Bionanoelektronik.

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1 Bionanoelektronik

2 Was ist „Nanotechnologie“ ?
1. Nanotechnolgie befaßt sich mit Strukturen, die in mindestens einer Dimension kleiner als 100 nm sind. Nanotechnologie macht sich charakteristische Effekte und Phänomene zunutze, die im Übergangsbereich zwischen atomarer und mesoskopischer Ebene auftreten. Nanotechnologie bezeichnet die gezielte Herstellung und/oder Manipulation einzelner Nanostrukturen

3 Herstellungsstrategien
„Top-down“ Strukturen und Komponenten werden immer weiter miniaturisiert (Physik, physikalische Technik) „Bottom-up“ Aufbau immer komplexerer Strukturen aus atomaren bzw. molekularen Bausteinen (Chemie, Biologie)

4 Basisstrukturen (Nanodrähte, Nanoröhren, Nanogräben)
Punktförmige Strukturen – drei Dimensionen < 100 nm (Nanokristalle, Cluster, Moleküle) Linienförmige Strukturen – zwei Dimensionen < 100 nm (Nanodrähte, Nanoröhren, Nanogräben) Schichtstrukturen – eine Dimension < 100 nm

5 Mikroelektronik – Nanoelektronik - Halbleitertechnik
1957: Magn. Ringkern- Speicher mit 16 kbit 1976: 64 kbit Memory Modul 1988: 1 Mbit Chip (1,3 Mikrometer) (1 cm) (10 Mikrometer) (kleinste Strukturabmessung der Bauelemente)

6 Mikroelektronik – Nanoelektronik - Halbleitertechnik
1997: 1 Gbyte DRAM in 128x8 Mbyte-Modulen 2006: Chipstrukturen nähern sich der 100 nm - Grenze (180 Nanometer) Aktuell (Jan. 2010): 32 nm

7 Kleinste Strukturabmessung DRAM-Speicherdichte Mikroprozessorleistg.
der Bauelemente pro Chip (Systemgeschw.) Mikrometer Kbit 0,5 MHz 1,3 Mikrometer Kbit MHz 0,5 Mikrometer Mbit 50 MHz 180 Nanometer Mbit GHz 2010* 50 Nanometer Gbit 10 GHz * Prognose (Strategiepapier des BMBF von 2006)

8

9 Führende Firmen in der Halbleiterentwicklung
Intel Samsung Electronics Texas Instruments Toshiba ST Microelectronics Infineon Technologies Neue Fertigungsvarianten für Strukturlängen < 100 nm notwendig (z.B. Kristallgitter-Streckverfahren)  Neue Lithografieverfahren (z.B. Immersionslithografie)

10 Wichtige Anwendungsfelder der Nanoelektronik:
 Medizin: Laufende und unauffällige Kontrolle gesundheitsrelevanter Körperfunktionen  Verkehrstechnik: Verkehrssicheres Auto mit Assistenz in allen Fahrsituationen, Sicherheitserkennung über biometrische Merkmale  Baugewerbe: sicheres und vernetztes Haus  Sicherheit: Sicherheitserkennung über biometrische Merkmale

11 Problem: Zunehmende Miniaturisierung der Objekte verlangt
neue chemische Methoden „Bottom up“ – Aufbau von nm-Dimensionen aus Metallen wie Au, Ag, Pt, Cu oder Halbleitern wie PbS, CdS, CdSe, TiO2 größenabhängige Plasmonenabsorption photoinduzierte Erzeugung von Elektron- Loch- Paaren Fluoreszenz

12 Möglichkeit der Ansteuerung der Partikel durch externe
elektronische oder photonische Signale

13 Nanotechnolgie + biologische Systeme
elektronische und optoelektronische Funktionseinheiten Aggregation und Manipulation Schaltkreise Sensoren

14 Herstellung von Biomolekül-Nanopartikel-Hybriden
Erzeugung von Au-Nanopartikeln durch Citratreduktion (d = 16±2 nm) IgG (Immunglobulin G) oberhalb des isoelektr. Punktes Nanopartikel– Protein- Konjugat durch elektrosta- tische Wechselwirkungen

15 Herstellung von Biomolekül-Nanopartikel-Hybriden
natürliche Thiolgruppen des Proteins Nanopartikel– Protein- Konjugat durch Adsorption an synthetische Thiolgruppen des Proteins

16 Herstellung von Biomolekül-Nanopartikel-Hybriden
Nanopartikel – Protein – Konjugat bei Antikörper-Antigen-Komplexen

17 Anwendung von Nanopartikel – Protein – Konjugaten als Immunosensoren
Prostataspezifisches Antigen (PSA) Magnetteilchen mit Antikörper

18 DNA - Detektion auf einem Chip
magn. Trennung + Dehybridisierung Thermische Dissoziation der Nucleinsäure – Doppelhelix DNA - Detektion auf einem Chip

19 Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) – Spektroskopie
bei Immunsensor-Assays mit Gold- Nanopartikeln als Marker C – Gold als Marker Verschiebung des Plasmonenwinkels Verbreiterte Plasmonen- resonanz (Reflektivität) Antigen läßt sich in pikomolaren Mengen nachweisen

20 Oberflächenplasmonenresonanz mit Silber- Nanopartikeln als Marker
AFM – Aufnahme von dreieckigen Silber - Nanopartikeln außergewöhnliche optische Eigenschaften bzgl. externer dielektrischer Umgebung (ca nm)

21 Oberflächenplasmonenresonanz mit Silber- Nanopartikeln als Marker
SPR – Spektren nach Funktionaliaierung mit Biotineinheiten Modifikation mit 1 mM Biotin Modifikation mit 0,1 mM Biotin Modifikation mit biotinylierten Ag- Nanopartikeln Umwandlung von Änderungen des Brechungsindex in Verschiebung der Wellenlänge

22 Magnet - Nanopartikel als Marker in Proteinkäfigen
Proteinkäfige, insbesondere virale fungieren als strukturell begrenzte „Nanoreaktoren“  Eisenspeicherprotein Ferritin besonders zur Erzeugung magn. Partikel def. Form und Größe geeignet CCM- Virus (cowpea chlorotic mottle virus – Kuhbohnen-Mosaikvirus), 180 identische Untereinheiten von kDa lagern sich zu einer leeren Virushülle mit Ikosaedersymmetrie zusammen

23 Magnet - Nanopartikel als Marker in Proteinkäfigen
CCMV – Proteinkäfig D außen = 28 nm D innen = nm  gentechnische Modifizierung des Hüllproteins zur Beeinflussung des Wachstums der Nanopartikel

24 Konstruktion von Überstrukturen aus CdS-Nanopartikel-DNA-
Konjugaten - Anwendungen zur Erzeugung von Photostrom Au Kolloide D = 2,6  0,4 nm 67,68 – thiolderivatisierte Nucleinsäuren, komplementär zur Ziel- DNA 69 – Ziel –DNA fungiert als Vernetzungselement zum Aufbau eines Arrays

25 Nanopartikel- Generationen
Bestrahlung des Arrays  Induktion von Photostrom  Zunahme mit Zahl der CdS- Nanopartikel- Generationen  Photonanregung des Halbleiters induziert Transfer von Elektronen in das Leitungsband Elektronische Nanoschaltkreise 70 – Ru-Komplex zur Verstärkung des Photostromes

26 Charakterisierung der Arrays
B – Absorptionsspektrum C - Fluoreszenzspektrum (1-4 Schichten CdS-Nanopartikel Aggregate)

27 Biomolekulare Nanoschaltkreise
Nanodrähte bzw. Nanoröhren als Funktionseinheiten für selbstorganisierende logische- und Speicherschaltkreise

28 Biomolekulare Nanoschaltkreise
Möglichkeiten der technischen Umsetzung zur Bildung geordneter Arrays: S- Layer- Techniken (gezielte Anordnung von kristallinen Proteinschichten auf Substraten) Strukturierung der S- Layer durch: - Bestrahlung mit mit Tief-UV-Licht - Anwendung weicher Lithographie- Techniken - Mikromolding in Kapillaren (MIMIC)

29 Biomolekulare Nanoschaltkreise
Erzeugung von S- Layer –Mustern durch MIMIC PDMS - Poly(dimethylsiloxan) S- Layer: kristalline Proteinschichten Mit einer „Gußform“ aus PDMS werden Kanäle auf einem Si-Wafer erzeugt. Die Kanäle werden durch Kapillarkräfte mit Proteinlösung befüllt.

30 Biomolekulare Nanoschaltkreise
S- Layer Muster werden mit Fluoreszenzfarbstoff markiert S- Layer Muster werden als Substrate für Antikörper- Antigen Immunreaktion verwendet

31 Biomolekulare Nanoschaltkreise
EM- Aufnahme eines S- Layers mit quadratischer Gittersymmetrie und Goldübergitter (Dgold = 4-5 nm) Fluoreszenzaufnahmen eines S- Layers, dessen Muster mit „schaltkreisähnlicher“ PDMS – Form erzeugt wurde

32 Biomolekulare Nanoschaltkreise
DNA als Templatmaterial - Nanodrähte Vielfältige Möglichkeiten (mittels Enzymen) für Manipulation der DNA: Ligasen: verknüpfen Nucleinsäurestücke Endonucleasen: schneiden Nucleisäuren an spez. Positionen Telemerasen: verlängern einsträngige Nucleinsäuren Polymerasen: replizieren DNA „Cut and Paste“ -Werkzeuge zur Modifizierung von DNA - Matrizen

33 Problem: Elektronentransport durch DNA – schlechte oder
isolierende Leitungseigenschaften DNA – Metallisierung: Anordnung der metallischen Nanopartikel „auf Lücke“  kontinuierliche Leitfähigkeit

34 DNA als Templatmaterial – Nanodrähte Herstellung:
Mikroelektroden mit Oligonucleotiden Verbrückung über  - DNA Beladung mit Silberionen durch Ionenaustausch an Phosphatgruppen

35 DNA als Templatmaterial – Nanodrähte
Reduktive Abscheidung von Silber Durchmesser des Drahtes: 100 nm

36 I-V- Kurven des Silberdrahtes

37 DNA als Templatmaterial – Nanodrähte
Herstellung: Molekulare Lithographie AFM – Aufnahme einer strukturierten DNA- Matrize nach Metallisierung mit Gold

38 Ausblick: Umsetzung von Biomolekül-Nanopartikel-Organisation in tragfähige Technologien z.T. schon möglich (z.B. analytische Anwendungen, signalinduzierte elektronische Funktionen) - funktionierende molekulare Elektronik erfordert aufwendige Grundlagenforschung  Bildung komplexer Geometrien  nanoskopische Strukturbildung von Leiterbahnen  molekular exakte Lokalisierung von Bauelementen

39 - Nanorobotics  mikroskopische Roboter
(Regelung, Kommunikation, Energieversorgung) nanoelektromechanische Quantenschaltkreise und Quantensysteme (freistehende, bewegliche Nanokomponenten)