Noch hat das Motto “Alles muss kleiner werden” nicht an Faszination verloren. Physikern, Ingenieuren und Medizinern erschließt sich mit der Nanotechnologie eine neue Welt mit faszinierenden Anwendungen. E.L. Wolf, Physik-Professor in Brooklyn, N.Y., schrieb das erste einführende Lehrbuch zu diesem Thema, in dem
er die physikalischen Grundlagen ebenso wie die Anwendungsmöglichkeiten der Nanotechnologie diskutiert. Mittlerweile ist es in der 3. Aufl age erschienen und liegt jetzt endlich auch auf Deutsch vor.
Dieses Lehrbuch bietet eine einzigartige, in sich geschlossene Einführung in die physikalischen Grundlagen und Konzepte der Nanowissenschaften sowie Anwendungen von Nanosystemen. Das Themenspektrum reicht von Nanosystemen über Quanteneff ekte und sich selbst organisierende Strukturen bis hin zu Rastersondenmethoden. Besonders die Vorstellung von Nanomaschinen für medizinische Anwendungen ist faszinierend, wenn auch bislang noch nicht praktisch umgesetzt. Der dritten Aufl age, auf der diese Übersetzung beruht, wurde ein neuer Abschnitt über Graphen zugefügt. Die Diskussion möglicher Anwendungen in der Energietechnik, Nanoelektronik und Medizin wurde auf neuesten Stand gebracht und
wieder aktuelle Beispiele herangezogen, um wichtige Konzepte und Forschungsinstrumente zu illustrieren.
Der Autor führt mit diesem Lehrbuch Studenten der Physik, Chemie sowie Ingenieurwissenschaften von den Grundlagen bis auf den Stand der aktuellen Forschung. Die leicht zu lesende Einführung in dieses faszinierende Forschungsgebiet ist geeignet für fortgeschrittene Bachelor- und Masterstudenten mit Vorkenntnissen in Physik und Chemie.
Stimmen zur englischen Vorauflage
„Zusammenfassend ist festzustellen, dass Edward L. Wolf trotz der reichlich vorhandenen Literatur zur Nanotechnologie ein individuell gestaltetes einführendes Lehrbuch gelungen ist. Es eignet sich – nicht zuletzt dank der enthaltenen Übungsaufgaben – bestens zur Vorlesungsbegleitung für Studierende der Natur- und Ingenieurwissenschaften sowie auch spezieller nanotechnologisch orientierter Studiengänge.“
Physik Journal
„… eine sehr kompakte, lesenswerte und gut verständliche Einführung in die Quantenmechanik sowie ihre Auswirkungen auf die Materialwissenschaften …“
Chemie Ingenieur Technik
विषयसूची
Vorwort XV
Vorwort zur ersten Auflage XIX
Abkürzungsverzeichnis 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 TRM10–1000Gb Leseköpfe für Festplatten 13
1.6 Beschleunigungssensoren in Ihrem Auto 15
1.7 Nanoporöse Filter 17
1.8 Bauelemente im Nanometermaßstab auf der Basis herkömmlicher Technologien 17
Literatur 18
2 Systematik zum Verkleinern von Objekten 19
2.1 Mechanische Frequenzen vergrößern 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 Kräfte dominieren bei kleinen Partikeln in Flüssigkeiten 25
2.6 Reibungsbedingte Kräfte können in symmetrischen Systemen molekularer Skalierung wegfallen 27
Literatur 30
3 Was begrenzt die Verkleinerung? 31
3.1 Die Teilchennatur (Quantennatur) der Materie: Photonen, Elektronen, Atome, Moleküle 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 Ionenkanäle sind die Nanotransistoren der Biologie 41
3.3 Wie klein kann man es machen? 43
3.3.1 Mit welchen Methoden kann man Körper kleiner machen? 44
3.3.2 Wie kann man sehen, was man herstellen möchte? 45
3.3.3 Wie kann man Verbindungen mit der äußeren Welt herstellen? 47
3.3.4 Wenn man etwas weder sehen noch verbinden kann: Kann man erreichen, dass es selbstorganisierend ist und selbstständig
arbeitet? 47
3.3.5 Methoden zum Zusammenfügen von kleinen dreidimensionalen Körpern 48
3.3.6 Die Selbstmontage von Strukturen mit Abmessungen im Nanometerbereich unter Verwendung von DNA-Strängen 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-Wellenlänge λ = h?Mp, E = hν 60
4.3 Die Wellenfunktion Ψ für Elektronen, die Wahrscheinlichkeitsdichte Ψ∗Ψ, 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 Unschärferelation 68
4.6 Schrödingergleichung, Quantenzustände und Energien, Tunneln durch Barrieren 69
4.6.1 Die Schrödingergleichung 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 Bänder und Quantendrähte 79
4.6.7 Der einfache harmonische Oszillator 80
4.6.8 Die Schrödingergleichung in Kugelkoordinaten 83
4.7 Das Wasserstoffatom, Einelektronenatome, Exzitonen 83
4.7.1 Magnetische Momente 87
4.7.2 Magnetisierung und magnetische Suszeptibilität 88
4.7.3 Positronium und Exzitonen 89
4.8 Fermionen, Bosonen und Besetzungsregeln 90
Literatur 91
5 Konsequenzen der Quantenphysik für diemakroskopische Welt 93
5.1 Periodensystem der Elemente 93
5.2 Nanosymmetrie, zweiatomige Moleküle und Ferromagnete 94
5.2.1 Ununterscheidbare Teilchen und ihr Austausch 94
5.2.2 Das Wasserstoffmolekül: die kovalente Bindung 96
5.3 Weitere Kräfte 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 Wasserstoffbrückenbindung 107
5.4 Metalle als Töpfe mit freien Elektronen: Fermi-Niveau, DOS und Dimensionalität 108
5.4.1 Elektrische Leitfähigkeit, spezifischer Widerstand, mittlere freie Weglänge, Hall-Effekt und Magnetowiderstand 112
5.5 Periodische Strukturen (beispielsweise Si, Ga As, In Sb, Cu): Kronig-Penney-Modell für Elektronenbänder und Bandlücken 113
5.6 Elektronenbänder und Leitfähigkeit in Halbleitern und Isolatoren; Lokalisierung und Delokalisierung 119
5.7 Wasserstoffähnliche Donatoren und Akzeptoren 124
5.7.1 Konzentrationen der Ladungsträger, metallische Dotierung 125
5.7.2 pn-Übergang, elektrische Dioden: I(U)-Kennlinien, Laserdioden 129
5.8 Mehr über den Ferromagnetismus, die quantenmechanische Grundlage der Datenspeicherung 135
5.9 Oberflächen 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, 12
6C 1s2 2p4 (0, 07 nm) 152
6.2 Methan CH4, Ethan C2H6 und Oktan C8H18 153
6.3 Äthylen C2H4, Benzol C6H6, Acetylen C2H2 154
6.4 C60-Fullerene (≈ 0, 5 nm) 155
6.5 C∞-Nanoröhrchen (≈ 0, 5 nm) 156
6.5.1 Si-Nanodrähte (≈ 5nm) 159
6.6 In As-Quantenpunkte (≈ 5nm) 160
6.7 Ag Br-Nanokristalle (0, 1–2μm) 161
6.8 Fe3O4-Magnetit- und Fe3S4-Greigit-Nanoteilchen in magnetotaktischen Bakterien 162
6.9 Selbstorganisierende Einzelschichten auf Gold und anderen glatten Oberflächen 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 Ätzen 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 Auflösung (Linienbreite) durch die Wellenlänge, heute etwa 65nm 173
7.2.1 Optische Lithografie und Röntgenlithografie 173
7.2.2 Elektronenstrahllithografie, Nano-Imprintlithografie und Mikrokontakt-Printing 174
7.3 Opferschichten, frei hängende Brücken und Einzelelektronentransistoren 175
7.4 Wie sieht die Zukunft der Computertechnologie auf Siliziumbasis aus? 176
7.5 Wärmeabfuhr und die RSFQ-Technologie 178
7.6 Methoden der Rastersondenmikroskopie: jeweils nur ein Atom 183
7.7 Die Rastertunnelmikroskopie (STM) als Prototyp für einen Molekülzusammenbauer 184
7.7.1 Die Herstellung von Oberflächenmolekülenmithilfe der Bewegung von Au-Atomen 184
7.7.2 Zusammenbau von organischen Molekülen 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
8 Quantentechnologie auf der Grundlage von Magnetismus, Elektronenund 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 „21, 1 cm-Linie“ 206
8.3 Elektronenspin 1/2 als Qubit für einen Quantencomputer: Superpositionsprinzip und Kohärenz 208
8.4 Harte und weiche Ferromagneten 212
8.5 Die Ursprünge des Riesenmagnetowiderstands (GMR-Effekt): spinabhängige 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 Nichtflüchtige Ferromagnet-Halbleiterhybridstrukturen 222
8.9 Spininjektion: Der Johnson-Silsbee-Effekt 223
8.9.1 Offensichtliche Spininjektion von einem Ferromagneten in ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen 225
8.10 Magnetische logische Bauelemente: ein allgemeingültiges 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 darüber hinaus 239
9.1 Elektroneninterferenz-Bauelemente mit kohärenten Elektronen 240
9.1.1 Der Transport ballistischer Elektronen in Stich-Quantenwellenleitern: Experiment und Theorie 243
9.1.2 Wohldefinierte Quanteninterferenzeffekte in Kohlenstoff-Nanoröhrchen 244
9.2 Sensoren auf der Grundlage von Kohlenstoff-Nanoröhrchen und dichte, nichtflüchtige RAMs 246
9.2.1 Ein Sensor auf der Grundlage von Kohlenstoff-Nanoröhrchen aus polaren Molekülen, der von den ihnen eigenen großen elektrischen
Feldern Gebrauch macht 247
9.2.2 Eine kreuzförmige Anordnung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen für ultradichte, ultraschnelle nichtflüchtige RAMs 249
9.3 Resonanztunneldioden und Tunneltransistoren mit heißen Elektronen 253
9.4 Ladungsqubits mit doppeltem Potenzialtopf 255
9.4.1 Qubits für Quantencomputer auf Siliziumbasis 259
9.5 Einzelelektronentransistoren 260
9.5.1 Der Radiofrequenz-Einzelelektronentransistor (RFSET), ein nützliches, erprobtes Forschungsinstrument 264
9.5.2 Auslesen des Ladungsqubits mit Sub-Elektronenladungsauflösung 264
9.5.3 Ein Vergleich zwischen SET und RTD (Resonanztunneldiode) 264
9.6 Experimentelle Ansätze zum Ladungsqubit mit zwei Potenzialtöpfen 267
9.6.1 Kopplung von zwei Ladungsqubits in einem Festkörper (Supraleitung) 270
9.7 Ionenfalle auf einem Ga As-Chip, Hinweis auf ein neues Qubit 271
9.8 Quantencomputer durch Quantentempern mit künstlichen 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 Undurchlässigkeit 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 Mögliche 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-Kräfte für reibungsfreie Lager? 299
11.2 Das Konzept des molekularen Zusammenbauers ist fehlerhaft 299
11.3 Können 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-Ingenieurwesen 302
11.5 Was ist mit der Gentechnik und der Robotertechnologie? 303
11.6 Mögliche 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
Inhaltsverzeichnis XIII
Übungen 311
Lösungen 323
Sachwortverzeichnis 353
लेखक के बारे में
Edward Wolf ist Professor für Physik an der Polytechnischen Universität in Brooklyn, New York. Im Jahr 2007 wurde er mit dem ‘Jacobs Excellence in Education Award’ geehrt. Er ist Autor von Lehrbüchern zu den Grundlagen der Nanotechnologie und speziell Anwendungen in Elektronik und Energiegewinnung, und hat das Thema in Radiofeatures für ein allgemeines Publikum aufbereitet.
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