Project

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High temperature, high pressure floating zone crystal growth setup

English title High temperature, high pressure floating zone crystal growth setup
Applicant Conder Kazimierz
Number 163997
Funding scheme R'EQUIP
Research institution Paul Scherrer Institut
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.03.2016 - 31.08.2018
Approved amount 417'150.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Condensed Matter Physics
Inorganic Chemistry

Keywords (4)

intermetallics; oxides; floating zone; crystallization

Lay Summary (German)

Lead
Das Projekt beinhaltet die Anschaffung und einsatzbereite Installation eines optischen Ofens anwendbar für die Kristallzüchtung nach dem Zonenschmelzverfahren. Der Ofen wird mit einer starken Lichtquelle und einem Spiegelsystem ausgestattet sein. Die Strahlung wird auf einen Stab, bestehend aus dem Ausgangsmaterial, fokussiert um diesen lokal zu schmelzen. Durch die Verschiebung des Strahlfokus entlang des Materialstabs wird die Kristallzucht des Ausgangsmaterials ermöglicht.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Die Verfügbarkeit von Einkristallen ist von entscheidender Bedeutung für die Materialwissenschaft. Dabei ist die Kristallzüchtung nach dem Zonenschmelzverfahren die am häufigsten benutzte und vielseitigste Methode. In diesem Verfahren wird fokussiertes Licht, unter Verwendung von starken Lampen, als Wärmequelle genutzt. Typischerweise sind jedoch die verfügbaren Temperaturen und Gasdrücke beschränkt. Dies verhindert die Produktion von Kristallen, die aus Materialien mit Schmelztemperaturen über 2100oC. Ebenfalls ist der Gasdruck, welcher  zur Stabilisierung des Kristals und/oder Verminderung der Verdampfung verwendet wird auf 10 bar begrenzt. Um diese Einschränkungen zu umgehen, werden stärkere Xenon-Lampen und Druckbeständige Schutzgläser aus Saphir benötigt. Auf diese Weise wird es möglich Kristallwachstumsexperimente bei 3000 oC mit 150 bar Gasdrucks durchzuführen. Solche Instrumente sind jedoch immer noch sehr selten und zurzeit inexistent in der Schweiz. Wir möchten ein eben solches Instrument bei „Scientific Instruments Dresden GmbH“ bestellen. Die Anwendung der verbesserten Anlage eröffnet neue Möglichkeiten für Kristallzucht von Materialien die bisher nur in polykristalliner Form bekannt sind. Als Beispiel können Einkristalle von inversen Perowskit-Verbindungen  A3BO (A=Ca, Sr, Ba und B=Pb, Sn), komplexen Iridaten, Nickelaten und Kupraten realisiert werden. Die neue Anlage wird zusätzlich für Wissenschaftler aus ETH und anderen Schweizer Universitäten und Institute zur Verfügung stehen.

 

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

 

Mit der technologischen Entwicklung steigt die Nachfrage nach neuen Materialien mit verbesserten mechanischen, thermischen, chemischen, magnetischen und elektronischen Eigenschaften. Wir sind überzeugt, dass dieses Projekt zur Entwicklung von neuen Materialien mit interessanten und potenziell anwendbaren elektronischen und magnetischen Eigenschaften führt.
Direct link to Lay Summary Last update: 20.07.2016

Responsible applicant and co-applicants

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Laboratory for Quantum Matter Research, Physics Institute at the University of Zürich Switzerland (Europe)
- Publication
Laboratory for Neutron Scattering and Imaging, Paul Scherrer Institut Switzerland (Europe)
- Publication

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
157009 High pressure synthesis of iron complex oxides in high oxidation state (Fe4+, Fe5+): mapping between localized and itinerant behavior 01.06.2015 Project funding
141962 Mott Physics Beyond the Heisenberg Model in Iridates and Related Materials 01.01.2013 Sinergia

Abstract

In this project we propose the acquisition of a high temperature crystal growth optical furnace offered by the Scientific Instruments Dresden GmbH (SCIDRE). This instrument comprises demands of performing crystallization processes at very broad growth temperatures from several hundred up to 3000 C with simultaneously applied gas pressure up to 150 bars. As a heating source xenon lamps are used, and a specially constructed light shutter allows precise control of the light power focused on the sample. Additionally, a novel optical stroboscopic pyrometer permits measurements of the temperature distribution along the floating zone during the growth. The system is very unique and in Switzerland this will be the first crystal growth system of this type. In the Laboratory for Developments and Methods we have already gained adequate experience by floating zone crystallization method as the first optical mirror furnace was approved at Paul Scherrer Institute already in 2003 with a support of the R’EQUIP program. A well-developed infrastructure necessary for preparatory steps and single crystal basic characterization is already at our disposal. The availability of this apparatus will extend the research field for materials which could not be obtained as single crystals with existing equipment. This will also significantly broaden crystal growth proficiency at Paul Scherrer Institute and generally in Switzerland. For the enclosed project we request funding for the High Temperature Crystal Growth Furnace “TKZ” and the levitation melting facility “KTS” offered by Scientific Instruments Dresden GmbH (SCIDRE).
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