Nanostrukturierte Festkörper: ein Überblick. P. Knoll Inst.f.Materialphysik, Univ.Wien Inst.f.Experimentalphysik, Univ.Graz

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1 Nanostrukturierte Festkörper: ein Überblick P. Knoll Inst.f.Materialphysik, Univ.Wien Inst.f.Experimentalphysik, Univ.Graz

2 Was ist nano? BROCKHAUS (MOC_NORD), Ausgabe 2001 Vorsatzzeichen n: 10-9 Nanos (Νανοσ griech. Zwerg), Nanosomie (Zwergwuchs) Nanotechnologie: Nanoteilchen, Kolloide, Cluster, Nanokomposite wiss. Disziplin seit ca. 1980

3 nano in der wiss. Literatur Paper mit "nano" Paper mit nano pro Jahr Inspec alt Inspec neu Sience citation Index Y = , ,57143 X Jahr

4 Impact wiss. Disziplinen 4,0 Vergleich 3,5 3,0 Anteil im SCI [%] 2,5 2,0 1,5 1,0 Polymer* Y =147, ,07207 X semiconduct* Y =39, ,01959 X superconduct*y =71, ,03532 X Raman Y =19, ,00931 X nano Y =-38, ,0191 X 0,5 0, Jahr

5 Entwicklung der letzten Jahrzehnte O..Marti, Univ.Ulm,

6 Miniaturisierung in der Halbleitertechnologie 1. Moore sche Gesetz (G.Moore, IEDM Tech. Dig.11, 1975) Moore sches Gesetz Daten von Prozessoren Abmessung [m] J.Birnbaum, R.S.Williams in Phys.Today 53, 38(2000) Jahr

7 Miniaturisierung in der Halbleitertechnologie 2. Moore sches Gesetz (G.Moore, 1975) Markt Investitionen 2.Moore sches Gesetz Milliarden US$ J.Birnbaum, R.S.Williams in Phys.Today 53, 38(2000) Jahr

8 Wirtschaftliche Grenzen Erzielbarer Gewinn: Markt Invest. Gewinn[%] = 100% Markt Gewinn [%] Jahr

9 Förderung der Nanotechnologie Paper mit nano pro Jahr Vergleich: Publikationen-Förderprogramme 2000 Datenbank INSPEC Derzeit: Zunahme um ca. 260 Paper pro Jahr weltweit Westeuropa Forschungsausgaben [Mill.$ pro Jahr] Jahr Daten von NNI (National Nanotechnology Initiative, USA)

10 Vergleich Länder 1000 Förderung der nano-forschung Forschungsausgaben [Mill. $] Japan USA sonstige Länder Westeuropa Jahr Daten von NNI (National Nanotechnology Initiative, USA)

11 Nano-Überblick Top Down Bottom Up Technologie Lithographie: optisch UV, EUV X-ray E-beam Ionen Synthese Wachstum MBE Selbstorganisation Nanomanipulation Wissenschaft Physik Chemie Biologie Grundlagen Size Effekte, Confinement, Quantum limits, Thermodynamik Charakterisierung Beugung, Spektroskopie, Mikroskopie Anwendungen Konventionelle Elektronik Feld Emission Molekulare Elektronik Sensoren magnetische Speicher magn. Leseköpfe Quantencomputer Molekulare Maschinen

12 Beispiel Nanolithographie H. Craighead, Cornell Nanofabrication Facility Ithaca, New York

13 Nanomanipulation Nanopinzette (P.Kim and Ch.Lieber, Science 286, p2148, 1999) Sharon-Ann Holgate in New Scientist Vol.164 Issue 2217 (1999) p.18 im AFM

14 Selbstorganisation Ge auf Si K.L.Wang, J.Nanosci. Nanotech., Vol.2, No.3/4 (2002)

15 Physik von nano-systemen Richard Feynman ( ) theor. Physiker, Cornell University 1959 APS Meeting: "There is plenty of room at the bottom" "I can hardly doubt that when we have some control of the arrangement of things on a small scale we will get an enormously greater range of possible properties that substances can have."

16 Grenzen konventioneller Halbleitertechnologie K.L.Wang, J.Nanosci.Nanotech. 2002, 2, 235

17 Generelle physikalische Grenzen der Miniaturisierung Konventionelle Informationsverarbeitung Energie pro Bitmanipulation: Unschärferelation: E h t (Heisenberg) Irreversible thermod. Maschine: E kt ln 2 (R.Landauer) d E = kt (R.Feynman) c t

18 Skalierung der Schaltenergie Schaltenergie [J] Daten von Prozessoren (I.Brodie) Leistungsdichte 10W/cm 2 1GHz 300K Limit Unschärferelation bei 1GHz Limit thermodynamisch bei 300K, 1GHz Abmessung [m] Daten aus R.Singh et al. J.Nanosci.Nanotech. 2002, 2, 363

19 Abhängigkeit von der Taktfrequenz Schaltenergie [J] Daten von Prozessoren (I.Brodie) Leistung 1µW 300 K Limit Unschärferelation Limit thermodynamisch bei 300K, 50nm Schaltzeit [s] Daten aus R.Singh et al. J.Nanosci.Nanotech. 2002, 2, 363

20 Problem Wärmeentwicklung 10 6 Kühlleistung pro Chipfläche 10 3 Leistungsdichte [W/cm 2 ] aktuelle Prozessoren (berechnet) Limit Unschärferelation bei 1GHz Limit thermodynamisch bei 300K, 1GHz Abmessung [m]

21 Zusammenfassung Limits der Miniaturisierung Fluktuationen der Dotierung Wärmeproblem Aufwand an Verbindungen Single Electron Device Niedrige Temperaturen Reversible Maschinen Quantencomputer Zellulare Automaten

22 Physik und Längenskalen de Broglie: h p = = λ n h L klassisches Teilchen: 2 2 p 2 h E = = n 2m 2mL 2 relativ. Teilchen: E = cp = n ch L Bloch: ikx e mit k = n 2π L

23 Beispiel Heisenberg-Modell t Hˆ = 1 J Sˆ Sˆ 2 i, j i, j i j Austauschenergie J zwischen den Gitterplätzen i, j Lösung: Bsp. Eigenwerte am periodischen ebenen Gitter eines S=1/2 Antiferromagneten

24 Lösungen des 2d-Heisenberg-Modells 2000 Y M Magnon energy [cm -1 ] 1500 X 1000 YBa 2 Cu 3 O ,4-0,2 0,0 kx [2π/a] 0,2 Γ -0,2 0,4 0,2 0,0 k y [2π/b] 0,4-0,4

25 Size Effekte mit periodischen Randbedingungen Clustergröße n x n Magnon Energie [cm -1 ] Neél-Temperatur [K] Größe n 0

26 Beispiel Oligomere Ladder-oligo-para-phenylens: LOPP ν 4 -Schwingung cm -1 Raman Spektrum

27 Size Effekt ohne periodische Randbedingungen n-lopp

28 Pioniere der Nanotechnologie K. Eric Drexler Richard E. Smalley

29 Methoden der Charakterisierung in der Nanotechnologie O.Marti, Univ.Ulm,

30 Nano-Mechanik

31 Molecular dynamics Simulation Quelle: Nasa,

32 Seminarüberblick Datum Vortragender Thema Peter Knoll, Univ.Wien, Materialphysik Martin Hulman, Univ.Wien, Materialphysik Akos Kukovecz, Univ.Wien, Materialphysik Manfred Smolik, Univ.Wien, Materialphysik Michael Mannsberger, Univ.Wien, Materialphysik Xinhe Tang, Electrovac, Klosterneuburg Rudolf Pfeiffer, Univ.Wien, Materialphysik Christian Kramberger, Univ.Wien, Materialphysik Heinz Krenn, Univ.Graz, Experimentalphysik Florian Hasi, Univ.Wien, Materialphysik Ayhan Sen, Univ.Wien, Materialphysik Tanja Steiner, Helmut Dier, TU-Wien Wilfried Schranz, Univ.Wien, Experimentalphysik Nanostrukturierte Festkörper: Ein Überblick Top-down Verfahren zur Herstellung von Nanostrukturen: Lithographie mit Licht, Elektronen und Ionen Bottom up method for preparing nanostructures: growth of carbon nano-tubes Rasterkraft- und Rastersondenmikroskopie als Werkzeug für nanostrukturierte Festkörper Rasterkraft- und Rastersondenmikroskopie an molekularen Nanostrukturen; Nanodrähte und Nanostäbchen Field emission of carbon nanotubes Spektroskopie an Kohlenstoff Nanoröhrchen (Raman, EELS, X-Ray) Nanomechanik und molekulare Maschinen Magnetische Nanostrukturen Funktionalisierung von Nanoröhrchen: Peapods und Bornitrid. Untersuchung von einzelnen Nanoröhrchen Nanosensoren, Nanobiologie Dynamik von Nanoclustern