IKZ beteiligt sich an der internationalen Einstein-Teleskop-Kollaboration

Durch Züchtung besonders großer Siliziumkristalle wird der Aufbau eines Gravitationswellen-Observatoriums unterstützt

v.l.n.r.: Float-Zone (FZ)-Kristall-Ziehvorrichtung PVA-TePla FZ30M; FZ-Kristall während des Züchtens mit einem Durchmesser von 150 mm; FZ-Kristall mit ultrahoher Reinheit, gezüchtet am IKZ für ET-Pathfinder; Silizium-Fasern mit einem Durchmesser von 1 mm und einer Länge von 1 m © IKZ Berlin

Das Einstein-Teleskop (ET) ist ein geplantes Gravitationswellen-Observatorium der nächsten Generation in Europa, das Gravitationswellen mit bisher unerreichter Empfindlichkeit nachweisen und untersuchen soll. Es wird ein Netzwerk von unterirdischen Laserinterferometern nutzen, um kosmische Ereignisse wie die Verschmelzung von Schwarzen Löchern und Neutronensternkollisionen zu erforschen und so unser Verständnis des Universums zu verbessern. Die bei kryogenen Temperaturen arbeitenden Interferometer sind auf kristallines Silizium für die Testmassenspiegel und die Spiegelhalterungen angewiesen.

Die Züchtung von Siliziumkristallen nach dem Floating-Zone-Verfahren (FZ) gehört zu den langjährigen Erfahrungen des IKZ. Das tiegelfreie FZ-Verfahren zeichnet sich durch seine Fähigkeit aus, Siliziumkristalle von höchster Reinheit und kristalliner Perfektion zu erzeugen. In der Halbleiterindustrie wird das FZ-Verfahren zur Herstellung von Substraten für Hochleistungs­bauelemente verwendet, die für die Energiewende entscheidend sind, einschließlich Anwendungen in der Elektromobilität und bei erneuerbaren Energien. Für die ET-Spiegel würde FZ-Silizium aufgrund seiner hohen Reinheit und des Fehlens struktureller Defekte, wie z. B. Versetzungen, eine hervorragende optische Qualität und eine geringe Absorption bieten. Allerdings kann mit dem FZ-Verfahren derzeit nicht der für ET-Spiegel erforderlichen Durchmesser erreicht werden. Der größte FZ-Kristalldurchmesser, der derzeit erreicht werden kann, beträgt 200 mm.

Für die Züchtung großer Siliziumkristalle verfügt das IKZ-Labor über eine hochmoderne FZ-Kristallzüchtungsanlage PVA-TePla FZ30M, eine Investition von 2,8 Mio. € im Jahr 2020. Siliziumkristalle mit einem großen Durchmesser von 150 mm und ultrahoher Reinheit (spezifischer elektrischer Widerstand > 10 kΩ×cm) wurden für Testmassenspiegel an ET-Pathfinder geliefert, eine F&E-Infrastruktur zum Testen und Prototyping innovativer Konzepte und Technologien für das Einstein-Teleskop.

In Zukunft will das IKZ in Zusammenarbeit mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft, wie dem neu gegründeten Deutschen Zentrum für Astrophysik (DZA), die Entwicklung von Silizium-Spiegelmaterial weiter unterstützen.

Für das ET-Spiegelaufhängungssystem werden dünne und lange Siliziumfasern mit einem Durchmesser von etwa 3 mm benötigt. Im Rahmen des BMBF-Verbundprojekts 3G-GWD wurde am IKZ ein Versuchsaufbau entwickelt, der die stabile Herstellung solcher monokristallinen Siliziumfasern ermöglicht. Mit dem FZ-Verfahren und einem ähnlichen Ansatz, dem so genannten Pedestal-Verfahren, wurden Siliziumfasern mit einem homogenen Durchmesser von 3 mm und einer Länge von bis zu 1 m erfolgreich gezüchtet. Diese Fasern wurden an ET Pathfinder, die Universität Glasgow und die Universität Camerino für Tests zur mechanischen Festigkeit und Materialcharakterisierung geliefert.

Kontakt:

Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ)
Dr.-Ing. Robert Menzel
+49 30 246-499-404
robert.menzel(at)ikz-berlin.de
www.ikz-berlin.de

Pressemitteilung IKZ vom 12.12.2024