Nanophysik und Nanotechnologie - Eine Einführung in die Konzepte der Nanowissenschaft

von: Edward L. Wolf

Wiley-VCH, 2015

ISBN: 9783527413348

Sprache: Deutsch

386 Seiten, Download: 9908 KB

Format: Online-Lesen, PDF

geeignet für: Apple iPad, Android Tablet PC's

eBook öffnen

▸

Mehr zum Inhalt

Nanophysik und Nanotechnologie - Eine Einführung in die Konzepte der Nanowissenschaft

	Cover	1
	Titelseite	5
	Impressum	6
	Inhaltsverzeichnis	9
	Vorwort	17
	Vorwort zur ersten Auflage	21
	Abkürzungsverzeichnis	23
	1 Einleitung	27
	1.1 Nanometer, Mikrometer, Millimeter	29
	1.2 Das mooresche Gesetz	34
	1.3 Esakis Quantentunneldiode	36
	1.4 Quantenpunkte in zahlreichen Farben	37
	1.5 GMR and TRM 10–1000Gb Leseköpfe für Festplatten	39
	1.6 Beschleunigungssensoren in Ihrem Auto	41
	1.7 Nanoporöse Filter	43
	1.8 Bauelemente im Nanometermaßstab auf der Basis herkömmlicher Technologien	43
	Literatur	44
	2 Systematik zum Verkleinern von Objekten	45
	2.1 Mechanische Frequenzen vergrößern sich in kleinen Systemen	45
	2.2 Veranschaulichung von Skalierungsbeziehungen durch einen einfachen harmonischen Oszillator	49
	2.3 Veranschaulichung von Skalierungsbeziehungen durch einfache Schaltelemente	50
	2.4 Thermische Zeitkonstanten und Temperaturdifferenzen nehmen ab	51
	2.5 Viskose Kräfte dominieren bei kleinen Partikeln in Flüssigkeiten	51
	2.6 Reibungsbedingte Kräfte können in symmetrischen Systemen molekularer Skalierung wegfallen	53
	Literatur	56
	3 Was begrenzt die Verkleinerung?	57
	3.1 Die Teilchennatur (Quantennatur) der Materie: Photonen, Elektronen, Atome, Moleküle	57
	3.2 Biologische Beispiele von Nanomotoren und Nanoelementen	59
	3.2.1 Lineare Federmotoren	59
	3.2.2 Lineare Motoren auf Schienen	61
	3.2.3 Sich drehende Motoren	62
	3.2.4 Ionenkanäle sind die Nanotransistoren der Biologie	67
	3.3 Wie klein kann man es machen?	69
	3.3.1 Mit welchen Methoden kann man Körper kleiner machen?	70
	3.3.2 Wie kann man sehen, was man herstellen möchte?	71
	3.3.3 Wie kann man Verbindungen mit der äußeren Welt herstellen?	73
	3.3.4 Wenn man etwas weder sehen noch verbinden kann: Kann man erreichen, dass es selbstorganisierend ist und selbstständig arbeitet?	73
	3.3.5 Methoden zum Zusammenfügen von kleinen dreidimensionalen Körpern	74
	3.3.6 Die Selbstmontage von Strukturen mit Abmessungen im Nanometerbereich unter Verwendung von DNA-Strängen	78
	Literatur	81
	4 Die Quantennatur der Nanowelt	83
	4.1 Das bohrsche Atommodell	84
	4.1.1 Quantisierung des Drehimpulses	85
	4.1.2 Die Erweiterung des bohrschen Atommodells	86
	4.2 Der Teilchen-Welle-Dualismus von Licht und Materie, die De-Broglie-Wellenlänge =h/p, E=h	86
	4.3 Die Wellenfunktion Psi für Elektronen, die Wahrscheinlichkeitsdichte Psi*Psi, laufende und stehende Wellen	87
	4.4 Die maxwellschen Gleichungen, E und B als Wellenfunktionen von Photonen und optischen Fasermoden	93
	4.5 Die heisenbergsche Unschärferelation	94
	4.6 Schrödingergleichung, Quantenzustände und Energien, Tunneln durch Barrieren	95
	4.6.1 Die Schrödingergleichung in einer Dimension	96
	4.6.2 Das eingeschlossene Teilchen in einer Dimension	97
	4.6.3 Reflexion und Tunneln an einer Potenzialstufe	99
	4.6.4 Durchdringung einer Barriere, Austrittszeit aus einem Topf, resonante Tunneldiode	102
	4.6.5 Eingeschlossene Teilchen in zwei und drei Dimensionen: Quantenpunkte	103
	4.6.6 Zweidimensionale Bänder und Quantendrähte	105
	4.6.7 Der einfache harmonische Oszillator	106
	4.6.8 Die Schrödingergleichung in Kugelkoordinaten	109
	4.7 Das Wasserstoffatom, Einelektronenatome, Exzitonen	109
	4.7.1 Magnetische Momente	113
	4.7.2 Magnetisierung und magnetische Suszeptibilität	114
	4.7.3 Positronium und Exzitonen	115
	4.8 Fermionen, Bosonen und Besetzungsregeln	116
	Literatur	117
	5 Konsequenzen der Quantenphysik für die makroskopische Welt	119
	5.1 Periodensystem der Elemente	119
	5.2 Nanosymmetrie, zweiatomige Moleküle und Ferromagnete	120
	5.2.1 Ununterscheidbare Teilchen und ihr Austausch	120
	5.2.2 Das Wasserstoffmolekül: die kovalente Bindung	122
	5.3 Weitere Kräfte im Nanometerbereich: Van-der-Waals-, Casimir- und Wasserstoffbindung	125
	5.3.1 Die polare und die Van-der-Waals-Kraft	126
	5.3.2 Die Casimir-Kraft	129
	5.3.3 Die Wasserstoffbrückenbindung	133
	5.4 Metalle als Töpfe mit freien Elektronen: Fermi-Niveau, DOS und Dimensionalität	134
	5.4.1 Elektrische Leitfähigkeit, spezifischer Widerstand, mittlere freie Weglänge, Hall-Effekt und Magnetowiderstand	138
	5.5 Periodische Strukturen (beispielsweise Si, GaAs, InSb, Cu): Kronig-Penney-Modell für Elektronenbänder und Bandlücken	139
	5.6 Elektronenbänder und Leitfähigkeit in Halbleitern und Isolatoren	145
	5.7 Wasserstoffähnliche Donatoren und Akzeptoren	150
	5.7.1 Konzentrationen der Ladungsträger, metallische Dotierung	151
	5.7.2 pn-Übergang, elektrische Dioden: I(U)-Kennlinien, Laserdioden	155
	5.8 Mehr über den Ferromagnetismus, die quantenmechanische Grundlage der Datenspeicherung	161
	5.9 Oberflächen unterscheiden sich	164
	5.10 Ferroelektrika, Piezoelektrika und Pyroelektrika: neuste Anwendungen der modernen Nanotechnologie	166
	Literatur	175
	6 Selbstorganisierende Nanostrukturen in der Natur und der Industrie	177
	6.1 Das Kohlenstoffatom, 12hphantom 06C 1s2 2p4 (0,07nm)	178
	6.2 Methan CH4, Ethan C2H6 und Oktan C8H18	179
	6.3 Äthylen C2H4, Benzol C6H6, Acetylen C2H2	180
	6.4 C60-Fullerene (0,5nm)	181
	6.5 C-Nanoröhrchen (0,5nm)	182
	6.5.1 Si-Nanodrähte (5nm)	185
	6.6 InAs-Quantenpunkte (5nm)	186
	6.7 AgBr-Nanokristalle (0,1–2µm)	187
	6.8 Fe3O4-Magnetit- und Fe3S4-Greigit-Nanoteilchen in magnetotaktischen Bakterien	188
	6.9 Selbstorganisierende Einzelschichten auf Gold und anderen glatten Oberflächen	190
	Literatur	192
	7 Auf der Physik beruhende experimentelle Methoden der Nanoherstellung und der Nanotechnologie	193
	7.1 Siliziumtechnologie: der INTEL-IBM-Ansatz der Nanotechnologie	194
	7.1.1 Strukturierung, Masken und Fotolithografie	194
	7.1.2 Das Ätzen von Silizium	196
	7.1.3 Strukturierung von gut leitenden Elektroden	196
	7.1.4 Methoden zur Abscheidung von Metallschichten und isolierenden Schichten	197
	7.2 Begrenzung der lateralen Auflösung (Linienbreite) durch die Wellenlänge, heute etwa 65nm	199
	7.2.1 Optische Lithografie und Röntgenlithografie	199
	7.2.2 Elektronenstrahllithografie, Nano-Imprintlithografie und Mikrokontakt-Printing	200
	7.3 Opferschichten, frei hängende Brücken und Einzelelektronentransistoren	201
	7.4 Wie sieht die Zukunft der Computertechnologie auf Siliziumbasis aus?	202
	7.5 Wärmeabfuhr und die RSFQ-Technologie	204
	7.6 Methoden der Rastersondenmikroskopie: jeweils nur ein Atom	209
	7.7 Die Rastertunnelmikroskopie (STM) als Prototyp für einen Molekülzusammenbauer	210
	7.7.1 Die Herstellung von Oberflächenmolekülen mithilfe der Bewegung von Au-Atomen	210
	7.7.2 Zusammenbau von organischen Molekülen anhand eines STM	214
	7.8 Felder von Rasterkraftmikroskopen	215
	7.8.1 Die Herstellung von Feldern von Cantilevern mithilfe der Fotolithografie	216
	7.8.2 Fertigung von Strukturen im Nanometerbereich mittels eines AFM	217
	7.8.3 Abbildung eines einzelnen Elektronenspins mittels eines Magnetresonanz-AFM	218
	7.9 Grundlegende Fragen: Raten, Genauigkeit und mehr	220
	7.10 Nanophotonik und Nanoplasmonik	221
	Literatur	225
	8 Quantentechnologie auf der Grundlage von Magnetismus, Elektronen- und Kernspins sowie Supraleitung	227
	8.1 Der Stern-Gerlach-Versuch: Beobachtung des Spins 1/2 des Elektrons	231
	8.2 Zwei Auswirkungen des Kernspins: Kernspinresonanz und die ,,21,1cm-Linie“	232
	8.3 Elektronenspin 1/2 als Qubit für einen Quantencomputer: Superpositionsprinzip und Kohärenz	234
	8.4 Harte und weiche Ferromagneten	238
	8.5 Die Ursprünge des Riesenmagnetowiderstands (GMR-Effekt): spinabhängige Elektronenstreuung	240
	8.6 Das GMR-Spinventil, ein nanophysikalischer Sensor	242
	8.7 Das Tunnelventil, ein verbesserter nanophysikalischer Magnetfeldsensor	244
	8.8 Magnetoresistives Random Access Memory (MRAM)	246
	8.8.1 Magnetische Tunnelkontakte bei der MRAM-Speichertechnik	246
	8.8.2 Nichtflüchtige Ferromagnet-Halbleiterhybridstrukturen	248
	8.9 Spininjektion: Der Johnson-Silsbee-Effekt	249
	8.9.1 Offensichtliche Spininjektion von einem Ferromagneten in ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen	251
	8.10 Magnetische logische Bauelemente: ein allgemeingültiges Logikgatter	251
	8.11 Supraleiter und das supraleitende (magnetische) Flussquant	254
	8.12 Der Josephson-Effekt und das SQUID zur Messung von Magnetfeldern	258
	8.13 RSFQ-Elektronik – schnelle Einzelflussquanten-Elektronik	261
	Literatur	264
	9 Nanoelektronik auf Siliziumbasis und darüber hinaus	265
	9.1 Elektroneninterferenz-Bauelemente mit kohärenten Elektronen	266
	9.1.1 Der Transport ballistischer Elektronen in Stich-Quantenwellenleitern: Experiment und Theorie	269
	9.1.2 Wohldefinierte Quanteninterferenzeffekte in Kohlenstoff-Nanoröhrchen	270
	9.2 Sensoren auf der Grundlage von Kohlenstoff-Nanoröhrchen und dichte, nichtflüchtige RAMs	272
	9.2.1 Ein Sensor auf der Grundlage von Kohlenstoff-Nanoröhrchen aus polaren Molekülen, der von den ihnen eigenen großen elektrischen Feldern Gebrauch macht	273
	9.2.2 Eine kreuzförmige Anordnung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen für ultradichte, ultraschnelle nichtflüchtige RAMs	275
	9.3 Resonanztunneldioden und Tunneltransistoren mit heißen Elektronen	279
	9.4 Ladungsqubits mit doppeltem Potenzialtopf	281
	9.4.1 Qubits für Quantencomputer auf Siliziumbasis	285
	9.5 Einzelelektronentransistoren	286
	9.5.1 Der Radiofrequenz-Einzelelektronentransistor (RFSET), ein nützliches, erprobtes Forschungsinstrument	290
	9.5.2 Auslesen des Ladungsqubits mit Sub-Elektronenladungsauflösung	290
	9.5.3 Ein Vergleich zwischen SET und RTD (Resonanztunneldiode)	290
	9.6 Experimentelle Ansätze zum Ladungsqubit mit zwei Potenzialtöpfen	293
	9.6.1 Kopplung von zwei Ladungsqubits in einem Festkörper (Supraleitung)	296
	9.7 Ionenfalle auf einem GaAs-Chip, Hinweis auf ein neues Qubit	297
	9.8 Quantencomputer durch Quantentempern mit künstlichen Spins	301
	Literatur	302
	10 Die Nanophysik und Nanotechnologie von Graphen	305
	10.1 Graphen: rekordbrechende physikalische und elektrische Eigenschaften	305
	10.2 Folgen aus der Dicke von einem Atom: Weichheit und Haftfestigkeit	306
	10.3 Undurchlässigkeit einzelner Graphenschichten	307
	10.4 Synthese durch chemische Gasphasenabscheidung und direkte Reaktion	308
	10.5 Verwendung als flexible, leitende und transparente Elektroden	310
	10.6 Mögliche Anwendung bei Logikbauelementen und Erweiterung des Gesetzes von Moore	313
	10.7 Anwendungen von Graphen innerhalb der Siliziumtechnologie	315
	Literatur	318
	11 Ausblick in die Zukunft	321
	11.1 Drexlers mechanische (molekulare) Achsen und Lager	322
	11.1.1 Smalleys Widerlegung des Zusammenbaus von Maschinen	323
	11.1.2 Van-der-Waals-Kräfte für reibungsfreie Lager?	325
	11.2 Das Konzept des molekularen Zusammenbauers ist fehlerhaft	325
	11.3 Können molekulare Maschinen die Technologie revolutionieren oder die Selbstreproduktion sogar das irdische Leben bedrohen?	327
	11.4 Die Aussicht auf einen grundlegenden Reichtum durch einen Durchbruch im Nano-Ingenieurwesen	328
	11.5 Was ist mit der Gentechnik und der Robotertechnologie?	329
	11.6 Mögliche soziale und ethische Auswirkungen der Biotechnologie und der synthetischen Biologie	332
	11.7 Gibt es eine nachmenschliche Zukunft, wie sie sich Fukuyama vorgestellt?	334
	Literatur	335
	Übungen	337
	Lösungen	349
	Sachwortverzeichnis	379
	EULA	386

Kategorien

Service

Info/Kontakt

Nanophysik und Nanotechnologie - Eine Einführung in die Konzepte der Nanowissenschaft

von: Edward L. Wolf

Nanophysik und Nanotechnologie - Eine Einführung in die Konzepte der Nanowissenschaft

Kategorien

eBooks