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

Was ist „nano“ ? Vorsatzzeichen n: 10-9 BROCKHAUS (MOC_NORD), Ausgabe 2001 Vorsatzzeichen n: 10-9 Nanos ( griech. Zwerg), Nanosomie (Zwergwuchs) Nanotechnologie: Nanoteilchen, Kolloide, Cluster, Nanokomposite wiss. Disziplin seit ca. 1980

nano in der wiss. Literatur

„Impact“ wiss. Disziplinen

Entwicklung der letzten Jahrzehnte O..Marti, Univ.Ulm, http://wwwex.physik.uni-ulm.de/Vortraege/StudiumGenerale/Nanot_4.htm

Miniaturisierung in der Halbleitertechnologie 1. Moore´sche Gesetz (G.Moore, IEDM Tech. Dig.11, 1975) J.Birnbaum, R.S.Williams in Phys.Today 53, 38(2000) http://www.aip.org/web2/aiphome/pt/vol-53/iss-1/captions/p38cap3.html

Miniaturisierung in der Halbleitertechnologie 2. Moore´sches Gesetz (G.Moore, 1975) J.Birnbaum, R.S.Williams in Phys.Today 53, 38(2000) http://www.aip.org/web2/aiphome/pt/vol-53/iss-1/captions/p38cap4.html

Wirtschaftliche Grenzen Erzielbarer Gewinn:

Förderung der Nanotechnologie 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 Forschungsausgaben [Mill.$ pro Jahr] weltweit Westeuropa Daten von NNI (National Nanotechnology Initiative, USA) http://www.nano.gov/roco_aiche_48slides.pdf

Vergleich Länder Daten von NNI (National Nanotechnology Initiative, USA) http://www.nano.gov/roco_aiche_48slides.pdf

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

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

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

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

Physik von nano-Systemen Richard Feynman (1918-1988) 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." http://archives.caltech.edu

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

Generelle physikalische Grenzen der Miniaturisierung Konventionelle Informationsverarbeitung Energie pro Bitmanipulation: Unschärferelation: (Heisenberg) Irreversible thermod. Maschine: (R.Landauer) (R.Feynman)

Skalierung der Schaltenergie Daten aus R.Singh et al. J.Nanosci.Nanotech. 2002, 2, 363

Abhängigkeit von der Taktfrequenz Daten aus R.Singh et al. J.Nanosci.Nanotech. 2002, 2, 363

Problem Wärmeentwicklung

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

Physik und Längenskalen de Broglie: klassisches Teilchen: relativ. Teilchen: Bloch: mit

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

Lösungen des 2d-Heisenberg-Modells

„Size” Effekte mit periodischen Randbedingungen Neél-Temperatur [K] 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 Neél-Temperatur [K]

Beispiel Oligomere Ladder-oligo-para-phenylens: LOPP 4-Schwingung 1532.59cm-1 Beispiel Oligomere Ladder-oligo-para-phenylens: LOPP Raman Spektrum

„Size“ Effekt ohne periodische Randbedingungen n-LOPP

Pioniere der Nanotechnologie K. Eric Drexler Richard E. Smalley

Methoden der Charakterisierung in der Nanotechnologie O.Marti, Univ.Ulm, http://wwwex.physik.uni-ulm.de/Vortraege/StudiumGenerale/Nanot_9.htm

Nano-Mechanik http://www.imm.org

“Molecular dynamics” Simulation Quelle: Nasa, http://people.nas.nasa.gov/~globus/papers/MGMS_EC1/simulation/paper.html

Seminarüberblick