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2024-03-22T14:09:11Z

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Unter '''Kristallorientierung''' versteht man die Angabe, wie ein konkreter [[Kristall]] oder auch nur eine seiner Oberflächen bezüglich seiner inneren Struktur orientiert ist, ob also seine Außenfläche parallel zu einer der (beispielsweise) Würfelflächen seiner [[Elementarzelle]] liegt oder sogar der ganze Kristall als solcher so orientiert ist. Die Angabe wird üblicherweise mit [[Millersche Indizes|millerschen Indizes]] ausgedrückt, man spricht beispielsweise von (111)- oder (110)-Ebenen (und Ausrichtungen parallel oder senkrecht dazu).

Die Angabe einer Orientierung ist nur für einen [[Einkristall]] sinnvoll. Es muss sich also nicht nur um einen [[Festkörper]] handeln, sondern auch noch um einen durchgehend einheitlich orientierten Körper. Bei [[Polykristall|vielkristallinen Festkörpern]] bezeichnet man die Gesamtheit der Orientierungen als [[Textur (Kristallographie)|Textur]], die man z. B. als [[Orientierungsdichteverteilungsfunktion]] angeben kann.

== Herkunft ==
[[Datei:ImgSalt.jpg|miniatur|Salzkristalle (kubisch)]]
Es gibt vor allem zwei Quellen für Einkristallmaterial mit definierter Orientierung:
* natürliche Kristalle mit offensichtlicher Orientierung, z. B. [[Natriumchlorid|NaCl]]-Kristalle im [[kubisches Kristallsystem|kubischen Kristallsystem]], die auch als [[makroskopisch]]e Würfel [[Kristallisation|kristallisieren]]
* Einkristalle, die mit Hilfe von [[Impfkristall]]en künstlich hergestellt werden, vor allem mit dem [[Czochralski-Verfahren]] oder mit dem [[Zonenschmelzverfahren]].

== Messung ==
Liegt ein Einkristall unbekannter Orientierung vor, so gibt es verschiedene Wege, seine exakte Orientierung zu ermitteln.

[[Datei:Single-crystal silicon boule.jpg|miniatur|Silicium-Einkristall mit „Naht“ etwas links der Mitte]]
Bei Kristallen, die nach dem Czochralski-Verfahren hergestellt sind, ist die Orientierung erkennbar an senkrechten ''Nähten'' an der Außenseite, die sich vom eigentlich runden Kristallkörper abheben. Durch die ständige Rotation bei diesem Herstellungsverfahren wird der Kristall zwar überwiegend rund zylindersymmetrisch, in den ausgezeichneten Symmetrierichtungen lagern sich neue Atome aber besonders gut an, so dass hier ein zusätzlicher Auftrag erfolgt. Je nach Orientierung der senkrechten Rotationsachse, also die [100]-, [110]-, [111]-Richtung im Kristall, bilden sich drei oder vier Nähte auf dem Umkreis heraus.

Quantitative Messungen zur Orientierung führt man mit röntgenographischen Methoden durch, vor allem mit dem [[Laue-Verfahren]]. Bei kleinsten Kristallen werden [[elektronenmikroskop]]ische [[Beugung (Physik)|Beugung]]s<nowiki></nowiki>verfahren eingesetzt, wie [[Elektronenrückstreubeugung]], [[Kossel-Effekt|Kossel-]] oder [[Kikuchi-Linien|Kikuchi-Diagramme]].

Ein mehr qualitatives Messverfahren besteht darin, die [[polieren|poliert]]e Kristalloberfläche anzu[[ätzen]]. Dabei bilden sich ''Ätzgrübchen''. Diese haben die Form auf dem Kopf stehender, je nach Orientierung der Oberfläche drei- oder vier[[Symmetrie_(Geometrie) #Rotationssymmetrie / Drehsymmetrie|zählig]]er Hohl[[Pyramide (Geometrie)|pyramide]]n, also mit dreieckiger oder quadratischer (rechteckiger) Grundfläche. Wer nicht zu viel wegätzen will, muss diese Untersuchung mit dem Mikroskop vornehmen.

== Anwendung ==
Breite Anwendung finden Kristalle definierter Orientierung in [[Schwingquarz]]en. Hier entscheidet sie maßgeblich über die Temperaturkonstanz der Schwing[[frequenz]] und damit über die Langzeit[[genauigkeit]] beispielsweise damit aufgebauter Uhren. Der „[[AT-Schnitt]]“ ist eine der bevorzugten Konfigurationen.

In der Wissenschaft benötigt man Einkristalle verschiedener Orientierung für Messungen, die Details zum [[Bändermodell]] des verwendeten Materials ermitteln sollen. Wenn dazu [[Spektroskopie]] mit [[Polarisation|polarisiertem Licht]] in bekannter Ausrichtung zur Orientierung des Kristallmaterials betrieben wird, können gezielt Bandeigenschaften in den einzelnen Symmetrierichtungen des Materials bestimmt werden.

[[Datei:Two microgrippers.jpg|miniatur|Durch kristallorientierungsabhängiges Ätzen (Unterätzung des [[Substrat (Materialwissenschaft)|Substrat]]<nowiki></nowiki>materials) freigelegte Greifarme]]
In der Technik spielt das Wissen um die Orientierung von Kristallen eine große Rolle. Das Basismaterial (Substrat) in der [[Halbleitertechnologie|Halbleitertechnik]] sind hochreine [[Silicium]]<nowiki></nowiki>einkristalle, die in Form dünner Scheiben ([[Wafer]]) bearbeitet werden. Für verschiedene Bearbeitungstechnologien ist es dabei wichtig, die Kristallorientierung zu kennen. So kann sich beispielsweise bei der [[Dotierung]] durch [[Ionenimplantation]] eine Vorzugsrichtung beim Durchqueren der [[Ion]]en im Substrat ausbilden, der [[Gitterführungseffekt]]. Dieser verhindert eine genaue Prozessführung, da das Profil der [[Eindringtiefe]]n nicht mehr genau berechenbar ist. Zur Abhilfe kann das Substrat leicht verkippt werden, wodurch nur noch die berechenbare Streuung der Ionen im Kristall wirkt – Standard sind (100)-Siliciumwafer beispielsweise um ca. 7° verkippt, alternativ werden dünne Streuschichten aus [[Siliciumdioxid]] aufgetragen.

Ein anderes Beispiel ist das kristallorientierungsabhängige Nassätzen von Silicium mit [[Kaliumhydroxid]]-[[Lösung (Chemie)|Lösung]] in der [[Mikrosystemtechnik]]. Hier können je nach Kristallorientierung des Substrates bzw. dessen Oberfläche und [[Fotomaske|Maskierung]] unterschiedliche Mechanikelemente erzeugt werden.

== Siehe auch ==
* [[Kornorientierung]]

== Literatur ==
*{{Literatur|Autor=Charles Kittel|Titel=Einführung in die Festkörperphysik|Verlag=Oldenbourg|ISBN=3-486-57723-9|Auflage=14.|Jahr=2005}}
*{{Literatur|Autor=Werner Schatt, Hartmut Worch|Titel=Werkstoffwissenschaft|Verlag=Wiley-VCH|ISBN=3-527-30535-1|Auflage=9.|Jahr=2003}}

{{Normdaten|TYP=s|GND=4623755-0}}

[[Kategorie:Kristallographie]]
[[Kategorie:Mikrosystemtechnik]]

Kristallorientierung - Versionsgeschichte

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