Licht in der Welt der Nanotechnologie : Ein verständlicher Einstieg in die Grundlagen und Anwendungen

50 Pages·2016·1.99 MB·German

by  Christian Schneider (auth.)

Christian Schneider
Licht in der Welt der
Nanotechnologie
Ein verständlicher Einstieg in die
Grundlagen und Anwendungen
essentials
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Christian Schneider
Licht in der Welt der
Nanotechnologie
Ein verständlicher Einstieg in die
Grundlagen und Anwendungen
Dr. Christian Schneider
Kaiserslautern, Deutschland
ISSN 2197-6708 ISSN 2197-6716 (electronic)
essentials
ISBN 978-3-658-14310-7 ISBN 978-3-658-14311-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-658-14311-4
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Was Sie in diesem essential finden können
• Wie Licht mit Materie wechselwirkt
• Was die Physik der Nanowelt besonders macht
• Wie man Nanostrukturen herstellen kann
• Eine Auswahl von nanotechnologischen Anwendungen
• Neue Ideen aus der Forschung zum Einsatz von Nanotechnologie
V
Vorwort
Noch vor 100 Jahren wurde Max Planck – einem der Mitbegründer der
Quantenmechanik – geraten, nicht Physik zu studieren, da alles Wichtige schon
erforscht sei. Doch auch heute leben wir immer noch in einer spannenden phy-
sikalischen Zeit! Nobelpreise werden für Erfindungen wie den CCD-Sensor oder
die blaue Leuchtdiode verliehen und Entdeckungen wie die des Higgs-Bosons
oder von Gravitationswellen zeigen, dass die physikalische Forschung keinesfalls
an ihrem Ende ist.
Heute erlaubt der Vorstoß in eine mikroskopisch kleine Welt immer neue, teil-
weise bahnbrechende Entdeckungen und Erfindungen. Ein gutes Beispiel hier-
für ist die Nanotechnologie. In diesem Buch möchte ich Ihnen im ersten Kapitel
zeigen, auf welchen physikalischen Prinzipien nanotechnologische Anwendun-
gen basieren. Im nächsten Kapitel geht es dann zunächst um Methoden zur Her-
stellung von Nanostrukturen. Danach werden einige beispielhaft ausgewählte
Anwendungen vorgestellt, wobei der Bogen von bereits aktiv genutzten bis hin zu
noch in der Forschung befindlichen Entwicklungen gespannt wird.
Begeben Sie sich also mit diesem Buch auf eine Reise in die Welt der Nano-
technologie, erhalten Sie einen Einblick in die daraus resultierenden Möglich-
keiten und lernen Sie vielleicht auch aus ihrem Alltag bekannte Dinge aus einem
anderen Blickwinkel kennen!
Ich wünsche Ihnen viel Freude mit diesem essential und einem spannenden
Forschungsgebiet!
Christian Schneider
VII
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung .................................................. 1
2 Grundlagen der lichtbasierten Nanotechnologie .................. 3
2.1 Was ist Licht? ........................................... 3
2.2 Von einzelnen Atomen zu festen Körpern ..................... 7
2.3 Die Welt ist bunt: Resonanzen und Mie-Theorie ................ 11
3 Herstellung von Nanostrukturen ............................... 15
3.1 Elektronenstrahl-Lithografie ............................... 15
3.2 Focused Ion Beam Milling (FIB) ............................ 17
3.3 Chemische Synthese ...................................... 18
4 Anwendungen .............................................. 21
4.1 Kirchenglasfenster ....................................... 21
4.2 Diagnose und Therapie: Einsatz
von Nanopartikeln in der Medizin ........................... 26
4.3 Strom aus Licht: Nanotechnologie in Solarzellen ............... 29
4.4 Die bunte Welt der Plasmonen für digitale Anwendungen ........ 34
5 Zusammenfassung und Ausblick ............................... 39
Was Sie aus diesem essential mitnehmen können .................... 41
Literatur ...................................................... 43
IX
1
Einleitung
Technologien und technologische Fortschritte bestimmen seit Ende des 18.
Jahrhunderts unser alltägliches Leben wie noch niemals zuvor in der Geschichte
der Menschheit. Hierbei inspirieren sich Forschung und technologische
Entwicklung gegenseitig. Neue Technologien führen zu besseren, exakteren und
effizienteren Methoden in der Forschung, deren Ergebnisse dann wieder in ihrer
Anwendung zu besserer Technik führen.
In den letzten Jahrzehnten zeichnet sich vermehrt ein Trend zur
Miniaturisierung von Bauelementen ab. Als Vater dieses Gedankens wird oft der
Vortrag „There’s Plenty of Room at the Bottom“1 des amerikanischen Physikers
Richard Feynman genannt (Feynman o. J.). In diesem stellte Feynman 1959 dar,
wie der „Spielraum nach unten“ – gemeint ist der mikroskopische Bereich –
genutzt werden kann. So rechnete er zum Beispiel vor, dass mithilfe der Nano-
technologie (ein Wort, welches er im Übrigen während seines gesamten Vortrages
nicht gebrauchte) die gesamten, weltweit in Form von Büchern vorhandenen
Informationen (ca. 24 Mio. Bücher) in einem Würfel mit einer Kantenlänge von
einem halben Millimeter gespeichert werden können.
Diese damals visionären Ideen sind heute zum Teil Realität geworden und
Nanotechnologie ist Bestandteil unseres Alltags. Nano – griechisch für „Zwerg“ –
ist unglaublich klein: 1 Nanometer (nm) sind 10−9 m – also ein Milliardstel Meter
bzw. Millionstel Millimeter. 1 nm verhält sich zum Durchmesser einer Orange
wie der Durchmesser einer Orange zu dem der Erde! Im Bereich der Grundla-
genforschung ist die Nanotechnologie momentan ganz groß: Jährlich gibt allein
das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) ca. 220 Mio. € für
1Deutsch: Es gibt viel Spielraum nach unten.
© Springer Fachmedien Wiesbaden 2016 1
C. Schneider, Licht in der Welt der Nanotechnologie, essentials,
DOI 10.1007/978-3-658-14311-4_1
2 1 Einleitung
Forschung und Entwicklung im Bereich der Nanotechnologie aus. Laut dem
ebenfalls vom BMBF veröffentlichten „nano.DE Report 2013“ (Bundesministe-
rium für Bildung und Forschung 2013) betrug der Umsatz von deutschen Nano-
technologieunternehmen im Jahr 2013 ca. 15 Mrd. €.
Nanotechnologie verzeichnet also momentan einen Boom – neuartige Effekte,
die interessante und vielseitige technologische Anwendungen versprechen, tun
sich auf. Trotz dieses Aufstiegs der Nanotechnologie in den letzten 50 Jahren
reichen erste darauf basierende Effekte weit zurück ins Mittelalter, wo Alche-
misten die Fenster in Kirchen mit Hilfe von Gold-Nanoteilchen einfärbten. Eine
physikalische Beschreibung dieses Effekts wurde jedoch erst Anfang des 20.
Jahrhunderts möglich, nachdem James Clerk Maxwell seine Gleichungen zur
Beschreibung von Lichtwellen präsentierte. Aufbauend auf diesen Gleichungen
entwickelte der Physiker Gustav Mie in seinem Artikel „Beiträge zur Optik trü-
ber Medien, speziell kolloidaler Metallösungen“ (Mie 1908) eine Theorie zur
Beschreibung der Lichtabsorption von metallischen Nanoteilchen, die heute unter
dem Namen „Mie-Theorie“ bekannt ist.
Durch neue Erkenntnisse in der Nanotechnologie erhofft man sich nicht nur
eine Miniaturisierung existierender Bauteile, sondern vor allem Verbesserungen
in vielen Bereichen des täglichen Lebens, angefangen von medizinischen
Analyse- und Behandlungsverfahren über Elektronik, Sensorik und Messtechnik
bis hin zur Energietechnik, wo die Nanotechnologie unter anderem dazu
eingesetzt wird, um eine Effizienzsteigerung von Solarzellen zu erreichen.
Die Nanotechnologie ist damit keine auf ein Themenfeld der Physik
beschränkte Wissenschaft, sondern wird vielfältig in verschiedensten Forschungs-
und Anwendungsbereichen eingesetzt. Daher kann dieser Text nur einen
Teilaspekt der Nanotechnologie behandeln. Es soll daher in den folgenden
Kapiteln um verschiedene spannende Effekte der Wechselwirkung von Licht
mit Nanoteilchen gehen, die vielleicht in einigen Jahren unser Leben in
verschiedensten Bereichen revolutionieren könnten.