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5.1. Methoden zur Unterkühlung von Schmelzen
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5.1.5.4 Elektrostatische Levitation
Die elektrostatische Levitation wird durch die auf elektrisch geladene Proben in ei-
nem elektrischen Feld wirkende Coulomb-Kraft ermöglicht [108]. Mit dieser Methode
können sowohl Metalle und Halbleiter als auch Isolatoren prozessiert werden. Elektro-
statische Felder bilden kein räumlich stabiles Potentialminimum. Folglich ist das Sy-
stem instabil, und eine aktive Regelung ist notwendig. Die Probengrössen sind auf we-
nige Millimeter beschränkt. Das elektrostatische Feld wird durch mehrere Elektroden
erzeugt. UmÜberschläge zwischen den Elektroden zu vermeiden, werden die Experi-
mente häufig im Ultra-Hochvakuum durchgeführt. Dies birgt den Vorteil höchstreiner
Prozessführung. Andererseits führt dies zu hohen Abdampfraten der Proben. Für Le-
gierungen mit stark unterschiedlichen Abdampfraten der einzelnen Elemente ist diese
Methode daher ungeeignet, da sich im Laufe der Zeit die Probenkonzentration signi-
fikant ändern wird. Die Oberflächenladung, die während eines Experimentes durch
Abdampfen im Allgemeinen abnimmt, muss durch geeignete Maßnahmen (z.B. UV-
Bestrahlung) ausgeglichen werden.
5.1.5.5 Elektromagnetische Levitation
Das Verfahren der elektromagnetischen Levitation soll im folgenden eingehender dis-
kutiert werden, da die im Rahmen dieser Doktorarbeit aufgebaute Anlage auf diesem
Prinzip beruht. Eine ausführliche Diskussion dieser Technik findet sich u.a. bei Okress
[109], Rony [110] und Fromm [111]. Beim Verfahren der elektromagnetischen Levitati-
on werden Wirbelströme in elektrisch leitende Proben [112] durch ein äußeres magne-
tisches Wechselfeld induziert. Diese Magnetfelder werden durch eine konische Spule
(siehe z. B. Abb. 5.1), die von einem hochfrequenten Wechselstrom (typischerweise
150 - 1000 KHz) durchflossen wird, erzeugt. Die Wirbelströme führen aufgrund der
Inhomogenität des äußeren magnetischen Wechselfeldes zu einer Lorentzkraft auf die
Probe, die bei geeigneter Feldgeometrie der Gravitationskraft entgegengerichtet ist,
und dadurch eine stabile Positionierung der Probe ermöglicht. Eine geeignete Wahl
der Stärke und der Frequenz des Wechselstroms und vor allem der Spulengeometrie
ist notwendig, um Proben unterschiedlicher Leitfähigkeiten, Größen und Dichten zu
levitieren. Mit Hilfe der elektromagnetischen Levitation können jedoch nur elektrisch
leitende Proben prozessiert werden. Ohmsche Verluste führen gleichzeitig zur Auf-
heizung des Materials. Somit ist die elektromagnetische Levitation die einzige der
skizzierten Techniken, bei der die Positionierung und die Erhitzung der Probe nicht
unabhängig voneinander sind. Dies birgt den Vorteil, dass eine zusätzliche Heizung,
z.B. durch einen Laser, nicht notwendig ist; andererseits ist es oft nicht möglich die
geschmolzene Probe allein aufgrund ihrer Wärmestrahlung unter ihre Schmelztempe-
ratur abzukühlen, da die Leistungsabsorption der Probe, deren untere Grenze durch
die Mindestleistung zur Aufrechterhaltung der Levitationskraft gegeben ist, zu groß
ist. Daher werden zusätzlich Kühlgase verwendet, um niedrigschmelzende Proben kon-
vektiv zu kühlen.
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