Kosten und Größenbegrenzungen bei der Züchtung.

Anwendungen finden sich vor allem in der Halbleitertechnik (Silizium- und Germanium-Einkristalle), in der Optik (monokristallines Quarz, Laser- und Frequenzmedien) sowie in der Hochtemperatureinsatztechnik (gerichtete Turbinensuperlegierungen). Naturkristalle wie Diamant, Rubin oder Saphir gehören ebenfalls zu den Einkristallen.