Nanophysik und Nanotechnologie PDF
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Teubner Studienbucher Angewandte Physik Horst-Gunter Rubahn Nanophysik und Nanotechnologie Teubner Studienbucher Angewandte Physik Herausgegeben von Prof. Dr. Andreas Schlachetzki, Braunschweig Prof. Dr. Max Schulz, Erlangen Die Reihe Teubner StudienbOcher Angewandte Physik befasst sich mit Themen aus dem Grenzgebiet zwischen der Physik und den Ingenieurwissenschaften. Inhalt sind die allgemeinen Grundprinzipien der Anwendung von Naturgesetzen zur Losung von Problemen, die sich dem Physiker und Ingenieur in der prakti schen Arbeit stellen. Es wird ein breites Spektrum von Gebieten dargestellt, die durch die Nutzung physikalischer Vorstellungen und Methoden charakterisiert sind. Die Buchreihe richtet sich an Physiker und Ingenieure, wobei die einzelnen Bande der Reihe ebenso neben und zu Vorlesungen als auch zur Weiterbildung verwendet werden konnen. Horst-Gunter Rubahn Nanophysik und Nanotechnologie 1m Teubner Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Ein Titeldatensatz fOr diese Publikation ist bei der Deutschen Bibliothek erhaltlich. Prof. Dr. rer. nat. Horst-Gunter Rubahn 1959 in Flensburg geboren. Physikstudium an der Georg-August-Universitat Gottingen. 1988 Promotion. Von 1989 bis 1991 Postdoc an der Stanford University, Kalifornien, USA und an der Universitat Kaiserslautern. Danach wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max Planck-Institut fOr Stromungsforschung, Gottingen. 1998 Habilitation an der Georg August-Universitat Gottingen. 1999 Gastdozent an der Universitat Toulouse, Frankreich. Seit 1999 Associate Professor im physikalischen Institut der University of Southern Denmark. 1. Auflage Mai 2002 Aile Rechte vorbehalten © Springer Fachmedien Wiesbaden 2002 Ursprunglich erschienen bei B.G. Teubner GmbH, StuttgartlLeipzigIWiesbaden 2002. www.teubner.de Das Werk einschlieBlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschOtzt. Jede Verwertung auBerhalb der engen Grenzen des Urheberrechts gesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulassig und strafbar. Das gilt insbesondere fOr Vervielfaltigungen, Obersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in die sem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden dOrften. Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, www.CorporateDesignGroup.de Gedruckt auf saurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. ISBN 978-3-519-00331-1 ISBN 978-3-663-10872-6 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-10872-6 Inhaltsverzeichnis Vorwort 7 1 Mesoskopische und mikroskopische Physik 8 2 Vom Atom zum Festkorper 14 2.1 Morphologie. . . . . . . . . . . . 15 2.2 Elektronische Struktur und optische Eigenschaften 16 3 Erzeugung und Manipulation von N anostrukturen 23 3.1 Top-down-Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.1.1 Nanostrukturen via Photonen und Lithographie . 24 3.1.2 Nanoimprint-Techniken .......... . 32 3.1.3 Nanostrukturen via Rasterprobe-Methoden 34 3.2 Bottom-up-Methoden ..... 36 3.2.1 Epitaktisches Wachstum . 37 3.2.2 Selbstorganisation .... 40 3.2.3 Deposition vorselektierter Cluster-Materie . 49 4 Charakterisierung von Nanostrukturen 52 4.1 Optische Mikroskopie . . . . . 52 4.1.1 Einfache Lichtmikroskope 52 4.1.2 Hell- und Dunkelfeld-Mikroskopie . 57 4.1.3 Fluoreszenz- und Phasenkontrast-Mikroskopie . 59 4.1.4 Konfokale Mikroskopie . 61 4.2 Rastermikroskopien ..... 64 4.2.1 Elektronenmikroskopie . 64 6 Inhaltsverzeichnis 4.2.2 STM, AFM etc. 65 4.2.3 Nahfeld-Mikroskopie 73 4.2.4 Weitere neue Mikroskopien 79 4.3 Lineare und nichtlineare Spektroskopie . 86 4.4 Beugungsmethoden . 105 4.5 Emissionsmethoden 113 5 N ano-Architektur 119 5.1 Schichtsysteme . . . . . . . . . . . 121 5.2 Kolloidale Losungen und Kristalle 124 5.3 Gitter aus Licht 127 6 Anwendungen 133 6.1 Optik ..... . 133 6.1.1 Integrierte Optik, Nanooptik und nichtlineare Optik 133 6.1.2 Optische Datenspeicherung 138 6.1.3 Photonische Kristalle '" 141 6.1.4 Kurzzeit-Dynamik in Nanostrukturen 146 6.2 Elektronik ..... . 172 6.2.1 Optoelektronik 172 6.2.2 Molekulare and Nano-Elektronik 173 6.3 Quantencomputer 184 6.4 Biologie ..... . 191 6.4.1 Charakterisierung elementarer Einheiten . 191 6.4.2 Nanobionik und Nano-Biotechnologie 194 6.5 Molekulare Nanostrukturen 198 6.6 Mikro- und Nanomechanik 204 Literaturverzeichnis 212 Sachworterverzeichnis 244 Vorwort Es herrscht iiberraschend grof3e Ubereinstimmung zwischen Wissenschaft lern, Technikern und der Allgemeinheit, daf3 die Nanotechnologie eine der Schliisseltechnologien dieses Jahrhunderts sein wird oder teilweise sogar schon ist. Ihre Grundlagen findet sie in der 'Nanophysik', die mit einem etwas ungliicklich gewahlten Kunstwort die Physik nanoskalierter Systeme beschreiben solI, also den Ubergang von der Atomphysik zur Kontinuums und (oftmals) Festkorperphysik. Auf der 'mesoskopischen' Ebene verschwinden viele der Eigenheiten von Biologie, Chemie und Physik, und daher erweisen sich Nanophysik und Na notechnologie als aui3erst effiziente Vermittler zwischen diesen naturwissen schaftlichen Disziplinen. Dem tragt das vorliegende Buch in einer notwendi gerweise stark selektiven und von den Vorlieben des Autors gepragten Wei se Rechnung, beginnend mit einem physikalischen Zugang zu den zugrun deliegenden Gesetzmiilligkeiten, um M6glichkeiten und Grenzen der neuen Entwicklungen besser einordnen zu konnen. Der technologisch-methodische Aspekt wird durch die Beschreibung der Prozesse beriicksichtigt, mit denen Nanostrukturen erzeugt, charakterisiert und manipuliert werden konnen. Selbstorganisation ist hier eines der entscheidenden neuen Konzepte, das von der Chemie und Biologie her Einzug in die physikalische Denkweise gefunden hat. Die Vielfalt moglicher Anwendungen in Optik, Elektronik, Informatik und Biologie wird an Hand von ein-, zwei-und dreidimensional nanostrukturierten Materialien, biologischen Schablonen und komplexerer Nano-Maschinerie illustriert. Dieses Buch ware nicht moglich gewesen ohne die Unterstiitzung meiner Frau Dr.Katharina Rubahn und ohne die langjahrige, auf3erst produktive Zusam menarbeit mit Dr.F.Balzer. Mein Dank geht des weiteren an Dr.E.Bourbot und Dr.L.Hornekaer sowie an Dr.T.Spuhler vom Teubner-Verlag. 1 Mesoskopische und mikroskopische Physik In den nachsten Jahrzehnten wird die 'Nanotechnologie' die Einfiihrung neuartiger Materialien und Techniken in aIle Aspekte des taglichen Le bens von Kommunikation und Energieerzeugung iiber Gesundheit und Frei zeit bis zu Verkehr und Umwelt stimulieren. Diese Entwicklung geht Hand in Hand mit der augenblicklich ablaufenden Revolution auf dem moleku larbiologischen Sektor, insbesondere der molekularen Biophysik im 'Post Genom'-Zeitalter. Sowohl die europaische Gemeinschaft1, als auch die ameri kanischen und japanischen Forschungsgemeinschaften unterstiitzen die For schung in Richtung angewandter Nanotechnologie mit groBem finanziellen Aufwand. Hauptziel fUr die nahe Zukunft ist es, neue nanoelektronische und nanomechanische Elemente zu schaffen, sie zu vernetzen und kostengiinstig herzustellen. Potentiell kann die Nanotechnologie alte Hoffnungen fUr Natur wissenschaftler aller Schattierungen erfUIlen, von Physikern, die quantenme chanische Konzepte in Aktion erleben, iiber Chemiker, die groBe Molekiile gezielt Atom fUr Atom zusammensetzen, bis hin zu Biologen, die den ato mar en Transport in und aus Membranen kontrollieren und verstehen welche Funktionen die Makromolekiile ausfiihren, aus denen sich das Genom zu sammensetzt. There's plenty of room at the bottom, hat Richard Feynman schon 1959 in seinem beriihmten Vortrag formuliert [FEY60]. Nach wie vor wachst die Leistungsfahigkeit der in der Computer-Industrie benutzten Halbleiter-Elemente exponentiell, entsprechend einer friihen Vorhersage von Gordon E.Moore [M0065] aus den sechziger Jahren (Abb. 1.1) 2. Obwohl diese GesetzmaBigkeit urspriinglich nur bis Mitte der siebziger Jahre Giiltigkeit haben soIlte, hat sich unterdessen gezeigt, daB die das Wachstum letztlich begrenzenden physikalischen Eckwerte erst um IDie Unterstiitzung durch die Europaische Gemeinschaft erfolgt iiber die 'Nanotech nology Infomation Devices'-Initiative im Rahmen des 5ten Rahmenprograms, die Anfang 2000 gegriindet wurde. 2Die Zeitkonstante der Verdopplung der Zahl der Elemente auf einem Chip ist allerdings von 12 Monaten in den siebziger Jahren auf geschatzte 30 Monate fUr das erste Jahrzehnt im 21 ten Jahrhundert gestiegen 9 das Jahr 2017 herum erreicht sein diirften [M0097]. Nach Prognosen der SIA (,Semiconductor Industry Association') werden im Jahre 2011 Struk turgroBen von 40 nm routinemiillig erzeugt werden konnen [SIAOO]. Dies wird die Integration von mehr als 20 Millionen Logik-Elementen auf einem einzelnen Chip ermoglichen. Die Bandbreite der durch Lichtleiter iibertra genen Informationen verdoppelt sich sogar alle sechs Monate und macht die explosionsartige Verbreitung des Internets und damit die 'Informations Technologie (IT)-Revolution' erst moglich. Neuartige Konzepte fUr die Her stellung von Nanostrukturen wie etwa die Benutzung von neuronalen Netzen haben teilweise auch heutzutage schon Bedeutung fUr die traditionelle, auf Silizium basierende Elektronik-Industrie. Pentium2 10000 0" Pentium Pro o o Pentium 1000 80486 80386 100 80286 8086 10 4004 1 ....... ................... ......... ~ ~ ~~...L...o~~. ........~ . .......~ ~.....J 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 Erscheinungsjahr Abb. 1.1 Moore's Gesetz fiir Chips von Intel. Die Entwicklung wurde urspriinglich im wesentlichen von einer Mikromi niaturisierung der beteiligten elektronischen Komponenten getragen. Die sem ProzeB setzten in erster Linie ingenieurtechnische Probleme Gren zen. Je niiher man allerdings mit der Komponenten-GroBe an atomare MaBstiibe heranreicht, urn so wichtiger werden Grenzen durch physikalische Gesetzmassigkeiten, die erst in diesem MaBstab Bedeutung gewinnen. Diese 'neue Physik' birgt jedoch gleichzeitig den Vorteil, daB neuartige Konzep te der Informations-Speicherung und -Verarbeitung bis hin zur Ausnutzung quantenmechanischer Phiinomene angewendet werden konnen. Wichtige Ge-
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