Nanophysik und Nanotechnologie: eine Einführung in die Konzepte der Nanowissenschaften
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Weinheim
Wiley-VCH
[2015]
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INHALTSVERZEICHNIS
VORWORT
XV
VORWORT ZUR ERSTEN
AUFLAGE XIX
ABKUERZUNGSVERZEICHNIS
XXI
1
EINLEITUNG 1
1.1
NANOMETER, MIKROMETER, MILLIMETER 3
1.2 DAS MOORESCHE GESETZ
8
1.3 ESAKIS QUANTENTUNNELDIODE 10
1.4 QUANTENPUNKTE IN ZAHLREICHEN FARBEN 11
1.5
GMR AND TRM 10-1000 GB LESEKOEPFE FUER FESTPLATTEN 13
1.6 BESCHLEUNIGUNGSSENSOREN IN IHREM AUTO IS
1.7 NANOPOROESE FILTER 17
1.8 BAUELEMENTE IM NANOMETERMASSSTAB AUF DER BASIS HERKOEMMLICHER
TECHNOLOGIEN
17
LITERATUR 18
2
SYSTEMATIK ZUM VERKLEINERN VON OBJEKTEN 19
2.1 MECHANISCHE FREQUENZEN VERGROESSERN SICH IN KLEINEN SYSTEMEN 19
2.2 VERANSCHAULICHUNG VON SKALIERUNGSBEZIEHUNGEN DURCH EINEN EINFACHEN
HARMONISCHEN OSZILLATOR 23
2.3 VERANSCHAULICHUNG VON SKALIERUNGSBEZIEHUNGEN DURCH EINFACHE
SCHALTELEMENTE
24
2.4 THERMISCHE ZEITKONSTANTEN UND TEMPERATURDIFFERENZEN NEHMEN
AB 25
2.5
VISKOSE KRAEFTE DOMINIEREN BEI KLEINEN PARTIKELN IN FLUESSIGKEITEN 25
2.6 REIBUNGSBEDINGTE KRAEFTE KOENNEN IN SYMMETRISCHEN SYSTEMEN
MOLEKULARER SKALIERUNG WEGFALLEN 27
LITERATUR 30
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INHALTSVERZEICHNIS
3
WAS BEGRENZT DIE VERKLEINERUNG? 31
3.1 DIE TEILCHENNATUR (QUANTENNATUR) DER MATERIE: PHOTONEN, ELEKTRONEN,
ATOME, MOLEKUELE 31
3.2 BIOLOGISCHE BEISPIELE VON NANOMOTOREN UND NANOELEMENTEN 33
3.2.1 LINEARE FEDERMOTOREN 33
3.2.2 LINEARE MOTOREN AUF SCHIENEN 35
3.2.3
SICH DREHENDE MOTOREN 36
3.2.4 IONENKANAELE SIND DIE NANOTRANSISTOREN DER BIOLOGIE 41
3.3 WIE KLEIN KANN MAN ES MACHEN? 43
3.3.1 MIT WELCHEN METHODEN KANN MAN KOERPER KLEINER MACHEN? 44
3.3.2
WIE KANN MAN SEHEN, WAS MAN HERSTELLEN MOECHTE? 45
3.3.3 WIE KANN MAN VERBINDUNGEN MIT DER AEUSSEREN WELT HERSTELLEN? 47
3.3.4 WENN MAN ETWAS WEDER SEHEN NOCH VERBINDEN KANN: KANN MAN
ERREICHEN, DASS ES SELBSTORGANISIEREND IST UND SELBSTSTAENDIG
ARBEITET?
47
3.3.5
METHODEN ZUM ZUSAMMENFUEGEN VON KLEINEN DREIDIMENSIONALEN
KOERPERN 48
3.3.6 DIE SELBSTMONTAGE VON STRUKTUREN MIT ABMESSUNGEN IM
NANOMETERBEREICH UNTER VERWENDUNG VON DNA-STRAENGEN 52
LITERATUR
55
4
DIE QUANTENNATUR DER NANOWELT 57
4.1 DAS BOHRSCHE ATOMMODELL 58
4.1.1 QUANTISIERUNG DES DREHIMPULSES 59
4.1.2 DIE ERWEITERUNG DES BOHRSCHEN ATOMMODELLS 60
4.2 DER TEILCHEN-WELLE-DUALISMUS VON LICHT UND MATERIE, DIE
DE-BROGLIE-WELLENLAENGE
X = H/P, E = HV 60
4.3
DIE WELLENFUNKTION V FUER ELEKTRONEN, DIE
WAHRSCHEINLICHKEITSDICHTE V* V, LAUFENDE UND STEHENDE WELLEN 61
4.4 DIE MAXWELLSCHEN GLEICHUNGEN, E UND B ALS WELLENFUNKTIONEN VON
PHOTONEN UND OPTISCHEN FASERMODEN 67
4.5 DIE HEISENBERGSCHE UNSCHAERFERELATION 68
4.6 SCHROEDINGERGLEICHUNG, QUANTENZUSTAENDE UND ENERGIEN, TUNNELN DURCH
BARRIEREN
69
4.6.1
DIE SCHROEDINGERGLEICHUNG IN EINER DIMENSION 70
4.6.2 DAS EINGESCHLOSSENE TEILCHEN IN EINER DIMENSION 71
4.6.3 REFLEXION UND TUNNELN AN EINER POTENZIALSTUFE 73
4.6.4 DURCHDRINGUNG EINER BARRIERE, AUSTRITTSZEIT AUS EINEM TOPF,
RESONANTE
TUNNELDIODE
76
4.6.5
EINGESCHLOSSENE TEILCHEN IN ZWEI UND DREI DIMENSIONEN:
QUANTENPUNKTE 77
4.6.6 ZWEIDIMENSIONALE BAENDER UND QUANTENDRAEHTE 79
4.6.7 DER EINFACHE HARMONISCHE OSZILLATOR 80
4.6.8 DIE SCHROEDINGERGLEICHUNG IN KUGELKOORDINATEN 83
4.7 DAS WASSERSTOFFATOM, EINELEKTRONENATOME, EXZITONEN 83
INHALTSVERZEICHNIS
| IX
4.7.1
MAGNETISCHE MOMENTE 87
4.7.2 MAGNETISIERUNG UND MAGNETISCHE SUSZEPTIBILITAET 88
4.7.3 POSITRONIUM UND EXZITONEN 89
4.8 FERMIONEN, BOSONEN UND BESETZUNGSREGELN 90
LITERATUR
91
5
KONSEQUENZEN DER QUANTENPHYSIK FUER DIE MAKROSKOPISCHE WELT 93
5.1 PERIODENSYSTEM DER ELEMENTE 93
5.2 NANOSYMMETRIE, ZWEIATOMIGE MOLEKUELE UND FERROMAGNETE 94
5.2.1 UNUNTERSCHEIDBARE TEILCHEN UND IHR AUSTAUSCH 94
5.2.2
DAS WASSERSTOFFMOLEKUEL: DIE KOVALENTE BINDUNG 96
5.3 WEITERE KRAEFTE IM NANOMETERBEREICH: VAN-DER-WAALS-, CASIMIR- UND
WASSERSTOFFBINDUNG 99
5.3.1 DIE POLARE UND DIE VAN-DER-WAALS-KRAFT 100
5.3.2
DIE CASIMIR-KRAFT 103
5.3.3 DIE WASSERSTOFFBRUECKENBINDUNG 107
5.4 METALLE ALS TOEPFE MIT FREIEN ELEKTRONEN: FERMI-NIVEAU, DOS UND
DIMENSIONALITAET 108
5.4.1
ELEKTRISCHE LEITFAEHIGKEIT, SPEZIFISCHER WIDERSTAND, MITTLERE FREIE
WEGLAENGE, HALL-EFFEKT UND MAGNETOWIDERSTAND 112
5.5 PERIODISCHE STRUKTUREN (BEISPIELSWEISE SI, GAAS, INSB, CU):
KRONIG-PENNEY-MODELL FUER ELEKTRONENBAENDER UND BANDLUECKEN 113
5.6
ELEKTRONENBAENDER UND LEITFAEHIGKEIT IN HALBLEITERN UND ISOLATOREN;
LOKALISIERUNG UND DELOKALISIERUNG 119
5.7 WASSERSTOFFAEHNLICHE DONATOREN UND AKZEPTOREN 124
5.7.1 KONZENTRATIONEN DER LADUNGSTRAEGER, METALLISCHE DOTIERUNG 125
5.7.2 PN-UEBERGANG, ELEKTRISCHE DIODEN: /(/)-KENNLINIEN, LASERDIODEN 129
5.8 MEHR UEBER DEN FERROMAGNETISMUS, DIE QUANTENMECHANISCHE
GRUNDLAGE DER DATENSPEICHERUNG
135
5.9 OBERFLAECHEN UNTERSCHEIDEN SICH; DIE DICKE DER SCHOTTKY-BARRIERE 138
5.10 FERROELEKTRIKA, PIEZOELEKTRIKA UND PYROELEKTRIKA: NEUSTE
ANWENDUNGEN
DER MODERNEN NANOTECHNOLOGIE 140
LITERATUR
149
6
SELBSTORGANISIERENDE NANOSTRUKTUREN IN DER NATUR UND DER
INDUSTRIE 151
6.1 DAS KOHLENSTOFFATOM,
N
B
C LS
2
2P
4
(0,07 NM) 152
6.2 METHAN CH
4
, ETHAN C
2
H
6
UND OKTAN C
J
H
JJ
153
6.3 AETHYLEN C
2
H
4
, BENZOL C
6
H
6
, ACETYLEN C
2
H
2
154
6.4
C
60
-FULLERENE ( 0,5 NM) 155
6.5 COO-NANOROEHRCHEN ( 0,5 NM) 156
6.5.1 SI-NANODRAEHTE ( 5 NM) 159
6.6 INAS-QUANTENPUNKTE ( 5 NM) 160
6.7
AGBR-NANOKRISTALLE (0,L-2|IM) 161
X
| INHALTSVERZEICHNIS
6.8
FE
3
0
4
-MAGNETIT- UND FE
3
S
4
-GREIGIT-NANOTEILCHEN IN
MAGNETOTAKTISCHEN BAKTERIEN 162
6.9 SELBSTORGANISIERENDE EINZELSCHICHTEN AUF GOLD UND ANDEREN GLATTEN
OBERFLAECHEN 164
LITERATUR
166
7
AUF DER PHYSIK BERUHENDE EXPERIMENTELLE METHODEN DER
NANOHERSTELLUNG UND DER NANOTECHNOLOGIE 167
7.1 SILIZIUMTECHNOLOGIE: DER INTEL-IBM-ANSATZ DER
NANOTECHNOLOGIE 168
7.1.1 STRUKTURIERUNG, MASKEN UND FOTOLITHOGRAFIE 168
7.1.2 DAS AETZEN VON SILIZIUM 170
7.1.3
STRUKTURIERUNG VON GUT LEITENDEN ELEKTRODEN 170
7.1.4 METHODEN ZUR ABSCHEIDUNG VON METALLSCHICHTEN UND ISOLIERENDEN
SCHICHTEN 171
7.2 BEGRENZUNG DER LATERALEN AUFLOESUNG (LINIENBREITE) DURCH DIE
WELLENLAENGE, HEUTE ETWA 65
NM 173
7.2.1 OPTISCHE LITHOGRAFIE UND ROENTGENLITHOGRAFIE 173
1.2.2 ELEKTRONENSTRAHLLITHOGRAFIE, NANO-IMPRINTLITHOGRAFIE UND
MIKROKONTAKT-PRINTING 174
7.3
OPFERSCHICHTEN, FREI HAENGENDE BRUECKEN UND
EINZELELEKTRONENTRANSISTOREN 175
7.4 WIE SIEHT DIE ZUKUNFT DER COMPUTERTECHNOLOGIE AUF SILIZIUMBASIS
AUS? 176
7.5 WAERMEABFUHR UND DIE RSFQ-TECHNOLOGIE 178
7.6 METHODEN DER RASTERSONDENMIKROSKOPIE: JEWEILS NUR EIN ATOM 183
7.7
DIE RASTERTUNNELMIKROSKOPIE (STM) ALS PROTOTYP FUER EINEN
MOLEKUELZUSAMMENBAUER 184
7.7.1 DIE HERSTELLUNG VON OBERFLAECHENMOLEKUELEN MITHILFE DER BEWEGUNG VON
AU-ATOMEN 184
IH.
2 ZUSAMMENBAU VON ORGANISCHEN MOLEKUELEN ANHAND EINES STM 188
7.8 FELDER VON RASTERKRAFTMIKROSKOPEN 189
7.8.1 DIE HERSTELLUNG VON FELDERN VON CANTILEVERN MITHILFE DER
FOTOLITHOGRAFIE 190
7.8.2 FERTIGUNG VON STRUKTUREN IM NANOMETERBEREICH MITTELS EINES
AFM
191
7.8.3
ABBILDUNG EINES EINZELNEN ELEKTRONENSPINS MITTELS EINES
MAGNETRESONANZ-AFM 192
7.9 GRUNDLEGENDE FRAGEN: RATEN, GENAUIGKEIT UND MEHR 194
7.10 NANOPHOTONIK UND NANOPLASMONIK 195
LITERATUR
199
INHALTSVERZEICHNIS
| XI
8
QUANTENTECHNOLOGIE AUF DER GRUNDLAGE VON MAGNETISMUS, ELEKTRONEN
UND KERNSPINS SOWIE SUPRALEITUNG 201
8.1 DER STERN-GERLACH-VERSUCH: BEOBACHTUNG DES SPINS 1/2 DES
ELEKTRONS 205
8.2
ZWEI AUSWIRKUNGEN DES KERNSPINS: KERNSPINRESONANZ UND DIE
YY21,1 CM-LINIE" 206
8.3 ELEKTRONENSPIN 1/2 ALS QUBIT FUER EINEN QUANTENCOMPUTER:
SUPERPOSITIONSPRINZIP UND KOHAERENZ 208
8.4 HARTE UND WEICHE FERROMAGNETEN 212
8.5
DIE URSPRUENGE DES RIESENMAGNETOWIDERSTANDS (GMR-EFFEKT):
SPINABHAENGIGE ELEKTRONENSTREUUNG 214
8.6 DAS GMR-SPINVENTIL, EIN NANOPHYSIKALISCHER SENSOR 216
8.7 DAS TUNNELVENTIL, EIN VERBESSERTER NANOPHYSIKALISCHER
MAGNETFELDSENSOR
218
8.8 MAGNETORESISTIVES RANDOM ACCESS MEMORY (MRAM) 220
8.8.1 MAGNETISCHE TUNNELKONTAKTE BEI DER MRAM-SPEICHERTECHNIK 220
8.8.2 NICHTFLUECHTIGE FERROMAGNET-HALBLEITERHYBRIDSTRUKTUREN 222
8.9
SPININJEKTION: DER JOHNSON-SILSBEE-EFFEKT 223
8.9.1 OFFENSICHTLICHE SPININJEKTION VON EINEM FERROMAGNETEN IN EIN
KOHLENSTOFF-NANOROEHRCHEN 225
8.10 MAGNETISCHE LOGISCHE BAUELEMENTE: EIN ALLGEMEINGUELTIGES
LOGIKGATTER
225
8.11
SUPRALEITER UND DAS SUPRALEITENDE (MAGNETISCHE) FLUSSQUANT 228
8.12 DER JOSEPHSON-EFFEKT UND DAS SQUID ZUR MESSUNG VON
MAGNETFELDERN 232
8.13 RSFQ-ELEKTRONIK - SCHNELLE EINZELFLUSSQUANTEN-ELEKTRONIK 235
LITERATUR
238
9
NANOELEKTRONIK AUF SILIZIUMBASIS UND DARUEBER HINAUS 239
9.1 ELEKTRONENINTERFERENZ-BAUELEMENTE MIT KOHAERENTEN ELEKTRONEN 240
9.1.1 DER TRANSPORT BALLISTISCHER ELEKTRONEN IN
STICH-QUANTENWELLENLEITERN:
EXPERIMENT UND THEORIE 243
9.1.2 WOHLDEFINIERTE QUANTENINTERFERENZEFFEKTE IN
KOHLENSTOFF-NANOROEHRCHEN 244
9.2 SENSOREN AUF DER GRUNDLAGE VON KOHLENSTOFF-NANOROEHRCHEN UND
DICHTE, NICHTFLUECHTIGE RAMS 246
9.2.1 EIN SENSOR AUF DER GRUNDLAGE VON KOHLENSTOFF-NANOROEHRCHEN AUS
POLAREN MOLEKUELEN, DER
VON DEN IHNEN EIGENEN GROSSEN ELEKTRISCHEN
FELDERN GEBRAUCH MACHT 247
9.2.2 EINE KREUZFOERMIGE ANORDNUNG VON KOHLENSTOFF-NANOROEHRCHEN FUER
ULTRADICHTE, ULTRASCHNELLE NICHTFLUECHTIGE RAMS 249
9.3 RESONANZTUNNELDIODEN UND TUNNELTRANSISTOREN MIT HEISSEN
ELEKTRONEN
253
9.4
LADUNGSQUBITS MIT DOPPELTEM POTENZIALTOPF 255
9.4.1 QUBITS FUER QUANTENCOMPUTER AUF SILIZIUMBASIS 259
XII
| INHALTSVERZEICHNIS
9.5
EINZELELEKTRONENTRANSISTOREN 260
9.5.1 DER RADIOFREQUENZ-EINZELELEKTRONENTRANSISTOR (RFSET), EIN
NUETZLICHES,
ERPROBTES FORSCHUNGSINSTRUMENT 264
9.5.2 AUSLESEN DES LADUNGSQUBITS MIT
SUB-ELEKTRONENLADUNGSAUFLOESUNG
264
9.5.3 EIN VERGLEICH ZWISCHEN SET UND RTD (RESONANZTUNNELDIODE) 264
9.6 EXPERIMENTELLE ANSAETZE ZUM LADUNGSQUBIT MIT ZWEI
POTENZIALTOEPFEN 267
9.6.1
KOPPLUNG VON ZWEI LADUNGSQUBITS IN EINEM FESTKOERPER
(SUPRALEITUNG) 270
9.7 IONENFALLE AUF EINEM GAAS-CHIP, HINWEIS AUF EIN NEUES QUBIT 271
9.8 QUANTENCOMPUTER DURCH QUANTENTEMPERN MIT KUENSTLICHEN SPINS 275
LITERATUR
276
10
DIE NANOPHYSIK UND NANOTECHNOLOGIE VON GRAPHEN 279
10.1 GRAPHEN: REKORDBRECHENDE PHYSIKALISCHE UND ELEKTRISCHE
EIGENSCHAFTEN 279
10.2 FOLGEN AUS DER DICKE VON EINEM ATOM: WEICHHEIT UND
HAFTFESTIGKEIT
280
10.3 UNDURCHLAESSIGKEIT EINZELNER GRAPHENSCHICHTEN 281
10.4 SYNTHESE DURCH CHEMISCHE GASPHASENABSCHEIDUNG UND DIREKTE
REAKTION 282
10.5 VERWENDUNG ALS FLEXIBLE, LEITENDE UND TRANSPARENTE ELEKTRODEN 284
10.6
MOEGLICHE ANWENDUNG BEI LOGIKBAUELEMENTEN UND ERWEITERUNG DES
GESETZES VON MOORE 287
10.7 ANWENDUNGEN VON GRAPHEN INNERHALB DER SILIZIUMTECHNOLOGIE 289
LITERATUR 292
11
AUSBLICK IN DIE ZUKUNFT 295
11.1 DREXLERS MECHANISCHE (MOLEKULARE) ACHSEN UND LAGER 296
11.1.1 SMALLEYS WIDERLEGUNG DES ZUSAMMENBAUS VON MASCHINEN 297
11.1.2 VAN-DER-WAALS-KRAEFTE FUER REIBUNGSFREIE LAGER? 299
11.2
DAS KONZEPT DES MOLEKULAREN ZUSAMMENBAUERS IST FEHLERHAFT 299
11.3 KOENNEN MOLEKULARE MASCHINEN DIE TECHNOLOGIE REVOLUTIONIEREN ODER
DIE SELBSTREPRODUKTION SOGAR DAS IRDISCHE LEBEN BEDROHEN? 301
11.4 DIE AUSSICHT AUF EINEN GRUNDLEGENDEN REICHTUM DURCH EINEN
DURCHBRUCH IM NANO-LNGENIEURWESEN
302
11.5 WAS IST MIT DER GENTECHNIK UND DER ROBOTERTECHNOLOGIE? 303
11.6 MOEGLICHE SOZIALE UND ETHISCHE AUSWIRKUNGEN DER BIOTECHNOLOGIE UND
DER SYNTHETISCHEN BIOLOGIE 306
11.7
GIBT ES EINE NACHMENSCHLICHE ZUKUNFT, WIE SIE SICH FUKUYAMA
VORGESTELLT? 308
LITERATUR 309
UEBUNGEN
311
LOESUNGEN
323
SACHWORTVERZEICHNIS
353
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