EP1902163A1 - Method for production of a bead single crystal - Google Patents

Method for production of a bead single crystal

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Publication number
EP1902163A1
EP1902163A1 EP06761761A EP06761761A EP1902163A1 EP 1902163 A1 EP1902163 A1 EP 1902163A1 EP 06761761 A EP06761761 A EP 06761761A EP 06761761 A EP06761761 A EP 06761761A EP 1902163 A1 EP1902163 A1 EP 1902163A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
single crystal
bead
bead single
wire
electron beam
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06761761A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Bert VOIGTLÄNDER
Udo Linke
Helmut Stollwerk
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of EP1902163A1 publication Critical patent/EP1902163A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B13/00—Single-crystal growth by zone-melting; Refining by zone-melting
    • C30B13/16—Heating of the molten zone
    • C30B13/22—Heating of the molten zone by irradiation or electric discharge
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
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    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/60—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape characterised by shape
    • C30B29/66—Crystals of complex geometrical shape, e.g. tubes, cylinders
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
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    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/12—All metal or with adjacent metals
    • Y10T428/12014—All metal or with adjacent metals having metal particles

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a bead single crystal.
  • Bead or pearl single crystals are formed by melting and recrystallizing a thin wire made of precious metal.
  • the wire end is melted with a fine gas flame.
  • the movement of the gas flame along the wire axis forms a liquid metal bead.
  • the method for producing a bead single crystal according to the invention provides for forming the bead single crystal by electron beam heating of at least one wire. After formation of the bead deposit, the quality of the crystal is determined by the periodicity of the building blocks on the facets under the stereomicroscope.
  • the bead crystals formed by electron beam heating regularly have a precisely defined surface and thus a particularly uniform, homogeneous crystal lattice.
  • the monocrystals formed in this way have particularly advantageously also a much lower dislocation density than the single crystals known from the prior art.
  • each wire is made of a non-noble metal, such as. A wire made of Cu or Ni, this by the flame fusion method according to Clavillier or Furuya et al. oxidized. Therefore, the quality of the bead single crystals is generally limited according to the flame melting method or else according to the so-called flame float zone method (FFZ). This also applies if additional measures, such as working under a protective gas atmosphere, are made.
  • non-noble metal wires can also be used to produce bead single crystals.
  • Gas inclusions are basically prevented according to the invention.
  • the crystal will then have low dislocation densities, if any at all, thus providing a whole new class of bead single crystals.
  • a high vacuum is applied during the process. This may be less than 5 * 10 "4 , in particular less than 10 " 6 mbar.
  • wires comprising Ag, Al, Cr, Cu, Ir, Mo, Nb, Ni, Pd, Pt, Re, Rh, Ru, Ta, Va, or W can be formed into bead single crystals.
  • the wires can be made of these metals in more or less pure form. It is also possible to include wires.
  • FM or FFZ process flame fusion process
  • Fig. 1 shows the device for electron beam heating.
  • the entire assembly is housed in a vacuum chamber made of stainless steel 1, which is pumped by means of a turbomolecular pump (not shown) to a vacuum of ⁇ 1 x 10 ⁇ 6 mbar.
  • An electron beam is caused by the electrical heating of a metal filament 2 z. B. of tungsten or tantalum with a diameter of about 0.2 to 0.3 mm produced.
  • a DC voltage source 7 supplies the filament 2 with a power of about 50 watts for this purpose.
  • the filament 2 is enclosed by a metal housing 3 except for an upper opening (not shown). This causes the light generated by the filament 2 to be intercepted.
  • the electron beam exits the housing 3 via the opening.
  • the metal wire 4 is arranged. This has a diameter of, for example, 0.1 to 2 mm.
  • the metal wire 4 is vertically displaceable relative to the filament 2 by means of an adjusting device, not shown, and thus can be positioned above the opening of the housing 3.
  • the electrons emerging from the housing 3 are accelerated towards the metal wire 4 by means of a high voltage source 8 and by applying a positive high voltage to the metal wire 4, typically with values of approximately 2 to 3 kV.
  • a positive high voltage typically with values of approximately 2 to 3 kV.
  • an emission current of typically several mA flows through the wire 4. Due to the electron impact heating is in the first
  • Step 2 the wire 4 is melted and it forms a liquid metal ball or bead, which is held by the surface tension of the liquid metal on the wire 4.
  • the wire 4 is then moved vertically downward relative to the filament 2 and the wire 4 is further melted until the bead monocrystal 5 has the desired size.
  • the heating power of the electron beam heating is reduced until the upper part of the bead single crystal 5 solidifies.
  • the phase boundary between the solid and liquid phases of the bead Single crystal 5 can be observed through a viewing window 6.
  • a particular advantage of the electron beam heating is the simple and accurate control of the phase boundary by varying the high voltage or the current through the filament 2.
  • the production of the bead single crystal 5 takes place by slow solidification of the liquid metal ball. If the process of melting and solidification is repeated many times, then the single crystal is formed, recognizable by the formation of facets on the bead surface.
  • the bead single crystals produced in this way can have a diameter of about 0.5 to 3 millimeters.
  • the crystals are used as single crystal substrates in surface science, thin film technology, e.g. B. for Construction of sensors, and used in electrochemistry.

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Abstract

The invention relates to a method for production of a bead single crystal. The bead single crystal is produced by electron beam heating of at least one wire in vacuo. Bead single crystals comprising Ag, Al, Cr, Cu, Ir, Mo, Nb, Ni, Pd, Pt, Re, Rh, Ru, Ta, W or metal alloys, in particular, Ag/Au, Pt/Rh or Pt/Re alloys are advantageously produced by said method. The bead single crystals are preferably used in surface research, thin layer technology and electrochemistry.

Description

B e s c h r e i b u n g Verfahren zur Herstellung eines Bead-Einkristalls Method of Making a Bead Single Crystal
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bead-Einkristalls.The invention relates to a method for producing a bead single crystal.
Bead- bzw. Perleneinkristalle entstehen durch Aufschmelzen und Rekristallisieren eines aus Edelmetall bestehenden, dünnen Drahtes. Das Drahtende wird mit einer feinen Gasflamme aufgeschmolzen. Durch die Bewegung der Gasflamme entlang der Drahtachse bildet sich eine flüssige Metallperle.Bead or pearl single crystals are formed by melting and recrystallizing a thin wire made of precious metal. The wire end is melted with a fine gas flame. The movement of the gas flame along the wire axis forms a liquid metal bead.
An der Grenzfläche zwischen der geschmolzenen Perle und dem Draht bildet sich ein Wachstumskeim. An diesem Keim bildet sich bei der Erstarrung der flüssigen Material- kugel ein Einkristall. Dieses Verfahren zur Herstellung von Bead-Einkristallen ist nach J. Clavilier et al . (J. Electroanal. Chem. 107 (1980) , 211) auch als Flammenschmelzmethode (FM) bekannt .At the interface between the molten bead and the wire, a growth germ forms. At the moment of solidification of the liquid material sphere, a single crystal forms on this germ. This method of making bead single crystals is described by J. Clavilier et al. (J. Electroanal Chem 107 (1980), 211) is also known as the flame fusion method (FM).
Aus DE 103 04 533 ist ein weiteres Verfahren zur Her- Stellung eines Bead-Einkristalls bekannt, bei dem mindestens zwei Drähte miteinander nach der Flammenschmelzmethode verschmolzen werden.From DE 103 04 533 a further method for the preparation of a bead single crystal is known in which at least two wires are fused together by the flame fusion method.
Aus Furuya et al . (Furuya, N., Ichinose, M., Shibita, M. (2001) . Production of high quality Pt Single crystals using a new flame float-zone method. Phys .From Furuya et al. (Furuya, N., Ichinose, M., Shibita, M. (2001)) Production of high quality Pt single crystals using a new flame float-zone method.
Chem. Chem. Phys. 3, 3255-3260) ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung von einkristallinen Pt-Kristal- len bekannt. Dabei wird ein Pt-Draht in der Mitte des Drahtes ebenfalls mittels einer Sauerstoffreichen Wasserstoffflamme aufgeschmolzen und die aufgeschmolzene Zone zum Ende des Drahtes hinbewegt . Dieses Verfahren wird auch als Flame float-zone- (FFZ-) Verfahren be- zeichnet .Chem. Chem. Phys. 3, 3255-3260), a further process for producing monocrystalline Pt crystals is known. This is a Pt wire in the middle of Wire also melted using an oxygen-rich hydrogen flame and the molten zone moved towards the end of the wire. This method is also referred to as the Flame Float Zone (FFZ) method.
Nachteilig sind mit diesen Verfahren gemäß Stand der Technik nur kleine Bead-Einkristalle aus Edelmetallen, wie z. B. aus Pt und Au herstellbar.Disadvantages are only small bead single crystals of precious metals, such as. B. from Pt and Au produced.
Insbesondere für elektrochemische oder sensorische An- Wendungen ist zudem eine kristallographisch genau definierte Oberfläche des Kristalls erwünscht, die mit keinem der oben genannten Verfahren erzielt werden kann.In particular, for electrochemical or sensory applications also a crystallographically well-defined surface of the crystal is desired, which can be achieved with any of the above methods.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Bead-Einkristalls bereit zu stellen, mit dem eine kristallographisch genau definierte Oberfläche des Bead-Einkristalls erzeugt werden kann. Dabei sollen auch Drähte aus Nichtedelmetallen eingesetzt werden können.It is the object of the invention to provide a method for producing a bead single crystal with which a crystallographically precisely defined surface of the bead single crystal can be produced. It should be possible to use wires made of non-noble metals.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Ansprüchen.The object is achieved by a method according to claim 1. Advantageous embodiments emerge from the claims referring back to this.
Das Verfahren zur Herstellung eines Bead-Einkristalls sieht erfindungsgemäß vor, den Bead-Einkristall durch Elektronenstrahlheizen mindestens eines Drahtes zu for- men . Nach der Ausbildung des Bead-Einkalls wird die Güte des Kristalls über die Periodizität der Bausteine an den Facetten unter dem Stereomikroskop ermittelt .The method for producing a bead single crystal according to the invention provides for forming the bead single crystal by electron beam heating of at least one wire. After formation of the bead deposit, the quality of the crystal is determined by the periodicity of the building blocks on the facets under the stereomicroscope.
Die durch Elektronenstrahlheizen gebildeten Bead-Ein- kristalle weisen dabei regelmäßig eine genau definierte Oberfläche und damit ein besonders einheitliches, homogenes Kristallgitter auf. Die auf diese Weise gebildeten Einkristalle weisen besonders vorteilhaft auch eine viel geringere Versetzungsdichte auf, als die aus dem Stand der Technik bekannten Einkristalle.The bead crystals formed by electron beam heating regularly have a precisely defined surface and thus a particularly uniform, homogeneous crystal lattice. The monocrystals formed in this way have particularly advantageously also a much lower dislocation density than the single crystals known from the prior art.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass die Flam- menschmelzverfahren gemäß Stand der Technik einen Druck auf den sich ausbildenden Bead-Einkristall ausüben. Durch die einsetzenden Schwingungen des Kristalls wer- den in ihm Versetzungen erzeugt. Im Übrigen besteht dabei sogar die Gefahr, dass der Bead-Einkristall aufreißt .In the context of the invention, it has been recognized that the flame melting processes according to the prior art exert a pressure on the bead single crystal that forms. Due to the onset of vibrations of the crystal, dislocations are generated in it. Incidentally, there is even the danger that the bead single crystal ruptures.
Besonders vorteilhaft kann somit mittels Elektronenstrahlheizen ein Bead-Einkristall erzeugt werden, der eine viel geringere Versetzungsdichte und damit eine besonders hohe Güte in Bezug auf die Orientierung aufweist .Thus, by means of electron beam heating, it is particularly advantageous to produce a bead single crystal which has a much lower dislocation density and thus a particularly high quality with respect to the orientation.
Im Rahmen der Erfindung wurde zudem erkannt, dass mittels den Verfahren gemäß Stand der Technik eine Gasdif- fusion aus der Flamme in den Bead-Einkristall nicht verhindert werden kann. Insbesondere davon betroffen sind so genannte Gettermaterialien, wie z. B. Va, Ta, Pd. Allerdings wird bei faktisch jedem Draht aus einem Nichtedelmetall, wie z. B. einem Draht aus Cu oder Ni, dieser mittels der Flammenschmelzverfahren nach Clavi- lier oder auch Furuya et al . oxidiert . Daher ist die Güte der Bead-Einkristalle nach den Flammenschmelzver- fahren oder auch nach dem so genannten Flame float- zone-Verfahren (FFZ) im Allgemeinen beschränkt . Dies gilt auch, wenn zusätzliche Maßnahmen, wie das Arbeiten unter einer Schutzgasatmosphäre, vorgenommen werden.In the context of the invention, it has additionally been recognized that gas diffusion from the flame into the bead single crystal can not be prevented by means of the methods according to the prior art. Particularly affected are so-called getter materials, such. B. Va, Ta, Pd. However, in fact, each wire is made of a non-noble metal, such as. A wire made of Cu or Ni, this by the flame fusion method according to Clavillier or Furuya et al. oxidized. Therefore, the quality of the bead single crystals is generally limited according to the flame melting method or else according to the so-called flame float zone method (FFZ). This also applies if additional measures, such as working under a protective gas atmosphere, are made.
Mit Elektronenstrahlheizen sind besonders vorteilhaft auch Drähte aus Nichtedelmetallen zur Herstellung von Bead-Einkristallen verwendbar.With electron beam heating, non-noble metal wires can also be used to produce bead single crystals.
Gaseinschlüsse werden erfindungsgemäß grundsätzlich verhindert. Der Kristall weist, wenn überhaupt, dann nur noch geringe Versetzungsdichten auf, und es wird auf diese Weise eine ganz neue Klasse von Bead- Einkristallen bereitgestellt.Gas inclusions are basically prevented according to the invention. The crystal will then have low dislocation densities, if any at all, thus providing a whole new class of bead single crystals.
Somit ist man vorteilhaft in der Wahl des Drahtmaterials auch nicht mehr auf Edelmetalle beschränkt, da im Vakuum die Oxidation der Metalle verhindert wird.Thus, it is advantageous in the choice of the wire material is no longer limited to precious metals, since in a vacuum, the oxidation of the metals is prevented.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird wäh- rend des Verfahrens ein Hochvakuum angelegt. Dieses kann weniger als 5*10"4, insbesondere weniger als 10"6 mbar betragen.In a further embodiment of the invention, a high vacuum is applied during the process. This may be less than 5 * 10 "4 , in particular less than 10 " 6 mbar.
Besonders vorteilhaft können Drähte umfassend Ag, Al, Cr, Cu, Ir, Mo, Nb, Ni, Pd, Pt, Re, Rh, Ru, Ta, Va oder W zu Bead-Einkristallen geformt werden. Die Drähte können in mehr oder minder reiner Form aus diesen Metallen bestehen. Es ist auch möglich, Drähte umfassend. Metalllegierungen, insbesondere umfassend Ag/Au-, Pt/Rh- oder Pt/Re- Legierungen durch Elektronenstrahlheizen im Vakuum zu Bead-Einkristallen zu formen.Particularly advantageously, wires comprising Ag, Al, Cr, Cu, Ir, Mo, Nb, Ni, Pd, Pt, Re, Rh, Ru, Ta, Va, or W can be formed into bead single crystals. The wires can be made of these metals in more or less pure form. It is also possible to include wires. Metal alloys, in particular comprising Ag / Au, Pt / Rh or Pt / Re alloys by electron beam heating in vacuum to form bead single crystals.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zunächst ein Elektronenstrahlheizen zur Vermeidung von Gaseinschlüssen und Bildung eines Wachstumskeimes und sodann ein Flammenschmelzverfahren (FM- oder FFZ-Verfahren) angewendet. Dies ist insbeson- dere vorteilhaft, wenn zwei oder mehr Drähte aus zwei verschiedenen Materialien geschmolzen und rekristallisiert werden, wie z. B. bei Pd/Va-Legierungen oder Cu/Ni-Legierungen .In a further particularly advantageous embodiment of the invention, first an electron beam heating to avoid gas inclusions and formation of a growth nucleus and then a flame fusion process (FM or FFZ process) is applied. This is particularly advantageous when two or more wires of two different materials are melted and recrystallized, such as. As in Pd / Va alloys or Cu / Ni alloys.
Im Weiteren wird die Erfindung an Hand eines Ausfüh- rungsbeispiels und der beigefügten Figur näher beschrieben.The invention will be described in more detail below with reference to an exemplary embodiment and the attached FIGURE.
Fig. 1 zeigt die Vorrichtung zum Elektronenstrahlheizen.Fig. 1 shows the device for electron beam heating.
Der gesamte Aufbau befindet sich in einer Vakuumkammer aus Edelstahl 1, die mit Hilfe einer Turbomolekularpumpe (nicht dargestellt) auf ein Vakuum von ~ 1 x 10~6 mbar gepumpt wird.The entire assembly is housed in a vacuum chamber made of stainless steel 1, which is pumped by means of a turbomolecular pump (not shown) to a vacuum of ~ 1 x 10 ~ 6 mbar.
Ein Elektronenstrahl wird durch das elektrische Heizen eines Metall-Filamentes 2 z. B. aus Wolfram oder Tantal mit einem Durchmesser von etwa 0,2 bis 0,3 mm erzeugt. Eine Gleichspannungsquelle 7 versorgt hierzu das Filament 2 mit einer Leistung von etwa 50 Watt. Das Filament 2 ist bis auf eine obere Öffnung (nicht dargestellt) von einem Metallgehäuse 3 umschlossen. Dadurch wird bewirkt, dass das vom Filament 2 erzeugte Licht abgefangen wird. Über die Öffnung tritt der Elektronenstrahl aus dem Gehäuse 3 aus.An electron beam is caused by the electrical heating of a metal filament 2 z. B. of tungsten or tantalum with a diameter of about 0.2 to 0.3 mm produced. A DC voltage source 7 supplies the filament 2 with a power of about 50 watts for this purpose. The filament 2 is enclosed by a metal housing 3 except for an upper opening (not shown). This causes the light generated by the filament 2 to be intercepted. The electron beam exits the housing 3 via the opening.
Wenige Millimeter oberhalb der Öffnung im Gehäuse 3 ist der Metalldraht 4 angeordnet. Dieser weist einen Durchmesser von beispielsweise 0,1 bis 2 mm auf. Der Metalldraht 4 ist über eine nicht dargestellte Justierein- richtung relativ zum Filament 2 vertikal verschiebbar und somit oberhalb der Öffnung des Gehäuses 3 positionierbar.A few millimeters above the opening in the housing 3, the metal wire 4 is arranged. This has a diameter of, for example, 0.1 to 2 mm. The metal wire 4 is vertically displaceable relative to the filament 2 by means of an adjusting device, not shown, and thus can be positioned above the opening of the housing 3.
Die aus dem Gehäuse 3 austretenden Elektronen werden mittels Hochspannungsquelle 8 und durch Anlegen einer positiven Hochspannung an den Metalldraht 4, typischerweise mit Werten von etwa 2 bis 3 kV, auf den Metalldraht 4 hin beschleunigt. Während des Heizens des Metalldrahtes 4 durch Elektronenstoß fließt ein Emissionsstrom von typischerweise einigen mA über den Draht 4 ab. Durch die Elektronenstoßheizung wird im erstenThe electrons emerging from the housing 3 are accelerated towards the metal wire 4 by means of a high voltage source 8 and by applying a positive high voltage to the metal wire 4, typically with values of approximately 2 to 3 kV. During heating of the metal wire 4 by electron impact, an emission current of typically several mA flows through the wire 4. Due to the electron impact heating is in the first
Schritt der Draht 4 aufgeschmolzen und es bildet sich eine flüssige Metallkugel oder Perle, die durch die Oberflächenspannung des flüssigen Metalls am Draht 4 gehalten wird. Der Draht 4 wird sodann relativ zum Fi- lament 2 vertikal nach unten bewegt und der Draht 4 weiter aufgeschmolzen, solange bis der Bead-Einkristall 5 die gewünschte Größe hat. Nun wird die Heizleistung der Elektronenstrahlheizung verringert, bis der obere Teil des Bead-Einkristalls 5 erstarrt. Die Phasengrenze zwischen der festen und der flüssigen Phase des Bead- Einkristalls 5 kann durch ein Sichtfenster 6 beobachtet werden .Step, the wire 4 is melted and it forms a liquid metal ball or bead, which is held by the surface tension of the liquid metal on the wire 4. The wire 4 is then moved vertically downward relative to the filament 2 and the wire 4 is further melted until the bead monocrystal 5 has the desired size. Now, the heating power of the electron beam heating is reduced until the upper part of the bead single crystal 5 solidifies. The phase boundary between the solid and liquid phases of the bead Single crystal 5 can be observed through a viewing window 6.
Die genaue Beobachtung des Erstarrens dient vor allem dazu, die Bildung eines einkristallinen Bead-Kristalls zu verifizieren. Die Beobachtung von regelmäßig angeordneten Facetten niedriger Oberflächenenergie zeigt das Vorliegen eines solchen Bead-Einkristalls 5 an.The precise observation of the solidification is mainly used to verify the formation of a single crystal bead crystal. The observation of regularly arranged facets of low surface energy indicates the presence of such a bead single crystal 5.
Ein besonderer Vorteil der Elektronenstrahlheizung ist die einfache und genaue Kontrolle der Phasengrenze durch Variation der verwendeten Hochspannung oder des Stroms durch das Filament 2. Die Herstellung des Bead- Einkristalles 5 erfolgt durch langsames Erstarren der flüssigen Metallkugel. Wird der Vorgang des Schmelzens und Erstarrens oft wiederholt, so bildet sich schließ- lieh der Einkristall, erkennbar an der Ausbildung von Facetten auf der Bead-Oberflache . Die auf diese Weise hergestellten Bead-Einkristalle können einen Durchmesser von etwa 0,5 bis 3 Millimeter aufweisen.A particular advantage of the electron beam heating is the simple and accurate control of the phase boundary by varying the high voltage or the current through the filament 2. The production of the bead single crystal 5 takes place by slow solidification of the liquid metal ball. If the process of melting and solidification is repeated many times, then the single crystal is formed, recognizable by the formation of facets on the bead surface. The bead single crystals produced in this way can have a diameter of about 0.5 to 3 millimeters.
Die oben angegebenen Werte zur Hoch- und Gleichspannung bzw. zu den Abmessungen und Abständen (Fig. 1) sind nur beispielhaft. Selbstverständlich steht es dem Fachmann frei, in Abhängigkeit vom verwendeten Draht (material) andere Werte einzustellen, um den Bead-Einkristall herzustellen. Es ist z. B. denkbar, mehrere verdrillte Drähte auch aus Nicht-Edelmetallen, wie ausThe values given above for the high and DC voltage or for the dimensions and distances (FIG. 1) are only examples. Of course, it is up to the skilled person, depending on the wire used (material) set other values to produce the bead single crystal. It is Z. B. conceivable, several twisted wires and non-precious metals, such as from
DE 103 04 533 bekannt, auf diese Weise zu schmelzen und zu rekristallisieren.DE 103 04 533 known to melt in this way and recrystallize.
Die Kristalle werden als Einkristallsubstrate in der Oberflächenforschung, der Dünnschichttechnik, z. B. zum Aufbau von Sensoren, und in der Elektrochemie verwendet. The crystals are used as single crystal substrates in surface science, thin film technology, e.g. B. for Construction of sensors, and used in electrochemistry.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Verfahren zur Herstellung eines Bead-Einkristalls dadurch gekennzeichnet, dass der Bead-Einkristall mittels Elektronenstrahlheizen mindestens eines Drahtes geformt wird.1. A method for producing a bead single crystal, characterized in that the bead single crystal is formed by electron beam heating at least one wire.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Elektronenstrahlheizen im Hochvakuum.2. The method according to claim 1, characterized by electron beam heating in a high vacuum.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es im Vakuum kleiner 5*10'4, insbesondere kleiner 10'6 mbar durchgeführt wird.3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that it is carried out in a vacuum of less than 5 * 10 '4 , in particular less than 10 ' 6 mbar.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens ein Draht umfassend Ag, Al, Cr, Cu, Ir, Mo, Nb, Ni, Pd, Pt, Re, Rh, Ru, Ta, oder W aufgeschmolzen und rekristallisiert wird.4. The method according to any one of the preceding claims, wherein at least one wire comprising Ag, Al, Cr, Cu, Ir, Mo, Nb, Ni, Pd, Pt, Re, Rh, Ru, Ta, or W is melted and recrystallized.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , bei dem der Schritt des Aufschmelzens und Rekristallisierens des mindestens einen Drahtes mehrfach wiederholt wird.5. The method according to any one of the preceding claims, wherein the step of melting and recrystallizing the at least one wire is repeated several times.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Draht zur Herstellung von Metalllegierungen, insbesondere umfassend Ag/Au- , Pt/Pd- Pt/Rh- oder Pt/Re-Legierungen ausgewählt wird.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one wire for the production of metal alloys, in particular comprising Ag / Au, Pt / Pd-Pt / Rh or Pt / Re alloys is selected.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Metalllegierung aus mindestens zwei Drähten hergestellt wird, wobei nach Elektronen- strahlheizen zusätzlich ein Flammenschmelzverfahren angewendet wird.7. The method according to any one of the preceding claims, wherein a metal alloy of at least two Wires is produced, wherein after electron beam heating additionally a flame fusion process is applied.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Draht bis auf 3500 0C erhitzt wird.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the at least one wire is heated to 3500 0 C.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Draht vor dem Aufschmelzen gereinigt wird.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the at least one wire is cleaned before melting.
10. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, gekennzeichnet durch mindestens eine Ätzung und/oder mindestens eine Al- koholbehandlung vor dem Aufschmelzen.10. The method according to the preceding claim, characterized by at least one etching and / or at least one alcohol treatment before melting.
11. Bead-Einkristall, hergestellt nach einem Verfahren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10.11. Bead single crystal prepared by a process of the preceding claims 1 to 10.
12. Bead-Einkristall nach vorhergehendem Anspruch 11 ohne Gaseinschlüsse.12. Bead single crystal according to the preceding claim 11 without gas inclusions.
13. Bead-Einkristall nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 oder 12, umfassend Ag, Al, Cr, Cu, Ir, Mo, Nb, Ni, Pd, Pt, Re, Rh, Ru, Ta, Va und/oder W.13. A bead single crystal according to one of the preceding claims 11 or 12, comprising Ag, Al, Cr, Cu, Ir, Mo, Nb, Ni, Pd, Pt, Re, Rh, Ru, Ta, Va and / or W.
14. Bead-Einkristall nach einem der vorhergehenden An- Sprüche 11 bis 13, umfassend Metalllegierungen, insbesondere Ag/Au- , Pt/Pd-, Pt/Rh- oder Pt/Re-Legierungen. 14. Bead single crystal according to any one of the preceding arrival claims 11 to 13, comprising metal alloys, in particular Ag / Au, Pt / Pd, Pt / Rh or Pt / Re alloys.
15. Bead-Einkristall nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Bead-Einkristall an einer kristallographisch orientierten Facette abgeschnitten ist.15. Bead single crystal according to one of the preceding claims 11 to 14, characterized in that the bead single crystal is cut off on a crystallographically oriented facet.
16. Bead-Einkristall nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine glatte Oberfläche aufweist .16. Bead single crystal according to one of the preceding claims 11 to 15, characterized in that it has a smooth surface.
17. Bead-Einkristall nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 16, gekennzeichnet durch einen Durchmesser von etwa 0,5 bis 3 Millimeter.17. Bead single crystal according to one of the preceding claims 11 to 16, characterized by a diameter of about 0.5 to 3 millimeters.
18. Verwendung eines Bead-Einkristalls nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 17 in der Oberflächenforschung, der Dünnschichttechnik, Sensorik oder in der Elektrochemie. 18. Use of a bead single crystal according to one of the preceding claims 11 to 17 in surface research, thin-film technology, sensor technology or in electrochemistry.
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