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

r m

it n

an

o p

ro J

ah

r

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

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

Abm

ess

ung

[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

100

101

102

103

104

105

Mill

iard

en

US

$

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

60

80

100

Ge

win

n [%

]

Jahr

Erzielbarer Gewinn: %100.

[%]

Markt

InvestMarktGewinn

1985 1990 1995 2000 2005 20100

500

1000

1500

2000 Datenbank INSPEC

Derzeit: Zunahme um ca. 260 Paper pro Jahr

Pap

er m

it na

no p

ro J

ahr

Jahr

Vergleich: Publikationen-Förderprogramme

Förderung der Nanotechnologie

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

6500

7000

For

schu

ngsa

usga

ben

[Mill

.$ p

ro J

ahr]

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

rsch

un

gsa

usg

ab

en

[Mill

. $]

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

nerg

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

eis

tun

gsd

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

hn

m

pE

L

chncpE

ikxeL

nk2

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

ag

no

n E

ne

rgie

[cm

-1]

Größe n

Clustergröße n x n

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

Neé

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