"November 2018 IKZ-News: Am IKZ gezüchtete Einkristalle aus dem hoch angereicherten
Isotop Silizium-28 ermöglichen die Neudefinition der Kilogramm-Masseeinheit"

Am 16. November 2018 hat die Generalkonferenz für Maße und Gewichte in Paris eine neue Definition des Kilogramms auf Basis von Naturkonstanten beschlossen, die am 20. Mai 2019 in Kraft treten wird. Das Leibniz-Institut für Kristallzüchtung hatte einen Anteil daran, dass das fast 140 Jahre alte künstliche Objekt des Ur-Kilogramms abgelöst wird, denn hochperfekte Kristalle aus nahezu isotopenreinem Silizium-28 (Si-28) waren für dieses Vorhaben von entscheidender Bedeutung.

Si kg

 

Im Kontext des internationalen Avogadro-Projekts wurde am IKZ die Züchtung hochreiner Si-28-Kristalle, einschließlich der Abscheidung der polykristallinen Rohstäbe, entwickelt.


Bei diesen Kristallen haben nahezu alle Atome die gleiche Masse und sind in einem regelmäßigem dreidimensionalen Gitter angeordnet, was eine sehr genaue Zuordnung zwischen der Masse des Kristalls und der Zahl seiner Atome ermöglicht. Aus diesem Zusammenhang kann der Wert der Avogadro-Konstante mit nie dagewesener Präzision abgeleitet werden und damit als fundamentale Naturkonstante zur Definition des Kilogramms herangezogen werden.


Im Rahmen der von der Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig (PTB) geführten „KILOGRAMM“-Projekte wurden aus den Si-28-Kristallen aus dem IKZ mehrere sehr präzise Kugeln mit weniger als 20nm Formabweichungen bei rund 94mm Durchmesser und mit einer defektfrei polierten Oberfläche präpariert. Unter diesen Voraussetzungen gelang es der PTB, die Zahl der Si-28-Atome, die eine Kristallkugel von 1 kg Gesamtmasse ergeben mit der geforderten Unsicherheit von weniger als 2 x 10-8 zu bestimmen.


Sie beträgt:        2,152538397 x 1025 Atome Silizium-28  

 
Kristallines Silizium liegt üblicherweise als natürliches Gemisch der stabilen Isotope der Massezahlen 28, 29 und 30 vor. In Russland steht erfreulicherweise die Technologie der Isotopenanreicherung mit Ultrazentrifugen für zivile Anwendungen zur Verfügung. Durch eine Weiterentwicklung dieser Technologie konnten Rekordwerte von über 99,999%  Si-28 erreicht werden.
Um die notwendige Reinheit der aus diesem Material gezüchteten Kristalle zu gewährleisten sind diverse materialintensive Schmelzzonen-Reinigungsschritten notwendig. Die besonderen Herausforderungen waren deshalb der ca. 1000-fach höhere Materialpreis gegenüber herkömmlichem Silizium sowie die begrenzte Stoffmenge.  

 
Silizium gilt als ein sehr umfassend untersuchtes Halbleitermaterial, das weltweit die Mikroelektronik und damit Kommunikationstechnologien dominiert. Das IKZ wird weiterhin an den extremen Anforderungen für die weitere Verbesserung der Materialeigenschaften arbeiten, um künftige Anwendungen wie künstliche Intelligenz und Quantentechnologien zu ermöglichen.

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