Table Of ContentAngewandte Physik
Horst-Gunter Rubahn
Nanophysik und
Nanotechnologie
Angewandte Physik
Herausgegeben von
Prof. Dr. A. Schlachetzki, Braunschweig
Prof. Dr. M. J. Schulz, Erlangen
Horst-Gunter Rubahn
Nanophysik und
Nanotechnologie
2., Oberarbeitete Auflage
Teubner
B. G. Teubner Stuttgart· Leipzig' Wiesbaden
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Prof. Dr. rer. Nat. Horst-GOnter Rubahn
1959 in Flensburg geboren. Physikstudium an der Georg-August-Universitat Gbttingen. 1988 Promo
tion. Von 1989 bis 1991 Postdoc an der Stanford University, Kalifornien, USA und an der Universitat
Kaiserslautern. Danach wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut fOr Str6mungs
forschung, G6ttingen. 1998 Habilitation an der Georg-August-Universitat G6ttingen. 1999 Gast
dozent an der Universitat Toulouse, Frankreich. Seit 1999 Associate Professor im Physikalischen Institut
der University of Southern Denmark.
1. Auflage 2002
2., Oberarbeitete Auflage Mai 2004
Aile Rechte vorbehalten
© B. G. Teubner Verlag / GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2004
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Gedruckt auf saurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.
ISBN-13: 978-3-519-10331-8 e-ISBN-13: 978-3-322-80133-3
001: 10.1007/978-3-322-80133-3
Inhalt
Vorwort 7
1 Mesoskopische und mikroskopische Physik 8
2 Vom Atom zum Festkorper 12
2.1 Morphologie ....... . 12
2.2 Elektronische Struktur und optische Eigenschaften 13
3 Erzeugung und Manipulation von N anostrukturen 18
3.1 Top-down-Methoden ............... . 18
3.1.1 Nanostrukturen via Photonen und Lithographie 18
3.1.2 N anoimprint-Techniken . . . . . . . . . . . 26
3.1.3 Nanostrukturen via Rasterprobe-Methoden 26
3.2 Bottom-up-Methoden .. 28
3.2.1 Epitaktisches Wachstum . 29
3.2.2 Selbstorganisation . . . . 31
3.2.3 Deposition vorselektierter Cluster-Materie . 37
4 Charakterisierung von N anostrukturen 40
4.1 Optische Mikroskopie . . . . . . . 40
4.1.1 Einfache Lichtmikroskope . . . . . 40
4.1.2 Hell- und Dunkelfeld-Mikroskopie 44
4.1.3 Fluoreszenz- und Phasenkontrast-Mikroskopie 45
4.1.4 Konfokale Mikroskopie. . . . . 47
4.1.5 Brewster-Winkel Mikroskopie . 49
4.2 Rastermikroskopien . . 50
4.2.1 Elektronenmikroskopie . 50
4.2.2 STM, AFM etc. .... 52
4.2.3 Nahfeld-Mikroskopie .. 57
4.2.4 Weitere neue Mikroskopien 62
4.3 Lineare und nichtlineare Spektroskopie 68
4.4 Beugungsmethoden .......... . 83
6 Inhalt
4.5 Emissionsmethoden 88
5 N ano-Architektur 93
5.1 Schichtsysteme . . 95
5.2 Kolloidale Losungen und Kristalle 97
5.3 Gitter aus Licht . 99
5.4 Coulomb-Kristalle 103
6 Anwendungen 105
6.1 Optik ......................... . 105
6.1.1 Integrierte Optik, Nanooptik und nichtlineare Optik 105
6.1.2 Optische und magnetische Datenspeicherung 108
6.1.3 Photonische Kristalle ........ . 110
6.1.4 Kurzzeit-Dynamik in Nanostrukturen 115
6.2 Elektronik ........... . 133
6.2.1 Optoelektronik . . . . . . . . . . 133
6.2.2 Molekulare and Nano-Elektronik 135
6.3 Quantencomputer . . . . . . . . 143
6.4 Biologie ............. . 147
6.4.1 Charakterisierung elementarer Einheiten . 147
6.4.2 Nanobionik und Nano-Biotechnologie 149
6.5 Molekulare N anostrukturen 152
6.6 Mikro- und N anomechanik 156
Literaturverzeichnis 163
Sachverzeichnis 182
Vorwort
Es herrscht groBe Ubereinstimmung zwischen Wissenschaftlern, Technikern und der Allge
meinheit, daB die Nanotechnologie eine der Schlusseltechnologien dieses Jahrhunderts sein
wird oder teilweise sogar schon ist. Ihre Grundlagen findet sie in der 'Nanophysik', die mit
einem etwas unglucklich gewahlten Kunstwort die Physik nanoskalierter Systeme beschrei
ben soll, also den Ubergang von der Atomphysik zur Kontinuums- und Festkorperphysik.
Auf der mesoskopischen Ebene zwischen mikroskopischer und makroskopischer Physik ver
schwinden viele der Eigenheiten von Biologie, Chemie und Physik, und daher erweisen sich
Nanophysik und Nanotechnologie als auBerst effiziente Vermittler zwischen diesen natul'wis
senschaftlichen Disziplinen. Dem tragt das vol'liegende Buch in einer notwendigerweise stark
selektiven und von den Vorlieben des Autol's gepragten Weise Rechnung, beginnend mit
einem physikalischen Zugang zu den zugl'undeliegenden GesetzmaBigkeiten, urn Moglichkei
ten und Grenzen der neuen Entwicklungen besser einordnen zu konnen. Der technologisch
methodische Aspekt wird durch die Beschl'eibung der Prozesse bel'iicksichtigt, mit denen
Nanostrukturen erzeugt, charakterisiert und manipuliert werden konnen. Selbstorganisati
on ist hier eines del' entscheidenden neuen Konzepte, das von der Chemie und Biologie
her Einzug in die physikalische Denkweise gefunden hat. Die Vielfalt moglicher Anwen
dungen in Optik, Elektronik, Informatik und Biologie wird an Hand von ein-, zwei-und
dreidimensional nanostrukturierten Materialien, biologischen Schablonen und komplexerer
N ano-Maschinerie illustriert.
Seit dem Erscheinen der erst en Auflage dieses Buches ist die Geschwindigkeit, mit der die
Nanotechnologie Einzug in die alltagliche Welt des Forschers und teilweise auch in den
Alltag der nicht-forschenden Mehrheit gehalten hat, noch gestiegen. Allerdings hat es wenig
grundlegend neue Entdeckungen gegeben und z.E. die von der Europaischen Kommission im
November 2000 herausgegebene 'Technology Roadmap for Nanoelectronics' (zu finden unter
www.cordis.lu) ist nach wie vor aktuell. Da das vorliegende Buch im Umfang gleich geblieben
ist, werden auch die wichtigen Gebiete der Halbleiter-Nanotechnologie, der magnetischen
Nanostrukturen, der supramolekularen Chemie und der Biophysik nur gestreift, und es wird
auf die Spezialliteratur verwiesen.
Auch diese Auflage ware nicht moglich gewesen ohne die Unterstutzung meiner Frau
Dr.Katharina Rubahn und ohne die Zusammenarbeit mit Dr.Frank Balzer.
H.-G. Rubahn, Nanophysik und Nanotechnologie
© B. G. Teubner Verlag / GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2004
1 Mesoskopische und mikroskopische Physik
In den nachsten Jahrzehnten wird die 'Nanotechnologie' die EinfUhrung neuartiger Mate
rialien und Techniken in alle Aspekte des taglichen Lebens von Kommunikation und Ener
gieerzeugung iiber Gesundheit und Freizeit bis zu Verkehr und Umwelt stimulieren. Diese
Entwicklung geht Hand in Hand mit der augenblicklich ablaufenden Revolution auf dem
molekularbiologischen Sektor, insbesondere der molekularen Biophysik im 'Post-Genom'
Zeitalter. Sowohl die europaische Gemeinschaft1, als auch die amerikanischen und japa
nischen Forschungsgemeinschaften unterstiitzen die Forschung in Richtung angewandter
Nanotechnologie mit groBem finanziellen Aufwand. Hauptziel fiir die nahe Zukunft ist es,
neue nanoelektronische und nanomechanische Elemente zu schaffen, sie zu vernetzen und ko
stengiinstig herzustellen. Potentiell kann die Nanotechnologie alte Hoffnungen fUr Naturwis
senschaftler aller Schattierungen erfiillen, von Physikern, die quantenmechanische Konzepte
in Aktion erleben, iiber Chemiker, die groBe Molekiile gezielt Atom fiir Atom zusammenset
zen, bis hin zu Biologen, die den atomaren Transport in und aus Membranen kontrollieren
und verstehen welche Funktionen die Makromolekiile ausfUhren, aus denen sich das Genom
zusammensetzt. There's plenty of room at the bottom, hat Richard Feynman schon 1959 in
seinem beriihmten Vortrag formuliert [FEY60j.
Nach wie vor wachst die Leistungsfahigkeit der in der Computer-Industrie benutz
ten Halbleiter-Elemente exponentiell, entsprechend einer friihen Vorhersage von Gordon
E.Moore [M0065j aus den sechziger Jahren (Abb. 1.1) 2. Obwohl diese GesetzmaBigkeit
urspriinglich nur bis Mitte der siebziger Jahre Giiltigkeit haben sonte, hat sich unterdes
sen gezeigt, daB die das Wachstum letztlich begrenzenden physikalischen Eckwerte erst
urn das Jahr 2017 herum erreicht sein diirften [M0097]. Nach Prognosen der SIA ('Semi
conductor Industry Association') werden im Jahre 2011 StrukturgroBen von 40 nm routi
nemaBig erzeugt werden konnen [SIAOOj. Dies wird die Integration von mehr als 20 Millionen
Logik-Elementen auf einem einzelnen Chip ermoglichen. Die Bandbreite der durch Licht
leiter iibertragenen Informationen verdoppelt sich sogar alle sechs Monate und machte die
explosionsartige Verbreitung des Internets und damit die 'Informations-Technologie (IT)
Revolution' erst moglich. Neuartige Konzepte fUr die Herstellung von Nanostrukturen wie
etwa die Benutzung von neuronalen Netzen haben teilweise auch heutzutage schon Bedeu
tung fiir die traditionelle, auf Silizium basierende Elektronik-Industrie.
Die Entwicklung wurde urspriinglich im wesentlichen von einer Mikrominiaturisierung der
beteiligten elektronischen Komponenten getragen. Diesem ProzeB setzten in erster Linie
1 Die Unterstiitzung durch die Europaische Gemeinschaft erfolgt iiber die 'Nanotechnology Infomation
Devices'-Initiative im Rahmen des 5ten Rahmenprograms, die Anfang 2000 gegriindet wurde.
2Die Zeitkonstante der Verdopplung der Zahl del' Elemente auf einem Chip ist allerdings von 12 Monaten
in den siebziger Jahren auf geschatzte 30 Monate fiir das erste Jahrzehnt im 21 ten Jahrhundert gestiegen
H.-G. Rubahn, Nanophysik und Nanotechnologie
© B. G. Teubner Verlag / GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2004
1 Mesoskopische und mikroskopische Physik 9
Pentium2
10000
0 Pentium Pro
0
.0. - 1000 Pentium
:~c 80486
til
t::! 80386
100
.8
·wen 80286
c:: 8086
10
~
I-
4004
1
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000
Erscheinungsjahr
Fig. 1.1 Moore's Gesetz fUr Chips von Intel.
ingenieurtechnische Probleme Grenzen. Je naher man allerdings mit der Komponenten
GroBe an atomare MaBstabe heranreicht, urn so wichtiger werden Grenzen durch physi
kalische Gesetzmassigkeiten, die erst auf dieser GroBenskala Bedeutung gewinnen. Diese
'Physik auf engstem Raum' besitzt den Vorteil, daB neuartige Konzepte der Informations
Speicherung und -Verarbeitung bis hin zur Ausnutzung quantenmechanischer Phanomene
angewendet werden konnen. Wichtig in diesem Zusammenhang sind 'Quantencomputer'
und die 'Quanten-Kryptographie' [BOUOO].
Obwohl das Beiwort 'nano' oftmals rein dekorativen Zwecken dient, ist es doch auch zum
Synonym fUr den Zugang zu einer neuen Dimension geworden, bevolkert mit Objekten, die
neuartige strukturelle, elektronische, optische und magnetische Eigenschaften besitzen oder
zu besitzen scheinen. Man hofft, neue Materialien und ProzeBablaufe fUr unsere tagliche
makroskopische Umwelt schaffen zu konnen: teilweise durch ein grundlegendes Verstandnis
dieser mikroskopischen Eigenschaften und ihrer Manipulation, teilweise aber auch durch
empirische Forschung. Die VerfUgbarkeit neuer technologischer Konzepte (Rastermikrosko
pien, Submikrometer-Lithographie, Laser, Supercomputer) macht diese Versuche mehr und
mehr erfolgreich. Es sollte jedoch nicht vergessen werden, daB viele der jetzt neu erfundenen
'Nanoeffekte' weitreichende historische Wurzeln haben. Glaser z.B., die durch das Einlagern
von kolloidalen Quantenpunkten hohere Brillanz erreichen konnen, kennt man schon seit
der Antike - nur wurde die kolloidale Losung damals durch Alchimie geschaffen, und die
'Quantenpunkte' waren schlichter Gold- oder Silberstaub.
Die gebrauchlichste Methode, urn Strukturen im Submikrometer-MaBstab herzustellen, ist
der 'top down'-Ansatz (,vom GroBen zum Kleinen'). Mit hauptsachlich lithographischen
Techniken werden hier nanoskalierte Elemente aus groBeren Gebilden 'herausgeschnitten'.
1m GroBen-Bereich unterhalb einhundert Nanometern sind allerdings die Grenzen sowohl
der Aufiosung als auch der Vervielfaltigungs-Geschwindigkeit erreicht. In diesem Bereich
wird der 'bottom-up'-Ansatz (,vom Kleinen zum GroBen') bedeutungsvoll. Prinzipielllas
sen sich zwei Wege beschreiten. Entweder werden in einer 'molekularen Manufaktur' nicht
biologische molekulare Mechanismen benutzt, urn gezielt chemische Reaktionen hin zu kom-
10 1 Mesoskopische und mikroskopische Physik
plexen Strukturen ablaufen zu lassen, die bis auf die atomare Ebene spezifiziert sind. Das
Resultat dieser mechanischen Ingenieurwissenschaft auf der atomaren Ebene it:it eine nicht
biologische3'molekulare Nanotechnologie' [DRE92]' die als wesentliche Elemente mechanisch
gesteuerte chemische Synthese (z.B. direkte Positionierung von reaktiven MolekUlen auf
einer Oberflache) und molekulare Transformation chemischer in kinetische Energie (z.B.
mittels synthetischer molekularer Aktuatoren und Motoren). Andererseits laBt sich auch in
einem Mimikry biologischer Entwicklung auf atomarer oder molekularer Ebene die Richtung
eines selbstandig ablaufenden System-Aufbaus vorgeben. Dieses Prinzip der 'Selbstorgani
sation' [TRE94] ist nicht auf biologische Systeme beschrankt4, sondern ist prinzipiell auf
beliebige atomare oder molekulare Architekturen anwendbar. Ein weiterer entscheidender
Vorteil des 'bottom-up'-Ansatzes gegeni.iber dem 'top-down'-Ansatz ist seine massive Par
allelitat. Jedes Produkt-Mol besteht aus einigen 1023 einzelnen Nano-Systemen.
Eine grundlegende Frage vor jeder Beschaftigung mit der'Nanowelt' lautet, inwieweit sich
das Verhalten makroskopischer Objekte auf dasjenige mikro- oder nanoskopischer Objekte
i.ibertragen laBt. In anderen Worten: inwieweit konnen physikalische oder chemische Ge
setzmaBigkeiten der makroskopischen Welt auf Objekte i.ibertragen werden, die aus einer
abzahlbaren Anzahl von Atomen bestehen und deren Abstande voneinander abzahlbare
Vielfache des Durchmessers von Atomen betragen. Man findet z.B., daB in der Nanowelt das
Gleichgewicht der Krafte gegeni.iber der makroskopischen Welt verschoben ist: aufgrund der
geringen Masse der Objekte spielt die Gravitationskraft eine untergeordnete Rolle, wahrend
elektrostatische Anziehung und van der Waals-Krafte groBe Bedeutung haben. Der Druck
nimmt aufgrund der geringen Flache schon bei geringen Kraften sehr groBe Werte an - dies
betrifft auch den durch Licht ausgei.ibten Strahlungsdruck; Photonen konnen ungebundene
Nanoobjekte mit ihrer geringen Masse sehr leicht aus der Bahn werfen.
Mochte man nanoskalierte Objekte gezielt an einen bestimmten Ort mit einer definierten
Geschwindigkeit bewegen, so muB neben der quantenmechanischen Unscharferelation auch
die zufallige Bewegung der Nanoobjekte, induziert durch die Umgebungswarme, beri.icksich
tigt werden (,Brownsche Bewegung'). Die thermische Geschwindigkeit ist proportional der
Wurzel aus dem Quotienten aus thermischer Energie und Masse. Fi.ir einen Kubiknanometer
Diamant (Dichte 3.5.103 kg/m3) ergibt sich bei Raumtemperatur eine mittlere thermische
Geschwindigkeit von etwa 60 mis, also 60x1Q9 nm/s.
Beim Zusammenspiel zweier Objekte auf der Nanometer-Ebene ist zu beri.icksichtigen, daB
die klassischen Schmiermittel nicht mehr funktionieren konnen, da die Fli.issigkeiten ihre
Viskositat im Grenzbereich zur Oberflache verlieren und sich ggf. nicht mehr als Fli.issigkei
ten verhalten: die Reibung sollte also zu einem starken Materialabtrag fi.ihren und damit
zu einer sehr geringen Lebensdauer nanoskalierter Maschinerie. Allerdings zeigt sich, daB
diese Problematik bei einer genaueren Betrachtung der auf die Oberflachen einwirkenden at
traktiven und repulsiven MolekUlkrafte an Stelle einer Beschreibung vermittels klassischer
Roll-, Gleit- und Haftreibung an Bedeutung verliert. Auch Nanomaschinerie kann somit
3Die aber dennoch sehr weitreichende Implikationen z.B. fUr eine ganz neue Art von medizinischer Diagnose
und Therapie hat, siehe [FRE99].
4Biologie spielt sich in der wassrigen Phase ab und handelt von 'weichen' Materialien, deren Energien von der
GroBenordnung kBT sind. Schon geringe Temperaturanderungen resultieren hier in groBen Strukturande
rungen. Selbstorganisation findet sich aber auch in physikalisch oder chemisch viel starker gebundenen
Systemen, z.B. in der gesamten supramolekularen Chemie.
