nanostrukturierte festkörper: ein Überblick p. knoll inst.f.materialphysik, univ.wien...
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Nanostrukturierte Festkörper:ein Überblick
P. Knoll Inst.f.Materialphysik, Univ.Wien
Inst.f.Experimentalphysik, Univ.Graz
Was ist „nano“ ?
• Vorsatzzeichen n: 10-9
• Nanos ( griech. Zwerg), Nanosomie (Zwergwuchs)
• Nanotechnologie: Nanoteilchen, Kolloide, Cluster, Nanokompositewiss. Disziplin seit ca. 1980
BROCKHAUS (MOC_NORD), Ausgabe 2001
nano in der wiss. Literatur
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000
0
500
1000
1500
2000
Y =-530013,57143+265,57143 X
Pa
pe
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Jahr
Inspec alt Inspec neu Sience citation Index
Paper mit "nano"
„Impact“ wiss. Disziplinen
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 20030,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0Vergleich
Polymer* Y =147,62345-0,07207 X semiconduct* Y =39,94574-0,01959 X superconduct*Y =71,20505-0,03532 X Raman Y =19,09424-0,00931 X nano Y =-38,10138+0,0191 X
An
teil
im S
CI [
%]
Jahr
Entwicklung der letzten Jahrzehnte
O..Marti, Univ.Ulm, http://wwwex.physik.uni-ulm.de/Vortraege/StudiumGenerale/Nanot_4.htm
Miniaturisierung in der Halbleitertechnologie
1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 204010-11
10-10
10-9
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10-7
10-6
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10-4
10-3
10-2
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[m]
Jahr
1. Moore´sches Gesetz Daten von Prozessoren
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)
1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 204010-3
10-2
10-1
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104
105
Mill
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en
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Jahr
Markt Investitionen
2.Moore´sches Gesetz
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
1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 20400
20
40
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100
Ge
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n [%
]
Jahr
Erzielbarer Gewinn: %100.
[%]
Markt
InvestMarktGewinn
1985 1990 1995 2000 2005 20100
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1500
2000 Datenbank INSPEC
Derzeit: Zunahme um ca. 260 Paper pro Jahr
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Jahr
Vergleich: Publikationen-Förderprogramme
Förderung der Nanotechnologie
0
500
1000
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2000
2500
3000
3500
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4500
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6000
6500
7000
For
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weltweit Westeuropa
Daten von NNI (National Nanotechnology Initiative, USA)http://www.nano.gov/roco_aiche_48slides.pdf
1997 1998 1999 2000 2001 2002 20030
200
400
600
800
1000Förderung der nano-Forschung
Fo
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[Mill
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Jahr
Japan USA sonstige Länder Westeuropa
Vergleich Länder
Daten von NNI (National Nanotechnology Initiative, USA)http://www.nano.gov/roco_aiche_48slides.pdf
Nano-Überblick
PhysikChemieBiologie
GrundlagenSize Effekte,Confinement,
Quantum limits,Thermodynamik
CharakterisierungBeugung,
Spektroskopie,Mikroskopie
WissenschaftTechnologie
TopDown
BottomUp
Lithographie: optisch UV, EUV X-ray E-beam Ionen
SyntheseWachstumMBESelbstorganisationNanomanipulation
Anwendungen
Konventionelle ElektronikFeld EmissionMolekulare ElektronikSensorenmagnetische Speichermagn. LeseköpfeQuantencomputerMolekulare Maschinen
Beispiel Nanolithographie
H. Craighead, Cornell Nanofabrication Facility Ithaca, New York
NanomanipulationNanopinzette (P.Kim and Ch.Lieber, Science 286, p2148, 1999)
im AFM
Sharon-Ann Holgate in New Scientist Vol.164 Issue 2217 (1999) p.18 http://www.newscientist.com/
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 There is plenty of room at the bottombottom" "
"I can hardly doubt that when we "I can hardly doubt that when we have some control of the have some control of the arrangement of things on a small arrangement of things on a small scale we will get an enormously scale we will get an enormously greater range of possible properties greater range of possible properties that substances can have." 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:
tE
Irreversible thermod. Maschine: 2lnkTE (R.Landauer)
tc
dkTE
(R.Feynman)
(Heisenberg)
10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-210-31
10-29
10-27
10-25
10-23
10-21
10-19
10-17
10-15
Sch
alte
ne
rgie
[J]
Abmessung [m]
Daten von Prozessoren (I.Brodie)
Leistungsdichte 10W/cm2 1GHz 300K Limit Unschärferelation bei 1GHz Limit thermodynamisch bei 300K, 1GHz
Skalierung der Schaltenergie
Daten aus R.Singh et al. J.Nanosci.Nanotech. 2002, 2, 363
Abhängigkeit von der Taktfrequenz
10-18 10-15 10-12 10-9 10-6 10-3 10010-38
10-35
10-32
10-29
10-26
10-23
10-20
10-17
10-14
10-11
10-8
10-5
Sch
alte
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ie [J
]
Schaltzeit [s]
Daten von Prozessoren (I.Brodie) Leistung 1µW 300 K Limit Unschärferelation Limit thermodynamisch bei 300K, 50nm
Daten aus R.Singh et al. J.Nanosci.Nanotech. 2002, 2, 363
Problem Wärmeentwicklung
10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-210-15
10-12
10-9
10-6
10-3
100
103
106L
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ich
te [W
/cm
2]
Abmessung [m]
aktuelle Prozessoren (berechnet) Limit Unschärferelation bei 1GHz Limit thermodynamisch bei 300K, 1GHz
Kühlleistung pro Chipfläche
ZusammenfassungLimits der Miniaturisierung
• Fluktuationen der Dotierung
• Wärmeproblem
• Aufwand an Verbindungen
Single Electron Device
Niedrige TemperaturenReversible MaschinenQuantencomputer
Zellulare Automaten
Physik und Längenskalen
Bloch:
relativ. Teilchen:
klassisches Teilchen:
de Broglie: L
hn
hp
2
22
2
22 mL
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mit
Beispiel Heisenberg-Modell
Austauschenergie J zwischen den Gitterplätzen i, j
ji
jiji SSJH,
,21 ˆˆˆ
�
Lösung: Bsp. Eigenwerte am periodischen ebenen Gitter eines S=1/2 Antiferromagneten
Lösungen des 2d-Heisenberg-Modells
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0
500
1000
1500
2000
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
Y
X
M
YBa2Cu
3O
6
„Size” Effekte
0 50 100 150 2000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000M
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-1]
Größe n
Clustergröße n x n
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
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l-Tem
per
atur
[K
]
mit periodischen Randbedingungen
Beispiel OligomereLadder-oligo-para-phenylens: LOPP
4-Schwingung1532.59cm-1
RamanSpektrum
„Size“ Effekt ohne periodische Randbedingungen
n-LOPP
Pioniere der Nanotechnologie
Richard E. SmalleyK. Eric Drexler
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
SeminarüberblickDatum Vortragender Thema
23.10.2002 Peter Knoll, Univ.Wien,Materialphysik
Nanostrukturierte Festkörper: Ein Überblick
30.10.2002 Martin Hulman, Univ.Wien,Materialphysik
Top-down Verfahren zur Herstellung vonNanostrukturen: Lithographie mit Licht,Elektronen und Ionen
06.11.2002 Akos Kukovecz, Univ.Wien,Materialphysik
Bottom up method for preparing nano-structures: growth of carbon nano-tubes
13.11.2002 Manfred Smolik, Univ.Wien,Materialphysik
Rasterkraft- und Rastersondenmikroskopie alsWerkzeug für nanostrukturierte Festkörper
20.11.2002 Michael Mannsberger,Univ.Wien, Materialphysik
Rasterkraft- und Rastersondenmikroskopie anmolekularen Nanostrukturen; Nanodrähte undNanostäbchen
04.12.2002 Xinhe Tang, Electrovac,Klosterneuburg
Field emission of carbon nanotubes
11.12.2002 Rudolf Pfeiffer, Univ.Wien,Materialphysik
Spektroskopie an Kohlenstoff Nanoröhrchen(Raman, EELS, X-Ray)
18.12.2002 Christian Kramberger,Univ.Wien, Materialphysik
Nanomechanik und molekulare Maschinen
08.01.2003 Heinz Krenn, Univ.Graz,Experimentalphysik
Magnetische Nanostrukturen
15.01.2003 Florian Hasi, Univ.Wien,MaterialphysikAyhan Sen, Univ.Wien,Materialphysik
Funktionalisierung von Nanoröhrchen:Peapods und Bornitrid.Untersuchung von einzelnen Nanoröhrchen
22.01.2003 Tanja Steiner, Helmut Dier,TU-Wien
Nanosensoren, Nanobiologie
29.01.2003 Wilfried Schranz, Univ.Wien,Experimentalphysik
Dynamik von Nanoclustern
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