Überblick Über die terminologie der nanotechnologie...

MICHAEL HIRNER

ÜBERBLICK ÜBER DIE TERMINOLOGIE DER NANOTECHNOLOGIE (DT.-ENGL.)

Diplomarbeit zur Erlangung des Magistergrades der Philosophie aus der Studienrichtung

Übersetzerausbildung eingereicht an der Universität Wien

Wien, 2005

Danksagung Dank ernten: Vater Staat für sein Stipendium, meine Eltern, ohne die ich von vornherein gar nicht auf der Welt wäre und somit unter keinen Umständen diese Diplomarbeit hätte schreiben können, Herr Professor Budin für seine unerschütterliche konstruktive Einstellung, Hr. Dipl.-Ing. Dimitrios Kornthaler für fachliche Hilfestellungen, Gernot Klingler, meinem persönlichen Netzwerktechniker und Software-Experten, Microsoft Corporation, deren Produkte ich bei der Erstellung meiner Arbeit nutzte (bzw. nutzen musste) und mangels derer ich nie Hrn. Klingers Bekanntschaft gemacht hätte.

Dem Fortschritt der Menschheit gewidmet

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung .......................................................................................................................... 1 1.1 Zielsetzungen und Ausgangspunkte........................................................................... 1 1.2 Das Modewort Nanotechnologie................................................................................ 1 1.3 Eine Definition von Nanotechnologie........................................................................ 3 1.4 „top-down“ und „bottom-up“..................................................................................... 3 1.5 Geschichte .................................................................................................................. 4 1.6 Forschungsaufkommen .............................................................................................. 4 1.7 Marktvolumen ............................................................................................................ 5 1.8 Anwendungsfelder ..................................................................................................... 6

2 Chemische Bindungen...................................................................................................... 7 2.1 Einleitung ................................................................................................................... 7 2.2 Kovalente Bindung..................................................................................................... 7 2.3 Ionenbindung.............................................................................................................. 8 2.4 Komplexbindung........................................................................................................ 8 2.5 Metallbindung ............................................................................................................ 9 2.6 Van-der-Waals-Wechselwirkungen ........................................................................... 9

2.6.1 Dispersionseffekt.................................................................................................... 9 2.6.2 Dipoleffekt ........................................................................................................... 10 2.6.3 Induktionseffekt ................................................................................................... 10 2.6.4 Eigenschaften ....................................................................................................... 10

2.7 Wasserstoffbrückenbindung..................................................................................... 11

3 Relevantes aus der Festkörperphysik........................................................................... 12 3.1 Größenabhängigkeit von Eigenschaften................................................................... 12 3.2 Kristalliner und amorpher Zustand .......................................................................... 12 3.3 Isotropie und Anisotropie......................................................................................... 12 3.4 Kristalldefekte .......................................................................................................... 13

3.4.1 Punktdefekte......................................................................................................... 13 3.4.1.1 Eigendefekt.................................................................................................... 13 3.4.1.2 Fremddefekt .................................................................................................. 14

3.4.2 Liniendefekte........................................................................................................ 14 3.4.3 Flächendefekte ..................................................................................................... 14 3.4.4 Volumendefekt ..................................................................................................... 15

3.5 Bändermodell ........................................................................................................... 16 3.5.1 Dotierte Halbleiter................................................................................................ 16

4 Über die Mikro- zur Nanotechnik ................................................................................ 18 4.1 Planartechnik............................................................................................................ 18 4.2 Nasschemische Beschichtungstechniken ................................................................. 18

4.2.1 Tauchbeschichtung............................................................................................... 19 4.2.2 Schleuderbeschichtung......................................................................................... 19 4.2.3 Sprühbeschichtung ............................................................................................... 20 4.2.4 Galvanostegie ....................................................................................................... 21

4.2.4.1 Elektrolytische Abscheidung......................................................................... 21 4.2.4.2 Außenstromlosen Abscheidung..................................................................... 22

4.2.5 Sol-Gel-Technik ................................................................................................... 22 4.3 Chemische Gasphasenabscheidung (CVD).............................................................. 23

4.3.1 Thermische CVD.................................................................................................. 24

4.3.2 Plasma-unterstützte CVD (PECVD) .................................................................... 25 4.3.3 Laser-unterstützte CVD (LACVD) ...................................................................... 25 4.3.4 Photo-CVD........................................................................................................... 26

4.4 Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD).......................................................... 26 4.4.1 Vakuumbedampfung ........................................................................................ 27 4.4.2 Sputterbeschichtung ............................................................................................. 28 4.4.3 Ionenimplantation................................................................................................. 30 4.4.4 Ionenstrahlgestützte Abscheidung (IBAD) .......................................................... 31 4.4.5 Clusterbeschichtung ............................................................................................. 31

4.5 Epitaxie..................................................................................................................... 32 4.5.1 Bedeutung der Epitaxie ........................................................................................ 32 4.5.2 Epitaktisches Wachstum ...................................................................................... 33 4.5.3 Molekularstrahlepitaxie (MBE) ........................................................................... 34

4.6 Ätztechniken............................................................................................................. 35 4.6.1 Isotropes und anisotropes Ätzen .......................................................................... 35 4.6.2 Reaktives Gasätzen .............................................................................................. 36 4.6.3 Plasmaätzen.......................................................................................................... 36 4.6.4 Lasergestütztes Ätzen........................................................................................... 37 4.6.5 Sputterätzen.......................................................................................................... 38 4.6.6 Reaktives Ionenätzen (RIE) ................................................................................. 38 4.6.7 Ionenstrahlätzen (IBE) ......................................................................................... 38

4.7 Schichtstrukturierung durch Photolithographie ....................................................... 40 4.7.1 Photolithographie ................................................................................................. 40 4.7.2 Funktion des Resists............................................................................................. 40 4.7.3 Schattenprojektion................................................................................................ 41

4.7.3.1 Kontaktbelichtung ......................................................................................... 41 4.7.3.2 Proximity-Belichtung .................................................................................... 42

4.7.4 Projektionsbelichtung........................................................................................... 42

5 Spezifische Techniken zur Nanostrukturierung.......................................................... 44 5.1 Nanolithographische Verfahren ............................................................................... 44

5.1.1 EUV- und Röntgenlithographie ........................................................................... 44 5.1.2 Nanolithographie mit geladenen Teilchen ........................................................... 45

5.1.2.1 Elektronenstrahl-Lithographie ...................................................................... 46 5.1.2.2 Ionenstrahllithographie.................................................................................. 46

5.1.3 Atomstrahllithographie......................................................................................... 47 5.2 Mikrokontaktdrucken ............................................................................................... 48 5.3 Nano-Prägelithographie ........................................................................................... 49 5.4 Molekulares Prägen.................................................................................................. 49 5.5 Nahfeldsondenlithographie ...................................................................................... 50

5.5.1 Elektrochemische Strukturierung......................................................................... 50 5.5.2 Mechanische Strukturierung ................................................................................ 51 5.5.3 Dip-Pen-Nanolithographie ................................................................................... 51

5.6 Atomare/ Mol. Top-down-Manipulation.................................................................. 52 5.6.1 Manipulation mit Rastersonden ........................................................................... 52 5.6.2 „Optische Pinzette“ .............................................................................................. 54 5.6.3 Nanopinzette......................................................................................................... 55

5.7 Der Bottom-up-Ansatz ............................................................................................. 55 5.7.1 Moleküldesign...................................................................................................... 56 5.7.2 Moleküle als Bausteine ........................................................................................ 56 5.7.3 Nanostrukturierte Makromoleküle durch Polymerisation.................................... 56 5.7.4 Supramoleküle und Selbstorganisation ................................................................ 59

6 Mess- und Analysetechniken ......................................................................................... 61 6.1 Einleitung ................................................................................................................. 61 6.2 Optische Mikroskopie .............................................................................................. 61

6.2.1 Einfache Lichtmikroskopie .................................................................................. 61 6.2.2 Modifikationen der Lichtmikroskopie ................................................................. 63

6.3 Elektronenmikroskopie ............................................................................................ 65 6.3.1 Transmissionselektronen-Mikroskopie (TEM) .................................................... 65 6.3.2 Rasterelektronenmikroskopie (SEM)................................................................... 66

6.4 Röntgenmikroskopie ................................................................................................ 66 6.5 Rastersondenmikroskopien (SXM).......................................................................... 67

6.5.1 Einleitung ............................................................................................................. 67 6.5.2 Rastertunnelmikroskopie (STM).......................................................................... 67 6.5.3 Rasterkraftmikroskopie (AFM)............................................................................ 69 6.5.4 Chemische Kraftmikroskopie............................................................................... 70 6.5.5 Nahfeld-Mikroskopie (NSOM) ............................................................................ 70 6.5.6 Photonische Kraftmikroskopie............................................................................. 71

6.6 Spektroskopien ......................................................................................................... 72 6.6.1 Einleitung ............................................................................................................. 72 6.6.2 Optische Spektroskopie........................................................................................ 73 6.6.3 Röntgenspektroskopie .......................................................................................... 73 6.6.4 Photoelektronen-Spektroskopie ........................................................................... 74 6.6.5 Augerelektronen-Spektroskopie (AES)................................................................ 75 6.6.6 Raman-Spektroskopie .......................................................................................... 75 6.6.7 Niederenergetische Elektronenbeugung (LEED)................................................. 76 6.6.8 Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) ..................................................... 77 6.6.9 Kernresonanz-Spektroskopie (NMR)................................................................... 78

7 Elementare Nanostrukturen.......................................................................................... 79 7.1 Einleitung ................................................................................................................. 79 7.2 Unterschied von „Nanostruktur“ und „Nanopartikel“ ............................................. 79 7.3 Unterschied von Nano- und Quantenstrukturen....................................................... 80 7.4 Quantenstrukturen .................................................................................................... 81

7.4.1 Leitungselektronen und Dimensionalität ............................................................. 81 7.4.2 Quantentöpfe (2D)................................................................................................ 81 7.4.3 Quantendrähte (1D).............................................................................................. 82 7.4.4 Quantenpunkte (OD) ............................................................................................ 83 7.4.5 Quanten-Gehege................................................................................................... 84

7.5 Monoschichten ......................................................................................................... 86 7.5.1 Langmuir-Blodgett-Filme .................................................................................... 86 7.5.2 Selbstorganisierte Monoschichten (SAMs).......................................................... 87 7.5.3 Schichtstapel......................................................................................................... 88

7.6 Cluster ...................................................................................................................... 89 7.6.1 Einleitung ............................................................................................................. 89 7.6.2 Größenabhängige Eigenschaften.......................................................................... 89 7.6.3 Hohe Reaktivität................................................................................................... 90 7.6.4 Magische Zahlen .................................................................................................. 90 7.6.5 Herstellung ........................................................................................................... 90

7.7 Fullerene................................................................................................................... 91 7.7.1 Buckminsterfullerene ........................................................................................... 91

7.7.1.1 Entdeckung.................................................................................................... 91 7.7.1.2 Struktur.......................................................................................................... 92 7.7.1.3 Herstellung .................................................................................................... 93

7.7.1.4 Eigenschaften ................................................................................................ 93 7.7.2 Kohlenstoff-Nanoröhren ...................................................................................... 94

7.7.2.1 Entdeckung.................................................................................................... 94 7.7.2.2 Struktur.......................................................................................................... 94 7.7.2.3 Herstellung .................................................................................................... 95 7.7.2.4 Eigenschaften ................................................................................................ 96

7.7.3 Kohlenstoffzwiebeln ............................................................................................ 96 7.8 Biologische Bausteine .............................................................................................. 98

8 Nanosysteme ................................................................................................................... 99 8.1 Einleitung ................................................................................................................. 99 8.2 Nanoelektronik ......................................................................................................... 99

8.2.1 Die Weiterentwicklung der Mikroelektronik ....................................................... 99 8.2.2 Einzel-Elektronen-Transistor (SET) .................................................................. 100 8.2.3 Bauteile aus CNTs.............................................................................................. 101 8.2.4 Schaltbare Moleküle........................................................................................... 103 8.2.5 Zelluläre Quantenautomaten (QCAs)................................................................. 105 8.2.6 Nanozellen.......................................................................................................... 107 8.2.7 DNA-Computing................................................................................................ 107

8.3 Nanoelektromechanische Systeme (NEMS) .......................................................... 109 8.3.1 top-down hergestellte NEMS............................................................................. 109

8.3.1.1 Von MEMS zu NEMS ................................................................................ 109 8.3.1.2 Funktionsblöcke .......................................................................................... 110

8.3.1.2.1 Sensoren ............................................................................................... 110 8.3.1.2.2 Elektronik ............................................................................................. 111 8.3.1.2.3 Aktoren................................................................................................. 111

8.3.1.3 Bsp. eines top-down NEMS nach weiterer Def. ......................................... 112 8.3.1.4 Bsp. eines top-down NEMS nach engerer Def. .......................................... 112

8.3.2 Molekulare NEMS ............................................................................................. 113 8.3.2.1 Einleitung .................................................................................................... 113 8.3.2.2 Energiezufuhr .............................................................................................. 114 8.3.2.3 Fortbewegung.............................................................................................. 114 8.3.2.4 Steuerung..................................................................................................... 114 8.3.2.5 Koordination................................................................................................ 115 8.3.2.6 Molekulare Sensoren................................................................................... 115 8.3.2.7 Mol. passive Bauteile .................................................................................. 116 8.3.2.8 Mol. Aktoren (bzw. Motoren/Maschinen/NEMS) ...................................... 117

8.3.2.8.1 Mechanisch verbundene Moleküle....................................................... 117 8.3.2.8.1.1 Einleitung ...................................................................................... 117 8.3.2.8.1.2 Rotaxane........................................................................................ 117 8.3.2.8.1.3 Pseudorotaxane.............................................................................. 119 8.3.2.8.1.4 Catenane ........................................................................................ 119

8.3.2.8.2 Cis-Trans-Isomere................................................................................ 120 8.4 Biomimetische Systeme ......................................................................................... 121

8.4.1 Einleitung ........................................................................................................... 121 8.4.2 Molekulare Aktoren aus biol. Bestandteilen ...................................................... 122 8.4.3 Hybride Biomotoren........................................................................................... 122

8.4.3.1 Einleitung .................................................................................................... 122 8.4.3.2 lineare Biomotoren...................................................................................... 123 8.4.3.3 Rotierende Biomotoren ............................................................................... 124

9 Nanotechnologie von Übermorgen? ........................................................................... 126 9.1 Einleitung ............................................................................................................... 126

9.2 Das Konzept des Molekülassemblers..................................................................... 126 9.3 Produktion mit Assemblern.................................................................................... 127 9.4 Gefahren ................................................................................................................. 127 9.5 Entkräftungen des Assembler-Konzepts ................................................................ 130

10 Grundlagen der Terminologiearbeit ...................................................................... 131 10.1 Terminologiearbeit ................................................................................................. 131 10.2 Begriff .................................................................................................................... 131 10.3 Begriffsystem ......................................................................................................... 132 10.4 Benennung.............................................................................................................. 133

10.4.1 Benennungsbildung........................................................................................ 134 10.4.2 Terminologisierung ........................................................................................ 134 10.4.3 Wortzusammensetzung .................................................................................. 134 10.4.4 Wortableitung................................................................................................. 135 10.4.5 Konversion ..................................................................................................... 135 10.4.6 Entlehnung ..................................................................................................... 135 10.4.7 Lehnübersetzung ............................................................................................ 136 10.4.8 Kurzformen .................................................................................................... 136 10.4.9 Neubildung ..................................................................................................... 137

10.5 Definition ............................................................................................................... 137 10.6 Äquivalenz ............................................................................................................. 138 10.7 Hürden.................................................................................................................... 138

11 Glossar....................................................................................................................... 140 11.1 Auswahlkriterien von Termini, Definitionen und Quellen .................................... 140 11.2 Datenkategorien im Eintragsmodell....................................................................... 140 11.3 Glossar.................................................................................................................... 141

Überblick über die Terminologie der Nanotechnologie – Einleitung 1

1 Einleitung 1.1 Zielsetzungen und Ausgangspunkte Abhängig von ihrem Bedeutungsumfang wird Nanotechnologie oft als eine der zukunftsweisenden Technologien des 21. Jahrhunderts bezeichnet, manche Forscher sehen in ihr die Technologie der Zukunft. Meine Diplomarbeit beinhält im Wesentlichen zwei Zielsetzungen: 1. Die Ordnung von Information bezüglich des Fachgebiets bzw. Fachgebietskonglomerats Nanotechnologie, was zu einer Informationsstruktur bzw. einem Begriffssystem führt. 2. Die Erarbeitung von deutscher und englischer Terminologie an Hand des erstellten Begriffssystems (d.h. keine einfachen Wortfeldanalysen). Ich beschreibe das Fachgebiet der Nanotechnologie von einem struktur- und systemtechnischen Standpunkt und klammere damit die Nanomaterialtechnik, die nanometergroße Partikel verwendet, aus (Klassische Nanomaterialien wie Ruß, Pigmente oder SiO2, oft allerdings über 100 nm groß, werden in einigen Fällen schon seit Jahrzehnten industriell verwendet). Ein weiterer Ausgangspunkt in meiner Betrachtung der Nanotechnologie ist die Planartechnik, was vor allem den Biotechnologien einen eigenen Platz zuweist. Generell wurde etablierten Einzeltechnologien vor den weniger etablierten Vorrang gegeben. Ein großes Anliegen war mir die Identifizierung deutscher Benennungen – besonders in den Fachsprachen steht das Deutsch ja durch die zunehmende Internationalisierung und andere Einflüsse auf verlorenem Posten. Die definierten Termini, die zum Großteil das Grundgerüst der Arbeit darstellen, wurden im Text je am Anfang eines Kapitels, bei Abbildungen und im Glossar kursiv hervorgehoben und können im Glossar (Kap. 11.3) nachgeschlagen werden. Ein zweisprachiger Terminologievergleich entfällt weitgehend wegen der starken Ähnlichkeit der Begriffssysteme in beiden Sprachen, wie es in modernen naturwissenschaftlichen Disziplinen oft der Fall ist. Ich wünsche Ihnen eine interessante Lektüre. 1.2 Das Modewort Nanotechnologie In den letzten zehn Jahren ist die Nanotechnologie zu einer der vordersten Fronten in der Technik, Physik, Chemie und Biologie geworden1. Gleichzeitig ist „Nanotechnologie“ bzw. im Englischen „nanotechnology“ zu einem Modewort verkommen, nachdem sie als nächster technologischer Durchbruch ähnlich dem Dot-com-Rummel gehandelt wurde2.

1 Poole/ Owens (2003:xi) 2 http://www.faz.net [2005-07-08]


Aus der Bezeichnung „Nanotechnologie“, und zwar besonders von dem Präfix „nano“3, konnte Profit gezogen werden: Anleger bewerteten an der Börse notierte Unternehmen, die in ihre Namen ein „nano“ einbrachten, prinzipiell besser als vorher, zudem qualifizierten sich diese Unternehmen dadurch zum Teil auch für Zuschüsse aus Technologiefonds; dasselbe gilt für wissenschaftliche Abhandlungen, in deren Überschriften aus Adjektiven wie „molekular“, „submikroskopisch“ und dgl. gerne ein „nano-“ wird. Die Medien profitieren automatisch von dem Rummel, den sie mitgeschaffen haben.4 Im Bereich Nanomaterialien, wie z.B. Oberflächenbeschichtungen, Textilien, und Kosmetika, sind die darin enthaltenen Partikel oft über 100 nm groß5 und somit nicht in dem für die Nanotechnologie charakteristischen Größenbereich (Abb.1). Die „Marke“ „nano“ scheint in den ersten beiden Anwendungsgebieten die Bedeutung von „(modern und) wasserabweisend“ bzw. „wasserdicht“ angenommen zu haben6.

Abb.1: Skala mit für bestimmte Größenordnungen typischen Objekten7 Die Überverwendung der Bezeichnung „Nanotechnologie“ führte also dazu, dass der Begriff „Nanotechnologie“ in der Öffentlichkeit „breitgetreten“ wurde. Im nächsten Kapitel wird eine wissenschaftliche, wenn auch notwendigerweise willkürliche, Definition von Nano-technologie angeboten.

3 aus dem Altgriechischen nanos = Zwerg, der 109te Teil einer physikalischen Einheit (Duden D-U (2003)); „andere „beliebte“ Präfixe: in den 80ern „mikro“ (wie in Microsoft), in den 90ern „e“ (wie in eBanking) 4 Tech. Review (2004:23ff) und The Econ. Tech. Quarterly (2003:21) 5 z.B. http://www.ibu-tec.de [2005-07-08] 6 http://www.nanobag.com [2005-07-08] 7 http://www.fz-rossendorf.de/Lehrer/Fortb05/bschmidt.pdf [2005-09-09]


1.3 Eine Definition von Nanotechnologie Nanotechnologie ist ein Sammelbegriff für verschiedenartigste Technologien, die sich mit Strukturen und Prozessen auf der Nanometerskala befassen. Bis heute existiert jedoch keine allgemein anerkannte Definition von Nanotechnologie – es hängt davon ab, „wen“ man fragt.8 Im Zuge meiner Recherchen fand ich, dass es so etwas wie einen Konsens über das, was Nanotechnologie sein soll, gibt. Die folgende Definition reflektiert meines Erachtens diesen Konsens:

„1. Nanotechnologie befasst sich mit Strukturen, die in mindestens einer Dimension kleiner als 100 nm sind. 2. Nanotechnologie macht sich charakteristische Effekte und Phänomene zunutze, die im Übergangsbereich zwischen atomarer und mesoskopischer Ebene auftreten. 3. Nanotechnologie bezeichnet die gezielte Herstellung und/oder Manipulation einzelner Nanostrukturen9 und deren Anwendung als System10.“

Diese Definition kann 1:1 für das englische „nanotechnology“ verwendet werden. Zu beachten ist, dass der englische Begriff „technology“ weiter gefasst ist als der deutsche Begriff „Technologie“.11 Es ist deshalb legitim, wo im Englischen von „nanotechnology“ die Rede ist, im Deutschen auch von Nanotechnik zu sprechen. Umgekehrt sollte man für den viel selteneren (und neueren) englischen Begriff „nanoengineering“, der die Anwendung der Nanowissenschaft darstellt und zugleich den Unterschied zur Nanowissenschaft herausstreicht, den im Deutschen etwas weiteren Begriff „Nanotechnik“ verwenden. In Anbetracht des derzeitigen Entwicklungsstands der „Nanotechnologie“ wäre es streng genommen angebrachter, stattdessen die Bezeichnungen Nanowissenschaft und „Protonanotechnologie“12 zu verwenden. 1.4 „top-down“ und „bottom-up“ Es gibt prinzipiell zwei Strategien, um in den Nanobereich vorzustoßen. Auf der einen Seite steht der so genannte „Top-down“ (=von oben nach unten)-Ansatz, der hauptsächlich von der Physik und der physikalischen Technik ausgeht. Hier wird anhand der Mikrotechnik versucht, Strukturen und Systeme immer weiter zu miniaturisieren. Dem entgegengesetzt steht der „Bottom-up“ (=von unten nach oben)-Ansatz, auch als „Legoprinzip“ bezeichnet, der der molekularen Nanotechnologie entspricht: dabei werden komplexe Strukturen gezielt aus molekularen (und sehr selten atomaren) Bausteinen zusammengesetzt. Diesen Ansatz kann man tendenziell der Chemie und Biologie zuschreiben, wo der Umgang mit nanometergroßen Objekten seit langem vertraut ist.13 Allerdings ist die konventionelle Chemie nicht in der

8 Spektrum d.W.S. (2001:8) 9 Paschen et al. (2003) 10 Bachmann (1998:1) 11 Mau (2002:2) 12 Lampton (1993:142) 13 Paschen et al. (2003)


Lage, 100%ige Ausbeuten bei Reaktionen (d.h. 100%ig reine Endprodukte) und größere präzise und komplexe dreidimensionale Nanostrukturen zu erzielen. Die Biologie wiederum ist an bestimmte Rahmenbedingungen und Expressionsmechanismen für Proteine gebunden.14 1.5 Geschichte Von der Natur praktizierte „Nanotechnologie“ existiert spätestens seit dem Erscheinen der ersten lebenden Zelle vor 3,5 Millionen Jahren15. Doch schon die Römer wandten unbewusst „Nanotechnologie“ an: So entsteht das besondere Farbenspiel des römischen Lycurgus-Pokals durch die Anwesenheit von 70 nm großen Metallclustern, die aus je sieben Teilen Silber und drei Teilen Gold bestehen.16 Nach bedeutenden wissenschaftlichen und technischen Fortschritten, wie z.B. Einsteins Bestimmung der Moleküldimensionen und dem Elektronenmikroskop, hält 1959 der amerikanische Wissenschaftler Richard Feynman seinen berühmten Vortrag über die Aussichten der Miniaturisierung „There’s plenty of room at the bottom“17. Ohne noch den Begriff „Nanotechnologie“ zu verwenden, stellte er die Möglichkeit in den Raum, makroskopische als auch winzige Werkzeuge zu entwickeln, um Atome und Moleküle „direkt“ zu manipulieren.18 Erst 1974 kommt Norio Taniguchi auf die Idee, Herstellungsmethoden mit Abweichungen unter einem Mikrometer als „Nanotechnologie“ zu bezeichnen. Richtig populär wurde die Nanotechnologie durch Eric Drexlers futuristisches Buch „Engines of Creation“ 1986. Weitere technologische Durchbrüche wie das „Schreiben“ mit einzelnen Atomen (1989 durch Don Eigler) und die Entdeckung der Kohlenstoff-Nanoröhren (1991) ziehen vor allem das Interesse von Wirtschaft und Regierung auf sich.19 1.6 Forschungsaufkommen Der hohe Grad an Interdisziplinarität in der Nanotechnologie legt es nahe, Forschungs-sektoren und -aktivitäten zu bündeln. Spätestens mit der Anerkennung der Nanotechnologie durch die Politik begannen die wichtigsten Industrienationen der Welt, Netzwerke von Technologiezentren zu schaffen und immer finanzkräftigere interdisziplinäre Forschungsprogramme aufzulegen (Abb. 2).20

14 Drexler/ Peterson/ Pergamit (1994:76ff) und http://www.eet.com/story/OEG20020215S0063 [2005-07-10] 15 Spektrum d.W.S. (2001:6) 16 Ilfrich (2003:9) 17 Spektrum d.W.S. (2001:6f) 18 Goddard III et al. (2003:1-1ff) 19 Spektrum d.W.S. (2001:6f) 20 Spektrum d.W.S. (2001:6)


Abb. 2: Die Förderung der Nanotechnologie in den verschiedenen Ländern nimmt zu21 Mit dem „21st Century Nanotechnology Research and Development Act“ bescherte Bush der Forschung Förderungen in Höhe von USD 850 Mio. 2004.22 Die EU bildete in ihrem 6. Rahmenprogramm für Forschung und Entwicklung (2002 – 2006) zum ersten Mal einen eigenen Förderschwerpunkt für Nanotechnologie auf europäischer Ebene.23 In Österreich unterstützte das 2004 gestartete nationale Förderprogramm „NANO Initiative“ Verbundprojekte mit rund elf Millionen Euro.24 Im internationalen Vergleich sind die USA, Japan und Deutschland in Forschung und Entwicklung führend. Eine wesentliche Rolle spielen auch Frankreich, Russland, Israel und die Schweiz.25

1.7 Marktvolumen Der Nanomarkt kann in drei große Segmente eingeteilt werden: Nanowerkzeuge, Nanowerkstoffe und Nanosysteme. Laut dem Marktforschungsunternehmen BBC hätten die drei Segmente 2003 ein Volumen von gut USD 7,5 Milliarden und sollen bis 2008 auf fast 29 Milliarden wachsen. Nach der optimistischen Schätzung der amerikanischen National Science Foundation soll die bis 2015 entstandene Nanoindustrie USD 1 Billion umfassen. Nur wird die Größe künftiger Nano-Produktmärkte in vielen Studien stark übertrieben. Bei Kohlenstoff-Nanoröhren bekommt man z.B. enorme Wachstumsraten, weil der Markt von einem ganz niedrigen Niveau startet. Allerdings wird auch nicht alles was man eigentlich zur Nanotechnologie zählen könnte auch als solche deklariert. So z.B. das in der Halbleiter-

21 Tech. Review (2004:34) 22 Tech. Review (2004:24) 23 http://www.nanotechnologiepolitik.de/nanopol.htm [2005-07-10] 24 http://www.die-wirtschaft.at/ireds-10632.html [2005-07-10] 25 http://www.nanotechnologiepolitik.de/nanopol.htm [2005-07-10]


Industrie seit Jahren übliche chemisch-mechanische Polieren von Wafern mit Nanopartikeln.26 Anscheinend sind die derzeit steigenden Fördervolumina die einzige Messelatte für die erwarteten Profite.27 1.8 Anwendungsfelder Der Entwicklungsstand von Anwendungen (Produkten) und Produktideen der Nanotechnologie sind insgesamt sehr unterschiedlich. Eine Reihe von Anwendungen befindet sich bereits in der Phase der Realisierung, wobei es sich eher um Top-down-Ansätze handelt. „Revolutionäre“ Anwendungen, die wahrscheinlich Bottom-up-Ansätze nutzen werden, sind erst mittel- bis langfristig zu erwarten.28 Da Nanotechnologie gewissermaßen alle Technologien im Bereich von 1-100 nm betrifft, würde eine auch nur ansatzweise Darstellung all ihrer Anwendungsfelder jeden Rahmen sprengen. Im Folgenden beschränke ich mich auf eine knappe Auflistung zusammen mit einem Anwendungsbeispiel: Oberflächenfunktionalisierung und –veredelung: „selbstreinigende“ Oberflächen Katalyse, Chemie und Werkstoffsynthese: katalytische Nanopartikel Energieumwandlung und –nutzung: Kohlenstoff-Nanoröhren als Wasserstoff-Speicher Bauwesen: Verstärkung von Baustoffen durch Hinzufügen nanoskaliger Teilchen Nanosensoren und –aktoren: Lab-on-a-Chip-Systeme Informationsverarbeitung und –übermittlung: Logik- und Speicherbausteine aus Quantenpunkten und -drähten Lebenswissenschaften: Verbesserungen bei medizinischer Diagnose und Therapie Sicherheit und Rüstung: unbemannte bzw. autonome Systeme Automobilindustrie: katalytische Nanopartikel als Zusatz in Kraftstoffen Luft- und Raumfahrt: thermalgeschützte, leichtgewichtige, hochfeste Hüllenmaterialien Textilindustrie: Verbesserung der Textilmaterialien, z.B. Knitterschutz, oleo- und glz. hydrophobe Oberflächen29

26 Tech. Review (2004:24ff) 27 http://www.die-wirtschaft.at/ireds-10632.html [2005-07-10] 28 Paschen et al. (2003) 29 ebd.

Chemische Bindungen 7

2 Chemische Bindungen 2.1 Einleitung Neben der elementaren Zusammensetzung bestimmen die Wechselwirkungen zwischen Atomen, Atomgruppen, Ionen und Molekülen (Bindungstypen) die Eigenschaften eines Materials. In der klassischen Technik können Bindungstypen als kollektives Phänomen aufgefasst und zumeist indirekt durch allgemeine Materialeigenschaften beschrieben werden. Bei abnehmender Strukturgröße treten jedoch Oberflächen- und Grenzflächeneigenschaften hervor, bis auf Nanometerebene sogar einzelne Bindungen nicht mehr gegenüber der Summe aller Bindungen eines Systems vernachlässigbar sind. Insofern ist die Kenntnis der Bindungsverhältnisse in einem mikro- und besonders nanotechnischen Bauelement essenziell für dessen Funktion. Im Gegensatz zur klassischen Synthesechemie sind nicht nur die starken, sondern gerade auch mittlere und schwächere Bindungen ganz wesentlich für die Nanotechnologie;1 sie sind einerseits reversibel, d.h. mit geringem Energieaufwand umkehrbar, und nehmen in Summe großen Einfluss auf molekulare und supramolekulare Geometrien.2 2.2 Kovalente Bindung Wenn Atome mit geringer Elektronegativitätsdifferenz eine Bindung eingehen, bilden sie aufgrund der ähnlich starken Anziehungskräfte auf die Elektronen ein gemeinsames Elektronenpaar, so dass nach außen hin Edelgaskonfiguration erreicht wird.3 Aus diesem Grund wird die kovalente Bindung oder Atombindung auch Elektronenpaarbindung genannt. Die Bindungselektronen werden also Teil der Elektronenhüllen beider Atome. Aus den beiden Atomorbitalen entsteht ein gemeinsames Molekülorbital, das die Atome gleichmäßig umgibt. Da es hierbei meistens zu keiner bzw. nur zu einer geringen Ladungsverschiebung, im Gegensatz zur Ionenbindung, kommt, nennt man diesen Bindungstyp auch homöopolar bzw. unpolar. Atombindungen treten nur zwischen Atomen mit mehr oder weniger elektronegativen Charakter auf sind also typisch für Nichtmetallatome und somit besonders bedeutsam für die organischen Verbindungen. Entsprechend der Oktettregel, nach der Atome bestrebt sind, ihre äußere Elektronenschale mit entweder 8 Elektronen oder gar keinen Elektronen zu füllen, um so eine besonders stabile Edelgaskonfiguration zu erhalten, bestimmt die Anzahl der Außenelektronen die Anzahl der möglichen Bindungen. So muss z.B. Kohlenstoff mit vier Außenelektronen vier Bindungen eingehen.4 1 Köhler (2001:14f) 2 Schulenburg (1995:126f) 3 http://www2.chemie.uni-erlangen.de/projects/vsc/chemie-mediziner-neu/bindung/atombindung.html [2005-07-10] 4 http://www.uniterra.de/rutherford/kap012.htm [2005-07-10]


Neben der Anzahl der pro Atom möglichen Bindungen, werden durch diese Regel auch deren Winkel festgelegt. So ergeben sich für zweibindige Atome lineare oder gewinkelte Strukturen, für dreibindige trigonal-planare oder trigonal-pyramidale Strukturen, für vierbindige tetraedische oder quadratisch-planare Strukturen usw.5 Aus den drei Eigenschaften „Bindigkeit“ (Anzahl der Bindungen pro Atom), „Polarität“ und „Raumrichtungen“ von Bindungen entsteht ein komplexes Regelwerk für den Aufbau von Architekturen aus kovalenten Bindungen. Die Lage und Anordnungen der Bindungen bestimmen dabei nicht nur das Bindungsgerüst (Bindungstopologie) sondern auch die Beweglichkeit der Atome und Atomgruppen relativ zueinander.6 2.3 Ionenbindung Treffen zwei Atome aufeinander, deren Elektronegativitäten sich stark unterscheiden, so entreißt das Element mit höherer Elektronegativität (ein Nichtmetall) dem anderen (einem Metall) ein oder mehrere Valenzelektronen. Es tritt also ein vollständiger Elektronenübergang ein. Das bei dieser Reaktion entstandene Ionenpaar übt aufeinander und auf weitere Ionen starke, nach allen Seiten gleichmäßig wirkende elektrostatische Anziehungskräfte aus. Die Kationen „wollen“ sich möglichst mit Anionen umgeben und umgekehrt. Daher gibt es bei der Ionenbindung keine Moleküle, sondern nur Ionenkristalle – eine typische räumliche Anordnung der entgegengesetzt geladenen Ionen.7 2.4 Komplexbindung In vielen Salzen treten Ionen auf, die aus mehreren Atomen zusammengesetzt sind und die als Komplex-Ionen (oder kurz Komplexe) bezeichnet werden.8 Ein Komplex besteht aus einem Koordinationszentrum und der Ligandenhülle. Zum Zentrum können ein oder mehrere Zentralatome oder Zentralionen gehören; die Liganden sind Ionen oder Moleküle bzw. Molekülionen.9 Sie können mit dem Zentralatom einfache, zweifache oder mehrfache Bindungen eingehen („einzähnige“, „zweizähnige“, usw. Liganden). Komplexe mit mehrzähnigen Liganden werden „Chelatkomplexe“ genannt und sind oft durch besondere Stabilität ausgezeichnet. Wichtige Beispiele von Chelat-Komplexen sind das Häm im roten Blutfarbstoff und das grüne Pflanzenpigment Chlorophyll. Verbinden schließlich (mindestens zweizähnige) Liganden mehrere Zentralatome untereinander, so bezeichnet man sie als Brückenliganden und es entstehen mehrkernige Komplexe.10 Durch die fein abstufbare Bindungsstärke und die Kombinationsvielfalt von Komplexverbindungen gelingt es der Natur, in lebenden Organismen Metallkomplexe mit extrem komplizierten Strukturen und Funktionen aufzubauen. Eben dies ist auch für Ansätze zum Aufbau supramolekularer Architekturen von großem Interesse.11

5 Atkins (1996:135f) 6 Köhler (2001:21) 7 Moser (1990:60) 8 Moser (1990:45) 9 http://www.cci.ethz.ch/vorlesung/de/al1/node16.html [2005-07-10] 10 Moser (1990:186) 11 Köhler (2001:21)


2.5 Metallbindung Die Metallbindung beruht darauf, dass sich die Metallatome leicht von ihren Valenzelektronen trennen. Dadurch kommt es zu einer über das gesamte Metallstück verteilten Elektronenwolke, einer Art „Elektronengas“. Zwischen den positiven Atomrümpfen und dem Elektronengas herrschen starke Anziehungskräfte, worauf wichtige Metalleigenschaften wie Leitfähigkeit, Glanz, Verformbarkeit und Undurchsichtigkeit zurückführen lassen.12 Mit wenigen Abweichungen kristallisieren Metalle nur in drei Gitterstrukturen: dem kubisch-raumzentrierten Gitter, der kubisch-dichtesten Gitterpackung und der hexagonal-dichtesten Kugelpackung. Im kubisch-raumzentrierten Gitter sind jedem Atomrumpf acht andere benachbart, in der kubisch-dichtesten und in der hexagonal-dichtesten Kugelpackung dagegen zwölf. Die Anzahl der benachbarten Atomrümpfe wird als sog. Koordinationszahl angegeben.13 Metallstücke bestehen in der Regel aus vielen kleinen, regellos angeordneten Kristallen. Man kann aber auch so genannte Einkristalle züchten, die vor allem für die Halbleitertechnologie von größter Bedeutung sind. Hier werden die Elektronenverschiebungen nicht durch Korngrenzen behindert, was besondere Leitfähigkeit zur Folge hat.14 Durch diesen Bindungstyp können auch Metallstrukturen wie Cluster, kompaktierte Nanopulver und Ultradünnschichten gebildet werden, deren thermische und elektronische Eigenschaften beträchtlich von denen des Festkörpermaterials abweichen.15 2.6 Van-der-Waals-Wechselwirkungen 2.6.1 Dispersionseffekt Bei dieser Art von Van-der-Waals-Wechselwirkung beeinflussen sich die Elektronenwolken zweier ungeladener Atome (oder Moleküle), die sehr nahe zueinander gebracht werden, gegenseitig. Zufällige Schwankungen der Elektronenverteilung um einen der Atomkerne herum können vorübergehend zu einem elektrischen Dipol (einer Störung in der Ladungsverteilung) führen, der dann einen zweiten vorübergehenden entgegengesetzten elektrischen Dipol im benachbarten Atom induziert. Die beiden Dipole werden schwach voneinander angezogen und bringen die Atomkerne so näher zusammen. Die dieser schwachen Anziehung zugrunde liegende Kraft ist die Van-der-Waals-Wechselwirkung. Jedes Atom hat einen charakteristischen van-der-Waals-Radius (deutlich größer als der Bindungsradius einer chemischen Bindung), der ein Maß dafür ist, bis wohin dieses Atom die Annäherung eines anderen zulässt.16

12 Moser (1990:67) 13 http://www.uniterra.de/rutherford/kap014.htm [2005-07-10] 14 Moser (1990:65f) 15 Reetz (1997:7ff) 16 Lehninger et al. (1994:98f)


2.6.2 Dipoleffekt Aufgrund der unterschiedlichen Elektronegativitäten der Atome weisen fast alle aus verschiedenen Atomen zusammengesetzten Moleküle Ladungsschwerpunkte auf.17 Ein Molekül wie HCl ist ein Dipol, d.h. es besitzt ein positiv und ein negativ polarisiertes Ende, eine Folge der polaren H-Cl-Bindung. Im Gegensatz zu den nur vorübergehenden polarisierten Molekülen unpolarer Stoffe ist das HCl-Molekül ist ein permanenter Dipol. Dipolmoleküle ziehen sich gegenseitig stärker an als unpolare Moleküle (wie z.B. Ethan), zwischen denen nur dispersive van-der-Waals-Kräfte wirken. Die Dipolkräfte bewirken deshalb, dass solche Stoffe höher sieden als unpolare Stoffe.18 2.6.3 Induktionseffekt Van-der-Waal-Wechselwirkungen treten auch auf, wenn nur einer von zwei Wechselwirkungspartnern ein ständiges Dipolmoment besitzt. Er induziert dabei im anderen durch sein elektrisches Feld ein weiteres Dipolmoment. Diese Verbindungen sind in der Regel schwächer als solche mit permanenten Dipolen.19 2.6.4 Eigenschaften Die Van-der-Waals-Wechselwirkung ist eine zusätzliche Wechselwirkung, die grundsätzlich immer auftritt. Sie wird makroskopisch aber nur bemerkt, wenn z.B. zwischen Atomen mit abgeschlossener Schale oder zwischen gesättigten Molekülen andere Bindungen nicht möglich sind.20 Diese Wechselwirkung ruft in der Mikro- und Nanotechnik eher unerwünschte Effekte hervor (Ausnahme: als hydrophobe Wechselwirkung ist sie in der Lacktechnik unverzichtbar) und damit für die ganze Mikrolithographie, weil sie erstens sehr häufig vorkommen und zweitens unspezifisch sind, d. h. unabhängig von den beteiligten Elementen wirksam und nicht räumlich gerichtet.21 Unkontrolliert gebundene Einzelteilchen, die besonders durch die Wechselwirkung über induzierte Dipolmomente entstehen, stellen eine generelle Schwierigkeit bei der Manipulation kleinster Teilchen dar und müssen mit verschiedensten Methoden umgangen werden. Andererseits könnten Van-der-Waals-Wechselwirkungen der Nanotechnik auch einmal von Nutzen sein, da sie an der dreidimensionalen Faltung oder Anordnung von Makromolekülen beteiligt sind.22

17 Köhler (2001:16) 18 Baars/ Christen (2002:116) 19 Köhler (2001:16) 20 Ibach/ Lüth (1993:13) 21 Sixt (1998) 22 Köhler (2001:14)


2.7 Wasserstoffbrückenbindung Die Wasserstoffbrückenbindung (WBB) ist eine besondere Form der Van-der-Waals-Wechselwirkung: ein H-Atom wirkt als Brücke zwischen zwei stark elektronegativen Atomen, wobei es mit dem einen Atom durch eine polare kovalente Bindung und mit dem anderen durch elektrostatische Kräfte verbunden ist. WBB sind nur dann von Bedeutung, wenn beide an der Bindung beteiligten Atome zu der N O F -Gruppe gehören: nur Wasserstoff, der an diese drei Elemente gebunden ist, wird so stark in der kovalenten Bindung polarisiert, und nur diese drei Elemente sind elektronegativ genug, dass die notwendige Anziehung zustande kommt. Die außergewöhnliche Wirkung beruht auf der hohen negativen Ladung, die auf ihren kleinen Atomkern konzentriert ist. Im Wasser ist die WWB verantwortlich für Erscheinungen wie die Anomalie des Wassers, das Schwimmen von Eisbergen, die Bildung von Eiskristallen usw.23 WWB haben besonders in der Biochemie eine sehr große Bedeutung, da sie stärker sind als van-der-Waals-Kräfte, jedoch viel schwächer als Atombindungen. Sie werden deshalb unter „biologischen Bedingungen“ (d.h. bei Temperaturen zwischen 0 °C und 40 °C) sehr leicht gebildet und auch wieder gelöst. Wasserstoffbrücken bestimmen z.B. durch die komplementäre Basenpaarung innerhalb der Doppelhelix die Struktur der Nucleinsäuren, der Träger der Erbeigenschaften24, stabilisieren die Sekundär- und Tertiärstrukturen von Proteinen und beeinflussen die Funktion von Enzymen.25 Anders als die Van-der-Waals-Wechselwirkungen sind sie gut lokalisiert und gerichtet und spielen deshalb als spezifische Wechselwirkung trotz ihrer geringen Bindungsstärke eine wichtige Rolle in der supramolekularen Synthese.26

23 http://www.hamm-chemie.de/j11/j11te/chembind.htm [2005-07-10] 24 Baars/ Christen (2002:117) 25 http://www.hamm-chemie.de/j11/j11te/chembind.htm [2005-07-10] 26 Köhler (2001:22f) und Goddard III et al. (2003:16-10)

http://www.net-lexikon.de/Doppelhelix.html

Relevantes aus der Festkörperphysik 12

3 Relevantes aus der Festkörperphysik 3.1 Größenabhängigkeit von Eigenschaften Viele Eigenschaften von Festkörpern hängen von der Größenordnung ab, in der sie gemessen werden. Bei der Untersuchung von Feststoffen werden mikroskopische Details als Durchschnitt zusammengefasst. Im Makrobereich, in dem die traditionellen Bereiche der Physik, wie die Mechanik, die Elektrizität, der Magnetismus und die Optik untersucht werden, reicht die Größe der untersuchten Objekte von mm bis km. Die Eigenschaften solcher Materialien basieren auf durchschnittlichen Werten, wie die Dichte und das Elastizitätsmodul in der Mechanik, den Widerstand und die Magnetisierbarkeit in der Elektrizität und im Magnetismus, und die Dielektrizitätskonstante in der Optik. Viele dieser Materialeigenschaften verändern sich kontinuierlich oder sprunghaft, wenn ihre Größe auf den Nano- und sogar schon Mikrometerbereich reduziert wird.1 3.2 Kristalliner und amorpher Zustand Hinsichtlich der Ordnung der Teilchen in Festkörperstrukturen ist folgende Einteilung sinnvoll: kristalline Strukturen < > amorphe Strukturen Der Kristallzustand ist durch eine hohe Symmetrie und eine damit einhergehende minimale Gesamtenergie der Kristallbausteine (Atome, Ionen, Moleküle) gekennzeichnet. Bei elementaren Festkörpern ist die Umgebung von jedem Kristallbaustein aus betrachtet gleich, bei Festkörpern aus mehreren Elementen wiederholen sich bestimmte Baugruppen in periodischen Abständen. Diese ideale Periodizidät dient jedoch nur als Beschreibungsmodell und erleichtert festkörperphysikalische Beschreibungen und Untersuchungsmethoden.2 Der amorphe Zustand wird durch die gleichen Bausteine wie das Kristallgitter aufgebaut (Nahordnung), sie sind allerdings hier über weite Bereiche des Festkörpers unregelmäßig verknüpft – es fehlt die Fernordnung. Der amorphe Zustand wird auch als „glasartiger Zustand“ bezeichnet. Beispiele hierfür sind Gläser, Mineralien wie Obsidian, Feuerstein, Opal und weiters Keramiken, Gele und Polymere; sie weisen gekrümmte Bruchflächen auf („muscheliger Bruch“).3 3.3 Isotropie und Anisotropie Wegen ihres regelmäßigen Aufbaus verhalten sich Einkristalle anisotrop. Unter Anisotropie versteht man die Richtungsabhängigkeit von physikalischen Eigenschaften wie Lichtbrechung, Härte, Spaltbarkeit, elektrische Leitfähigkeit und Ätzverhalten.

1 Poole/ Owens (2003:8) 2 Ibach/ Lüth (1993:15) 3 http://www.vs-c.de/ [2005-06-16]


Polykristalline Stoffe sind aus zahlreichen regellos gegeneinander orientierten Kriställchen (Kristalliten) aufgebaut und verhalten sich statistisch isotrop, weil sich die richtungs-abhängigen Eigenschaften der einzelnen Kristallite insgesamt kompensieren. Flüssige Substanzen mit starker Tendenz der Moleküle zur Ordnungsbildung verhalten sich hingegen anisotrop. Man nützt diesen Effekt z.B. bei Flüssigkristallanzeigen (LCD).4 Amorphe Stoffe sind im Allgemeinen isotrop, d.h. sie verhalten sich in ihren Eigenschaften in allen Richtungen gleich.5

3.4 Kristalldefekte In einem idealen Kristall sind alle Gitterpunkte durch die der Struktur entsprechenden Teilchen besetzt. Dieser Zustand kann nur am absoluten Nullpunkt existieren. Oberhalb 0 K sind Baufehler (Kristalldefekte) vorhanden, da im thermischen Gleichgewicht immer eine gewisse „Unordnung“ herrschen muss. Bei den Defekten kann es sich um „ausgedehnte Defekte“ wie Versetzungen handeln; die mechanischen Materialeigenschaften hängen ganz wesentlich von der An- bzw. Abwesenheit ausgedehnter Defekte und von Korngrenzen ab. Ist ein Defekt an eine einzelne Gitterposition gebunden, wenn z.B. ein Gitterplatz nicht oder mit einem Fremdatom besetzt ist, spricht man von Punktdefekten. Auch Punktdefekte können einen wesentlichen Einfluss auf die chemischen und physikalischen Eigenschaften eines Festkörpers haben. Zum Beispiel werden die Farben mancher Edelsteine von „Verunreinigungen“ durch Fremdatome in den Kristallen hervorgerufen. Die Leitfähigkeit ionischer Festkörper hängt mit dem Vorhandensein von nicht-besetzten Gitterplätzen zusammen - im Gegensatz zur elektronischen Leitfähigkeit.6 Je nach Dimensionalität des fehlerhaften Kristallbereichs unterscheidet man vier Defektarten: 3.4.1 Punktdefekte Punktdefekte lassen sich wiederum in zwei Kategorien einteilen: Eigendefekte und Fremddefekte. Eigendefekte (intrinsische Defekte) verändern die stöchiometrische Zusammensetzung des Festkörpers nicht und werden deshalb stöchiometrische Defekte genannt, während Fremddefekte (extrinsische Defekte) durch den Einbau fremder Atome ins Gitter hervorgerufen werden.7 3.4.1.1 Eigendefekt Es gibt zwei Arten von Eigendefekten: Schottky-Defekte und Frenkel-Defekte. Schottky-Defekte bestehen aus Kationen- und Anionenleerstellen im Gitter. Ein Frenkel-Defekt entsteht dadurch, dass ein Atom (oder Ion) von einem Gitterplatz auf einen – sonst leeren – Zwischengitterplatz wandert und dabei eine Leerstelle im Gitter zurücklässt.8 4 http://www.vs-c.de [2005-06-16] 5 http://www.haw-hamburg.de/iws/downloads/pdfs/Skript_teil03.pdf+kristallbaufehler&hl=de&ie=UTF-8 [2005-07-10] 6 Smart/ Moore (1997:145) 7 ebd. 8 ebd.


3.4.1.2 Fremddefekt Man kann in einen Kristall Leerstellen einbauen, indem ihn mit ausgewählten anderen Stoffen dotiert. Solche durch Fremdatome hervorgerufenen Störungen werden auch extrinsische Defekte genannt. Das Ergebnis ist eine nicht-stöchiometrischer Verbindung, d.h. dass die Bestandteile des Kristalls nicht im Verhältnis kleiner ganzer Zahlen, so wie es bei kovalenten und ionischen Bindungen normalerweise der Fall ist, vorhanden sind.9 Fremdelement-Atome die durch Dotieren oder Legieren im Mischkristallbereich gelöst sind, können je nach ihrer Ähnlichkeit mit den Wirtsgitteratomen als Substitutionsatome oder als Zwischengitteratome auftreten. Weitere Punktdefekte entstehen, wenn Ionen mit anderer Wertigkeit (und Ladung) als die Wirtsionen in ein Gitter eingebaut werden. Wegen der Ladungsneutralität müssen dann z.B. auch Leerstellen entstehen.10 Eine der wichtigsten Wirkungen von Punktdefekten ist es, dass sich Atome oder Ionen in einem Kristall bewegen können. Wie man aber erwarten muss, sind Ionenkristalle im Vergleich zu Metallen schlechte Leiter.11 3.4.2 Liniendefekte Kristalle können außer Punktdefekten auch räumlich ausgedehnte Defekte enthalten. Der einfachste lineare Defekt ist eine Versetzung, bei der sich ein Baufehler entlang einer Geraden durch den Kristall erstreckt.12 Es werden Stufen- und Schraubenversetzungen unterschieden. Bei der Stufenversetzung denkt man sich einen Schnitt ins Gitter und verschiebt den Gitterteil links und rechts des Schnitts um jeweils eine Gitterperiode. Ist die Versetzung zu groß, kann sie sich aufspalten und Stapelfehler bilden (siehe Flächendefekte).13 Bei der Schraubenversetzung sind die Atome längs einer Linie kontinuierlich und mit geringen, aber zunehmenden Beträgen gegenüber dem Idealgitter verschoben. Das führt dazu, dass die Kristalle nicht aus aufeinandergestapelten Netzebenen aufgebaut werden, sondern aus einer einzigen Atomschicht, die sich in Form einer Wendetreppe durch das Gitter windet. Das führt im Extremfall dazu, dass Kristalle nicht als Prismen, sondern als feine Härchen wachsen („Whiskers“). Wichtig ist anzumerken, dass die plastische Verformung aller Kristalle ausschließlich durch die Erzeugung und Bewegung („Gleiten“) von Versetzungen erfolgt.14 3.4.3 Flächendefekte Fast alle natürlich vorkommenden Kristalle sind Polykristalle; Einkristalle sind selten und oft kostbar; man denke an die Edelsteine. Künstlich hergestellte Einkristalle sind zwar nicht 9 Smart/ Moore (1997:151ff) 10 http://fachschaft.informatik.uni-freiburg.de/ [2003-12-21] 11 Smart/ Moore (1997:170) 12 Smart/ Moore (1997:179) 13 Bommas (2000:6ff) 14 http://www.chemieunterricht.de/dc2/kristalle/git-fehl.htm [2005-07-10]


selten, aber trotzdem kostbar. Von überragender Bedeutung sind die Silizium-Einkristalle, der Grundstoff der Mikroelektronik.15 Jedes polykristalline Material besteht aus einer Vielzahl kleiner Kristalle, Kristallite oder Körner, die in ihrer Orientierung mehr oder weniger statistisch regellos verteilt vorliegen. Der Grund für den kristallinen Aufbau ergibt sich z.B. aus dem Vorgang der Erstarrung, bei dem sich viele Kristallkeime bilden, die bis zur gegenseitigen Berührung wachsen. An ihrer Berührungsfläche sind die Körner fest miteinander verbunden. Diese Grenzflächen zwischen Körnern verschiedener Orientierung innerhalb eines Kristallverbandes fasst man entsprechend ihrer flächenhaften Ausdehnung in der Gruppe der zweidimensionalen Gitterfehler zusammen.16 Stapelfehler entstehen, wenn man zwei durch ihre Stapelfolge definierten Kristalle (...ABCABCABC...) entlang einer Grenzfläche so zusammensetzt, dass beide Kristall zwar exakt gleich orientiert sind, an der Nahtstelle aber die Stapelfolge nicht stimmt (...ABCABABCABC...) und somit eine Gitterebene fehlt oder zuviel ist.17 Eine besondere Form von Stapelfehler ist die Zwillingsbildung: sie liegt vor, wenn sich ein Teil eines Kristalls zu einem anderen Teil des gleichen Kristalls verhält wie Bild und Spiegelbild (...ABCABCBACBA...).18 3.4.4 Volumendefekt Volumendefekte kommen einerseits durch Hohlräume, andererseits durch Präzipitate (Ausscheidungen) zustande. Ein Hohlraum im Kristall kann sehr klein sein (Durchmesser im nm-Bereich) oder auch eine makroskopische Fehlstelle (Durchmesser im µm bis mm-Bereich) wie eine Pore oder einen Lunker darstellen. Er ist mit Vakuum oder auch mit einem Gas unter mehr oder weniger großem Druck gefüllt. Ist der Hohlraum sehr groß und flach, liegt ein Mikroriss vor, vor allem wenn er bis zur Kristalloberfläche reicht. Hohlräume entstehen auch durch die Zusammenballung vieler Leerstellen, durch die Agglomeration von ins Gitter (als extrinsische atomare Defekte) eingebauten Gasatomen, durch den Aufstau vieler Versetzungen (erzeugt dann Mikrorisse), durch Bestrahlung des Kristalls und durch das Sintern von Keramiken (das „Zusammenbacken" kleiner Keramikkriställchen zu einem großen Körper). Ausscheidungen sind vollständig in die Matrix des Wirtskristalls eingebettete andere Phasen, sozusagen mit Festkörpern (gelegentlich auch Flüssigkeiten) gefüllte Hohlräume. Wie diese kommen auch Ausscheidungen in allen Größen und Formen vor. Die verschiedenen Defekttypen sind nicht unabhängig voneinander, sondern stehen in vielfältiger und dynamischer Beziehung zueinander. Zum Beispiel sind dreidimensionale Defekte notwendigerweise von zweidimensionalen Defekten begrenzt.19

15 http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/mw1_ge/kap_4/backbone/r4_1_5.html [2003-12-21] 16 http://www.haw-hamburg.de/iws/downloads/pdfs/Skript_teil03.pdf [2005-07-10] 17 http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/mw1_ge/kap_4/backbone/r4_1_5.html [2003-12-21] 18 Smart/ Moore (1997:179) und Ashcroft/ Mermin (2001:808) 19 http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/mw1_ge/kap_4/backbone/r4_1_5.html [2003-12-21]


3.5 Bändermodell Die Elektronen in Festkörpern wechselwirken miteinander über sehr viele Atomabstände hinweg. Daher können ihre vielen einzelnen Energieniveaus zu Energiebändern zusammengefasst werden. Die Energiebänder bestehen aus einem Valenzband, in dem die dortigen Elektronen durch Bindungen eine mehr oder weniger fixe Position haben, und aus einem Leitungsband, in dem die Elektronen ungehindert durch den Festkörper wandern können und ihn damit leitfähig machen. Ein metallischer Leiter ist dadurch gekennzeichnet, dass sich Valenz- und Leitungsband teilweise überlappen. Bei Isolatoren sind Valenz- und Leitungsband durch eine breite, „verbotene“ Energiezone (eine Bandlücke) getrennt; diese Zone ist zu groß, als dass sie von Elektronen ohne besondere, starke Anregung überschritten werden könnte. Bei den so genannten Halbleitern ist das Valenzband vom Leitungsband ebenfalls durch eine Bandlücke getrennt, die jedoch viel schmäler ist als bei den Isolatoren. Bei Stoffen wie Silizium und Germanium sind die Valenzelektronen durch die (verglichen mit Kohlenstoff) größeren Atomrümpfe weniger stark gebunden, so dass einzelne Elektronen die Bandlücke „übersteigen“ und dadurch ins Leitungsband übergehen können. Im Valenzband werden dabei einige (vorher besetzte) Energieniveaus frei; es entstehen Elektronenleerstellen („Elektronenlöcher“, „Defektelektronen“), die sich im Kristall verschieben, wenn ein Elektron von einem Nachbaratom das frei gewordene Energieniveau besetzt. Legt man eine elektrische Spannung an einen Silizium- oder Germaniumkristall an, so ist eine gewisse elektrische Leitfähigkeit festzustellen, die mit zunehmender Temperatur stark wächst: Bei wachsender Temperatur können immer mehr Elektronen ins Leitungsband übergehen. Da weniger „freie“ Elektronen vorhanden sind als in einem Metall, ist die Leitfähigkeit geringer, deshalb der Name Halbleiter. Bei Metallen sinkt zudem die Leitfähigkeit mit zunehmender Temperatur.20 3.5.1 Dotierte Halbleiter Silizium und Germanium sind so genannte Eigenhalbleiter, die bei Raumtemperatur nur eine relativ geringe Leitfähigkeit besitzen. Eine bedeutende Erhöhung der Leitfähigkeit erreicht man durch Dotieren, d.h. durch dosierte Zugabe von Fremdelementen in den Halbleiter. Werden z.B. Arsen-Atome in das Gitter von Silizium mit der Diamantstruktur eingebaut (wird Silizium mit Arsen „dotiert“), so sind überschüssige Elektronen im Gitter vorhanden, weil die As-Atome fünf (nicht vier) Außenelektronen besitzen, zur Ausbildung der Diamantstruktur aber nur vier Elektronen benötigt werden. Diese überschüssigen Elektronen werden von den Atomrümpfen nur schwach angezogen, so dass sie durch eine geringe Energiezufuhr ins Leitungsband übergeführt und viel leichter angeregt werden können als die Valenzelektronen des Silizium und Germanium. Im Energiebändermodell kommt dies dadurch zum Ausdruck, dass die überschüssigen Elektronen energiereicher sind als die Elektronen im Valenzband, jedoch unmittelbar unterhalb des Leitungsbandes liegen. Die Stromleitung erfolgt durch die ins Leitungsband übergegangenen Elektronen; man bezeichnet solche Halbleiter als n-Halbleiter: die Leitung erfolgt durch negative Ladungsträger. Statt mit Arsen kann Silizium aber auch mit Aluminium oder Indium dotiert werden. Um vier Atombindungen ausbilden zu können, muss ein solches Fremdatom ein Elektron von einem 20 Christen/ Meyer (1994:174ff)


Si-Atom übernehmen und wird dadurch negativ geladen, während um das benachbarte Si-Atom eine Elektronenleerstelle entsteht. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung verschiebt sich die Leerstelle entgegen der Wanderungsrichtung der Elektronen, und man spricht von einem p-Halbleiter, weil positive Elektronenlöcher den Ladungstransport ermöglichen (Abb. 3). Durch geschickte Kombination von n- und p-dotierten Bereichen kann man einzelne, so genannte diskrete, Halbleiterbauelemente wie Dioden und Transistoren und komplexe, aus vielen Bauelementen in einem einzigen Kristall aufgebaute integrierte Schaltungen oder Mikrochips aufbauen.21

Abb. 3: Bänderdarstellung von intrinsischen, n- und p-Halbleitern22

21 Christen/ Meyer (1994:168ff) 22 http://www.wsi.tu-muenchen.de/about_wsi/halbleiter.htm [2005-07-10]

Über die Mikro- zur Nanotechnik 18

4 Über die Mikro- zur Nanotechnik 4.1 Planartechnik Viele Methoden der klassischen Mechanik versagen bei der Verkleinerung von Bauelementen in den mittleren bis unteren Mikrometerbereich. Deshalb wurden im Rahmen der Mikrotechnik neue Formgebungsmethoden entwickelt, die den meisten herkömmlichen Verfahren an Präzision und räumlicher Auflösung bei weitem überlegen sind. Für die Mikrotechnik hat sich das Arbeiten auf ebenen Oberflächen als besonderes günstig herausgestellt. Die ebene Oberfläche ist dabei nicht nur für einen bestimmten Verfahrensschritt geeignet, sondern bildet eine technologische Plattform, auf der sich fast alle Verfahren relativ unkompliziert durchführen lassen und zudem untereinander maximal kompatibel sind. Weil die ebene Oberfläche das Hauptmerkmal dieser Plattform ist, wird sie Planartechnik genannt. Die Silizium-Planartechnik, die in der Halbleiterindustrie zur Fertigung von Mikrochips zum Einsatz kommt, ist ihr wichtigstes Anwendungsgebiet.1

4.2 Nasschemische Beschichtungstechniken Die Planartechnik wird vorwiegend als Schichttechnik realisiert. Die Abscheidung von Folgen verschiedener Materialien in Form dünner Schichten hat sich dabei als wichtigste Form der Materialaufbringung bewährt. Die Dicken dieser Schichten liegen in der Größenordnung von 1 µm, können aber im Einzelfall bis unter 100 nm oder auch mehrere µm betragen. Diese Dickenbereiche unterscheiden sich deutlich vom Bereich der Dickschichttechnik (mehrere 10 – 100 µm) und vom Bereich der ultradünnen Schichten (ca. 1-10 nm). Letztere naturgemäß für die Nanotechnologie von Bedeutung.2 In der Beschichtungstechnik unterscheidet man grundsätzlich zwischen den physikalischen Beschichtungsverfahren (Physical Vapor Deposition, PVD) und den chemischen Beschichtungsverfahren (Chemical Vapor Deposition, CVD). Neben allen möglichen Mischformen beider genannten Verfahren sind damit allerdings die Möglichkeiten der Dünnschichttechnik bei weitem noch nicht erschöpft.3 Eine Einteilung kann nach Aggregatzustand und chemischer Zusammensetzung der Ausgangsmaterialien, nach den entstehenden Materialien oder, am häufigsten, nach der Art des Beschichtungsprozesses erfolgen. Außerdem kann zwischen Beschichtungstechnologien, die unter Atmosphärendruck und solchen, die unter Vakuumbedingungen stattfinden, unterschieden werden.4

1 Köhler (2001:37f) 2 Köhler (2001:38f) 3 Menz/ Mohr (1997:128) 4 O-L der Chemie (2004-5)


4.2.1 Tauchbeschichtung Bei der Tauchbeschichtung liegt das Beschichtungsmaterial flüssig vor und kommt mit dem Substrat durch Eintauchen unter kontrollierten Bedingungen (Geschwindigkeit, Temperatur) in Kontakt (Abb. 4). Die Schicht bildet sich durch eine chemische Reaktion oder auch nur durch Eintrocknen, was bedeutet, dass flüchtige Komponenten verdampfen bzw. verdampft werden.5 Das Tauchbeschichten setzt eine genaue Kenntnis der Beschichtungsmaterialien und der Substratoberfläche voraus, ist aber ansonsten ein relativ einfaches Beschichtungsverfahren und wird vorwiegend, aber nicht nur, für Massengüter und in der Serienfertigung angewendet.6

Abb. 4: Die drei Stufen der Tauchbeschichtung7 4.2.2 Schleuderbeschichtung Die Schleuderbeschichtung wurde insbesondere für die Mikroelektronik optimiert, um ebene Oberflächen zu beschichten. Sie gilt als eine der besten Beschichtungsverfahren für die Herstellung dünner, gleichförmiger und nivellierender Schichten auf Silizium-Kristallscheiben. Doch lässt sich dieses Verfahren verallgemeinern, verfeinern (bis unter 100 nm) und auch auf andere Gebiete anwenden. Dazu wird zuerst das in Lösung befindliche Ausgangsmaterial in den Mittelpunkt des Substrates getropft. Durch Rotation bei einer konstanten Geschwindigkeit (1000-8000 U/m) des Substrats sorgt ein Gleichgewicht von Zentrifugalkräften und der Viskosität, dass sich die Flüssigkeit ebenmäßig über die ganze Fläche verteilt (Abb. 5). Nach und nach verdampft das Lösungsmittel, die Viskosität nimmt zu und das Fließen des Lacks kommt zum Stillstand. Die entstandene Schicht kann dann kuriert werden, um das restliche Lösungsmittel zu entfernen. Durch Variation der Faktoren Viskosität, Feststoffanteil, Winkelgeschwindigkeit und Rotationszeit kann ein Schichtdickenbereich zwischen 1-200 µm leicht abgedeckt werden.

5 O-L der Physik (2004-5) 6 Lex. d. Oberflächentechnik (1989:225) 7 http://www.ceramicindustry.com/CI/FILES/IMAGES/64473.jpg [2005-07-10]


Bei dickeren Schichten werden höhere Viskosität, geringere Winkelgeschwindigkeit und kürzere Rotationszeit benötigt, die jedoch eine gleichmäßige Beschichtung erschweren.8

Abb. 5: Schema der Schleuderbeschichtung9 4.2.3 Sprühbeschichtung Es gibt eine große Anzahl an Sprühbeschichtungstechniken und ihren Variationen; ihr Hauptmerkmal ist jedoch die Zerstäubung einer flüssigen Ausgangssubstanz zu submikrometergroßen, fein verteilten Tröpfchen (Aerosol), die durch ihr Gasmedium auf ein Substrat transportiert werden. Dort kondensieren sie oder, im Fall eines geheizten Substrats, werden pyrolisiert und bringen elementare oder häufiger, aus Verbindungen bestehende Dünnschichten hervor. Die Sprühbeschichtung hängt von der Art der Aerosolerzeugung ab. Diese wird die Größe, Entstehungsgeschwindigkeit und Größenverteilung der Tröpfchen beeinflussen und daher die Art und Zusammensetzung des Endprodukts. Jede Art hat eigene Tröpfchenbildungsmechanismen, die verschiedene physische Tröpfcheneigenschaften erzeugen. Pneumatische und hydraulische Sprühdüsen (=mechanische Zerstäubung) oder Befeuchtungsanlagen tendieren dazu, submikrometergroße Aerosole mit einer großen Tröpfchenverteilung zu erzeugen. Bei der Verarbeitung nanostrukturierter Filme werden daher Ultraschallzerstäuber und elektrostatische Zerstäuber (Abb. 6) bevorzugt. Ihr Vorteil liegt in der kostengünstigen Abscheidung qualitativer Filme, wobei es herkömmlichen Vakuumbeschichtungsverfahren (z.B. Vakuumbedampfung, Sputtern, Ionenplattieren, PECVD) überlegen ist, weil sie oft zu teuer für einige industrielle Anwendungen sind, z.B. für Dünnfilmbeschichtungen auf großen Glasoberflächen. Durch den Verzicht auf ein flüssiges Dispersionsmedium (welches oberflächenaktive Stoffe enthalten kann), lassen sich hochreine Materialien synthetisieren. Die gute Mischbarkeit von chemischen Ausgangsstoffen erlaubt zudem die Herstellung von Mehrkomponentenmaterialien mit gut beherrschbarer Stöchiometrie.10

8 Jobanputra (2001:2f) 9 http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/matv/pdf/poly_chpt_15.pdf [2004-03-25] 10 Choy (2000:556f) und Kirk-Othmer (1997:Vol.23-1073)


Abb. 6: Prozess der Sprühbeschichtung, hier mit elektrostatischer Unterstützung11 4.2.4 Galvanostegie In der Galvanostegie wird auf einem Substrat unter kontrollierten Bedingungen durch eine elektrochemische Reaktion eine dünne Schicht abgeschieden. Mit ihr können neuerdings nicht nur Metallschichten, sondern auch Keramik-, Halbleiter- und Polymerschichten bzw. Mehrfachschichten hergestellt werden. Zusätzlich zu den geringen Kosten lassen sich die Dünnfilme auch über weite Flächen abscheiden und weisen eine relativ hohe Gesamtdicke auf (normalerweise 1 – 100 µm). Deshalb scheint Galvanostegie am aussichtsreichsten zu sein beim Versuch, Dünnschichtverfahren großtechnisch anzuwenden. Die Metallabscheidung kann auf zwei elektrochemischen Wegen geschehen: als galvanische bzw. elektrolytische Abscheidung und als außenstromlose Abscheidung. Ihnen gemein ist, dass ein gelöstes Metallion zum neutralen Metall reduziert wird.12 4.2.4.1 Elektrolytische Abscheidung Die häufigste Technik ist die elektrolytische oder galvanische Abscheidung. Das aufzutragende Metall (oder Legierung) liegt in wässriger Lösung in Ionenform vor (Abb. 7). Das Werkstück bildet dabei die Kathode, die Anode besteht meist aus dem abzuscheidenden Metall. Bei Anlegen einer Gleichspannung von wenigen Volt wandern die positiv geladenen Metallionen zur Kathode und werden dort zu Metallatomen reduziert. Die Schichtdicke wird vor allem durch die Abscheidungsdauer bestimmt. Sie beträgt bis zu 100 µm, geringere Dicken sind aber viel üblicher.13

11 Lex. d. Oberflächentechnik (1989:64) 12 Edelstein/ Cammarata (1996:122f) und Ullmann’s (1995:706) 13 Ullmann’s (1995:706) und O-L der Physik (2004-5)


Abb. 7: Galvanisches Bad 14 4.2.4.2 Außenstromlosen Abscheidung Im Gegensatz zu den auf dem Elektrolyseprinzip beruhenden galvanischen Verfahrenstechniken wird bei der außenstromlosen Abscheidung keine äußere Spannung angelegt. Die Metallionen werden stattdessen durch chemische Wirkstoffe in der Lösung reduziert und kontrolliert nur auf dem Substrat abgeschieden. Dies wird durch eine aktivierende Vorbehandlung des Werkstücks erreicht, welches als Katalysator der Reduktion wirkt oder als Keimbildungsstelle für das Filmwachstum. Metall kann sowohl auf leitenden als auch nicht-leitenden Oberflächen abgeschieden werden, jedoch mit beträchtlich geringerer Geschwindigkeit als bei der elektrolytischen Abscheidung. Damit verbunden sind auch die geringeren technischen Schichtdicken von 10 nm bis 50 µm. Die durch diese Verfahren erzeugten Schichten zeichnen sich durch eine hohe Konturentreue bzw. durch eine sehr gleichmäßige Schichtdickenverteilung aus.15

4.2.5 Sol-Gel-Technik Als erster Schritt wird aus metallorganischen Verbindungen, organischen Lösungsmitteln und speziellen Verbindungen ein Sol (eine kolloidale Lösung mit Teilchengrößen zwischen 1 nm und 1000 nm) hergestellt. Daraufhin kann das Sol destabilisiert werden, zum Beispiel durch Entzug des Lösungsmittels, wodurch eine Polymerisation im Sol stattfindet und sich ein Gel bildet. Kennzeichen eines Gels ist, dass jedes Teilchen in einem Netzwerk mit anderen Teilchen verbunden ist.16 Der schrittweise Übergang von Sol zu Gel entspricht einem schrittweisen, kontrollierbaren Anstieg seiner Viskosität, was die Aufbringung durch nasschemische Verfahren (Kap. 4.2) erleichtert.17 Durch weiteren Flüssigkeitsentzug bzw. Hitzebehandlung härtet das Gel aus. Gegenüber den vorhergegangenen nasschemischen Beschichtungstechniken können mit Hilfe der Sol-Gel- 14 O-L der Physik (2004-5) 15 Ullmann’s (1995:706) und http://www.schichttechnik.net/ [2004-02-27] 16 http://www.wpr.fh-kiel.de/research/solgel/solgel.htm [2005-07-13] 17 www.chemat.com/html/solgel.html [2005-07-13]


Technik auch anorganische Dünnfilme aus Carbiden, Nitriden und Oxiden, sowie poröse Filme gebildet werden.18 4.3 Chemische Gasphasenabscheidung (CVD) Die chemische Abscheidung aus der Gasphase ist sicherlich die vielseitigste und bedeutendste Schichtabscheidungstechnik. Der grundsätzliche Vorgang läuft folgendermaßen ab: Reaktive, thermisch instabile gasförmige Ausgangsstoffe (Präkursoren) werden durch ein inertes Trägergas in den Reaktor gebracht, wo sie dann auf einem festen Substrat kondensieren, dissoziieren und einen Dünnfilm (i.A. 5 – 10 µm, aber auch viel dünner) bilden (Abb. 8).

Abb. 8: Ablauf der chemischen Gasphasenabscheidung19 Für die Funktionsfähigkeit des Verfahrens ist es wichtig, dass die Reaktionsprodukte (bis auf das abgeschiedene Material) ebenfalls gasförmig sind und aus dem Rezipienten wieder herausgepumpt werden können. Bei den Reaktionen, die auf der Substratoberfläche auftreten sind nicht nur die chemischen Eigenschaften der Reaktionsteilnehmer maßgebend. Auch die Geschwindigkeit des Stofftransports zum Reaktionsort – nämlich zur Substratoberfläche – hat entscheidenden Einfluss auf den Gesamtvorgang.20 Obwohl CVD ein komplexes System darstellt, bietet sie besondere Vorteile, wie z.B. die Möglichkeit, hochdichte und hochreine Materialien herzustellen. Gleichförmige Filme mit guter Reproduzierbarkeit und Adhäsion können ausreichend schnell abgeschieden werden. Durch gute Streukraft und konturgetreue Bedeckung können auch komplex geformte Bauteile beschichtet werden. Zu den Nachteilen der CVD zählen die Sicherheitsrisiken, die durch die giftigen, korrosiven, entzündbaren oder explosiven Vorläufergasen gegeben sind. Es ist auch relativ schwierig, Mehrkomponentenmaterialien mit wohldefinierter Stöchiometrie abzuscheiden, weil die verschiedenen Präkursoren verschiedene Verdampfungsgeschwindigkeiten aufweisen.21

18 Kirk-Othmer (1997:Vol.23-1073) 19 Menz/ Mohr (1997:26) 20 Menz/ Mohr (1997:135) 21 Choy (2000:548ff)


Treten die Zersetzungsreaktionen der Präkursoren vor der Adsorption auf das Substrat ein, so kommt es statt zum Schichtwachstum zur Bildung von Partikeln, die jedoch anderweitig genützt werden können.22 Weil die meisten chemischen Reaktionen, die zu CVD-Prozessen führen endotherm sind und/oder eine Aktivierungsenergie besitzen, ist es möglich, diese Prozesse durch Regulierung des Energieeintrages zu steuern. Energie kann dem System auf unterschiedliche Art und Weise zugeführt werden, so dass sich die CVD-Verfahren in drei Hauptgruppen einteilen lassen: 1. Thermische CVD (häufig als konventionelle CVD bezeichnet), 2. Plasma-CVD und 3. Photo-CVD.23

4.3.1 Thermische CVD Die Mehrzahl industriell angewandter CVD-Prozesse erfolgt heute noch thermisch (Abb. 9). Die Art der Zuführung der thermischen Energie hängt dabei von unterschiedlichen Faktoren ab. Man unterscheidet Verfahren im Heiß- und im Kaltwandreaktor. In Kaltwandverfahren wird vorzugsweise nur das Substrat beheizt. Bei leitfähigen Stoffen kann dies durch direkte Widerstandsheizung oder Erhitzen des Substrates mittels Mikrowellen geschehen, nichtleitende Substrate müssen durch Bestrahlung mit hochenergetischem Infrarotlicht oder mit Laserlicht (s. LACVD) erhitzt werden.

Abb. 9: Chemische Gasphasenabscheidung: Schematische Darstellung eines CVD-Systems. Gas fließt über ein geheiztes Substrat und wird dort thermisch zerlegt, gefolgt vom Schichtwachstum auf dem Substrat. Die übriggebliebenen Bestandteile werden abgeführt.24 Kaltwandverfahren besitzen den Vorteil, dass die Abscheidung nur auf dem Substrat und nicht an den Reaktorwänden stattfindet. Allerdings ist eine präzise Kontrolle der Temperatur schwierig, so dass reproduzierbare Beschichtungen nur möglich sind, wenn die Konvektion der gasförmigen Ausgangsstoffe kontrollierbar ist. Gleichmäßigere Schichten setzen eine genaue Temperaturkontrolle voraus, was zur Zeit noch ein Heißwandverfahren erfordert. Einen Nachteil der Abscheidung im Heißwandreaktor stellt die Beschichtung der Reaktorwände dar, was vor allem bei kontinuierlichen Verfahren das Reinigen der Reaktoren notwendig macht. Insbesondere wenn homogene, geschlossene Schichten gefordert sind, ist

22 http://webdb.uni-graz.at/~kleinaxe/Mat_Kapitel2.pdf [2005-07-13] 23 Heinrich (2000:7f) 24 O-L der Chemie (2004-5)


eine thermische Aktivierung der Reaktanten in Heißwandsystemen im Allgemeinen vorteilhafter.25 4.3.2 Plasma-unterstützte CVD (PECVD) Häufig möchte man CVD auch auf Oberflächen anwenden, die die hohen Prozesstemperaturen von über 1000 °C nicht vertragen. In diesem Falle wird die notwendige Dissoziationsenergie für die reaktiven Moleküle nicht über die thermische Energie des Substrates geliefert, sondern aus dem Energiereservoir einer Plasmaentladung. Das Verfahren, das mit Hilfe einer Plasmaentladung eine Niedertemperatur-Beschichtung erlaubt, heißt Plasma-unterstützte CVD (plasma-enhanced CVD = PECVD) und kann heutzutage für CVD-Beschichtungen bei Substrattemperaturen von bis zu 250 °C angewandt werden.26 Obwohl die thermische Belastung des Substrates um einige hundert Kelvin niedriger ist als bei der konventionellen CVD, können auf Grund der hochenergetischen Neutralteilchen bzw. Ionen des Plasmas, welche auf die Oberfläche treffen, Schäden am Substrat oder auf der bereits abgeschiedenen Schicht entstehen (Sputtern, Implantation).27

4.3.3 Laser-unterstützte CVD (LACVD) Statt eines thermisch beheizten Reaktors ist bei der laserunterstützten CVD ein Fenster in der Depositionskammer vorhanden, durch das die Anregungswellenlänge dringt (Abb. 10). LACVD-Verfahren benutzen eine Vielzahl an Lichtquellen wie Bogenlampen, CO2-Laser, Nd:YAG-Laser, Excimer-Laser und Argonionen-Laser, und führen entweder zu Laserpyrolyse oder –photolyse. Bei der laserpyrolytischen Reaktion wird das Substrat, dessen Temperatur knapp unterhalb der Abscheidetemperatur gehalten wird, durch senkrechte Laserstrahlen lokal erhitzt. Die gasförmigen Präkursoren bilden daraufhin durch thermische Zersetzung bzw. chemische Reaktion die gewünschten Produkte. Diese Technik mag für großflächige Abscheidungen zu teuer sein, aber kaum ein anderes CVD-Verfahren bietet mehr Kontrolle über Filmeigenschaften und lokalisierte Abscheidung. Die laserphotolytische Methode verwendet einen Laser mit einer Wellenlänge, die einen der gasförmigen Stoffe selektiv anregt und chemisch reagieren lässt. Indem man diesen Laserstrahl durch das substratnahe Gas lenkt, kann eine Abscheidung auf die Oberfläche eingeleitet werden. Beide Methoden sind geeignet, dank ihrer i.A. eher geringen Anregungsenergien eine Beschädigung des Films zu vermeiden.28

25 Heinrich (2000:8f) 26 Menz/ Mohr (1997:137f) 27 Heinrich (2000:9) 28 Choy (2000:552) und http://books.nap.edu/books/0309046351/html/21.html#pagetop [2005-07-16]


Abb. 10: laserchemische Schichtabscheidung aus der Dampfphase, hier mit zwei Laserquellen (1,2), die senkrecht bzw. parallel zum Substrat S verlaufen.29 4.3.4 Photo-CVD Bei der photounterstützten CVD30 werden durch die Absorption von Photonen (meist im UV- oder VIS-Bereich) die Bindungen einzelner Atome in den Gasmolekülen aufgebrochen (Photolyse) und dem Schichtwachstum zur Verfügung gestellt. Sie zeichnet sich gegenüber der thermischen CVD vor allem durch ihre entschieden tieferen Substrattemperaturen und gegenüber der Plasma-CVD durch eine geringere Beeinträchtigung der Substrate bzw. der abgeschiedenen Schichten aus. Als Kehrseite der Photo-CVD sind geringere Abscheideraten und Einschränkungen bei der Präkursorauswahl zu nennen, so dass sich ihre Anwendung zur Zeit fast ausschließlich auf die Grundlagenforschung beschränkt.31 4.4 Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) Die Bezeichnung PVD (Physical Vapour Deposition) steht für eine Reihe an Verfahren für die Dünnschichtabscheidung, bei denen die Atome bzw. Moleküle des abzuscheidenden Stoffs ohne chemische Umwandlungen von der Quelle (Target) über ein Vakuum zum Substrat übertragen werden (Abb. 11).32 Die mechanischen Mechanismen, die die feststoffliche Quelle in die Gasphase überführen (Vakuum, thermische Energie, Teilchenbeschuss, ...) ergeben die verschiedenen PVD-Verfahren, von denen die Vakuumbedampfung, das Sputtern, das Ionenplattieren und die Molekularstrahl-Epitaxie die wichtigsten sind.33

29 O-L der Chemie (2004-5) 30 Manche Wissenschaftler verwenden diesen Begriff auch für die LACVD und umgekehrt. Die getroffene Einteilung ist eine von mehreren möglichen. vgl. O-L der Chemie (2004-5) 31 Heinrich (2000:10f) 32 http://www.igb.fhg.de/WWW/GF/GrenzflMem/Grenzflaechen/Plasmaanlagen/dt/PhysVacDep.html [2005-07-20] 33 http://www.schichttechnik.net/ [2004-02-27]


Abb. 11: Prinzip der physikalischen Gasphasenabscheidung34 Vorteile der PVD: Durch die Vakuumumgebung erhält man die Möglichkeit, gas- oder dampfförmige Verunreinigungen im Abscheidungssystem auf ein sehr geringes Maß zu reduzieren und dadurch ultrareine Filme oder Pulver herzustellen. Durch sorgfältige Überwachung der Prozessbedingungen lässt sich mit diesem Abscheideverfahren, das bis zu atomarer Genauigkeit ausgeführt werden kann, gute strukturelle Kontrolle erzielen. Nachteile: Weil die Abscheidung im niedrigen Dampfdruckbereich erfolgen muss, werden Vakuumsysteme benötigt, welche die Komplexität der Anlage und die Produktionskosten erhöhen; die Synthese von Mehrkomponenten-Materialien ist schwierig, außer bei der Laserablation, da die verschiedenen Elemente unterschiedliche Verdampfungstemperaturen oder Sputtergeschwindigkeiten aufweisen; die Geradlinigkeit des Dampfstrahl macht es schwierig, Filme auf komplex geformte Komponenten abzuscheiden. Viele zusammengesetzte Stoffe dissoziieren teilweise bei der thermischen Verdampfung und erzeugen nicht-stöchiometrische Ablagerungen, die jedoch für andere Anwendungen wieder nützlich sein können.35 4.4.1 Vakuumbedampfung Die Vakuumbedampfung ist eine der ältesten Verfahren zur Abscheidung von Dünnschichten. Sie verläuft in vier grundlegenden Schritten: Durch Sieden oder Sublimieren des Quellenmaterials im Vakuum wird zuerst ein Dampf erzeugt, dieser wird anschließend von der Quelle zum Substrat transportiert und kondensiert dort als feste Schicht auf der Substratoberfläche (Abb. 12).36

34 http://www.schichttechnik.net/ [2004-02-27] 35 Choy (2000:536ff) 36 http://www.williamandrew.com/download/14425/14425_01.pdf [2005-07-20]


Abb. 12: Schema des Aufdampfprozesses37 Eine bedeutende Rolle beim Aufdampfprozess spielt die Art der Verdampfung, deren es im Wesentlichen vier gibt: durch direkte Heizung des Materials (direkt geheiztes Verdampfen), durch induzierte Wirbelströme (Induktionsverdampfen), durch Elektronenbeschuss (Elektronenstrahlverdampfen) und durch Erhitzung mit einem Laserstrahl (Laserstrahlverdampfen).38 Die Elektronenstrahlverdampfung ist die beliebteste Methode und kann auch die meisten Materialien, zudem noch gleichzeitig, verdampfen. Das Laserstrahlverdampfen und die Verdampfung durch Induktion sind in der Lage, die chemische Zusammensetzung des Ausgangsmaterials zu bewahren und somit komplizierte Mehrkomponentenmaterialien von der Quelle auf das Substrat zu übertragen, sind aber nur beschränkt anwendbar. Da die Vakuumverdampfung in einem Vakuumbehälter stattfindet, wo die mittlere freie Weglänge (MFP) zwischen 20 cm und 30 m liegt, erreichen die von den Quellen verdampften Dünnschichtmaterialien das Substrat ohne Kollision. Weil die Energie des Verdampfungspartikels in der Vakuumverdampfung nur 0,1-1 eV beträgt, ist die für die Schichtqualität ausschlaggebende Energie die thermische Energie des Substrates. Dieser niedrige Energieeintrag hat zur Folge, dass das Substrat weniger beschädigt wird und die Schicht weniger Unreinheiten enthält. Im Gegenzug tendiert die Schicht dazu, porös zu werden und eine zu geringe Dichte oder Filmstärke aufzuweisen.39 4.4.2 Sputterbeschichtung Obwohl die Vakuumbedampfung ein gut beherrschtes Verfahren ist, mit dem hochreine Schichten herstellbar sind, birgt es doch den Nachteil einer relativ geringen Schichthaftung. Für Anwendungen, die einer starken mechanischen Belastung unterliegen, liefert die Sputterbeschichtung die besten Ergebnisse. Bei diesem Verfahren stehen sich im Rezipienten ein Target (die Quelle) und das Substrat auf wenigen Zentimetern Abstand gegenüber. Zwischen diesen beiden als Elektroden 37 Menz/ Mohr (1997:128) 38 http://avt-vakuumtechnik.de/lexikon/physik/ [2005-07-20] 39 http://www.shincron.co.jp/en/device/pdf/04-1.pdf [2004-03-03]


geschalteten Flächen brennt eine Plasmaentladung in einem Argongas. Die Argonionen aus der Entladung werden auf das Target zu beschleunigt und schlagen aufgrund ihrer hohen kinetischen Energie neutrale Atome oder Molekülbruchstücke aus der Targetoberfläche heraus (Abb. 12 und 13). Diese fliegen mit hoher Geschwindigkeit auf das Substrat zu und kondensieren dort. Weil die Teilchen gegenüber dem thermischen Verfahren eine 10- bis 100-fache kinetische Energie haben ist die Haftfestigkeit der von ihnen gebildeten Schichten dem entsprechend höher als die von Aufdampfschichten. Ein weiterer Vorteil des Sputterns ist die Tatsache, dass die Beschichtungsmaterialien nicht durch die Schmelzphase gehen. Somit können auch hochschmelzende Materialien wie Tantal oder Wolfram oder solche ohne definierten Schmelzpunkt, wie Keramiken, zerstäubt werden.

Abb. 12: Sputtern: a) Ein beschleunigtes Ion trifft auf die Targetoberfläche, b) durch einem elastischen Stoß werden Atome aus dem Target herausgelöst und das Ion neutralisiert.40

Abb. 13: Die von den beschleunigten Ionen (hier rot) herausgeschlagenen Atome oder Moleküle (braun) lagern sich dann auf dem Substrat ab.41 Eine Eigenheit dieses Verfahrens ist, dass man durch Umpolung der Elektroden die Möglichkeit hat, das Substrat extrem gründlich zu reinigen; hierbei wird das zu beschichtende Substrat vorher abgesputtert (Sputterätzen).42 Eine entscheidende Weiterentwicklung des konventionellen Sputterns stellt das Magnetonsputtern dar, das vor allem eine hohe Beschichtungsrate liefert.43 40 O-L d. Physik 41 http://www.schichttechnik.net/ [2004-02-27] 42 Menz/ Mohr (1997:130f)


Beim reaktiven Sputtern findet unter Beteiligung eines weiteren Gases zusätzlich eine chemische Reaktion statt. Auf diese Weise kann die gesamte Bandbreite vom reinen Metall bis zum reinen Salz (Isolator) überstrichen werden.44

4.4.3 Ionenimplantation In der planaren Halbleitertechnologie ist die Implantation von Ionen in Halbleiter ein Standardverfahren der oberflächennahen Dotierung. Trotzdem gewinnt die Ionenimplantation nicht nur für die Dotierung von Halbleitern sondern auch auf anderen Gebieten der Materialmodifizierung an Bedeutung: Ionenstrahlen können ausreichend Material implantieren, um sogar neue Materialien zu synthetisieren (z.B. Siliziumcarbid durch Kohlenstoffimplantation in Silizium) oder Metalloberflächen passivieren (Abb. 14).

Abbildung 14: (a) Ein Schicht\-Substrat-System wird durch eine scharfe Grenzfläche idealisiert dargestellt. (b) Die durch Ionenimplantation eingebrachten Projektile verteilen sich auf Zwischengitterplätzen in der Substratmatrix. (c) Die dadurch erzeugte Variation der Dichte erzeugt unscharfe Grenzflächen. Weitere Veränderungen durch atomare Stöße der Projektile mit Schicht-Substratatomen führen zu Grenzübergängen unterschiedlicher Dichte.45 Das Verfahren läuft folgendermaßen ab: Die zu implantierenden Atome oder Moleküle werden ionisiert, in einem elektrostatischen Feld beschleunigt und in das (Halbleiter-)Target geschossen. Dabei sind beliebige Energien, Ion-Substrat-Kombinationen und auch Implantationsdosen (Ionen pro Fläche) möglich.46 Die Energie der Ionen kann von einigen keV bis zu einem MeV reichen und führt zu Eindringtiefen von 10 nm bis etwa 1µm.47

43 Franz (1994:178ff) 44 Franz (1994:166) 45 http://pikp04.uni-muenster.de/ikpxrr/berichte/siemens.htm [2004-03-15] 46 Eichler (1997:21 47 Menz/ Mohr (1997:30)


4.4.4 Ionenstrahlgestützte Abscheidung (IBAD) Wenn man die spezifischen Schwächen der Vakuumbedampfung, die sich als Porosität, geringe Festigkeit und Haftfestigkeit der abgeschiedenen Schichten bemerkbar machen, umgehen will, kommt ein Hybrid aus herkömmlicher physikalischer Dünnschicht- und Ionenstrahltechnik zur Anwendung: die ionenstrahlgestützte Abscheidung, kurz IBAD. Charakteristisch für das IBAD-Verfahren ist, dass die herzustellende dünne Schicht während des Abscheideprozesses im Vakuum gleichzeitig mit einem energetischen Ionenstrahl bestrahlt wird. Der Ionenbeschuss erfolgt durch eine oder auch mehrere Ionenkanonen, was die Flexibilität bei der Prozesssteuerung während der Beschichtung gewährleistet. Durch die Ionenbestrahlung erfolgt nun ein Eintrag von zusätzlicher Energie in die Oberfläche der Schicht, wodurch dort diverse chemische und physikalische Prozesse angeregt bzw. verstärkt werden (Abb. 15). Auf diese Weise wird eine direkte Einflussnahme auf die chemische Zusammensetzung, sowie die Kristallinität und Mikrostruktur der erzeugten Schicht ermöglicht. Letztlich kann so auf die technologisch interessanten Schichteigenschaften, d.h. mechanische, optische, elektronische, magnetische Eigenschaften, gezielt Einfluss genommen werden.48

Abb. 15: Schema der ionenstrahlgestützten Abscheidung49

4.4.5 Clusterbeschichtung Die bis jetzt vorgestellten Methoden zur Schichtabscheidung verwenden Atome oder Moleküle. Die aus einem Gas oder einem Molekülstrahl stammenden Partikel werden zufällig über die Oberfläche gestreut, was zu lokalen Unregelmäßigkeiten in der Abscheiderate führt. Ohne zusätzliche laterale Transportvorgänge wird das abgelagerte Material unweigerlich Oberflächenrauigkeit verursachen. Wenn dies unerwünscht ist, wird in der PVD das Substrat auf mehrere hundert Grad aufgeheizt, um die Oberflächendiffusion anzuregen. Materialien,

48 Frieß (2002:19f) und http://www.iom-leipzig.de/html/deu/Schwerpunkte/ibad.cfm [2005-07-21] 49 http://www.iom-leipzig.de/html/deu/Schwerpunkte/ibad.cfm [2005-07-21]


die solchen Temperaturen nicht standhalten, kann die Anregungsenergie durch Ionenbeschuss zugeführt werden (siehe IBAD).50 Eine Alternative bietet die Beschichtung mit beschleunigten Clusterionen (Clusterbeschichtung), bei der ein Cluster nur soweit beschleunigt wird, dass die Energie pro Atom einige Elektronenvolt beträgt. Die Eindringtiefe der Cluster beträgt daher nur wenige Monolagen, und Strahlungsschäden bzw. Interdiffusionsprozesse werden vermieden.51 Beim Auftreffen auf die Substratoberfläche werden die Cluster verformt (zerfallen nicht wieder in ihre Einzelatome) und „verschweißen“ mit dieser, wodurch gut haftende Schichten hoher Reinheit und Defektfreiheit möglich sind (Abb. 16c, z.T. 16b).52 Unbeschleunigte bzw. neutrale Cluster bilden poröse Schichten (Abb. 16a) und können dank ihrer großen Oberfläche für die chemische Katalyse auf Oberflächen verwendet werden oder sie zeigen besondere Eigenschaften wie im Fall von porösem Silizium Photoluminiszenz.53

Abb. 16: Der von einem auf eine Oberfläche einschlagende Cluster erzeugte Effekt in zeitlicher Abfolge. Der Energieeintrag der Cluster ist bei a am niedrigsten, bei c am höchsten.54 4.5 Epitaxie

4.5.1 Bedeutung der Epitaxie Die Epitaxie kann als ein Spezialverfahren der CVD betrachtet werden. Bevorzugtes Material ist (dotiertes) Silizium für die Abscheidung von einkristallinem Silizium auf Halbleiterscheiben.55 50 http://www.fmf.uni-freiburg.de/projekte/pg_cluster/projekt_cluster/lit/preprints/on_the_origin.pdf [2004-03-17] 51 O-L der Physik (2004-5) 52 Menz/ Mohr (1997:132f) 53 O-L der Physik (2004-5) 54 Milani/ Iannotta (1999:131) 55 Brück (2002:25)


In der modernen und zukünftigen (Nano-)Elektronik und Optoelektronik sind einkristalline Dünnschichten von großer technologischer Bedeutung, weil sie das Grundmaterial für die maßgeschneiderte Herstellung von hochempfindlichen Schaltkreiselementen, Detektoren, Sensoren und Emittern wie LEDs und Diodenlaser darstellen. Diese einkristallinen Schichten, besonders wenn sie defektfrei sein sollen, kann man kaum aus einem Volumenkristall gewinnen – sie setzen ein so genanntes epitaktisches Schichtwachstum voraus. Das Substrat, auf dem sie abgeschieden werden, muss dazu seinerseits einkristallin sein, weil es durch seine Gitterstruktur die Anordnung der wachsenden Schicht vorgibt. Die Gitterkonstanten des Substrats und der aufwachsenden Schicht dürfen sich höchstens um 1-2 % unterscheiden (= die Gitterfehlanpassung), da die Schicht sonst abbröckelt oder Risse und eine große Anzahl von Gitterdefekten aufweist. Dies betrifft aber meistens nur die Heteroepitaxie, wo Substrat und gewachsene Schicht aus verschiedenen Materialien bestehen.56 4.5.2 Epitaktisches Wachstum Die Prozesse beim Schichtwachstum an der Oberfläche der Schicht sind kompliziert und befinden sich außerhalb des chemischen und thermodynamischen Gleichgewichts. Wenn ein Teilchen auf die Substratoberfläche trifft, kann es zunächst adsorbiert werden. Geschieht dies durch Van-der-Waals-Kräfte, spricht man von physikalischer Adsorption, findet ein partieller Elektronentransfer statt, spricht man von chemischer Adsorption. Nach der Adsorption kann sich ein Teilchen wieder lösen (Desorption) oder an der Oberfläche migrieren um schließlich einen Kristallkeim zu bilden. Die Beweglichkeit der Teilchen auf der Oberfläche bestimmt dabei die Art des Schichtwachstums.57 Hier gibt es drei Modelle: Beim Inselwachstum (Volmer-Weber-Wachstum) (Abb. 17 rechts) keimen kleine Cluster auf dem Substrat, die dann zu Inseln anwachsen. Diese bilden sich, da die Bindung der aufwachsenden Moleküle untereinander stärker ist als deren Bindung zum Substrat. Sind die Moleküle dagegen stärker an das Substrat gebunden als untereinander, kommt es zum Lage-für-Lage-Wachstum (Frank-van-der-Merwe-Wachstum) (Abb. 17 links). Daher bildet sich nach der Adsorption der Moleküle eine vollständige Monolage auf der Substratoberfläche aus. Die nächste Schicht beginnt idealerweise erst, nachdem die vorherige Schicht abgeschlossen ist, weshalb man auch von einem zweidimensionalen Wachstum spricht. Ein Spezialfall zwischen den beiden genannten Wachstumsmodi ist das Lage-plus-Insel oder Stranski-Krastanov-Wachstum. Dabei wird nach der Ausbildung einiger Monolagen aufgrund deren Gitterfehlanpassung ein Aufwachsen von dreidimensionalen Inseln begünstigt (Abb. 17 Mitte).58

56 www.nasatech.com/Briefs/Aug98 [2005-07-21] und http://gift.physik.tu-berlin.de/fkueb/Epitaxie Protokoll2.pdf [2005-07-21] 57 Weiers (2003:7) 58 Würz (2001:113)


Abb. 17: Die drei Arten epitaktischen Wachstums59 Die folgenden Epitaxieverfahren, die man auch den jeweiligen PVD- und CVD-Methoden zuordnen kann, zeichnen sich dadurch aus, dass man einen großen Einfluss auf die kristalline Qualität und die Defektdichte der Schicht hat. Damit ist es möglich eine Vielzahl von Materialkompositionen herzustellen, wodurch eine große Bandbreite elektronischer und optoelektronischer Eigenschaften realisiert werden kann.60 4.5.3 Molekularstrahlepitaxie (MBE) Das zentrale Epitaxieverfahren ist die Molekularstrahlepitaxie und kann als eine verfeinerte Form der Vakuumbedampfung betrachtet werden. Das Quellenmaterial wird in so genannten Effusionszellen verdampft und strömt als gerichtete Atom- oder Molekularstrahlen auf das geheizte Substrat, um dort epitaktisch als kristalline Festkörperschichten aufzuwachsen. MBE findet im Ultrahochvakuum statt, weil die mittleren freien Weglängen im Molekularstrahl groß gegenüber den Abmessungen des Reaktors sein müssen, um Zusammenstöße im Strahl und folglich Vorreaktionen der chemischen Elemente im Strahl zu verhindern. Im Prinzip stellt die MBE damit je nach Modifikation eine Abart der Vakuumbedampfung oder der chemischen Dampfphasenabscheidung dar. Im Gegensatz zu solchen und verwandten Methoden können Dampfzusammensetzung und Verdampfungsgeschwindigkeit über längere Zeit exakt konstant gehalten und gezielt für die Abscheidung bis in den Submonolagenbereich hinein gesteuert werden. Der Nachteil hierfür ist aber eine relativ geringe Geschwindigkeit des Schichtwachstums, so dass die Herstellung von Schichten über einige μm äußerst zeitaufwendig (und teuer) ist. In der MBE-Anlage ist üblicherweise eine Elektronenkanone und ein Fluoreszenzschirm zur Beobachtung von Elektronenbeugungsbildern (RHEED) eingebaut (Abb. 18). Diese Beugungsbilder geben über die kristallographische Struktur der gewachsenen Oberfläche Auskunft. Die Möglichkeiten der MBE in Verbindung mit der in situ-Analyse des Wachstums und der Probenoberfläche durch verschiedene Mikroskopien führten zur Entwicklung künstlicher, modulierter Materialien, die eine Vielzahl von Quantenphänomenen ans Tageslicht brachten und in optischen und elektronischen Bauelementen Einzug hielten.61

59 O-L d. Physik 60 http://gift.physik.tu-berlin.de/fkueb/Epitaxie Protokoll2.pdf [2005-07-21] 61 Choy (2000:544f) und http://www.tu-ilmenau.de/EI/FKE/NT/forschung/mbe/ [2004-01-14]


Abb. 18: Eine Darstellung der MBE mit fünf getrennt ansteuerbaren Effusionszellen und einer in situ-Analysetechnik (RHEED)62 4.6 Ätztechniken 4.6.1 Isotropes und anisotropes Ätzen Ätzverfahren gehören zur Technologieklasse der subtraktiven Strukturerzeugung. Mikrotechnische Strukturelemente werden ätztechnisch hergestellt, indem ein zunächst in größerer Ausdehnung vorhandenes und zumeist gleichmäßig aufgebautes Material lokal entfernt wird. Bezüglich des Materialabtrags sind Ätzverfahren extrem hoch auflösend, weil die Materialien in Form einzelner Atome, Ionen oder Moleküle abgetragen werden. Deshalb sind sie nicht nur in der Mikroelektronik, Mikromechanik und Mikrosystemtechnik unverzichtbar, sondern auch für die Herstellung von Nanostrukturen. Um gezielt Mikrostrukturen durch Ätzen zu erzielen, muss ein reaktives Medium lokal angreifen. Dazu werden einerseits Ätzmasken verwendet (meist lithographisch strukturierte Resists) oder gerichtete und lokal begrenzte ätzenden Medien wie beim fokussierten Ionenstrahlätzen. In allen Ätzverfahren werden Bindungen zwischen Atomen bzw. Molekülen in Festkörpern gelöst. Dabei werden Festkörperbestandteile in eine Form überführt, die über eine bewegliche Phase (Gas oder Flüssigkeit) von der Festkörperoberfläche abgeführt werden kann. Erfolgt der Abtrag in der flüssigen Phase, spricht man von „Nassätzverfahren“, überführt man das Festkörpermaterial in die Gasphase, ist von „Trockenätzverfahren“ die Rede. Die Lösung der Bindungen erfolgt entweder sehr unspezifisch durch die Übertragung mechanischer Impulse einschlagender Teilchen (Sputtereffekt) bis hin zur Umwandlung in leicht verdampfbare oder solvatisierte Moleküle durch hochspezifische Reaktionen. Die Art der Bindungslösung bestimmt, ob ein Ätzprozess isotrop oder anisotrop ist. Beim isotropen Ätzen, zu denen die meisten Nassätzprozesse gehören, werden die Stoffe in allen Raumrichtungen gleich schnell abgetragen; es kommt zu einer Maßverschiebung der Maskenstruktur (Unterätzen) in die Funktionschicht. Beim anisotropen Ätzen, das für Trockenätzprozesse typisch ist, werden Teilchen bevorzugt in einer bestimmten

62 http://www.ohno.riec.tohoku.ac.jp/machine/fig/mbe.gif [2004-03-23]


Raumrichtung abgetragen, wodurch die Maskenstrukturen 1:1 in die Funktionsschicht übertragen werden können (Abb. 19).63

Abb. 19: a) Funktionsschicht vor Ätzschritt; b) isotrop geätzte Funktionsschicht (unterätzte Maskenschicht); c) anisotrop geätzte Funktionsschicht Köhler (2002:280) In der modernen hochauflösenden Lithographie werden Trockenätzverfahren gegenüber Nassätzverfahren bevorzugt, da letztere durch ihr isotropes Verhalten Unterätzen und damit einen Strukturverlust hervorrufen.64 Andererseits sind Nassätzverfahren sehr selektiv im Bezug auf das abzutragende Material und können durch gezieltes, zeitkontrolliertes Unterätzen auch bestimmte Nanostrukturen erzeugen.65 Im Folgenden werden aber nur wichtige Nassätzverfahren beschrieben. 4.6.2 Reaktives Gasätzen Das Ätzen mit reaktiven Gasen ist eine elementare Form des Trockenätzens. Weil die Teilchendichte von Gasen im Vergleich zu Flüssigkeiten (beim Nassätzen) sehr niedrig ist, wird eine hohe Reaktionswahrscheinlichkeit zwischen dem zu ätzenden Material und dem Ätzgas vorausgesetzt, um zu akzeptablen Ätzraten zu führen. Diese Ätztechnik hat deshalb nur begrenzt Eingang in die Mikrotechnik gefunden. Die Wahl des Drucks bildet einen Kompromiss zwischen dem Angebot an Reaktionspartnern aus der Gasphase (je mehr Druck, desto mehr Teilchen) und dem schnellen Abtransport der Reaktionsprodukte (je weniger Druck, desto schneller). Durch eine Substratheizung können zudem die Oberflächenreaktionen beschleunigt und der Desorptionsvorgang thermisch unterstützt werden. Normalerweise wird beim Ätzen mit reaktiven Gasen eine Maske eingesetzt, die wie beim Nassätzen bestimmte Teilflächen vor der Korrosion durch Ätzgase schützt. Die Tatsache, dass das Maskenmaterial oft aus organische Polymere enthaltenden, wenig stabilen Fotolacken besteht, beschränkt die Anwendung einer Substratheizung beträchtlich.66 4.6.3 Plasmaätzen Um auf einfache Weise eine hohe Dichte an hochreaktiven Spezies über einen größeren Raum zu erzeugen, wendet man so genannte kalte Plasmen an. Kalte Plasmen werden grundsätzlich 63 Köhler (2002:279f ) und (1998:16) 64 Menz/ Mohr (1997:143) 65 Köhler (2001:87) 66 Köhler (1998:133f) und (2002:300)


durch Mikrowellen erzeugt, die die Elektronen neutraler Gasatome in Schwingungen versetzen. Es kommt zur Bildung von Radikalen und Teilchen mit elektronisch angeregten Zuständen. Aufgrund der ungepaarten Elektronen sind Radikale weitaus reaktiver als Gasmoleküle im Grundzustand, so dass Oberflächenreaktionen zur Bildung flüchtiger Spezies effizient ablaufen können (Abb. 20).

Abb. 20: Der schematische Plasmaätzprozess in einem Reaktor. Das Maskenelement rechts verhindert lokal das Ätzen.67 Die hohe Dichte an Radikalen unterscheidet das Plasmaätzen ganz wesentlich vom Ätzen mit reaktiven Gasen. Da sich beim Plasmaätzen die Radikale in allen Raumrichtungen bewegen, erfolgt der Ätzangriff von allen Oberflächen aus gleichmäßig wie beim isotropen Nassätzen.68 4.6.4 Lasergestütztes Ätzen Dieses Ätzverfahren basiert auf dem Ätzen mit reaktiven Gasen. Da die Ätzgase im Grundzustand und bei Raumtemperatur nicht immer ausreichend reaktiv sind, kann zur Aktivierung des Abtrags elektromagnetische Strahlung eingesetzt werden (photogestütztes Ätzen). Voraussetzung für einen maßgeblichen Effekt auf die Ätzrate ist eine hohe Intensität der eingesetzten Strahlung, weshalb das photogestützte Ätzen in der Gasphase fast immer in Form einer Laserstrukturierung erfolgt. Die Wirkungsarten des Lasers beim Ätzprozess beruhen auf verschiedenen Prozessen. Lasergestütztes Ätzen besitzt vor allem Bedeutung in der direktschreibenden Lithographie, da der Laserstrahl gut fokussiert und beliebig ein- und ausblendbar über die Festkörperoberfläche geführt werden kann. So kann je nach Wirkungsart eine Fläche mit beliebigen Mustern beschrieben werden oder bestehende Muster nachkorrigiert werden (s.a. LACVD).69

67 http://www.nas.nasa.gov/Main/Features/2000/Fall/plasma_pic.html [2005-07-23] 68 Köhler (2002:302ff) 69 Köhler (2002:300f)


4.6.5 Sputterätzen Anstelle einer hohen Reaktivität von Gasbestandteilen wird beim Sputterätzen nur die kinetische Energie einschlagender Teilchen zum Materialabtrag genutzt (Sputtereffekt, s.a. Sputterbeschichtung). Die Energien sputterwirksamer Teilchen müssen deutlich oberhalb der Energie der chemischen Bindungen im Festkörper liegen, meistens oberhalb von 100 eV. Das eintreffende Teilchen überträgt seinen Impuls auf die nächsten Atome und bewirkt eine Kaskade von Stoßprozessen im Gitterverband, wodurch einzelne Atome oder Atomgruppen von der Oberfläche abreißen. Das Sputtern ist ein universeller Prozess, dem prinzipiell alle Materialen zugänglich sind; es ist nicht selektiv, d.h. es beachtet nicht chemische Zusammensetzungen, sondern nur Bindungsstärken. Wegen des Fehlens unterstützender chemischer Ätzprozesse sind die Ätzraten beim reinen Sputterätzen relativ gering, was aber ein Vorteil bei der Bearbeitung von ultradünnen Schichten darstellt. Werden Ätzmasken eingesetzt, muss in Betracht gezogen werden, dass diese wegen des unspezifischen Abtrags mit abgetragen werden.70 4.6.6 Reaktives Ionenätzen (RIE) Das reaktive Ionenätzen (RIE) stellt seiner Natur nach eine Kombination aus dem Sputter- und dem Plasmaätzen dar. Es nutzt sowohl energetische Teilchen als auch reaktive Plasmabestandteile für den Materialabtrag. Die Apparaturen des RIE entsprechen ganz denen des Sputterätzens. Der einzige wesentliche Unterschied dazu ist, dass an Stelle eines Inertgases ein Reaktivgas bzw. Reaktivgasgemisch tritt.71 4.6.7 Ionenstrahlätzen (IBE) Auch beim Ionenstrahlätzen (IBE) wird die Sputterwirkung beschleunigter Ionen oder Atome für einen anisotropen Ätzprozess genutzt. Das IBE unterscheidet sich vom Sputterätzen und dem reaktiven Ionenätzen dadurch, dass die Erzeugung und Anwendung der energetischen Teilchen räumlich und elektrisch entkoppelt sind. Außerdem ist es möglich, den Ionenstrahl vollkommen zu neutralisieren, wodurch die Teilchen nicht mehr zwangsläufig in Normalenrichtung zum Substrat einfallen müssen und beliebige Neigungswinkel zwischen Strahl und Substrat eingestellt werden können (Abb. 21).72

70 Köhler (2002:305ff) 71 Köhler (2002:308) 72 Köhler (2002:311f)


Abb. 21: Verstellbarkeit der Einfallswinkel als wichtige Eigenschaft des IBE.73 Das physikalische Ionenstrahlätzen mit Edelgasionen ist stark anisotrop, aber nicht selektiv. Ionenstrahlverfahren mit einem selektiven Ätzprozess arbeiten mit einem Reaktivgas und werden als reaktives Ionenstrahlätzen bezeichnet (RIBE) (Abb. 22).

Abb. 22: Darstellung des Oberflächenprozesses beim reaktiven Ionenstrahlätzen.74 Eine weitere Verfahrensvariante, das chemisch gestützte Ionenstrahlätzen (CAIBE), ermöglicht eine unabhängige Kontrolle der Ionenenergie und des Neutralteilchenflusses.75

73 Köhler (2002:311) 74 http://www.riken.go.jp/lab-www/library/publication/review/pdf/No_31/31_048.pdf [2005-07-23] 75 Lex. d. Oberflächentechnik (1989:119ff)


4.7 Schichtstrukturierung durch Photolithographie 4.7.1 Photolithographie Die Photolithographie, die am häufigsten angewandte Lithographie, ist ein zentraler Bestandteil der Planartechnik. Ihr Ziel ist, Strukturen mit Abmessungen weit unter 0,1 mm wiederholt auf Werkstoffe zu übertragen. Da der eigentliche Werkstoff nicht lichtempfindlich ist, erfolgt kein direkter Materialabtrag durch Licht, was einen Umweg erforderlich macht: Zunächst wird die Oberfläche eines Materials mit einer lichtempfindlichen Schutzschicht, dem Resist, überzogen. An den zu bearbeitenden Stellen wird diese Schicht über eine Vorlage, die so genannte Maske, mit Licht einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt. In einem anschließenden Entwicklungsschritt werden die belichteten bzw. unbelichteten Bereiche aus der Schicht herausgelöst, so dass das Substrat an dieser Stelle wieder freigelegt wird. Danach folgen die eigentlichen strukturgebenden Prozessschritte wie z.B. Ätzen, Abscheiden von Metallen oder andere. Nach dem Entfernen der Schutzschicht bleibt die fertige Struktur in den Fenstern erhalten (Abb. 23).76

Abb. 23: Grundlegende Schritte der photolithographischen Schichtstrukturierung.77 4.7.2 Funktion des Resists Die gesamte Oberfläche eines Substrates wird mit einem Kunststofflack, dem sog. Resist beschichtet. Die Beschichtung erfolgt entweder durch Tauchen (Tauchbeschichtung), oder, wenn bessere Kontrolle der Lackdichte gewünscht wird, durch Sprühen (Sprühbeschichtung) und am besten durch Schleudern (Schleuderbeschichtung). Die Haupteigenschaft des Resists ist seine Resistenz (daher sein Name) gegen spätere Bearbeitungsschritte wie z.B. Galvanik oder Ätzprozesse. Gleichzeitig erlaubt er eine Bearbeitung mit Licht- oder Teilchenstrahlen (Ionen, Elektronen). Bei dem lithographischen

76 Richter (2002:188) 77 http://www.plasmatod.de/hs2k/atomlithographie_druck.html [2005-07-23]


Prozessschritt ändert der Kunststoff seine chemischen Eigenschaften, so dass belichteter und unbelichteter Bereich eine unterschiedliche Beständigkeit gegen das Lösungsmittel, dem Entwickler, haben.78 Wenn bei der Belichtung die Strahlung die Polymerketten des Resists auseinanderreißt, wird er an diesen Stellen im Entwicklungsbad löslich: es handelt sich um einen Positiv-Resist. Bei einem Negativ-Resist stärkt die Bestrahlung das Polymer durch zufällige Quervernetzung und wird weniger löslich. Nach der Entwicklung bleiben folglich nur die belichteten Strukturen bestehen (vgl. Abb. 23: Positivlack – Negativlack).79 4.7.3 Schattenprojektion Ein wichtiges Merkmal der optischen (parallelen) Belichtungsverfahren ist der Maskenmaßstab. Man unterscheidet zwischen einer Schattenprojektion, bei der die Maske die gleiche Größe wie die zu erzeugende Struktur auf der Scheibe hat, und abbildende (verkleinernde) Verfahren. Abbildende Verfahren arbeiten meist mit Verkleinerungsmaßstäben von 10:1 bis 4:1.80 Die Schattenprojektion stellt die einfachste Art der Photolithographie dar und war über viele Jahre hinweg das Standardverfahren in der Halbleitertechnik. Sie wird auch noch in vielen Anwendungen mit weniger kritischen Bauelementen in der Produktion angewendet und ist in ihren zwei Varianten, der Kontakt- und der Proximity-Belichtung vorhanden (Abb. 24).81

Abb. 24: a) Kontaktbelichtung; b) Proximity-Belichtung 82 4.7.3.1 Kontaktbelichtung Bei der Kontaktbelichtung (Abb. 24a) werden Maske und Wafer zuerst bei einem geringen Abstand zueinander über Marken genau übereinander justiert und dann mit einem relativ 78 Menz/ Mohr (1997:162) 79 Madou (2002:6) 80 Menz/ Mohr (1997:33) 81 Menz/ Mohr (1997:182) 82 Menz/ Mohr (1997:182)


hohen Druck aufeinander gepresst oder über Vakuum angesaugt. Dies ermöglicht im Prinzip eine gute Strukturauflösung bis in den Submikrometerbereich. Es ergeben sich jedoch Ausbeuteprobleme, da sich Maske und Wafer durch die gegenseitige starke Berührung beschädigen, besonders wenn sich zwischen ihnen Staubteilchen befinden. Ein so erzeugter Fehler auf der Maske würde bei allen nachfolgenden Belichtungen auftreten. Ein weiteres Problem ist die mangelnde Ebenheit der Resistschichten, die einen idealen Kontakt über der gesamten Waferfläche verhindern.83 4.7.3.2 Proximity-Belichtung Bei der Proximity-Belichtung (Abb. 24b) wird zwischen Maske und Wafer ein definiert kleiner Spalt, typischerweise 10-50 µm breit, eingestellt. Durch die Wellennatur des Lichtes ergibt sich bei der Schattenprojektion kein idealer Schattenwurf, sondern es treten in der Intensitätsverteilung im Resist Minima und Maxima gemäß der Fresnelschen Beugung auf. Der genaue Wert der erreichbaren Auflösung hängt vom Resist-Entwickler-System ab. Aufgrund der geringen Auflösung und der oben genannten Probleme kommen beide Verfahren für moderne Halbleiteranlagen nicht mehr in Betracht, haben jedoch in der Mikrotechnik, wo die Anforderungen an minimale Strukturbreiten i.A. geringer sind, noch eine Bedeutung.84 4.7.4 Projektionsbelichtung Bessere Strukturauflösungen lassen sich mit abbildenden Systemen erreichen. Dabei wird die Maske mit hoch auflösenden Objektiven mit hoher Apertur auf den Resist abgebildet (Abb. 25). Soll die Auflösung hoch und die Fokustiefe groß sein, kommt man nicht umhin, die Wellenlänge der verwendeten Lichtquelle zu verkleinern. Je nach minimaler Strukturgröße, die noch übertragen werden soll, werden unterschiedliche Bereiche des elektromagnetischen Spektrums für die optische Strukturübertragung verwendet. Bei Strukturen bis herab zu 0,5 µm kann man die Strahlung des sichtbaren Bereichs oder des nahen Ultravioletts verwenden. Für den eigentlichen Submikrometerbereich wird überwiegend Röntgenstrahlung (Synchrotronstrahlung) verwendet. Mit Elektronenstrahl- oder Ionenstrahllithographie sind Strukturen bis in den Nanometerbereich möglich.85

83 ebd. 84 Menz/ Mohr (1997:182f) 85 Menz/ Mohr (1997:32ff)


Abb. 25: Projektionsbelichtung 86

86 http://www.uni-stuttgart.de/izfm/lehre/Lith_Bel.pdf [2005-07-23]

Spezifische Techniken zur Nanostrukturierung 44

5 Spezifische Techniken zur Nanostrukturierung

5.1 Nanolithographische Verfahren Lithographisch hergestellte Bauteile, z.B. integrierte Schaltkreise, weisen bereits einige kritische Abmessungen von unter 100 nm auf. Die Photolithographie, mit ihrem 193 nm-Licht und trotz auflösungsverbessernder Tricks, ist wohl oder übel am Ende ihrer Fähigkeiten angelangt.1 In diesem Abschnitt werden abbildungslithograhische Techniken kurz vorgestellt, die auf das Einschreiben von Strukturen unterhalb 100 nm in Festkörper-Oberflächen mit elektromagnetischen Strahlen oder Teilchenstrahlen beruhen. Um diese hohe räumliche Auflösung zu erzielen, muss man entweder die numerische Apertur erhöhen, wodurch allerdings die Tiefe des strukturierten Gebiets abnimmt, oder besser, kürzere Abbildungswellenlängen einsetzen. Der Umgang mit dieser kurzwelligen Strahlung ist jedoch nicht ganz trivial, ebenso wenig wie die Anforderungen an die Platzierungsgenauigkeit der Nanostrukturen, die z.B. in jetzigen höchstintegrierten ICs besser als 20-25% der kritischen Strukturabmessung sein muss.2 5.1.1 EUV- und Röntgenlithographie Extreme UV-Strahlung (EUV) scheint ein natürlicher Nachfolger der gegenwärtigen optischen Projektionslithographie mit tiefem UV-Licht (DUV) zu sein, da sie sich praktisch nur in der Wellenlänge (10 – 14 nm) unterscheidet. Diese Art von Strahlung wird auch als weiche Röntgenstrahlung oder Vakuum-UV-Licht bezeichnet. Die Technik ist fähig, Strukturen unter 100 nm bei ausreichender Tiefenschärfe zu erzeugen. Weil aber EUV von praktisch allen Materialien absorbiert wird, besteht einer der großen, erschwerenden Unterschiede zur DUV-Lithographie darin, dass sie ein Vakuum sowie reflektive statt refraktiver Optiken und Resists benötigt (Abb. 26).3 Verkürzt man die Belichtungswellenlänge weiter auf circa 1 nm, gelangt man zur Röntgenstrahlung. Neben einer kürzeren Wellenlänge (aus Plasmaquellen oder idealerweise aus Synchrotronen), besitzen Röntgenstrahlen eine hohe Tiefenschärfe, die geeignet ist, Resists und Substrate weit in die Tiefe zu durchdringen. Röntgenlithographie ist auch immun gegen geringe Partikelkontamination, kommt also ohne Vakuum aus. Dafür existieren für die Röntgenlithographie keine Optiken, wodurch sie immer nur im 1:1 Schattenwurf-Verfahren arbeiten kann. Auch gestaltet sich die Maskentechnik aufwändig, so dass bis in naher Zukunft keine großtechnischen Anwendungen zu erwarten sind.4 1 Madou (2002:48) 2 Rubahn (2002:24) und Bachmann (1998:55) 3 Madou (2002:48) 4 Madou (2002:49)


Abb. 26: EUV-Lithographie (von oben nach unten): EUV-Licht trifft auf eine reflektierende Maske mit absorbierenden Strukturen, dann auf beschichtete Reflektionsoptiken, um schließlich die Strukturen des integrierten Schaltkreises auf dem Wafer abzubilden.5 5.1.2 Nanolithographie mit geladenen Teilchen Eine Projektionsbelichtung einer Maske, d.h. eine gleichzeitige Belichtung aller Musterelemente der Maske, ist auch mit Elektronen- und Ionenstrahlen möglich. Im Prinzip kombinieren diese Methoden die hervorragende Auflösung geladener Teilchenstrahlen mit dem hohen Durchsatz einer Photolithographie. Die hohen Kosten der Maskenherstellung und die Instabilität der Masken wegen der Erhitzung haben jedoch die kommerzielle Akzeptanz dieser hochenergetischen Belichtungsmethoden aufgeschoben.6 Anders sieht es beim Direktschreibverfahren aus: Energetische Teilchenstrahlen können bis auf etwa 1 nm fokussiert werden und sind damit viel feiner auflösend als selbst kurzwellige UV-Strahlen. Allerdings ist die Auflösung durch die Mechanismen der Wechselwirkungen mit dem Resistmaterial begrenzt.7 Erforscht werden weiters Strahlen von neutralen Molekülen, Clustern und Atomen, die für eine hoch auflösende Lithographie anstatt Elektronen und Ionen eingesetzt werden könnten.8

5 http://www.nanotruck.net/pdf/folien/pdf-screen/Teil1/Teil1Wiss-techn22.pdf [2005-07-23] 6 Madou (2002:53) 7 Köhler (2001:127) 8 Köhler (2001:140ff)


5.1.2.1 Elektronenstrahl-Lithographie Im Prinzip ist ein Elektronenstrahl-Lithographiegerät ein modifiziertes Transmissions-Elektronenmikroskop (für seinen Aufbau s. Kap. 6.3.1) – in der Elektronenmikroskopie sind Wechselwirkungen mit der Probe allerdings unerwünscht.9 Bei der Elektronenstrahllithographie wird – ähnlich dem Bildaufbau in einem Fernsehschirm – ein Elektronenstrahl über das zu belichtende Substrat gerastert, während der Strahl sehr schnell ein- und ausgeschaltet wird. Da hier die Übertragung der Bildinformation seriell geschieht, ist die Elektronenstrahllithographie ein langsames Verfahren, ungeeignet für die Massenfertigung. Ihr Hauptanwendungsgebiet ist vielmehr in der Herstellung projektionslithographischer Masken für die Photolithographie zu sehen, bei denen die CAD-Daten seriell in die elektronenempfindliche Schicht eingeschrieben werden. Der Fertigungsdurchsatz ist gegenüber der hohen Präzision, die für die Maskenstrukturierung gefordert wird, von untergeordneter Bedeutung.10 Da Elektronen sehr energiereich sind, ist die theoretisch sehr hohe Auflösung ist durch den „Proximity-Effekt“, d.h. die Vorwärts- und Rückwärtsstreung von Elektronen innerhalb des Resists, begrenzt (Abb. 27).

Abb. 27: Proximity-Effekt: Links Darstellung der Vorwärtsstreuung, rechts zusätzlich mit Rückwärtsstreuung bei höherem Energieeintrag.11 Durch die Streuung weitet sich der belichtende Elektronenkegel auf (bis zu einigen µm). Um diesen Effekt zu umgehen, sind eine Modulation der Elektronendosis oder freitragende Membrane nötig.12 In der Forschung sind Strukturen mit Abmessungen kleiner als 5 Nanometer bereits hergestellt worden.13 5.1.2.2 Ionenstrahllithographie

9 http://www.physik.uni-tuebingen.de/physik-der-kick/lithographie.html [2005-07-24] 10 Menz/ Mohr (1997:32) 11 http://www.iht.e-technik.tu-darmstadt.de/ausstattung/elektronenlithographie2.html [2005-07-24] 12 Rubahn (2002:26f) 13 http://www.physik.uni-tuebingen.de/physik-der-kick/lithographie.html [2005-07-24]


Analog zu Elektronen lassen sich Ionen für die Lithographie nutzen: sie können ebenfalls durch Elektrodensystem erzeugt und beschleunigt, in ihrer Energie gefiltert und mit elektronischen Optiken lokal geführt werden.14 Der Vorteil der Ionenstrahllithographie besteht darin, dass aufgrund der wesentlich höheren Masse der Ionen die Streuung im Resist geringer ist als bei der Elektronenstrahllithographie und praktisch keine Rückstreuung auftritt. Das bedeutet, dass der Proximity-Effekt vernach-lässigbar ist. Zudem weist sie eine höhere Empfindlichkeit und eine Strukturauflösung bis unter 10 nm auf; abgesehen von der Belichtung eines Resists kann sie auch lokal Ionen mit geringer Eindringtiefe implantieren. Zur Zeit größtes Hindernis für einen weit verbreiteten Einsatz ist die Bereitstellung geeigneter Ionenquellen.15 5.1.3 Atomstrahllithographie Ein alternativer Ansatz für höchstauflösende parallel strukturierende Lithographie ist die Verwendung von lasergekühlten Atomstrahlen, die von lasererzeugten Stehwellenfeldern („Lichtmaske“) geführt werden (Abb. 28). Auf diese Weise können energetische Atome die üblichen Belichtungsaktoren – Photonen, Elektronen und Ionen – in einem Prozess ersetzen, der der herkömmlichen Lithographie nahe kommt. Vorteile: Große Flächen werden mit nanometergenauer Auflösung belichtet oder additiv strukturiert (allerdings pro Schritt nur streng parallele Punkte und Linien möglich), die Beschädigung des Substrats wird verringert und Streuung und Raumladung als Auflösungsbeschränkung eliminiert. Zwei verschiedene Wege werden zur Musterübertragung verfolgt: Der eine besteht in der chemischen Veränderung des Substrates mit reaktiven Alkali-Atomen, der andere in der Übertragung von der inneren Energie der Atome an die Oberfläche mit metastabilen Edelgasatomen.16

Abb. 27: Atomstrahllithographie 17

14 Köhler (2001:137) 15 Menz/ Mohr (1997:189) 16 Joan/ Green (2000:374) 17 Bachmann (1998:57)


5.2 Mikrokontaktdrucken In herkömmlichen Druckverfahren wird Tinte, die sich auf einer Reliefstruktur befindet, auf eine bestimmte Oberfläche übertragen. Beim Mikrokontaktdrucken (µCP) wird dieses Prinzip benutzt, mikro- bis nanometergroße Muster auf technische Oberflächen zu bringen. Zuerst wird eine Druckvorlage mit Elektronenstrahl-Lithographie oder einer anderen aufwändigen Lithographie angefertigt. Darauf wird eine Schicht Polydimethylsiloxan (PDMS) gegossen, einem weichen, gummiartigen Silikon, das sich nanometergenau formen lässt. Sie stellt nach der Abformung und Aushärtung den Stempel beim µCP dar. Nun nimmt der Stempel die Tinte auf – entweder indem man ihn auf ein „Stempelkissen“ drückt oder eine Tintenlösung aufträgt. Während des Druckvorganges bilden sich aus der Tinte (meist Alkanthiol auf einem Goldsubstrat) durch Kontakt zwischen Reliefmuster und Substrat konturgetreue Monoschichten. Das chemische Muster der Monoschichten kann anschließend in einem Nassätzschritt in das Substrat übertragen werden (Abb. 28).18

Abb. 28: Prinzip des Mikrokontaktdruckens 19 Abgesehen von der erstmaligen Erzeugung der Druckform erfordert diese Technologie keine spezielle Ausrüstung. Sie ermöglicht die massenweise Herstellung von Nanostrukturen (z.Z. bis 35 nm) unter Verwendung einer Reihe von verschiedenartigen Materialien, auch auf gekrümmten Oberflächen. Nicht ideal ist das Mikrokontaktdrucken freilich für das Herstellen von Strukturen für Multilayer-Bauelemente in der Nanoelektronik. Deformiert sich der weiche PDMS-Stempel, so kann die kopierte Struktur kleine Fehler enthalten oder so weit verzerrt sein, dass sie nicht genau zu einer vorher fabrizierten, darunter liegenden Struktur passt.20

18 http://www.zurich.ibm.com/st/microcontact/highres/mucp.html [2005-07-24] 19 http://www.zurich.ibm.com/st/microcontact/highres/mucp.html [2005-07-24] 20 Spektrum d.W.S. (2001:18)


5.3 Nano-Prägelithographie Um diese Schwierigkeit des Mikrokontaktdruckens zu umgehen, verwenden Forscher statt weicher Stempel ähnlich hergestellte harte Prägeformen.21 Mit diesen harten, nanostrukturierten Stempeln werden in der so genannten Nano-Prägelithographie (Nanoimprint-Lithographie) ultradünne Resists durch Abdruck verformt. Dabei wird der Resist für die Abformung oft bis zu seinem Schmelzpunkt erwärmt und danach die eingedrückten Stellen des Resists, falls sie nicht gänzlich in die Hohlräume des Stempels verdrängt worden sind, durch Ätzen entfernt. Übrig bleibt das nanostrukturierte Muster, das bis zu 10 nm fein sein kann und für weitere lithographische Prozesse zur Verfügung steht (Abb. 29).22

Abb. 29: Dreistufiger Prozess in der Nano-Prägelithographie 23 5.4 Molekulares Prägen Im Gegensatz zum Mikrokontaktdrucken und zur Nanolithographie liefert molekulares Prägen eine Polymermatrix mit definierten Hohlräumen für das „Gießen“ bzw. Erkennen einzelner Moleküle. Das Prinzip dabei ist, ein abzuformendes Molekül („Templat“, „Schablone“) mit Monomeren zu umgeben, die anschließend polymerisiert werden. Das Ergebnis ist gewissermaßen einen „Gipsabdruck" der Geometrie und der funktionellen Gruppen. Nach dem Auswaschen der Molekülschablone bleiben speziell angepasste Hohlräume zurück, die eventuell zum „Gießen“ des abgeformten Moleküls dienen können. Häufiger jedoch werden sie durch funktionelle und sterische Bindung der abgeformten Moleküle als molekulare Sensoren eingesetzt (Abb. 30).24 21 Spektrum d.W.S. (2001:18) 22 Poole/ Owens (2003:336) 23 Poole/ Owens (2003:337) 24 http://www.anc.univie.ac.at/deutsch/sensor/chemosensoren/rezeptoren.html [2005-04-17] und


Abb. 30: Molekulares Prägen: Verschiedene Moleküle (links) werden durch Polymerisation in einer Polymermatrix (rechts) „abgeformt“.25 5.5 Nahfeldsondenlithographie 5.5.1 Elektrochemische Strukturierung Nahfeldsonden, vor allem die des Rasterelektronenmikroskops (STM) und des Atomkraftmikroskops (AFM), sind nicht nur für die Abbildung und Vermessung von Nanostrukturen bedeutsam (siehe Kap. 6.5), sondern auch für deren Herstellung. So können z.B. die Elektronen, die bei einem Messvorgang zwischen der Sonde und der Probe fließen, dazu benutzt werden, bei erhöhter Spannung einen elektronenempfindlichen Resist zu strukturieren oder auf der Probenoberfläche lokal chemische Reaktionen, oft Oxidation, auszulösen (Abb. 31). Das Direktschreiben in der Rastersondenlithographie findet im Nahfeld (daher auch Nahfeldsondenlithographie genannt) statt und unterliegt somit keinen optischen Beugungsbeschränkungen; besonders vorteilhaft ist die geringe Energie der Elektronen (<50 eV) im Gegensatz zur Elektronenstrahllithographie (300 eV bis 100 keV), die die schädliche Elektronenrückstreuung vermeidet und damit den Proximity-Effekt praktisch ausschaltet.26

http://www.gdch.de/taetigkeiten/nch/inhalt/jg2003/mol_prae.pdf [2005-07-24] 25 http://www.anc.univie.ac.at/deutsch/sensor/chemosensoren/rezeptoren.html [2005-07-24] 26 Costa (2000:59)


Abb. 31: Elektrisch induzierte Oxidation durch das STM und einem Feuchtigkeitsfilm zwischen STM und Substrat als Reaktionspartner.27 5.5.2 Mechanische Strukturierung Nahfeldsonden können auch dazu verwendet werden, mechanisch einen Graben durch eine Maskenschicht zu kratzen. Dazu wird einfach eine AFM-Spitze mit genügend Druck über eine weiche Oberfläche gezogen. Bis zu 20 nm enge und 2 nm tiefe Gräben wurden mit dieser Methode erreicht, allerdings brechen die ultrascharfen Sondenspitzen oft infolge einer direkten Kollision mit einer festen Oberfläche. Eine Lösung stellt die Verwendung von an Sonden festgemachten Kohlenstoff-Nanoröhren dar, die hervorragende elastomechanische Eigenschaften besitzen (Abb. 32).28

Abb. 32: Rasterkraftsonde mit Nanoröhre als ultrascharfer Spitze.29 5.5.3 Dip-Pen-Nanolithographie Eine neue faszinierende Herstellungsmethode von Nanostrukturen, die sehr „einleuchtend“ erscheint, ist die Dip-Pen-Lithographie. Sie funktioniert ganz ähnlich

27 Köhler (2001:151) 28 Costa (2000:60) 29 http://www.boulder.nist.gov/div853/main%20page%20photos/Nanotube2.jpg [2005-07-24]


wie eine in Tinte getauchte Schreibfeder (dip pen). Und zwar wird eine mit dem abzuscheidenden Schichtmaterial (die „Tinte“) benetzte Rastersonden-Spitze (die „Schreibfeder“) in Kontakt mit einem Substrat (das „Papier“) gebracht. Über einen kondensierten winzigen Wassertropfen diffundieren die Moleküle von der Spitze zur Substratoberfläche (Abb. 33). Bei entsprechender Auswahl der Moleküle und der Substratoberfläche erfolgt eine spezifische Bindung und schließlich wird eine 100 bis 10 nm feine Nanostruktur geschrieben. Als Tinte können nahezu alle beliebigen Moleküle verwendet werden, besonders gut gelingt die Technik mit Stoffen die selbstorganisierende Monoschichten ausbilden (z.B. Thiolmoleküle auf Gold).30

Abb. 33: Die Sondenspitze eines Rastertunnelmikroskops als „Füllfeder“.31 5.6 Atomare/ Mol. Top-down-Manipulation Mit Techniken, die es erlauben, einzelne Moleküle oder sogar Atomgruppen und Atome zu manipulieren, erhoffen sich Forscher, Werkzeuge in der Hand zu haben, um Prototypen interessanter nanotechnischer Strukturen bauen und untersuchen zu können. Die atomare/molekulare Top-Down-Manipulation stellt aber keine Lösung für die großtechnische Herstellung von Nanostrukturen dar.32 5.6.1 Manipulation mit Rastersonden In Kapitel 5.5.2 wurde beschrieben, dass Rastersonden mehr oder weniger atomgenau mechanisch Gräben in ein Substrat kratzen können. Nun ist es sogar möglich, einzelne Atome auf Oberflächen gezielt zu verschieben und damit willkürliche Nanostrukturen zu erzeugen. Das Instrument dazu sind die beiden Rastersondenmikroskope STM und AFM, die drei Werkzeuge für die Oberflächenmodifikation zur Verfügung stellt: das elektrische Feld zwischen Spitze und Substrat (STM), den Tunnelstrom der Elektronen

30 Spektrum d.W.S. (2001:20) und http://www.lot-oriel.com/de/htm/spec/s09315.php [2004-08-03] 31 Spektrum d.W.S. (2001:21) 32 http://www.foresight.org/hotnews/archive1.html [2005-07-24]


(STM) und die zwischen Spitze und Substrat auftretenden van-der-Waals bzw. chemischen Kräfte (STM und AFM), die durch eine Veränderung des Spitzen-Substrat-Abstandes gezielt eingestellt werden können. Letzteres ist für die laterale Manipulation geeignet, d.h. das Atom wird über die Oberfläche „geschleppt“ oder geschoben und dann zu einem beliebigen Zeitpunkt abgesetzt, indem der Spitze-Substrat-Abstand vergrößert wird (Abb. 34).

Abb. 34: Ein einzelnes Atom wird durch die von einer STM-Spitze ausgeübten Kräfte verschoben.33 Die Feld- und Stromeffekte spielen wiederum eine entscheidende Rolle in der vertikalen Manipulation, bei der das Atom durch Überwindung der Adsorptionskräfte Atom-Substrat von der Spitze aufgenommen und dann wieder auf die Oberfläche gesetzt wird. Wegen der hohen thermisch induzierten Mobilität der meisten Adsorbate ist die Kühlung auf sehr niedrige Temperaturen (4 K) unumgänglich, ebenso wie eine Ultrahochvakuum-Umgebung, um die Oberfläche des Materials von störenden Partikeln freizuhalten. Ein Beispiel für eine Nanostruktur, die durch STM-Manipulation zusammengefügt wurde, ist ein so genanntes Quantengatter, eine kreisförmige Anordnung von (in diesem Fall) Eisenatomen auf einer Kupferoberfläche (siehe Kap. 7.4.5). Um funktionelle Nanostrukturen zu ergeben, müssten die Atome jedoch in dreidimensionalen Anordnungen miteinander verbunden werden. Weil dies noch nicht erreicht wurde, die Herstellung langsam und Kühlung sowie Ultrahochvakuum nötig sind, ist STM-Manipulation von Atomen noch weit von der Serienherstellung für Nanostrukturen

33 http://www.rpi.edu/dept/materials/COURSES/NANO/shaw/Page5.html [2005-07-24]


entfernt. Sie ist aber wichtig, die Machbarkeit zu demonstrieren, solche Strukturen Atom für Atom zu bauen und deren physikalisches Verhalten zu studieren.34 5.6.2 „Optische Pinzette“ Bei der Wechselwirkung von Licht mit Materie treten minimale Kräfte auf, die zu einer Bewegungsänderung führen können, aber in der Makrowelt normalerweise zu vernachlässigen sind. Für Laserlicht mit seinen sehr großen Photonendichten und/oder für Objekte mit nanoskaligen Maßen kann der Strahlungsdruck allerdings eine wichtige Rolle spielen. So können dielektrische Kügelchen aus Glas oder Polystyrol aufgrund des Strahlungsdrucks der reflektierten und gebeugten Strahlen nahe des Laser-Brennpunkts eingefangen und in wässrigen Lösungen oder entgegen der Schwerkraft bewegt werden (Abb. 35).35 An diese Kügelchen lassen sich berührungsempfindliche Mikroorganismen, Zellen, Biomoleküle etc. heften, die dann auf diese Weise (zer-)störungsfrei festgehalten und untersucht werden können. Neben der kommerziell erhältlichen Ein-Strahl-Pinzette wurde bereits eine optische Pinzette entwickelt, die mit zwei Laserstrahlen funktioniert und damit die Proben richtig dreidimensional bewegen kann.36

Abb. 35: Optische Pinzette: Einwirkung des Lichtdrucks auf ein wenige Mikrometer großes Kunststoff-Kügelchen.37

34 Poole/ Owens (2003:338) und http://www.physik.fu-berlin.de/~ag-rieder/pr4eo/manipulation/atmansite.html [2005-07-24] 35 Rubahn (2002:127f) 36 Chem. Rundschau (2002:33f) 37 http://www.nbi.dk/~tweezer/dk/introduktion.htm [2005-07-24]


5.6.3 Nanopinzette Für die Manipulation und Untersuchung von Nanostrukturen wurden auch „physische”, elektromechanische nanoskalige Pinzetten entwickelt. Diese „Nanopinzetten“ benötigen elektrisch leitfähige Nanodrähte – die robusten Kohlenstoffnanoröhren kommen besonders in Frage –, die an zwei getrennte Mikroelektroden befestigt werden. Legt man eine Spannung an die beiden Elektroden, so schließen sich die freien Enden der Nanodrähte (bis zu 20 nm), was dem Schließen der beiden Greifarme einer Pinzette gleichkommt (Abb. 36). Die mechanischen Fähigkeiten der Nanopinzette wurden demonstriert, indem man sub-µm-große Cluster und Nanodrähte aufnahm und beliebig handhabte. Die einzelnen Greifer lassen sich auch als (AFM-) Messspitzen für die Bestimmung der plastischen und elektrischen Eigenschaften der aufgenommenen Nanostrukturen einsetzen.38 Obwohl sie einzeln noch sehr aufwändig herzustellen sind, ist es denkbar Nanopinzetten zu Millionen auf Siliziumchips zu integrieren für miniaturisierte Analyseanwendungen. Im Gegensatz zu optischen Pinzetten, die einen Partikel manchmal wegen des Laser-induzierten Schadens nur einige Sekunden halten können, funktionieren Nanopinzetten theoretisch unbegrenzt lange.39

Abb. 36: SEM-Bild einer Nanopinzette. Das Nebenbild zeigt den vergrößerten Ausschnitt der Federarmspitzen mit zwei eng beisammen liegenden Pinzettengreifern.40 5.7 Der Bottom-up-Ansatz Einen völlig anderen Weg zur Erzeugung von Nanostrukturen und –systemen schlägt die molekulare Nanotechnologie mit ihrem Bottom-up-Ansatz, weniger fachsprachlich auch „Lego-“ oder „Baukastenprinzip“ genannt, ein. Die zentrale Idee dieses Ansatzes nutzt die Möglichkeit, durch gezielten Zusammenbau von Atomen oder Molekülen als kleinste Bauteile funktionelle Nanostrukturen und -systeme zu synthetisieren. Hier werden erstmals Nanosysteme erwähnt, da anders als bei Top-Down-Techniken die 38 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/ [2005-07-24] und http://www.mic.dtu.dk/research/Nanointegration/ResearchActivitiesNH.htm [2005-07-24] 39 Burke (2003:5) 40 http://www.mic.dtu.dk/research/Nanointegration/ResearchActivitiesNH.htm [2005-07-24]


molekularen Bausteine selbst oft schon Nanostrukturen mit einer bestimmten Funktion darstellen.41 5.7.1 Moleküldesign Das Moleküldesign (molecular modelling) verwendet Computer-gestützte Rechenverfahren (Kraftfeldmethode, Molekülmechanik, Quantenmechanik), um zuerst ein Gerüst von primären chemischen Bindungsstrukturen eines Moleküls zu erstellen. Anhand dieses dreidimensionalen Molekülgerüsts können dann in der Folge nicht nur chemische, sondern auch physikalisch-mechanische Eigenschaften berechnet und dargestellt werden.42 Es stellt eine auf die Nanotechnologie abgestimmte und gezieltere Vorstufe für die Molekülsynthese dar als die klassische biologische und chemische Molekülsynthese43, insbesondere im Hinblick auf die „Vorprogrammierung“ von Molekülen als molekulare Bausteine für die Polymerisation und supramolekulare Komplexierung. Eine Molekülsynthese, die mit Assemblern „Atom-für-Atom“ statt mit einzelnen Molekül(teil)en durchgeführt wird, scheint jedoch abwegig (siehe Kap. 9.5).44 5.7.2 Moleküle als Bausteine Für den Aufbau von Nanostrukturen und -systemen nach einem „Baukastenprinzip“ sind Moleküle viel komfortablere Bausteine als Atome. Der Grund dafür ist, dass Moleküle stabile Spezies darstellen, während Atome oft sehr reaktiv und schwierig zu handhaben sind. Die meisten laborchemischen und biologischen Prozesse verlaufen über Moleküle, nicht Atome. Weiters sind Moleküle Nanostrukturen, die bereits bestimmte Formen und systemspezifische Eigenschaften besitzen.45 5.7.3 Nanostrukturierte Makromoleküle durch

Polymerisation Unterschiedliche Grade der Stabilität von Teilchen dienen unterschiedlichen Anforderungen: Dauerhafte nanotechnische Bauelemente müssen Strukturen mit starken Bindungen aufweisen; während einzelner Prozessschritte verwendete Baugruppen brauchen nur durch schwache Bindungen wie Van-der-Waals-Kräfte, Wasserstoffbrückenbindungen und zum Teil koordinative Bindungen zusammen gehalten werden. Bei völlig starren Teilchen ist die Geometrie der Moleküle durch die Bindungstopologie vollständig bestimmt. Mit zunehmender Zahl frei drehbarer Bindungen steigt die Zahl möglicher Geometrien bei Teilchen gleicher Bindungstopologie (räumliche Anordnung

41 Liu/ Gomez-Kaifer/ Kaifer (2001:142) 42 http://theoretische.chemie.uni-halle.de/Bioinformatik/bic_molecular_modelling.html [2005-07-24] 43 Man kann das Moleküldesign auch als Teilgebiet der Molekularchemie sehen, vgl. Lehn (1995:140) 44 Balzani/ Credi/ Venturi (2003:4ff) 45 Balzani/ Credi/ Venturi (2003:6)


der Bindungen). Bei der molekularen Erzeugung von Nanostrukturen stellt die innere Beweglichkeit von Teilchen eine Herausforderung dar. Beweglichkeit, die in Kopplungsschritten zwingend gebraucht wird, kann für Funktionen oder auch folgende Syntheseschritte störend sein. Die kontrollierte Einschränkung von Freiheitsgraden der Bewegung (Abb. 37) ist deshalb ein wichtiges Werkzeug der molekularen Nanotechnologie.

Abb. 37: Die sechs Freiheitsgrade eines Teilchens: jede der drei Achsen lässt sowohl eine lineare Bewegung als auch eine Rotationsbewegung zu.46 Molekulare Bausteine (MBBs) kovalenter Architekturen lassen sich formal auf wenige Grundtypen zurückführen: ein einfach bindendes Element (Terminator oder Endgruppe), z.B. Alkylgruppen; ein doppelt bindendes Element, z.B. Alkene oder einfache Aminosäuren; ein dreifach bindendes Element, z.B. substituierte Aminosäuren; vier- und höher verzweigte Einheiten.47 Durch Polymerisationsprozesse ergeben sich als Primärstruktur aus MBBs mit 2 Bindungsgruppen faden- oder röhrenförmige Makromoleküle, aus MBBs mit 3 Bindungsgruppen schichtförmige Makromoleküle und aus MBBs mit 4,5,6,12 Bindungsgruppen können besonders steife und robuste Strukturen geschaffen werden.48 Bei Oberflächenmolekülen wird die Struktur im Allgemeinen in drei Bereiche unterteilt: die Anker- oder auch Kopfgruppe, die für die Wechselwirkung des Moleküls mit dem Substrat verantwortlich ist, das beliebig viele Monomere enthaltende Rückgrat, das die intermolekularen Wechselwirkungen bestimmt, und die Endgruppe oder funktionale Gruppe, durch die Oberflächeneigenschaften festgelegt werden (Abb. 38).49

46 http://www.machinedesign.com/ASP/ [2005-03-12] 47 Köhler (2001:26ff) 48 Lyshevski (2002:54f) 49 http://www.ruhr-uni-bochum.de/rubin/rbin2_99/Artikel7/artikel7.htm [2005-07-24]


Abb. 38: Eine organische nanostrukturierte Haftvermittlerschicht zwischen Metall und Lack: In Violett die Ankergruppe, in Grün die Endgruppe und dazwischen das „Rückgrat“ (Linker, Spacer).50 Das kovalente Bindungsgerüst eines Makromoleküls allein setzt nur seine Primärstruktur fest. Die Summe und Anordnung all seiner intramolekularen, schwachen Wechselwirkungen (Dipol-Dipol-Wechselwirkungen, Wasserstoffbrückenbindungen, Van-der-Waals-Bindungen) bestimmen die Bindungstopologie eines Teilchens und seine Abgrenzung nach außen in Form einer Sekundär- und Tertiärstruktur. Dies ist schön bei einem Protein in Abb. 39, das nichts anderes als ein natürliches Polymer ist, zu erkennen.

Abb. 39: Die Konstruktionshierarchie eines natürlichen Proteins (von unten nach oben): 1. aus einfachen Bauteilen entsteht durch kovalente Polymerisation die kettenförmige Primärstruktur. 2. Diese verdrillt sich zu einer Sekundärstruktur. 3. Verdichtet sich zur Tertiärstruktur, einem Makromolekül. 4. Schließt sich eventuell mit anderen Makromolekülen zu einem supramolekularen Komplex zusammen.51 50 http://www.tu-dresden.de/vd51/ trabrief/042001/s13.html [2005-03-14] 51 Köhler (2001:32)


Schließlich kann sich ein Makromolekül durch diese schwachen Wechselwirkungen auch noch zu Supramolekülen (supramolekularen Aggregaten) zusammenlagern.52 5.7.4 Supramoleküle und Selbstorganisation Die besagten schwachen Wechselwirkungen, die einem natürlichen (d.h. effizient konzipierten) Protein seine Sekundär- und Tertiärstruktur verleihen und es ggf. noch an andere Makromoleküle anlagern, können auch bereits Moleküle zu großen geordneten Überstrukturen, den so genannten supramolekularen Aggregaten oder Supramolekülen, zusammenfügen. Ziel der supramolekularen Chemie ist, die nicht-kovalenten Bindungsformen gleichsam als Code für die Überstrukturen in die Moleküle einzubauen.53 Der Prozess, der unter Ausnutzung schwacher Wechselwirkungen zwischen komplementären molekularen Strukturen durch molekulare Information, Erkennung und Fixierung zum Aufbau geordneter supramolekularer Aggregate oder zur geordneten Adsorption von Molekülen auf Substraten führt, wird (supramolekulare) Selbstorganisation54 genannt. Im weiteren Sinne versteht man unter Selbstorganisation auch den Aufbau von Strukturen durch kovalente Bindungen, wie z.B. Makromoleküle.55 Selbstorganisation bietet für die molekulare Herstellung von Nanostrukturen gegenüber einem positionsgenauen Zusammenbau, wie er vor allem in der Mikrotechnik vorkommt, entscheidende Vorteile: Die anfänglichen Untereinheiten oder Einzelmoleküle sind normalerweise klein und wenig an der Zahl und damit leicht zu synthetisieren. Der Aufbau von Nanostrukturen geschieht ohne jegliche zentrale Steuerung, jedoch kann sie (wie bei der Proteinsynthese) eine automatische Fehlerüberprüfung beinhalten, so dass schadhafte oder falsch angefügte Untereinheiten während des Wachstums ersetzt werden können. Selbstorganisation ist in auch in punkto Ausbeute und Durchsatz der herkömmlichen organische Synthese von Makromolekülen oder supramolekularen Komplexen, die eine Anzahl zeitaufwendiger Zwischenschritte umfasst, in denen starke kovalente Bindungen unter kinetischer Kontrolle gebrochen und zusammengefügt werden müssen, weit überlegen.56 52 Köhler (2001:26ff) 53 http://www.akademienunion.de/_files/akademiejournal/2003-1/AKJ_2003-1-S-26-30_muellen.pdf [2005-07-24] 54 Der Begriff der molekularen Selbstorganisation kann noch weiter differenziert werden (vgl. bes. Lehn (1995:139ff)), ich beschränke mich auf seine allgemeine Verwendung. 55 Gómez-López/ Stoddart (2002/2000:642) 56 Poole/ Owens (2003:257f) und Lehn (1995:3)

Mess- und Analysetechniken 61

6 Mess- und Analysetechniken 6.1 Einleitung Erst die Fähigkeit, Objekte auf einer Größenskala von Nanometern zu untersuchen, ermöglicht es, solche Objekte auch gezielt herzustellen. Direkt abbildende Mikroskopien und Rastermikroskopien stehen dabei an erster Stelle der Verfahren zur morphologischen Charakterisierung. Eher indirekte, aber dafür sehr empfindliche und auch in „verborgenen“ Grenzflächen zugängliche strukturelle Daten liefert die Spektroskopie. Durch Beugung mit Elektronen oder Atom-Strahlen erzielt man wichtige zusätzliche Informationen zur Kohärenz der untersuchten Nanostrukturen. Die elektronischen Eigenschaften von Nanostrukturen werden oft mittels konventioneller Emissions-Verfahren wie Elektronen-, Röntgen- oder optischer Spektroskopie untersucht.1 Jedes Analyseverfahren hat seine Vor- und Nachteile; es gibt kein „bestes" Verfahren, sondern nur solche, die für bestimmte Aufgaben und Fragen mehr oder weniger geeignet sind. Oft sind die Problemstellungen auch erst durch Anwenden von zwei oder mehreren Analyseverfahren lösbar.2 Die zusammenfassende Schreibweise lässt manchmal vermuten, dass bestimmte Verfahren – besonders miteinander verwandte – gleiche Analysen liefern. In Wahrheit liegen oft kleine, aber für Wissenschaftler entscheidende Unterschiede vor, deren Behandlung zu sehr ins Detail führen würde. Abbildungen wurden nur insofern hinzugeführt, als sie dem Text im Hinblick auf die Informationstiefe entsprechen. 6.2 Optische Mikroskopie 6.2.1 Einfache Lichtmikroskopie Die Lichtmikroskopie arbeitet mit Licht im Wellenlängenbereich vom mittleren Infrarot (800-1000 nm) bis zum mittleren UV (300-350 nm).3 Die Verwendung von Licht dieser Wellenlänge zur Bilderzeugung erlaubt - anders als beim Elektronenmikroskop - die Beobachtung lebender Objekte ohne störende Vorbehandlung, was das Lichtmikroskop zu einem der wichtigsten Arbeitsgeräte in vielen Bereichen der Biologie macht.4 Die drei wichtigen optischen Bauteile des Mikroskops sind der Beleuchtungsapparat, das Objektiv und das Okular. Diese Teile sind am Stativ entlang ihrer optischen Achse befestigt (Abb. 40).

1 Rubahn (2002:52) 2 http://www.tu-ilmenau.de/EI/FKE/NT/forschung/aes/ [2004-06-21] 3 O-L der Physik (2004-5) 4 O-L der Biologie (2004-5)


Abb. 40: Abbildung eines Durchlicht-Mikroskops.5 In der Durchlicht-Mikroskopie erzeugt der Beleuchtungsapparat einen Lichtkegel, der das Präparat von unten durchleuchtet, für die Untersuchung opaker Körper verwendet man die Auflichtmikroskopie. Will man Objektive mit einer höheren Apertur verwenden, muss noch ein Kondensor zwischengeschaltet werden. Der Kondensor ist ein extrem kurzbrennweitiges Linsensystem von sehr hoher Lichtstärke, der das theoretisch aus dem Unendlichen kommende Licht bündelt.6 Das Präparat wird mittels eines Objektivs abgebildet, und die Abbildung wird mit einem Okular vergrößert. Das Abbild des Objekts erscheint daher auf der menschlichen Netzhaut größer als ohne Okular. Der minimale Winkelabstand zwischen zwei Objektpunkten wird als Auflösungsvermögen bezeichnet. Es wächst mit größer werdendem Durchmesser der Linse und kleiner werdenden Wellenlänge der abbildenden Strahlung. In der Praxis wird das theoretische Auflösungsvermögen wegen Abbildungsfehler der optischen Elemente und der Pixelauflösung der heutzutage häufig verwendeten CCD-Kameras meist nicht erreicht. Bei einer typischen Pixelgröße von 13x15 µm (entspricht 768x576 Bildpunkten) betragen die Auflösungen mit einem 10fach-Objektiv etwa bis zu 1,4 µm.7 5 O-L der Biologie (2004-5) 6 http://pluslucis.univie.ac.at/FBA/FBA00/vasak/k2.pdf [2005-07-23] 7 Rubahn (2002:52ff)


6.2.2 Modifikationen der Lichtmikroskopie Zur Erhöhung von Auflösung und Kontrast wurden zahlreiche Modifikationen am Lichtmikroskop vorgenommen. Zum Beispiel wird der Kontrast von relativ dicken Objekten erhöht, indem das Objekt durch eine exzentrisch eingestellte Kondensorblende schief beleuchtet wird (Schlagschatteneffekt). Für sehr dünne Objekte, die das Licht streuen, empfiehlt sich die Dunkelfeldbeleuchtung (Dunkelfeldmikroskopie): Im Gegensatz zum konventionellen Hellfeld-Kondensor wird im Dunkelfeld-Kondensor der zentrale Lichtfleck ausgeblendet (Abb. 41). Dadurch wird das Objekt ringförmig beleuchtet, wobei die Strahlen jedoch so divergieren, dass sie nicht ins Objektiv gelangen. Vom Objektiv werden nur noch jene Anteile erfasst, die vom Objekt gestreut oder gebeugt wurden.8

Abb. 41: Dunkelfeldmikroskopie (a) im Vergleich zur Hellfeldmikroskopie (b) 9 In der Ultramikroskopie können Beugungsbilder oder vielmehr Beugungsflecke noch von Teilchen erhalten werden, die sogar kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts. Größe und Gestalt dieser Teilchen sind dann nicht mehr zu erkennen; sie lassen sich nur indirekt erschließen. Die Beobachtung erfolgt grundsätzlich im Dunkelfeld, bei seitlicher Beleuchtung.10 Ein Nachteil der Dunkelfeldmikroskopie besteht darin, dass größere Objektteile feine Details überstrahlen können. Dieser unerwünschte Effekt kann mit der Phasenkontrast-Mikroskopie umgangen werden. Dieses Verfahren eignet sich für sehr dünne, farblose Objekte, die nicht die Amplitude, sondern die Phasen der Lichtwellen verändern. Dabei können die Phasenunterschiede in Helligkeitsunterschiede umgewandelt werden.11

8 http://pluslucis.univie.ac.at/FBA/FBA00/vasak/k2.pdf [2005-07-23] 9 Rubahn (2002:58) 10 http://www.wissenschaftskalender.at/cgi-bin/kalender.cgi?1211&txtonly [2005-07-23] und O-L der Optik (2004-5) 11 http://pluslucis.univie.ac.at/FBA/FBA00/vasak/k2.pdf [2005-07-23]


Sind im mikroskopischen Objekt Substanzen vorhanden (entweder natürliche oder künstlich eingelagerte), die bei Anregung durch ultraviolettes oder blaues Licht fluoreszieren, so macht man diese Strukturen über die Fluoreszenz sichtbar (Fluoreszenzmikroskopie).12 Gerade in der Biologie und Biophysik ist man neben der Oberflächen-Information auch an Informationen aus dem Inneren biologischer Objekte (z.B. lebender Zellen) interessiert. Um hier eine deutliche Verbesserung der mit einem Mikroskop erzielbaren Tiefeninformation zu erzielen, hat sich die Konfokalmikroskopie durchgesetzt. Mit fluoreszierenden Proben kann die Auflösung unter bestimmten Umständen weiter erhöht werden. Vorgang: die Probe wird im Auflicht durch eine Blende beleuchtet. Vor den Photodetektor wird ebenfalls eine Blende gesetzt, die dafür sorgt, dass nur Strahlen nachgewiesen werden, die der Fokusebene der Objektiv-Linse entstammen (Abb. 42).

Abb. 42: Vereinfachte Optik eines konfokalen Mikroskops.13 In einem konfokalen Mikroskop fungiert der effektive Fokus des Lichtstrahls also als eine Art dreidimensionaler Sonde, die durch ein transparentes Objekt gerastert werden kann. Die erzielbare Auflösung erreicht 110 nm.14

12 O-L der Optik (2004-5) 13 http://www.cs.ubc.ca/spider/ladic/images/optics.gif [2004-07-02] 14 Rubahn (2002:61) und O-L der Neurowissenschaft (2004-5)


6.3 Elektronenmikroskopie 6.3.1 Transmissionselektronen-Mikroskopie (TEM) Entwickelt und gebaut wurde das Transmissionselektronenmikroskop15 bereits in den Jahren 1931-1933. Es sollte das auf ca. 200 nm begrenzte Auflösungsvermögen lichtoptischer Mikroskope übertreffen.16 Der Aufbau des Transmissionselektronenmikroskops ist analog zum Lichtmikroskop (Abb. 43). An Stelle der Lichtquelle tritt eine Elektronenquelle, die optischen Linsen werden durch magnetische Elektronenlinsen ersetzt und der optische Detektor ist entweder ein phosphoreszierender Schirm oder ein Elektronenvervielfacher. Die Wellenlänge ist um einen Faktor 105 kleiner als die von sichtbarem Licht und theoretisch sollte die Auflösung entsprechend höher sein.17 Inzwischen lassen sich ohne weiteres Abstände von 0,2 – 0,3 nm bestimmen, das Verfahren bietet also bessere Auflösung als ein Rasterelektronenmikroskop. Bei organischem Material und biomolekularen Nanostrukturen sind die Werte etwas höher.18 Problematisch an dieser Methode ist, dass aufgrund von starken Streuverlusten nur sehr dünne, aufwändig präparierte Substrate verwendbar sind. Überdies werden die Objekte durch die Elektronenbestrahlung häufig geschädigt.19

Abb. 43: Aufbau eines Elektronenmikroskops 20 15 Diese Technik wird oft nur Elektronenmikroskopie (EM) genannt. Um sie von anderen Formen der Elektronenmikroskopie genau zu unterscheiden, empfiehlt die IUPAC die Benennung Transmissionselektronenmikroskop (TEM); vgl. IUPAC CoCT (1997) 16 O-L der Physik (2004-5) 17 Rubahn (2002:64) 18 Ilfrich (2003:138f) 19 O-L der Optik (2004-5) 20 O-L der Biologie (2004-5)


6.3.2 Rasterelektronenmikroskopie (SEM) Ein Rasterelektronenmikroskop (SEM) arbeitet nicht im Transmissions- sondern im Reflektionsmodus, es misst also die zurückkommenden Elektronen. Der Elektronenstrahl wird hierbei auf einen Ausschnitt in der Größe von ca. 1 bis 10 nm fokussiert und rasterförmig über die elektrisch leitfähige Probe geführt. Wenn der Elektronenstrahl auf die Probe trifft, geschehen mehrere Vorgänge: 1. Viele Elektronen werden elastisch, d.h. ohne Energieverlust, zurückgestreut (backscattering); 2. Einige Elektronen werden inelastisch, also unter Energieverlust, zurückgestreut; 3. Elektronen ionisieren Atome, dabei werden Röntgenstrahlen oder auch Augerelektronen ausgesandt; 4. Die einfallenden Elektronen schlagen andere Elektronen, so genannte Sekundärelektronen, aus der Probenoberfläche heraus. Diese werden für die räumliche Bildgebung verwendet (Abb. 44).21 Indem man verschiedene Detektoren benutzt, die jeweils empfindlich gegenüber Elektronen bestimmter Energien oder sogar gegenüber Photonen sind, können SEM-Bilder verschiedene Eigenschaften der Probe darstellen.22 Das SEM bietet ein geringeres Auflösungsvermögen als das TEM, dafür eine höhere Tiefenschärfe.23

Abb. 44: Prozesse beim Auftreffen von Elektronen im SEM.24 6.4 Röntgenmikroskopie Um die Auflösung eines Mikroskops trotz Beugungsbegrenzung zu verbessern und gleichzeitig auch lebende Objekte abbilden zu können, bietet es sich an, elektromagnetische Strahlung mit einer kleineren Wellenlänge (ca. 3 nm) als die des Lichts zu verwenden – also „weiche“ Röntgenstrahlung. Da sich diese Strahlung nicht wie sichtbares Licht mittels Glaslinsen fokussieren lässt, werden so genannte Zonenplatten als „Röntgenlinsen“ verwendet, welche die Röntgenstrahlung mit Hilfe der Beugung bündeln. Analog zu Elektronenmikroskop und

21 Seeck (2003:288) 22 Seeck (2003:287) 23 Ilfrich (2003:137) 24 Seeck (2003:288)


Rasterelektronenmikroskop kann ein Objekt Punkt für Punkt von einem dünnen Röntgenstrahl abgetastet werden, was die Strahlenbelastung verringert. Zur Zeit bietet die Röntgenmikroskopie gegenüber der Lichtmikroskopie bei biologischen Objekten eine gut zehnmal höhere Auflösung. Mit Zonenplatten höherer Transmission und neuen intensiven Quellen von weichen Röntgenstrahlen (z.B. Laserplasmen) anstelle der aufwändigen Synchrotronstrahlung aus Elektronenspeicherringen sollen Auflösung und Einsatzmöglichkeiten in naher Zukunft verbessert werden.25 6.5 Rastersondenmikroskopien (SXM) 6.5.1 Einleitung Die Möglichkeit, Oberflächen mit atomarer Genauigkeit mittels Rastersondenverfahren (SXM26) abzubilden, hat fast alle heute bestehenden Entwicklungen in der Nanotechnologie erst möglich gemacht. Rastersondentechniken kann man mit dem Abtastsystem eines Schallplattenspielers vergleichen: Eine Spitze fährt zeilenweise über eine Oberfläche und tastet diese atomar ab. Die erhaltene Information kann z.B. die Verteilung von Atomen, magnetischen und elektrischen Feldern, Lichtfeldern, Temperaturen oder von elektrischen Oberflächenpotentialen sein.27 Entscheidend für das Entstehen der Rastersondenmikroskopie war die Entwicklung von leistungsfähigen Computern, elektronischen Bauteilen und von Piezostellelementen, mit denen die Sonde sub-nanometergenau im Raum bewegt werden kann.28 6.5.2 Rastertunnelmikroskopie (STM) Wie schon der Name andeutet, verwendet das Rastertunnelmikroskop das quantenmechanische Phänomen des Elektronentunnelns. Bei einer STM-Messung wird eine scharfe Metallspitze nahe genug (aber ohne Berührung!) an eine leitende Oberfläche gebracht, so dass Elektronen zwischen der Probe und der Spitze durchtunneln. Nach Anlegen einer Spannung fließt – abhängig von ihrer Polarität – ein Tunnelstrom von der Spitze zur Oberfläche oder umgekehrt (Abb. 45).

25 Rubahn (2002:80f) und O-L der Biologie (2004-5) 26 Das „X“ ist ein Platzhalter für Buchstaben anderer Akronyme, z.B. STM, STEM, SEM 27 Bachmann (1998:79f) 28 Enc. of Chem. Physics (2001: B1.19.1)


Abb. 45: Schematische Darstellung des Rastertunnelmikroskops.29 Es gibt zwei grundlegende Betriebsarten: Im constant-height Modus bleibt der Abstand zwischen Spitze und Sonde beim Rastern gleich und der fluktuierende Tunnelstrom wird als Bildsignal verwendet. Im häufigeren constant-current mode sorgt eine Feedbackschleife dafür, dass der Tunnelstrom gleich bleibt, indem Piezo-Stellelemente abhängig vom Oberflächenrelief die Rasterspitze auf und ab bewegen (Abb. 46).

Abb. 46: Vergleich von constant height mode und constant current mode.30 Die Auslenkung der Piezos führt daher zum eigentlichen Bild. Es ist jedoch wichtig zu wissen, dass ein STM-Bild keine Abbildung atomarer Positionen ist, sondern eine Kontur der

29 http://www.iap.tuwien.ac.at/www/surface/STM_Gallery/stm_schematic.html [2005-07-26] 30 http://www.werkstoff.tu-ilmenau.de/Labore-und-Ausruestung/spmguide/1-1-0.htm [2005-07-23]


elektronischen Zustandsdichten einer Oberfläche bei einer gegebenen Spannung. Dennoch hat sich die Rastertunnelmikroskopie als unschätzbare Technik bei der Untersuchung von Oberflächen und atomarer Eigenschaften herausgestellt; sie liefert Informationen und Auflösungen, die den meisten anderen Verfahren nicht zugänglich sind.31 6.5.3 Rasterkraftmikroskopie (AFM) Die Entwicklung der Rasterkraftmikroskopie ging mit der der Rastertunnelmikroskopie Hand in Hand. Der Hauptbestandteil eines Rasterkraftmikroskops ist denn auch praktisch ident mit dem eines RTM: eine ultrafeine Spitze, die in einem bestimmten Abstand zur Probe positioniert wird. Der Höhe der Spitze, die am Ende eines Federbalkens befestigt ist (Abb. 47a), wird relativ zur Probenoberfläche ebenfalls mit Piezo-Aktoren verstellt. Wenn die Messspitze über das Oberflächenrelief einer Probe rastert, werden die winzigen Auslenkungen des Federbalkens über die Reflektion eines Laserstrahls detektiert, aus dem schließlich das Bild rekonstruiert wird (Abb. 47b).

Abb. 47: a) Beispiel einer an einem Federbalken angebrachten AFM-Spitze.32 b) Die Verbiegung eines Federbalkens (Cantilevers) wird als Maß für die Topographie einer Probe verwendet. Sie wird mit Hilfe eines Laserstrahls detektiert.33

Eine große Anzahl von unterschiedlichen Kräften können mit der AFM gemessen werden. Im Nicht-Kontaktmodus (Abstand Spitze-Probe > 1 nm) werden aus den Van-der-Waals-Kräften, elektrostatischen, magnetischen oder kapillaren Kräften Daten für die Bilderzeugung gewonnen, während im Kontaktmodus ionische Abstoßungskräfte dominieren. Die Probe muss beim Kontakt-Modus sehr steif sein, da er anfällig ist, Fehler abzubilden, die durch Deformation der Probe durch die Spitze entstehen können.34 Um eine Oberfläche ohne sie zu beeinflussen abzubilden und dabei eine hohe räumliche Auflösung beizubehalten wurde die tapping mode AFM entwickelt. Im tapping mode wird der 31 Weinberg et al. (2002/2000:216f) 32 http://www.rwth-aachen.de/gfe/rkm.htm [2005-07-23] 33 Baumeister (2001:11) 34 Ebert/ Szot (2003:305)


Federbalken des AFM in einiger Entfernung zur Probe zum Schwingen gebracht, während die Sonde lateral ausgelesen wird. Weil das Rasterkraftmikroskop in jedem dieser Modi ohne Strom zwischen der Sondenspitze und der Probenoberfläche auskommt, kann es in Gebiete vordringen, die einem STM unzugänglich sind.35 Für die Nanotechnologie von besonderem Interesse ist die Möglichkeit der Rastersondenmikroskopie, Atome und Moleküle einzeln herauszugreifen, zu verschieben und neu zu positionieren.36 6.5.4 Chemische Kraftmikroskopie Das Rasterkraftmikroskop liefert zwar indirekt chemische Informationen einer Probe durch Detektion des van-der-Waals-Potenzials, seine undefinierten chemischen Endgruppen gehen aber uninterpretierbare Wechselwirkungen ein. Durch chemische Modifikation der Sondenspitze erhält man ein so genanntes chemisches Kraftmikroskop. Seine klar definierte Wechselwirkung mit dem Substrat und die vielen Modifikationsvarianten der Spitze (Wasserstoffbrücken, hydrophob, hydrophob/polar etc.) machen es möglich, chemische und selbst biologische Oberflächen systematisch auf chemische Endgruppen zu untersuchen.37

Abb. 48: Die mit bestimmten Molekülen funktionalisierte AFM-Spitze (links) erfährt beim Rastern durch Ausbildung spezifischer Wechselwirkungen definierte Auslenkungen (rechts).38 6.5.5 Nahfeld-Mikroskopie (NSOM) Ein weiterer interessanter Vertreter der Rastersondenmethoden ist die so genannte Nahfeldmikroskopie (SNOM). Die Auflösung konventioneller Lichtmikroskope wird durch optische Beugungserscheinungen begrenzt. Diese kann man jedoch ausschalten, indem die Blende oder der Detektor, mit Durchmessern kleiner als die Wellenlänge des abbildenden Lichts, sehr nahe an das zu untersuchende Objekt herangeführt wird (Abb. 49).

35 Weinberg et al. (2002/2000:217) 36 O-L der Physik (2004-5) 37 http://www.nanocraft.de/nanotechnologie/nanotechnologie.html [2005-07-23] und http://corporate.basf.com/basfcorp/img/innovationen/felder/nanotechnologie/d/t_021206_iden.pdf [2005-07-24] 38 http://www.shef.ac.uk/ leggetthome/grk88071.htm [2005-07-23]


Abb. 49: links: konventionelle Mikroskopie; Auflösungsgrenze ist ungefähr die halbe Wellenlänge des verwendeten Lichts rechts: SNOF; die Beugungsgrenze wird im Nahfeld umgangen und damit eine höhere Auflösung erzielt.39 Die Möglichkeit, das abbildende Element von einigen zehn nm Durchmesser mit einem Abstand von wenigen nm über die Oberfläche zu rastern, kam mit der Entwicklung der Rastermikroskope. An Stelle einer abbildenden Blende wird meist die Spitze eines mit Aluminium bedampften Lichtleiters benutzt. Auf diese Weise lassen sich die gesammelten Photonen direkt einem Photoverstärker zuführen, was die Nachweisempfindlichkeit stark erhöht. Der Lichtleiter ist in der Regel an einem Stapel aus Piezo-Kristallen befestigt; wie beim AFM werden die Scherkräfte gemessen, die beim Rastern auf ihn einwirken. Damit lassen sich mit nm-Auflösung gleichzeitig Struktur- und Licht-Informationen über die Oberfläche ermitteln. Die Auflösungsgrenze ist durch das Eindringen des Lichts in den Alu-Mantel gegeben, was den effektiven Durchmesser der abbildenden Blende und damit die Auflösung auf etwa 10 bis 30 nm begrenzt. Um die Auflösung weiter zu verbessern, experimentiert man mit Einzelmolekül-Lichtquellen.40 6.5.6 Photonische Kraftmikroskopie Die noch junge photonische Kraftmikroskopie verwendet dasselbe Prinzip des Strahlendrucks wie die optische Pinzette (Kap. 5.6.2). Statt eines Federarms der die Rastersonden führt, besteht die Abtastspitze aus einem lichtbrechendem, etwa 200 bis 400 nm dicken Kunststoff- oder Glaskügelchen, das in einem Laserstrahl gefangen ist. Die Sondenbewegung wird vermessen, indem das vom Kügelchen ausgehende Interferenzmuster mit dem Kondensor des Mikroskops aufgefangen und auf einen Fotodetektor gelenkt wird (Abb. 50). Aufgrund seines Durchmessers begrenzt das Kügelchen die Auflösung auf etwa 20 – 40 nm, was im Vergleich zum klassischen Kraftmikroskop schlecht abschneidet. Dafür ist die photonisch gehaltene Sonde sehr viel sanfter – sie belastet empfindliche Biomaterialien mit etwa hundertfach kleineren Auflagekräften als herkömmliche Rasterkraftmikroskope.41

39 http://www.nahfeldmikroskopie.de/Allgemeines/allgemeines.html [2005-07-23] 40 http://www.weltderphysik.de/0__1032197834__1039297776.htm [2005-07-23] und Rubahn (2002:73ff) 41 Spektrum d.W.S. (2001:25f)


Abb. 50: Photonische Kraftmikroskopie: Eine mittels „optischer Pinzette“ gehaltenes Kügelchen wirkt als Sonde.42 6.6 Spektroskopien 6.6.1 Einleitung Die Analyse der Zusammensetzung von dünnen Schichten und Oberflächen ist für die Nanotechnologie mindestens ebenso wichtig wie die Bestimmung der geometrischen Größen kleiner Strukturen.43 Die dafür geeignete Verfahrensklasse, die Spektroskopie, nutzt die Aufspaltung von Wellen nach ihren verschiedenen Wellenlängen zur Analyse. Mit Hilfe der Spektroskopie werden z.B. Schallwellen und elektromagnetische Wellen wie Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung und Gammastrahlung ihrer Wellenlänge nach aufgespalten. Elementarteilchen, die in der Quantentheorie als Wellen beschrieben werden, können auch mit der Methode der Spektroskopie untersucht werden. Beispiele sind Elektronenspektroskopie und Neutronenspektroskopie. Als Ergebnis einer durchgeführten Spektroskopie erhält man die Intensität der betrachteten Welle als Funktion der Wellenlänge, diese Funktion bezeichnet man als Spektrum. An den im 42 Spektrum d.W.S. (2001:27) 43 Köhler (2001:231)


Spektrum enthaltenen Spektrallinien, Absorptions- und Emissionsbanden und Kontinua lassen sich dann verschiedene Informationen herauslesen.44 Auf folgende Spektroskopie-Methoden soll nun kurz eingegangen werden: 6.6.2 Optische Spektroskopie Optische Spektroskopie besitzt einen hohen Stellenwert in der Nanotechnologie, da sie – anders als in hochfrequenten Spektroskopien – einen meist zerstörungsfreien Zugang zu den veränderten elektronischen und optischen Eigenschaften nanoskalierter Aggregate ermöglicht.45 Die Probe wird mit elektromagnetischer Strahlung (vom Ultraviolett- bis Infrarotbereich) bestrahlt und ihre Wechselwirkung mit Atomen, Molekülen, Flüssigkeiten oder Festkörpern analysiert. Dabei kann entweder die Absorption der Strahlung durch die Probe oder die Emission einer bereits angeregten Probe untersucht werden. Die Frequenz der Strahlung bestimmt auch, welche Prozesse untersucht werden können.46

6.6.3 Röntgenspektroskopie Die Röntgenspektroskopie dient hauptsächlich zum qualitativen und quantitativen Nachweis chemischer Elemente und besitzt eine hohe Informationstiefe. Man unterscheidet Röntgenabsorptions-Spektroskopie (XAS) und Röntgenemissions-Spektroskopie (XES).47 Bei letzterer wirken Strahlen energiereicher Elektronen (oder auch Röntgenstrahlen) auf ein Target ein und werden durch Wechselwirkung mit den Targetatomen abgebremst. Die Abbremsung der Elektronen bewirkt die Aussendung elektromagnetischer Strahlung, der Bremsstrahlung. Sie besitzt je nach Art und Verbindung der Targetatome ganz diskrete, für jede Atomart typische Frequenzen (Abb. 51). Deshalb kann die Art der Targetatome anhand der Bremsstrahlung ermittelt und so die lokale Zusammensetzung eines Materials bestimmt werden.48

Abb. 51: Hier strahlt in der XES auf Nickel adsorbierter Stickstoff charakteristische Röntgenstrahlen aus.49 44 O-L der Optik (2004-5) 45 Rubahn (2002:86) 46 O-L der Physik (2004-5) 47 O-L der Chemie (2004-5) 48 Köhler (2001:232) 49 http://www.physto.se/~xes/ [2005-07-30]


Die Röntgenabsorptionsspektroskopie basiert auf der Absorption hochenergetischer Röntgenstrahlen durch die Atome einer Probe. Die Absorption findet bei einer bestimmten Energie statt, die der Bindungsenergie der Elektronen in der Probe entspricht. Die angeregten Elektronen lösen sich, wechselwirken mit den Umgebungsatomen und produzieren dabei ein analysierbares Spektrum. Von den röntgenspektroskopischen Methoden finden die emissionsspektroskopischen Verfahren eine viel breitere Anwendung als die absorptionsspektroskopischen, nicht zuletzt deshalb, weil für XAS Synchrotronanlagen benötigt werden.50 6.6.4 Photoelektronen-Spektroskopie Durch die Photoelektronen-Spektroskopie lassen sich auch direkte Informationen über die chemische Beschaffenheit von Oberflächen-Nanostrukturen bestimmen. Dabei werden Elektronen mit Hilfe von tief-ultraviolettem Licht oder langwelliger Röntgenstrahlung aus Molekülen herausgelöst (Photoionisation). Die Energie des absorbierten Photons liefert die erforderliche Energie für den Austritt des Elektrons aus seiner jeweiligen Bindung; überschüssige Photonenenergie wird in kinetische Energie des Elektrons umgewandelt und in einem Analysator getrennt und ausgewertet. Die photoemittierten Elektronen verraten also durch ihre diskreten kinetischen Energien die emittierenden Atome und ihre Bindungszustände.51

Abb. 52: Apparatur zur Photoelektronenspektroskopie.52

50 http://www.dartmouth.edu/~soilchem/XAS_descript.htm [2005-07-30] 51 Moore (1990:584) und Rubahn (2002:114) 52 http://www.clusterphysik.uni-konstanz.de/forschung/pes/ [2005-07-30]


6.6.5 Augerelektronen-Spektroskopie (AES) Die Augerelektronen-Spektroskopie ist eine Methode zur qualitativen und quantitativen Analyse chemischer Elemente in Festkörper-Oberflächen, die besonders für ultradünne Schichten geeignet ist. Wie bei der Röntgenspektroskopie bestrahlt man die Probe mit einer Elektronen- oder Röntgenstrahlung, nur werden statt der charakteristischen Röntgenstrahlung bestimmte Elektronen (Augerelektronen) untersucht; deren kinetische Energie wird gemessen, und da diese Energie für jedes Element spezifisch ist, kann durch Vergleich mit bekannten Auger-Spektren die Zusammensetzung der Probe ermittelt werden.53 Weil die Elektronen im Festkörper vielen Wechselwirkungen ausgesetzt sind, beträgt die mittlere freie Weglänge für Auger-Elektronen und somit die Informationstiefe nur wenige Atomlagen. Durch Abtragung der Oberfläche mittels Ionenbeschuss (Sputtern) können auch tiefer liegende Bereiche analysiert und Tiefenprofile erstellt werden.54 6.6.6 Raman-Spektroskopie Der Raman-Effekt war bis vor einigen Jahren nur Fachleuten der Laser-Spektroskopie bekannt. Seit Mitte der 90er Jahre wird er jedoch immer mehr zur Charakterisierung dünner Schichten eingesetzt. Die Raman-Streuung ist eine unelastische Streuung von Licht an Molekülen. Dabei fällt monochromatisches Licht auf ein Molekül, das daraufhin seinen Schwingungszustand ändert und das Licht mit meist geänderter Wellenlänge wieder abstrahlt. In einem Spektrometer lassen sich dann die Raman-Linien, die eine deutlich andere Wellenlänge als die des anregenden Lichts aufweisen, isolieren und vermessen (Abb. 53).55 Aus der Intensität der Raman-Linie kann die Konzentration der Molekülart in der Probe, aus ihrer spektralen Breite und Form ihre Wechselwirkung mit anderen oder gleichen Molekülen in der Probe bestimmt werden.56

53 Lex. der Oberflächentechnik (1989) 54 http://www.rwth-aachen.de/gfe/aes.htm [2005-07-30] 55 Pokrowski (2002:495f) 56 O-L der Chemie (2004-5)


Abb. 53: Prinzipieller Aufbau eines Raman-Spektrometers: Ein anregender Laserstrahl fällt schräg auf die Probe. Das an der Probe reflektierte Licht wird durch einen Spiegel auf die Probe zur Erhöhung der Intensität zurückgeführt. Eine Linse sammelt das gestreute Licht und fokussiert es auf den Eintrittsspalt des Spektrometers.57 6.6.7 Niederenergetische Elektronenbeugung (LEED) Ein Strahl geladener Teilchen kann, wie Lichtstrahlen oder Röntgenstrahlen, auch durch Wechselwirkungen mit dem elektronischen System eines Festkörpers, absorbiert, gestreut oder gebeugt werden. Dieses Phänomen wird in der niederenergetischen Elektronenbeugung genutzt. Und zwar wird ein niederenergetischer Elektronenstrahl von einer Elektronenkanone erzeugt und im UHV auf an einem reinen oder adsorbatbedeckten Kristall gebeugt. Das Beugungsbild wird auf einem Leuchtschirm abgebildet und mit einer CCD-Kamera aufgenommen (Abb. 54).

Abb. 54: Aufbau einer LEED-Apparatur.58 57 Pokrowski (2002:497) 58 O-L d. Physik


Detaillierte Auswertungen von Intensität und Profil der Fluoreszenz-Punkte ermöglichen Aussagen über die Anordnung der Atome an der Oberfläche. Dabei ist man nur an elastisch gebeugten Elektronen interessiert, inelastisch gestreute Elektronen werden bei der LEED unterdrückt (genau diese werden jedoch in einer anderen Methode, der Elektronenverlustspektroskopie (EELS), genutzt). Die Eindringtiefe niederenergetischer Elektronen von einigen zehn bis hundert Elektronenvolt beträgt etwa 0,5 – 1 nm. LEED ist daher empfindlich auf strukturelle Ordnung in den obersten zwei bis drei Monolagen, einschließlich möglicher Adsorbate.59 6.6.8 Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) Wie wir schon in Kap. 5.1.2.2 gesehen haben, trägt ein einfallender Strahl energetischer Ionen Oberflächenschichten ab (Abb. 55), z.B. um Dünnschichten vor einer Analyse zu säubern oder um eine Tiefenprofilanalyse zu ermöglichen. Der nächste logische Schritt ist, die Signale der abgesputterten Ionen selbst zu analysieren, indem man sie im Gasraum ionisiert und anschließend in einem Massenspektrometer nachweist; genau das geschieht in der Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS).60 Sie wird heutzutage häufig für die Messung der lateralen Verteilung von Spurenelementen in Festkörpern, besonders Halbleitern und Dünnschichten, verwendet. Die Sputter-Geschwindigkeit kann extrem langsam sein: So genügt bereits der Abtrag eines Zehntels einer Monoschicht für eine Analyse (statische SIMS). Umgekehrt können bei einer hohen Sputtergeschwindigkeit, d.h. einem hohen Materialabtrag, Tiefenprofile erstellt werden (dynamische SIMS).61

Abb. 55: SIMS: Ein Strahl von Primärionen schlägt Sekundärionen aus dem Probenmaterial heraus, die anschließend analysiert werden.62 59 Rubahn (2002:106f) und O-L der Physik (2004-5) 60 Brandon/ Kaplan (1999:332) 61 http://www.eaglabs.com/cai/simstheo/uses.htm [2005-08-01] 62 http://www.eaglabs.com/cai/simstheo/ionsput.htm [2005-08-01]


6.6.9 Kernresonanz-Spektroskopie (NMR) Ein weiterer Zweig der Spektroskopie, die im Bezug zur Nanotechnologie zur Strukturbestimmung von Molekülen herangezogen wird, ist die NMR- oder Kernresonanz-Spektroskopie.63 Sie basiert auf der Resonanz von Atomkernen in einem starken magnetischen Feld. Das Magnetfeld zwingt jene Atomkerne mit einer ungeraden Anzahl von Protonen zur Ausrichtung und Rotation um das Magnetfeld. Ein ausgesandter Radiowellenimpuls bringt die Protonen nun zum Schwingen und ändert ihren Präzessionswinkel (Abb. 56). Sobald der Impuls vorüber ist, fallen die Protonen in ihren Gleichgewichtszustand zurück. Bei diesem Vorgang setzen sie Energie frei, die als Hochfrequenzsignal aufgefangen wird. Eine Analyse der Amplitude und der Frequenz des Signals gibt Aufschluss über Anzahl und Position der Atomkerne in der Probe, woraus dann ein Bild erzeugt wird.64

Abb. 56: Links: Ein rotierender, an einem Magnetfeld ausgerichteter Atomkern. Rechts: Ein Radiowellenimpuls ändert den Drehimpuls (Spin) des Kerns.65

63 Poole/ Owens (2003:68ff) 64 Mosby’s (2002) 65 http://www.shu.ac.uk/schools/sci/chem/tutorials/molspec/nmr1.htm [2005-08-01]

Elementare Nanostrukturen 79

7 Elementare Nanostrukturen 7.1 Einleitung In diesem Abschnitt wird versucht, einen kleinen, systematischen Überblick über elementare Nanostrukturen zu geben. Sie sind zum Teil Produkte vorangegangener Herstellungs-methoden (Kap. 4 und 5) und zugleich Objekte von Analyseverfahren (Kap. 6). Sie sind als solche und als Bausteine für höher integrierte Systeme bedeutsam. 7.2 Unterschied von „Nanostruktur“ und „Nanopartikel“ Unter Nanostruktur wird hier meistens nicht – was sprachlich richtig wäre – die Struktur (Anordnung der Teile eines Ganzen zueinander) nanoskopischer Objekte verstanden, sondern wie es in vielen Fachwerken üblich ist, Nanostrukturelemente sowie Nanopartikel.1 Dass „Nanostruktur“ synonym zu „Nanopartikel“ verwendet wird, ließe sich aber dadurch erklären, wenn man den Blick von „unten nach oben“ führt, und die zweite Bedeutung von „Struktur“2, und zwar ein Gefüge, das aus Teilen besteht, die wechselseitig voneinander abhängen, anwendet. Dann nämlich wird aus dem Nanopartikel ein atomares/molekulares Gefüge, eine Nanostruktur eben (Abb. 56).

Abb. 56: Einer von den ZnS-Nanopartikel, die „von oben“ betrachtet werden (links3), verwandelt sich „von unten betrachtet“ (idealisiert) zu einer ZnS-Nanostruktur.4 Nanostrukturelemente werden auf größeren (und komplexeren) Objekten oder Festkörperoberflächen gefunden, entweder als adsorbierte Nanopartikel oder Teile dieser größeren Objekte und Oberflächen, während Nanopartikel (Nanoteilchen) abgeschlossene Einheiten bilden.

1 vgl. z.B. Rubahn (2002:198), Köhler (2001:186) und für das englische Äquivalent „nanostructures“ Poole/ Owens (2003:103ff), Dresselhaus (1999:288ff) 2 Duden d.G.F. (2000) 3 http://www.rsc.org/CFmuscat/ [2005-02-19] 4 http://www.berkeley.edu/news/media/releases/2003/08/27_change.shtml [2005-08-01]


Von einem physikalischen Standpunkt aus, zählen auch Moleküle als Nanopartikel. Allerdings werden Moleküle mit Biologie und Chemie assoziiert, Nanopartikel mit Nanotechnologie. Des Weiteren entstehen Nanopartikel oft durch Zerteilung eines Feststoffes, während Moleküle durch die chemischen Bindungen bedingt eine genau definierte Anzahl von Atomen besitzen.5 Nanopartikel, die aus Halbleitern und Metallen bestehen, werden auch gerne als Cluster bezeichnet.6 7.3 Unterschied von Nano- und Quantenstrukturen Werden die Abmessungen eines makroskopischen (m, cm, mm) Materials kontinuierlich auf sehr kleine Abmessungen reduziert, so bleiben seine Eigenschaften konstant, bis – verallgemeinert gesagt – ungefähr die 100 nm-Grenze erreicht wird; darunter können drastische Veränderungen der Eigenschaften auftreten, es entsteht die neue Stoffklasse der Nanostrukturen. Wenn eine Abmessung eines Materials auf den nm-Bereich reduziert wird, während die anderen beiden groß bleiben, erhält man eine Struktur mit der Bezeichnung Ultradünnschicht; wenn zwei Abmessungen reduziert werden einen Nanodraht, und den extremen Fall stellt ein Nanopartikel dar, von dem alle drei Abmessungen nanoskalig sind. Gesellen sich nun zur Veränderung der Eigenschaften quantenmechanische Phänomene dazu, so wird aus der Ultradünnschicht ein „Quantentopf“, aus dem Nanodraht ein „Quantendraht“ und aus dem Nanopartikel ein „Quantenpunkt“ (Abb. 57). Genau genommen bezieht sich das Präfix „Nano“ nur auf die Abmessungen der Struktur, während das Präfix „Quanten-“ die Mitwirkung quantenphysikalischer Gesetze anzeigt. „Nano“ umschließt also „Quanten-“: So kann man z.B. eine Kohlenstoff-Nanoröhre sowohl als Quanten- als auch Nanodraht bezeichnen, eine 100 nm schmale Si-Leiterbahn aber nur als Nanodraht. „Nano-“ und „Quanten-“ werden jedoch auch synonym verwendet, teils aus Ungenauigkeit, teils wegen schwieriger Begriffstrennung.7 Die grobe Definition der drei verschiedenen Arten von Nanostrukturen lässt sich beliebig auf die in den nach anderen Gesichtspunkten gegliederten Unterkapiteln anwenden. Uns interessieren nun die besonderen Eigenschaften von Quantenstrukturen.

Abb. 57: Nano- bzw. Quantenstrukturen nach Dimensionalität geordnet.8

5 Poole/ Owens (2003:72ff) 6 Reetz (1997:7) 7 Poole/ Owens (2003:226) und Hackley/ Ferraris (2001:4ff) 8 http://www.fz-rossendorf.de/Lehrer/Fortb05/bschmidt.pdf [2005-08-01]


7.4 Quantenstrukturen 7.4.1 Leitungselektronen und Dimensionalität Für gewöhnlich werden elektronische Systeme untersucht, die große Abmessungen besitzen und sich im dreidimensionalen Raum befinden. In einem solchen Fall sind die Leitungselektronen delokalisiert und bewegen sich frei durch das gesamte Leitungsmedium wie z.B. einem Kupferdraht, dessen Abmessungen verglichen mit dem Abstand seiner Atome sehr groß sind. Die Situation ändert sich, wenn das Kupfer in einer oder mehreren Dimensionen so klein wird, dass es sich einem Vielfachen der Atomabstände im Gitter nähert. Wenn dies geschieht, ist die Delokalisierung behindert und die Elektronen erfahren „confinement“ (Bewegungseinschränkung): beim Quantentopf in einer, beim Quantendraht in zwei und beim Quantenpunkt in allen drei Raumrichtungen, wo schließlich gar keine Elektronenfortbewegung mehr stattfindet.9 7.4.2 Quantentöpfe (2D) Noch vor 20 Jahren wurden Quantentöpfe als rein hypothetische Übungen in Quantenmechanik-Kursen behandelt. Heute kommen sie als Strukturen in so alltäglichen Geräten wie Diodenlasern und Photodetektoren in CD-Abspielgeräten oder Supermarktscannern, Hochfrequenz-Modulatoren in Mobiltelefonen und Satellitenschüsseln vor. Ihr Potenzial für elektronische (z.B. Datenspeicherung) optotronische Anwendungen (Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung) ist noch lange nicht ausgeschöpft. Was ist nun ein so genannter Quantentopf? Er ist ein Potenzialtopf, der freie Ladungsträger wie z.B. Elektronen, die in ihn „hineinfallen“ in einer Raumrichtung einschränkt und sie daher zwingt, sich in einer Ebene aufzuhalten (Abb. 58). Die Breite dieser Ebene entspricht der de-Broglie-Wellenlänge (bei den meisten Halbleitern ist dies bei Abmessungen von einigen 10 nm oder weniger erfüllt) und führt zu quantisierten Energiezuständen. Es bildet sich, eventuell erst nach zusätzlicher Dotierung, ein sog. zweidimensionales Elektronengas aus, das bei niedrigen Temperaturen interessante Eigenschaften aufweist wie z.B. den Quantum-Hall-Effekt, auf die aber nicht näher eingegangen wird. Ein Quantentopf entsteht normalerweise dadurch, dass man eine bis nur wenige Atomlagen dicke Halbleiterschicht (ca. 1 – 10 nm) mit Epitaxieverfahren wie MBE und MOVPE herstellt und sie zwischen zwei anderen heterogenen Halbleiterschichten einschließt (Doppelbarriere). Werden mehrere solcher sich abwechselnder Schichten miteinander gekoppelt, bilden sich Mehrfach-Quantentopf-Strukturen (multiple quantum wells) bzw. Übergitter.10

9 Poole/ Owens (2003:233f) 10 http://www.ifm.liu.se/matephys/AAnew/research/comp_oth/easy2d.htm [2005-08-01] und http://www.hft.e-technik.uni-dortmund.de/de/forschung/modquant [2005-08-01]


Abb. 58: Potentialtopf für einen zweidimensionalen Quantentopf.11 7.4.3 Quantendrähte (1D) Ein System, in dem die Bewegungsfreiheit in zwei Raumrichtungen eingeschränkt ist, entspricht einem eindimensionalen Quantensystem, oder konkreter, einem Quantendraht.12 Bildlich dargestellt würde man so zu einem Quantendraht gelangen: man verringert den Querschnitt eines metallischen Stromleiters, so dass die Größe der Ladungsträger vergleichbar wird mit den Querschnittsdimensionen; daraufhin können nur noch einzelne Ladungsträgerpakete durch den Leiter wandern (Abb. 59). Man hat dadurch z.B. die Möglichkeit, nur durch die Verkleinerung des Leiters, Metalle zu Isolatoren werden zu lassen oder den Stromtransport nur in quantisierten Einheiten zuzulassen.

Abb. 59: Schrittweise Verengung eines elektrischen Leiters. In der letzten Stufe würde der Strom nur mehr paketweise (quantisiert) fließen.13 Der Größenbereich, in dem starke Quantisierungseffekte auftreten, hängt von der Materialart ab und beträgt bei Metallen typischerweise zwischen 1 und 2 nm und bei Halbleitern zwischen 1 und 10 nm.14

11 http://www.nano.physik.uni-muenchen.de/seminars/Praktika_Anl/Prak_Lum_Qupkt.pdf [2004-06-15] 12 Murayama (2001:71) 13 Huebner (2003:121) 14 Bachmann (1998:19ff)


Um solche Quantendrähte herzustellen, sind lithographische Techniken einsetzbar, um dünne laterale Strukturen ausgehend von einer flachen Materialoberfläche zu erhalten. Für dickere Drähte können UV- oder Röntgenstrahlen benutzt werden, für dünnere kommen nur die Elektronenstrahllithographie und andere Rastersondenlithographien in Frage. Man kann mit Sicherheit sagen, dass man auch mit der neuesten Top-Down-Technologie Drähte unter 100 nm nur schwer gleichmäßig und wiederholbar herstellen kann.15 Aussichtsreich sind auch Bottom-up-Verfahren wie das Aufwachsen eines Quantentopfes an einer Kante oder auf einer Vertiefung im Substrat16, das Synthetisieren von Molekülketten als Quantendrähte17, das Auseinanderziehen eines dünnen Metalldrahts18 oder das molekulare Prägen an Hand von Biomolekülen wie DNA19. Mittlerweile wurde auch bei Kohlenstoffnanoröhren quantisierter Stromfluss nachgewiesen20 Es ist besonders schwierig, allein stehende Quantendrähte zu produzieren, die dann als echte Quantendrähte wirken. Die normalerweise auf Substraten hergestellten Drähte gehen immer eine gewisse Wechselwirkung mit dem Substrat ein.21

Abb. 60: Verschiedene Nanodrähte: a) Kette aus einzelnen Metallatomen; b) Kohlenstoff-Nanoröhre; c) molekularer Draht; d) lithographisch hergestellter Halbleiter-Quantendraht 22 Für Nanodrähte wurde schon eine Vielzahl von Anwendungen gefunden: als Speicher, als logische Bausteine oder als Leuchtdiodenfeld. Mehr dazu in Kapitel 8. 7.4.4 Quantenpunkte (OD) Bei einer Einschränkung aller drei Raumrichtungen führen die Ladungsträger gar keine freien Bewegungen mehr durch; sie sind in Fallen eingesperrt und die Energie ist vollständig quantisiert. In einem Quantenpunkt existieren daher, wie in einem Atom nur noch diskrete, durch Lücken getrennte einzelne Energieniveaus.

15 Murayama (2001:72) 16 O-L der Physik (2004-5) 17 Vögtle (1992:470ff) 18 http://www.snf.ch/NFP/NFP36/SBDeutsch.pdf [2005-08-01] 19 http://www.foresight.org/Conferences/MNT6/Abstracts/Fritzsche [2005-08-01] 20 Bachmann (1998:72) 21 Murayama (2001:72) 22 Rubahn (2002:174)


Das führt dazu, dass ein solcher Punkt – sobald er angeregt wird – sichtbares Licht mit einer bestimmten Wellenlänge emittiert. Auf Grund dieser Eigenschaft bieten sich Quantenpunkte besonders zur Markierung von Biomolekülen und zur Herstellung extrem wirksamer und temperaturstabiler optoelektronischer Bauelemente. Experimentell werden Quantenpunkte seit etwa 10 Jahren untersucht. Für ihre Herstellung gibt es vor allem drei generelle Methoden. Als erstes ist das relativ konservative top-down-Verfahren zu nennen, bei dem die Quantenpunkt-Strukturen lithographisch definiert und geätzt werden. Mit kolloidchemischen Methoden können Quantenpunkte in Gramm-Mengen wie normale Feinchemikalien hergestellt werden. Und schließlich kann man durch Aufwachsen einer einkristallinen Schicht auf einer zweiten Schicht mit verschiedener Gitterkonstante komfortabel selbstordnende Inseln oder Quantenpunkte - unter günstigen Umständen von fast gleicher Größe – erhalten (Insel- oder Stranski-Krastanow-Wachstum) (Abb. 61).23

Abb. 61: Das Aufwachsen von CdSe durch MBE auf einer ZnSe-Schicht ergibt hier „Inseln“ von Quantenpunkten.24 7.4.5 Quanten-Gehege Wissenschaftler, allen voran Don Eigler et al. von IBM, fragten sich, was passieren würde, wenn man Strukturen schüfe, in denen Elektronen auf den dichtgepackten Flächen von Edelmetallen in einem begrenzten Gebiet einsperrt werden. Das beeindruckende Ergebnis, hergestellt mit dem Rastertunnelmikroskop bei 4 K, nannten sie „Quantengehege“. 25 Die einzelnen Pfosten des Quantengeheges werden durch Eisen- oder Kobalt-Atome dargestellt, die durch engen Kontakt mit der Spitze des STM über die Oberfläche gezogen wurden (Abb. 62).26

23 Huebner (2003:127f) 24 http://www.iquest.ucsb.edu/sites/Awsch/research/nonmag.html [2004-06-15] 25 http://www.aip.org/png/html/corral.htm [2005-08-02] 26 http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/corral.html [2005-08-02]


Abb. 62: Atom für Atom wird ein Quantengehege zusammengesetzt. Zu beachten sind die stehenden Elektronenwellen.27 Die Wellenmuster, die man innerhalb und außerhalb des Gatters sieht, entstehen durch quantenmechanische Interferenz-Erscheinungen bei der Streuung der Oberflächen-Elektronen mit den künstlich platzierten Zusatzatomen. Die Interferenzen lassen sich nur bei sehr tiefen Temperaturen (also minimaler Störung durch thermische Bewegungen des Kristalls und maximaler Auflösung des STM) und nur für Oberflächen mit nahezu idealem zweidimensionalen Elektronengas beobachten. Bringt man nun ein magnetisches Atom in einen Brennpunkt eines elliptischen Quantengeheges, so werden auf Grund der elektronischen Eigenschaften dieses Gatters Spiegelbilder am zweiten Brennpunkt erzeugt (Abb. 63).

Abb. 63: Möglicher „Quantenspiegel“: elliptisches Quantengehege mit zwei Brennpunkten.28

27 http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/corral.html [2005-08-02] 28 http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/corral.html [2005-08-02]


Die Spiegelbilder haben dieselben spektroskopischen Strukturen wie die Originale, d.h. die elektronische Struktur um das reale Kobalt-Atom wird exakt in den zweiten Brennpunkt der Ellipse projiziert. Man hat es also mit Elektronenoptik auf Oberflächen im atomaren Maßstab zu tun, die möglicherweise für die zukünftige Herstellung von atomaren Informatik-Elementen ausgenutzt werden könnte.29 Der Stolperstein dabei ist, dass die adsorbierten Atome in dieser Struktur miteinander in dreidimensionalen Anordnungen verbunden werden müssten, um funktionelle Nanostrukturen zu ergeben. Weil dies noch nicht erreicht wurde, die Herstellung (STM-Manipulation) langsam ist und Kühlung sowie UHV benötigt werden, ist man noch weit von einsetzbaren Quantenbauelementen dieser Art entfernt.30 7.5 Monoschichten Monoschichten (oder –filme31), also Schichten, die nur aus einer einzelnen, geordneten Schicht von Molekülen oder auch Atomen bestehen, spielen eine große Rolle bei Anwendungen der planaren Nanotechnologie, insbesondere als Resists für die Lithographie oder als Basiselemente für zukünftige Optoelektronik.32 Sie sind nicht zu verwechseln mit dem Begriff nanoskalige Schichten oder Ultradünnschichten, der ohne nähere Angaben zur Schichtzusammensetzung Schichten im Bereich von 0,1 – 100 nm bezeichnet.33 Im Gegensatz zu Ultradünnschichten, die z.B. mit MBE oder CVD hergestellt werden, sind Monoschichten äußerst geordnet und hochorientiert und können eine Vielzahl von Gruppen in der Alkylkette und an den Kettenenden eingliedern. Daher können viele verschiedene Oberflächen, die jeweils spezifische Wechselwirkungen eingehen, mit genauer struktureller Kontrolle produziert werden.34 7.5.1 Langmuir-Blodgett-Filme Tenside sind Stoffe, deren Moleküle zugleich eine apolare (lipophil) und eine polare (hydrophil) Atomgruppe besitzen. Sie sind demnach amphiphil und lagern sich bevorzugt an Phasengrenzen, wie z.B. der Wasseroberfläche (Wasser/Luft) an, um in die vorliegenden energetischen Verhältnisse einzugreifen, und bilden dabei eine monomolekulare Schicht.35 Im Jahre 1920 gelang es Irving Langmuir, eine solche Schicht von einer Wasseroberfläche auf eine feste Substanz zu übertragen. Er ließ die amphiphile Substanz auf der sauberen Wasseroberfläche diffundieren. Dann schob er die Moleküle zusammen, worauf sie sich

29 Rubahn (2002:36) 30 Poole/ Owens (2003:338) 31 In den für diese Arbeit verwendeten Werken werden „Schicht” und „Film” oft austauschbar verwendet. Man beachte aber den leichten, in manchen Fällen wichtigen Unterschied: Schicht: in flächenhafter Ausdehnung in einer gewissen Höhe über, unter od. zwischen anderem liegende einheitliche Masse; Film: dünne Oberflächenschicht auf andersartigem Grund, z. B. Ölfilm, Lackfilm. vgl. Duden D-U (2003) 32 Rubahn (2002:40) 33 IUPAC CoCT (1997) 34 Kirk-Othmer (1997:Vol.23) 35 Vögtle (1992:420)


regelmäßig anordneten. Diese regelmäßige Molekülanordnung konnte er beim Herausziehen (Tauchbeschichtung) des Substrats auf dasselbige übertragen. Durch mehrmaliges Eintauchen und Herausziehen erreichte Katharin Blodgett 1935 eine mehrfache Monoschicht-Übertragung, wodurch molekular geordnete dünne Schichten entstanden (Abb. 64).36 Mit dieser einfachen Methode können nahezu beliebige molekulare Monofilme von amphiphilen Substanzen auf Festkörperoberflächen aufgetragen werden. Leider besitzt die LB-Technik den Nachteil, dass die Molekülfilme in der Regel nicht defektfrei sind, sondern zahlreiche Löcher (Bedeckungsrate ca. 30 %)37 aufweisen, wodurch sie für höher integrierte Systeme ausscheiden.38 LB-Filme sind auch relativ unbeständig, besonders bei Dicken über 100 nm, ihr Anwendungsbereich ist daher begrenzt.39

Abb. 64: Herstellung von Langmuir-Blodgett-Filmen, im Prinzip eine Tauchbeschichtung.40 7.5.2 Selbstorganisierte Monoschichten (SAMs) Anstatt die Polarität von Molekülen auszunutzen (d.h. die Tatsache, dass sie hydrophil sind), kann man für den definierten Filmaufbau auch chemische Reaktionen zwischen der Endgruppe eines Moleküls und der Substrat-Oberfläche zu Hilfe ziehen. Diese Reaktionen führen in einem Selbstorganisationsprozess dazu, dass sich sehr gut organisierte monomolekulare Filme bilden, bei denen die Kopfgruppe in der Oberfläche verankert ist und die Endgruppe von der Oberfläche wegschaut. Die Kopfgruppe des Moleküls ist also für die Wechselwirkung mit dem Substrat verantwortlich, während die Endgruppe die Oberflächeneigenschaften festlegt (Abb. 65). Filme dieser Art werden üblicherweise selbstorganisierte Monoschichten oder SAMs (self-assembled monolayers) genannt.41

36 Vögtle (1992:429f) 37 Rubahn (2002:42) 38 Köhler (2001:172) 39 Edelstein/ Cammarata (1996:122) 40 O-L d. Physik 41 Rubahn (2002:42) und Weckenmann (2002:7)


Abb. 65: Schematischer Aufbau einer selbstorganisierten Monoschicht. 42 Eine selbstorganisierende Monoschicht ist ein gutes Beispiel für die Prinzipien und Vorteile der Selbstorganisation. Im Gegensatz zu LB-Filmen sind sie robuster, defektfreier, einfacher herzustellen und verwenden eine größere Auswahl an erschwinglichen Ausgangsmaterialien.43 7.5.3 Schichtstapel Schichtstapel können durch wiederholte Adsorption von selbstorganisierten Monoschichten kontrolliert gewachsen werden.44 Durch den Effekt der Grenzflächen offenbaren Schichtstapel, homo- wie heterogene, oft ungewöhnliche Eigenschaften. Sie werden hauptsächlich für Beschichtungen in der Optik und Optoelektronik und für anspruchsvolle Werkzeuge und Getriebeteile hergestellt. Weiters versprechen sie, die Effizienz thermoelektrischer Materialien um den Faktor drei bis vier zu erhöhen und stellen Kandidaten für Raumtemperatur-Supraleiter dar.45 In der eigentlichen Nanotechnologie ist es vorteilhaft, dass man dreidimensionale nanoskalige Strukturen durch einfaches Aufeinanderfügen zweidimensionaler ultradünner Schichten unterschiedlicher Materialien mit nachfolgender Strukturierung (Lithographie) erreichen kann. Je größer hierbei der Strukturierungsgrad, d.h. je dünner die gewünschten Schichtdicken, umso höher sind die Anforderungen an das mikroskopisch wohldefinierte Wachstum der Schichten. Es stellt sich heraus, dass die optischen und elektronischen Eigenschaften der neuen, nanoskaligen Materialien in hohem Maße von der mikroskopischen Ordnung innerhalb und zwischen den individuellen Schichten abhängen.46 So weisen mehrschichtige Nanostrukturen einen viel höheren Magnetwiderstand auf als alle Metalle oder Legierungen. Dieser Riesenmagnetowiderstand kann verwendet werden, um Magnetfelder aufzuspüren, und dient deshalb schon seit einiger Zeit zur Auslesung des Zustandes magnetischer Bits in modernen Speicherlaufwerken.47

42 Weckenmann (2002:8) 43 Poole/ Owens (2003:260) 44 Ullmann’s (1995:Vol. A26) 45 http://www.llnl.gov/str/Barbee.html [2005-08-02] 46 Rubahn (2002:121f) 47 Lyshevski (2002:30f)


7.6 Cluster 7.6.1 Einleitung Atomaggregate, die zu groß sind, um Moleküle genannt zu werden, aber noch zu klein, um zumindest die Struktur eines Kristalls zu haben, werden Cluster genannt.48 Sie sind ein entscheidendes Bindeglied zwischen der Atom- und Molekülphysik (zwei bis einige hundert Bauelemente) und der Festkörperphysik (mehr als 100 Mio. Teilchen).49 7.6.2 Größenabhängige Eigenschaften Zerteilt man gedanklich einen Festkörper in immer kleinere Stücke, wird der Gegenstand seine Festkörpereigenschaften wie Härte und Schmelzpunkt verlieren, lange bevor er in die einzelnen Atome zerlegt ist. Seine Merkmale verschwinden also eines nach dem anderen und werden durch solche ersetzt, die aber auch nicht typisch für Gase oder Flüssigkeiten sind, sondern kennzeichnend für eine neue Phase, die man Cluster nennt.50 Alle Eigenschaften, die auf der Anordnung der Atomkerne und der Elektronen im Cluster beruhen, ändern sich also mit der Clustergröße. So lassen sich beispielsweise das Lichtabsorptions- und das Emissionsverhalten und damit die Farbe durch Variation der Größe über das gesamte optische Spektrum verschieben.51 Eine kommerzielle Verwertung dieser Eigenschaft besteht bei Clustern, die, an organische Moleküle geheftet, bestimmte Substanzen oder ihre Aktivität nachweisen bzw. beobachten lassen. Dabei sind sie herkömmlichen Markern überlegen, weil sie wesentlich mehr Anregungszyklen überstehen und je nach Größe – bei gleichzeitiger Anregung mit nur einer Lichtquelle – verschiedene Farben emittieren.52 Beim Übergang vom Atom über Molekül und Cluster (und evtl. Mikrokristall) zum Festkörper wächst die Anzahl der diskreten Energiezustände, welche die Elektronen besetzen können, immer mehr an, bis schließlich beim Festkörper kontinuierliche Bänder entstehen, die – je nach ihrer Besetzung – den Kristall zum Leiter, Halbleiter oder Isolator werden lassen (Abb. 66).53

Abb. 66: Die verschiedenen Größenordnungen ein und derselben Substanz (hier: Festkörper, Mikrokristall, Cluster, Molekül) besitzen verschiedene physikalische Eigenschaften.54

48 Das Wort „Cluster“ ist nordgermanischen Ursprungs (Klustro) und bezeichnet eine Anhäufung von Dingen z.B. Trauben oder Ideen. Dettmann (1994:102) 49 Dettmann (1994:101) 50 Dettmann (1994:102) 51 Dettmann (1994:105). 52 Spektrum d.W.S. (2001:58ff). 53 Dettmann (1994:105) 54 Dettmann (1994:103)


7.6.3 Hohe Reaktivität Viele Eigenschaften von Clustern beruhen darauf, dass sich die Mehrzahl der Atome, aus denen sie bestehen, im oberflächennahen Bereich befindet. Andere Eigenschaften rühren von unabgesättigten elektronischen Bindungsmöglichkeiten – Cluster sind daher hochreaktiv. Daraus ergeben sich wirtschaftlich interessante Anwendungen: etwa bei der Züchtung von Kristallen, der selektiven chemischen Katalyse oder der Erzeugung völlig neuer Materialien mit maßgeschneiderten elektronischen, magnetischen und optischen Eigenschaften.55 7.6.4 Magische Zahlen Es wurde beobachtet, dass Cluster, die aus einer bestimmten Anzahl von Atomen bestehen, eine besonders hohe Stabilität aufweisen. Gleichzeitig wurden bei der Clusterherstellung eine höhere Konzentration dieser Cluster gegenüber andere gefunden. Offenbar entsprechen den häufigsten Clustergrößen besonders stabile Konfigurationen, man spricht von so genannten „magischen Zahlen“. Bei Halbleiter- und Metall-Clustern (z.B. Au55, Abb. 67) wird dieses Phänomen durch abgeschlossene Elektronenschalen erklärt, für viele Cluster von Edelgasatomen, Übergangsmetallen und Fullerenen (z.B. C60) werden die magischen Zahlen durch geometrische Gegebenheiten und nicht durch das Auffüllen von Elektronenschalen bestimmt.56

Abb. 67: Berechnete Edelmetall-Cluster aus jeweils 55 Atomen. Während Silber (links) einen ikosaederförmigen Kristall bildet, verhält sich Gold eher konfus.57 7.6.5 Herstellung Wegen ihrer (sub-)mikroskopischen Ausmaße und zumeist extremen Reaktivität konnte man bis in die 1950er Cluster nicht mit den Methoden der traditionellen Chemie untersuchen oder gar synthetisieren.58

55 Dettmann (1994:105f) 56 Kawazoe et al. (2002:2f) und Edelstein/ Cammarata (1996:28) 57 http://www.innovations-report.de/html/berichte/physik_astronomie/bericht-34671.html [2005-08-02] 58 Dettmann (1994:106)


Neben der Möglichkeit, Cluster bzw. kleine kolloide Teilchen auf chemischem Wege in Lösung herzustellen, kann man mittlerweile auf folgende Arten freie Cluster, d.h. gasförmige Teilchen im Vakuum, erzeugen: In einer Düsenstrahlquelle wird Gas unter hohem Druck durch ein kleines Loch ins Vakuum expandiert. Während dieser raschen Expansion sinkt der Druck stark und damit auch die Temperatur. Diese Verringerung der Gastemperatur führt zur Kondensation der Atome und somit zur Clusterbildung (Abb. 68). Die Düsenstrahlquelle eignet sich sehr gut zur Erzeugung von Clustern mit geringer Bindungsenergie, wie z.B. van-der-Waals-gebundenen Edelgasclustern.59

Abb. 68: Clustererzeugung aus einer Düsenstrahlquelle.60 Bei einem noch effektiveren und umfassender einsetzbaren Verfahren kann man feste Substanzen aller Art mit einem Laserstrahl verdampfen. In der Smalleyschen Clusterstrahl-Apparatur wird der extrem heiße Materialdampf von einem Helium-Strom augenblicklich gekühlt, sodass er zu kleinen Klümpchen kondensieren kann. Das Cluster-beladene Helium wird dann durch eine Düse in einen Vakuumkanal gesaugt, durch die Druckentlastung dehnt sich der Strahl mit Überschallgeschwindigkeit aus. Die Cluster kühlen dabei rapide ab bis nahe dem absoluten Nullpunkt wodurch man sie leichter analysieren kann.61 7.7 Fullerene 7.7.1 Buckminsterfullerene 7.7.1.1 Entdeckung Die Entdeckung eines Fußball-ähnlichen Moleküls, das aus 60 Kohlenstoffatomen besteht, war das eher zufällige Ergebnis von Forschungen über die Lichttransmission durch interstellaren Staub. Wenn Licht von einem fernen Stern durch den Kosmos auf die Erde gelangt, ist seine Intensität vermindert, weil der interstellare Staub das Licht auf seinem Weg absorbiert und streut. Bei diesen Forschungen bemerkte man eine erhöhte Absorption im UV-Bereich, was der Streuung von Licht durch kleine Graphitpartikel zugeschrieben wurde. Einige Wissenschaftler wie Huffman und Krätschmer, sowie Kroto und Smalley waren mit dieser Erklärung nicht zufrieden und studierten dieses Phänomen weiter. Durch 59 O-L der Physik (2004-5) 60 O-L d. Physik 61 Dettmann (1994:108ff)


Lichtbogenentladungen zwischen zwei Graphitelektroden bzw. durch die Verdampfung einer Graphitscheibe durch einen gepulsten Hochleistungslaser, das den Zustand heißer Kohlenstoffdämpfe in der Umgebung roter Riesen simulieren sollte, gelang beiden Teams der überraschende Nachweis des C60-Moleküls.62 7.7.1.2 Struktur Das C60-Molekül weist 12 pentagonale und 20 hexagonale symmetrisch angeordnete Flächen auf, die einen molekularen Ball ergeben. Tatsächlich hat ein C60-Molekül dieselbe geometrische Konfiguration wie ein Fußball (Abb. 69).63

Abb. 69: Molekularstruktur von C60. Auf jeder der 60 Ecken sitzt ein Kohlenstoff-Atom.64 Das C60-Molekül wurde auf den Namen „Buckminsterfulleren“ getauft, nach dem Architekten und Erfinder R. Buckminister Fuller, welcher geodätische Kuppeln entwarf, die der Struktur von C60 ähneln (Abb. 70). Diese Bezeichnung ist zwar etwas unhandlich, aber nichts im Vergleich zu der „rationellen“ viereinhalb Zeilen langen Nomenklatur der IUPAC65; sie wird auch zuweilen etwas liebevoller auf „Buckyball“ verkürzt.66 In den darauf folgenden Monaten wurden weitere Variationen des „Buckyballs“ entdeckt, unter anderem das C70-Molekül, das die elliptische Form eines Rugbyballes besitzt. Man erkannte, dass sich die Dominanz dieser geradzahligen Kohlenstoff-Cluster erklären lässt, wenn man annimmt, dass alle Verbindungen von C32 bis mindestens C600 (magische Zahlen) eine in sich geschlossene ikosaedrische Form haben. Es schien angebracht, diese neue Klasse von Molekülen zu Ehren von Fuller „Fullerene“ zu nennen.67

62 Poole/ Owens (2003:107ff) 63 Dettmann (1994:127) 64 http://ccp14.minerals.csiro.au/ccp/web-mirrors/ortex/cryst/pictures.htm [2005-08-02] 65 International Union of Pure and Applied Chemistry (Internationale Vereinigung für Reine und Angewandte Chemie mit Sitz in Genf) 66 Dettmann (1994:54) 67 Dettmann (1994:127)


Abb. 70: Die Kuppelarchitekturen von Buckminster Fuller fanden auf der ganzen Welt Nachahmung; hier: der Nagoya Dome, Japan, außen und innen.68 7.7.1.3 Herstellung Krätschmer und Mitarbeiter haben die Fulleren-Synthese in der Bogenlampe entwickelt, die es erlaubt, mit einfachen Mitteln verhältnismäßig große Mengen von Fulleren zu erzeugen. Zwischen zwei Graphitelektroden brennt ein stark rußender elektrischer Entladungsbogen. Eine inerte Atmosphäre schützt den Ruß vor Oxidation. Im Ruß befinden sich neben anderen Kohlenstoffpartikeln verschiedene Fullerene. Diese können mit organischen Lösungsmitteln extrahiert und anschließend chromatographisch getrennt werden.69 7.7.1.4 Eigenschaften Neben Synthese, Extraktion und Trennung untersuchen die Forscher natürlich auch fieberhaft die chemischen Eigenschaften der Fullerene. Für den Chemiker ist es überraschend, dass die Fullerene trotz ihrer stabilen Struktur relativ reaktionsfreudige Verbindungen sind.70 Z.B. lassen sich C60-Moleküle dotieren, und zwar so stark, dass sie vom Halbleiter zum Metall oder sogar Supraleiter werden. Durch besondere Behandlung (Druck, Dotieren, Lichteinstrahlung) kann man sie aber auch polymerisieren. Daraufhin bilden sich kovalente Bindungen zwischen den Molekülen aus.71 Die Hohlstruktur von Fullerenen (z.B. Innendurchmesser von C60 ca. 0,7 nm), ermöglicht es auch, ein oder sogar mehrere Atome oder Ionen im Inneren dieser Strukturen einzubauen. Man spricht dann von endohedraler Dotierung oder endohedralen Fullerenen, die vor allem für die Medizin als Trägersubstanz hochinteressant sind (Abb. 71).72 Es wurden bereits Tausende neuer Moleküle geschaffen, die als Bestandteil einen oder mehrere C60- oder auch C70-Bälle enthalten.73

68 http://www.takenaka.co.jp/takenaka_e/engi_e/c01/c01_1_2.html [2005-08-02] 69 O-L der Physik (2004-5) 70 Dettmann (1994:203). 71 O-L der Physik (2004-5) 72 Krummacher (1998:D1.9) 73 Dettmann (1994:203)


Abb. 71: Endohedrales Fulleren, zusätzlich mit einer funktionalisierten Stelle versehen (etwa zur Polymerisation).74 7.7.2 Kohlenstoff-Nanoröhren 7.7.2.1 Entdeckung Neben den eher ballförmigen Fullerenen wurden noch andere Formen gefunden. Im Zuge seiner C60-Forschung stieß der Japaner Sumio Iijima 1991 beim Gleichstrom-Lichtbogenverdampfen von Graphit auf eine bis dahin unbekannte Art von reinem Kohlenstoff: stäbchenförmige Fasern von der Gestalt winziger Nadeln oder Röhren.75 7.7.2.2 Struktur Bei genauerer Inspektion unter dem Elektronen-Mikroskop erwiesen sich die schlauchförmigen Kohlenstoff-Nanoröhren76 (CNTs) oder Bucky-Tubes, wie die Amerikaner sie nennen, als konzentrisch ineinander verschachtelte Fulleren-Zylinder (Abb. 72 und 73). Die Durchmesser dieser Zylinder betragen zwischen 2 und 30 nm, die Längen bis zu 10 µm. Die Nanoröhren bestehen entweder aus nur einem Zylinder (einwandige Nanoröhren) oder aus bis zu 50 Zylindern, die ineinander stecken (mehrwandige Nanoröhren). Diese Zylinder gleichen einem aufgerollten „Maschendraht“ von sechseckigen Graphitmolekülen, der am Ende durch ein Netz von Kohlenstoff-Fünf- und Sechsecken abgeschlossen ist. Die CNTs sind also nichts anderes als in die Länge gezogene Fullerene.77

74 http://www.organik.uni-erlangen.de/hirsch/endo_chem.html [2005-08-02] 75 Dettmann (1994:188) 76 „Nanoröhre“ steht zur Zeit so gut wie immer für Kohlenstoffnanoröhre, obwohl es schon Berichte von nicht-kohlenstoffhältigen Nanoröhren gibt (vgl.http://nanodot.org/article.pl?sid=01/04/16/0140252 [2005-07-08]). 77 Dettmann (1994:189)


Abb. 72: TEM-Aufnahme zweier mehrwandiger Nanoröhren. Jede konzentrische Schicht ist leicht zu erkennen.78

Abb. 73: Schematischer Querschnitt einer mehrwandigen Nanoröhre.79 7.7.2.3 Herstellung Für Kohlenstoff-Nanoröhrchen gibt es im Wesentlichen drei Herstellungsverfahren: die ursprüngliche Bogenentladung, durch die zwischen zwei Kohlenstoff-Elektroden mit oder ohne Katalysator ein Dampf erzeugt wird, aus dem sich dann die Nanoröhren bilden; die Laserablation, bei der ein Hochleistungslaserstrahl im Inertgas ein Graphittarget verdampft; und die thermische Zersetzung von Kohlenwasserstoffen (thermische CVD). Gegenwärtig erhält man durch die Laserablation geringe Mengen von Nanoröhrchen guter Qualität, während die Bogenentladung im Allgemeinen größere Mengen schlechten Materials erzeugt. Mit der thermischen CVD lassen sich Nanoröhren noch am ehesten großtechnisch erzeugen, allerdings variieren ihre Durchmesser sehr stark. Zu beachten ist weiterhin, wie der vorhin erwähnte „Maschendraht“ aufgewickelt ist (Abb. 74).80

78 http://www.pa.msu.edu/cmp/csc/ntproperties/ [2005-08-02] 79 http://students.chem.tue.nl/ifp03/default.htm [2005-08-02] 80 http://students.chem.tue.nl/ifp03/synthesis.html [2005-08-02]


Abb. 74: a+b: zwei Varianten von Nanoröhren ohne Verdrillung; c): mit Verdrillung 81 7.7.2.4 Eigenschaften Das Besondere an den Nanoröhren sind ihre elektronischen und mechanischen Eigenschaften. Ihre Reißfestigkeit übersteigt jene von z.B. Stahl um ein vielfaches. Nanoröhren haben außerdem die Tendenz, sich zu Faserbündel zusammenzulagern (rund 50 µm im Durchmesser und etwa 1 cm lang) mit einer kabelähnlichen Struktur. Dies eröffnet die Möglichkeit einer neuen, auf Kohlenstoff basierenden Material-Technologie (Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe). Je nach Durchmesser und „Verdrillung“ (Links- oder Rechtsschraube) erwartet man Nanoröhren mit Isolator-, Leiter- oder Halbleiter-Charakter. Durch das hohe Verhältnis von Durchmesser zu Länge ergeben sie ideale Quantendrähte, die besonders in der Molekularelektronik genutzt werden können. Dem Entdecker der Nanoröhren, Sumio Iijima, gelang es sogar, sie zu öffnen und unter Ausnutzung der Kapillarkräfte die so entstandenen Nanotubuli mit Blei zu füllen, so dass eine weitere und ganz neue Art von metallischen, elektronischen oder magnetischen Werkstoffen denkbar wäre.82 Weitere mögliche Anwendungen sind Wasserstoffspeicher in Treibstoffzellen, elektrochemische Superkondensatoren und neuartige elektrochemische Sensoren, um nur einige zu nennen.83 7.7.3 Kohlenstoffzwiebeln Nun zum letzten der Mitglieder des so genannten „Fulleren-Zoos“, deren kreative Nomenklatur von ihrer Molekularstruktur hergeleitet wurde84: den „Kohlenstoffzwiebeln“, die ihren Platz in der quasi eigens für sie geschaffenen Klasse der Hyper-Fullerene einnehmen. 81 Kessler (1998:D4.3) 82 Dettmann (1994:190) 83 Bachmann (1998:25ff)


Die Anordnung von mehrwandigen Kohlenstoffröhrchen bei zylindrischen Fullerenen und endohedrales Dotieren von kugelförmigen und zylindrischen Fullerenen beweisen das Auftreten des interessanten Einschlussphänomens. Man erwartete daher, dass es auch C60-ähnliche Strukturen gibt, die nach Art russischer Matrioschka-Puppen ineinander verschachtelt sind. Tatsächlich konnte der Argentinier Daniel Ugare 1992 eine „Zwiebel“ aus reinem Kohlenstoff erzeugen. Er entdeckte, dass sich Fulleren-Ruß aus elektrischer Bogenentladung durch intensive Elektronenbestrahlung in zwiebelähnliche Strukturen umwandelt, in denen eine graphitähnliche Schale kugelförmig über die nächste gelagert ist (Abb. 75). Der Abstand zwischen den Schalen ist nur geringfügig größer als die Distanz zweier Ebenen in Graphit. Der Kern einer Zwiebel hat in etwa die Größe eines C60-Moleküls.85

Abb. 75: Aufnahme einer Kohlenstoffzwiebel.86 Seit kurzer Zeit ist es auch möglich, Diamanten mit Hilfe von zwiebelförmigen Fullerenen zu züchten. Durch Bestrahlung der Kohlenstoffzwiebeln bei 900 °C mit Elektronen bilden sich im Inneren Diamantkeime. Diese wachsen dann so lange, bis die gesamte Zwiebel umgewandelt ist. Mit dieser Methode, die besonders reine Diamanten bei Normaldruck hervorbringt, können Kristalle von 0.1 µm erzeugt werden.87 Die Eigenschaften der Kohlenstoffzwiebeln sind ebenso wie die der Nano-Röhrchen noch weitgehend unbekannt, aber auch diese Verbindungen könnten auf vielfältige Art chemisch modifiziert werden. Wie es scheint, ist das Element Kohlenstoff ein hervorragender Baustein für Nanoarchitekturen.88

84 Andere Exponate im „Fulleren-Zoo“: „Buckybabies” (C32, C44, C50, C58), Buckyball (C60), „Rugby Ball” (C70), „Riesen-Fullerene“ (C240, C540, C960) etc. http://www.bristol.ac.uk/depts/Chemistry/MOTM/silly/sillymols.htm [2005-08-02] 85 Dettmann (1994:190ff) 86 Bachmann (1998:191) 87 http://rs1.physik.uni-dortmund.de/sem/c60/kap8.htm [2005-08-02] 88 Dettmann (1994:193)


7.8 Biologische Bausteine Da es üblich ist, Nanopartikel als Objekte im Größenbereich von 1 – 100 nm zu definieren, fallen auch viele biologische Materialien in die Kategorie Nanopartikel, wenngleich sie oft schon mit bestimmten Funktionen ausgestattet sind oder bereits Nanosysteme darstellen. Bakterien, deren Größe sich in einer Spanne von 1 – 10 µm bewegt, befinden sich im mesoskopischen Bereich, während Viren mit Abmessungen von 10 – 200 nm im oberen Bereich der Nanometer-Skala angesiedelt sind. Proteine erscheinen normalerweise in Größen von 4 – 50 nm, und ihre Bestandteile, die 20 Aminosäuren sind etwa 0,6 nm groß. Für den Aufbau eines Proteins lagern sich Kombinationen dieser Aminosäuren durch starke Peptidbindungen zu langen Ketten zusammen, die hunderte oder sogar Tausende Aminosäuren enthalten und Polypeptide genannt werden. Man kann sie deswegen auch als Nanodrähte bezeichnen. Die Polypeptid-Nanodrähte falten und verdrillen sich zu relativ kleinen Polypeptid-Nanopartikel mit Durchmessern von typischerweise 4 – 50 nm. So sieht man, dass ein Protein ein Nanopartikel ist, der aus einem kompaktierten Nanodraht besteht. DNA besitzt ebenso die Struktur eines kompaktierten Nanodrahtes. Seine Bestandteile sind vier Nukleotid-Moleküle, die sich zu einem langen, helikalen, doppelten Nanodraht aneinander lagern und schließlich die Chromosomen bilden (vgl. Kap. 5.7.3).89

89 Poole/ Owens (2003:310f)

Nanosysteme 99

8 Nanosysteme 8.1 Einleitung Nanostrukturen haben an sich nur beschränkte Einsatzmöglichkeiten oder dienen lediglich der Forschung bestimmter Phänomene in diesem Größenbereich. Das wahre Potenzial der Nanotechnologie liegt darin, Nanostrukturen als Bauelemente (zu Bauelementen) zu (Sub-)Systemen zu integrieren. Unter nanotechnischen Systemen im weiteren Sinne versteht Köhler1 Anordnungen mit folgenden Merkmalen:

„eine eigenständige, nach außen wirksame Funktion; eine geometrisch wohldefinierte Zuordnung zu einem äußeren technischen Aufbau; eine Einbettung in eine äußere funktionelle Umgebung durch geeignete Schnittstellen; die Nutzung mindestens eines für die Funktion essentiellen Bauelementes mit nanotechnischen Abmessungen.“

Legt man in dieser Definition für das essentielle Bauelement eine Nanostruktur im weiteren Sinne (nur eine Abmessung < 100 nm) zugrunde, so stellt man fest, dass Nanosysteme schon breit genutzte Realität ist, wie z.B. in elektronischen Schaltkreisen und Messspitzen von Nahfeldsonden. Aber auch nanotechnische Systeme im engeren Sinne der geometrischen Definition von Nanostrukturen (mind. zwei Abmessungen < 100 nm) existieren bereits bzw. stehen kurz vor der Verwirklichung. Nanosysteme, die als Gesamtbereich Abmessungen im Nanometerbereich besitzen, stellen noch zu große system- und ingenieurstechnische Anforderungen. Hier beschränkt man sich noch auf das Studium derartiger Systeme in der Natur bzw. auf Konzepte, die auf der Skalierung von Bauelementen aus der Mechanik oder Mikrotechnik basieren. Die folgenden ausgewählten nanotechnischen Systeme repräsentieren solche, auf die die weitere Definition zutrifft und die vorwiegend mit dem Top-down-Ansatz entwickelt wurden. Sie sind am besten erforscht, zugleich klassischen Produktionsverfahren zugänglich und lassen sich grob in die Bereiche Nanoelektronik und Nanoelektromechanik einordnen. 8.2 Nanoelektronik 8.2.1 Die Weiterentwicklung der Mikroelektronik Die Mikroelektronik, die einen der größten Industriezweige darstellt, wird zunehmend zu einer Nanoelektronik, da die Verkleinerung der Strukturen für Halbleiterbauelemente mit großer Geschwindigkeit voranschreitet und teilweise Abmessungen von 0,1 µm und darunter erreicht. Der Anwender kann von immer kleineren Bauelementen höhere Integrationsdichten, höhere Geschwindigkeit und eine erheblich kleinere Verlustleistung bei reduzierten Herstellungskosten erwarten.

1 Köhler (2001:280f)

Nanosysteme 100

Eine entscheidende physikalische Grenze für die gegenwärtige MOS (Metalloxid-Halbleiter-) Technologie ist die De-Broglie-Wellenlänge der Elektronen, die in Silizium (Si) bei etwa 20 nm liegt. Unterhalb der De-Broglie-Wellenlänge verlieren die Elektronen ihren Teilchencharakter und verhalten sich wie Wellen, die den Gesetzen der Quantenmechanik gehorchen. Dabei treten charakteristische Effekte wie Tunneln, Interferenz und diskrete Energieniveaus auf. Diese werden schließlich die Funktion der bisherigen MOS-Transistoren unmöglich machen, könnten aber als Grundlage für neuartige, noch viel kleinere Bauelemente, wie z.B. den Einzel-Elektronen-Transistoren (SETs) dienen.2 Die genannten quantenmechanischen Phänomene und die Grenzen im Bereich z.B. der Lithographie, Verdrahtung, Reinstchemikalien und Anzahl der Prozessschritte (was auch exorbitante Kosten verursacht) bei der gegenwärtigen Festkörperelektronik (=Top-Down-Mikro-/Nanoelektronik) treiben die Forschungen in der so genannten Molekularelektronik (=Bottom-up-Nanoelektronik) an. In der Molekularelektronik fungieren Moleküle oder Molekülgruppen als Bausteine von elektronischen oder integrierten Schaltkreisen und sollten vor allem durch Selbstorganisationseffekte zu solchen gefertigt werden.3 8.2.2 Einzel-Elektronen-Transistor (SET) Der Einzel-Elektronen-Transistor wird hier besprochen, um zu zeigen, was außer einer stetigen, doch bald begrenzten Verkleinerung von herkömmlichen Bauteilen auch noch mit der Top-Down-Nanoelektronik erreichbar ist.4 Er gilt zugleich als aussichtsreichster Kandidat für die Nachfolge des allgegenwärtigen MOS-Feldeffekt-Transistors. Sein Konzept ist das bisher einzig mögliche, um Quanten-Transport-Bausteine zu konstruieren, die prinzipiell auch bei Raumtemperatur funktionieren können.5 Wie ein MOS-Transistor verfügt auch ein SET über eine Steuerelektrode (Gate) mit Kondensator, die die zwischen der Source- und Drain-Elektroden fließenden Elektronen beeinflusst. Zwei höchstens 2 nm dicke Barriereschichten lassen die Elektronen nur als diskrete Ladungspakete von der Source- zur Drain-Elektrode tunneln. Die beiden Barriereschichten umschließen einen leitfähigen Quantenpunkt, der auch als „Insel“ bezeichnet wird (Abb. 76). Damit ein Elektron vom Source-Gebiet durch die Isolatorschicht auf die Metallinsel und zum Drain-Gebiet tunneln kann, muss das Elektron jeweils einen diskreten Energiebetrag (die so genannte Coulomb-Blockade) überwinden. Dieser Drainstrom kann über die Steuerelektrode quantisiert variiert werden.6

2 Risch (1998:B.10.2) 3 Goddard III et al. (2003:4-2f) 4 Für die Herstellung siehe z.B. http://wwwifp.fzk.de/ISAS/Hottline/dec00/Kryo2000/2Appl/4Set/Weimann [2005-08-02] 5 Mohlenkamp/ Buhmann (1998:B.3.1) 6 http://physicsweb.org/articles/world/11/9/7/1 [2005-08-02] und Rubahn (2002:183)

Nanosysteme 101

Abb. 76: Prinzip eines Einzel-Elektronen-Transistors.7

Obwohl man mit dem SET in der jetzigen Form noch nicht viel anfangen kann, erlaubt er immerhin bereits die Kontrolle von einzelnen Elektronen. Erfreulich ist, dass der Fertigungsprozess kompatibel mit dem des herkömmlichen MOS-Transistors ist und dass beide Transistorentypen in einem gemischten System verwirklicht werden können.8 Ein deutsch-amerikanisches Forscherteam stellte vor kurzem einen bei Zimmertemperatur betreibbaren SET vor, dessen entscheidender Bestandteil ein oszillierender Balken ist und somit ein nanoelektromechanisches System (NEMS) darstellt. Dies unterstreicht die enge Beziehung zwischen der Elektronik und Elektromechanik auf Nanoebene.9 8.2.3 Bauteile aus CNTs Zahlreiche elektronische Bauteile wurden bereits mit leitenden bis halbleitenden Kohlenstoff-Nanoröhren10 experimentell realisiert, wie zum Beispiel Dioden oder Feldeffektransistoren (FETs), aus denen Logikelemente aufgebaut sind. Ein FET kann dadurch hergestellt werden, dass einer Nanoröhre eine Gate-, Source- und Drainelektrode mit Elektronenstrahl-lithographie und einer Bedampfungstechnik auf einem Siliziumwafer angefügt werden (Abb. 77). Ein solcher FET erlaubt extrem hohe Schaltgeschwindigkeiten im Mikrowellen-Bereich.

7 http://physicsweb.org/articles/world/11/9/7/1 [2005-08-02] 8 http://www.golem.de/0101/11641.html [2005-08-02] 9 http://physicsweb.org/articles/news/8/5/12 [2004-10-13] 10 Für die Vorteile der CNTs siehe Kap.x.

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Abb. 77: Künstlerische Abbildung eines Arrays von CNT-FETs. Die Nanoröhren liegen auf Al-Gate-Elektroden, an ihren Enden befinden sich aufgedampfte Au-Source- und Drain-Elektroden.11 Schaltelemente können auch durch die kreuzförmige Anordnung von Kohlenstoff-Nanoröhren (oder anderer Nanodrähte) aufgebaut werden und ergeben so genannte crossbar arrays. Nach einem Modell von Lieber (Abb. 78) würde ein Paar Elektroden jede beliebige Kreuzungsstelle steuern: durch einen Spannungsimpuls ziehen sich die übereinander liegenden CNTs entweder gegenseitig elektrostatisch an und schließen einen Kontakt, oder stoßen sich ab und schließen keinen. Der An-/Aus-Zustand jeder Kreuzungsstelle kann dann leicht durch Messung ihres Widerstandes herausgefunden werden. Solche crossbar arrays könnten in mittlerer Zukunft nicht nur als Logikelemente für Computer sondern auch als nicht flüchtiger RAM (random access memory) mit entscheidenden Vorteilen hinsichtlich Größe, Geschwindigkeit und Kosten dienen.12

Abb. 78: Konzept eines crossbar arrays aus Nanoröhren mit vier Kreuzungsstellen, von denen sich zwei im ON-Zustand (Kontakt) und zwei im OFF-Zustand (Nicht-Kontakt) befinden. Die obere Reihe Nanoröhren liegen auf Blöcken (grau), alle Nanoröhren sind an Elektroden (gelb) angeschlossen.13 11 http://physicsweb.org/articles/news/5/10/4/1/011004 [2005-08-02] 12 http://pubs.acs.org/cen/nanotechnology/7842/7842research.html [2005-08-02] 13 http://pubs.acs.org/cen/nanotechnology/7842/7842research.html [2005-08-02]

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Um zu einer Transistordichte in der Größenordnung heutiger Computerchips zu kommen und das Problem der Positionierung und Defektanfälligkeit von Nanobauteilen zu lösen, wurde ein massiv paralleler Ansatz mit crossbar arrays entwickelt. Die Architektur basiert auf der des Teramac Computer, der, obwohl er 220.000 Hardware-Defekte enthielt, bei bestimmten Anwendungen 100 mal schneller als eine Hochleistungs-Workstation mit Einzelprozessor arbeitete. Der Schlüssel dazu ist, Redundanz einzubauen, so dass beschädigte Leitungen in einer Defektdatenbank gespeichert und auf kürzestem Wege umgangen werden. Der hohe Grad an Redundanz fällt durch die Kleinheit der Nanobauteile nicht ins Gewicht, allerdings müssen noch praktische Wege gefunden werden, die einzelnen Nanodrähte anzuschließen.14 8.2.4 Schaltbare Moleküle Obwohl es nicht notwendig ist, dass die Bestandteile eines zukünftigen molekularen Computers analog zu denen in herkömmlichen, auf Si basierenden Computern funktionieren, wurde viel Forschung in molekulare Systeme gesteckt, in der Si-basierende Logik zumindest prinzipiell imitiert werden kann. Alle elektronischen Si-Chips basieren auf der Funktion von logischen Gattern. Ein logisches Gatter setzt sich aus Einzelbestandteilen wie Transistoren und Dioden – also im Wesentlichen Schaltern – zusammen, die so beschaffen sind, dass sie als Reaktion auf bestimmte Inputs bestimmte Funktionen ausführen. Schalter können auch der binären Informationsspeicherung dienen.15 Nun lässt im Prinzip jedes (Supra-)Molekül, das in zwei verschiedenen Zuständen existieren und durch äußere Impulse zwischen ihnen wechseln kann, die Erwartung zu, dass es sich als Schalter verhält.16 Tatsächlich wurde bereits eine Vielzahl an Substanzen gefunden, die Schalteigenschaften aufweisen. Ein Beispiel sei der lichtempfindliche Kronenether in Abb. 79: In seiner Ausgangskonformation (links) zeigt er keine Bindungstendenzen in Gegenwart des Alkalikations (M+). Erst durch Bestrahlung mit einer bestimmten Wellenlänge bildet es mit ihm einen Komplex. Der Vorgang ist durch Bestrahlung einer anderen Wellenlänge umkehrbar und daher genau steuerbar.17

Abb. 79: Schaltbares Catenan 18

14 Goddard III et al. (2003:4-8ff) 15 Pease/ Stoddart (2001:191) 16 Vgl. Kap., sie gehören von ihrer Verwendung her u.a. auch zur Nanoelektronik, von der Funktionsweise her aber zu den NEMS (nanoelektromechanischen Systemen) 17 Gómez-López/ Stoddart (2002/2000:642f) 18 Sauvage (1990)

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Als molekulare Schalter höchst interessant sind mechanisch verbundene Moleküle. Sie besitzen einen klar definierten Spielraum und benötigen kleine Aktivierungsenergien (Abb. 80). Das Ringmolekül eines Rotaxans bewegt sich durch Energiezufuhr (S1, S2) auf zwei ihm möglichen Positionen linear entlang des Fadenmoleküls hin- und her, der molekulare Schalter wird auf diese Weise „umgelegt“. In Abb. 81 werden die dynamischen Prozesse in einem Catenan dargestellt, das aus zwei verschiedenen Ringen, aber symmetrischen Funktionsgruppen besteht.19

Abb. 80: Schaltbares Rotaxan 20

Abb. 81: Catenan mit vier metastabilen Konformationen (=Schaltzuständen).21 Um aus Rotaxanen und Catenanen nützliche Schaltkreise zu erhalten, muss eine große Anzahl von ihnen verknüpft werden. Polyrotaxane (Abb. 82a) erhält man entweder über die threading-Methode oder über Polymerisation von Pseudorotaxanen, Polycatenane (Abb. 82b) meist über Templating. Besonders viel versprechende Strukturen erhält man aus der Kombination verschiedener Polyrotaxane und –catenane.22 Es gelang sogar, speziell präparierte Catenane an einer Wasser-Luft-Schicht hoch geordnete Langmuir-Blodgett-Filme ausbilden zu lassen, was vor allem für die Integration in die Planartechnik von Bedeutung ist.23

19 Balzani/ Credi/ Venturi (2003:394f) 20 Balzani/ Credi/ Venturi (2003:394) 21 Balzani/ Credi/ Venturi (2003:430) 22 http://www.vs-c.de/vsengine/printvlu/vsc/de/ch/9/mac/architekturen/ringe.vlu.html [2005-08-07] und http://www.sv-reiskirchen.de/Downloads/Polyrotaxane.pdf [2005-08-07] 23 Pease/ Stoddart (2001:222f)

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Abb. 82: a) Schema eines Polyrotaxans (oben) und b) eines Polycatenans (unten).24 8.2.5 Zelluläre Quantenautomaten (QCAs) Zelluläre Quantenautomaten (QCAs) repräsentieren zur Zeit das einzige Modell für das Rechnen mit gekoppelten Quantenpunkten, deren Herstellungsmethoden übrigens einen Aufschwung erleben. QCAs bestehen aus Quantenpunkt-Zellen, in denen jeweils vier 25 Quantenpunkte quadratisch angeordnet sind, so dass die Elektronen zwischen den Quantenpunkten hin- und hertunneln, aber die Zelle nicht verlassen können. Legt man zwei Überschuss-Elektronen in eine Quantenpunkt-Zelle, wird die Coulomb-Abstoßung die Elektronen zwingen, die Punkte an den beiden gegenüberliegenden Ecken zu besetzen. Somit ergeben sich zwei energetisch gleichwertige Grundzustände, die man jeweils mit einer binären „0“ oder „1“ gleichsetzen kann (Abb. 83a). Anzumerken ist, dass bei einer allein stehenden Zelle eine Überlagerung der beiden Grundzustände auftritt und der Netto-Polarisationswert daher null beträgt. Wenn man den binären Grundzustand einer Zelle „umklappt“, indem man z.B. ein negatives Potenzial nahe einem von einem Elektron besetzten Quantenpunkt anlegt, wird auch die Nachbarzelle ihren Grundzustand ändern, um die Coulomb-Abstoßung zu verringern. So kann schon eine Reihe von Quantenzellen als binärer Draht für Rechenvorgänge verwendet werden, bei dem ein Input von 1 zu einem Output von 1 führt und umgekehrt (Abb. 83b). Wie beim Umfallen von Dominos klappen beim Umkehren des Grundzustands der ganz linken Quantenzelle auch alle anderen Quantenzellen nach der Reihe um. Ein einfacher Inverter, der für den Input 1 das Ergebnis 0 liefert, ist in Abb. 83c dargestellt. Er kommt deshalb zustande, weil die in einem Winkel von 45° zueinander gestellten Zellen miteinander umgekehrt interagieren, d.h. ihre Ladung wird immer umgekehrt. Das majority gate (Abb. 83d) lässt sich mit der QCA-Architektur besonders leicht konstruieren (in der herkömmlichen Schalttechnik würde es mehrere CMOS-Transistoren benötigen), und es lassen sich daraus bei Fixierung eines Inputs auf 0 bzw. 1 eine AND bzw. OR-Schaltung, und damit komplexere Schaltungen, bauen. Durch die Ausnutzung von elektrischen (Coulomb) oder magnetischen Wechselwirkungen in Verbindung von quantenmechanischem Tunneln bei QCAs fließ also anders als bei CMOS-Schaltkreisen, die für die Anbindung untereinander unzählige Drähte benötigen, kein Strom sondern nur „Information“, die Vorteile in punkto Geschwindigkeit und Verlustleistung sind offensichtlich. Während es gelingt relativ große Quantenpunkt-Arrays lithographisch herzustellen, bleibt das Ziel, QCAs nur aus Molekülen herzustellen wegen der schwierig

24 http://www.vs-c.de/vsengine/printvlu/vsc/de/ch/9/mac/architekturen/ringe.vlu.html [2005-08-07] 25 oder auch fünf oder zwei; das Prinzip bleibt dasselbe, vgl. Goddard III et al. (2003:5-3)

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durchzuführenden Platzierbarkeit der Moleküle und ihrer Unbeständigkeit noch in einiger Ferne.26

a)

b)

c)

d)

e) Abb. 83: Architekturen aus Quantenpunktzellen: a) die zwei Grundzustände einer Quantenpunkzelle 27 b) binärer Draht 28 c) Inverter 29 d) majority gate und e) das daraus entstehende AND und OR-Gatter 30 26 Goddard III et al. (2003:4-4ff, 5-2ff) und http://www.qcadesigner.ca/tutorials/QCATutorial.html [2005-08-07] 27 http://courses.ece.uiuc.edu [2004-10-19] 28 Goddard III et al. (2003:5-4) 29 Goddard III et al. (2003:5-4) 30 http://www.qcadesigner.ca/tutorials/QCATutorial.html [2005-08-07]

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8.2.6 Nanozellen Eine Schaltkreis-Architektur, die ohne die genaue – und extrem schwierige – Positionierung von nanometergroßen Bauelementen auskommt, basiert auf so genannten Nanozellen. Die etwa 1µm2 großen Nanozellen beinhalten eine Lösung aus winzigen Metallpartikeln und organischen Molekülen, die sich selbst zu einem Netzwerk von Schaltern zusammenfügen (Abb. 84). An den Kanten einer Nanozelle befinden sich lithographisch angebrachte Anschlüsse, über die durch Anlegen elektrischer Spannung zuerst die Funktionalität des sich zufällig gebildeten Netzwerks getestet und anschließend durch Stromimpulse gezielt verändert, sozusagen „programmiert“ wird. Obwohl dieses nachträgliche Programmieren mit gegenwärtigen Methoden erst einige Prozent der Nanozelle nutzbar macht, ist allein die hohe erzielbare Dichte mit dieser Art von Bauelement viel versprechend.31

Abb. 84: Simulation einer selbstorganisierten Nanozelle. Die schwarzen Rechtecke am Rand stellen Anschlüsse dar, zwischen denen auf zufälligem Weg innerhalb der Nanozelle Elektrizität fließt.32 8.2.7 DNA-Computing 1994 wurde erstmals ein mathematisches Problem mit Hilfe von DNA gelöst: das Problem des Hamiltonpfades, bei der ein Pfad durch mehrere vorgegebene Orte gefunden werden muss, so dass jeder Ort nur einmal passiert wird. Je höher die Anzahl der Orte, desto (exponentiell!) schwieriger ist die Lösung des Problems, bis sie auch für modernste Supercomputer mit roher Rechenkraft außer Reichweite liegt. Die Lösung brachte vor allem eine selektive Polymerase-Kettenreaktion, eine massiv parallele Zufallssuche, die Segmente mit der richtigen Start- und Endsequenz aus unzähligen DNA-Strängen extrahiert (Abb. 85). Das verwendete

31 Goddard III et al. (2003:4-15ff) und http://www.macwelt.de/news/hardware/323020/index.html [2005-08-08] 32 http://www.elettronica.ingegneria.unige.it/ [2004-10-21]

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Hamiltonpfad-Problem beinhaltete zwar erst wenige Orte, stellt aber die potenziellen Fähigkeiten des DNA-Computing unter Beweis.

Abb. 85: Darstellung eines simplen Hamiltonpfad-Problems. Darunter je zwei DNA-Stränge, die Ort 5 und 2 repräsentieren, ganz unten Mitte ein komplementärer Strang der die Weg-Lösung zwischen den beiden Orten darstellt.33 Die Datendichte von DNA ist beeindruckend. So, wie eine binäre Zeichenfolge aus Nullen und Einsen besteht, ist ein DNA-Strang durch die Abfolge von vier 0,35 nm auseinanderliegenden Basen definiert (Abb. 86), die ihr eine Datendichte von über einer Million Gigabyte pro Quadratzoll verschafft. Automatische Fehlerkorrektur ist eine der Eigenschaften der Komplementarität von DNA. Analog zu den grundlegenden Arbeitsabläufen einer CPU wie Addition, Bit-Shifting und Logikoperationen (AND, OR, NOT NOR) etc., die komplexeste Berechnungen erlauben, besitzt die DNA Schneiden, Kopieren, Einfügen, Reparieren und viele andere. Ein wichtiger Unterschied dabei ist, dass die Enzyme diese Funktionen an der DNA nicht nacheinander, sondern durch viele Kopien ihrer selbst gleichzeitig ausführen. Die Fähigkeit, massiv parallel zu arbeiten, ist daher das große Potenzial des DNA computing.34

33 http://www.newscientist.com/hottopics/dna/ [2004-10-25] 34 http://arstechnica.com/reviews/2q00/dna/dna-1.html [2005-08-08] und http://www.stanford.edu/~alexli/soco/slide1.html [2005-08-08]

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Abb. 86: Binärer Code auf DNA.35 Trotzdem bleibt das Rechnen und Speichern mit DNA ein relativ langsamer Vorgang, da es in Lösung geschieht und viele einzelne Bindungen ausgerichtet werden müssen. Während es gegenwärtig keine sinnvolle molekularelektronische Plattform darstellt, wird sein Nutzen in der Diagnostik gesehen.36 8.3 Nanoelektromechanische Systeme (NEMS) 8.3.1 top-down hergestellte NEMS 8.3.1.1 Von MEMS zu NEMS MEMS (Mikro-Elektro-Mechanische Systeme, oder einfach: Mikrosysteme) sind „eine Kombination aus mechanischen Elementen, Sensoren, Aktoren und elektronischen Schaltungen auf einem Substrat bzw. Chip”;37 man kann sie auch definieren als eine mikroelektronische Schaltung, die durch die Fähigkeiten einer integrierten Sensorik und einer Mikroaktorik entsprechend erweitert wird, damit sie „empfinden”, „entscheiden” und „reagieren” kann.38 Auch optische, chemische und/oder biologische Komponenten können in MEMS integriert werden, wobei man dann um genau zu sein von optischen MEMS bzw. mikro-opto-elektromechanischen Systemen etc. spricht.39 MEMS haben bereits einen großen Einfluss auf IT, Computer, Medizin und Biotechnologie (DNA-Analyse und Synthese, Diagnostik und Bildgebung), Luft- und Raumfahrt (Mikro-aktoren und -sensoren, intelligente geometrisch rekonfigurierbare Tragflügel und Propellerblätter, Mikrokreisel), Automobil- und Transportsysteme (Signalwandler und Beschleunigungsmesser) und Industrie (intelligente Mikroroboter). Sie werden durch ihre Weiterentwicklung bzw. Weiter-Miniaturisierung (zu NEMS) in diesen Gebieten für weitere Durchbrüche sorgen.40

35 http://www.newscientist.com/hottopics/dna/article.jsp?id=20384100&sub=DNA%20tech [2004-10-25] 36 Goddard III et al. (2003:4-4) 37 http://www.computerbase.de/lexikon/MEMS [2005-08-08] 38 Menz/ Mohr (1997:367) 39 http://www.ee.udel.edu/~olowolaf/eleg667.html [2005-08-08] und http://www.xeroxtechnology.com/ [2005-08-08] 40 Lyshevski (2002:1)

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Ein Ansatz zur Entwicklung von NEMS ist also die weitere Skalierung von top-down (=lithographisch) hergestellten MEMS in den Nanometerbereich, die mit spezifischen Herstellungsmethoden für Nanostrukturen in Angriff genommen wird.41 Allerdings unterscheiden sich MEMS und NEMS abgesehen von ihrer Größenordnung in einigen Wirkungsprinzipien: Bei MEMS kommt die klassische Lagrange’sche und Newton’sche Mechanik, sowie die Elektromechanik (Maxwell’sche Gleichungen) zum Tragen, während nanoelektromechanische Systeme mit Hilfe der Quantentheorie und Nanoelektromechanik studiert werden.42 Die zu den MEMS analog konzipierten NEMS weisen denn auch prinzipiell dieselben Funktionsblöcke auf: Sensoren, Elektronik und Aktoren.43 8.3.1.2 Funktionsblöcke 8.3.1.2.1 Sensoren Sensoren sind Vorrichtungen, die Signale oder Reize empfangen und darauf reagieren. Üblicherweise werden mehrerer Energieumwandlungsprozesse durchlaufen, um zur gewünschten elektrischen, elektromechanischen oder mechanischen Ausgabe des Sensorsignals zu gelangen. Dieses Sensorsignal wird in einem NEMS einer elektronischen Vorrichtung oder direkt einem Aktor eingespeist, wobei die Kopplung Sensor-Aktor auch als Transducer bezeichnet wird (Abb. 87).44 Neben einer Verstärkung von Signalen kommen oft auch zwei- oder mehrstufige Signalumwandlungen zum Einsatz. Je mehr das Größenmissverhältnis zwischen der Umgebung und dem Nanobauelement wächst, desto schwieriger gestaltet sich die Signalweitergabe.45

Abb. 87: Mikro- und nanoskalige Sensoren messen in einem Flugzeug verschiedene physikalische Variablen und geben sie an den Bordcomputer oder direkt an Aktoren z.B. zur Steuerung der Flügelgeometrie weiter.46 41 Rubahn (2002:205) 42 Lyshevski (2002:19f) 43 Lyshevski (2002:37) 44 Lyshevski (2002:28f) 45 Köhler (2001:243) 46 Lyshevski (2002:29)

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8.3.1.2.2 Elektronik Von einem organischen Standpunkt betrachtet, entspricht die Elektronik dem „Gehirn” eines NEMS. Steuereinheiten aus Transistoren (CPU), Kondensatoren (RAM), I/O-Bauteilen steuern integrierte Schaltkreise (ICs) und (Nano-)Antennen, die wiederum durch Änderung der Spannung oder Stromstärke (ICs) bzw. durch elektromagnetische Felder (Antennen) Aktoren kontrollieren. Dabei führen sie auch Aufgaben wie analog-digital und digital-analog-Umwandlung, Filtern, Datenerfassung, Entscheidungsfindung etc. aus (Abb. 88).47

Abb. 88: Funktionales Blockdiagramm höher integrierter M/NEMS.48 8.3.1.2.3 Aktoren Den Aktor (Aktuator)49 kann man im Prinzip als eine physikalische Umkehrung des Sensors verstehen.50 Aktoren reagieren auf Steuerreize (Steuersignale) und betätigen dynamische Systeme, indem sie Kraft und Drehmoment erzeugen. Es gibt viele biologische und künstliche Aktoren. Biologische Aktoren basieren auf elektromagnetischen, mechanischen, optischen und chemischen Phänomenen, während klassische künstliche Aktoren (elektromagnetische, elektrostatische, hydraulische, thermische und akustische und andere Motoren) Vorrichtungen 47 Lyshevski (2002:12ff) 48 Lyshevski (2002:49) 49 Nano-Roboter, Maschinen, Motoren, Aktoren (u.U. auch Sensoren) sind oft nur Quasisynonyme, die in dieser Reihenfolge der Unterscheidung von Ordnungsstufen innerhalb eines NEMS dienen und sind selbst alle für sich genommen NEMS. (Requicha (2003:1)) Da die Begriffe „Roboter“ (nur bedingt, da auch eine eigene „Intelligenz“ besitzend), „Motor“ und „Maschine“ eine größere Komplexität konnotieren, bevorzuge ich im Folgenden die Bezeichnung „Aktor“. Zur Unterscheidung Nano-mol. siehe Kap. 7.2 50 Menz/ Mohr (1997:374)

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sind, die Signale oder Reize empfangen (elektromagnetisches Feld, Druck, Temperatur, Schall etc.) und darauf mit Drehmoment oder Kraft reagieren.51 8.3.1.3 Bsp. eines top-down NEMS nach weiterer Def. Die in Kap. 5.6.3 vorgestellte „Nanopinzette“ soll als Beispiel für ein NEMS nach weiterer Definition eines Nanosystems dienen. Hierbei übernehmen piezokeramische Aktoren („Piezoaktoren“), die den inversen piezoelektrischen Effekt ausnutzen, die extrem präzise, stufenlose Zustellung in den Nanometerbereich.52 Die beiden spannungsgesteuerten Kohlenstoffnanoröhren als Pinzettengreifer sind der Nanoaktor und das Kernelement der Nanopinzette; jedoch können sie wie die Messspitzen eines AFM auch als Nanosensoren fungieren. Die Steuerelektronik, Bildausgabegeräte, Eingabevorrichtungen etc. gehören vollends zum makroskopischen Bereich.53

Abb. 89: Nanopinzette: piezokeramische Mikroaktoren stellen die passiven Bauteile zu, die CNT-Pinzettengreifer auf den Federarmspitzen fungieren als Nanoaktor und auch –sensor.54 8.3.1.4 Bsp. eines top-down NEMS nach engerer Def. Folgendes NEMS (Abb. 90), der z.Z. kleinste Motor/Rotor der Welt, entspricht mit seiner Gesamtabmessung von 500 nm zwar nicht ganz der engen Definition eines top-down Nanosystems, doch gehen die Forscher davon aus, es in nächster Zukunft noch bis zu fünfmal verkleinern zu können. Das Rotorblatt ist 100 bis 200 nm lang, während die Kohlenstoff-Nanoröhren, die als Rotorwelle dienen, nur einige Atome breit sind.55

51 Lyshevski (2002:27) 52 O-L der Physik (2004-5) und Köhler (2001:246) 53 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/ [2005-08-08] und http://www.mic.dtu.dk/research/Nanointegration/ResearchActivitiesNH.htm [2005-08-08] 54 http://www.mic.dtu.dk/research/Nanointegration/ResearchActivitiesNH.htm [2005-08-08] 55 http://www.heise.de/tp/r4/artikel/15/15320/1.html [2005-08-08]

Nanosysteme 113

Abb. 90: Computer-generierte Darstellung eines elektrischen Nanoaktors/-motors. In der Mitte befindet sich, aufgespannt auf einer mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhre, das Rotorblatt.56 Im Herzen dieses auf einem Silizium-Chip integrierten NEMS befindet sich ein rotierendes rechteckiges Metallplättchen, das an einer mehrwandigen CNT als Achse befestigt ist. Die CNT-Achse stellt zugleich eine Verbindung zwischen den zwei elektrisch leitenden Verankerungen her. Die Rotorvorrichtung ist von drei ortsfesten Statorelektroden umgeben. Beim Anlegen einer Spannung an das Rotorplättchen und die Statoren konnte die Position, Geschwindigkeit und Rotationsrichtung des Rotorplättchens gesteuert werden. Es könnte damit als beweglicher Spiegel für winzige optische Schalter oder als Schaufelrad für den Flüssigkeitstransport dienen. Im Gegensatz zu biologischen Nanomotoren kann das synthetische NEMS auch im Vakuum und über einen größeren Frequenz- und Temperaturbereich hinweg betrieben werden.57 8.3.2 Molekulare NEMS 8.3.2.1 Einleitung Molekulare58 NEMS sind als Einzelmoleküle oder supramolekulare Systeme von untereinander verknüpften Molekülen, bei denen sich jedes Atom in Bezug zu seinen Nachbaratomen in einer präzisen, bekannten Position befindet, meist nanotechnische Systeme im engsten Sinne; sie werden mit der organischen Synthesechemie und der supramolekularen Chemie hergestellt. Im Gegensatz zu lithographisch hergestellten NEMS sind molekulare NEMS meist an kein Substrat gebunden, also frei schwebend. Wie bei den top-down hergestellten NEMS herrscht eine Bedeutungsüberschneidung von Maschine, Motor und Aktor.59 Ähnlich makroskopischen Maschinen werden molekulare Maschinen (NEMS) gekennzeichnet durch:

- die zur Arbeit nötige Energiezufuhr (chemisch, elektrochemisch, optisch, elektrisch) - die Art der Bewegung ihrer Bestandteile (insbes. linear, rotierend, allosterisch,

kontraktierend/dekontraktierend)

56 http://physicsweb.org/articles/news/7/7/19 [2005-08-08] 57 http://physicsweb.org/articles/news/7/7/19 [2005-08-08] 58 unter den Begriffen molekulare NEMS, molekulare Sensoren usw. sollen der Einfachheit halber auch ihre supramolekularen Entsprechungen miteingeschlossen sein. 59 Requicha (2003:1f)

Nanosysteme 114

- die Art und Weise, auf die ihre Arbeitsverrichtung gesteuert und überwacht werden kann (verschiedene spektroskopische und elektrochemische Verfahren)

- die Möglichkeit, die Arbeitsgänge beliebig zu wiederholen - den Zeitmaßstab für einen Arbeitsgang (von Picosekunden bis Tagen) - die Art der verrichteten Arbeit (verschiedenartig bzw. nicht voraussagbar)60

8.3.2.2 Energiezufuhr Energie wird den Motoren von NEMS optisch, elektrisch, elektrochemisch oder durch Bereitstellung einer bestimmten Substanz chemisch zugeführt. Chemische Energie ist eher unvorteilhaft, weil sie nicht einfach ein- und ausgeschaltet werden kann – die Maschine wird so lange laufen, bis der Treibstoff aufgebraucht ist – und wird dabei Abfallstoffe produzieren, die beseitigt werden müssen.61 8.3.2.3 Fortbewegung Das Schwimmen in Flüssigkeiten scheint für molekulare frei schwebende NEMS angebrachter zu sein, als entlang einer Oberfläche zu „krabbeln”, da die meisten Objekte auf einer Oberfläche zu groß sind, um überwunden werden zu können. Jedoch gelten andere Gesetze: Trägheit und Schwerkraft sind vernachlässigbar, Reibung ist der alles bestimmende Faktor bei der Fortbewegung in diesem Medium und diesem Größenbereich. Eine Fortbewegung kann nicht durch symmetrische Bewegungen oder einem Strahlantrieb erzielt werden. Bakterien bewegen sich in einem solchen System üblicherweise mit Flimmerhaaren oder rotierenden Geißeln. Für Objekte, die kleiner als Bakterien sind (< 600 nm), ist der Versuch, sie anzutreiben und zu steuern zwecklos, da sie durch zahlreiche Kollisionen und thermische Bewegung ihre Bahn unvorhersagbar ändern. Die Diffusion auszunutzen wäre deshalb eine bessere Strategie.62 8.3.2.4 Steuerung Für in molekulare NEMS integrierte Steuerungssysteme kommen fürs Erste nur primitive Mechanismen in Frage. Z.B. gelingt es dem Braitenberg-Vehikel, selbständig auf eine Lichtquelle zuzusteuern; dabei wird sein rechtes und linkes Rad (die voneinander unabhängig sind) je von einem mit einem Lichtsensor gekoppelten Motor angetrieben (Abb. 91).

60 Balzani/ Credi/ Venturi (2003:271ff) 61 Balzani/ Credi/ Venturi (2003:272ff) 62 Requicha (2003:4)

Nanosysteme 115

Abb. 91: Braitenberg-Vehikel: Die vom linken Sensor gemessene höhere Lichtintensität führt zu einer längeren Aktivierung des rechten Motors/Antriebrades und somit zu einem Einschlag nach links zur Lichtquelle.63 Ein weiteres primitives Steuersystem stellen Bakterien unter Beweis: E. coli bewegt sich fort, indem es schnell abwechselnd eine gerade Strecke zurücklegt und dann einen „Purzelbaum” schlägt, d.h. die Richtung zufällig ändert. Mit seinen chemischen Sensoren nimmt es wahr, ob die Nährstoffkonzentration während einer geraden Strecke ansteigt. Ist dies der Fall, verlängert es seinen geraden Weg um einen Bruchteil. Diese auf lokaler Information basierende geringe Tendenz in den Zufallsbewegungen des Bakteriums reicht aus, um in nährstoffreiche Gebiete zu gelangen.64 8.3.2.5 Koordination Da ein mol. NEMS für sich allein genommen oft nur beschränkten Nutzen hätte, werden viele NEMS für den gewünschten Erfolg auf Systemebene benötigt. Für Kommunikation, Sensorik und Aktorik ist dazu Koordination nötig. Das Größensystem und die Dynamik von NEMS schließen eine zentrale Koordination aus. Daher muss auf eine Koordination zurückgegriffen werden, die auf lokalen Inputs, Algorithmen und Outputs basiert. Kommunikation zwischen kleinen Objekten wie Zellen und sub-zellulären Strukturen erfolgt überwiegend chemisch unter Ausnutzung der molekularen Erkennung. Kommunikation zwischen NEMS mittels Wellen (akustisch, elektrisch oder optisch) erscheint wegen der geringen Antennengrößen schwierig.65 8.3.2.6 Molekulare Sensoren Die Beziehung von biologischen Funktionsmolekülen, wie z.B. zwischen Antikörpern und Antigenen bzw. Enzymen und Substraten (Rezeptoren) hängt stark von der geometrischen Passfähigkeit der Moleküle und ihren funktionellen Gruppen ab. Dieses „Schlüssel-Schloss-Prinzip“ kann auch zur Erkennung von Molekülen mit synthetischen Rezeptoren, also

63 Requicha (2003:5) 64 Requicha (2003:5) 65 Requicha (2003:5)

Nanosysteme 116

Sensoren, benutzt werden.66 Das molekulare Prägen (Abb. 92, siehe auch Kap. 5.4) bietet einen Weg, NEMS mit solchen molekularen Sensoren auszustatten.

Abb. 92: Schema eines molekularen Sensors, der durch molekulares Prägen hergestellt wird.67 8.3.2.7 Mol. passive Bauteile Außer einen Motor (bzw. Aktor, s.u.) enthalten makroskopische Maschinen eine Vielzahl an Zusatzkomponenten wie Halterungen, Kugellager, Antriebswellen, Zahnradgetriebe, Bremsen, Drehzylinder etc. (Abb. 93). Die Idee von der Maschine und ihren Bestandteilen kann man, wenn man will, auf die molekulare Ebene übertragen: so stellen kovalente Bindungen, die einzelne Untereinheiten des Systems verbinden, Halterungen dar; sternenförmige Moleküle Zahnräder; und eine sterische Blockade durch ein in das Bewegungsfeld eines beweglichen Teils gesetztes Molekül eine Bremse.68

66 Köhler (2001:275) 67 http://www.poly-an.de/index.php?mid=50&vid=&lang=de [2005-08-08] 68 Balzani/ Credi/ Venturi (2003:271ff)

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Abb. 93: Makroskopische Bauteile und ihre molekularen Gegenstücke: a) Propeller, b+c) Zahnradgetriebe, d) Kegelradgetriebe 69 8.3.2.8 Mol. Aktoren (bzw. Motoren/Maschinen/NEMS) 8.3.2.8.1 Mechanisch verbundene Moleküle 8.3.2.8.1.1 Einleitung Mechanisch verbundene Moleküle sind uns bereits im Kap. 8.2.4 in ihrer Anwendung als „molekulare Schalter“ begegnet. In diesem Kapitel soll ihre Funktionsweise als rudimentäre nanoelektromechanische Aktoren bzw. Systeme beleuchtet werden. Die mechanische Bindung ist eine nicht-klassische Bindung und kann eine Vielzahl von Formen annehmen. Am häufigsten tritt sie in der Form von Rotaxanen, den ihnen verwandten Pseudorotaxanen und den Catenanen auf. Ihnen gemein ist, dass sich ihre Bestandteile relativ zueinander durch einen entsprechenden Impuls bewegen lassen und damit Grundlagen für molekulare Schalter oder Maschinen sind.70 8.3.2.8.1.2 Rotaxane Rotaxane71 stellen in der supramolekularen Chemie eine Gruppe von Verbindungen dar, bei denen ein hantelförmiges Molekül von einem ringförmigen Molekül umschlossen ist. Die

69 Balzani/ Credi/ Venturi (2003:280) 70 Pease/ Stoddart (2001:202) 71 von lat. rota, „Rad“; Werts (2001:1)

Nanosysteme 118

beiden Hauptbestandteile des (Supra-) Moleküls72 werden also nicht durch kovalente, sondern durch „mechanische“ Bindungen zusammengehalten.73 Es gibt im Wesentlichen drei Synthesearten für Rotaxane, die sich sehr anschaulich darstellen lassen und schwache Wechselwirkungen ausnützen. Beim threading oder stoppering wird das Ringmolekül zuerst auf das Fadenmolekül „aufgefädelt“ und anschließend durch zwei sperrige Endgruppen fixiert (Abb. 94 oben). Clipping geschieht dann, wenn man ein in zwei Hälften geteiltes Ringmolekül dazu bringt, sich über dem Hantelmolekül wieder zu schließen (Abb. 94 Mitte). Und beim slipping wird ein durch erhöhte Temperaturen gedehntes Ringmolekül über ein Hantelmolekül gestreift; sinkt die Temperatur, so zieht es sich zusammen und ist innerhalb der Hantel gefangen (Abb. 94 unten).

Abb. 94: Die drei prinzipiellen Synthesearten von Rotaxanen.74 Die ringförmige Komponente von Rotaxanen erlaubt grundsätzlich zwei intramolekulare Bewegungsarten: lineare und rotierende (Abb. 95). Gesteuert werden kann z.B. die lineare Bewegung durch das Anbringen von zwei Erkennungsstellen entlang des molekularen Fadens: Ein beliebig hin- und zurückfahrbares molekulare „Shuttle“ ist entstanden (Abb. 96).75

Abb. 95: Die zwei prinzipiellen Bewegungsarten von Rotaxanen.76

72 Ob Molekül oder Supramolekül, darüber wird gestritten, je nachdem, ob man die mechanische Bindung einer kovalenten gleichsetzt, vgl. Balzani et al. (2003:9) und http://www.chem.ed.ac.uk/leigh/home/rotcatintro.html [2005-08-08] 73 Werts (2001:1) 74 Pease/ Stoddart (2001:202) 75 Balzani/ Credi/ Venturi (2003:391ff) 76 Balzani/ Credi/ Venturi (2003:391)

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Abb. 96: Molekulares „Shuttle“ 77 8.3.2.8.1.3 Pseudorotaxane Pseudorotaxane entbehren gegenüber den Rotaxanen einer oder beider Endgruppen und werden durch threading („Auffädeln“) synthetisiert. Die Ringe können daher im Grundzustand beliebig von und auf das Fadenmolekül „rutschen“ so dass sich beide Zustände im Gleichgewicht befinden (Abb. 97). Das Ein- und Ausfädeln der stangen- und der ringförmigen Komponenten ähnelt der Bewegung eines Kolbens in einem Zylinder.78

Abb. 97: Die bistabilen Zustände des Pseudorotaxans.79 8.3.2.8.1.4 Catenane Catenane80 bestehen aus zwei verketteten Ringmolekülen und gehören damit auch zur Familie der mechanisch verknüpften Moleküle. Die Bewegungsmöglichkeiten innerhalb des Catenans beschränken sich auf die Rotation um und entlang des jeweils anderen Rings. Während Catenane, genauso wie Rotaxane, noch bis in die frühen 80er Jahre als molekulararchitektonische Kuriositäten bestaunt wurden, können sie jetzt durch neue, auf schwachen Wechselwirkungen basierende Templating-Methoden in hoher Ausbeute synthetisiert werden. Catenane weisen gegenüber ihren nicht mechanisch Verknüpften Bestandteilen oft deutliche Unterschiede bei ihrem z.B. spektroskopischen, chemischen oder mechanischen Verhalten auf. Letztlich ist aber die Kontrolle der innermolekularen Bewegungen der Catenane das interessanteste Ziel dieser Molekülart.81 Dies kann z.B. erreicht werden, indem eine der beiden Ketten eines Catenans zwei verschiedene Erkennungsstellen trägt (Abb. 98).82

77 Balzani/ Credi/ Venturi (2003:394) 78 Balzani/ Credi/ Venturi (2003:348) 79 Pease/ Stoddart (2001:207) 80 von lat. catena, „Kette“ O-L der Chemie (2004-5) 81 Pease/ Stoddart (2001:213ff) 82 Balzani/ Credi/ Venturi (2003:429ff)

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Abb. 98: Ein Catenan, von dem eine Kette zwei verschiedene Erkennungstellen trägt, wird durch zwei verschiedene Stimuli zwischen seinen beiden Konformationen hin- und hergeschaltet.83 8.3.2.8.2 Cis-Trans-Isomere Eine der interessantesten molekularen Maschinen, die bis heute hergestellt werden konnten, sind lichtgetriebene kleine Moleküle, die sich durch Isomerisierung (eine bestimmte molekülgeometrische Veränderung) bewegen. So z.B. ein Rotationsmotor (Abb. 99 und 100): Bei Bestrahlung mit einer geeigneten Wellenlänge bewegt sich ein Teil des Moleküls, der Rotor, ständig im Bezug zum unbeweglichen Teil, den Stator, um eine Kohlenstoff-Doppelbindung herum. Die Rotation erfolgt in vier Schritten: Zuerst führt das Licht zu einer Cis-Trans-Isomerisierung, d.h. einer Konformationsänderung (Formänderung) des Moleküls, bei der zwei Atomgruppen, die sich auf derselben Seite einer Bindung befanden (cis), zu einer Lage wechseln, bei der sich die Atomgruppen auf der jeweils gegenüberliegenden Seite der Bindung befinden (trans). Die daraus entstehende Konformation ist instabil und wechselt spontan zu einer energetisch günstigeren Konformation, was die Rotation im Gang hält. Eine weitere durch Licht ausgelöste Cis-Trans-Isomerisierung schließt den Rotationszyklus.

Abb. 99: Schematische Seitenansicht des vierstufigen Rotationsmotors in Abb. 100.84

83 Balzani/ Credi/ Venturi (2003:430) 84 Faringa et al. (2003:570)

Nanosysteme 121

Abb. 100: Lichtgetriebener molekularer Motor durch Cis-Trans-Isomerisierung.85 Die Entwicklung von mol. Maschinen ist zwar sehr viel versprechend, leidet in ihrer gegenwärtigen Form bei der Anwendung in Nanosystemen jedoch noch an Schwachstellen. Die Maschinen werden in Lösung hergestellt; um sie einzeln anzusteuern, scheint es notwendig, sie an eine Oberfläche oder vielleicht eine 3-D-Struktur anzukoppeln. Auch deshalb, weil ihre Bewegungen ohne Ankupplung an eine Last (außer für informationsübertragende Anwendungen) nicht viel Nutzen bringt. Da die Ausbeute funktionierender Maschinen oft unter 50% liegt, müssen erst Konzepte für NEMS mit hoher Fehlertoleranz gefunden werden.86 8.4 Biomimetische Systeme 8.4.1 Einleitung Biologische Systeme sind (de novo) künstlichen in vielerlei Hinsicht überlegen, daher liegt es nahe, sie nachzuahmen (Biomimetik) und für verschiedene Zwecke zu nutzen. Vom Standpunkt der Nanoelektromechanik führen biomimetische Systeme87 folgende Prozesse aus: -sie steuern präzise ihre atomare Zusammensetzung und Architektur, die sich in sehr komplexen, multifunktionellen Strukturen befinden (schon ein falsches Atom in einem Protein führt zur Fehlfunktion). -sie bilden eine Systemkette von Aktorik-Sensorik88-Kommunikation-Steuerung, d.h. sie messen Umweltparameter, die sie an Steuerungs- und Aktoriksubsysteme weiterleiten, um zu 85 http://pages.pomona.edu/~ksk14747/Chem176/090904/motor_ppt.pdf [2005-08-08] 86 Requicha (2003:3f) 87 Auf die Bezeichnung Bio-NEMS wird verzichtet, da der elektrische Aspekt gegenüber dem chemischen zurücktritt oder verschwindet; vgl. Köhler (2001:247ff) 88 Wirklich nanoskopische biomimetische Sensoren existieren noch nicht und werden deshalb auch nicht behandelt Requicha (2003:2)

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geeigneten Aktionen und Reaktionen durch Entscheidungsfindung und Anpassung zu gelangen. -sie führen Autodiagnose und Selbstreparatur durch -sie bilden ihre äußerst hierarchischen multifunktionellen Strukturen durch Selbstorganisation -sie reproduzieren und imitieren ähnliche Strukturen und Systeme89 Dennoch gibt es Hindernisse: - sie sind ziemlich langsam, können nicht einmal den kHz-Bereich überschreiten90 - sie verbrauchen chemischen Treibstoff (üblicherweise ATP), mit den vorher erwähnten (vgl. Energiezufuhr mol. NEMS) Nachteilen - sie bestehen aus weichen, begrenzt strapazierfähigen Materialien - sie funktionieren nur in einem engen Bereich von Umweltbedingungen (z.B. Temperatur, pH-Wert) - sie lassen sich nur schwierig steuern. - sie sind sehr komplex, wobei noch vieles über ihre Struktur und Funktionsweise im Dunkeln liegt.91 8.4.2 Molekulare Aktoren aus biol. Bestandteilen Ein biologisches Material, das ein sehr nützliches „Baumaterial“ für Nanostrukturen und -systeme hergibt, ist vor allem die DNA (DNS): Sie besitzt für ein Polymer eine hohe Steifigkeit, kann durch bekannte Enzyme leicht bearbeitet werden, durch die Basenpaar-Komplementarität ihrer Nukleotide sind ihre Wechselwirkungen mit anderen DNA-Molekülen vorhersagbar, und beliebige DNA-Sequenzen können bereits routinemäßig biotechnisch hergestellt werden.92 Folgender Aktor aus DNA, ein „molekularer Arm“, wurde von der Gruppe um Prof. Seeman (NYU) entwickelt: Dieser Arm wird aus einem DNA-Oberarm und –Unterarm zusammengesetzt, wobei ein spezielles DNA-Stück in der Mitte als „Ellbogen“ dient. Die Helix in dem DNA-Ellbogen ist rechtsdrehend, doch wenn eine Kobaltverbindung der Lösung zugegeben wird und sich anlagert, dreht sich das DNA-Verbindungsstück durch die Wechselwirkung von elektrischen Ladungen in die entgegengesetzte Richtung. Das bewirkt, dass sich die beiden verbundenen DNA-Arme bis zu 6 nm voneinander entfernen.93 8.4.3 Hybride Biomotoren

8.4.3.1 Einleitung Einen anderen Ansatz zum Aufbau von nanoskopischen biomimetischen Systemen stellt das Isolieren (modifizierter) biologischer Motoren dar. Biomotoren sind supramolekulare Protein-Aggregate, die in der Lage sind, bei einer Energiezuführung aus einer chemischen Quelle eine lineare oder rotierende Bewegung durchzuführen. Sie befinden sich im Größenbereich von einigen 10 nm und sind normalerweise größer und komplexer als künstlich entworfene

89 Lyshevski (2002:17f) 90 Roukes (2001) 91 Requicha (2003:3f) 92 Freitas (2001) 93 http://news.bbc.co.uk/1/hi/sci/tech/254498.stm [2005-08-08]

Nanosysteme 123

NEMS. Ihr chemo-mechanisches Funktionsprinzip („chemo-mechanische Maschinen“) ist auch anders als das von NEMS und teilweise noch ein Rätsel.94 Weil Biomotoren schon erfolgreich an Oberflächen und Lasten angekoppelt wurden, stehen sie nützlichen Anwendungen näher als ihre vollsynthetischen Pendants.95 Der nächste Schritt wäre die vollständige Bottom-up-Erzeugung von Bio-NEMS aus modifizierten Makromolekülen mittels Gentechnik, Biochemie und supramolekularer Chemie.96 8.4.3.2 lineare Biomotoren Lineare (geradlinige) Bewegungen sind sowohl in der Natur als auch Technik weit verbreitet. In der Natur kommen Bewegungen im Bezug zum innerzellulären Transport, Zellteilung und Muskelkontraktion durch lineare Eiweißmoleküle zustande. In der Technik kommen alternierende lineare Bewegungen beim Kolben eines Verbrennungsmotors vor. Enzyme wie Myosin, Kinesin und Dynein sind lineare Biomotoren, die sich auf Polymersubstraten fortbewegen, indem sie ATP hydrolisieren und in mechanische Arbeit umwandeln. Die Vorwärtsbewegung wird in einem chemo-mechanischen Arbeitstakt erzeugt, in welchem sich das Motorprotein an aufeinanderfolgende funktionelle Stellen des Substrats bindet.97 Es ist möglich solche Biomotoren aus Zellen herauszulösen und in eine technische Umgebung zu bringen, wie z.B. das Kinesin/Tubulin-System. Aus praktischen Gründen wurde dabei das Verhältnis von festem und beweglichem Bestandteil umgekehrt und so konnte immobilisiertes Kinesin entlang von Tubulinaggregaten nano- und sogar mikroskopische Objekte transportieren (Abb. 101).98

Abb. 101: Transport nano- und mikroskopischer Objekte mit Kinesin-Molekülen auf Tubulinaggregaten.99 94 Joachim/ Gimzewski (2001:2ff) 95 Requicha (2003:4) 96 Köhler (2001:250) 97 Balzani/ Credi/ Venturi (2003:387f) 98 Köhler (2001:248) 99 Köhler (2001:249)

Nanosysteme 124

8.4.3.3 Rotierende Biomotoren Rotierende Biomotoren kommen seltener vor, aber spielen eine besonders wichtige Rolle in der Natur. Ihre Funktionen reichen von der ATP-Synthese bis zum bakteriellen Geißelantrieb. Rotierende Motoren, angefangen von Wassermühlen bis zu Turbinen, haben auch einen wichtigen Beitrag zu unserer Zivilisation geleistet. Elektrizität, die am häufigsten genutzte Energieform, ist besonders dazu geeignet, mechanische Teile rotieren zu lassen.100 Der wichtigste und am besten verstandene biologische Nanomotor ist die ATP-Synthase (kurz: ATPase). Sie enthält einen „Stator“, der aus sechs zu einer zylinderförmigen Einheit zusammengeschlossenen Proteinen (α3β3) besteht; ein siebtes, stangenförmiges Protein (γ) steckt im hohlen Teil des α3β3-Aggregats und bildet den Rotor. Dieser Rotor rotiert nun innerhalb des Stators und hydrolisiert (= verbraucht) ATP oder erzeugt umgekehrt ATP, wenn ein elektrochemischer Protonengradient vorhanden ist (Abb. 102).101

Abb. 102: ATPase: γ (und c) sind beweglich (Rotor), der α3β3-Komplex (Stator) dagegen an der Membran befestigt.102 Von einem hybriden Nanomotor aus ATPase wurde bereits berichtet. Er besteht aus einem nanolithografisch gefertigten Nickel-Ständer. Darauf ist ein modifiziertes ATPase-Molekül mit spezifischer Schnittstelle gesetzt, das eine 150nm breite und ca. 1µm lange Nanostange aus Nickel als Rotorblatt rotieren lässt (Abb. 103).103

100 Balzani/ Credi/ Venturi (2003:329) 101 Raehm/ Sauvage (2001:56) 102 Raehm/ Sauvage (2001:56) 103 Balzani/ Credi/ Venturi (2003:332f)

Nanosysteme 125

Abb. 103: Darstellung eines durch den ATPase-Motor angetriebenen nanomechanischen Systems.104

104 Balzani/ Credi/ Venturi (2003:332)

Nanotechnologie von Übermorgen? 126

9 Nanotechnologie von Übermorgen? 9.1 Einleitung Dieses Kapitel soll einen Vorgeschmack auf eine Nanotechnologie geben, die sich nicht aufgrund des Erreichten hochrechnen lässt, wie zum Beispiel die Verdopplung der Leistungsfähigkeit von integrierten Schaltkreisen alle zwei Jahre (Moore’sches Gesetz). Eine sich exponentiell entwickelnde Nanotechnologie wird wahrscheinlich eine molekulare Nanotechnologie nach dem Bottom-up-Prinzip sein. Das Gelingen und die praktische Nutzung dieser Technologie von Übermorgen hängt im Wesentlichen von Eric Drexlers viel diskutiertem Modell eines Molekülassemblers1 ab, einer Art von Nano-Roboter. 9.2 Das Konzept des Molekülassemblers Der Aufbau eines Molekülassemblers ähnelt im Prinzip einem Fabriksroboter. Er besteht aus einem computergesteuerten mechanischen Arm, der gemäß einer Reihe von Anweisungen mit molekularen Instrumenten hantiert. Jedes Instrument könnte man als Tacker oder Nietenpistole bezeichnen. Es hat einen Griff, an dem der Assembler es packen kann, und ist mit einer Kleinstmenge an Materie geladen – ein paar Atomen –, die durch eine chemische Reaktion an das Werkstück angefügt werden (Abb. 104).

Abb. 104: Schematische Darstellung eines Assemblers in einer molekularen Fertigungsstraße. Statt geschlossener Flächen müsste man sich Atom- und Molekülverbände vorstellen.2

1 Abwandlungen dieses Modells sind molekulare Disassembler, Replikatoren, Fertigungsstraßen und Computer Drexler et al. (1994:147ff) 2 Drexler et al. (1994:65)


Ein solcher Assembler könnte beliebige nanoskalige Objekte erzeugen. Interessant wird es, wenn dieser Assembler Kopien von sich selbst herstellte. Denn Assembler in Scharen von Trillionen wären dann in der Lage, makroskopische Objekte zu erzeugen – von einer futuristischen Maschine bis zum Wolkenkratzer.3 Drexler verteidigt dieses Konzept gegenüber der von der Unschärferelation möglicherweise ausgehenden Unkontrollierbarkeit molekularer Maschinen, dass Atome innerhalb von Molekülen sehr wohl definierte Plätzen besetzen. Zudem demonstrierten ja biologische molekulare Maschinen in Zellen deren Machbarkeit. Auf die Frage, ob die thermische Vibration (=Molekülschwingung) die Arbeit eines Assemblers unmöglich oder unzuverlässig machen würde, führt Drexler die DNA-Polymerasen an, die bei der Verdopplung von DNA nur einen Fehler pro 1.000.000.000.000 Operationen machen. Dies gelingt durch Mechanismen, die Fehler erkennen und korrigieren können. Ebendiese Mechanismen sollten deshalb auch in Assemblern implementierbar sein.4 9.3 Produktion mit Assemblern Das Potenzial eines solchen Assemblers wäre atemberaubend und würde fast alle Bereiche des Lebens revolutionieren. Assembler würden Produkte auf folgende Weise bzw. mit folgenden Eigenschaften herstellen: - sauber: Heutige Herstellungsverfahren verursachen mehr oder weniger große Umweltbelastungen. Nanotechnologie mit Assemblern würde durch eine umfassendere Beherrschung der Materie Ressourcen effizient nutzen und solche Umweltverschmutzung vermeiden. -kostengünstig: Assembler müssen nicht bezahlt werden, sind energieeffizient und kommen mit relativ billigen Rohstoffen als Baumaterialien aus. - Neuartigkeit: der vollkommen neue Fertigungsansatz würde eben auch vollkommen neue Produkte ermöglichen. - Zuverlässigkeit: Ein Riss in einer Flugzeugtragfläche oder ein verschleißendes Kugellager setzen voraus, dass eine große Menge von Atomen in Unordnung geraten. Atom für Atom gebaute Materialien sollten keine Schwachstelle aufweisen und dabei auch noch viel stabiler sein. - Intelligenz: Gegenstände, die molekular gefertigt sind, könnten Millionen kleiner Motoren und Computer enthalten, die im Zusammenspiel alle erdenklichen nützlichen Dinge vollbringen könnten.5 9.4 Gefahren Anders als heute, wo höchstens die Gefährlichkeit von Nanopartikel als Ultrafeinstaub diskutiert wird6, ist das Gefahrenpotenzial eines Assemblers enorm – sofern er sich selbst

3 Drexler et al. (1994:66ff) 4 Drexler (1990:15) 5 Drexler et al. (1994:151f) 6 Tech. Review (2004:30ff)


replizieren kann. In einem so genannten „Grauschleim-Szenario” (grey goo scenario)7 würden außer Kontrolle geratene – vielleicht mutierte – Assembler die Biomasse des Planeten in rasender Geschwindigkeit in Fantastillionen Kopien ihrer Selbst umwandeln, was von außen betrachtet wie grauer Schleim oder dergleichen aussehen könnte.8 Drexler gab jedoch vor kurzem Entwarnung: Es sei nicht notwendig, dass sich Nano-Roboter für die molekulare Herstellung vermehren können. Die Bausteine der Assembler so zu wählen, dass sie in der Natur nicht allzu häufig vorkommen, würde das Risiko stark eingrenzen.9 Eine größere Bedrohung scheint der vorsätzliche Missbrauch molekularer Nanotechnologie darzustellen. Konventionelle Waffen könnten billiger und zerstörerischer hergestellt werden, sich selbst vermehrende Waffen würden Viren oder Krebszellen ähneln, die den menschlichen Körper angreifen (Abb. 105).10

7 Obwohl Massen von sich unkontrolliert selbst replizierenden Assemblern weder „grau“ noch „schleimig“ sein müssen, betont diese Bezeichnung deren für den Menschen unproduktiven Aspekt; Drexler (1990:173) 8 Drexler (1990:172f) 9 http://www.iop.org/EJ/news/-topic=763/ [2005-08-08] 10 Drexler (1990:174)


Abb. 105: Schreckensszenario: Für das menschliche Auge unsichtbare Schwärme von Nanorobotern bekämpfen sich gegenseitig.11 Allerdings wäre ein Verbot von Experimenten zur Entwicklung sich selbstvermehrender Nanoroboter nicht hundertprozentig durchsetzbar12 und deshalb nicht zweckmäßig. Sinnvoller scheint eine strikte Reglementierung molekularer Produktionssysteme.13 11 Spektrum d.W.S. (2001:77)


9.5 Entkräftungen des Assembler-Konzepts Viele Wissenschaftler betrachten solche Visionen von selbstreplizierenden Nano-Robotern mit großer Skepsis, allen voran Richard Smalley, Entdecker der Fullerene. Ihm zufolge scheitert ein Roboter, der atomare Bausteine dreidimensional zusammensetzen soll an mangelnder Präzision, weil seine Greifarme zu dick wären (sie müssten ja aus einem Verbund von Atomen bestehen). Zudem würden die Atome des Greifarms an den Atomen, die bewegt werden sollten, haften bleiben, was es beinahe unmöglich macht, die atomaren Bausteine zur richtigen Zeit an der richtigen Stelle loszulassen.14 Natürlich ließen Gegenargumente aus dem Lager Drexler nicht lange auf sich warten15 – es bleibt also spannend. Ob bahnbrechend oder nur „innerhalb konservativer Erwartungen“, ob heute oder erst in ferner Zukunft, die Nanotechnologie wird in jedem Fall für technologische Fortschritte sorgen. Nutzen wir die Zeit, um uns ausreichend auf ihre wirtschaftlichen, gesellschaftlichen und ethischen Konsequenzen vorzubereiten.

12 Merkle (2001:187) 13 Es wurden bereits bestimmte Richtlinien vorgeschlagen, siehe http://www.foresight.org/guidelines/index.html [2005-08-08] 14 Spektrum d.W.S. (2001:67) 15 http://www.foresight.org/NanoRev/istherev.html [2005-05-20]

Grundlagen der Terminologiearbeit 131

10 Grundlagen der Terminologiearbeit 10.1 Terminologiearbeit Terminologie bedeutet zweierlei: den Wortschatz einer Fachsprache zum einen und die Lehre von den Begriffen und ihren Benennungen von Fachwortschätzen sowie die Methoden der Terminologiearbeit zum anderen. Terminologen sammeln und prüfen Terminologie eines Fachgebiets. Findet diese Tätigkeit wie in der vorliegenden Arbeit innerhalb mehrerer Sprachen statt, spricht man von einer mehrsprachigen oder übersetzungsorientierten Terminologiearbeit.1 Das Ergebnis dieser Terminologiearbeit ist Terminologie, die im weiteren Sinn in Form von terminologischen Einträgen in Datenbanken abgelegt wird und stellt durch ihre Äquivalenzaussagen eine wesentliche Grundlage für das Übersetzen von Fachtexten dar.2 Durch die wechselseitige Bedingung von Sprach- und Sachwissen stehen (einsprachige) Terminologien aber auch in enger Beziehung zur Informations- und Wissensorganisation und deren Vermittlung.3 10.2 Begriff Im Gegensatz zu Wörterbüchern, die von Benennungen ausgehen, basiert die moderne, von Eugen Wüster geprägte Terminologiearbeit auf Begriffen4.5 Begriffe entstehen, wenn die Wirklichkeit gedanklich in Einheiten aufgeteilt wird6, oder – im häufigen Fall von Allgemeinbegriffen –, wenn materielle oder immaterielle Gegenstände abstrahiert werden7 (auf die sie dann umgekehrt hindeuten). Diese Einteilung ist von Kultur zu Kultur und von Fachgebiet zu Fachgebiet verschieden8 und stellt eine große Herausforderung für den mehrsprachigen Terminologievergleich dar. Begriffe weisen bestimmte Merkmale auf, die zueinander, zum Begriff und zu den Merkmalen anderer Begriffe in einem bestimmten Verhältnis stehen. Der Inhalt eines Begriffs, d.h. die Gesamtheit seiner Merkmale, verhält dabei sich reziprok zu seinem Umfang, d.h. die ihm entsprechenden Gegenstände: Je mehr Merkmale ein Begriff besitzt, desto spezifischer wird er folglich. Merkmale repräsentieren die Eigenschaften abstrahierter Gegenstände, bzw. deren Beziehung zu anderen Gegenständen, und sind somit selbst Begriffe.9 Begriffe stehen zu anderen Begriffen in einer bestimmten Beziehung. In der Terminologiearbeit spielen hierarchische und nichthierarchische Begriffsbeziehungen die

1 KÜWES (1990:1) 2 Mayer (1998:9f 3 Budin (1996:2) 4 Vorsicht, in der Allgemeinsprache bzw. Umgangssprache werden Begriff und Benennung austauschbar verwendet. (DIN (1999:62) 5 Oeser (1997:9) 6 Budin (1996:24) 7 DIN (1999:62) 8 DIN (1999:63) 9 Arntz/ Picht/ Mayer (2002:47ff)


größte Rolle. Eine Begriffshierarchie impliziert das Vorhandensein von übergeordneten und untergeordneten Begriffen, Begriffe auf derselben Ebene sind einander nebengeordnet. Hierarchisch und logisch bedingt ist die Abstraktionsbeziehung, bei der der Begriffsinhalt des engeren Begriffs (Unterbegriff) teilweise mit dem des weiteren Begriffs (Oberbegriff) übereinstimmt, wobei sich der Unterbegriff in wenigstens einem einschränkenden Merkmal vom Oberbegriff unterscheidet. Auch die Bestandsbeziehung ist hierarchisch aufgebaut; hier stellt der Oberbegriff den Gegenstand als Ganzes dar, während seine Unterbegriffe bzw. Teilbegriffe die verschiedenen Bestandteile des Gegenstandes ausmachen. Ist in einer Begriffsbeziehung keine Hierarchie, d.h. Über- und Unterordnung festzustellen, so wird sie entweder sequentiell (mit Vor- und Nachordnung) oder thematisch sein.10 10.3 Begriffsystem Aufgrund der Beziehungen, die von einem bestimmten Blickpunkt aus zwischen den Begriffen herrschen, ist es möglich und wünschenswert, Begriffe systematisch zu ordnen. In einem Begriffssystem kann die Beziehung und Stellung eines Begriffs gegenüber anderen Begriffen dargestellt werden. Die Erstellung eines Begriffssystems ist Voraussetzung für den zweisprachigen Terminologievergleich, da wie schon gesagt verschiedene Sprachgruppen die Wirklichkeit gedanklich verschieden einteilen können. Dabei können sich in der einen oder anderen Sprache Begriffslücken oder –überschneidungen offenbaren. Das Begriffsystem dient aber auch prinzipiell in jedem Fachgebiet der Wissensordnung und weiters der Normung. Begriffssysteme können z.B. durch Dezimalklassifikation dargestellt werden (was im Großen und Ganzen dem Inhaltsverzeichnis dieser Arbeit entspricht) oder durch einen Begriffsplan (Abb. 106).11 10 DIN (1999:64f) 11 Arntz/ Picht/ Mayer (2002:72ff)


Abb. 106: Ausschnitt eines Begriffsplans im weiteren Sinne in Form eines Baumdiagramms. Die Streben stellen die logische Beziehung zu den Begriffen her (dargestellt durch Kreise und Ellipsen). Die aus dem Inhaltsverzeichnis entnommenen Notationen verweisen nicht nur aus Platzersparnis auf die untenstehenden Benennungen, sie kennzeichnen noch zusätzlich den Platz innerhalb des Begriffssystems. Die hierarchische Ordnung kommt weiters durch die horizontale Schichtung zum Ausdruck. 8.3.2 Molekulare NEMS 8.3.2.1 Einleitung 8.3.2.2 Energiezufuhr 8.3.2.3 Fortbewegung 8.3.2.4 Steuerung 8.3.2.5 Koordination 8.3.2.6 Molekulare Sensoren 8.3.2.7 Mol. passive Bauteile 8.3.2.8 Mol. Aktoren (bzw. Motoren/Maschinen/NEMS) 8.3.2.8.1 Mechanisch verbundene Moleküle 8.3.2.8.1.1 Einleitung 8.3.2.8.1.2 Rotaxane 8.3.2.8.1.3 Pseudorotaxane 8.3.2.8.1.4 Catenane 8.3.2.8.2 Cis-Trans-Isomere 10.4 Benennung Da Begriffe abstrakt sind, müssen konkrete (gesprochene, geschriebene oder sonst irgendwie ausgedrückte) Bezeichnungen auf die Begriffe hinweisen. Bezeichnungen können Nummern, Notationen, Symbole etc. annehmen, doch die relevanteste Bezeichnung in der menschlichen Sprache ist die Benennung; sie besteht aus einem Wort oder mehreren Wörtern. Benennungen bezeichnen insbesondere Allgemeinbegriffe, während Namen für Individualbegriffe stehen, die jedoch in dieser Arbeit keine Rolle spielen.

8.3.2.8

8.3.2.8.2

8.3.2

8.3.2.1 8.3.2.2 8.3.2.3 8.3.2.4 8.3.2.5 8.3.2.6 8.3.2.7

8.3.2.8.1

8.3.2.8.1.1 8.3.2.8.1.2 8.3.2.8.1.3 8.3.2.8.1.4


Benennungen in einer Terminologie sollten drei Anforderungen entsprechen: Genauigkeit, Knappheit und Orientierung am anerkannten Sprachgebrauch. Die Genauigkeit von Benennungen kommt dadurch zustande, dass einem Begriff möglichst nur eine Benennung und einer Benennung möglichst nur ein Begriff zugeordnet wird.12 Geschieht dies nicht, kann das zu drei Problemfällen führen: Wenn mehrere (mehr als eine) Benennungen denselben Begriff bezeichnen, spricht man von Synonymie; von Polysemie, wenn mehrere Begriffe von derselben Benennung ausgedrückt werden; von Homonymie, wenn sich Begriffe, die jeweils verschiedenen Begriffen zugeordnet sind, sich zufällig äußerlich gleichen.13 Die durch Definition hergestellte Einheit von Benennung und Begriff ist der Terminus, auch als Fachwort bezeichnet.14 10.4.1 Benennungsbildung Neue, in den Fachsprachen entstandene Begriffe erfordern neue Benennungen. Für die Bildung neuer Benennungen bedient sich die Fachsprache i.A. folgender Mittel der Allgemeinsprache.15 10.4.2 Terminologisierung Die unkomplizierteste Benennungsbildung ist die Terminologisierung – einem Wort aus dem Allgemeinwortschatz wird in der Fachsprache einfach eine neue Bedeutung aufgeprägt.16 Bsp.: en „cluster“: Allgemeinsprachliche Bedeutung: „a number of things growing, fastened, or occurring close together [or] a number of persons or things grouped together.“17 Fachsprachliche Bedeutung: „Tiny particle[s] that contain[s]between tens and millions of atoms with properties lying between those of single atoms and bulk materials.“18 10.4.3 Wortzusammensetzung Die Kombination von Wörtern derselben oder verschiedener Wortklassen zur Benennungsbildung ist im Deutschen wie auch im Englischen sehr ergiebig.19 Bsp.: „Lichtpinzette“20 (Substantiv + Substantiv)

12 DIN (1999:68) 13 Arntz/ Picht/ Mayer (2002:125ff) 14 DIN 2342 (1992:3) in Arntz/ Picht/ Mayer (2002:37) 15 Arntz/ Picht/ Mayer (2002:115) 16 Arntz/ Picht/ Mayer (2002:115f) 17 Collins (1998) 18 Attfield et al. (1999:208) 19 Arntz/ Picht/ Mayer (2002:117)


An diesem Beispiel kann man schön erkennen, dass dieses Benennungsverfahren einen hochtechnologischen Begriff mit einfachen sprachlichen Mitteln ausdrücken kann. 10.4.4 Wortableitung Bei der Wortableitung wird einem Stammwort mindestens ein Ableitungselement (meist Präfixe und Suffixe) angefügt.21 Wie könnte es anders sein, dass gerade das griechische Maßeinheitenpräfix „nano“ (kurz für: „nanometer-“) in der Nanotechnologie die größte Rolle spielt (vgl. Kap. 1.2)? Bsp.: „Nanoröhre“22 10.4.5 Konversion Bei der Konversion wechselt ein Wort die Wortklasse ohne Änderung seiner äußeren Form. Die Konversion ist besonders im Englischen häufig, und zwar zwischen Substantiv und Verb.23 Bsp.: en „resist“: Verb: (to) resist: „to stand firm (against); not yield (to); fight (against)“24 Substantiv: (a) resist: „Typically, a liquid polymeric material that is patterned during a photolithographic process.“25 10.4.6 Entlehnung Um Benennungslücken zu füllen oder einfach weil es „in“ ist, werden Wörter „tel quel“ aus einer anderen Sprache übernommen. Dieses Phänomen ist besonders stark in den Naturwissenschaften und der Technik zu beobachten und auf deren Entdeckungen bzw. Neuerungen zurückzuführen.26 Es ist kein Geheimnis, dass Englisch zu der Wissenschafts- und Techniksprache geworden ist, deshalb kommen die von Journalisten, Wissenschaftlern und technischen Autoren (oft aus Bequemlichkeit) verwendeten Entlehnungen aus dem Englischen. In der Allgemeinsprache übt die Werbung, deren Beschäftigte eigentlich einen sehr geringen Anteil an der deutschen Sprachgemeinschaft darstellen, über die Medien einen ungeheuren Einfluss aus.27

20 Rubahn (2002:128) 21 Arntz/ Picht/ Mayer (2002:118) 22 Bachmann (1998:24) 23 Arntz/ Picht/ Mayer (2002:119) 24 Collins (1998) 25 http://www.devicelink.com/ivdt/archive/02/06/004_sidebar.html [2005-08-08] 26 Arntz/ Picht/ Mayer (2002:119) 27 Bartsch et al. (2003:7)


Ob mit englischen Ausdrücken gespickte Kommunikation wünschenswert und notwendig ist, bleibt wohl Geschmacksfrage, aber die Kommunikation Experte – Laie kann dadurch zusätzlich erschwert werden, wenn dem Laien die fremdsprachlichen Fachwortkenntnisse fehlen. Bsp.: „spin coating“ statt „Schleuderbeschichtung“28 Auch wenn der Laie von der Technik „Schleuderbeschichtung“ keine Ahnung hat, so kann er den Begriff wenigstens ungefähr einordnen, da er seine Bestandteile „schleuder(n)“ und „Beschichtung“ kennt. In anderen Fällen scheint eine Entlehnung unumgänglich: Bsp.: Bottom-up (Ansatz, Technik, etc.) Die deutschen Alternativen dazu klingen dagegen etwas unbeholfen und eignen sich nicht für Wiederholung innerhalb desselben Textes, z.B.: „Technologie von unten“29, „von unten nach oben führende Methode“30, „Von-oben-nach-unten-Design“31. 10.4.7 Lehnübersetzung Die Lehnübersetzung ist meines Erachtens ein geeigneteres Mittel zur Benennungsbildung, weil dadurch auf den vorhandenen Wortschatz zurückgegriffen wird. Bsp.: „Kohlenstoff-Zwiebeln“32 aus „bucky balls“ Dass Lehnübersetzungen auch daneben gehen können, stellen zuweilen des Englischen (und auch des Deutschen!) nicht ganz mächtige Autoren zur Schau: Bsp.: en „quantum corral“ – de „Quantenkoralle“33 (statt „Quantengehege“) Englische und deutsche Fachwörter unterscheiden sich aber ohnehin oft nur geringfügig, was sich aus den gemeinsamen lateinischen und griechischen Wurzeln ergibt und zum Teil der nationalen und internationalen Terminologienormung zu verdanken ist.34 Bsp.: de „optische Spektroskopie“ – en „optical spectroscopy“ de „Monoschicht“ (auch seltener: „Einfachschicht“) – en „monolayer“ 10.4.8 Kurzformen

28 http://www-5.ibm.com/de/pressroom/presseinfos/2004/040319_3.html [2005-08-08] 29 Drexler et al. (1994:60) 30 Drexler et al. (1994:96) 31 Broderick (2004:156) 32 http://www.wiley-vch.de/vch/journals/2001/press/200211press.html [2005-08-10], s.a. Heusler (1999:2) 33 http://www.mpipks-dresden.mpg.de/mpi-doc/forschschwer/Jahrbuch99/ [2005-08-10] 34 Lachaud (1990:23)


Je spezifischer ein Begriff, desto größer ist meistens die Länge seiner Benennung. Dies gilt insbesondere für die Fachsprachen, wo aus ökonomischen Gründen Wortzusammensetzungen und Mehrwortbenennungen gekürzt werden. Die Kurzform kann entweder eine Abkürzung, d.h. eine nicht voll ausgeschriebene Benennung sein; Bsp.: „nanotech“ aus „nanotechnoloy“. Am häufigsten trifft man aber auf Initialakronyme, die aus den ersten Buchstaben der Benennungselemente bestehen. Lässt sich das entstandene Akronym als ein Wort aussprechen, liegt eine Sprechkürzung vor (selten, Bsp.: MEMS – Mikroelektromechanische Systeme), ansonsten spricht man von einer Buchstabierkürzung (Bsp.: PECVD – plasma enhanced chemical laser deposition).35 10.4.9 Neubildung Schließlich besteht noch die Möglichkeit, eine Benennung von Grund auf neu zu bilden.36 So geschehen beim Elementarteilchen „quark“; der amerikanische Physiker Murray Gell-Mann entnahm das (zuvor) unsinnige Wort aus einem Roman von James Joyces „Finnegans Wake“.37 10.5 Definition Die Definition ist das „Bindemittel“ zwischen Benennung und Begriff. Dabei wird durch den Bezug auf andere Begriffe innerhalb eines Begriffssystems ein Begriff festgelegt, beschrieben und gegenüber anderen Begriffen abgegrenzt. Definitionen von Begriffen werden nach den verwendeten Begriffsbeziehungen unterschieden. So führt ein Begriff, bei dem Abstraktionsbeziehungen hergestellt wurden, entweder zu Inhalts- oder Umfangsdefinitionen. Die Inhaltsdefinition führt einen bekannten oder als bekannt vorausgesetzten Oberbegriff an und liefert zusätzlich einschränkende Merkmale, um den fraglichen Begriff zu beschreiben und ihn von anderen Begriffen auf derselben Stufe zu unterscheiden. Sie ist für die Terminologiearbeit am geeignetsten.38 Bsp.: „Biologische Motoren sind hochspezialisierte Proteinmaschinen [Oberbegriff] von wenigen Nanometern Größe, die auf ihre speziellen Aufgaben hin optimiert sind, z.B. als Schalter, Pumpen oder für den Transport.“39 Die Umfangsdefinition zählt alle Unterbegriffe derselben Abstraktionsebene des zu definierenden Begriffs auf.40 35 Arntz/ Picht/ Mayer (2002:120f) 36 DIN (1999:103) 37 http://www.etymonline.com [2005-07-07] 38 DIN (1999:66f) 39 VDI (2002:51) 40 DIN (1999:66)


Bsp.: „Unter dem allgemeinen Begriff ,Cluster’ versteht man eine Ansammlung von Atomen oder Molekülen in Form von Aggregaten; […]“41 Die Bestandsdefinition zählt analog zur Bestandsbeziehung die Teilbegriffe eines Begriffs auf.42 Bsp.: Microelectromechanical systems (MEMS) is the integration of mechanical elements, sensors, actuators, and electronics on a common silicon substrate through microfabrication technology.43 Häufig sind die Definitionen eine Mischform aus Inhalts- und Bestandsdefinition.44 10.6 Äquivalenz Bei der zweisprachigen, d.h. übersetzungsorientierten Terminologiearbeit steht die Frage der Äquivalenz im Mittelpunkt. Äquivalenz ist die begriffliche Übereinstimmung eines Terminus in einer Sprache mit dem einer anderen Sprache. Da, wie in Kap. 10.2 erwähnt, die begriffliche Einteilung der Wirklichkeit in den jeweiligen Sprachen mehr oder weniger anders vorgenommen wird, ergeben sich Überschneidungen und Lücken, die eine Äquivalenz erschweren oder sogar ausschließen. Was die naturwissenschaftlichen-technischen Fachsprachen und somit das untersuchte Fachgebiet der Nanotechnologie anbelangt, herrscht heutzutage glücklicherweise eine hohe Übereinstimmung der Begriffsstrukturen. Dies hat einerseits mit der notwendig gewordenen Internationalisierung der Forschung und andererseits mit dem Bezug auf konkret beschreibbare, quantifizierbare Gegenstände (im Sinne der Terminologielehre) zu tun.45 Ich wage zu behaupten, dass aufgrund der heutigen Informationsvernetzung ein Begriff – sobald er einmal aufgetaucht ist – automatisch in anderen Sprachen, die einen Bezug zu dieser oder jener Wissenschaft bzw. Technologie haben, existiert; es muss nur noch hastig eine Benennung dafür gefunden werden. Taucht der Begriff in englischsprachigen Publikationen auf, wie es meistens der Fall ist, wird die englische Benennung auch meist bereitwillig übernommen. 10.7 Hürden Im Zuge meiner Terminologiearbeit stieß ich auf folgende besondere Hürden, die nicht uninteressant sind, angeführt zu werden: Zum einen war die deutsche Fachliteratur im Vergleich zum Englischen spärlich. Obwohl Nanotechnologen im deutschsprachigen Raum ein beachtliches Publikum vorfänden,

41 nach Reetz (1997:7) 42 DIN (1999:67) 43 http://www.memsnet.org/mems/what-is.html [2005-08-10] 44 DIN (1999:67) 45 Arntz/ Picht/ Mayer (2002:148ff)


erscheinen viele Publikationen auf Englisch. Die Gründe: Globalisierung, Rationalisierung (Übersetzung entfällt), Englischkenntnisse werden vorausgesetzt, etc46. Nanotechnologie ist sehr interdisziplinär, ja sogar transdisziplinär.47 Das bedeutet, dass die Begriffssysteme unterschiedlicher Fachsprachen aufeinanderprallen und irgendwie „unter einem Hut gebracht“ werden müssen. Dies geht auf Kosten so mancher terminologischer Qualitätsnormen. Nanotechnologie befindet sich in einer rasanten Entwicklung, und damit auch ihre Begriffe. War bis vor einigen Jahren noch selbstverständlich, dass mit Nanoröhren Kohlenstoff-Nanoröhren gemeint waren, so muss dieser Begriff seit der Entdeckung auf anderen Verbindungen basierender Nanoröhren revidiert werden48. Terminologen problematisieren Fachbegriffe aufgrund ihrer Terminologiezentriertheit oft erst dann, wenn ihre Bezeichnungen nicht mehr der Gemeinsprache entlehnt sind49; es gibt aber durchaus komplexe Begriffe, die in der Kleidung der Allgemeinsprache erscheinen wie z.B. die „magischen Zahlen“ in der Clusterphysik. Schließlich musste ich noch mit einem Phänomen kämpfen, das in der Psychologie als „selektive Wahrnehmung“ bzw. selektive Textrezeption bekannt ist und Objektivität auf folgende Weise beeinträchtigt50: sie führte dazu, dass ich bei beim Betrachten von – dem ersten Anschein nach – mehr oder weniger gleichwertigen Informationen jene bevorzugte, die ich zu „verstehen“ schien. Bei späterer Betrachtung (= nach Zuwachs des Fachwissens) stellte sich die erste Auswahl an Informationen manchmal als nicht ideal oder sogar abwegig heraus.

46 vgl. Bartsch et al. (2003:7ff) 47 Bachmann (1998:7ff) 48 http://nanodot.org/article.pl?sid=01/04/16/0140252 [2005-07-08] 49 Thielmann (1998:20) 50 Caverni/ Péris (1990:35ff) und http://www.sociologicus.de/lexikon/lex_geb/begriffe/selektiv.htm [2005-08-10]

Glossar 140

11 Glossar 11.1 Auswahlkriterien von Termini, Definitionen und

Quellen Ziel dieser Terminologiearbeit über die Nanotechnologie ist keine Wortfeldanalyse, d.h. eine Analyse aller mit „nano“ präfigierten Wörter. Vielmehr orientiert sich die Auswahl der terminologisch untersuchten Begriffe an dem erstellten Begriffssystem. Davon ausgeklammert werden zu allgemeine Begriffe (z.B. „Ätztechniken“) und zu spezielle (z.B. „Fremddefekte“, „Funktionsblöcke“ [von M/NEMS]). Ergänzt wird diese Auswahl durch Schlüsselbegriffe, die nicht im Begriffssystem vorkommen, z.B. „Topologie“ [einer chem. Verbindung]. Als Grundeinträge wurden solche Termini gewählt, die meines Erachtens in diesem Zusammenhang die gebräuchlichsten sind. Nicht als Termini aufgenommen werden Anglizismen und dt.-engl. Mischformen, deren Untersuchung nicht Ziel dieser Arbeit ist (Ausnahme: sehr große Verbreitung und/oder Fehlen dt. Äquivalents). Die Definitionen wurden in Anbetracht der beabsichtigten Leserschaft so knapp wie möglich gehalten. Obwohl zum Teil Anpassungen an den Definitionen vorgenommen wurden, muss berücksichtigt werden, dass zwischen den Definitionen des dt. und engl. Begriffs Unterschiede hinsichtlich Ausführlichkeit, Fachlichkeit und Blickpunkt bestehen können. Die große Anzahl an verwendeten Internetquellen erklärt sich durch die Schnelllebigkeit des betroffenen Fachgebiets was die Verfügbarkeit an gedrucktem Material einschränkt. 11.2 Datenkategorien im Eintragsmodell [Grundeintrag (terminologische Einheit, Lexem)]: wird nur durch die Anfangsposition und Formatierung gekennzeichnet; der Grundeintrag in der einen Sprache verhält sich zum Grundeintrag der anderen Sprache äquivalent. DEF: Definition KON: definitorischer Kontext (an Stelle einer Definition; selten) QUE: Quelle, bezieht sich auf die vorangegangenen Datenkategorien bzw. bis zur nächsten

Datenkategorie QUE. Manchmal ist die QUE Terminus verschieden von der QUE der DEF des Terminus. Grund: die DEF ist geeignet, der Terminus in der Definition jedoch nicht (Anglizismus, Unvollständigkeit auf Grund des Kontexts, etc.). Das Datum in eckiger Klammer hinter URLs bedeutet das Datum des letzten Aufrufs. Folgt auf die Datenkategorie ANM keine QUE, so stammt ihr Inhalt vom Autor.

SYN: Synonym QSYN: Quasisynonym KF: Kurzform; wenn keine KF für den dt. Terminus gegeben wird, gilt automatisch die

englische (=internationale) ANM: Anmerkung Alle ausgewählten Begriffe beziehen sich auf die Nanotechnologie, diese Fachgebietsangabe entfällt demnach.

Glossar 141

11.3 Glossar A

Aerosol DEF: Feinste Verteilung schwebender fester od. flüssiger Stoffe in Gasen, bes. in der Luft (z. B. Rauch, Nebel). QUE: Duden D-U (2003) aerosol DEF: A colloidal dispersion of solid or liquid particles in a gas; smoke or fog. QUE: Collins (1998)

Aktor DEF: Wandler, der elektrische Signale in mechanische Bewegungen oder andere

nichtelektrische Größen umsetzt (z.B. Druck, Temperatur), auch Messwertgeber, Gerät zur direkten Einwirkung auf ein Element eines Regelkreises, in Umkehrung des Prinzips eines Messfühlers (Sensor).

QUE: O-L der Physik (2004-5) QSYN: Aktuator QUE: Duden DgF (2000) Actuator DEF: Any device used in power transmission systems to convert the energy of the

transmitting medium into mechanical energy and movement by providing the required controlled action.

QUE: Dic. of Engin. Terms (2001)

amorph DEF: Adjektiv zur Zustandsbezeichnung von homogenen Festkörpern, deren molekulare

Bausteine nicht in Kristallgittern angelegt sind. QUE: Römpp (1999) amorphous DEF: The property of a solid whose atomic arrangement is characterized by the complete

absence of order at large distances. QUE: nach: Kirk-Othmer (1997)

anisotropes Ätzen

Glossar 142

DEF: Beim anisotropen Ätzen werden bestimmte Raumrichtungen gegenüber anderen bevorzugt abgetragen. Es gibt in diesem Fall richtungsabhängige Ätzraten.

QUE: nach: Köhler (1998:16)

anisotropic etching DEF: Etching which involves different etch rates in different directions in the material. QUE: http://www.csa.com/hottopics/mems/glossary/aniso.html [2004-08-08]

Anisotropie DEF: Man versteht unter Anisotropie die Richtungsabhängigkeit von physikalischen

Eigenschaften wie Lichtbrechung, Härte, Spaltbarkeit, elektrische Leitfähigkeit. QUE: http://www.vs-c.de [2005-06-16] anisotropy DEF: The fact of being dependent on direction, especially in a crystalline lattice, of any

mechanical, electrooptic, or magnetic property, such as elasticity, conductivity, or permeability.

QUE: Academic Press DoSaT (1992)

Assembler (molekularer ~) DEF: Eine Allzweckvorrichtung für die molekulare Herstellung, die in der Lage ist,

chemische Reaktionen durch Positionieren von Molekülen zu steuern. QUE: Drexler et al. (1994:311) SYN: Molekülassembler QUE: Drexler et al. (1994:66) SYN: Nanomonteur QUE: Lampton (1993:141) assembler (molecular ~) DEF: A molecular machine that can be programmed to build virtually any molecular

structure or device from simpler chemical building blocks QUE: Drexler (1990:285)

Atomstrahllithographie DEF: Eine Lithographie, bei der energetische Atomstrahlen von einem mittels Laser

erzeugten stehenden Lichtfeldes als Maske einen Resist bis zu 10 nm genau belichtet. QUE: nach Joan/ Green (2000:374) SYN: Atomlithographie QUE: Bachmann (1998:57) atomic lithography DEF: A technique that uses neutral atoms instead of light to write patterns on surfaces.

http://www.csa.com/hottopics/mems/glossary/aniso.html

http://www.vs-c.de/

Glossar 143

QUE: http://www.eetimes.com/news/97/942news/tinier.html [2005-07-24] SYN: atom lithography QUE: http://www.eetimes.com/news/97/942news/tinier.html [2005-07-24] SYN: atom beam lithography QUE: http://www.lightforce.harvard.edu/Publications/2003/ [2005-07-24] SYN: atomic beam lithography QUE: http://www.photonics.phys.strath.ac.uk/Research/Laser_cooling/How/How.htm#lith

[200-08-01]

Auflichtmikroskopie DEF: Mikroskopie, bei der das – meist undurchsichtige – Objekt von der Beobachtungsseite

her beleuchtet wird, vor allem zur Untersuchung von Oberflächenstrukturen. QUE: Roche Lex. Med. (1999) reflected-light microscopy DEF: Reflected light microscopy is one of the most common techniques applied in the

examination of opaque specimens that are usually highly reflective and, therefore, do not absorb or transmit a significant amount of the incident light.

QUE: http://www.microscopyu.com/articles/dic/reflecteddic.html [2005-07-23] SYN: direct-light microscopy QUE: Langenscheidts Fwb Physik (2001)

Augerelektronen-Spektroskopie DEF: Methode zur chemischen Analyse von Festkörperoberflächen und dünnen Schichten

durch Untersuchung der kinetischen Energie von Auger-Elektronen. Der Auger-Effekt wird dabei ausgenutzt, um die Höhe atomarer Energieniveaus zu vermessen oder aus dem gemessenen Energiespektrum der Auger-Elektronen die Zusammensetzung von Proben zu ermitteln.

QUE: O-L der Physik (2004-5) KF: AES QUE: http://www.felmi-zfe.tugraz.at/techniqu.htm [2005-07-23] Auger electron spectroscopy DEF: Any technique in which a specimen is bombarded with keV-energy electrons or X-

rays, and the energy distribution of the electrons produced through radiationless de-excitation of the atoms in the sample (Auger electrons) is recorded. The derivative curve may also be recorded.

QUE: IUPAC CoCT (1997) KF: AES QUE: http://www.iupac.org/publications/analytical_compendium/Cha17sec63.pdf [2005-07-

30]

außenstromlose Abscheidung

http://www.eetimes.com/news/97/942news/tinier.html


http://www.lightforce.harvard.edu/Publications/2003/

http://www.photonics.phys.strath.ac.uk/Research/Laser_cooling/How/How.htm#lith

http://www.microscopyu.com/articles/dic/reflecteddic.html

http://www.felmi-zfe.tugraz.at/techniqu.htm

http://www.iupac.org/publications/analytical_compendium/Cha17sec63.pdf

Glossar 144

DEF: Abscheidung aus einem Elektrolyten, ohne daß ein äußerer Strom fließt. Konturengetreue Beschichtung komplex geformter Bauteile ist möglich.

QUE: nach: http://www.techportal.de/de/26/2/lexikon,public,lexilist,0/36/ [2005-07-03] SYN: Fremdstromlose Abscheidung QUE: http://www.techportal.de/de/26/2/lexikon,public,lexilist,0/36/ [2005-07-03] SYN: Chemische Abscheidung QUE: http://www.techportal.de/de/26/2/lexikon,public,lexilist,0/36/ [2005-07-03] electroless plating DEF: In electroless deposition, the substrate acts as a catalyst for a spontaneous redox

reaction. No external current is required and the process takes place by immersion of the workpiece in the plating bath.

SYN: electroless deposition QUE: nach: Ullmann’s (1995:A26)

B

Biologischer Motor DEF: Biologische Motoren sind hochspezialisierte Proteinmaschinen von wenigen

Nanometern Größe, die auf ihre speziellen Aufgaben hin optimiert sind, z.B. als Schalter, Pumpen oder für den Transport.

QUE: Werts (2001:51) KF: Biomotor QUE: Werts (2001:51) biological motor DEF: They are supramolecular assemblies of proteins capable of maintaining a linear or

rotating motion when fueled by a chemical reaction. QUE: Joachim/ Gimzewski (2001:2) KF: biomotor QUE: Joachim/ Gimzewski (2001:2)

Biomimetische Systeme DEF: Biomimetische Systeme sind von Menschen geschaffene Systeme, die auf

biologischen Prinzipien oder auf naturähnlichen Bausteinen basieren, welche zu Systemstrukturen, -bauteilen und Subsystemen integriert sind.

QUE: nach Lyshevski (2002:5) SYN: bionische Systeme QUE: nach: http://www.biologie.uni-freiburg.de/biomimetik/ [2005-08-08] biomimetic systems DEF: Biomimetic systems are the man-made systems which are based on biological

principles, or on biologically inspired building blocks integrated as the systems structures, devices, and subsystems.

QUE: Lyshevski (2002:5)

http://www.techportal.de/de/26/2/lexikon,public,lexilist,0/36/



http://www.biologie.uni-freiburg.de/biomimetik/

Glossar 145

SYN: bionic systems QUE: http://www.secretariat.ne.jp/nanofuture/current/pdf/T4-1.pdf [2005-08-08]

Bottom-up-Ansatz DEF: Nutzung evolutionärer Prinzipien der Selbstorganisation und Replikation zum

gezielten Aufbau supramolekularer Funktionseinheiten und biologischer Makromoleküle aus individuellen elementaren Materiebausteinen (Komplexierung).

QUE: Bachmann (1998:20) SYN: Vergrößerungsprinzip QUE: http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/abstract/73501811/ABSTRACT [2005-

07-10] ANM: selten SYN: Legoprinzip QUE: http://www.techportal.de/de/26/2/lexikon,public,lexilist,0/18/ [2005-07-10] ANM: selten SYN: Baukastenprinzip QUE: http://www.itwm.fhg.de/zentral/download/jb2003/jb2003_cc_hpc_96dpi_dt.pdf

[2005-07-10] ANM: selten bottom-up approach DEF: Design and synthesization, from simple chemical blocks, of more intricate molecular

and supramolecular entities displaying functional properties on nanoscale dimensions. QUE: nach: Gómez-López/ Stoddart (2002/2000:641f) SYN: small-upward approach QUE: Balzani/ Credi/ Venturi (2003:460) ANM: selten

Buckminsterfulleren QUE: Dettmann (1994:54) DEF: Fulleren, in der die kugelförmigen C60-Moleküle neben Fünflingen jeweils 20

Sechsringe enthalten. QUE: nach O-L der Chemie (2004-5) SYN: C60-Molekül QUE: O-L der Chemie (2004-5) SYN: Fußballmolekül QUE: Dettmann (1994:127) ANM: selten Buckminsterfullerene DEF: The name given to the spheroidal C60 molecule after the engineer R. Buckminster

Fuller who created geodesic domes which C60 resembles. QUE: Attfield et al. (1999:207) SYN: Buckyball ANM: umgangssprachlich QUE: The Columbia Enc. (2001-5)

http://www.secretariat.ne.jp/nanofuture/current/pdf/T4-1.pdf

http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/abstract/73501811/ABSTRACT


http://www.itwm.fhg.de/zentral/download/jb2003/jb2003_cc_hpc_96dpi_dt.pdf

Glossar 146

SYN: C60 molecule QUE: Andreoni (1998:C5.2)

C

Catenan DEF: Verbindung, die aus mindestens zwei ineinandergreifenden, nicht durch chemische

Bindungen verknüpften Ringen besteht. QUE: O-L der Biologie (2004-5) catenane DEF: A supramolecular species consisting of two or more interlocked macrocyclic

components QUE: Balzani/ Credi/ Venturi (2003:460)

Chemische Gasphasenabscheidung DEF: Im Gegensatz zu den PVD-Methoden entstehen bei CVD-Prozessen dünne Schichten

durch eine chemische Reaktion von reaktiven gasförmigen Ausgangsstoffen („Präkursoren“), die in einem inerten Trägergas in den Reaktor gebracht werden. Das Hauptprodukt fällt als Festsstoff an, die restlichen Stoffe müssen flüchtig sein.

QUE: http://www.uni-muenster.de/Chemie/PC/Funke/roling/matwiss/stunde9.pdf [2004-02-27]

KF: CVD QUE: http://www.uni-muenster.de/Chemie/PC/Funke/roling/matwiss/stunde9.pdf [2004-02-

27] SYN: chemisches Aufdampfen QUE: http://www.icc-hofmann.de/NewsTicker/Ausschreibung_92591-2005.html [2005-07-

13] Chemical Vapor Deposition DEF: CVD uses compound gas as materials that contain thin-film composition atoms and

generate thin-film by chemical reaction, which is contrary to PVD in which thin-film materials are directly vapored and thin-filmed.

QUE: http://www.shincron.co.jp/en/device/pdf/06.pdf [2004-03-03] KF: CVD QUE: http://www.shincron.co.jp/en/device/pdf/06.pdf [2004-03-03]

chemisch gestütztes Ionenstrahlätzen DEF: Beim chemisch gestützten Ionenstrahlätzen wird das Reaktivgas in den Ätzreaktor

eingeführt. Der Ionenstrahl besteht aus inerten Teilchen, deren Wirkung jedoch durch die Reaktion der Substratoberfläche mit dem Reaktivgas verstärkt wird.

QUE: Köhler (2002:312) KF: CAIBE

http://www.uni-muenster.de/Chemie/PC/Funke/roling/matwiss/stunde9.pdf


http://www.icc-hofmann.de/NewsTicker/Ausschreibung_92591-2005.html

http://www.shincron.co.jp/en/device/pdf/06.pdf

http://www.shincron.co.jp/en/device/pdf/06.pdf

Glossar 147

QUE: Köhler (1998:180) chemically assisted ion beam etching DEF: Bombardment by ions disrupts an unreactive substrate making it more reactive toward

etchant species. This type of etching is referred to as chemically assisted ion-beam etching when it involves chemical reactants introduced over the substrate surface in a triode-type setup.

QUE: nach: Madou (2002:97) KF: CAIBE QUE: Madou (2002:97)

Chemische Kraft-Mikroskopie DEF: Dabei werden an die AFM-Spitze Moleküle angelagert, die an ihrem freien Ende eine

funktionelle Gruppe tragen. Weist die Oberfläche der Probe eine Funktionalität auf, die mit derjenigen der Detektionsspitze chemisch wechselwirkt, so wird an dieser Position der Oberfläche eine positive Wechselwirkung detektiert

QUE: http://corporate.basf.com/basfcorp/img/innovationen/ [2005-07-24] chemical force microscopy DEF: Chemical force microscopy (CFM) allows scientists to evaluate forces of attraction

between molecules directly. Atomic force microscopy (AFM) is modified to CFM by coating the AFM tip with an ordered monolayer of one of the compounds of interest, and the target surface with the other. The force of attraction can be estimated from the excess force required to pull the tip free from the surface.

QUE: nach http://www.cookandkaye.co.uk/products/cfm.html [2005-07-23] KF: CFM QUE: http://www.cookandkaye.co.uk/products/cfm.html [2005-07-23]

Cis-Trans-Isomerisierung DEF: Die Umwandlung eines cis-Isomers (zwei Substituenten bzw. Liganden sind räumlich

auf der gleichen Seite des Grundkörpers fixiert) zum trans-Isomer (Substituenten auf gegenüberliegenden Seiten) z.B. durch photonischen Energieeintrag.

QUE: nach: Kirk-Othmer (1997) ANM: Bei umgekehrter Isomerisierungsrichtung heißt der Vorgang Trans-Cis-Isomerisierung QUE: vgl. http://www.biochemtech.uni-halle.de/ forschungsberichte/bericht_1996.pdf

[2005-04-26] cis-trans isomerization DEF: The conversion of the configuration of a ‘cis’ isomer (see isomerism), with similar

atoms or groups on the same side of the molecule to a ‘trans’ form, with the similar atoms or groups on opposite sides.

QUE: Collins Dic. of Bio. (1995) ANM: Bei umgekehrter Isomerisierungsrichtung heißt der Vorgang trans-cis isomerization QUE: vgl. http://www.optics.ru/info/LasPhys2002.pdf [2005-08-08]

http://corporate.basf.com/basfcorp/img/innovationen/

http://www.cookandkaye.co.uk/products/cfm.html


http://www.biochemtech.uni-halle.de/ forschungsberichte/bericht_1996.pdf

http://www.optics.ru/info/LasPhys2002.pdf

Glossar 148

Cluster DEF: Unter dem allgemeinen Begriff „Cluster“ versteht man eine Ansammlung von Atomen

oder Molekülen in Form von Aggregaten; sie stellen den Übergang vom Festkörper zum Metallkomplex dar.

QUE: nach Reetz (1997:7) cluster QUE: Poole/ Owens (2003:143) DEF: Tiny particle[s] that contain[s]between tens and millions of atoms with properties

lying between those of single atoms and bulk materials. QUE: Attfield et al. (1999:208) SYN: Nanocluster QUE: Attfield et al. (1999:208)

Clusterbeschichtung DEF: Physikalische Beschichtungsmethode (PVD) zur Herstellung dünner Schichten aus

Clustern mit typischerweise einigen hundert bis tausend Atomen pro Cluster (eine Ansammlung von einigen wenigen (N = 3, 4...) bis hin zu mehreren zehntausend Atomen bzw. Moleküle;). Je nach Anwendung werden entweder Clusterionen mit hoher Energie auf die Oberfläche beschleunigt (ionized cluster beam deposition, ICBD) oder neutrale Cluster mit geringer, thermischer Energie auf der Oberfläche deponiert (Low Energy Cluster Beam Deposition, LECBD).

QUE: O-L der Physik (2004-5) cluster beam deposition QUE: http://www.physik.uni-jena.de/~exphys/astrolab/project3.html [2005-07-21] DEF: In cluster beam deposition, small clusters are formed and drift through the vacuum

chamber under conditions of pressure low enough that there are no collisions with gas atoms or other clusters. Upon reaching a surface, the clusters condense to form a film. Often the clusters are intentionally ionized in the drift region and accelerated by electric fields to the sample. This acceleration increases the net kinetic energy of the cluster, and can have an effect on the properties of the depositing film.

QUE: nach: Takagi (1998:6) ANM: Die hier nicht behandelten Unterbegriffe ICBD (ionized cluster beam deposition) und

LECBD (low-energy cluster beam deposition) sind häufiger

(Nanodraht-) crossbar array DEF: Eine molekularelektronische Architektur, die im Wesentlichen aus überkreuzten

Verbindungsstellen besteht, welche als Schaltelemente dienen können. QUE: nach: http://pubs.acs.org/cen/nanotechnology/7842/7842research.html [2005-08-02] SYN: Schaltmatrix aus gekreuzten Nanodrähten ANM: Übersetzungsvorschlag crossbar array (of nanowires)

http://www.physik.uni-jena.de/~exphys/astrolab/project3.html

http://pubs.acs.org/cen/nanotechnology/7842/7842research.html

Glossar 149

DEF: Molecular electronics architecture that essentially consists of crossed nanowires whose junctions form switchable device elements

QUE: nach: http://pubs.acs.org/cen/nanotechnology/7842/7842research.html [2005-08-02]

D

Dip-pen-Nanolithographie DEF: Dip-Pen-Nanolithographie ist ein Prozess zur Erzeugung kleinster Nanostrukturen mit

molekularer "Tinte" mittels einer Rastersondenspitze auf einem Substrat. QUE: nach: http://www.lot-oriel.com/ch/htm/all/nan12.php [2004-08-03] KF: DPN QUE: http://www.lot-oriel.com/ch/htm/all/nan12.php [2004-08-03] dip pen nanolithography DEF: A method for nanoscale patterning of surfaces by the transfer of a material from the tip

of a scanning probe microscope onto the surface. QUE: http://www.nanoword.net/library/def/Dip_Pen_Nanolithography.htm [2005-07-24] KF: DPN QUE: http://www.nanoword.net/library/def/Dip_Pen_Nanolithography.htm [2005-07-24]

DNA DEF: In allen Lebewesen vorhandene Nukleinsäure, die als Träger der Erbinformation die

stoffliche Substanz der Gene darstellt. LF: deoxyribonucleic acid (engl.) QUE: DUDEN dgF (2000) SYN: DNS ANM: [...] wird im wissenschaftlichen Sprachgebrauch wegen der international

gebräuchlichen englischen Abkürzung DNA ( deoxyribonucleic acid) seltener verwendet. Außerdem werden durch die Abkürzung DNA Verwechslungen mit dem Domain Name System (DNS) des Internets vermieden.

QUE: http://www.uni-protokolle.de/Lexikon/Desoxyribonukleins%E4ure.html [2005-08-02] LF: Desoxyribonukleinsäure QUE: Duden dgF (2000) DNA DEF: A nucleic acid that is the main constituent of the chromosomes of all organisms

(except some viruses). LF: deoxyribonucleic acid QUE: Collins (1998)

DNA-Computing DEF: Das Lösen schwieriger Probleme durch eine Abfolge bio-chemischer, zumeist

enzymbasierter, Operationen auf DNA-Segmenten.


http://www.lot-oriel.com/ch/htm/all/nan12.php

http://www.lot-oriel.com/ch/htm/all/nan12.php

http://www.nanoword.net/library/def/Dip_Pen_Nanolithography.htm


http://www.uni-protokolle.de/Lexikon/Desoxyribonukleins%E4ure.html

Glossar 150

QUE: http://www.el-tec.de/lecture/040608block2.pdf [2005-08-08] SYN: DNS-Computing QUE: http://www.zdnet.de/news/hardware/ [2005-08-08] SYN: Rechnen mit DNA QUE: http://ddi.cs.uni-potsdam.de/HyFISCH/Arbeitsgruppen/PLIB/ [2005-08-08] SYN: Rechnen mit DNS QUE: www.e-technik.fh-kiel.de/physik2003/ta/TA10-7.pdf [2005-08-08] DNA computing DEF: DNA computing is a special application of molecular biology. Scientists try to exploit

the information processing capacity that molecular structures obviously have for the storage and computation of non-biological information.

QUE: http://www.aec.at/festival2000/material/magazine/tec/tech.html [2005-08-08] SYN: DNA-based computing QUE: http://www.cis.udel.edu/~dna4/ [2005-08-08]

Dotierung DEF: Unter Dotierung versteht man den gezielten Einbau von Fremdatomen in Halbleitern

zur Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit. QUE: Römpp (1999) doping DEF: The addition of impurities (dopants) to a semiconductor to achieve a desired n-

conductivity or p-conductivity. QUE: The Penguin Dic. of Ph. (2000)

Dunkelfeldmikroskopie DEF: Auf- oder Durchlichtmikroskopie, bei der durch eine spezielle Beleuchtung (z.B.

mittels Dunkelfeldkondensor) nur die vom Objekt gebeugten Lichtstrahlen ins Objektiv fallen, wodurch die Objekte hell vor dunklem Hintergrund erscheinen.

QUE: Roche Lex. Med. (1999) darkfield microscopy DEF: Examination of a microscopic specimen illuminated by a peripheral light source. The

illumination causes the specimen to appear to glow against a dark background. In laboratory diagnosis, the technique is used primarily to identify the syphilis spirochete.

QUE: Mosby’s (2002)

Durchlichtmikroskopie DEF: Lichtmikroskopie, bei der die Strahlen der Lichtquelle vor Erreichen des Objektivs das

Objekt durchdringen bzw. von ihm gebeugt werden. QUE: Roche Lex. Med. (1999)

http://www.el-tec.de/lecture/040608block2.pdf

http://www.zdnet.de/news/hardware/

http://ddi.cs.uni-potsdam.de/HyFISCH/Arbeitsgruppen/PLIB/

http://www.e-technik.fh-kiel.de/physik2003/ta/TA10-7.pdf

http://www.aec.at/festival2000/material/magazine/tec/tech.html

http://www.cis.udel.edu/~dna4/

Glossar 151

transmission light microscopy QUE: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/ [2005-09-03] DEF: Transmission light microscopy is basically light microscopy, except that, before

entering the objective lens, the rays from the light source penetrate the specimen or are diffracted by it.

QUE: nach: Roche Lex. Med. (1999)

E

Einzel-Elektronen-Transistor DEF: Transistor, dessen Leitungskanal durch eine Elektroneninsel kleiner Kapazität ersetzt

ist, in die (aus die heraus) einzelne Elektronen spannungsgesteuert tunneln können. QUE: nach: Bachmann (1998:69) SYN: Einzel-Elektron-Transistor QUE: Mohlenkamp/ Buhmann (1998:B3.1) KF: SET QUE: Mohlenkamp/ Buhmann (1998:B3.1) single-electron transistor DEF: A three-terminal switching device, which consists of quantum dots having tunnel

junctions, and which can transfer electrons from source to drain one by one. QUE: nach Uchida (2003:427ff) KF: SET QUE: Uchida (2003:430)

elektrolytische Abscheidung DEF: Abscheidung aus einem geeigneten, meist wäßrigen Elektrolyten durch

Stromdurchgang. Das Substrat ist entweder als Kathode geschaltet (Abscheidung von Metallen) oder als Anode (anodische Oxidation).

QUE: http://www.techportal.de/de/26/2/lexikon,public,lexilist,0/34/ [2005-07-03] SYN: galvanische Abscheidung QUE: http://www.techportal.de/de/26/2/lexikon,public,lexilist,0/36/ [2005-07-03] SYN: elektrochemische Abscheidung QUE: http://www.techportal.de/de/26/2/lexikon,public,lexilist,0/34/ [2005-07-03] electroplating DEF: A process producing a thin layer in which an externally applied current provides the

electrons. The item to be plated is made the cathode in the electroplating bath that consists of an anode and a cathode in an electrolyte.

QUE: nach: Ullmann’s (1995:A26)

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/




Glossar 152

Elektronenstrahllithographie DEF: Bei dieser Technik wird ein Elektronenstrahl zur Strukturierung der Resistschicht

eingesetzt. Ein Elektrodenstrahlschreiber überträgt während des Schreibvorgangs die gewünschten Strukturen in den Resist.

QUE: http://www.microparts.de/?rubrik=glossar&begriff=6 [2005-07-24] SYN: Elektronenlithographie QUE: O-L der Physik (2004-5) electron-beam lithography DEF: Electron-beam lithography is a high-resolution patterning technique in which high-

energy electrons (10 to 100 keV) are focused into a narrow beam and are used to expose electron-sensitive resists.

QUE: Madou (2002:53) KF: e-beam lithography QUE: Madou (2002:52) KF: EBL QUE: Madou (2002:53) SYN: electron lithography QUE: http://www.ee.pdx.edu/~jeske/litho/glossary.html [2004-07-29]

endohedrale Fullerene DEF: Fullerene, die in ihrem Inneren ein oder mehrere Atome einschließen, werden als

endohedrale Fullerene bezeichnet. QUE: O-L d. Physik endohedral fullerenes DEF: carbon cages encapsulating atomic or molecular species QUE: http://pubs.acs.org/cen/coverstory/8024/8024fullerenes.html [2005-08-02]

Epitaxie DEF: Verfahren der Halbleitertechnik, das Aufwachsen dünner (epitaktischer) Schichten auf

einem Substrat. Es gibt verschiedene Methoden (Gasphasen-, Molekularstrahlepitaxie), mit denen sehr perfekte Einkristalle (ohne Störstellen) und gezielte Dotierungsprofile realisiert werden können

QUE: Der Brockhaus i.e.B. (2005) epitaxy DEF: The deposition of a crystalline substance, usually in a thin layer, upon the surface of a

single crystal (q.v.) of another substance. The process does not involve a chemical reaction between the two materials, but the crystalline structure and orientation of the substance determines how the epitaxial layer is deposited.

QUE: Enc. Britannica (2005)

http://www.microparts.de/?rubrik=glossar&begriff=6

http://www.ee.pdx.edu/~jeske/litho/glossary.html

http://pubs.acs.org/cen/coverstory/8024/8024fullerenes.html

Glossar 153

EUV-Lithographie DEF: Das Prinzip der EUV-Lithographie besteht im Unterschied zu der momentan zur

Abbildung von Schaltkreisstrukturen verwendeten Fotolithographie darin, dass mit EUV-Strahlung (13,4 nm) eine Maske beleuchtet wird, deren Strukturen über strahlformende Reflexionsoptiken auf die Siliziumscheiben übertragen werden.

QUE: http://www.bgc-jena.mpg.de/~bertram.smolny/blog/interests/EUVL/euvl.html [2004-07-30]

KF: EUVL QUE: http://www.bgc-jena.mpg.de/~bertram.smolny/blog/interests/EUVL/euvl.html [2004-

07-30] EUV lithography DEF: EUV lithography is an advanced technology vying to replace optical lithogaphy. It

works by burning intense beams of ultraviolet light that are reflected from a circuit design pattern into a silicon wafer.

QUE: nach: http://iroi.seu.edu.cn/books/ee_dic/whatis/euvl.htm [2004-07-30] KF: EUVL QUE: http://www.llnl.gov/str/Sween.html [2005-07-23]

F

Fluoreszenzmikroskopie DEF: Mikroskopie, bei der Substrate (unbehandelt oder nach Fluorochromierung) anhand

der primären oder sekundären Fluoreszenz durch Be- oder Durchstrahlung mit kurzwelligem oder ultraviolettem Licht sichtbar gemacht werden. Die Objekte leuchten in den Farben des Spektrums auf schwarzem Hintergrund auf.

QUE: nach: Roche Lex. Med. (1999) fluorescence microscopy DEF: A method of microscopy in which fluorescent dyes are used to mark certain structures

(e.g. nucleic acids) which can then be viewed with an ultraviolet microscope. QUE: Collins Dic. of Bio. (1995) SYN: fluorescent microscopy QUE: Mosby’s (2002)

Frank-van-der-Merwe-Wachstum DEF: Wachstumsmodus eines Festkörpers bzw. einer dünnen Schicht auf einer

einkristallinen Unterlage. Frank-van-der-Merwe-Wachstum liegt dann vor, wenn die Schicht lagenweise aufwächst. Eine neue Atomlage entsteht erst dann, wenn die vorhergehende abgeschlossen ist.

QUE: O-L der Physik (2004-5) SYN: Lage-für-Lage-Wachstum QUE: http://dxray.mpi-stuttgart.mpg.de/site/barrena/ombe_de.shtml [2004-03-21] SYN: Lagenwachstum QUE: http://dpg.rz.uni-ulm.de/archive/2001/html/syws_haupt.html [2005-07-23]

http://www.bgc-jena.mpg.de/~bertram.smolny/blog/interests/EUVL/euvl.html


http://iroi.seu.edu.cn/books/ee_dic/whatis/euvl.htm

http://www.llnl.gov/str/Sween.html

http://dxray.mpi-stuttgart.mpg.de/site/barrena/ombe_de.shtml

http://dpg.rz.uni-ulm.de/archive/2001/html/syws_haupt.html

Glossar 154

ANM: Vereinfachte, aber ungenauere Bezeichnung Frank-van der Merwe growth DEF: Two-dimensional (2-D) layer-by-layer, or Frank van der Merwe, growth occurs when

the binding between film atoms is equal to or less than that between the film atoms and the substrate.

QUE: Greene (1994:708) SYN: layer-by-layer growth QUE: Greene (1994:708) SYN: layer growth QUE: http://web.utk.edu/~prack/Thin%20films/thinfilmgrowth.pdf [2005-07-23] ANM: Vereinfachte, aber ungenauere Bezeichnung

Fullerene DEF: Modifikationen des Kohlenstoffs. Die Fullerene bestehen aus einzelnen, diskreten

Molekülen, wobei die C60-Form am besten untersucht ist, in der die kugelförmigen C60-Moleküle neben Fünflingen jeweils 20 Sechsringe enthalten. Neben dem C60 sind auch noch weitere Fullerene (z. B. C70, ... C266) bekannt.

QUE: O-L der Chemie (2004-5) fullerenes DEF: Compounds composed solely of an even number of carbon atoms, which form a cage-

like fused-ring polycyclic system with twelve five-membered rings and the rest six-membered rings. The archetypal example is [60]fullerene, where the atoms and bonds delineate a truncated icosahedron. The term has been broadened to include any closed cage structure consisting entirely of three-coordinate carbon atoms.

QUE: IUPAC CoCT (1997)

G

Galvanostegie DEF: Verfahren der Beschichtung von Gegenständen mit zumeist sehr dünnen, schützenden

und verschönernden Überzügen auf Substraten mit Hilfe des elektrischen Stroms. SYN: Elektroplattierung QSYN: Galvanotechnik QUE: Römpp (1999) ANM: „Galvanotechnik“ ist nur im engeren Sinn ein Synonym QUE: nach: Römpp (1999) electrodeposition DEF: electrodeposition is the process of producing a thin layer on a substrate, under

controlled conditions, via an electrochemical reaction. SYN: electrochemical deposition QUE: Ullmann’s (1995:A26)

http://web.utk.edu/~prack/Thin films/thinfilmgrowth.pdf

Glossar 155

Gitterfehlanpassung KON: Ein wichtiger Aspekt bei der Herstellung von Halbleiter-Heterostrukturen ist die

Gitterfehlanpassung, die sich beim Kristallwachstum von Halbleiterkristallen mit unterschiedlichen Gitterkonstanten ergibt. Dadurch treten Verspannungen auf, die Versetzungsfehler in der Heterostruktur hervorrufen können.

QUE: Steinkogler (2003:7) SYN: Gitterunterschied QUE: http://www.nano.ivcon.org [2005-07-21] lattice mismatch DEF: Term refers to the situation where two materials featuring different lattice contstants

are brought together by deposition of one material on top of another; lattice mismatch will prevent growth of defect-free epitaxial film.

QUE: http://semiconductorglossary.com/ [2005-07-21]

Grauschleimszenario QUE: Broderick (2004:97) DEF: Eine Variante des Weltuntergangs, bei der Biomasse durch außer Kontrolle geratene

sich selbst replizierende Nanoroboter in Nanomasse umgewandelt wird. QUE: nach: Paoli (2001:115f) grey-goo scenario DEF: A scary concept dreamed up by Erik K Drexler whereby tiny assemblers, or molecular

machines, that are capable of making copies of themselves, are let loose and proceed to replicate uncontrollably, consuming everything in their path and turning it into a grey goo.

QUE: http://www.nanoword.net/library/def/ [2005-08-08] SYN: global ecophagy (scenario) QUE: http://www.foresight.org/NanoRev/Ecophagy.html [2005-05-22]

H

Halbleiter DEF: Stoffe, deren elektr. Leitfähigkeit viel geringer ist als die von Metallen, aber mit

steigender Temperatur stark anwächst. QUE: Der Brockhaus i.e.B. (2005) semiconductor DEF: Material whose conductivity, due to charges of both signs, is normally in the range between that of metals and insulators and in which the electric charge carrier density can be changed by external means. QUE: IUPAC CoCT (1997)

http://www.nano.ivcon.org/

http://semiconductorglossary.com/

http://www.nanoword.net/library/def/

http://www.foresight.org/NanoRev/Ecophagy.html

Glossar 156

I

Ionenbindung DEF: Bindung, die durch die elektrostatische Wechselwirkung der durch einen

Elektronenübergang entstandenen Ionen zweier Elemente mit stark unterschiedlicher Elektronegativität zustande kommt.

QUE: nach: Köhler (2001:17f) ionic bond DEF: A chemical bond between two ions with opposite charges, characteristic of salts. QUE: The American Heritage DotEL (2003) SYN: electrovalent bond QUE: The American Heritage DotEL (2003)

Ionenimplantation DEF: Das Einbringen von Fremdatomen in die Oberfläche eines Festkörpers durch Beschuß

des Festkörpers mit schnellen Ionen. QUE: O-L der Physik (2004-5) ion implantation DEF: The acceleration of foreign ions into the surface of a material, used for surface

hardening and doping semiconductors. QUE: Academic Press DoSaT (1992)

Ionenstrahlätzen DEF: Physikalisches Ätzen mit Inert-Ionen, die ein einer Gasentladung erzeugt und mit einer

Ionenkanone auf das Substrat beschleunigt werden, wobei sich das Substrat außerhalb des Plasmas in einer auf Hochvakuum gehaltenen Ätzkammer befindet. Das Ätzprofil ist sehr anisotrop, die Selektivität sehr gering.

QUE: Menz/ Mohr (1997:144) KF: IBE QUE: Menz/ Mohr (1997:144) ion beam etching DEF: A process wherein the plasma source for ion etching is decoupled from the substrate,

which is placed on a third electrode. QUE: Madou (2002:89) KF: IBE QUE: Menz/ Mohr (1997:144) SYN: ion-beam milling QUE: Madou (2002:89) KF: IBM QUE: Madou (2002:89) QSYN: ion milling

Glossar 157

ANM: Ist zugleich auch Oberbegriff für Sputterätzen und Ionenstrahlätzen. QUE: Menz/ Mohr (1997:147)

ionenstrahlgestützte Abscheidung DEF: Eine Art der Abscheidung von Material auf festen Oberflächen, bei der durch

gleichzeitigen Beschuss der Probe mit einem Edelgas-Ionenstrahl den auf der Oberfläche abzuscheidenden Teilchen Energie zugeführt wird, was zu einer besseren Qualität (z.B. Haftung auf dem Substrat, stöchiometrische Zusammensetzung) des abgeschiedenen Films führt.

QUE: O-L der Physik (2004-5) KF: IBAD QUE: O-L der Physik (2004-5) ion-beam assisted deposition DEF: IBAD processes are based on bombarding a growing film with energetic particles for

the purpose of modifying its mechanical, electrical, or optical properties. Many variations of IBAD have been implemented, but the basic physics is similar in most cases. Reactive or non-reactive ions can be supplied by a gun-type source that encloses a discharge plasma from which energetic particles are extracted and accelerated toward the substrate.

KF: IBAD QUE: http://www.cerac.com/pubs/cmn/cmn11_4.HTM [2005-07-21]

Ionenstrahllithographie DEF: Ein Verfahren zum Einbringen von Strukturen in die Oberfläche eines Festkörpers, das

Ionenstrahlen anstelle von Lichtstrahlen benutzt und in der Mikrochip-Produktion eingesetzt wird.

QUE: O-L der Physik (2004-5) SYN: Ionenlithographie QUE: http://dir.web.de/Wirtschaft+&+Finanzen/Branchen/Mikrotechnik [2005-07-24] ANM: selten ion beam lithography DEF: Lithography technique in which resist is exposed by accelerated ions; due to the

limited scattering of ions in the resist IBL may offer higher resolution than e-beam lithography.

QUE: http://semiconductorglossary.com [2005-07-21] KF: i-beam lithography QUE: Madou (2002:52) KF: IBL QUE: http://semiconductorglossary.com [2005-07-21] SYN: focused ion beam lithography QUE: http://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/maskless-chips.html [2005-07-24] KF: FIBL QUE: http://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/maskless-chips.html [2005-07-24] SYN: ion lithography

http://www.cerac.com/pubs/cmn/cmn11_4.HTM

http://dir.web.de/Wirtschaft+&+Finanzen/Branchen/Mikrotechnik



http://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/maskless-chips.html

http://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/maskless-chips.html

Glossar 158

QUE: http://www.elec.gla.ac.uk/~spb/mne96/mne96.html [2004-07-31]

isotropes Ätzen DEF: Beim isotropen Ätzen kommt es zu keiner Bevorzugung einer Raumrichtung, d.h. die

Ätzrate ist in allen Raumrichtungen gleich groß. QUE: nach: Köhler (1998:16) isotropic etching DEF: Etching which takes place at the same rate in different directions of a material. QUE: http://www.csa.com/hottopics/mems/glossary/iso.html [2004-08-08]

Isotropie DEF: Entgegengesetzt zu anisotropen Substanzen zeigen isotrope Substanzen keine

Richtungsabhängigkeit physikalischer Eigenschaften (Härte, elektrische Leitfähigkeit, etc.).

QUE: http://www.vs-c.de [2005-06-16] isotropy DEF: Any property of a body or medium that is independent of the direction in which it is

measured. QUE: The Macmillan Enc. (2003)

K

Kernresonanzspektroskopie DEF: Teilgebiet der Spektroskopie, das auf radiofrequenz-induzierten Übergängen zwischen

Energieniveaus beruht, die Atomkerne in einem äußeren Magnetfeld infolge ihres eigenen magnetischen Momentes einnehmen.

QUE: O-L der Chemie (2004-5) SYN: NMR-Spektroskopie QUE: O-L der Chemie (2004-5) SYN: Kernspinresonanzspektroskopie QUE: O-L der Chemie (2004-5) SYN: kernmagnetische Resonanzspektroskopie QUE: O-L der Chemie (2004-5) KF: KMR QUE: O-L der Chemie (2004-5) SYN: magnetische Kernresonanzspektroskopie QUE: O-L der Chemie (2004-5) KF: MKR QUE: O-L der Chemie (2004-5) nuclear magnetic resonance spectroscopy

http://www.elec.gla.ac.uk/~spb/mne96/mne96.html

http://www.csa.com/hottopics/mems/glossary/iso.html

http://www.vs-c.de/

Glossar 159

DEF: The absorption of electromagnetic radiation of a specific frequency by an atomic nucleus that is placed in a strong magnetic field, used especially in spectroscopic studies of molecular structure and in medicine to measure rates of metabolism.

QUE: The American Heritage DotEL (2003) KF: NMR spectroscopy QUE: http://chipo.chem.uic.edu/web1/ocol/spec/NMR.htm [2005-08-01] SYN: magnetic resonance imaging QUE: Mosby’s (2002) ANM: Bevorzugter Terminus in der Medizin, da das Adjektiv „nuclear” vermieden wird QUE: The Columbia Enc. (2001-5) KF: MRI QUE: Mosby’s (2002)

Kohlenstoff-Nanoröhre DEF: Eine Klasse von Nanoobjekten, die aus einer oder mehreren konzentrischen,

zylinderförmigen Kohlenstoffschichten bestehen. In axialer Richtung messen sie mehrere Mikrometer, der Durchmesser beträgt wenige Nanometer. Ihre Kohlenstoffatome sind wie ein Gerüst von Sechsecken zu lang gestreckten Hohlzylindern geformt.

QUE: nach Köhler (2001:165f) und http://www.heise.de/tp/r4/artikel/15/15320/1.html [2005-08-02]

KF: CNT QUE: http:// www.computerbase.de/lexikon/Kohlenstoffnanoröhre [2005-08-02] SYN: Kohlenstoff-Nanoröhrchen QUE: http://www.innovations-report.de/html/berichte/energie_elektrotechnik/bericht-21271

[2005-08-02] ANM: Ich bevorzuge die Bezeichnung Kohlenstoff-Nanoröhre gegenüber –röhrchen, da das

Präfix „nano“ bereits die Kleinheit des Objekts bezeichnet QSYN: Nanoröhre QUE: Bachmann (1998:24) ANM: Nanoröhre steht zur Zeit so gut wie immer für Kohlenstoff-Nanoröhre, obwohl es

schon Berichte von nicht-kohlenstoffhältigen Nanoröhren gibt QUE: vgl. http://nanodot.org/article.pl?sid=01/04/16/0140252 [2005-08-02] carbon nanotube DEF: A variant of carbon consisting of multiple graphite sheets which are rolled-up into

hollow structures. They are 100 nm to several µm long, have an internal diameter of between 1 and 20 nm, and are „capped“ at each end by fullerene-type structures containing five and six-membered carbon rings.

DEF: Attfield et al. (1999:207) KF: CNT QUE: Goddard III et al. (2003:18.1) QSYN: nanotube QUE: Balzani/ Credi/ Venturi (2003:468) ANM: „nanotube“ steht zur Zeit so gut wie immer für CNTs, obwohl es schon Berichte von nicht-kohlenstoffhältigen Nanoröhren gibt QUE: vgl. http://nanodot.org/article.pl?sid=01/04/16/0140252 [2005-08-02] SYN: Buckytube

http://chipo.chem.uic.edu/web1/ocol/spec/NMR.htm

http://www.heise.de/tp/r4/artikel/15/15320/1.html

http://www.computerbase.de/lexikon/Kohlenstoffnanor�hre

http://www.innovations-report.de/html/berichte/energie_elektrotechnik/bericht-21271

http://nanodot.org/article.pl?sid=01/04/16/0140252


Glossar 160

QUE: The Columbia Enc. (2001-5)

Kohlenstoffzwiebel DEF: Eine Art endohedrales Hyper-Fulleren, dass in seinem Aufbau einer Zwiebel oder

russischen Matrjoschka gleicht. QUE: nach: Heusler (1999:2) bucky-onion DEF: [...] it consists of concentric, roughly spherical shells of graphitic (sp2) carbon, like the

layers of an onion. Each 'onion' particle is typically several nanometres across, with layers separated by the characteristic 0.34-nm spacing of graphite sheets.

QUE: http://www.nature.com/materials/nanozone/news/020530/portal/m020530-6.html [2005-08-02]

SYN: nano-onion QUE: http://www.cientifica.com/html/Whitepapers/wpfiles/fullerenes_WP.pdf [2004-06-12] SYN: onion-like carbon KF: OLC QUE: http://www.nature.com/materials/nanozone/news/020530/portal/m020530-6.html

[2005-08-02] ANM: Die Kurzform OLC ist der von „diamond-like carbon“ (DLC) nachgebildet

Komplexbindung DEF: Charakteristisch für die Komplexbindung ist, dass um ein oder mehrere Zentralatome

bzw. –ionen ein oder mehrere neutrale Moleküle und/ oder Ionen (sog. Liganden) gruppiert sind.

QUE: Römpp (1999) SYN: koordinative Bindung QUE: Köhler (2001:21) coordinate bond DEF: A chemical bond between two atoms, or an atom and a group, which share two

electrons that are both supplied by one of the atoms or groups. QUE: Academic Press DoSaT (1992) SYN: coordination bond QUE: Balzani/ Credi/ Venturi (2003:461)

Konfokalmikroskopie: DEF: Lichtoptisches Mikroskopie, die eine dreidimensionale Darstellung transparenter

Objekte ohne die üblicherweise notwendigen Dünnschichtpräparationstechniken ermöglicht. Mittels Konfokalmikroskopie kann Licht aus unterschiedlichen Ebenen des zu untersuchenden Präparats separiert werden, ein schichtweises Abrastern läßt mittels Rechnerunterstützung ein dreidimensionales Bild des Präparats entstehen.

QUE: nach: O-L der Neurowissenschaft (2004-5)

http://www.nature.com/materials/nanozone/news/020530/portal/m020530-6.html

http://www.cientifica.com/html/Whitepapers/wpfiles/fullerenes_WP.pdf


Glossar 161

confocal scanning light microscopy DEF: An advanced form of light microscopy in which a laser beam-illuminated subject is

rapidly scanned, resulting in excellent linear resolution. QUE: Academic Press DoSaT (1992) SYN: confocal microscopy QUE: www.microscopyu.com/articles/confocal [2005-07-23]

kovalente Bindung DEF: Bindung zwischen Nichtmetallatomen. Zwischen den Atomkernen befinden sich

bindende Elektronenpaare. Jedes Elektron dieser Paare wird von beiden Kernen angezogen.

QUE: http://www.zum.de/Faecher/Materialien/beck/chemkurs/glos11b.htm [2005-07-03] SYN: Atombindung QUE: http://www.zum.de/Faecher/Materialien/beck/chemkurs/glos11b.htm [2005-07-03] SYN: Elektronenpaarbindung QUE: http://www.zum.de/Faecher/Materialien/beck/chemkurs/glos11b.htm [2005-07-03] covalent bond DEF: A non-ionic chemical bond formed by shared pairs of electrons between combining

atoms. QUE: The Penguin Engl.D. (2000)

Kristalldefekt DEF: Störungen im Gitter eines Kristalles, die je nach Dimensionalität in Punktdefekte,

Liniendefekte, Flächendefekte und Volumendefekte aufgeteilt werden. QUE: nach: http://www.ee.byu.edu/cleanroom/EW_glossary.phtml [2005-06-17] crystal defect DEF: Imperfections of the crystallographic structure of a crystal. 1. point defects 2. line

defects 3. planar defects 4. volume defects. QUE: http://www.ee.byu.edu/cleanroom/EW_glossary.phtml [2005-06-17]

kristallin DEF: Kristallin sind alle Stoffe, deren kleinste Bestandteile dreidimensionale, periodische

Muster aus kongruenten Gittern sind, deren Punkte durch die Schwerpunkte von Atomen, Ionen oder Molekülen besetzt werden.

QUE: nach: Römpp (1999) crystalline DEF: Property of a solid in which the constituent atoms, molecules, or ions are packed in a

regularly ordered, repeating pattern extending in all three spatial dimensions.

http://www.microscopyu.com/articles/confocal

http://www.zum.de/Faecher/Materialien/beck/chemkurs/glos11b.htm



http://www.ee.byu.edu/cleanroom/EW_glossary.phtml


Glossar 162

QUE: nach: Kirk-Othmer (1997)

L

Langmuir-Blodgett-Film DEF: Herstellungsverfahren von Schichtstrukturen mit kontrollierter molekularer

Architektur, benannt nach Irving Langmuir und Katharine Blodgett. Auf einer Wasseroberfläche werden dabei Moleküle mit einem hydrophilen und einem hydrophoben Teil in Form einer orientierten Monolage aufgebracht. Durch langsame Kompression werden die Moleküle regelmäßig angeordnet. Die regelmäßige Molekülanordnung wird bei Eintauchen bzw. Herausziehen des Substrats auf dieses übertragen.

QUE: O-L d. Physik KF: LB-Film QUE: Rubahn (2002:41) Langmuir-Blodgett film DEF: A molecular mono- or multi-layer obtained by organization of amphiphilic molecules

at an air-water interface and deposited on to a solid surface QUE: Balzani/ Credi/ Venturi (2003:466) KF: LB film QUE: Balzani/ Credi/ Venturi (2003:466)

lasergestütztes Ätzen QUE: Köhler (2002:300) DEF: Ätzverfahren, bei dem unter dem Laserstrahl durch Einwirkung des lokal aktivierten

Ätzgases das Funktionsschichtmaterial lokal begrenzt in den Gasraum überführt wird. QUE: nach: Köhler (1998:137) laser-assisted etching DEF: An etching process that uses a laser beam to both thermally activate the material and

excite an etchant. QUE: http://www.mmc.or.jp/standard/term-e/list/l2.htm [2005-07-23]

Laser-unterstützte CVD QUE: http://www.schichttechnik.net/ [2005-07-16] DEF: Herstellung dünner Filme durch die laserinduzierte photolytische oder pyrolytische

Zerlegung von Gasen. Diese Methode kommt in verschiedenen Varianten der chemischen Gasphasenabscheidung zur Anwendung

QUE: O-L der Physik (2004-5) KF: LACVD QUE: O-L der Physik (2004-5) laser-assisted CVD

http://www.mmc.or.jp/standard/term-e/list/l2.htm

http://www.schichttechnik.net/

Glossar 163

DEF: Laser-assisted CVD may be carried out in two ways. In one use, the laser heats the substrate locally where deposition is desired, and, by controlling the general substrate temperature to below that where deposition occurs, selective growth of the depositing species can be achieved. Alternatively, the laser may be of a wavelength that excites one of the gaseous species causing reaction of that species; then, by shining the laser through the gas close to the substrate surface, deposition may be induced on the surface.

QUE: http://books.nap.edu/books/0309046351/html/21.html%23pagetop [2005-09-02] KF: LACVD QUE: http://books.nap.edu/books/0309046351/html/21.html%23pagetop [2005-09-02]

Lichtmikroskopie DEF: Optische Untersuchung, die mit Hilfe eines Linsensystems den Sehwinkel für kleine

Objekte stark erweitert (bis zu ca. 1000fach bzw. mit Immersion 3000fach). Stärkere Vergrößerungen sind aufgrund von Beugung und Interferenz des sichtbaren Lichts sinnlos.

QUE: nach: Franz (1994:149f) light microscopy DEF: Technique for examining samples that uses visible light to view objects too small for

the naked eye to see. QUE: nach: Mosby’s (2002)

M

magische Zahl DEF: Magische Zahlen kennzeichnen Systeme, die in einer bestimmten Größe besondere

Eigenschaften (z.B. niedrige Energie, hohe Stabilität, etc.) aufweisen. In der Clusterphysik besitzen z.B. bestimmte Clustergrößen (d.h. die Ansammlung einer bestimmten Anzahl von Atomen) eine besonders hohe Stabilität, die auf geometrische oder elektronische Schalenabschlüsse (Jellium-Modell) zurückzuführen ist.

QUE: O-L d. Physik magic number DEF: A number associated with exceptional stability in some groups of interacting particles

obeying the laws of quantum mechanics. Magic numbers (2,8, 20, 28, 50, 82) were first observed in the case of protons and neutrons in atomic nuclei but they are also seen in atomic clusters.

QUE: Attfield et al. (1999:208)

Makromolekül DEF: Polymere mit hoher molarer Masse, die aus relativ einfachen Bausteinen

zusammengesetzt sind. [z.B. Polysaccharide, Proteine, Nucleinsäuren]. QUE: Lehninger et al. (1994:75)

http://books.nap.edu/books/0309046351/html/21.html%23pagetop


Glossar 164

macromolecule DEF: A large molecule typically containing more than about 1000 atoms. Polymers are the

commonest examples of macromolecules. QUE: The New Penguin Dic. o. Sc. (1998)

mechanische Bindung DEF: Innermolekulare bzw. innersupramolekulare nicht-klassische Bindungsform, die durch

topologische Verknüpfung ihrer Komponenten zustande kommt. QUE: nach: Pease/ Stoddart (2001:202) SYN: topologische Bindung QUE: Vögtle (1992:157) mechanical bond DEF: Intramolecular or intrasupramolecular non-classical bond based on interlock of its

components. QUE: nach: Pease/ Stoddart (2001:202)

Metallbindung DEF: Starke chemische Bindung, bei der der Elektronenaustausch in mehrere

Raumrichtungen vermittelt wird und überdies mit einer sehr hohen Beweglichkeit der bindenden Elektronen gepaart ist.

QUE: nach: Köhler (2001:18) SYN: metallische Bindung QUE: Ibach/ Lüth (1993:10) metallic bond DEF: The chemical bond characteristic of metals, in which mobile valence electrons are

shared among atoms in a usually stable crystalline structure. QUE: The American Heritage DotEL (2003) SYN: metal-metal bond QUE: http://www.lanl.gov/orgs/nmt/nmtdo/AQarchive/04spring/correlation.html [2005-06-

16]

mikroelektromechanisches System QUE: http://www.mpi-stuttgart.mpg.de/ga/starke/lehre/matphys/script/kap1/ [2005-08-08] DEF: Ein mikroelektromechanisches System ist die Kombination aus mechanischen

Elementen, Sensoren, Aktoren und elektronischen Schaltungen auf einem Substrat bzw. Chip.

QUE: nach: http://www.computerbase.de/lexikon/MEMS [2005-08-08] KF: MEMS QUE: http://www.mpi-stuttgart.mpg.de/ga/starke/lehre/matphys/script/kap1/ [2005-08-08] SYN: Mikrosystem

http://www.lanl.gov/orgs/nmt/nmtdo/AQarchive/04spring/correlation.html

http://www.mpi-stuttgart.mpg.de/ga/starke/lehre/matphys/script/kap1/

http://www.computerbase.de/lexikon/MEMS

http://www.mpi-stuttgart.mpg.de/ga/starke/lehre/matphys/script/kap1/

Glossar 165

QUE: Menz/ Mohr (1997:367) ANM: “Mikrosystem” ist die “traditionelle” Bezeichnung im dt. Sprachraum für das

internationalere „MEMS” QUE: Ilfrich (2003:102) microelectromechanical system DEF: Microelectromechanical systems (MEMS) is the integration of mechanical elements,

sensors, actuators, and electronics on a common silicon substrate through microfabrication technology.

QUE: http://www.memsnet.org/mems/what-is.html [2005-08-08] KF: MEMS QUE: http://www.memsnet.org/mems/what-is.html [2005-08-08] SYN: micromachine ANM: „Micromachine” ist in Japan gebräuchlich, „MEMS“ im „Westen”. QUE: Ilfrich (2003:102) und http://www.atip.org/public/atip.reports.93/mmhs.93.html

[2005-08-08]

Mikrokontaktdrucken DEF: Beim Verfahren des Mikrokontaktdruckens wird eine Verbindung, die als Anker

zwischen Substrat und Polymer dient (z. B. Thiole für Gold, Siloxane für Glas) mit Hilfe des Silikonstempels wie eine Tinte auf das Substrat aufgebracht.

QUE: http://staudinger.chemie.uni-mainz.de/akzentel/Publikationen/ [2004-08-07] QSYN: Nano-Kontaktdrucken ANM: Diese Benennung empfehle ich für diese Art der Strukturerzeugung < ca.100 nm;

verständlicherweise ist es schwierig, eine bekannte Technik umzubenennen, nur weil sie in Bezug auf die erzeugte Strukturgröße verfeinert wird.

microcontact printing DEF: A technique which utilizes an elastomer as a “stamp” impregnated with monolayer-

forming “ink” to transfer a pattern. QUE: nach: Poole/ Owens (2003:263) KF: µCP QUE: Madou (2002:64) QSYN: nanocontact printing ANM: für Strukturerzeugung < ca.100 nm QUE: http://www-huckgroup.ch.cam.ac.uk/research.htm [2004-08-07]

molekularer Sensor QUE: Köhler (2001:274) DEF: Eine molekulare oder supramolekulare Spezies, deren Eigenschaften (z.B.

Fluoreszenz-Spektrum, Redox-Potenzial) sich durch Wechselwirkung mit einem spezifischen Molekül oder Ion ändern.

QUE: nach: Balzani/ Credi/ Venturi (2003:471) molecular sensor

http://www.memsnet.org/mems/what-is.html


http://www.atip.org/public/atip.reports.93/mmhs.93.html

http://staudinger.chemie.uni-mainz.de/akzentel/Publikationen/

http://www-huckgroup.ch.cam.ac.uk/research.htm

Glossar 166

DEF: A molecular or supramolecular species that undergoes a change in some of its properties (e.g., fluorescence spectrum, redox potential) on interaction with a specific molecule or ion.

QUE: Balzani/ Credi/ Venturi (2003:471)

molekulares Prägen DEF: [Molekulares Prägen] erlaubt die Synthese von vernetzten Polymeren mit passgenauen

Bindungsstellen für konkrete Zielmoleküle. QUE: http://www.poly-an.de/ [2005-07-24] QSYN: Templatsynthese ANM: Wird auch für die Synthese von nicht molekular-genauen Nanostrukturen verwendet. QUE: siehe: http://www.mpg.de/cgi-bin/mpg.de/ [2005-07-24] ANM: Der Templatsynthese kann auch die Idee zugrunde liegen, dass ein genügend großer

ringförmiger Ligand intern ein Metallion binden kann, welches mit seinen noch vorhandenen freien Koordinationsstellen einem zweiten Liganden zur Fixierung dient.

QUE: Vögtle (1992:163) molecular imprinting DEF: The technique of molecular imprinting allows for the preparation of synthetic

polymers with specific binding sites for a target molecule. QUE: http://www.klausmosbach.com/Principle_molecularimprinting.htm [2005-07-24] QSYN: template synthesis QUE: Balzani/ Credi/ Venturi (2003:472) ANM: Wird auch für die Synthese von nicht molekular-genauen Nanostrukturen verwendet. QUE: nach: http://homepages.wmich.edu/~muralidh/courses/ [2005-07-24] ANM: Der Templatsynthese kann auch die Idee zugrunde liegen, dass ein genügend großer

ringförmiger Ligand intern ein Metallion binden kann, welches mit seinen noch vorhandenen freien Koordinationsstellen einem zweiten Liganden zur Fixierung dient.

QUE: Vögtle (1992:163) QSYN: templating QUE: http://www.nanoword.net/PDF/Temp.pdf [2005-07-24] ANM: Synonym zu template synthesis

molekulare Elektronik DEF: Die molekulare Elektronik befasst sich mit der Untersuchung molekularer Materialien

im Hinblick auf ihre Eignung für Speicherung, Weiterleitung und Verarbeitung von Informationen.

QUE: nach: http://ingo.exphysik.uni-leipzig.de/freumd7.pdf [2005-08-02] SYN: Molekularelektronik QUE: http://idw-online.de/public/zeige_pm.html?pmid=48269 [2005-08-02] KF: Moletronik QUE: Duden D-U (2003) ANM: selten KF: Molektronik QUE: Duden D-U (2003) ANM: selten

http://www.poly-an.de/

http://www.mpg.de/cgi-bin/mpg.de/

http://www.klausmosbach.com/Principle_molecularimprinting.htm

http://homepages.wmich.edu/~muralidh/courses/

http://www.nanoword.net/PDF/Temp.pdf

http://ingo.exphysik.uni-leipzig.de/freumd7.pdf

http://idw-online.de/public/zeige_pm.html?pmid=48269

Glossar 167

molecular electronics DEF: [Molecular electronics] is the utilization of a molecule or a group of molecules as an

electronic device in a circuit. QUE: http://nanotechweb.org/dl/wp/molecular_electronics_WP.pdf [2005-08-02] KF: moletronics QUE: http://www.worldwidewords.org/turnsofphrase/tp-mol1.htm [2005-08-02] KF: molectronics ANM: ältere Bezeichnung QUE: http://www.worldwidewords.org/turnsofphrase/tp-mol1.htm [2005-08-02]

molekularer Schalter DEF: Molekulare Schalter bestehen aus Molekülen, die sich reversibel in 2 stabile Zustände

überführen lassen und dadurch binäre (1 oder 0) Informationen übertragen können. QUE: O-L der Biologie (2004-5) molecular switch DEF: A species that can be reversibly interconverted between two (or more) states by means

of an external stimulus. QUE: Balzani/ Credi/ Venturi (2003:472)

Molekularstrahlepitaxie DEF: Verfahren, um gut kontrolliert dünne Schichten (2 nm – einige µm) von extrem hoher

Qualität herzustellen. Eine UHV-Apparatur, in der sich mehrere Atom- und Molekularstrahlquellen befinden, liefern bei stabilem Teilchenfluss einen chemisch ultrareinen Strahl, die unter Kontrolle von mechanisch bewegten Blenden eine Schicht aufwachsen.

QUE: nach: Römpp (1999) KF: MBE QUE: Römpp (1999) molecular beam epitaxy DEF: Molecular beam epitaxy is a refined form of vacuum evaporation. This method

involves neutral thermal energy molecular or atomic beams impinging on a hot crystalline substrate maintained in an ultrahigh vacuum environment that provides the required source of growth.

QUE: Choy (2000:544) KF: MBE

QUE: Choy (2000:544)

Monoschicht DEF: Monomolekularer Film, der auf einem festen oder flüssigen Untergrund adsorbiert ist. QUE: http://www.dataphysics.de/deutsch/service_gloss.htm [2005-08-02]

http://nanotechweb.org/dl/wp/molecular_electronics_WP.pdf

http://www.worldwidewords.org/turnsofphrase/tp-mol1.htm


http://www.dataphysics.de/deutsch/service_gloss.htm

Glossar 168

SYN: Einfachschicht (molekulare ~) QUE: http://www.fgf.de/fup/publikat/edition-mat/ [2005-08-02] monolayer DEF: A one-molecule-thick layer. QUE: Balzani/ Credi/ Venturi (2003:467)

Moleküldesign DEF: Verfahren, das eine detaillierte dreidimensionale Darstellung von Molekülen sowie die

Berechnung ihrer Eigenschaften unter Verwendung von Computerprogrammen und experimentellen Daten erlaubt.

QUE: http://brockhaus.de/index2.html?nachschlagen/infothek/artikel/19128.html [2005-07-24] und http://cpch01.chm.tu-dresden.de/~theine/diss/node13.html [2005-07-24]

SYN: molekulares Design QUE: Köhler (2001:242) SYN: Molekulardesign QUE: http://www.hull.ac.uk/organophotonics/indexde.htm [2005-07-24] molecular modelling DEF: Molecular modelling of a molecule consists of a computer graphics visualisation and

representation of the geometry of a molecule. QUE: http://wwwcmc.pharm.uu.nl/webcmc/glossary.html [2005-07-24]

Monomer DEF: Ausgangsprodukt, aus dem durch Polymerisation Polymere hergestellt werden. QUE: Kunststoff-Lex. (1998) monomer DEF: A small molecule used as the basic building block for making polymers. QUE: Feast (1999:160)

N

Nahfeldmikroskopie DEF: Lichtoptisches Raster-Mikroskopieverfahren mit einem extrem hohen lateralen

Auflösungsvermögen. Nahfeldmikroskope arbeiten im Nahfeld einer mikroskopischen Probe und sind daher nicht durch die Beugungsbegrenzung des lateralen Auflösungsvermögens beschränkt. Die Spitze wird rasterförmig über die Probenoberfläche geführt und das dabei von jedem Rasterpunkt stammende Licht mittels Photomultiplier nachgewiesen.

QUE: nach: O-L der Physik (2004-5) SYN: nahfeldoptische Mikroskopie QUE: http://www.weltderphysik.de/0__1032197834__1039297776.htm [2005-07-23]

http://www.fgf.de/fup/publikat/edition-mat/

http://brockhaus.de/index2.html?nachschlagen/infothek/artikel/19128.html

http://cpch01.chm.tu-dresden.de/~theine/diss/node13.html

http://www.hull.ac.uk/organophotonics/indexde.htm

http://wwwcmc.pharm.uu.nl/webcmc/glossary.html

http://www.weltderphysik.de/0__1032197834__1039297776.htm

Glossar 169

KF: NFOM QUE: http://www.physnet.uni-hamburg.de/services/ fachinfo/ [2005-07-23] near-field scanning optical microscopy DEF: Near-field scanning optical microscopy scans a very small light source very close to

the sample. Detection of this light energy forms the image. NSOM can provide resolution below that of the conventional light microscope.

QUE: http://www.mobot.org/jwcross/spm/ [2005-07-23] KF: NFSOM QUE: http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.39.767 [2005-07-23] KF: NSOM QUE: http://www.mobot.org/jwcross/spm/ [2005-07-23] SYN: Scanning Near-Field Optical Microscopy QUE: http://spm.phy.bris.ac.uk/techniques/SNOM/ [2005-07-23] KF: SNOM QUE: http://spm.phy.bris.ac.uk/techniques/SNOM/ [2005-07-23]

Nahfeldsondenlithographie DEF: Eine direktschreibende Nanolithographie, bei der Nahfeld- bzw. Rastersonden

Oberflächen streng lokal auf verschiedene Arten modifizieren. QUE: vgl. http://www.rhk-tech.com/download/literature/techbriefs/ [2004-08-02] SYN: Rastersondenlithographie QUE: nach: Köhler (2001:152) SYN: SXM-Lithographie QUE: http://www.techportal.de/de/23/2/research,public,research_public_index/ [2004-08-02] proximal probe lithography DEF: An emerging area of nanoscale research where a scanned probe is used to pattern a

surface. A wide variety of nanopatterning techniques exist: from mechanical methods such as etching or grafting, to electrical techniques, such as nanoscale local oxidation.

QUE: nach: http://www.rhk-tech.com/download/literature/techbriefs/ [2004-08-02] SYN: scanning probe lithography QUE: Costa (2000:59) KF: SPL QUE: Costa (2000:59)

Nanodraht ANM: s. Quantendraht

nanoelektromechanisches System DEF: Nanoelektromechanische Systeme umfassen Maschinen, Sensoren, Elektronik und

Computer, die durch ihre nanoskaligen Abmessungen von neuartigen physikalischen Eigenschaften dominiert werden, die relevant für ihre Funktion sind.

http://www.mobot.org/jwcross/spm/

http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.39.767


http://spm.phy.bris.ac.uk/techniques/SNOM/


http://www.rhk-tech.com/download/literature/techbriefs/

http://www.techportal.de/de/23/2/research,public,research_public_index/

http://www.rhk-tech.com/download/literature/techbriefs/

Glossar 170

QUE: nach: Goddard III et al. (2003:19-44) und Roukes (2001) KF: NEMS QUE: Rubahn (2002:205) nanoelectromechanical system DEF: Nanoscale motion device that can perform actuation, sensing, and computing. QUE: nach: Goddard III et al. (2003:23-1) KF: NEMS QUE: Goddard III et al. (2003:23-1) ANM: Wird im Plural auch „NEMSs“ geschrieben. QUE: Poole/ Owens (2003:335) SYN: NEM-device QUE: http://www.nf.tn.tudelft.nl/med/research/theme-nems.htm [2005-08-08]

Nanopartikel DEF: Ein zwischen 1 und 100 nm großes Gefüge von Atomen, oft aus dem Material eines

Feststoffes, dessen Ausmaße geringer als die charakteristischen Längen einiger Phänomene ist.

QUE: nach: Poole/ Owens (2003:74) SYN: Nanoteilchen QUE: Der Brockhaus i.e.B. (2005) nanoparticle DEF: An aggregate of atoms between 1 and 100 nm viewed as a subdivision of bulk

material, and of dimension less than the characteristic length of some phenomena. QUE: Poole/ Owens (2003:74) DEF: A solid particle of nanometer size, usually a metal or semiconductor nanocrystal. QUE: Balzani/ Credi/ Venturi (2003:467)

Nanopinzette DEF: [Eine Nanopinzette] besteht aus zwei Nanodrähten, die mit Hilfe elektrischer

Spannung gesteuert und zur mechanischen Manipulation an Oberflächen eingesetzt werden.

QUE: http://corporate.basf.com/basfcorp/img/innovationen/ [2005-07-24] nanotweezers DEF: Nanotweezers consist of two nanowires controlled by an electric current and are used

for moving molecules on surfaces. QUE: nach: http://corporate.basf.com/basfcorp/img/innovationen/ [2005-07-24]

Nano-Prägelithographie QUE: http://www.presse.uni-wuppertal.de/html/module/publikationen/ [2005-07-24]

http://www.nf.tn.tudelft.nl/med/research/theme-nems.htm



http://www.presse.uni-wuppertal.de/html/module/publikationen/

Glossar 171

DEF: Bei der Nanoprägelithographie werden mit Stempel durch mechanische oder thermoplastische Verformung Resistsysteme so modifiziert, dass sie für nachfolgende Strukturierungsvorgänge eingesetzt werden können.

QUE: nach: http://www.nanonet.de/anwendungen/ [2004-05-13] SYN: Nanoimprint-Lithographie QUE: http://www.nanonet.de/anwendungen/ [2004-05-13] nanoimprint lithography DEF: A method of lithography that uses a mold, or mechanical force (embossing) to pattern

a resist. QUE: http://www.nanoword.net/library/def/Nanoimprint_Lithography.htm [2005-07-24]

Nanoroboter DEF: Aus Sensoren, zielfindenden Vehikeln und Molekularmotoren erdachte Maschine, die

autonom bestimmte Funktionen erfüllt. QUE: nach: http://www.ams.or.at/wien/biz/vision/archiv/rund74.htm [2005-08-08] SYN: Nanobot QUE: Broderick (2004:202) ANM: auch dt. Pl.: Nanoboter QUE: Kurzweil (2001:76) SYN: Nanit QUE: Drexler et al. (1994:267) nanorobot DEF: A nanorobot is essentially a controllable machine at the nanometer or molecular scale

that is composed of nano-scale components and algorithmically responds to input forces and information.

QUE: http://www.bionano.neu.edu/Bionanorobotics_Chapter%207_upload.pdf [2005-08-08] SYN: nanobot QUE: http://www.nanotech-now.com/goo.htm [2005-08-08] SYN: nanite QUE: Broderick (2004:140) ANM: Popularisiert in der Science-Fiction Episode: Star Trek - Evolution QUE: http://www.nanotech-now.com/nanotechnology-glossary-N.htm [2005-08-08]

Nanostruktur DEF1: Einzelnes Element einer komplexen nanoskopischen Struktur. QUE: Autor DEF2: siehe: Nanopartikel ANM: s. Kap. 7.1 nanostructure DEF1: Single element of a complex nanoscopic structure. QUE: Autor DEF2: cf. nanoparticle

http://www.nanonet.de/anwendungen/


http://www.nanoword.net/library/def/Nanoimprint_Lithography.htm

http://www.ams.or.at/wien/biz/vision/archiv/rund74.htm

http://www.bionano.neu.edu/Bionanorobotics_Chapter 7_upload.pdf

http://www.nanotech-now.com/goo.htm

http://www.nanotech-now.com/nanotechnology-glossary-N.htm

Glossar 172

ANM: s. Kap. 7.1

Nanotechnologie DEF: 1. Nanotechnologie befasst sich mit Strukturen, die in mindestens einer Dimension kleiner als 100 nm sind. 2. Nanotechnologie macht sich charakteristische Effekte und Phänomene zunutze, die im Übergangsbereich zwischen atomarer und mesoskopischer Ebene auftreten. 3. Nanotechnologie bezeichnet die gezielte Herstellung und/oder Manipulation einzelner Nanostrukturen und deren Anwendung als System.“ QUE: Paschen/ Coenen (2003) und letzter Satzteil (Punkt 3) aus Bachmann (1998:1) QSYN: Nanotechnik QUE: Bachmann (1998:1ff) KF: Nanotech QUE: http://www.deraktionaer.de/xist4c/web/Nanotech-Report_ [2005-06-19] ANM: Außer als Kurzform auch eine Jargonbezeichnung; beliebt bei

Wortzusammensetzungen KF: Nano QUE: Spektrum d.W.S. (2001:3) ANM: Steht im Jargon in erster Linie für „Nanotechnologie“, ist aber nicht auf diesen Begriff

beschränkt. nanotechnology DEF: The technology arising from efforts to exploit the novel and improved properties that

phenomena and processes exhibit at the scale between single atoms/ molecules and bulk behavior (approximately 10-9 to 10-7 meters).

QUE: http://www.bioon.com/book/biology/genomicglossaries/ [2005-06-22] KF: nanotech QUE: http://www.sciam.com/nanotech/ [2005-06-19] ANM: Außer als Kurzform auch eine Jargonbezeichnung; beliebt bei

Wortzusammensetzungen KF: nano QUE: http://www.iec.org/events/2003/nanoengineering/interview_foster.html [2005-06-22] ANM: Steht im Jargon in erster Linie für „nanotechnology“, ist aber nicht auf diesen Begriff

beschränkt. QSYN: nanoengineering QUE: http://logistics.about.com/od/nanoengineering/ [2005-06-22]

Nanosystem DEF: Nanosysteme sind technische Anordnungen, die folgende Merkmale besitzen: eine

eigenständige, nach außen wirksame Funktion; eine geometrisch wohldefinierte Zuordnung zu einem äußeren technischen Aufbau; eine Einbettung in eine äußere funktionelle Umgebung durch geeignete Schnittstellen; die Nutzung mind. eines für die Funktion essentiellen Bauelementes mit nanotechnischen Abmessungen (<100 nm).

QUE: nach Köhler (2001:280) SYN: nanotechnisches System

http://www.deraktionaer.de/xist4c/web/Nanotech-Report_

http://www.bioon.com/book/biology/genomicglossaries/

http://www.sciam.com/nanotech/

http://www.iec.org/events/2003/nanoengineering/interview_foster.html

http://logistics.about.com/od/nanoengineering/

Glossar 173

QUE: http://www.heise.de/tp/r4/artikel/7/7990/1.html [2005-08-02] SYN: technisches Nanosystem QUE: Köhler (2001:280) nanosystem DEF: A eutactic (characterized by precise molecular order) set of nanoscale (<100 nm)

components working together to serve a set of purposes; complex nanosystems can be of macroscopic size.

QUE: nach: http://www.foresight.org/Nanosystems/glossary/glossary_n.html [2005-08-02]

Nanozelle DEF: Nanozellen beinhalten winzige Goldklümpchen, die in einer Lösung organischer

Moleküle willkürlich angeordnet sind. Durch das Anlegen elektrischer Spannung entstehen nach einem Zufallsmuster Verbindungen im Nanobereich, über die sich Daten übertragen lassen.

QUE: nach: http://www.macwelt.de/news/hardware/323020/index.html [2005-08-08] nanocell DEF: Nanocells contain disordered assemblies of gold nanowires and conductive organic

molecules that can function as non-volatile, re-programmable memory. QUE: nach: http://www.sciencedaily.com/releases/2003/10/031020053847.htm [2005-08-08]

Nassätzen DEF: Alle Ätzverfahren mit einem mikrolithografischen Abtrag an der Phasengrenzfläche

fest-flüssig werden unter dem Begriff des „Nassätzens“ zusammengefasst. QUE: Köhler (1998:33) wet etching DEF: In wet etching, the material is dissolved when immersed in a chemical solution. QUE: http://www.csa.com/hottopics/mems/glossary/etch.html [2004-08-08]

niederenergetische Elektronenbeugung QUE: http://www.itap.physik.uni-stuttgart.de/ [2005-08-01] DEF: Methode zur Untersuchung von Oberflächenstrukturen, bei der Elektronen mit

Energien zwischen 20 eV und 500 eV auf die Probe geschossen, dort elastisch gestreut und dann auf einem Leuchtschirm aufgefangen werden.

QUE: nach: http://www.agschatz.physik.uni-konstanz.de/ag/leed.htm [2004-06-26] KF: LEED QUE: http://www.itap.physik.uni-stuttgart.de/ [2005-08-01] SYN: Beugung niederenergetischer Elektronen QUE: http://www.agschatz.physik.uni-konstanz.de/ag/leed.htm [2004-06-26] low-energy electron diffraction


http://www.foresight.org/Nanosystems/glossary/glossary_n.html

http://www.macwelt.de/news/hardware/323020/index.html

http://www.sciencedaily.com/releases/2003/10/031020053847.htm

http://www.csa.com/hottopics/mems/glossary/etch.html

http://www.itap.physik.uni-stuttgart.de/

http://www.agschatz.physik.uni-konstanz.de/ag/leed.htm

http://www.itap.physik.uni-stuttgart.de/


Glossar 174

DEF: A technique used to determine the structure of a surface at the atomic scale by diffraction of a plane wave of electrons (typically of 100 eV). The diffraction pattern can be related to the geometry of the surface.

QUE: nach: The New Penguin Dic. o. Sc. (1998) KF: LEED QUE: http://www.iupac.org/publications/analytical_compendium/Cha17sec63.pdf [2005-

07-30]

O

optische Pinzette DEF: Bezeichnung für einen Laserstrahl, in dessen Fokus Mikropartikel wie mit einer

mechanischen Pinzette fixiert werden. QUE: O-L der Physik (2004-5) SYN: Lichtpinzette QUE: Rubahn (2002:128) optical tweezers DEF: A technique that uses a single-beam laser directed through an objective lens to trap,

gauge, and manipulate micron-sized particles in three dimensions QUE: The American Heritage DotEL (2003) SYN: light tweezers QUE: http://www.nano-tek.org/sci.nanotech/1421.html [2005-07-24]

optische Spektroskopie DEF: Die systematische Untersuchung der Wechselwirkung von Atomen, Molekülen,

Flüssigkeiten oder Festkörpern mit elektromagnetischer Strahlung. Die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung kann dabei zwischen 108 Hz und über 1018 Hz liegen und bestimmt auch, welche Prozesse untersucht werden können.

QUE: nach: O-L der Physik (2004-5) optical spectroscopy DEF: The study of systems by the electromagnetic radiation with which they interact or that

they produce. By convention, spectroscopic properties are expressed in terms of wavelength in vacuo, not the wavelength within the medium being studied.

QUE: IUPAC CoCT (1997)

P

Phasenkontrastmikroskopie DEF: Lichtmikroskopie, die kontrastlose Objekte durch Ausnutzung von Phasendifferenzen

beim Durchgang des Lichts durch das Objekt sichtbar macht. QUE: nach: Duden DgF (2000)


http://www.nano-tek.org/sci.nanotech/1421.html

Glossar 175

phase-contrast microscopy DEF: A type of light microscopy in which a special condenser and objective with a phase-

shifting ring are used to visualize small differences in refractive index as differences in intensity or contrast. It is useful in viewing unstained specimens that appear transparent.

QUE: Mosby’s (2002)

Photo-CVD DEF: Bei der Photo-CVD werden gasförmige oder adsorbierte Spezies durch Einwirkung von elektromagnetischer Strahlung aktiviert. Da hauptsächlich einfache anorganische oder organische Moleküle als Präkursoren zum Einsatz kommen, muss die eingesetzte Strahlung im Bereich der elektronischen Übergänge dieser Moleküle liegen, das heißt im UV-Bereich. QUE: Heinrich (2000:10) SYN: photounterstützte CVD QUE: Heinrich (2000:10) SYN: photoinduzierte CVD QUE: http://www.efds.org/dl.html [2005-09-02] QSYN: LACVD QUE: O-L der Chemie (2004-5) photo CVD DEF: Processes wherein a chemical vapor reaction driven by the absorption of light occurs

and a reaction product is deposited on a substrate. QUE: http://www.patentec.com/data/class/defs/427/582.html [2005-07-30] SYN: photoinitiated CVD QUE: http://cxp.paterra.com/uspregrant20040091638.html [2005-09-02] QSYN: LACVD QUE: http://books.nap.edu/books/0309046351/html/21.html%23pagetop [2005-09-02]

Photoelektronenspektroskopie DEF: Eine zur Untersuchung von Festkörperoberflächen dienende Form der Spektroskopie,

bei der monochromatisches UV- oder Röntgenlicht eingestrahlt und die Energieverteilung der ausgelösten Photoelektronen (Photoeffekt) gemessen wird.

QUE: O-L der Optik (2004-5) KF: http://www.clusterphysik.uni-konstanz.de/forschung/pes/ [2005-07-30] photoelectron spectroscopy DEF: A branch of electron spectroscopy that studies the energy of electrons emitted when a

substance is bombarded by ultraviolet or X-ray radiation. QUE: Academic Press DoSaT (1992) KF: PES QUE: The New Penguin Dic. o. Sc. (1998)

http://www.efds.org/dl.html

http://www.patentec.com/data/class/defs/427/582.html

http://cxp.paterra.com/uspregrant20040091638.html


http://www.clusterphysik.uni-konstanz.de/forschung/pes/

Glossar 176

Photolithographie DEF: Photolithographie, Erzeugung von Strukturen auf einer Substratoberfläche, indem

bestimmte Bereiche einer Beschichtung durch Belichtung so verändert werden, dass sie vor einem nachfolgenden Ablöseschritt selektiv geschützt bzw. für diesen freigegeben sind.

QUE: O-L der Chemie (2004-5) SYN: optische Lithographie QUE: Menz/ Mohr (1997:180) photolithography DEF: A process in which a particular pattern is transferred from a photograph onto a

substrate, producing a pattern that acts as a mask during an etching or diffusion process.

QUE: nach Collins (1998) SYN: optical lithography QUE: http://personal.cityu.edu.hk/~appkchu/AP4120/5.PDF [2005-07-23]

Photomaske DEF: In der Halbleitertechnik verwendete Schablone zur Übertragung eines vorgegebenen

geometrischen Musters auf eine dünne Schicht eines strahlungsempfindlichen Films (Photolack) mit Hilfe von Lithographie.

QUE: nach: O-L der Physik (2004-5) SYN: Maske QUE: Menz/ Mohr (1997:180) photo-mask DEF: A photo-mask is used to define the areas of photoresist exposed to light, which are

subsequently removed by a solvent, leaving the required pattern on the wafer surface. QUE: http://www.cmc.ca/about/corporation/plan/Module6/mod6.d.html [2005-07-23] SYN: mask QUE: Madou (2002:3)

photonische Kraftmikroskopie DEF: Die photonische Kraftmikroskopie nutzt das Zusammenspiel optischer Fangkräfte,

thermischer Positionsfluktuationen gefangener Partikel und deren dreidimensionale, interferometrische Detektion.

QUE: http://www.dgao.de/Jahrestagung2004/JT04_Tagungsband.pdf [2004-08-05] photonic force microscopy DEF: A new scanning probe technique in which the probe is held inside the harmonic

potential well generated by optical tweezers. QUE: http://www.fz-juelich.de/ibi/ibi-1/enderlein/francesco/Page4.html [2005-07-23] KF: PFM

http://personal.cityu.edu.hk/~appkchu/AP4120/5.PDF

http://www.cmc.ca/about/corporation/plan/Module6/mod6.d.html

http://www.dgao.de/Jahrestagung2004/JT04_Tagungsband.pdf

http://www.fz-juelich.de/ibi/ibi-1/enderlein/francesco/Page4.html

Glossar 177

QUE: http://www.fz-juelich.de/ibi/ibi-1/enderlein/francesco/Page4.html [2005-07-23] SYN: scanning photonic-force microscopy QUE: http://www.eotc.tufts.edu/Comp190/viscositypaper.pdf [2005-07-23] KF: SPFM QUE: http://arc.cs.odu.edu:8080/ [2004-08-05]

physikalische Gasphasenabscheidung QUE: O-L der Physik (2004-5) DEF: Bei der physikalischen Gasphasenabscheidung wird ein festes Ausgangsmaterial durch

Einwirkung physikalischer Mechanismen (z.B. Zufuhr thermischer Energie, Impulsübertrag beim Beschuss mit hochenergetischen Teilchen) in die Gasphase überführt. Aus der Gasphase kondensiert das Material als fester Film auf dem Substrat.

QUE: nach: http://www.schichttechnik.net/ [2004-02-27] KF: PVD QUE: O-L der Physik (2004-5) physical vapor deposition DEF: A film generation method that vaporizes the thin-film materials in the vacuum

container by some method and collects them on the substrate. Although different methods are applied for different applications, it can be categorized into two groups such as vaporization and sputter system.

QUE: nach http://www.shincron.co.jp/en/device/pdf/04-1.pdf [2004-03-03] KF: PVD QUE: http://www.shincron.co.jp/en/device/pdf/04-1.pdf [2004-03-03]

Planartechnik DEF: Verfahren in der Halbleitertechnologie und Mikroelektronik zur Herstellung von

Halbleiterbauelementen und Chips. Dabei wird das Halbleitermaterial mittels Diffusion an ausgewählten Bereichen der Oberfläche dotiert, sodass planare (flache) Strukturen entstehen. Mit der Planartechnik lassen sich mehrere Tausend Bauelemente gleichzeitig auf einer Halbleiterkristallscheibe herstellen. Ihre Erfindung (1958) war damit die Grundlage für die Mengenfertigung von integrierten Schaltungen und Chips.

QUE: Der Brockhaus i.e.B. (2005) planar technology DEF: All technological processes in planar technology may be classified as deposition,

removal or transformation of material. They take place at the contact areas of an object and medium. Selection of these areas is realised by masking certain chaotic medium regions from the contacting an object. This situation may be accomplished if the medium is structured and aligned with the forming object in a definite way. When a sequence of medium makes a contact with the forming object, local changes occur.

QUE: http://www.ttp.net/3-908450-85-3/267.htm [2004-03-12]


http://www.eotc.tufts.edu/Comp190/viscositypaper.pdf


http://www.shincron.co.jp/en/device/pdf/04-1.pdf


http://www.ttp.net/3-908450-85-3/267.htm

Glossar 178

Plasmaätzen DEF: Ein oft genutztes schonend (bei niedrigem Druck) verlaufendes chemisches

Ätzverfahren mit freien Radikalen, welches mit geringer physikalischer Unterstützung in Form von Ionen abläuft.

QUE: nach: http://www.uwetran.de/verfahren/ibe.html [2005-07-23] plasma etching DEF: Involves using a plasma that contains highly excited molecules or atoms (reactive

ions) which easily react chemically. QUE: nach: http://www.genus.com/glossary.html [2005-07-23] KF: PE QUE: http://www.aiche.org/conferences/techprogram/ [2005-07-23]

Plasma-unterstützte CVD QUE: http://www.schichttechnik.net/ [2005-07-16] DEF: Beim PECVD-Prozess wird dem Gas die für die Reaktion benötigte Energie durch ein

Plasma zugeführt. QUE: http://www.uni-muenster.de/Chemie/PC/ [2004-02-27] SYN: PACVD QUE: http://www.schichttechnik.net/ [2005-07-16] SYN: Plasma-CVD QUE: http://webdb.uni-graz.at/~kleinaxe/Mat_Kapitel2.pdf [2005-07-13] plasma-enhanced CVD DEF: A form of CVD, where plasma is used to induce or enhance decomposition and

reaction. QUE: Kirk-Othmer (1997) KF: PECVD QUE: Kirk-Othmer (1997) SYN: plasma assisted CVD KF: PACVD QUE: http://www.svc.org/H/HISTORYA.PDF [2005-09-02]

Polymer DEF: Polymere sind natürliche oder synthetische organische oder anorganische Stoffe, deren

hohe Molmassen auf der vielfachen Wiederkehr eines Grundmoleküls oder weniger Grundmoleküle (Monomere bzw. Einzelbausteine) beruhen.

QUE: Kunststoff-Lex. (1998) polymer DEF: A chemical compound made of many covalently linked identical of different repeating

units. QUE: Balzani/ Credi/ Venturi (2003:469)

http://www.uwetran.de/verfahren/ibe.html

http://www.genus.com/glossary.html

http://www.aiche.org/conferences/techprogram/


http://www.uni-muenster.de/Chemie/PC/


http://webdb.uni-graz.at/~kleinaxe/Mat_Kapitel2.pdf

http://www.svc.org/H/HISTORYA.PDF

Glossar 179

Projektionsbelichtung DEF: Ein kontaktfreies Verfahren zur Belichtung, bei dem das Abbild der Fotomaske, über

ein Linsensystem verkleinert, auf die Fotolackoberfläche des Halbleiters projiziert wird.

QUE: http://www.plasmatod.de/hs2k/atomlithographie_druck.html [2005-07-23] SYN: Abbildungsphotolithographie QUE: Rubahn (2002:24) projection lithography DEF: Rather than placing a mask in direct contact (or proximity) of a wafer, the photomask

is imaged by a high-resolution lens system on the resist-coated wafer. QUE: Madou (2002:3)

Proximity-Effekt DEF: Durch die Streuung der einfallenden Elektronen sowohl im Lack als auch im

darunterliegenden Substrat werden auch Bereiche des Lackes außerhalb der vordefinierten Stellen belichtet, wodurch die laterale Auflösung limitiert wird. Diesen Effekt bezeichnet man als Proximity-Effekt.

QUE: Hartmann et al. (2000:8) SYN: Nähewirkung QUE: http://www.daetwyler.net/d/produkte/unilan/service/handbuch/kapitel/ [2005-07-24] ANM: selten proximity effect DEF: Deleterious effect in e-beam lithography; scattering of electrons in irradiated resist;

p.e. is responsible for the size of the exposed resist area being larger than the diameter of the incident electron beam; limits resolution of e-beam lithography.

QUE: http://semiconductorglossary.com/ [2005-07-21]

Pseudorotaxan DEF: Pseudorotaxane sind supramolekulare Komplexe, die aus einer stabförmigen

Verbindung und einer makrocyclischen Verbindung bestehen und derart miteinander wechselwirken, dass ein Auffädeln erfolgt. Mindestens ein endständiger „Stopper“ fehlt, so dass eine Dekomplexierung durch Ausfädeln der makrocyclischen Komponente möglich ist.

QUE: Wendel (1998:84) pseudorotaxane DEF: A supramolecular species similar to a rotaxane, but where at least one of the stoppers

is absent and the macrocyclic component can dethread. QUE: nach: Balzani/ Credi/ Venturi (2003:470)

http://www.plasmatod.de/hs2k/atomlithographie_druck.html

http://www.daetwyler.net/d/produkte/unilan/service/handbuch/kapitel/


Glossar 180

Q

Quantendraht DEF: Eine Heterostruktur (monokristallin aufeinander gewachsene Schichten von

Halbleitern unterschiedlicher Zusammensetzung), die für Kristallelektronen in zwei Raumrichtungen als Potentialtopf wirkt. Es bildet sich ein sog. quasi-eindimensionales Elektronengas aus. Die Energieeigenwerte sind in z- und y-Richtung quantisiert.

QUE: nach O-L der Physik (2004-5) QSYN: Nanodraht QUE: Spektrum d.W.S. (2001:41) ANM: weiterer Begriff als Quantendraht quantum wire DEF: A one-dimensional quantum system where two-dimensional degrees of freedom are

frozen, whereas the other degree is still active. Namely, it is a wire-like word and the unique degree of freedom runs along the wire.

QUE: nach Murayama (2001:71) QSYN: nanowire QUE: Attfield et al. (1999:208) ANM: weiterer Begriff als quantum wire

Quantengehege DEF: Ein aus einzelnen Atomen (Quantenpunkten) konstruiertes abgeschlossenes Gebilde,

das als Potenzialbarriere für die elektronischen Oberflächenzustände des zweidimensionalen, quasifreien Elektronengases wirkt.

QUE: nach: Bachmann (1998:67f) SYN: Quantengatter QUE: http://www.heise.de/newsticker/meldung/15500 [2005-08-02] ANM: Nicht zu verwechseln mit einem logischen Gatter, dem die Prinzipien der

Quantenmechanik zugrunde liegen QUE: vgl. http://www.fontaene.de/archiv/nr-19/computer-der-zukunft03.htm [2005-08-02] SYN: Quantenpferch QUE: http://www.tu-chemnitz.de/physik/AFKO/nano/v0102/npvl01.doc [2005-08-02] quantum corral DEF: A ring of 48 iron atoms on a copper surface. The iron atoms confine some of the

copper's surface electrons, making them into quantum states visible as circular rings (or standing-wave patterns) inside the corral.

QUE: http://www.personal.psu.edu/users/m/m/mmt163/ [2005-08-02] ANM: keine abstrahierte Definition; Zu diesem Zweck fehlt es eigentlich aber noch an einer

„Menge“ an Quantengehegen

Quantenpunkt

http://www.heise.de/newsticker/meldung/15500

http://www.fontaene.de/archiv/nr-19/computer-der-zukunft03.htm

http://www.tu-chemnitz.de/physik/AFKO/nano/v0102/npvl01.doc

Glossar 181

DEF: Quantenpunkte sind nulldimensionale Halbleiterstrukturen, d.h. sie lokalisieren elektronische Zustände in den drei Raumrichtungen, da die de-Broglie Wellenlänge der Elektronen von der Größenordnung der Abmessungen des Quantenpunkts ist.

QUE: Kießlich (1999) quantum dot DEF: A minute region of confined electrical charge in a solid (for example, a metal cluster

embedded in an insulator) which has distinct quantum properties, behaving in effect like an isolated atom.

QUE: Attfield et al. (1999:208) SYN: quantum box QUE: Murayama (2001:73)

Quantentopf DEF: System, in dem die Bewegung der Elektronen auf zwei Dimensionen eingeschränkt

ist. QUE: http://www.physnet.uni-hamburg.de/services/fachinfo/___Volltexte/ [2005-08-01] KON: Hierzu werden typischerweise zwei Barrieren (Doppelbarriere) verwendet, die

zwischen sich eine dünne Schicht einschließen, welche die Teilchen in einer Dimension beschränken, sodass sich diskrete Zustände ausbilden.

QUE: http://www.hft.e-technik.uni-dortmund.de/de/forschung/modquant [2005-08-01] SYN: Quantenfilm QUE: Bachmann (1998:65) SYN: Quantenmulde QUE: http://pen.physik.uni-kl.de/telephysik/courses/boyn_oe/k6/ab1.htm [2004-06-15] SYN: Quantentrog QUE: http://pen.physik.uni-kl.de/telephysik/courses/boyn_oe/k6/ab1.htm [2004-06-15] SYN: Quantengraben QUE: http://pen.physik.uni-kl.de/telephysik/courses/boyn_oe/k6/ab1.htm [2004-06-15] SYN: Quantenwanne QUE: http://www.elektroniknet.de/elex/suche.php [2005-08-01] quantum well DEF: Quantum wells are ultra-thin layers (nanostructures) of a narrower band-gap material

(the well) sandwiched between regions of wider band-gap (the barrier). QUE: http://www.sc.ic.ac.uk/~q_pv/intro.html [2004-06-14] SYN: quantum film QUE: http://content.aip.org/JCPSA6/v104/i14/5572_1.html [2005-08-01]

R

Raman-Spektroskopie DEF: Teilgebiet der Spektroskopie, das auf dem Raman-Effekt beruht. Dieser basiert auf der

Erscheinung, dass sich im Streuspektrum von mit monochromatischem Licht bestrahlten Molekülen Linien befinden, deren Frequenzen sich von der des

http://www.physnet.uni-hamburg.de/services/fachinfo/___Volltexte/

http://www.hft.e-technik.uni-dortmund.de/de/forschung/modquant

http://pen.physik.uni-kl.de/telephysik/courses/boyn_oe/k6/ab1.htm



http://www.elektroniknet.de/elex/suche.php

http://www.sc.ic.ac.uk/~q_pv/intro.html

http://content.aip.org/JCPSA6/v104/i14/5572_1.html

Glossar 182

eingestrahlten Lichtes unterscheiden. Sie rühren von Molekülschwingungen und Molekülrotationen her.

QUE: O-L der Chemie (2004-5) KF: RS QUE: http://www.uni-kl.de/IFOS/verfahren/verfahren.htm [2005-07-30] Raman spectroscopy DEF: The study of radiant energy scattered inelastically when a sample is irradiated with an

intense beam of monochromatic light, usually from a laser. QUE: Academic Press DoSaT (1992) KF: RS QUE: http://www.iupac.org/publications/analytical_compendium/Cha17sec63.pdf [2005-07-

23]

Rasterelektronenmikroskopie DEF: Mikroskopieverfahren, bei dem der abzubildende Bereich mit einem fein gebündelten

Elektronenstrahl Punkt für Punkt abgetastet (gescannt) wird. Der Elektronenstrahl wird hierbei auf einen Ausschnitt in der Größe von ungefähr 10 nm fokussiert, und die in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung austretenden Elektronen oder Röntgen- bzw. Gammastrahlen gemessen.

QUE: O-L d. Geowissenschaften KF: REM QUE: O-L d. Geowissenschaften ANM: Die englische Kurzform SEM ist der deutschen wegen Verwechslungsmöglichkeit mit

englisch REM (reflection electron microscopy) vorzuziehen. QUE: http://www.iupac.org/publications/analytical_compendium/Cha17sec63.pdf [2005-

07-26] scanning electron microscopy DEF: Any analytical technique which involves the generation and evaluation of secondary

electrons (and to a lesser extent back scattered electrons) by a finely focused electron beam (typically 10 nm or less) for high resolution and high depth of field imaging.

QUE: IUPAC CoCT (1997) KF: SEM QUE: Madou (2002:54)

Rasterkraftmikroskopie DEF: Eine neue Meßmethode, die es erlaubt, nichtleitende Oberflächen bis in den atomaren

Bereich vergrößert darzustellen. Dazu bedient es sich einer Art miniaturisierter Nadel, mit der die zu untersuchende Oberfläche zeilenweise abgetastet wird.

QUE: nach: http://wwwex.physik.uni-ulm.de/lehre/ [2005-07-23] KF: RKM QUE: http://www.rwth-aachen.de/gfe/rkm.htm [2005-07-23] SYN: Kraftmikroskopie QUE: Tech. Review (2004:24)

http://www.uni-kl.de/IFOS/verfahren/verfahren.htm



http://wwwex.physik.uni-ulm.de/lehre/

http://www.rwth-aachen.de/gfe/rkm.htm

Glossar 183

atomic force microscopy DEF: Atomic force microscopy measures the interaction force between the tip and surface.

The tip may be dragged across the surface, or may vibrate as it moves. The interaction force will depend on the nature of the sample, the probe tip and the distance between them.

QUE: http://www.mobot.org/jwcross/spm/ [2005-07-23] KF: AFM QUE: http://www.mobot.org/jwcross/spm/ [2005-07-23] SYN: scanning force microscopy QUE: Ebert/ Szot (2003:305) KF: SFM QUE: Ebert/ Szot (2003:305)

Rastersondenmikroskopie DEF: Unter dem Begriff Rastersondenmikroskopie werden verschiedenartige Meßverfahren

zur Analyse von Oberflächen zusammengefaßt (Ober- und Grenzflächenphysik), bei denen eine Meßsonde in geringem Abstand über die Oberfläche geführt wird.

QUE: O-L der Physik (2004-5) KF: SXM QUE: Bachmann (1998:79) ANM: Die KF SXM wird meist für den Plural von Rastersondenmikroskopie verwendet scanning probe microscopy DEF: Scanning probe microscopy covers several related technologies for imaging and

measuring surfaces on a fine scale, down to the level of molecules and groups of atoms. They share the concept of scanning an extremely sharp tip (3-50 nm radius of curvature) across the object surface.

QUE: nach: http://www.mobot.org/jwcross/spm/ [2005-07-26] KF: SPM QUE: Ebert/ Szot (2003:299) KF: SXM QUE: Ebert/ Szot (2003:299) ANM: Die KF SXM wird meist für den Plural von Rastersondenmikroskopie verwendet

Rastertunnelmikroskopie DEF: Ein Analyseverfahren, das einen zwischen Sonde und Probenoberfläche fließenden

Tunnelstrom misst. Aus diesem Tunnelstrom kann Punkt für Punkt ein Abbild der Oberfläche bzw. der elektronischen und magnetischen Eigenschaften der Probenoberfläche rekonstruiert werden.

QUE: nach: http://www.nanoscience.de/group_r/ausstellung/ [2005-07-23] KF: RTM QUE: http://www.physik.ruhr-uni-bochum.de/spw/ [2004-06-22] scanning tunneling microscopy




http://www.nanoscience.de/group_r/ausstellung/

http://www.physik.ruhr-uni-bochum.de/spw/

Glossar 184

DEF: A microscopy that scans the surface of a sample with a beam of electrons, causing a narrow channel of tunneling electrons to flow between the sample and the beam, and producing three-dimensional images of atomic topography and structure.

QUE: nach: The American Heritage DotEL (2003) KF: STM QUE: Madou (2002:56)

reaktives Gasätzen QUE: Köhler (2002:299) DEF: Elementare Trockenätztechnik, die bei einer geringen oder mittelmäßigen Ätzrate

hochreaktive Gase oder Dämpfe für den Teilchenabtrag verwendet und eingeschränkt in der Mikrolithographie (bes. Entfernung von SiO2 auf Si) zur Anwendung kommt.

QUE: nach: Köhler (1998:133f) SYN: Ätzen mit reaktiven Gasen QUE: Köhler (1998:133f) SYN: Ätzen mit reaktiven Dämpfen QUE: Köhler (2002:300) gas etching DEF: Etching that is typically used in semiconductor engineering by which a substance is

extracted from a semiconductor after the substance combines with a gas and forms a volatile compound.

QUE: http://www.chemindustry.intota.com [2004-08-10] SYN: reactive gas etching QUE: http://www.freepatentsonline.com/4968643.html [2005-07-23]

reaktives Ionenätzen DEF: Reaktives Ionenätzen nutzt in verdünnten Plasmen enthaltene Spezies (z.B. Halogen-

Ionen) und erzeugt durch eine eingeprägte Beschleunigungsspannung eine gerichtete Bewegung der Ionen auf das Substrat.

QUE: O-L der Physik (2004-5) KF: RIE QUE: http://www.joanneum.at/de/werkstoffe_verarbeitung/ [2004-06-02] reactive ion etching DEF: A technique in which an electric field causes energized ions to strike the surface of a

semiconductor substrate at a perpendicular angle; used in integrated circuit fabrication. QUE: Academic Press DoSaT (1992) KF: RIE QUE: Schneider (2003:253)

reaktives Ionenstrahlätzen

http://www.chemindustry.intota.com/

http://www.freepatentsonline.com/4968643.html

http://www.joanneum.at/de/werkstoffe_verarbeitung/

Glossar 185

DEF: Gerichtetes, stark ionenunterstütztes Ätzen mit reaktiven Ionen, die wie beim IBE erzeugt und auf das Substrat beschleunigt werden.

QUE: Menz/ Mohr (1997:144) KF: RIBE QUE: Menz/ Mohr (1997:144) reactive ion beam etching DEF: When inert argon ions in a triode setup (for IBE) are replaced with reactive ions,

reactive ion etching occurs. The ions not only transfer momentum to the surface, they also react directly with the surface.

QUE: nach: Madou (2002:90) KF: RIBE QUE: Madou (2002:90)

Resist DEF: Resists, sind spezielle Polymere, die bei Belichtung vernetzen (negative Resists) oder

abbauen (positive Resists). Die jeweils lösliche Phase wird aus der Beschichtung gelöst.

QUE: Kunststoff-Lex. (1998) SYN: Photoresist QUE: O-L der Optik (2004-5) SYN: Photolack QUE: O-L der Chemie (2004-5) resist DEF: Typically, a liquid polymeric material that is patterned during a photolithographic

process. QUE: http://www.devicelink.com/ivdt/archive/02/06/004_sidebar.html [2005-07-23] SYN: photoresist QUE: http://www.allaboutmems.com/glossary.html [2005-07-23]

Röntgenabsorptions-Spektroskopie DEF: Die Röntgenabsorptions-Spektroskopie misst die beim Durchgang von

Röntgenstrahlung durch eine Probe auftretende Intensitätsabnahme. QUE: O-L der Chemie (2004-5) KF: XAS QUE: http://www.hu-berlin.de/forschung/fdb/deutsch/PJ/PJ1309.html [2005-07-30] X-ray absorption spectroscopy DEF: A form of spectroscopy in which a beam of X-rays of variable frequency from a

synchrotron radiation source is directed at a sample and the absorption of the X-rays as a function of frequency is measured.

QUE: The Penguin Engl.D. (2000) KF: XAS QUE: http://www.dartmouth.edu/~soilchem/XAS_descript.htm [2005-07-30]

http://www.devicelink.com/ivdt/archive/02/06/004_sidebar.html

http://www.allaboutmems.com/glossary.html

http://www.hu-berlin.de/forschung/fdb/deutsch/PJ/PJ1309.html

http://www.dartmouth.edu/~soilchem/XAS_descript.htm

Glossar 186

Röntgenemissions-Spektroskopie DEF: Die Röntgenemissions-Spektroskopie untersucht die von einer entsprechend

angeregten Probe emittierte Röntgenstrahlung, wobei die Anregung meist durch Elektronenstoß erfolgt.

QUE: O-L der Chemie (2004-5) KF: XES QUE: http://hydrogen.physik.uni-wuppertal.de/kfsyn/kfs_broschuere/ [2005-03-06] X-ray emission spectroscopy DEF: A technique for determining the chemical composition of a sample by bombarding it

with X-rays (or electrons) and examining the X-ray spectrum it then emits. QUE: The Penguin Engl.D. (2000) KF: XES QUE: http://www.spring8.or.jp/e/user_info/riyou/contact/ [2005-07-30]

Röntgenlithographie DEF: Bei der Röntgenlithographie wird die Struktur der Maske durch Schattenwurf auf das

belackte Substrat übertragen. Die Auflösung ist mit ca. 70 nm bei einer Wellenlänge von 0,1-1 nm sehr hoch.

QUE: nach: http://www.uwetran.de/verfahren/lithographie.html [2005-07-23] SYN: Röntgenstrahllithographie QUE: http://www.uwetran.de/verfahren/lithographie.html [2005-07-23] X-ray lithography DEF: A variant of lithography that takes advantage of the short wavelength of X-rays: in the

production of a semiconductor device, an X-ray beam can be used to create a pattern on the substrate surface.

QUE: The New Penguin Dic. o. Sc. (1998) KF: XRL QUE: www.xraylith.wisc.edu/overview/xrlayout.html [2004-07-30]

Röntgenmikroskopie DEF: Kurzwellige elektromagnetische Strahlung (Röntgenstrahlung) nutzende abbildende

Mikroskopie. Die gegenüber sichtbarem Licht sehr viel kürzere Wellenlänge (meist um 3 nm) bewirkt eine größere Auflösung von wenigen 10 nm.

QUE: nach: O-L der Physik (2004-5) X-ray microscopy DEF: Any technique that utilizes X-radiation for magnification of 100-1000 diameters or for

chemical analysis; including contact and projection microradiography, reflection X-ray microscopy, or X-ray image spectrography.

QUE: nach: Academic Press DoSaT (1992) KF: XRM

http://hydrogen.physik.uni-wuppertal.de/kfsyn/kfs_broschuere/

http://www.spring8.or.jp/e/user_info/riyou/contact/

http://www.uwetran.de/verfahren/lithographie.html

http://www.uwetran.de/verfahren/lithographie.html

http://www.xraylith.wisc.edu/overview/xrlayout.html

Glossar 187

QUE: http://www.iupac.org/publications/analytical_compendium/ [2005-07-26]

Rotaxan DEF: Rotaxane bestehen aus einem Linearmolekül auf das ein Ringmolekül aufgefädelt ist,

welches durch große Stoppermoleküle am Ende des Linearmoleküls fixiert ist QUE: http://www.sv-reiskirchen.de/Downloads/Polyrotaxane.pdf [2005-08-07] rotaxane DEF: A supramolecular species consisting of a dumbbell-shaped component and a

macrocyclic component which surrounds the linear portion of the dumbbell and is trapped mechanically by bulky stoppers.


S

Schattenprojektion KON: Die Bildübertragung von der Maske in die Resistschicht kann ohne optische

Hilfsmittel durch Schattenprojektion erfolgen. QUE: O-L der Optik (2004-5) shadow printing DEF: In shadow printing, the mask and wafer may be in direct contact, as in contact

printing, or in close proximity, as in proximity printing. QUE: http://personal.cityu.edu.hk/~appkchu/AP4120/5.PDF [2005-07-23]

Schichtstapel QUE: Köhler (2001:180) DEF: Ist mehr als nur eine monomolekulare Schicht sorbiert, spricht man von einem

Schichtstapel. QUE: nach: Römpp (1999) SYN: Mehrfachschicht QUE: http://www.nanoscience.at/galerie_hl_sigedots_de.html [2005-09-03] multilayer DEF: A system of adjacent layers or monolayers. QUE: IUPAC CoCT (1997)

Schleuderbeschichtung DEF: Methode zur Beschichtung, bei der ein flüssiges Beschichtungsmaterial auf ein

rotierendes Substrat aufgetropft wird. Das Beschichtungsmaterial verteilt sich auf dem

http://www.iupac.org/publications/analytical_compendium/

http://www.sv-reiskirchen.de/Downloads/Polyrotaxane.pdf


http://www.nanoscience.at/galerie_hl_sigedots_de.html

Glossar 188

Substrat und während des Abdampfens des Lösungsmittels bildet sich eine dünne Schicht mit weitgehend homogener Schichtdicke.

QUE: O-L der Physik (2004-5) QSYN: Schleuderbelackung ANM: Wird für Schleuderbeschichtung i.A. gebraucht; da man theoretisch auch andere

Materialien als Lack verwenden kann, ist sie glz. ein Unterbegriff. QUE: vgl. Döllefeld (2001:54) spin coating DEF: A coating process in which a thin film is created by dropping a raw material solution

onto a substrate, such as a glass plate, while it is rotating at high speed. QUE: http://efunda.intota.com [2004-03-25] SYN: spin-on coating QUE: http://www.hitachi-chem.co.jp/english/products/srm/018.html [2005-07-10]

Sekundärionen-Massenspektrometrie DEF: In der Sekundärionen-Massenspektrometrie werden in einer Primärionenquelle aus

einem reinen Gas (Edelgase oder Sauerstoff) Ionen erzeugt, die anschließend beschleunigt und auf eine Probe fokussiert werden. Durch diesen Ionenbeschuß werden Sekundär-Ionen ausgelöst, die im Massenspektrometer untersucht werden.

QUE: nach: O-L der Chemie (2004-5) KF: SIMS QUE: http://www.oeaw.ac.at/esi/download/pdf/TagungsBand-a4-2002-09-19.pdf [2005-08-

01] secondary ion mass spectrometry DEF: Bombardment of a sample surface with a primary ion beam followed by mass

spectrometry of the emitted secondary ions constitutes secondary ion mass spectrometry.

QUE: nach: http://www.eaglabs.com/cai/simstheo/intro.htm [2005-08-01] KF: SIMS QUE: http://www.iupac.org/publications/analytical_compendium/ [2005-07-30]

Selbstorganisation (supramolekulare ~) DEF: Die spontane Verbindung von Molekülen unter thermodynamischen

Gleichgewichtsbedingungen, durch die strukturell und funktionell wohldefinierte Aggregate entstehen.

QUE: nach: http://www.uni-saarland.de/fak7/hartmann/download/ [2005-07-24] ANM: weitaus häufigster Terminus SYN: Selbst-Assemblierung QUE: O-L der Physik (2004-5) SYN: Selbstanordnung QUE: http://www.wissenschaft.de/wissen/news/215148.html [2005-07-24] SYN: Selbstzusammenbau QUE: http://www.nccr-nano.org/nccr/study/timetables/stundenplan4/nano3 [2005-08-15]

http://efunda.intota.com/

http://www.hitachi-chem.co.jp/english/products/srm/018.html

http://www.oeaw.ac.at/esi/download/pdf/TagungsBand-a4-2002-09-19.pdf

http://www.eaglabs.com/cai/simstheo/intro.htm

http://www.iupac.org/publications/analytical_compendium/

http://www.uni-saarland.de/fak7/hartmann/download/

http://www.wissenschaft.de/wissen/news/215148.html

http://www.nccr-nano.org/nccr/study/timetables/stundenplan4/nano3

Glossar 189

self-assembly (supramolecular ~) DEF: [T]he process that leads to the construction of large and ordered superstructures by the

use of weak, reversible non-covalent bonding interactions between complementary molecular structures.

QUE: Gómez-López/ Stoddart (2002/2000:642) QSYN: self-organization QUE: Balzani/ Credi/ Venturi (2003:471) ANM: seltener als „self-assembly“, betrifft dafür aber ausschließlich supramolekulare

Systeme, s.a. Fußnote Kap. 5.7.4 QUE: Lehn (1995:140)

selbstorganisierte Monoschicht DEF: Geordnete Aggregate von Molekülen, die sich auf einem Substrat spontan durch die Adsorption einer oberflächenaktiven Spezies mit einer Affinität seiner Kopfgruppe zu diesem Substrat ausbilden. QUE: Weckenmann (2002:7) KF: SAM QUE: Weckenmann (2002:7) self-assembled monolayer DEF: SAMs are ordered molecular assemblies formed by the adsorption of an active

surfactant on a solid surface. QUE: Kirk-Othmer (1997) KF: SAM QUE: Kirk-Othmer (1997)

Sensor DEF: Funktions- oder Bauelement, das physikal. u. a. Größen, z. B. Temperatur, Druck und

Dichte von Gasen, Lage und Bewegungen eines Körpers im Raum, elektromagnet. Erscheinungen (z. B. in Atmosphäre, Weltraum) erfasst und in elektr. Signale umsetzt.

QUE: Der Brockhaus i.e.B. (2005) SYN: Messfühler QUE: Der Brockhaus i.e.B. (2005) QSYN: Transducer QUE: vgl. Köhler (2001:241ff) sensor DEF: A device that responds to a physical stimulus (as heat, light, sound, pressure,

magnetism, or a particular motion) and transmits a resulting impulse (as for measurement or operating a control).

QUE: Enc. Britannica (2005) QSYN: transducer QUE: Lyshevski (2002:12)

Glossar 190

Sol-Gel-Technik DEF: Verfahren zur Herstellung von Gelen. Dabei wird in aus metallorganischen

Verbindungen gebildeten Dispersionen (Sole) kleiner Teilchen (< 0,1 μm) durch Verdampfen der Flüssigkeit oder Zugabe eines geeigneten Initiators die typische dreidimensionale gelartige Struktur erzeugt. Durch weiteren Flüssigkeitsentzug härtet das Gel aus.

QUE: nach: O-L der Physik (2004-5) sol-gel technique DEF: The sol-gel technique basically creates a three-dimensional network of inorganic

matter, known as gel, from a colloidal or molecular solution of the precursor (sol), by low temperature polymerization. The "wet" gel is dried to remove water. The porous gel is then converted into glass or ceramic.

QUE: http://www.cranfield.ac.uk/sims/materials/nanotech/solgel.html [2004-02-27]

Sprühbeschichtung QUE: Lex. d. Oberflächentechnik (1989:64) DEF: Eine Beschichtungstechnik, die eine flüssige und haftende Substanz zerstäubt und auf

ein Objekt oder Material aufbringt. QUE: nach: http://efunda.intota.com [2004-03-25] und Lex. d. Oberflächentechnik (1989:64) QSYN: Spritzlackieren QUE: http://www.home.fh-karlsruhe.de/~vost0015/tdf/scripte/beschichten.pdf [2005-07-10] QSYN: Sprühlackieren QUE: http://www.hobbyatelier.de/grundkurs/spruehlackieren.htm [2005-07-10] ANM: Spritz- bzw. Sprühlackieren sind gebräuchlicher als Sprühbeschichten, jedoch

beschränkt sich ihre zu zerstäubende Flüssigkeit, wie der Benennung schon zu entnehmen ist, auf Lacke.

spray coating DEF: Coating which involves spraying a liquid coating substance onto an object or material. QUE: http://efunda.intota.com [2004-03-25] SYN: spray-on technique QUE: http://www.hq.nasa.gov/office/pao/History/x15lect/structur.html [2004-03-25]

Sputterätzen DEF: Beim Sputterätzen werden die in einer Gasentladung produzierten Inertionen (z.B.

Edelgasionen) auf das Substrat beschleunigt, welches mit dem Plasma in Berührung steht. Durch den Einschlag der Inertionen werden Atome oder Atomgruppen vom Substrat herausgeschleudert.

QUE: nach: O-L der Physik (2004-5) QSYN: Sputtern QUE: O-L der Physik (2004-5) SYN: Ionenätzen QUE: http://www.uwetran.de/verfahren/ibe.html [2005-07-23]

http://www.cranfield.ac.uk/sims/materials/nanotech/solgel.html


http://www.home.fh-karlsruhe.de/~vost0015/tdf/scripte/beschichten.pdf

http://www.hobbyatelier.de/grundkurs/spruehlackieren.htm


http://www.hq.nasa.gov/office/pao/History/x15lect/structur.html


Glossar 191

sputter etching DEF: Bombardment of the target by high energy ions (e.g. Ar+) extracted from plasma for

the purpose of material removal from the target (etching); highly anisotropic, highly non-selective etching method.

QUE: http://semiconductorglossary.com/ [2005-07-21] QSYN: sputtering QUE: http://semiconductorglossary.com/ [2005-07-21] SYN: ion etching KF: IE QUE: O-L der Physik (2004-5) QSYN: ion milling ANM: Ist zugleich auch Oberbegriff für Sputterätzen und Ionenstrahlätzen. QUE: Menz/ Mohr (1997:147)

Sputterbeschichtung QUE: Köhler (2001:50) DEF: Nach dem Prinzip der Kathodenzerstäubung arbeitendes Beschichtungsverfahren u. a.

in der Halbleitertechnik (Dünnschichttechnik). QUE: Der Brockhaus i.e.B. (2005) QSYN: Sputtern ANM: Oberbegriff für Sputterbeschichtung und Sputterätzen und zugleich deren Synonym QUE: O-L der Physik (2004-5) QSYN: Kathodenzerstäubung ANM: Oberbegriff für Sputterbeschichtung und Sputterätzen und zugleich deren Synonym QUE: O-L der Physik (2004-5) sputter deposition DEF: A process used to deposit materials where a plasma is used to generate ions, the ions

are attracted to a target, the ions impact the target and physically knock loose target atoms, and the atoms knocked loose condense out on wafers placed in the chamber depositing a film.

QUE: http://www.semicontimes.com/common/glossary.asp?termid=627 [2005-07-20] QSYN: Sputtering ANM: Oberbegriff für Sputterbeschichtung und Sputterätzen und zugleich deren Synonym QUE: nach: O-L der Physik (2004-5)

Sputtern ANM: siehe Sputterätzen oder Sputterbeschichtung

Stranski-Krastanov-Wachstum DEF: Stranski-Krastanow-Wachstum, Aufwachsprozeß bei der Entstehung von dünnen

Schichten. Während der Keimbildung bildet sich eine erste monoatomare Schicht, auf



http://www.semicontimes.com/common/glossary.asp?termid=627

Glossar 192

der das weitere Schichtwachstum in Form von Inselwachstum erfolgt (Volmer-Weber-Wachstum)

QUE: O-L der Physik (2004-5) SYN: Lage-plus-Insel-Wachstum QUE: Würz (2001:113) Stranski-Krastanov growth DEF: The Stranski-Krastanov growth is a combination of the Frank-van der Merwe and

Volmer-Weber growth. In this case, after first forming one or more monolayers, further layer growth becomes unfavorable and 3-D islands form. The transition from 2-D to 3-D growth is not completely understood but can be driven in some cases by the release of elastic energy stored in the film due to film/substrate lattice mismatch.

QUE: nach: Greene (1994:708) SYN: layer-plus-island growth QUE: http://www.fyslab.hut.fi/scanning/annrep94.html [2005-07-23]

Supramolekül DEF: Besteht aus mehreren konventionellen Molekülen, die von intermolekularen

Bindungen in einer räumlich (geometr., topolog.) definierten Weise zusammengehalten werden.

QUE: Römpp (1999) ANM: Obwohl die einfachere Bezeichnung „Supramolekül“ in der Häufigkeit führt, bleibt

abzuwarten, welche Benennung sich schließlich durchsetzt. SYN: supramolekulares Aggregat QUE: Köhler (2001:31) QSYN: supramolekularer Komplex ANM: kann auch insbesondere eine supramol. Koordinationsverbindung bezeichnen QUE: http://www.uni-koeln.de/math-nat-fak/anorgchem/klein/KC1_Kapitel0 [2005-03-22] SYN: supramolekulare Spezies QUE: Römpp (1999) SYN: supramolekulare Struktur QUE: Vögtle (1992:17) SYN: supramolekulare Verbindung QUE: http://www.uni-koeln.de/math-nat-fak/anorgchem/klein/KC1_Kapitel0 [2005-07-24] SYN: Molekülkomplex QUE: Vögtle (1992:15) SYN: Molekülaggregat QUE: Vögtle (1992:16) SYN: Molekül-Cluster QUE: Köhler (2001:140) SYN: Supermolekül QUE: Römpp (1999) SYN: Übermolekül QUE: Vögtle (1992:21) ANM: eher umschreibende Bezeichnung supramolecule DEF: A system of two or more molecular entities held together and organized by means of

intermolecular (noncovalent) binding interactions.

http://www.fyslab.hut.fi/scanning/annrep94.html

http://www.uni-koeln.de/math-nat-fak/anorgchem/klein/KC1_Kapitel0


Glossar 193

QUE: IUPAC CoCT (1997) QSYN: supramolecular assembly QUE: http://www.iupac.org/publications/pac/1993/pdf/6507x1471.pdf [2005-07-24] ANM: Kann auch (supramolecular) self-assembly bedeuten QUE: http://encyclopedia.fablis.com/index.php/Supramolecular_assemblies [2005-02-22] SYN: supramolecular system QUE: Balzani/ Credi/ Venturi (2003:472) SYN: supramolecular species QUE: Balzani/ Credi/ Venturi (2003:472) QSYN: supramolecular complex QUE: http://www.iupac.org/publications/pac/1993/pdf/6511x2329.pdf [2005-07-24] ANM: kann auch insbesondere eine supramol. Koordinationsverbindung bezeichnen QUE: http://www.uni-koeln.de/math-nat-fak/anorgchem/klein/KC1_Kapitel0 [2005-03-22] QSYN: multicomponent system QUE: Balzani/ Credi/ Venturi (2003:472)

Synthese (chemische ~) DEF: Aufbau von chemischen Verbindungen aus Atomen verschiedener chemischer

Elemente bzw. aus verschiedenen Molekülen, indem Atomgruppen derselben zu neuen Verbindungen zusammentreten.

QUE: O-L der Biologie (2004-5) QSYN: Synthesechemie QUE: O-L der Chemie (2004-5) synthesis (chemical ~) DEF1: The formation of a compound from its elements, as distinct from any other route, as in

the ammonia synthesis. QUE: The New Penguin Dic. o. Sc. (1998) DEF2: In a more general sense, used typically in organic chemistry, the synthetic route

outlines how a chemical is made from others in a logical sequence of steps. QUE: The New Penguin Dic. o. Sc. (1998)

T

Tauchbeschichtung DEF: Eine Beschichtungstechnologie, bei der das Beschichtungsmaterial flüssig vorliegt und

der Kontakt mit dem Substrat durch Eintauchen unter kontrollierten Bedingungen erfolgt. Die Schicht bildet sich durch eine chemische Reaktion oder auch nur durch Eintrocknen sowie durch Abkühlen.

QUE: O-L der Physik (2004-5) dip-coating DEF: The process in which a substrate is immersed in a solution (or dispersion) containing

the coating material and is then withdrawn. QUE: http://www.p2pays.org/ref/01/00777/appxf.htm [2005-07-10]

http://www.iupac.org/publications/pac/1993/pdf/6507x1471.pdf

http://encyclopedia.fablis.com/index.php/Supramolecular_assemblies



http://www.p2pays.org/ref/01/00777/appxf.htm

Glossar 194

thermische CVD DEF: Beim thermischen CVD-Prozess findet die Reaktion (Reduktion, Oxidation, Pyrolyse)

in der Dampfphase nahe oder auf dem Substrat bei erhöhter Temperatur (200-2000 °C) und Drücken (105 Pa) statt.

QUE: www.uni-muenster.de/Chemie/PC/Funke/roling/matwiss/stunde9.pdf [2004-02-27] SYN: konventionelle CVD QUE: http://webdb.uni-graz.at/~kleinaxe/Mat_Kapitel2.pdf [2005-07-13] thermal CVD DEF: Conventional thermal CVD processes supply reactive gases to the substrate surface

where heat-induced chemical reactions take place to produce a desired film. QUE: http://www.freepatentsonline.com/6287990.html [2005-07-16]

Topologie (molekulare/ atomare ~) DEF: Geometrie und Raumzusammenhang von Nanopartikeln oder ihrer Bestandteile. QUE: nach: Köhler (2001:106) topology (molecular/ atomic ~) DEF: In a (supra-) molecular species it concerns the relative spatial distribution of

components. QUE: nach: Balzani/ Credi/ Venturi (2003:473)

Transmissionselektronen-Mikroskopie DEF: Mikroskopie, die zur Vergrößerung nicht elektromagnetische Strahlung, sondern

Teilchenstrahlung (Elektronen) verwendet. Die Elektronen treten in Wechselwirkung mit dem Präparat, werden nachgewiesen und in ein Bild umgewandelt.

QUE: nach: O-L der Physik (2004-5) ANM: gegenüber „Elektronenmikroskopie“ empfohlene Benennung QUE: IUPAC CoCT (1997) KF: TEM QUE: O-L der Physik (2004-5) SYN: Durchstrahlungselektronenmikroskop QUE: http://www.oeaw.ac.at/esi/deutsch/forschung/einrichtungen/em/tem.html [2005-07-23] QSYN: Elektronenmikroskopie QUE: http://www.biologie.uni-hamburg.de/b-online/d03/03e.htm [2005-07-23] KF: EM QUE: http://www.med-serv.de/ma-679-EM.html [2005-07-23] ANM: Zugleich Oberbegriff für TEM und SEM QUE: Rubahn (2002:64) transmission electron microscopy DEF: Any technique in which an electron transparent sample is bombarded with




http://www.oeaw.ac.at/esi/deutsch/forschung/einrichtungen/em/tem.html

http://www.biologie.uni-hamburg.de/b-online/d03/03e.htm

http://www.med-serv.de/ma-679-EM.html

Glossar 195

an electron beam and the intensity of the transmitted electrons which is determined by scattering phenomena (electron absorption phenomena) in the interior of the sample is recorded. TEM essentially provides a high resolution image of the microstructure of a thin sample. QUE: IUPAC CoCT (1997) ANM: gegenüber „electron microscopy“ empfohlene Benennung QUE: http://www.iupac.org/publications/analytical_compendium/Cha17sec63.pdf [2005-

07-26] KF: TEM QUE: Seeck (2003:285) QSYN: electron microscopy QUE: http://swehsc.pharmacy.arizona.edu/exppath/micro/em.html [2005-07-23] KF: EM QUE: http://swehsc.pharmacy.arizona.edu/exppath/micro/em.html [2005-07-23] ANM: Zugleich Oberbegriff für TEM und SEM QUE: http://www.smt.zeiss.com/ [2005-07-23]

Trockenätzen DEF: Alle Ätzverfahren, bei denen der Materialabtrag von der Oberfläche eines Festkörpers

in den Gasraum erfolgt, werden unter dem Begriff des „Trockenätzens“ zusammengefasst.

QUE: nach: Köhler (1998:127) dry etching DEF: In dry etching, the material is sputtered or dissolved using reactive ions or a vapor

phase etchant. QUE: http://www.csa.com/hottopics/mems/glossary/etch.html [2004-08-08]

U

Ultramikroskopie DEF: Mikroskopie in Dunkelfeld-Technik (mit seitlicher Beleuchtung) zur Sichtbarmachung

submikroskopischer Objekte (= Submikronen; Ø 6–140 nm). Größe u. Gestalt der Teilchen sind hierdurch aber – im Gegensatz zur Elektronenmikroskopie – nicht bestimmbar.

QUE: Roche Lex. Med. (1999) ultramicroscopy DEF: A microscopy for studying liquid suspensions of particles too small for direct

microscopy (10nm- 1µm), using light scattered by the particles at right angles. It allows their number and position to be determined, their motion to be followed, and their size to be estimated, though no structural detail can be discerned.

QUE: nach: Illustrated Dic. of Sc. (1988)


http://swehsc.pharmacy.arizona.edu/exppath/micro/em.html


http://www.smt.zeiss.com/


Glossar 196

V

Vakuumbedampfung DEF: PVD-Verfahren, das Beschichtungsmaterial wird im Vakuum verdampft (z.B. durch

Widerstandsheizung oder über Aufheizung mit einem Elektronenstrahl). Der Dampf schlägt sich am Substrat nieder.

QUE: http://www.techportal.de/de/26/2/lexikon,public,lexilist,0/34/ [2005-07-03] SYN: Vakuumaufdampfen QUE: http://avt-vakuumtechnik.de/lexikon/physik/ [2005-07-20] SYN: Vakuumbeschichtung QUE: http://avt-vakuumtechnik.de/lexikon/physik/ [2005-07-20] vacuum evaporation DEF: The deposition of a thin film of some material on a substance by evaporation from a

boiling source in a hard vacuum. QUE: Academic Press DoSaT (1992) SYN: vacuum deposition QUE: Academic Press DoSaT (1992) SYN: vacuum coating QUE: http://www.svc.org/ [2005-07-20]

Van-der-Waals-Wechselwirkungen QUE: Köhler (2001:15) DEF: Atomare und molekulare Anziehungskräfte, die durch den Dipoleffekt (zwischen

permanenten Dipolen), den Induktionseffekt (zwischen permanenten und induzierten Dipolen) und den Dispersionseffekt (zwischen induzierten Dipolen) hervorgerufen werden.

QUE: http://www.dataphysics.de/deutsch/service_gloss.htm [2005-07-10] SYN: Van-der-Waals-Kräfte QUE: Römpp (1999) van der Waals forces DEF: The attractive or repulsive forces between molecular entities (or between groups

within the same molecular entity) other than those due to bond formation or to the electrostatic inteaction of ions or of ionic groups with one another or with neutral molecules. The term includes: dipole–dipole, dipole–induced dipole and London (instantaneous induced dipole–induced dipole) forces.

QUE: IUPAC CoCT (1997) ANM: The term is sometimes used loosely for the totality of nonspecific attractive or repulsive intermolecular forces. QUE: IUPAC CoCT (1997)

Volmer-Weber-Wachstum DEF: Aufwachsprozess bei der Entstehung von dünnen Schichten. Während der

Keimbildung bilden sich durch die hohe Oberflächenbeweglichkeit der Atome


http://avt-vakuumtechnik.de/lexikon/physik/


http://www.svc.org/


Glossar 197

einzelne Inseln, die bei weiterer Materialzufuhr wachsen und schließlich eine geschlossene Schicht bilden.

QUE: O-L der Physik (2004-5) SYN: Inselwachstum QUE: http://wwwnlds.physik.tu-berlin.de/~kunert/diplom/html/node12.html [2005-07-23] Volmer-Weber growth DEF: During three-dimensional (3-D) island, or Volmer-Weber, growth, small clusters are

nucleated directly on the substrate surface. The clusters then grow into islands [...]. This type of growth occurs when the film atoms are more strongly bound to each other than to the substrate as is often the case for metal films on insulators or contaminated substrates.

QUE: Greene (1994:708) SYN: island growth QUE: Greene (1994:708)

W

Wasserstoffbrücken-Bindung DEF: Bezeichnet eine wichtige Form von Nebenvalenzbindung. Diese bildet sich zwischen

einem an elektronegativen Element kovalent gebundenen Wasserstoff-Atom und dem einsamen Elektronenpaar eines anderen elektronegativen Atoms aus.

QUE: http://www.dataphysics.de/deutsch/service_gloss.htm [2005-06-16] hydrogen bond DEF: A relatively weak chemical bond arising when a hydrogen atom covalently linked to

an atom X forms an additional bond with another atom Y either in the same or in another molecule; strong hydrogen bonds are formed when X and Y are electronegative atoms (e.g., N,O)


Z

zellulärer Quantenautomat DEF: Bei zellulären Quantenautomaten wird das Umklappen von Besetzungszuständen in

quadratischen Arrays mit 4 Quantenpunkten ausgenutzt, die die Elementarzellen von Logiken bilden.

QUE: nach: Köhler (2001:282) KF: QCA QUE: Köhler (2001:282) SYN: Quantenpunkt-Zellen QUE: http://www.heise.de/ct/01/06/170 [2005-08-08] Quantum-dot cellular automata

http://wwwnlds.physik.tu-berlin.de/~kunert/diplom/html/node12.html


http://www.heise.de/ct/01/06/170

Glossar 198

DEF: Quantum logic circuits created by orientating pairs of quantum cells so that their relative positions determine their affect on each other.

QUE: http://computing-dictionary.thefreedictionary.com [2005-08-08] KF: QCA QUE: http://computing-dictionary.thefreedictionary.com [2005-08-08] SYN: quantum cellular automata QUE: http://cism.jpl.nasa.gov/program/RCT/Applications.html [2004-10-19]

http://computing-dictionary.thefreedictionary.com/


http://cism.jpl.nasa.gov/program/RCT/Applications.html

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