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E-Book

Nanotechnologie für Einsteiger

Herstellung und Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanostrukturen

AutorWilhelm Kulisch
VerlagWiley-VCH
Erscheinungsjahr2016
Seitenanzahl300 Seiten
ISBN9783527695324
FormatPDF
KopierschutzDRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis30,99 EUR
Das Buch beginnt mit einer Einführung in die Physik der Nanotechnologie und der Nanostrukturen sowie deren Herstellung und Charakterisierung. Der zweite Teil befasst sich mit dem faszinierenden Element Kohlenstoff, das den Ausgangspunkt für alle weiteren Betrachtungen darstellt: Dank der besonderen Eigenschaften des Kohlenstoffs kann dieser in verschiedenen Formen auftreten, etwa in Form von transparentem Diamant oder opakem Graphit. Der dritte Teil des Buches widmet sich ungewöhnlicheren Kohlenstoffnanostrukturen wie den Kohlenstoffnanoröhrchen, Fullerenen, Kohlenstoff-'Zwiebeln' und dem Super-Material Graphen, einem heißen Kandidaten für bessere, schnellere und zuverlässigere Elektronik. Das Buch schließt mit einem Ausblick auf strukturell den Kohlenstoffnanostrukturen verwandte Materialien.

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Blick ins Buch
Inhaltsverzeichnis
Cover1
Titelseite5
Impressum6
Inhaltsverzeichnis7
Vorwort13
1 Einführung15
1.1 Nanowissenschaften und Nanotechnologie15
1.2 Nanowissenschaften sind interdisziplinär17
1.3 Nanotechnologie – Heilsbringer oder Risiko?17
1.4 Kohlenstoffnanostrukturen18
1.5 Der Aufbau dieses Buchs19
Literatur21
Teil I Nanotechnologie und Nanostrukturen23
2 Nanostrukturen25
2.1 Definition25
2.2 Physik und Chemie im Nanometerbereich26
2.2.1 Der Einfluss der Oberfläche27
2.2.2 Platzersparnis28
2.2.3 Kritische Längen30
2.2.4 Quantenmechanik36
2.3 Arten von Nanostrukturen39
2.4 Vorbilder in der Natur45
2.5 Wissen testen48
Literatur49
3 Herstellung von Nanostrukturen51
3.1 Grundlegende Ansätze zur Herstellung von Nanostrukturen51
3.2 Top-down-Verfahren51
3.2.1 Erzeugung von Nanopartikeln durch Mahlen53
3.2.2 Mechanische Oberflächenermüdung54
3.2.3 Lithografie und Ätzen55
3.3 Irgendwo dazwischen: die weiche Lithografie58
3.3.1 Nanokontaktdruck59
3.3.2 Weitere auf Stempeln beruhende Verfahren der weichen Lithografie60
3.3.3 Dip-Pen-Nanolithografie61
3.4 Bottom-up-Verfahren62
3.4.1 Selbstassemblierte Systeme und Schichten64
3.4.2 Verwendung von Templates66
3.4.3 Verwendung von DNA68
3.4.4 Prozessführung69
3.5 Funktionalisierung69
3.5.1 Möglichkeiten zur Funktionalisierung70
3.5.2 Verleihung von Funktionalitäten73
3.6 Wissen testen76
Literatur76
4 Charakterisierung von Nanostrukturen79
4.1 Kann man Atome sehen?79
4.1.1 Das Rayleigh-Kriterium79
4.1.2 Reduzierung der Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung80
4.1.3 Die Lösung: Teilchenstrahlen81
4.2 Elektronenstrahlverfahren82
4.2.1 SEM82
4.2.2 TEM und HRTEM84
4.2.3 TED und EELS85
4.3 Charakterisierung mittels Nanosystemen: Rastersondenmikroskopie86
4.3.1 Rastertunnelmikroskopie87
4.3.2 AFM90
4.3.3 Weitere Verfahren93
4.4 Makroskopische Verfahren96
4.4.1 Raman-Spektroskopie96
4.4.2 Weitere spektroskopische Verfahren99
4.4.3 Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung99
4.4.4 Beugungsverfahren zur Ermittlung der Kristallinität102
4.5 Wissen testen104
Literatur104
Teil II Das Element Kohlenstoff107
5 Das Element Kohlenstoff109
5.1 Vorkommen109
5.1.1 Die Entstehung von Kohlenstoff110
5.1.2 Bedeutung als Energieträger111
5.1.3 Bedeutung in der Biologie111
5.2 Die besondere Chemie des Kohlenstoffs112
5.2.1 Hybridisierung112
5.2.2 Ring- und Kettenbildung114
5.2.3 Polymere117
5.2.4 Fremdatome und funktionelle Gruppen118
5.3 Wissen testen121
Literatur122
6 Kohlenstofffestkörpermodifikationen123
6.1 Diamant125
6.1.1 Vorkommen und Herstellung125
6.1.2 Physikalische Eigenschaften132
6.1.3 Chemische Eigenschaften135
6.1.4 Anwendungen135
6.2 Graphit136
6.2.1 Struktur136
6.2.2 Gewinnung bzw. Herstellung137
6.2.3 Physikalische Eigenschaften137
6.2.4 Chemische Eigenschaften138
6.2.5 Anwendungen139
6.3 Weitere Modifikationen141
6.3.1 Glaskohlenstoff141
6.3.2 Ruß142
6.3.3 Amorpher Kohlenstoff143
6.4 Wissen testen144
Literatur145
Teil III Kohlenstoff-Nanostrukturen147
7 Punktförmige Kohlenstoffnanostrukturen: Fullerene149
7.1 Entdeckung149
7.2 Struktur151
7.2.1 Die große Varietät der Fullerene151
7.2.2 C60 und C70153
7.2.3 Nomenklatur154
7.3 Fullerite154
7.4 Fullerene mit Fremdatomen155
7.4.1 Heterofullerene155
7.4.2 Endohedrale Komplexe156
7.5 Herstellung158
7.5.1 Laserablation158
7.5.2 Thermische Zersetzung158
7.5.3 Vakuum-Bogenentladung160
7.5.4 Pyrolyse160
7.5.5 Verbrennungsverfahren161
7.5.6 Vergleich der Verfahren161
7.6 Weiterverarbeitung162
7.6.1 Reinigung und Anreicherung162
7.6.2 Funktionalisierung163
7.6.3 Polymerisation164
7.7 Eigenschaften von Fullerenen164
7.7.1 Chemische Eigenschaften165
7.7.2 Mechanische Eigenschaften165
7.7.3 Optische Eigenschaften166
7.8 Anwendungen166
7.8.1 Wasserstoffspeicherung169
7.8.2 Härtung von Materialien169
7.8.3 Medizin169
7.9 Wissen testen173
Literatur174
8 Eindimensionale Kohlenstoffnanostrukturen: Nanoröhrchen177
8.1 Entdeckung177
8.2 Beschreibung, Klassifizierung und Nomenklatur178
8.2.1 Armchair-, Zigzag- und chirale Röhrchen178
8.2.2 Singlewall- and Multiwall-Röhrchen181
8.2.3 Die Enden der Nanoröhrchen182
8.2.4 Spezielle Arten von CNTs182
8.2.5 Nanoröhrchen mit Fremdatomen184
8.2.6 Nanoröhrchen aus anderen Materialien186
8.3 Herstellung186
8.3.1 Physikalische Verfahren186
8.3.2 CVD-Verfahren187
8.3.3 Ein spezielles Beispiel: das HiPCO-Verfahren191
8.3.4 Zusammenfassender Vergleich192
8.3.5 Reinigung, Trennung und Aufbereitung193
8.3.6 CNT-Bündel, -Fasern und -Filme195
8.4 Eigenschaften199
8.4.1 Mechanische Eigenschaften200
8.4.2 Elektrische und elektronische Eigenschaften200
8.4.3 Thermische Eigenschaften201
8.4.4 Chemische Eigenschaften202
8.5 Anwendungen202
8.5.1 Nanoverbundwerkstoffe203
8.5.2 Anwendungen in elektronischen Bauelementen204
8.5.3 Feldemission210
8.5.4 Sensoren211
8.5.5 Anwendung von CNTs in der Medizin212
8.5.6 Weitere Anwendungen214
8.5.7 Gegenwärtige Probleme214
8.6 Wissen testen215
Literatur215
9 Zweidimensionale Kohlenstoffnanostrukturen: Graphen219
9.1 Entdeckung219
9.2 Struktur220
9.3 Herstellung221
9.3.1 Ablöseverfahren222
9.3.2 CVD-Verfahren222
9.3.3 Direktes epitaktisches Wachstum durch Segregation223
9.3.4 Transfer auf geeignete Substrate224
9.3.5 Graphenwachstum auf SiC225
9.3.6 Reduktion von Graphenoxid226
9.4 Eigenschaften228
9.4.1 Mechanische Eigenschaften229
9.4.2 Elektrische und elektronische Eigenschaften229
9.4.3 Thermische Eigenschaften230
9.4.4 Optische Eigenschaften230
9.4.5 Chemische Eigenschaften231
9.4.6 Weitere Eigenschaften231
9.5 Anwendungen232
9.5.1 Graphentransistor232
9.5.2 Chemische Sensoren und Biosensoren233
9.5.3 Nanoverbundwerkstoffe235
9.6 Wissen testen235
Literatur237
10 Dreidimensionale Kohlenstoffnanostrukturen239
10.1 Kohlenstoffnanozwiebeln239
10.1.1 Struktur239
10.1.2 Herstellung241
10.1.3 Eigenschaften244
10.1.4 Anwendungen244
10.2 Kohlenstoffnanohörner245
10.3 Weitere graphitische dreidimensionale Kohlenstoffnanostrukturen248
10.4 Zusammenfassung: graphitähnliche dreidimensionale Kohlenstoffnanostrukturen250
10.5 Diamantnanopartikel250
10.5.1 Herstellungsverfahren251
10.5.2 Struktur, Aufbereitung und Funktionalisierung253
10.5.3 Anwendungen254
10.6 Nano- und ultrananokristalline Diamantschichten254
10.7 Diamantnanosäulen und Nanostäbe257
10.8 Wissen testen257
Literatur258
11 Verwandte Nanostrukturen aus anderen Elementen261
11.1 Bornitrid261
11.1.1 Herstellung von BN263
11.1.2 Eigenschaften von BN263
11.1.3 BN-Nanostrukturen264
11.1.4 BN-Nanoröhrchen265
11.1.5 Weitere BN-Nanostrukturen269
11.2 Silizium274
11.2.1 Siliziumnanodrähte275
11.2.2 Siliziumquantenpunkte276
11.2.3 Mesoporöse SiO2-Nanoteilchen278
11.3 Wissen testen279
Literatur280
Richtig gelöst283
Stichwortverzeichnis297
EULA303

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