Hauchdünne Quarzkristalle für genauere Uhren

Auf der Erde gibt es gigantische Mengen an Quarz, es ist das zweithäufigste Mineral überhaupt. Doch für elektronische Anwendungen, etwa als Schwingquarz in Uhren, müssen mühsam hochreine Kristalle gefertigt und zugeschnitten werden. Einfacher, schneller und günstiger können Quarzkristalle nun in hauchdünnen Schichten auf Silizium gezüchtet werden. Dafür entwickelten französische Wissenschaftler ein neues Verfahren, das sowohl zu genauer tickenden Uhren als auch empfindlicheren Waagen und Sensoren führen könnte. Ihre vielversprechende Methode stellen sie in der Fachzeitschrift „Science“ vor.

Verschiedene Mikroskopbilder von ring- oder wabenartigen Strukturen.
Kristalline Quarzschichten

Clément Sanchez und seine Kollegen von der Université de Paris VI tauchten dazu einen Träger aus Silizium in eine Lösung aus Silanen, Bromiden sowie Strontium- und Bariumsalzen. Verdampfte danach das Lösungsmittel, bildeten sich selbstständig poröse Schichten aus amorphen Siliziumdioxid. Diese heizten die Forscher mit bis zu 1000 Grad heißer Luft auf und das zuvor ungeordnete Siliziumoxid wandelte sich in kleine Quarzkristalle um. Diesen Prozess nennen Experten auch Entglasung oder Devitrifikation. Dank der zugesetzten Strontium- und Bariumsalze lagerten sich die sogenannten Alpha-Quarz-Kristalle in streng geordneten Mustern an. Nur in dieser Form ist die Qualität der Quarzschichten gut genug, um als Schwingquarz in Uhren oder Drucksensor für Waagen genutzt werden zu können.

Abhängig von den experimentellen Bedingungen konnten Sanchez und Kollegen sowohl nanoporöse als auch geschlossene Quarzschichten züchten. Als Maßstab für die Qualität der Schichten diente der piezoelektrische Effekt: Mechanisch belastet erzeugten die Quarzkristalle eine elektrische Spannung. Das funktionierte auch umgekehrt und eine angelegte Spannung versetzte die Quarzschichten in kleine Bewegungen. Nur wegen dieser piezoelektrischen Eigenschaften können Quarzkristalle als Taktgeber in Uhren oder als Drucksensor eingesetzt werden. Und über die kontrollierte Zucht lassen sich nun kleinere und genauer strukturierte Quarzkristalle fertigen als mit bisher verfügbaren Methoden. Noch genauere Quarzuhren und empfindlichere Waagen könnten möglicherweise Realität werden.