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

Kaufen Sie hier:

Horizontale Tabs

Blick ins Buch

Inhaltsverzeichnis

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	Lokalisierung und Delokalisierung	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	die Dicke der Schottky-Barriere	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