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Kristallzucht

Hier werden einige Methoden präsentiert, die wir nutzen, um Einkristalle einer organischen Substanz herzustellen.

Aus Lösung

Es gibt zwei Möglichkeiten eine Substanz aus der Lösung zu kristallisieren: Die erste Variante besteht darin, dass eine Lösung bei höheren Temperaturen hergestellt und dann langsam abgekühlt wird. Man kann z.B. ein Lösemittel verwenden, welches einen Siedepunkt oberhalb von 100°C hat und dieses in einem Wasserbad dann auf 100°C erwärmen. Hat sich das zu kristallisierende Material vollständig gelöst, kann die Heizung abgeschaltet werden, um das Wasser und damit die Lösung langsam abzukühlen. Erreicht die Lösung eine Temperatur, bei der Übersättigung vorliegt, beginnt das Material zu kristallisieren. Durchschreitet man den sogenannten Ostwald-Miers Bereich langsam, so können sich wohldefinierte Kristalle bilden. Als Beispiel ist hier ein Perylen-Kristall aufgeführt, der auf diese Weise aus Toluol gewonnen wurde.

Abbildung 1: α-Perylen gezüchtet aus abgekühltem Toluol, aufgenommen aus verschiedenen Perspektiven, man beachte den Pleochroismus.

Man kann alternativ auch ein heizbares Silikonölbad vorbereiten, welches sicherstellt, dass Temperaturfluktuationen minimal gehalten werden können. Ist man auf ein flüchtiges Lösemittel beschränkt, empfiehlt sich der Einsatz eines Dimrothkühlers, wobei es dadurch zu Konzentrationsfluktuationen kommen kann. Auch Vibrationen können den Prozess der Kristallisation negativ beeinflussen. Hierzu kann das gesamte System z.B. in einer Vibrationsgedämpften Glocke untergebracht werden.

Eine weitere Methode ist es, eine Lösung bei Raumtemperatur herzustellen und das Lösemittel langsam verdunsten zu lassen. Die Geschwindigkeit des Verdunstens kann im Wesentlichen durch die Gefäßöffnung bestimmt werden. In einigen Fällen ist es sinnvoll auf diese Art und Weise Kristalle zu züchten, so wächst etwa Perylen in einem anderen Polymorphismus, wenn das Lösemittel verdunstet und nicht abgekühlt wird.

Abbildung 2: β-Perylen gezüchtet aus einer verdunsteten Toluol-Lösung.

Aus der Gasphase

a) Hot-Wall Verfahren

Abbildung 3: Schemazeichnung des Hot Wall Verdampfers.

Das sogenannte Hot Wall Verfahren wird in einer UHV-Kammer angewandt, wobei Tiegel und Substrat über einen Teflonring verbunden werden, sodass im Prinzip eine Atmosphäre aus dem zu kristallisierenden Material entsteht (siehe Schema). Die Tiegel- und Substrattemperaturen werden dann durch Trial and Error Versuche optimiert. Auf diese Weise lassen sich thermodynamisch stabile Mikrokristalle züchten.


Abbildung 4: Rubren-Kristalle aus Hot Wall Verfahren.

b) Gradientensublimation

Abbildung 5: Schemazeichnung eines Sublimationsrohrs.

Bei diesem Verfahren wird ein Material in einem langen Glasrohr verdampft und mit Hilfe eines inerten Trägergases zu kälteren Zonen transportiert, wo dann Kristallisation stattfinden kann. Obwohl dieses Verfahren meist zum Aufreinigen benutzt wird, da Verunreinigungen bedingt durch den Temperaturgradienten am Rohr an anderer Stelle auskristallisieren, als das eigentliche Material, wird dieses Prinzip auch zur gezielten Zucht von Kristallen verwendet.

c) OMBD in dünnen flüssigen Filmen

Flüssigkeiten mit einem sehr geringen Dampfdruck können auch in eine UHV-Kammer eingeschleust werden. Beschichtet man ein Substrat mit einem dünnen Silikonölfilm (alternativ auch ionische Flüssigkeiten) und dampft das Ausgangsmaterial anschließend mit einer Knudsen-Zelle in den Film hinein, können unter günstigen Bedingungen lateral sehr ausgedehnte Einkristalle gezüchtet werden.

 Abbildung 6: Beide Phasen des Perylens (s.o.), gewachsen in einem dünnen Film aus Silikonöl.

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