Nanotechnologie für Einsteiger - Herstellung und Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanostrukturen

von: Wilhelm Kulisch

Wiley-VCH, 2016

ISBN: 9783527695324

Sprache: Deutsch

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Nanotechnologie für Einsteiger - Herstellung und Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanostrukturen

	Cover	1
	Titelseite	5
	Impressum	6
	Inhaltsverzeichnis	7
	Vorwort	13
	1 Einführung	15
	1.1 Nanowissenschaften und Nanotechnologie	15
	1.2 Nanowissenschaften sind interdisziplinär	17
	1.3 Nanotechnologie – Heilsbringer oder Risiko?	17
	1.4 Kohlenstoffnanostrukturen	18
	1.5 Der Aufbau dieses Buchs	19
	Literatur	21
	Teil I Nanotechnologie und Nanostrukturen	23
	2 Nanostrukturen	25
	2.1 Definition	25
	2.2 Physik und Chemie im Nanometerbereich	26
	2.2.1 Der Einfluss der Oberfläche	27
	2.2.2 Platzersparnis	28
	2.2.3 Kritische Längen	30
	2.2.4 Quantenmechanik	36
	2.3 Arten von Nanostrukturen	39
	2.4 Vorbilder in der Natur	45
	2.5 Wissen testen	48
	Literatur	49
	3 Herstellung von Nanostrukturen	51
	3.1 Grundlegende Ansätze zur Herstellung von Nanostrukturen	51
	3.2 Top-down-Verfahren	51
	3.2.1 Erzeugung von Nanopartikeln durch Mahlen	53
	3.2.2 Mechanische Oberflächenermüdung	54
	3.2.3 Lithografie und Ätzen	55
	3.3 Irgendwo dazwischen: die weiche Lithografie	58
	3.3.1 Nanokontaktdruck	59
	3.3.2 Weitere auf Stempeln beruhende Verfahren der weichen Lithografie	60
	3.3.3 Dip-Pen-Nanolithografie	61
	3.4 Bottom-up-Verfahren	62
	3.4.1 Selbstassemblierte Systeme und Schichten	64
	3.4.2 Verwendung von Templates	66
	3.4.3 Verwendung von DNA	68
	3.4.4 Prozessführung	69
	3.5 Funktionalisierung	69
	3.5.1 Möglichkeiten zur Funktionalisierung	70
	3.5.2 Verleihung von Funktionalitäten	73
	3.6 Wissen testen	76
	Literatur	76
	4 Charakterisierung von Nanostrukturen	79
	4.1 Kann man Atome sehen?	79
	4.1.1 Das Rayleigh-Kriterium	79
	4.1.2 Reduzierung der Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung	80
	4.1.3 Die Lösung: Teilchenstrahlen	81
	4.2 Elektronenstrahlverfahren	82
	4.2.1 SEM	82
	4.2.2 TEM und HRTEM	84
	4.2.3 TED und EELS	85
	4.3 Charakterisierung mittels Nanosystemen: Rastersondenmikroskopie	86
	4.3.1 Rastertunnelmikroskopie	87
	4.3.2 AFM	90
	4.3.3 Weitere Verfahren	93
	4.4 Makroskopische Verfahren	96
	4.4.1 Raman-Spektroskopie	96
	4.4.2 Weitere spektroskopische Verfahren	99
	4.4.3 Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung	99
	4.4.4 Beugungsverfahren zur Ermittlung der Kristallinität	102
	4.5 Wissen testen	104
	Literatur	104
	Teil II Das Element Kohlenstoff	107
	5 Das Element Kohlenstoff	109
	5.1 Vorkommen	109
	5.1.1 Die Entstehung von Kohlenstoff	110
	5.1.2 Bedeutung als Energieträger	111
	5.1.3 Bedeutung in der Biologie	111
	5.2 Die besondere Chemie des Kohlenstoffs	112
	5.2.1 Hybridisierung	112
	5.2.2 Ring- und Kettenbildung	114
	5.2.3 Polymere	117
	5.2.4 Fremdatome und funktionelle Gruppen	118
	5.3 Wissen testen	121
	Literatur	122
	6 Kohlenstofffestkörpermodifikationen	123
	6.1 Diamant	125
	6.1.1 Vorkommen und Herstellung	125
	6.1.2 Physikalische Eigenschaften	132
	6.1.3 Chemische Eigenschaften	135
	6.1.4 Anwendungen	135
	6.2 Graphit	136
	6.2.1 Struktur	136
	6.2.2 Gewinnung bzw. Herstellung	137
	6.2.3 Physikalische Eigenschaften	137
	6.2.4 Chemische Eigenschaften	138
	6.2.5 Anwendungen	139
	6.3 Weitere Modifikationen	141
	6.3.1 Glaskohlenstoff	141
	6.3.2 Ruß	142
	6.3.3 Amorpher Kohlenstoff	143
	6.4 Wissen testen	144
	Literatur	145
	Teil III Kohlenstoff-Nanostrukturen	147
	7 Punktförmige Kohlenstoffnanostrukturen: Fullerene	149
	7.1 Entdeckung	149
	7.2 Struktur	151
	7.2.1 Die große Varietät der Fullerene	151
	7.2.2 C60 und C70	153
	7.2.3 Nomenklatur	154
	7.3 Fullerite	154
	7.4 Fullerene mit Fremdatomen	155
	7.4.1 Heterofullerene	155
	7.4.2 Endohedrale Komplexe	156
	7.5 Herstellung	158
	7.5.1 Laserablation	158
	7.5.2 Thermische Zersetzung	158
	7.5.3 Vakuum-Bogenentladung	160
	7.5.4 Pyrolyse	160
	7.5.5 Verbrennungsverfahren	161
	7.5.6 Vergleich der Verfahren	161
	7.6 Weiterverarbeitung	162
	7.6.1 Reinigung und Anreicherung	162
	7.6.2 Funktionalisierung	163
	7.6.3 Polymerisation	164
	7.7 Eigenschaften von Fullerenen	164
	7.7.1 Chemische Eigenschaften	165
	7.7.2 Mechanische Eigenschaften	165
	7.7.3 Optische Eigenschaften	166
	7.8 Anwendungen	166
	7.8.1 Wasserstoffspeicherung	169
	7.8.2 Härtung von Materialien	169
	7.8.3 Medizin	169
	7.9 Wissen testen	173
	Literatur	174
	8 Eindimensionale Kohlenstoffnanostrukturen: Nanoröhrchen	177
	8.1 Entdeckung	177
	8.2 Beschreibung, Klassifizierung und Nomenklatur	178
	8.2.1 Armchair-, Zigzag- und chirale Röhrchen	178
	8.2.2 Singlewall- and Multiwall-Röhrchen	181
	8.2.3 Die Enden der Nanoröhrchen	182
	8.2.4 Spezielle Arten von CNTs	182
	8.2.5 Nanoröhrchen mit Fremdatomen	184
	8.2.6 Nanoröhrchen aus anderen Materialien	186
	8.3 Herstellung	186
	8.3.1 Physikalische Verfahren	186
	8.3.2 CVD-Verfahren	187
	8.3.3 Ein spezielles Beispiel: das HiPCO-Verfahren	191
	8.3.4 Zusammenfassender Vergleich	192
	8.3.5 Reinigung, Trennung und Aufbereitung	193
	8.3.6 CNT-Bündel, -Fasern und -Filme	195
	8.4 Eigenschaften	199
	8.4.1 Mechanische Eigenschaften	200
	8.4.2 Elektrische und elektronische Eigenschaften	200
	8.4.3 Thermische Eigenschaften	201
	8.4.4 Chemische Eigenschaften	202
	8.5 Anwendungen	202
	8.5.1 Nanoverbundwerkstoffe	203
	8.5.2 Anwendungen in elektronischen Bauelementen	204
	8.5.3 Feldemission	210
	8.5.4 Sensoren	211
	8.5.5 Anwendung von CNTs in der Medizin	212
	8.5.6 Weitere Anwendungen	214
	8.5.7 Gegenwärtige Probleme	214
	8.6 Wissen testen	215
	Literatur	215
	9 Zweidimensionale Kohlenstoffnanostrukturen: Graphen	219
	9.1 Entdeckung	219
	9.2 Struktur	220
	9.3 Herstellung	221
	9.3.1 Ablöseverfahren	222
	9.3.2 CVD-Verfahren	222
	9.3.3 Direktes epitaktisches Wachstum durch Segregation	223
	9.3.4 Transfer auf geeignete Substrate	224
	9.3.5 Graphenwachstum auf SiC	225
	9.3.6 Reduktion von Graphenoxid	226
	9.4 Eigenschaften	228
	9.4.1 Mechanische Eigenschaften	229
	9.4.2 Elektrische und elektronische Eigenschaften	229
	9.4.3 Thermische Eigenschaften	230
	9.4.4 Optische Eigenschaften	230
	9.4.5 Chemische Eigenschaften	231
	9.4.6 Weitere Eigenschaften	231
	9.5 Anwendungen	232
	9.5.1 Graphentransistor	232
	9.5.2 Chemische Sensoren und Biosensoren	233
	9.5.3 Nanoverbundwerkstoffe	235
	9.6 Wissen testen	235
	Literatur	237
	10 Dreidimensionale Kohlenstoffnanostrukturen	239
	10.1 Kohlenstoffnanozwiebeln	239
	10.1.1 Struktur	239
	10.1.2 Herstellung	241
	10.1.3 Eigenschaften	244
	10.1.4 Anwendungen	244
	10.2 Kohlenstoffnanohörner	245
	10.3 Weitere graphitische dreidimensionale Kohlenstoffnanostrukturen	248
	10.4 Zusammenfassung: graphitähnliche dreidimensionale Kohlenstoffnanostrukturen	250
	10.5 Diamantnanopartikel	250
	10.5.1 Herstellungsverfahren	251
	10.5.2 Struktur, Aufbereitung und Funktionalisierung	253
	10.5.3 Anwendungen	254
	10.6 Nano- und ultrananokristalline Diamantschichten	254
	10.7 Diamantnanosäulen und Nanostäbe	257
	10.8 Wissen testen	257
	Literatur	258
	11 Verwandte Nanostrukturen aus anderen Elementen	261
	11.1 Bornitrid	261
	11.1.1 Herstellung von BN	263
	11.1.2 Eigenschaften von BN	263
	11.1.3 BN-Nanostrukturen	264
	11.1.4 BN-Nanoröhrchen	265
	11.1.5 Weitere BN-Nanostrukturen	269
	11.2 Silizium	274
	11.2.1 Siliziumnanodrähte	275
	11.2.2 Siliziumquantenpunkte	276
	11.2.3 Mesoporöse SiO2-Nanoteilchen	278
	11.3 Wissen testen	279
	Literatur	280
	Richtig gelöst	283
	Stichwortverzeichnis	297
	EULA	303

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