Opis: Nanophysik und Nanotechnologie - Edward Wolf

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 einfuhrende Lehrbuch zu diesem Thema, in dem er die physikalischen Grundlagen ebenso wie die Anwendungsmoglichkeiten 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 Einfuhrung in die physikalischen Grundlagen und Konzepte der Nanowissenschaften sowie Anwendungen von Nanosystemen. Das Themenspektrum reicht von Nanosystemen uber Quanteneff ekte und sich selbst organisierende Strukturen bis hin zu Rastersondenmethoden. Besonders die Vorstellung von Nanomaschinen fur medizinische Anwendungen ist faszinierend, wenn auch bislang noch nicht praktisch umgesetzt. Der dritten Aufl age, auf der diese Ubersetzung beruht, wurde ein neuer Abschnitt uber Graphen zugefugt. Die Diskussion moglicher 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 fuhrt mit diesem Lehrbuch Studenten der Physik, Chemie sowie Ingenieurwissenschaften von den Grundlagen bis auf den Stand der aktuellen Forschung. Die leicht zu lesende Einfuhrung in dieses faszinierende Forschungsgebiet ist geeignet fur 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 einfuhrendes Lehrbuch gelungen ist. Es eignet sich nicht zuletzt dank der enthaltenen Ubungsaufgaben bestens zur Vorlesungsbegleitung fur Studierende der Natur- und Ingenieurwissenschaften sowie auch spezieller nanotechnologisch orientierter Studiengange. Physik Journal ...eine sehr kompakte, lesenswerte und gut verstandliche Einfuhrung in die Quantenmechanik sowie ihre Auswirkungen auf die Materialwissenschaften ...Chemie Ingenieur TechnikVorwort XV Vorwort zur ersten Auflage XIX Abkurzungsverzeichnis XXI 1 Einleitung 1 1.1 Nanometer, Mikrometer, Millimeter 3 1.2 Das mooresche Gesetz 8 1.3 Esakis Quantentunneldiode 10 1.4 Quantenpunkte in zahlreichen Farben 11 1.5 GMR and TRM10 1000Gb Lesekopfe fur Festplatten 13 1.6 Beschleunigungssensoren in Ihrem Auto 15 1.7 Nanoporose Filter 17 1.8 Bauelemente im Nanometermassstab auf der Basis herkommlicher Technologien 17 Literatur 18 2 Systematik zumVerkleinern von Objekten 19 2.1 Mechanische Frequenzen vergrossern sich in kleinen Systemen 19 2.2 Veranschaulichung von Skalierungsbeziehungen durch einen einfachen harmonischen Oszillator 23 2.3 Veranschaulichung von Skalierungsbeziehungen durch einfache Schaltelemente 24 2.4 Thermische Zeitkonstanten und Temperaturdifferenzen nehmen ab 25 2.5 Viskose Krafte dominieren bei kleinen Partikeln in Flussigkeiten 25 2.6 Reibungsbedingte Krafte konnen in symmetrischen Systemen molekularer Skalierung wegfallen 27 Literatur 30 3 Was begrenzt die Verkleinerung? 31 3.1 Die Teilchennatur (Quantennatur) derMaterie: Photonen, Elektronen, Atome, Molekule 31 3.2 Biologische Beispiele von Nanomotoren und Nanoelementen 33 3.2.1 Lineare Federmotoren 33 3.2.2 Lineare Motoren auf Schienen 35 3.2.3 Sich drehendeMotoren 36 3.2.4 Ionenkanale sind die Nanotransistoren der Biologie 41 3.3 Wie klein kann man es machen? 43 3.3.1 Mit welchenMethoden kann man Korper kleiner machen? 44 3.3.2 Wie kann man sehen, was man herstellen mochte? 45 3.3.3 Wie kann man Verbindungen mit der ausserenWelt herstellen? 47 3.3.4 Wenn man etwas weder sehen noch verbinden kann: Kann man erreichen, dass es selbstorganisierend ist und selbststandig arbeitet? 47 3.3.5 Methoden zum Zusammenfugen von kleinen dreidimensionalen Korpern 48 3.3.6 Die Selbstmontage von Strukturen mit Abmessungen im Nanometerbereich unter Verwendung von DNA-Strangen 52 Literatur 55 4 Die Quantennatur der Nanowelt 57 4.1 Das bohrsche Atommodell 58 4.1.1 Quantisierung des Drehimpulses 59 4.1.2 Die Erweiterung des bohrschen Atommodells 60 4.2 Der Teilchen-Welle-Dualismus von Licht undMaterie, die De-Broglie-Wellenlange = hMp, E = h 60 4.3 DieWellenfunktion fur Elektronen, die Wahrscheinlichkeitsdichte , laufende und stehendeWellen 61 4.4 Die maxwellschen Gleichungen, E und B alsWellenfunktionen von Photonen und optischen Fasermoden 67 4.5 Die heisenbergsche Unscharferelation 68 4.6 Schrodingergleichung, Quantenzustande und Energien, Tunneln durch Barrieren 69 4.6.1 Die Schrodingergleichung in einer Dimension 70 4.6.2 Das eingeschlossene Teilchen in einer Dimension 71 4.6.3 Reflexion und Tunneln an einer Potenzialstufe 73 4.6.4 Durchdringung einer Barriere, Austrittszeit aus einem Topf, resonante Tunneldiode 76 4.6.5 Eingeschlossene Teilchen in zwei und drei Dimensionen: Quantenpunkte 77 4.6.6 Zweidimensionale Bander und Quantendrahte 79 4.6.7 Der einfache harmonische Oszillator 80 4.6.8 Die Schrodingergleichung in Kugelkoordinaten 83 4.7 DasWasserstoffatom, Einelektronenatome, Exzitonen 83 4.7.1 Magnetische Momente 87 4.7.2 Magnetisierung und magnetische Suszeptibilitat 88 4.7.3 Positronium und Exzitonen 89 4.8 Fermionen, Bosonen und Besetzungsregeln 90 Literatur 91 5 Konsequenzen der Quantenphysik fur diemakroskopische Welt 93 5.1 Periodensystem der Elemente 93 5.2 Nanosymmetrie, zweiatomige Molekule und Ferromagnete 94 5.2.1 Ununterscheidbare Teilchen und ihr Austausch 94 5.2.2 DasWasserstoffmolekul: die kovalente Bindung 96 5.3 Weitere Krafte im Nanometerbereich: Van-der-Waals-, Casimir- und Wasserstoffbindung 99 5.3.1 Die polare und die Van-der-Waals-Kraft 100 5.3.2 Die Casimir-Kraft 103 5.3.3 DieWasserstoffbruckenbindung 107 5.4 Metalle als Topfe mit freien Elektronen: Fermi-Niveau, DOS und Dimensionalitat 108 5.4.1 Elektrische Leitfahigkeit, spezifischerWiderstand, mittlere freie Weglange, Hall-Effekt und Magnetowiderstand 112 5.5 Periodische Strukturen (beispielsweise Si, GaAs, InSb, Cu): Kronig-Penney-Modell fur Elektronenbander und Bandlucken 113 5.6 Elektronenbander und Leitfahigkeit in Halbleitern und Isolatoren; Lokalisierung und Delokalisierung 119 5.7 Wasserstoffahnliche Donatoren und Akzeptoren 124 5.7.1 Konzentrationen der Ladungstrager, metallische Dotierung 125 5.7.2 pn-Ubergang, elektrische Dioden: I(U)-Kennlinien, Laserdioden 129 5.8 Mehr uber den Ferromagnetismus, die quantenmechanische Grundlage der Datenspeicherung 135 5.9 Oberflachen unterscheiden sich; die Dicke der Schottky-Barriere 138 5.10 Ferroelektrika, Piezoelektrika und Pyroelektrika: neuste Anwendungen der modernen Nanotechnologie 140 Literatur 149 6 Selbstorganisierende Nanostrukturen in der Natur und der Industrie 151 6.1 Das Kohlenstoffatom, 12 6C 1s2 2p4 (0,07 nm) 152 6.2 Methan CH4, EthanC2H6 und Oktan C8H18 153 6.3 Athylen C2H4, BenzolC6H6, Acetylen C2H2 154 6.4 C60-Fullerene ( 0,5 nm) 155 6.5 C -Nanorohrchen ( 0,5 nm) 156 6.5.1 Si-Nanodrahte ( 5nm) 159 6.6 InAs-Quantenpunkte ( 5nm) 160 6.7 AgBr-Nanokristalle (0,1 2 m) 161 6.8 Fe3O4-Magnetit- und Fe3S4-Greigit-Nanoteilchen in magnetotaktischen Bakterien 162 6.9 Selbstorganisierende Einzelschichten auf Gold und anderen glatten Oberflachen 164 Literatur 166 7 Auf der Physik beruhende experimentelleMethoden der Nanoherstellung und der Nanotechnologie 167 7.1 Siliziumtechnologie: der INTEL-IBM-Ansatz der Nanotechnologie 168 7.1.1 Strukturierung, Masken und Fotolithografie 168 7.1.2 Das Atzen von Silizium 170 7.1.3 Strukturierung von gut leitenden Elektroden 170 7.1.4 Methoden zur Abscheidung von Metallschichten und isolierenden Schichten 171 7.2 Begrenzung der lateralen Auflosung (Linienbreite) durch die Wellenlange, heute etwa 65nm 173 7.2.1 Optische Lithografie und Rontgenlithografie 173 7.2.2 Elektronenstrahllithografie, Nano-Imprintlithografie und Mikrokontakt-Printing 174 7.3 Opferschichten, frei hangende Brucken und Einzelelektronentransistoren 175 7.4 Wie sieht die Zukunft der Computertechnologie auf Siliziumbasis aus? 176 7.5 Warmeabfuhr und die RSFQ-Technologie 178 7.6 Methoden der Rastersondenmikroskopie: jeweils nur ein Atom 183 7.7 Die Rastertunnelmikroskopie (STM) als Prototyp fur einen Molekulzusammenbauer 184 7.7.1 Die Herstellung von Oberflachenmolekulenmithilfe der Bewegung von Au-Atomen 184 7.7.2 Zusammenbau von organischen Molekulen anhand eines STM 188 7.8 Felder von Rasterkraftmikroskopen 189 7.8.1 Die Herstellung von Feldern von Cantilevern mithilfe der Fotolithografie 190 7.8.2 Fertigung von Strukturen im Nanometerbereich mittels eines AFM 191 7.8.3 Abbildung eines einzelnen Elektronenspins mittels eines Magnetresonanz-AFM 192 7.9 Grundlegende Fragen: Raten, Genauigkeit und mehr 194 7.10 Nanophotonik und Nanoplasmonik 195 Literatur 199 8 Quantentechnologie auf der Grundlage von Magnetismus, Elektronenund Kernspins sowie Supraleitung 201 8.1 Der Stern-Gerlach-Versuch: Beobachtung des Spins 1/2 des Elektrons 205 8.2 Zwei Auswirkungen des Kernspins: Kernspinresonanz und die 21,1 cm-Linie 206 8.3 Elektronenspin 1/2 als Qubit fur einen Quantencomputer: Superpositionsprinzip und Koharenz 208 8.4 Harte und weiche Ferromagneten 212 8.5 Die Ursprunge des Riesenmagnetowiderstands (GMR-Effekt): spinabhangige Elektronenstreuung 214 8.6 Das GMR-Spinventil, ein nanophysikalischer Sensor 216 8.7 Das Tunnelventil, ein verbesserter nanophysikalischer Magnetfeldsensor 218 8.8 Magnetoresistives Random Access Memory (MRAM) 220 8.8.1 Magnetische Tunnelkontakte bei derMRAM-Speichertechnik 220 8.8.2 Nichtfluchtige Ferromagnet-Halbleiterhybridstrukturen 222 8.9 Spininjektion: Der Johnson-Silsbee-Effekt 223 8.9.1 Offensichtliche Spininjektion von einem Ferromagneten in ein Kohlenstoff-Nanorohrchen 225 8.10 Magnetische logische Bauelemente: ein allgemeingultiges Logikgatter 225 8.11 Supraleiter und das supraleitende (magnetische) Flussquant 228 8.12 Der Josephson-Effekt und das SQUID zur Messung von Magnetfeldern 232 8.13 RSFQ-Elektronik schnelle Einzelflussquanten-Elektronik 235 Literatur 238 9 Nanoelektronik auf Siliziumbasis und daruber hinaus 239 9.1 Elektroneninterferenz-Bauelemente mit koharenten Elektronen 240 9.1.1 Der Transport ballistischer Elektronen in Stich-Quantenwellenleitern: Experiment und Theorie 243 9.1.2 Wohldefinierte Quanteninterferenzeffekte in Kohlenstoff-Nanorohrchen 244 9.2 Sensoren auf der Grundlage von Kohlenstoff-Nanorohrchen und dichte, nichtfluchtige RAMs 246 9.2.1 Ein Sensor auf der Grundlage von Kohlenstoff-Nanorohrchen aus polarenMolekulen, der von den ihnen eigenen grossen elektrischen Feldern Gebrauch macht 247 9.2.2 Eine kreuzformige Anordnung von Kohlenstoff-Nanorohrchen fur ultradichte, ultraschnelle nichtfluchtige RAMs 249 9.3 Resonanztunneldioden und Tunneltransistoren mit heissen Elektronen 253 9.4 Ladungsqubits mit doppeltem Potenzialtopf 255 9.4.1 Qubits fur Quantencomputer auf Siliziumbasis 259 9.5 Einzelelektronentransistoren 260 9.5.1 Der Radiofrequenz-Einzelelektronentransistor (RFSET), ein nutzliches, erprobtes Forschungsinstrument 264 9.5.2 Auslesen des Ladungsqubits mit Sub-Elektronenladungsauflosung 264 9.5.3 Ein Vergleich zwischen SET und RTD (Resonanztunneldiode) 264 9.6 Experimentelle Ansatze zum Ladungsqubit mit zwei Potenzialtopfen 267 9.6.1 Kopplung von zwei Ladungsqubits in einem Festkorper (Supraleitung) 270 9.7 Ionenfalle auf einem GaAs-Chip, Hinweis auf ein neues Qubit 271 9.8 Quantencomputer durchQuantentempern mit kunstlichen Spins 275 Literatur 276 10 Die Nanophysik und Nanotechnologie von Graphen 279 10.1 Graphen: rekordbrechende physikalische und elektrische Eigenschaften 279 10.2 Folgen aus der Dicke von einem Atom:Weichheit und Haftfestigkeit 280 10.3 Undurchlassigkeit einzelner Graphenschichten 281 10.4 Synthese durch chemische Gasphasenabscheidung und direkte Reaktion 282 10.5 Verwendung als flexible, leitende und transparente Elektroden 284 10.6 Mogliche Anwendung bei Logikbauelementen und Erweiterung des Gesetzes vonMoore 287 10.7 Anwendungen von Graphen innerhalb der Siliziumtechnologie 289 Literatur 292 11 Ausblick in die Zukunft 295 11.1 Drexlers mechanische (molekulare) Achsen und Lager 296 11.1.1 SmalleysWiderlegung des Zusammenbaus von Maschinen 297 11.1.2 Van-der-Waals-Krafte fur reibungsfreie Lager? 299 11.2 Das Konzept des molekularen Zusammenbauers ist fehlerhaft 299 11.3 Konnen molekulareMaschinen die Technologie revolutionieren oder die Selbstreproduktion sogar das irdische Leben bedrohen? 301 11.4 Die Aussicht auf einen grundlegenden Reichtum durch einen Durchbruch im Nano-Ingenieurwesen 302 11.5 Was ist mit der Gentechnik und der Robotertechnologie? 303 11.6 Mogliche soziale und ethische Auswirkungen der Biotechnologie und der synthetischen Biologie 306 11.7 Gibt es eine nachmenschliche Zukunft, wie sie sich Fukuyama vorgestellt? 308 Literatur 309 Inhaltsverzeichnis XIII Ubungen 311 Losungen 323 Sachwortverzeichnis 353

Szczegóły: Nanophysik und Nanotechnologie - Edward Wolf

Tytuł: Nanophysik und Nanotechnologie
Autor: Edward Wolf
Producent: VCH
ISBN: 9783527413362
Rok produkcji: 2015
Ilość stron: 328
Oprawa: Miękka
Waga: 0.95 kg

Recenzje: Nanophysik und Nanotechnologie - Edward Wolf