Einleitung
Der folgende Text soll eine kurze Einführung
in die Thematik Nanotechnologie und Nanoscience geben, die einen
Einstieg in detailiertere Texte geben soll.
Als kurze Einführung in die obigen Themen in der Halbleiterphysik gibt
es einen Film in hoher(77MB)
und niedriger(18MB)
Auflösung. Was ist Nanotechnologie?
Ein Nanometer (nm) ist der Milliardste Teil eines
Meters oder 10-9 Meter. Nanostrukturen verhalten sich in
ihrer Größe zu einem Fußball, wie dieser Fußball zur Erde. Unter
Nanotechnologie versteht man die Herstellung von Materialien und
Systemen, bei denen mindestens eine Dimension im Bereich von 1-100 nm
liegt. Durch die Manipulation von Materie auf dieser kleinen
Größenskala, erhofft man sich überlegene elektrische, chemische,
mechanische und optische Eigenschaften dieser Materialien für
Anwendungen in unserer makroskopischen Welt.
Herstellung von Nanostrukturen Prinzipiell gibt es zwei verschiedene Methoden um
Nanostrukturen herzustellen.
Top Down
| Der
gebräuchlichste Ansatz um Strukturen im Nanometerbereich
herzustellen, ist der Top-Down Ansatz, das heißt vom Großen zum
Kleinen. Dabei werden mit lithografischen Prozessen nanostrukturierte
Elemente aus größeren Gebilden 'herausgeschnitten'. Das
bekannteste Beispiel ist die Mikroelektronik. Mit optischer
Lithografie werden heute schon Halbleiterchips mit kritischen
Strukturabmessungen von 65nm hergestellt. Wegen der begrenzten
Auflösung durch die Wellenlänge des Lichts müssen dabei
schon spezielle Tricks (Phasenschiebermasken) eingesetzt werden. Zur
Realisierung von Strukturgrößen im Bereich von 1nm wird die
Elektronenstrahllithografie eingesetzt.
|  |
Bottom Up | Der Bottom-Up Ansatz nutzt Methoden der
Selbstorganisation auf molekularer oder nanokristalliner Ebene. Die
eindrucksvollsten Beispiele finden sich im biologischen Bereich, zum
Beispiel bei der Replikation von DNA-Strängen oder der
Selbstorganisation von Proteinen.
Das Prinzip der
Selbstorganisation ist aber nicht nur auf biologische Systeme
beschränkt, es ist prinzipiell auch auf beliebige atomare oder
molekulare Systeme anwendbar, zum Beispiel bei der Synthese von
nanokristallinen Werkstoffen und selbstorganisierten
Halbleiternanostrukturen. |  |
Sichtbarmachung von Strukturen im
Nanobereich | In einem optischen Mikroskop ist die kleinste noch
auflösbare Struktur wegen der Wellennatur des Lichts etwa gleich der
Wellenlänge. Nanostrukturen sind daher im optischen Mikroskop nicht
sichtbar.
Es gibt verschiedene Verfahren zur Charakterisierung von
Nanostrukturen, von denen hier einige vorgestellt werden.
Bei der
Elektronenstrahlmikroskopie werden Elektronenstrahlen zur Abbildung
verwendet. So kann man in einem Transmissionseletronenmikroskop
einzelne Atomreihen sichtbar machen und Abstände unter 0.1nm
bestimmen.
In einem Rastertunnelmikroskop oder Atomkraftmikroskop
wird eine feine Spitze über die Oberfläche bewegt. Im Tunnelmikroskop
wird ein Strom gemessen, mit dem Kraftmikroskop die Kraft zwischen
Spitze und Oberfläche (van der Waals Kraft). Mit diesen beiden
Mikroskopen werden einzelne Atome sichtbar. |  |
Wozu Nanotechnologie?
Nanotechnologie ermöglicht die Herstellung kleiner, schneller
Chips für neue leistungsfähige Computer, Mobiltelefone oder
Navigationssysteme.
Sie führt zu neuen Laserstrukturen wie
Quantendotlaser für schnelle Datenübertragung und neuen
leistungsfähigeren Datenspeichern. Ein Ziel, an dem Physiker in
der ganzen Welt arbeiten, ist er Quantencomputer.
Aber nicht nur
im Bereich der Halbleitertechnolgie und Mikroelektronik bringt die
Nanotechnologie Fortschritte. Die Beherrschung von Werkstoffen und
Systemen auf der Nanometerskala wird aucht traditionelle Gebiete
revolutionieren. Nanostrukturierte metallische und keramische
Werkstoffe sind fester, härter und
widerstandsfähiger. Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind elastischer und
widerstansfähiger als Stahl. Mechanisch mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen
verstärkte Polymere finden Anwendungen von der Medizintechnik bis zur
Luftfahrt. Nanostrukturierte Oberflächen sind effiziente
Katalysatoren. Ihr Einsatz liegt in der chemischen Verfahrenstechnik
und im Umweltbereich.
Eines der interessantesten Gebiete ist die
Kombination von Nanotechnologie und Biologie. Wissenschaftler arbeiten
mit den Methoden der Physik auf molekularer Ebene, zum Beispiel an
DNA-Strängen oder lebenden Zellen. So können einzelne Funktionen
aufgeklärt werden, etwa die Wechselwirkung zwischen einer Zelle und
einem Krankheitserreger. So lassen sich Krankheiten besser als bisher
diagnostizieren und maßgeschneiderte Medikamente entwickeln, die den
Krankheitserreger hindern eine Zelle anzugreifen, und keine
unerwünschten Nebenwirkungen zeigen.
|
