Inhaltsverzeichnis XIX XXI. Vorwort. Vorwort zur ersten Auflage. Abkürzungsverzeichnis

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1 VII Inhaltsverzeichnis Vorwort XV Vorwort zur ersten Auflage XIX Abkürzungsverzeichnis XXI 1 Einleitung Nanometer, Mikrometer, Millimeter Das mooresche Gesetz Esakis Quantentunneldiode Quantenpunkte in zahlreichen Farben GMR and TRM Gb Leseköpfe für Festplatten Beschleunigungssensoren in Ihrem Auto Nanoporöse Filter Bauelemente im Nanometermaßstab auf der Basis herkömmlicher Technologien 17 Literatur 18 2 Systematik zum Verkleinern von Objekten Mechanische Frequenzen vergrößern sich in kleinen Systemen Veranschaulichung von Skalierungsbeziehungen durch einen einfachen harmonischen Oszillator Veranschaulichung von Skalierungsbeziehungen durch einfache Schaltelemente Thermische Zeitkonstanten und Temperaturdifferenzen nehmen ab Viskose Kräfte dominieren bei kleinen Partikeln in Flüssigkeiten Reibungsbedingte Kräfte können in symmetrischen Systemen molekularer Skalierung wegfallen 27 Literatur 30

2 VIII Inhaltsverzeichnis 3 Was begrenzt die Verkleinerung? Die Teilchennatur (Quantennatur) der Materie: Photonen, Elektronen, Atome, Moleküle Biologische Beispiele von Nanomotoren und Nanoelementen Lineare Federmotoren Lineare Motoren auf Schienen Sich drehende Motoren Ionenkanäle sind die Nanotransistoren der Biologie Wie klein kann man es machen? Mit welchen Methoden kann man Körper kleiner machen? Wie kann man sehen, was man herstellen möchte? Wie kann man Verbindungen mit der äußeren Welt herstellen? Wenn man etwas weder sehen noch verbinden kann: Kann man erreichen, dass es selbstorganisierend ist und selbstständig arbeitet? Methoden zum Zusammenfügen von kleinen dreidimensionalen Körpern Die Selbstmontage von Strukturen mit Abmessungen im Nanometerbereich unter Verwendung von DNA-Strängen 52 Literatur 55 4 Die Quantennatur der Nanowelt Das bohrsche Atommodell Quantisierung des Drehimpulses Die Erweiterung des bohrschen Atommodells Der Teilchen-Welle-Dualismus von Licht und Materie, die De-Broglie-Wellenlänge λ = h p, E = hν Die Wellenfunktion Ψ für Elektronen, die Wahrscheinlichkeitsdichte Ψ Ψ, laufende und stehende Wellen Die maxwellschen Gleichungen, E und B als Wellenfunktionen von Photonen und optischen Fasermoden Die heisenbergsche Unschärferelation Schrödingergleichung, Quantenzustände und Energien, Tunneln durch Barrieren Die Schrödingergleichung in einer Dimension Das eingeschlossene Teilchen in einer Dimension Reflexion und Tunneln an einer Potenzialstufe Durchdringung einer Barriere, Austrittszeit aus einem Topf, resonante Tunneldiode Eingeschlossene Teilchen in zwei und drei Dimensionen: Quantenpunkte Zweidimensionale Bänder und Quantendrähte Der einfache harmonische Oszillator Die Schrödingergleichung in Kugelkoordinaten Das Wasserstoffatom, Einelektronenatome, Exzitonen 83

3 Inhaltsverzeichnis IX Magnetische Momente Magnetisierung und magnetische Suszeptibilität Positronium und Exzitonen Fermionen, Bosonen und Besetzungsregeln 90 Literatur 91 5 Konsequenzen der Quantenphysik für die makroskopische Welt Periodensystem der Elemente Nanosymmetrie, zweiatomige Moleküle und Ferromagnete Ununterscheidbare Teilchen und ihr Austausch Das Wasserstoffmolekül: die kovalente Bindung Weitere Kräfte im Nanometerbereich: Van-der-Waals-, Casimir- und Wasserstoffbindung Die polare und die Van-der-Waals-Kraft Die Casimir-Kraft Die Wasserstoffbrückenbindung Metalle als Töpfe mit freien Elektronen: Fermi-Niveau, DOS und Dimensionalität Elektrische Leitfähigkeit, spezifischer Widerstand, mittlere freie Weglänge, Hall-Effekt und Magnetowiderstand Periodische Strukturen (beispielsweise Si, GaAs, InSb, Cu): Kronig-Penney-Modell für Elektronenbänder und Bandlücken Elektronenbänder und Leitfähigkeit in Halbleitern und Isolatoren; Lokalisierung und Delokalisierung Wasserstoffähnliche Donatoren und Akzeptoren Konzentrationen der Ladungsträger, metallische Dotierung pn-übergang, elektrische Dioden: I(U)-Kennlinien, Laserdioden Mehr über den Ferromagnetismus, die quantenmechanische Grundlage der Datenspeicherung Oberflächen unterscheiden sich; die Dicke der Schottky-Barriere Ferroelektrika, Piezoelektrika und Pyroelektrika: neuste Anwendungen der modernen Nanotechnologie 140 Literatur Selbstorganisierende Nanostrukturen in der Natur und der Industrie Das Kohlenstoffatom, 12 6 C1s2 2p 4 (0,07 nm) Methan CH 4,EthanC 2 H 6 und Oktan C 8 H Äthylen C 2 H 4,BenzolC 6 H 6,AcetylenC 2 H C 60 -Fullerene ( 0,5 nm) C -Nanoröhrchen ( 0,5 nm) Si-Nanodrähte ( 5nm) InAs-Quantenpunkte ( 5nm) AgBr-Nanokristalle (0,1 2μm) 161

4 X Inhaltsverzeichnis 6.8 Fe 3 O 4 -Magnetit- und Fe 3 S 4 -Greigit-Nanoteilchen in magnetotaktischen Bakterien Selbstorganisierende Einzelschichten auf Gold und anderen glatten Oberflächen 164 Literatur Auf der Physik beruhende experimentelle Methoden der Nanoherstellung und der Nanotechnologie Siliziumtechnologie: der INTEL-IBM-Ansatz der Nanotechnologie Strukturierung, Masken und Fotolithografie Das Ätzen von Silizium Strukturierung von gut leitenden Elektroden Methoden zur Abscheidung von Metallschichten und isolierenden Schichten Begrenzung der lateralen Auflösung (Linienbreite) durch die Wellenlänge, heute etwa 65 nm Optische Lithografie und Röntgenlithografie Elektronenstrahllithografie, Nano-Imprintlithografie und Mikrokontakt-Printing Opferschichten, frei hängende Brücken und Einzelelektronentransistoren Wie sieht die Zukunft der Computertechnologie auf Siliziumbasis aus? Wärmeabfuhr und die RSFQ-Technologie Methoden der Rastersondenmikroskopie: jeweils nur ein Atom Die Rastertunnelmikroskopie (STM) als Prototyp für einen Molekülzusammenbauer Die Herstellung von Oberflächenmolekülen mithilfe der Bewegung von Au-Atomen Zusammenbau von organischen Molekülen anhand eines STM Felder von Rasterkraftmikroskopen Die Herstellung von Feldern von Cantilevern mithilfe der Fotolithografie Fertigung von Strukturen im Nanometerbereich mittels eines AFM Abbildung eines einzelnen Elektronenspins mittels eines Magnetresonanz-AFM Grundlegende Fragen: Raten, Genauigkeit und mehr Nanophotonik und Nanoplasmonik 195 Literatur 199

5 Inhaltsverzeichnis XI 8 Quantentechnologie aufdergrundlage von Magnetismus, Elektronenund Kernspins sowie Supraleitung Der Stern-Gerlach-Versuch: Beobachtung des Spins 1/2 des Elektrons Zwei Auswirkungen des Kernspins: Kernspinresonanz und die 21,1 cm-linie Elektronenspin 1/2 als Qubit für einen Quantencomputer: Superpositionsprinzip und Kohärenz Harte und weiche Ferromagneten Die Ursprünge des Riesenmagnetowiderstands (GMR-Effekt): spinabhängige Elektronenstreuung Das GMR-Spinventil, ein nanophysikalischer Sensor Das Tunnelventil, ein verbesserter nanophysikalischer Magnetfeldsensor Magnetoresistives Random Access Memory (MRAM) Magnetische Tunnelkontakte bei der MRAM-Speichertechnik Nichtflüchtige Ferromagnet-Halbleiterhybridstrukturen Spininjektion: Der Johnson-Silsbee-Effekt Offensichtliche Spininjektion von einem Ferromagneten in ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen Magnetische logische Bauelemente: ein allgemeingültiges Logikgatter Supraleiter und das supraleitende (magnetische) Flussquant Der Josephson-Effekt und das SQUID zur Messung von Magnetfeldern RSFQ-Elektronik schnelle Einzelflussquanten-Elektronik 235 Literatur Nanoelektronik auf Siliziumbasis und darüber hinaus Elektroneninterferenz-Bauelemente mit kohärenten Elektronen Der Transport ballistischer Elektronen in Stich-Quantenwellenleitern: Experiment und Theorie Wohldefinierte Quanteninterferenzeffekte in Kohlenstoff-Nanoröhrchen Sensoren auf der Grundlage von Kohlenstoff-Nanoröhrchen und dichte, nichtflüchtige RAMs Ein Sensor auf der Grundlage von Kohlenstoff-Nanoröhrchen aus polaren Molekülen, der von den ihnen eigenen großen elektrischen Feldern Gebrauch macht Eine kreuzförmige Anordnung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen für ultradichte, ultraschnelle nichtflüchtige RAMs Resonanztunneldioden und Tunneltransistoren mit heißen Elektronen Ladungsqubits mit doppeltem Potenzialtopf Qubits für Quantencomputer auf Siliziumbasis 259

6 XII Inhaltsverzeichnis 9.5 Einzelelektronentransistoren Der Radiofrequenz-Einzelelektronentransistor (RFSET), ein nützliches, erprobtes Forschungsinstrument Auslesen des Ladungsqubits mit Sub-Elektronenladungsauflösung Ein Vergleich zwischen SET und RTD (Resonanztunneldiode) Experimentelle Ansätze zum Ladungsqubit mit zwei Potenzialtöpfen Kopplung von zwei Ladungsqubits in einem Festkörper (Supraleitung) Ionenfalle auf einem GaAs-Chip, Hinweis auf ein neues Qubit Quantencomputer durch Quantentempern mit künstlichen Spins 275 Literatur Die Nanophysik und Nanotechnologie von Graphen Graphen: rekordbrechende physikalische und elektrische Eigenschaften Folgen aus der Dicke von einem Atom: Weichheit und Haftfestigkeit Undurchlässigkeit einzelner Graphenschichten Synthese durch chemische Gasphasenabscheidung und direkte Reaktion Verwendung als flexible, leitende und transparente Elektroden Mögliche Anwendung bei Logikbauelementen und Erweiterung des Gesetzes von Moore Anwendungen von Graphen innerhalb der Siliziumtechnologie 289 Literatur Ausblick in die Zukunft Drexlers mechanische (molekulare) Achsen und Lager Smalleys Widerlegung des Zusammenbaus von Maschinen Van-der-Waals-Kräfte für reibungsfreie Lager? Das Konzept des molekularen Zusammenbauers ist fehlerhaft Können molekulare Maschinen die Technologie revolutionieren oder die Selbstreproduktion sogar das irdische Leben bedrohen? Die Aussicht auf einen grundlegenden Reichtum durch einen Durchbruch im Nano-Ingenieurwesen Was ist mit der Gentechnik und der Robotertechnologie? Mögliche soziale und ethische Auswirkungen der Biotechnologie und der synthetischen Biologie Gibt es eine nachmenschliche Zukunft, wie sie sich Fukuyama vorgestellt? 308 Literatur 309

7 Inhaltsverzeichnis XIII Übungen 311 Lösungen 323 Sachwortverzeichnis 353

8

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