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E-Book

Nanophysik und Nanotechnologie

Eine Einführung in die Konzepte der Nanowissenschaft

AutorEdward L. Wolf
VerlagWiley-VCH
Erscheinungsjahr2015
Seitenanzahl386 Seiten
ISBN9783527413348
FormatPDF
KopierschutzDRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis37,99 EUR

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

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Blick ins Buch
Inhaltsverzeichnis
Cover1
Titelseite5
Impressum6
Inhaltsverzeichnis9
Vorwort17
Vorwort zur ersten Auflage21
Abkürzungsverzeichnis23
1 Einleitung27
1.1 Nanometer, Mikrometer, Millimeter29
1.2 Das mooresche Gesetz34
1.3 Esakis Quantentunneldiode36
1.4 Quantenpunkte in zahlreichen Farben37
1.5 GMR and TRM 10–1000Gb Leseköpfe für Festplatten39
1.6 Beschleunigungssensoren in Ihrem Auto41
1.7 Nanoporöse Filter43
1.8 Bauelemente im Nanometermaßstab auf der Basis herkömmlicher Technologien43
Literatur44
2 Systematik zum Verkleinern von Objekten45
2.1 Mechanische Frequenzen vergrößern sich in kleinen Systemen45
2.2 Veranschaulichung von Skalierungsbeziehungen durch einen einfachen harmonischen Oszillator49
2.3 Veranschaulichung von Skalierungsbeziehungen durch einfache Schaltelemente50
2.4 Thermische Zeitkonstanten und Temperaturdifferenzen nehmen ab51
2.5 Viskose Kräfte dominieren bei kleinen Partikeln in Flüssigkeiten51
2.6 Reibungsbedingte Kräfte können in symmetrischen Systemen molekularer Skalierung wegfallen53
Literatur56
3 Was begrenzt die Verkleinerung?57
3.1 Die Teilchennatur (Quantennatur) der Materie: Photonen, Elektronen, Atome, Moleküle57
3.2 Biologische Beispiele von Nanomotoren und Nanoelementen59
3.2.1 Lineare Federmotoren59
3.2.2 Lineare Motoren auf Schienen61
3.2.3 Sich drehende Motoren62
3.2.4 Ionenkanäle sind die Nanotransistoren der Biologie67
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 Körpern74
3.3.6 Die Selbstmontage von Strukturen mit Abmessungen im Nanometerbereich unter Verwendung von DNA-Strängen78
Literatur81
4 Die Quantennatur der Nanowelt83
4.1 Das bohrsche Atommodell84
4.1.1 Quantisierung des Drehimpulses85
4.1.2 Die Erweiterung des bohrschen Atommodells86
4.2 Der Teilchen-Welle-Dualismus von Licht und Materie, die De-Broglie-Wellenlänge =h/p, E=h86
4.3 Die Wellenfunktion Psi für Elektronen, die Wahrscheinlichkeitsdichte Psi*Psi, laufende und stehende Wellen87
4.4 Die maxwellschen Gleichungen, E und B als Wellenfunktionen von Photonen und optischen Fasermoden93
4.5 Die heisenbergsche Unschärferelation94
4.6 Schrödingergleichung, Quantenzustände und Energien, Tunneln durch Barrieren95
4.6.1 Die Schrödingergleichung in einer Dimension96
4.6.2 Das eingeschlossene Teilchen in einer Dimension97
4.6.3 Reflexion und Tunneln an einer Potenzialstufe99
4.6.4 Durchdringung einer Barriere, Austrittszeit aus einem Topf, resonante Tunneldiode102
4.6.5 Eingeschlossene Teilchen in zwei und drei Dimensionen: Quantenpunkte103
4.6.6 Zweidimensionale Bänder und Quantendrähte105
4.6.7 Der einfache harmonische Oszillator106
4.6.8 Die Schrödingergleichung in Kugelkoordinaten109
4.7 Das Wasserstoffatom, Einelektronenatome, Exzitonen109
4.7.1 Magnetische Momente113
4.7.2 Magnetisierung und magnetische Suszeptibilität114
4.7.3 Positronium und Exzitonen115
4.8 Fermionen, Bosonen und Besetzungsregeln116
Literatur117
5 Konsequenzen der Quantenphysik für die makroskopische Welt119
5.1 Periodensystem der Elemente119
5.2 Nanosymmetrie, zweiatomige Moleküle und Ferromagnete120
5.2.1 Ununterscheidbare Teilchen und ihr Austausch120
5.2.2 Das Wasserstoffmolekül: die kovalente Bindung122
5.3 Weitere Kräfte im Nanometerbereich: Van-der-Waals-, Casimir- und Wasserstoffbindung125
5.3.1 Die polare und die Van-der-Waals-Kraft126
5.3.2 Die Casimir-Kraft129
5.3.3 Die Wasserstoffbrückenbindung133
5.4 Metalle als Töpfe mit freien Elektronen: Fermi-Niveau, DOS und Dimensionalität134
5.4.1 Elektrische Leitfähigkeit, spezifischer Widerstand, mittlere freie Weglänge, Hall-Effekt und Magnetowiderstand138
5.5 Periodische Strukturen (beispielsweise Si, GaAs, InSb, Cu): Kronig-Penney-Modell für Elektronenbänder und Bandlücken139
5.6 Elektronenbänder und Leitfähigkeit in Halbleitern und Isolatoren Lokalisierung und Delokalisierung145
5.7 Wasserstoffähnliche Donatoren und Akzeptoren150
5.7.1 Konzentrationen der Ladungsträger, metallische Dotierung151
5.7.2 pn-Übergang, elektrische Dioden: I(U)-Kennlinien, Laserdioden155
5.8 Mehr über den Ferromagnetismus, die quantenmechanische Grundlage der Datenspeicherung161
5.9 Oberflächen unterscheiden sich die Dicke der Schottky-Barriere164
5.10 Ferroelektrika, Piezoelektrika und Pyroelektrika: neuste Anwendungen der modernen Nanotechnologie166
Literatur175
6 Selbstorganisierende Nanostrukturen in der Natur und der Industrie177
6.1 Das Kohlenstoffatom, 12hphantom 06C 1s2 2p4 (0,07nm)178
6.2 Methan CH4, Ethan C2H6 und Oktan C8H18179
6.3 Äthylen C2H4, Benzol C6H6, Acetylen C2H2180
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 Bakterien188
6.9 Selbstorganisierende Einzelschichten auf Gold und anderen glatten Oberflächen190
Literatur192
7 Auf der Physik beruhende experimentelle Methoden der Nanoherstellung und der Nanotechnologie193
7.1 Siliziumtechnologie: der INTEL-IBM-Ansatz der Nanotechnologie194
7.1.1 Strukturierung, Masken und Fotolithografie194
7.1.2 Das Ätzen von Silizium196
7.1.3 Strukturierung von gut leitenden Elektroden196
7.1.4 Methoden zur Abscheidung von Metallschichten und isolierenden Schichten197
7.2 Begrenzung der lateralen Auflösung (Linienbreite) durch die Wellenlänge, heute etwa 65nm199
7.2.1 Optische Lithografie und Röntgenlithografie199
7.2.2 Elektronenstrahllithografie, Nano-Imprintlithografie und Mikrokontakt-Printing200
7.3 Opferschichten, frei hängende Brücken und Einzelelektronentransistoren201
7.4 Wie sieht die Zukunft der Computertechnologie auf Siliziumbasis aus?202
7.5 Wärmeabfuhr und die RSFQ-Technologie204
7.6 Methoden der Rastersondenmikroskopie: jeweils nur ein Atom209
7.7 Die Rastertunnelmikroskopie (STM) als Prototyp für einen Molekülzusammenbauer210
7.7.1 Die Herstellung von Oberflächenmolekülen mithilfe der Bewegung von Au-Atomen210
7.7.2 Zusammenbau von organischen Molekülen anhand eines STM214
7.8 Felder von Rasterkraftmikroskopen215
7.8.1 Die Herstellung von Feldern von Cantilevern mithilfe der Fotolithografie216
7.8.2 Fertigung von Strukturen im Nanometerbereich mittels eines AFM217
7.8.3 Abbildung eines einzelnen Elektronenspins mittels eines Magnetresonanz-AFM218
7.9 Grundlegende Fragen: Raten, Genauigkeit und mehr220
7.10 Nanophotonik und Nanoplasmonik221
Literatur225
8 Quantentechnologie auf der Grundlage von Magnetismus, Elektronen- und Kernspins sowie Supraleitung227
8.1 Der Stern-Gerlach-Versuch: Beobachtung des Spins 1/2 des Elektrons231
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 Kohärenz234
8.4 Harte und weiche Ferromagneten238
8.5 Die Ursprünge des Riesenmagnetowiderstands (GMR-Effekt): spinabhängige Elektronenstreuung240
8.6 Das GMR-Spinventil, ein nanophysikalischer Sensor242
8.7 Das Tunnelventil, ein verbesserter nanophysikalischer Magnetfeldsensor244
8.8 Magnetoresistives Random Access Memory (MRAM)246
8.8.1 Magnetische Tunnelkontakte bei der MRAM-Speichertechnik246
8.8.2 Nichtflüchtige Ferromagnet-Halbleiterhybridstrukturen248
8.9 Spininjektion: Der Johnson-Silsbee-Effekt249
8.9.1 Offensichtliche Spininjektion von einem Ferromagneten in ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen251
8.10 Magnetische logische Bauelemente: ein allgemeingültiges Logikgatter251
8.11 Supraleiter und das supraleitende (magnetische) Flussquant254
8.12 Der Josephson-Effekt und das SQUID zur Messung von Magnetfeldern258
8.13 RSFQ-Elektronik – schnelle Einzelflussquanten-Elektronik261
Literatur264
9 Nanoelektronik auf Siliziumbasis und darüber hinaus265
9.1 Elektroneninterferenz-Bauelemente mit kohärenten Elektronen266
9.1.1 Der Transport ballistischer Elektronen in Stich-Quantenwellenleitern: Experiment und Theorie269
9.1.2 Wohldefinierte Quanteninterferenzeffekte in Kohlenstoff-Nanoröhrchen270
9.2 Sensoren auf der Grundlage von Kohlenstoff-Nanoröhrchen und dichte, nichtflüchtige RAMs272
9.2.1 Ein Sensor auf der Grundlage von Kohlenstoff-Nanoröhrchen aus polaren Molekülen, der von den ihnen eigenen großen elektrischen Feldern Gebrauch macht273
9.2.2 Eine kreuzförmige Anordnung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen für ultradichte, ultraschnelle nichtflüchtige RAMs275
9.3 Resonanztunneldioden und Tunneltransistoren mit heißen Elektronen279
9.4 Ladungsqubits mit doppeltem Potenzialtopf281
9.4.1 Qubits für Quantencomputer auf Siliziumbasis285
9.5 Einzelelektronentransistoren286
9.5.1 Der Radiofrequenz-Einzelelektronentransistor (RFSET), ein nützliches, erprobtes Forschungsinstrument290
9.5.2 Auslesen des Ladungsqubits mit Sub-Elektronenladungsauflösung290
9.5.3 Ein Vergleich zwischen SET und RTD (Resonanztunneldiode)290
9.6 Experimentelle Ansätze zum Ladungsqubit mit zwei Potenzialtöpfen293
9.6.1 Kopplung von zwei Ladungsqubits in einem Festkörper (Supraleitung)296
9.7 Ionenfalle auf einem GaAs-Chip, Hinweis auf ein neues Qubit297
9.8 Quantencomputer durch Quantentempern mit künstlichen Spins301
Literatur302
10 Die Nanophysik und Nanotechnologie von Graphen305
10.1 Graphen: rekordbrechende physikalische und elektrische Eigenschaften305
10.2 Folgen aus der Dicke von einem Atom: Weichheit und Haftfestigkeit306
10.3 Undurchlässigkeit einzelner Graphenschichten307
10.4 Synthese durch chemische Gasphasenabscheidung und direkte Reaktion308
10.5 Verwendung als flexible, leitende und transparente Elektroden310
10.6 Mögliche Anwendung bei Logikbauelementen und Erweiterung des Gesetzes von Moore313
10.7 Anwendungen von Graphen innerhalb der Siliziumtechnologie315
Literatur318
11 Ausblick in die Zukunft321
11.1 Drexlers mechanische (molekulare) Achsen und Lager322
11.1.1 Smalleys Widerlegung des Zusammenbaus von Maschinen323
11.1.2 Van-der-Waals-Kräfte für reibungsfreie Lager?325
11.2 Das Konzept des molekularen Zusammenbauers ist fehlerhaft325
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-Ingenieurwesen328
11.5 Was ist mit der Gentechnik und der Robotertechnologie?329
11.6 Mögliche soziale und ethische Auswirkungen der Biotechnologie und der synthetischen Biologie332
11.7 Gibt es eine nachmenschliche Zukunft, wie sie sich Fukuyama vorgestellt?334
Literatur335
Übungen337
Lösungen349
Sachwortverzeichnis379
EULA386

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