Techniklexikon

Kristallkeim

kleiner, wachstumsfähiger Kristall oberhalb einer kritischen Grösse. Der Kristall mit den kritischen Abmessungen ist der kritische Keim, welcher manchmal im engeren Sinn als Kristallkeim bezeichnet wird. Dieser kritische Keim ist thermodynamisch definiert als ein Kristall, der sich mit seiner Umgebung im Gleichgewicht befindet. Seine Grösse ist durch die Thomson-Gibbssche Gleichung gegeben. Ein Kristall, der kleiner als der kritische Keim ist, zerfällt, ein Kristall, der grösser ist, wächst weiter. Die Bildung eines Kristallkeims durch das zufällige Zusammentreffen von Molekülen ist immer mit der Schwankung einer freien Enthalpie verbunden, die als Aktivierungsenergie die Geschwindigkeit der Keimbildung mitbestimmt und als Keimbildungsarbeit bezeichnet wird. Sind die Kristallkeime so gross, dass man mit thermodynamischen Grössen rechnen kann, so ist die Keimbildungsarbeit durch die Summe aus der durch die Zusammenlagerung von Molekülen frei werdenden Volumenenergie und der aufzubringenden Oberflächenenergie gegeben. Für sehr kleine Kristallkeime ist mit statistischen Methoden zu rechnen, die die energetischen Beträge der Moleküle berücksichtigen. Die Keimbildungsgeschwindigkeit J kann durch einen Ausdruck der Form  dargestellt werden (A: Keimbildungsarbeit, g: Faktor, der die Kinetik der an der Keimbildung beteiligten Moleküle zum Ausdruck bringt, k: Boltzmann-Konstante, T: absolute Temperatur).

Bei Keimbildung in einem System mit nur einer Phase spricht man von homogener Keimbildung, in einem System mit mehreren Phasen, z.B. Fremdpartikeln, die als Keime wirken, oder festen Oberflächen, von heterogener Keimbildung. Von besonderen Interesse ist die Keimbildung auf Unterlagen als Anfangsphase des Wachstums dünner Schichten oder in Form der zweidimensionalen Keimbildung des dreidimensionalen Kristallkeims zum grossen Kristall.