Nanotechnologie für Einsteiger

Wilhelm Kulisch ist Privatdozent am Fachbereich für Mathematik und Naturwissenschaften der Universität Kassel. Er studierte Physik an den Universitäten Münster und Kassel und arbeitete dort an den Instituten für Angewandte Physik bzw. Technische Physik. Seine Forschungsthemen umfassen die Halbleiterphysik, die Materialwissenschaften sowie die Nanostrukturwissenschaften. Wilhelm Kulisch besitzt große Lehrerfahrung in den Bereichen der Nanotechnologie und der Technischen Physik.

• Vorwort XI 1 Einführung 11.1 Nanowissenschaften und Nanotechnologie 11.2 Nanowissenschaften sind interdisziplinär 31.3 Nanotechnologie – Heilsbringer oder Risiko? 31.4 Kohlenstoffnanostrukturen 41.5 Der Aufbau dieses Buchs 5Literatur 7Teil I Nanotechnologie und Nanostrukturen 92 Nanostrukturen 112.1 Definition 112.2 Physik und Chemie im Nanometerbereich 122.2.1 Der Einfluss der Oberfläche 132.2.2 Platzersparnis 142.2.3 Kritische Längen 162.2.4 Quantenmechanik 222.3 Arten von Nanostrukturen 252.4 Vorbilder in der Natur 312.5 Wissen testen 34Literatur 353 Herstellung von Nanostrukturen 373.1 Grundlegende Ansätze zur Herstellung von Nanostrukturen 373.2 Top-down-Verfahren 373.2.1 Erzeugung von Nanopartikeln durchMahlen 393.2.2 Mechanische Oberflächenermüdung 403.2.3 Lithografie und Ätzen 413.3 Irgendwo dazwischen: die weiche Lithografie 443.3.1 Nanokontaktdruck 453.3.2 Weitere auf Stempeln beruhende Verfahren der weichen Lithografie 463.3.3 Dip-Pen-Nanolithografie 473.4 Bottom-up-Verfahren 483.4.1 Selbstassemblierte Systeme und Schichten 503.4.2 Verwendung von Templates 523.4.3 Verwendung von DNA 543.4.4 Prozessführung 553.5 Funktionalisierung 553.5.1 Möglichkeiten zur Funktionalisierung 563.5.2 Verleihung von Funktionalitäten 593.6 Wissen testen 62Literatur 624 Charakterisierung von Nanostrukturen 654.1 Kann man Atome sehen? 654.1.1 Das Rayleigh-Kriterium 654.1.2 Reduzierung derWellenlänge elektromagnetischer Strahlung 664.1.3 Die Lösung: Teilchenstrahlen 674.2 Elektronenstrahlverfahren 684.2.1 SEM 684.2.2 TEMund HRTEM 704.2.3 TED und EELS 714.3 Charakterisierung mittels Nanosystemen: Rastersondenmikroskopie 724.3.1 Rastertunnelmikroskopie 734.3.2 AFM 764.3.3 Weitere Verfahren 794.4 Makroskopische Verfahren 824.4.1 Raman-Spektroskopie 824.4.2 Weitere spektroskopische Verfahren 854.4.3 Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung 854.4.4 Beugungsverfahren zur Ermittlung der Kristallinität 884.5 Wissen testen 90Literatur 90Teil II Das Element Kohlenstoff 935 Das Element Kohlenstoff 955.1 Vorkommen 955.1.1 Die Entstehung von Kohlenstoff 965.1.2 Bedeutung als Energieträger 975.1.3 Bedeutung in der Biologie 97Inhaltsverzeichnis VII5.2 Die besondere Chemie des Kohlenstoffs 985.2.1 Hybridisierung 985.2.2 Ring- und Kettenbildung 1005.2.3 Polymere 1035.2.4 Fremdatome und funktionelle Gruppen 1045.3 Wissen testen 107Literatur 1086 Kohlenstofffestkörpermodifikationen 1096.1 Diamant 1116.1.1 Vorkommen und Herstellung 1116.1.2 Physikalische Eigenschaften 1186.1.3 Chemische Eigenschaften 1216.1.4 Anwendungen 1216.2 Graphit 1226.2.1 Struktur 1226.2.2 Gewinnung bzw. Herstellung 1236.2.3 Physikalische Eigenschaften 1236.2.4 Chemische Eigenschaften 1246.2.5 Anwendungen 1256.3 Weitere Modifikationen 1276.3.1 Glaskohlenstoff 1276.3.2 Ruß 1286.3.3 Amorpher Kohlenstoff 1296.4 Wissen testen 130Literatur 131Teil III Kohlenstoff-Nanostrukturen 1337 Punktförmige Kohlenstoffnanostrukturen: Fullerene 1357.1 Entdeckung 1357.2 Struktur 1377.2.1 Die große Varietät der Fullerene 1377.2.2 C60 und C70 1397.2.3 Nomenklatur 1407.3 Fullerite 1407.4 Fullerene mit Fremdatomen 1417.4.1 Heterofullerene 1417.4.2 Endohedrale Komplexe 1427.5 Herstellung 1447.5.1 Laserablation 1447.5.2 Thermische Zersetzung 1447.5.3 Vakuum-Bogenentladung 1467.5.4 Pyrolyse 1467.5.5 Verbrennungsverfahren 1477.5.6 Vergleich der Verfahren 1477.6 Weiterverarbeitung 1487.6.1 Reinigung und Anreicherung 1487.6.2 Funktionalisierung 1497.6.3 Polymerisation 1507.7 Eigenschaften von Fullerenen 1507.7.1 Chemische Eigenschaften 1517.7.2 Mechanische Eigenschaften 1517.7.3 Optische Eigenschaften 1527.8 Anwendungen 1527.8.1 Wasserstoffspeicherung 1557.8.2 Härtung vonMaterialien 1557.8.3 Medizin 1557.9 Wissen testen 159Literatur 1608 Eindimensionale Kohlenstoffnanostrukturen: Nanoröhrchen 1638.1 Entdeckung 1638.2 Beschreibung, Klassifizierung und Nomenklatur 1648.2.1 Armchair-, Zigzag- und chirale Röhrchen 1648.2.2 Singlewall- andMultiwall-Röhrchen 1678.2.3 Die Enden der Nanoröhrchen 1688.2.4 Spezielle Arten von CNTs 1688.2.5 Nanoröhrchenmit Fremdatomen 1708.2.6 Nanoröhrchen aus anderenMaterialien 1728.3 Herstellung 1728.3.1 Physikalische Verfahren 1728.3.2 CVD-Verfahren 1738.3.3 Ein spezielles Beispiel: das HiPCO-Verfahren 1778.3.4 Zusammenfassender Vergleich 1788.3.5 Reinigung, Trennung und Aufbereitung 1798.3.6 CNT-Bündel, -Fasern und -Filme 1818.4 Eigenschaften 1858.4.1 Mechanische Eigenschaften 1868.4.2 Elektrische und elektronische Eigenschaften 1868.4.3 Thermische Eigenschaften 1878.4.4 Chemische Eigenschaften 1888.5 Anwendungen 1888.5.1 Nanoverbundwerkstoffe 1898.5.2 Anwendungen in elektronischen Bauelementen 1908.5.3 Feldemission 1968.5.4 Sensoren 1978.5.5 Anwendung von CNTs in der Medizin 1988.5.6 Weitere Anwendungen 2008.5.7 Gegenwärtige Probleme 2008.6 Wissen testen 201Literatur 2019 Zweidimensionale Kohlenstoffnanostrukturen: Graphen 2059.1 Entdeckung 2059.2 Struktur 2069.3 Herstellung 2079.3.1 Ablöseverfahren 2089.3.2 CVD-Verfahren 2089.3.3 Direktes epitaktischesWachstum durch Segregation 2099.3.4 Transfer auf geeignete Substrate 2109.3.5 Graphenwachstum auf SiC 2119.3.6 Reduktion von Graphenoxid 2129.4 Eigenschaften 2149.4.1 Mechanische Eigenschaften 2159.4.2 Elektrische und elektronische Eigenschaften 2159.4.3 Thermische Eigenschaften 2169.4.4 Optische Eigenschaften 2169.4.5 Chemische Eigenschaften 2179.4.6 Weitere Eigenschaften 2179.5 Anwendungen 2189.5.1 Graphentransistor 2189.5.2 Chemische Sensoren und Biosensoren 2199.5.3 Nanoverbundwerkstoffe 2219.6 Wissen testen 221Literatur 22310 Dreidimensionale Kohlenstoffnanostrukturen 22510.1 Kohlenstoffnanozwiebeln 22510.1.1 Struktur 22510.1.2 Herstellung 22710.1.3 Eigenschaften 23010.1.4 Anwendungen 23010.2 Kohlenstoffnanohörner 23110.3 Weitere graphitische dreidimensionale Kohlenstoffnanostrukturen 23410.4 Zusammenfassung: graphitähnliche dreidimensionale Kohlenstoffnanostrukturen 23610.5 Diamantnanopartikel 23610.5.1 Herstellungsverfahren 23710.5.2 Struktur, Aufbereitung und Funktionalisierung 23910.5.3 Anwendungen 24010.6 Nano- und ultrananokristalline Diamantschichten 24010.7 Diamantnanosäulen und Nanostäbe 24310.8 Wissen testen 243Literatur 24411 Verwandte Nanostrukturen aus anderen Elementen 24711.1 Bornitrid 24711.1.1 Herstellung von BN 24911.1.2 Eigenschaften von BN 24911.1.3 BN-Nanostrukturen 25011.1.4 BN-Nanoröhrchen 25111.1.5 Weitere BN-Nanostrukturen 25511.2 Silizium 26011.2.1 Siliziumnanodrähte 26111.2.2 Siliziumquantenpunkte 26211.2.3 Mesoporöse SiO2-Nanoteilchen 26411.3 Wissen testen 265Literatur 266Richtig gelöst 269Stichwortverzeichnis 283

"Dieses Sachbuch gibt einen guten Einblick in das komplexe Thema der Nanotechnologie."Materials and Corrosion (11/2017) "Didaktisch sehr gelungen und mit hochwertigen Abbildungen ergänzt, stellt der Autor die vielfältigen Arten von Nanostrukturen dar und erläutert zahlreiche Herstellungs- und Charakterisierungsmethoden."Physik in unserer Zeit (04.09.2017) "Das anschauliche und wissenschaftlich fundierte Lehrbuch beginnt mit einer Einführung in die Physik der Nanotechnologie und der Nanostrukturen sowie deren Herstellung und Charakterisierung (...)."Allgemeines Ministerialblatt (06.06.2017) Obwohl in dem Buch Einsatzmöglichkeiten und damit verbundene Probleme der Nanotechnologie im Lebensmittel- und Ernährungsbereich nicht diskutiert werden, ist es für Studierende ein didaktisch klug aufgebauter Einstieg in die interdisziplinäre Wissenschaft Nanotechnologie. Es gibt kaum Literatur, in der vor allem didaktisch geschickt und gut lesbar begründet wird, warum sich Nanomaterialien im Verhalten deutlich von makroskopischen Materialien unterscheiden. Da nanoskalierte Materialien bei der Herstellung von Lebensmitteln und kosmetischen Mitteln immer wichtiger werden, empfehle ich das Buch besonders auch den Studierenden der Lebensmittelchemie und ? technologie als didaktisch gut gemachten Einstieg in das Thema.Prof. Dr. Steinhart, Universität Hamburg Das Buch basiert auf den erfolgreichen Vorlesungen des Autors und wurde hinsichtlich von Stil und Niveau geschrieben für Studenten mit nur geringen Vorkenntnissen der Festkörperphysik. (...) Der Autor kombiniert dabei wissenschaftliche Fachkenntnis mit guter Didaktik und studentengerechtem Schreibstil. Zielgruppe sind speziell Master-Studenten der Materialwissenschaften, Master-Studenten und Dozenten der Physik, Chemie und Biologie sowie Bibliotheken.Konstruktion (01.04.2017) Die einzelnen Kapitel sind sehr gut für das jeweilige Thema aufgebaut, wobei die entsprechende Thematik sehr gut erklärt und mit geeigneten Bildern untermauert wird. Dabei wird vor allem viel Wert auf Verständnis gelegt. (...) Das Buch bietet einen guten Einstieg in die Materie der Nanotechnologie und alles in allem einen schönen Überblick. Somit hält der Titel, was er verspricht und macht mehr Lust auf das Thema.ChemlsTry20 (14.03.2017) Ein sehr gut geschriebenes Werk, das einem die Grundzüge anschaulich darlegt.Fachschaft Medizin Universität Marburg (06.03.2017) "Das Buch kommt ansatzweise schon für Oberstufenschüler, hauptsächlich für Studenten naturwissenschaftlicher Fachrichtungen infrage."Ekz.Bibliotheksservice (30.01.2017)