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Nanophysik und Nanotechnologie

E-BookPDF2 - DRM Adobe / Adobe Ebook ReaderE-Book
368 Seiten
Deutsch
Wiley-VCHerschienen am26.08.20151. Auflage
Noch hat das Motto 'Alles muss kleiner werden' nicht an Faszination verloren. Physikern, Ingenieuren und Medizinern erschließt sich mit der Nanotechnologie eine neue Welt mit faszinierenden Anwendungen. E.L. Wolf, Physik-Professor in Brooklyn, N.Y., schrieb das erste einführende Lehrbuch zu diesem Thema, in dem
er die physikalischen Grundlagen ebenso wie die Anwendungsmöglichkeiten der Nanotechnologie diskutiert. Mittlerweile ist es in der 3. Aufl age erschienen und liegt jetzt endlich auch auf Deutsch vor.

Dieses Lehrbuch bietet eine einzigartige, in sich geschlossene Einführung in die physikalischen Grundlagen und Konzepte der Nanowissenschaften sowie Anwendungen von Nanosystemen. Das Themenspektrum reicht von Nanosystemen über Quanteneff ekte und sich selbst organisierende Strukturen bis hin zu Rastersondenmethoden. Besonders die Vorstellung von Nanomaschinen für medizinische Anwendungen ist faszinierend, wenn auch bislang noch nicht praktisch umgesetzt. Der dritten Aufl age, auf der diese Übersetzung beruht, wurde ein neuer Abschnitt über Graphen zugefügt. Die Diskussion möglicher Anwendungen in der Energietechnik, Nanoelektronik und Medizin wurde auf neuesten Stand gebracht und
wieder aktuelle Beispiele herangezogen, um wichtige Konzepte und Forschungsinstrumente zu illustrieren.

Der Autor führt mit diesem Lehrbuch Studenten der Physik, Chemie sowie Ingenieurwissenschaften von den Grundlagen bis auf den Stand der aktuellen Forschung. Die leicht zu lesende Einführung in dieses faszinierende Forschungsgebiet ist geeignet für fortgeschrittene Bachelor- und Masterstudenten mit Vorkenntnissen in Physik und Chemie.

Stimmen zur englischen Vorauflage

'Zusammenfassend ist festzustellen, dass Edward L. Wolf trotz der reichlich vorhandenen Literatur zur Nanotechnologie ein individuell gestaltetes einführendes Lehrbuch gelungen ist. Es eignet sich - nicht zuletzt dank der enthaltenen Übungsaufgaben - bestens zur Vorlesungsbegleitung für Studierende der Natur- und Ingenieurwissenschaften sowie auch spezieller nanotechnologisch orientierter Studiengänge.'
Physik Journal
'... eine sehr kompakte, lesenswerte und gut verständliche Einführung in die Quantenmechanik sowie ihre Auswirkungen auf die Materialwissenschaften ...'
Chemie Ingenieur Technikmehr

Produkt

KlappentextNoch hat das Motto 'Alles muss kleiner werden' nicht an Faszination verloren. Physikern, Ingenieuren und Medizinern erschließt sich mit der Nanotechnologie eine neue Welt mit faszinierenden Anwendungen. E.L. Wolf, Physik-Professor in Brooklyn, N.Y., schrieb das erste einführende Lehrbuch zu diesem Thema, in dem
er die physikalischen Grundlagen ebenso wie die Anwendungsmöglichkeiten der Nanotechnologie diskutiert. Mittlerweile ist es in der 3. Aufl age erschienen und liegt jetzt endlich auch auf Deutsch vor.

Dieses Lehrbuch bietet eine einzigartige, in sich geschlossene Einführung in die physikalischen Grundlagen und Konzepte der Nanowissenschaften sowie Anwendungen von Nanosystemen. Das Themenspektrum reicht von Nanosystemen über Quanteneff ekte und sich selbst organisierende Strukturen bis hin zu Rastersondenmethoden. Besonders die Vorstellung von Nanomaschinen für medizinische Anwendungen ist faszinierend, wenn auch bislang noch nicht praktisch umgesetzt. Der dritten Aufl age, auf der diese Übersetzung beruht, wurde ein neuer Abschnitt über Graphen zugefügt. Die Diskussion möglicher Anwendungen in der Energietechnik, Nanoelektronik und Medizin wurde auf neuesten Stand gebracht und
wieder aktuelle Beispiele herangezogen, um wichtige Konzepte und Forschungsinstrumente zu illustrieren.

Der Autor führt mit diesem Lehrbuch Studenten der Physik, Chemie sowie Ingenieurwissenschaften von den Grundlagen bis auf den Stand der aktuellen Forschung. Die leicht zu lesende Einführung in dieses faszinierende Forschungsgebiet ist geeignet für fortgeschrittene Bachelor- und Masterstudenten mit Vorkenntnissen in Physik und Chemie.

Stimmen zur englischen Vorauflage

'Zusammenfassend ist festzustellen, dass Edward L. Wolf trotz der reichlich vorhandenen Literatur zur Nanotechnologie ein individuell gestaltetes einführendes Lehrbuch gelungen ist. Es eignet sich - nicht zuletzt dank der enthaltenen Übungsaufgaben - bestens zur Vorlesungsbegleitung für Studierende der Natur- und Ingenieurwissenschaften sowie auch spezieller nanotechnologisch orientierter Studiengänge.'
Physik Journal
'... eine sehr kompakte, lesenswerte und gut verständliche Einführung in die Quantenmechanik sowie ihre Auswirkungen auf die Materialwissenschaften ...'
Chemie Ingenieur Technik
Details
Weitere ISBN/GTIN9783527413348
ProduktartE-Book
EinbandartE-Book
FormatPDF
FormatFormat mit automatischem Seitenumbruch (reflowable)
Verlag
Erscheinungsjahr2015
Erscheinungsdatum26.08.2015
Auflage1. Auflage
Seiten368 Seiten
SpracheDeutsch
Dateigrösse9908 Kbytes
Artikel-Nr.3217004
Rubriken
Genre9201

Inhalt/Kritik

Inhaltsverzeichnis
1;Cover;1
2;Titelseite;5
3;Impressum;6
4;Inhaltsverzeichnis;9
5;Vorwort;17
6;Vorwort zur ersten Auflage;21
7;Abkürzungsverzeichnis;23
8;1 Einleitung;27
8.1;1.1 Nanometer, Mikrometer, Millimeter;29
8.2;1.2 Das mooresche Gesetz;34
8.3;1.3 Esakis Quantentunneldiode;36
8.4;1.4 Quantenpunkte in zahlreichen Farben;37
8.5;1.5 GMR and TRM 10-1000Gb Leseköpfe für Festplatten;39
8.6;1.6 Beschleunigungssensoren in Ihrem Auto;41
8.7;1.7 Nanoporöse Filter;43
8.8;1.8 Bauelemente im Nanometermaßstab auf der Basis herkömmlicher Technologien;43
8.9;Literatur;44
9;2 Systematik zum Verkleinern von Objekten;45
9.1;2.1 Mechanische Frequenzen vergrößern sich in kleinen Systemen;45
9.2;2.2 Veranschaulichung von Skalierungsbeziehungen durch einen einfachen harmonischen Oszillator;49
9.3;2.3 Veranschaulichung von Skalierungsbeziehungen durch einfache Schaltelemente;50
9.4;2.4 Thermische Zeitkonstanten und Temperaturdifferenzen nehmen ab;51
9.5;2.5 Viskose Kräfte dominieren bei kleinen Partikeln in Flüssigkeiten;51
9.6;2.6 Reibungsbedingte Kräfte können in symmetrischen Systemen molekularer Skalierung wegfallen;53
9.7;Literatur;56
10;3 Was begrenzt die Verkleinerung?;57
10.1;3.1 Die Teilchennatur (Quantennatur) der Materie: Photonen, Elektronen, Atome, Moleküle;57
10.2;3.2 Biologische Beispiele von Nanomotoren und Nanoelementen;59
10.2.1;3.2.1 Lineare Federmotoren;59
10.2.2;3.2.2 Lineare Motoren auf Schienen;61
10.2.3;3.2.3 Sich drehende Motoren;62
10.2.4;3.2.4 Ionenkanäle sind die Nanotransistoren der Biologie;67
10.3;3.3 Wie klein kann man es machen?;69
10.3.1;3.3.1 Mit welchen Methoden kann man Körper kleiner machen?;70
10.3.2;3.3.2 Wie kann man sehen, was man herstellen möchte?;71
10.3.3;3.3.3 Wie kann man Verbindungen mit der äußeren Welt herstellen?;73
10.3.4;3.3.4 Wenn man etwas weder sehen noch verbinden kann: Kann man erreichen, dass es selbstorganisierend ist und selbstständig arbeitet?;73
10.3.5;3.3.5 Methoden zum Zusammenfügen von kleinen dreidimensionalen Körpern;74
10.3.6;3.3.6 Die Selbstmontage von Strukturen mit Abmessungen im Nanometerbereich unter Verwendung von DNA-Strängen;78
10.4;Literatur;81
11;4 Die Quantennatur der Nanowelt;83
11.1;4.1 Das bohrsche Atommodell;84
11.1.1;4.1.1 Quantisierung des Drehimpulses;85
11.1.2;4.1.2 Die Erweiterung des bohrschen Atommodells;86
11.2;4.2 Der Teilchen-Welle-Dualismus von Licht und Materie, die De-Broglie-Wellenlänge =h/p, E=h;86
11.3;4.3 Die Wellenfunktion Psi für Elektronen, die Wahrscheinlichkeitsdichte Psi*Psi, laufende und stehende Wellen;87
11.4;4.4 Die maxwellschen Gleichungen, E und B als Wellenfunktionen von Photonen und optischen Fasermoden;93
11.5;4.5 Die heisenbergsche Unschärferelation;94
11.6;4.6 Schrödingergleichung, Quantenzustände und Energien, Tunneln durch Barrieren;95
11.6.1;4.6.1 Die Schrödingergleichung in einer Dimension;96
11.6.2;4.6.2 Das eingeschlossene Teilchen in einer Dimension;97
11.6.3;4.6.3 Reflexion und Tunneln an einer Potenzialstufe;99
11.6.4;4.6.4 Durchdringung einer Barriere, Austrittszeit aus einem Topf, resonante Tunneldiode;102
11.6.5;4.6.5 Eingeschlossene Teilchen in zwei und drei Dimensionen: Quantenpunkte;103
11.6.6;4.6.6 Zweidimensionale Bänder und Quantendrähte;105
11.6.7;4.6.7 Der einfache harmonische Oszillator;106
11.6.8;4.6.8 Die Schrödingergleichung in Kugelkoordinaten;109
11.7;4.7 Das Wasserstoffatom, Einelektronenatome, Exzitonen;109
11.7.1;4.7.1 Magnetische Momente;113
11.7.2;4.7.2 Magnetisierung und magnetische Suszeptibilität;114
11.7.3;4.7.3 Positronium und Exzitonen;115
11.8;4.8 Fermionen, Bosonen und Besetzungsregeln;116
11.9;Literatur;117
12;5 Konsequenzen der Quantenphysik für die makroskopische Welt;119
12.1;5.1 Periodensystem der Elemente;119
12.2;5.2 Nanosymmetrie, zweiatomige Moleküle und Ferromagnete;120
12.2.1;5.2.1 Ununterscheidbare Teilchen und ihr Austausch;120
12.2.2;5.2.2 Das Wasserstoffmolekül: die kovalente Bindung;122
12.3;5.3 Weitere Kräfte im Nanometerbereich: Van-der-Waals-, Casimir- und Wasserstoffbindung;125
12.3.1;5.3.1 Die polare und die Van-der-Waals-Kraft;126
12.3.2;5.3.2 Die Casimir-Kraft;129
12.3.3;5.3.3 Die Wasserstoffbrückenbindung;133
12.4;5.4 Metalle als Töpfe mit freien Elektronen: Fermi-Niveau, DOS und Dimensionalität;134
12.4.1;5.4.1 Elektrische Leitfähigkeit, spezifischer Widerstand, mittlere freie Weglänge, Hall-Effekt und Magnetowiderstand;138
12.5;5.5 Periodische Strukturen (beispielsweise Si, GaAs, InSb, Cu): Kronig-Penney-Modell für Elektronenbänder und Bandlücken;139
12.6;5.6 Elektronenbänder und Leitfähigkeit in Halbleitern und Isolatoren; Lokalisierung und Delokalisierung;145
12.7;5.7 Wasserstoffähnliche Donatoren und Akzeptoren;150
12.7.1;5.7.1 Konzentrationen der Ladungsträger, metallische Dotierung;151
12.7.2;5.7.2 pn-Übergang, elektrische Dioden: I(U)-Kennlinien, Laserdioden;155
12.8;5.8 Mehr über den Ferromagnetismus, die quantenmechanische Grundlage der Datenspeicherung;161
12.9;5.9 Oberflächen unterscheiden sich; die Dicke der Schottky-Barriere;164
12.10;5.10 Ferroelektrika, Piezoelektrika und Pyroelektrika: neuste Anwendungen der modernen Nanotechnologie;166
12.11;Literatur;175
13;6 Selbstorganisierende Nanostrukturen in der Natur und der Industrie;177
13.1;6.1 Das Kohlenstoffatom, 12hphantom 06C 1s2 2p4 (0,07nm);178
13.2;6.2 Methan CH4, Ethan C2H6 und Oktan C8H18;179
13.3;6.3 Äthylen C2H4, Benzol C6H6, Acetylen C2H2;180
13.4;6.4 C60-Fullerene (0,5nm);181
13.5;6.5 C-Nanoröhrchen (0,5nm);182
13.5.1;6.5.1 Si-Nanodrähte (5nm);185
13.6;6.6 InAs-Quantenpunkte (5nm);186
13.7;6.7 AgBr-Nanokristalle (0,1-2µm);187
13.8;6.8 Fe3O4-Magnetit- und Fe3S4-Greigit-Nanoteilchen in magnetotaktischen Bakterien;188
13.9;6.9 Selbstorganisierende Einzelschichten auf Gold und anderen glatten Oberflächen;190
13.10;Literatur;192
14;7 Auf der Physik beruhende experimentelle Methoden der Nanoherstellung und der Nanotechnologie;193
14.1;7.1 Siliziumtechnologie: der INTEL-IBM-Ansatz der Nanotechnologie;194
14.1.1;7.1.1 Strukturierung, Masken und Fotolithografie;194
14.1.2;7.1.2 Das Ätzen von Silizium;196
14.1.3;7.1.3 Strukturierung von gut leitenden Elektroden;196
14.1.4;7.1.4 Methoden zur Abscheidung von Metallschichten und isolierenden Schichten;197
14.2;7.2 Begrenzung der lateralen Auflösung (Linienbreite) durch die Wellenlänge, heute etwa 65nm;199
14.2.1;7.2.1 Optische Lithografie und Röntgenlithografie;199
14.2.2;7.2.2 Elektronenstrahllithografie, Nano-Imprintlithografie und Mikrokontakt-Printing;200
14.3;7.3 Opferschichten, frei hängende Brücken und Einzelelektronentransistoren;201
14.4;7.4 Wie sieht die Zukunft der Computertechnologie auf Siliziumbasis aus?;202
14.5;7.5 Wärmeabfuhr und die RSFQ-Technologie;204
14.6;7.6 Methoden der Rastersondenmikroskopie: jeweils nur ein Atom;209
14.7;7.7 Die Rastertunnelmikroskopie (STM) als Prototyp für einen Molekülzusammenbauer;210
14.7.1;7.7.1 Die Herstellung von Oberflächenmolekülen mithilfe der Bewegung von Au-Atomen;210
14.7.2;7.7.2 Zusammenbau von organischen Molekülen anhand eines STM;214
14.8;7.8 Felder von Rasterkraftmikroskopen;215
14.8.1;7.8.1 Die Herstellung von Feldern von Cantilevern mithilfe der Fotolithografie;216
14.8.2;7.8.2 Fertigung von Strukturen im Nanometerbereich mittels eines AFM;217
14.8.3;7.8.3 Abbildung eines einzelnen Elektronenspins mittels eines Magnetresonanz-AFM;218
14.9;7.9 Grundlegende Fragen: Raten, Genauigkeit und mehr;220
14.10;7.10 Nanophotonik und Nanoplasmonik;221
14.11;Literatur;225
15;8 Quantentechnologie auf der Grundlage von Magnetismus, Elektronen- und Kernspins sowie Supraleitung;227
15.1;8.1 Der Stern-Gerlach-Versuch: Beobachtung des Spins 1/2 des Elektrons;231
15.2;8.2 Zwei Auswirkungen des Kernspins: Kernspinresonanz und die ,,21,1cm-Linie ;232
15.3;8.3 Elektronenspin 1/2 als Qubit für einen Quantencomputer: Superpositionsprinzip und Kohärenz;234
15.4;8.4 Harte und weiche Ferromagneten;238
15.5;8.5 Die Ursprünge des Riesenmagnetowiderstands (GMR-Effekt): spinabhängige Elektronenstreuung;240
15.6;8.6 Das GMR-Spinventil, ein nanophysikalischer Sensor;242
15.7;8.7 Das Tunnelventil, ein verbesserter nanophysikalischer Magnetfeldsensor;244
15.8;8.8 Magnetoresistives Random Access Memory (MRAM);246
15.8.1;8.8.1 Magnetische Tunnelkontakte bei der MRAM-Speichertechnik;246
15.8.2;8.8.2 Nichtflüchtige Ferromagnet-Halbleiterhybridstrukturen;248
15.9;8.9 Spininjektion: Der Johnson-Silsbee-Effekt;249
15.9.1;8.9.1 Offensichtliche Spininjektion von einem Ferromagneten in ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen;251
15.10;8.10 Magnetische logische Bauelemente: ein allgemeingültiges Logikgatter;251
15.11;8.11 Supraleiter und das supraleitende (magnetische) Flussquant;254
15.12;8.12 Der Josephson-Effekt und das SQUID zur Messung von Magnetfeldern;258
15.13;8.13 RSFQ-Elektronik - schnelle Einzelflussquanten-Elektronik;261
15.14;Literatur;264
16;9 Nanoelektronik auf Siliziumbasis und darüber hinaus;265
16.1;9.1 Elektroneninterferenz-Bauelemente mit kohärenten Elektronen;266
16.1.1;9.1.1 Der Transport ballistischer Elektronen in Stich-Quantenwellenleitern: Experiment und Theorie;269
16.1.2;9.1.2 Wohldefinierte Quanteninterferenzeffekte in Kohlenstoff-Nanoröhrchen;270
16.2;9.2 Sensoren auf der Grundlage von Kohlenstoff-Nanoröhrchen und dichte, nichtflüchtige RAMs;272
16.2.1;9.2.1 Ein Sensor auf der Grundlage von Kohlenstoff-Nanoröhrchen aus polaren Molekülen, der von den ihnen eigenen großen elektrischen Feldern Gebrauch macht;273
16.2.2;9.2.2 Eine kreuzförmige Anordnung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen für ultradichte, ultraschnelle nichtflüchtige RAMs;275
16.3;9.3 Resonanztunneldioden und Tunneltransistoren mit heißen Elektronen;279
16.4;9.4 Ladungsqubits mit doppeltem Potenzialtopf;281
16.4.1;9.4.1 Qubits für Quantencomputer auf Siliziumbasis;285
16.5;9.5 Einzelelektronentransistoren;286
16.5.1;9.5.1 Der Radiofrequenz-Einzelelektronentransistor (RFSET), ein nützliches, erprobtes Forschungsinstrument;290
16.5.2;9.5.2 Auslesen des Ladungsqubits mit Sub-Elektronenladungsauflösung;290
16.5.3;9.5.3 Ein Vergleich zwischen SET und RTD (Resonanztunneldiode);290
16.6;9.6 Experimentelle Ansätze zum Ladungsqubit mit zwei Potenzialtöpfen;293
16.6.1;9.6.1 Kopplung von zwei Ladungsqubits in einem Festkörper (Supraleitung);296
16.7;9.7 Ionenfalle auf einem GaAs-Chip, Hinweis auf ein neues Qubit;297
16.8;9.8 Quantencomputer durch Quantentempern mit künstlichen Spins;301
16.9;Literatur;302
17;10 Die Nanophysik und Nanotechnologie von Graphen;305
17.1;10.1 Graphen: rekordbrechende physikalische und elektrische Eigenschaften;305
17.2;10.2 Folgen aus der Dicke von einem Atom: Weichheit und Haftfestigkeit;306
17.3;10.3 Undurchlässigkeit einzelner Graphenschichten;307
17.4;10.4 Synthese durch chemische Gasphasenabscheidung und direkte Reaktion;308
17.5;10.5 Verwendung als flexible, leitende und transparente Elektroden;310
17.6;10.6 Mögliche Anwendung bei Logikbauelementen und Erweiterung des Gesetzes von Moore;313
17.7;10.7 Anwendungen von Graphen innerhalb der Siliziumtechnologie;315
17.8;Literatur;318
18;11 Ausblick in die Zukunft;321
18.1;11.1 Drexlers mechanische (molekulare) Achsen und Lager;322
18.1.1;11.1.1 Smalleys Widerlegung des Zusammenbaus von Maschinen;323
18.1.2;11.1.2 Van-der-Waals-Kräfte für reibungsfreie Lager?;325
18.2;11.2 Das Konzept des molekularen Zusammenbauers ist fehlerhaft;325
18.3;11.3 Können molekulare Maschinen die Technologie revolutionieren oder die Selbstreproduktion sogar das irdische Leben bedrohen?;327
18.4;11.4 Die Aussicht auf einen grundlegenden Reichtum durch einen Durchbruch im Nano-Ingenieurwesen;328
18.5;11.5 Was ist mit der Gentechnik und der Robotertechnologie?;329
18.6;11.6 Mögliche soziale und ethische Auswirkungen der Biotechnologie und der synthetischen Biologie;332
18.7;11.7 Gibt es eine nachmenschliche Zukunft, wie sie sich Fukuyama vorgestellt?;334
18.8;Literatur;335
19;Übungen;337
20;Lösungen;349
21;Sachwortverzeichnis;379
22;EULA;386mehr