Nanotechnologie für Einsteiger – Herstellung und Eigenschaften von Kohlenstoff–Nanostrukturen

Vorwort XI
<p>1 Einf&uuml;hrung 1</p>
<p>1.1 Nanowissenschaften und Nanotechnologie 1</p>
<p>1.2 Nanowissenschaften sind interdisziplin&auml;r 3</p>
<p>1.3 Nanotechnologie Heilsbringer oder Risiko? 3</p>
<p>1.4 Kohlenstoffnanostrukturen 4</p>
<p>1.5 Der Aufbau dieses Buchs 5</p>
<p>Literatur 7</p>
<p>Teil I Nanotechnologie und Nanostrukturen 9</p>
<p>2 Nanostrukturen 11</p>
<p>2.1 Definition 11</p>
<p>2.2 Physik und Chemie im Nanometerbereich 12</p>
<p>2.2.1 Der Einfluss der Oberfl&auml;che 13</p>
<p>2.2.2 Platzersparnis 14</p>
<p>2.2.3 Kritische L&auml;ngen 16</p>
<p>2.2.4 Quantenmechanik 22</p>
<p>2.3 Arten von Nanostrukturen 25</p>
<p>2.4 Vorbilder in der Natur 31</p>
<p>2.5 Wissen testen 34</p>
<p>Literatur 35</p>
<p>3 Herstellung von Nanostrukturen 37</p>
<p>3.1 Grundlegende Ans&auml;tze zur Herstellung von Nanostrukturen 37</p>
<p>3.2 Top–down–Verfahren 37</p>
<p>3.2.1 Erzeugung von Nanopartikeln durchMahlen 39</p>
<p>3.2.2 Mechanische Oberfl&auml;chenerm&uuml;dung 40</p>
<p>3.2.3 Lithografie und &Auml;tzen 41</p>
<p>3.3 Irgendwo dazwischen: die weiche Lithografie 44</p>
<p>3.3.1 Nanokontaktdruck 45</p>
<p>3.3.2 Weitere auf Stempeln beruhende Verfahren der weichen Lithografie 46</p>
<p>3.3.3 Dip–Pen–Nanolithografie 47</p>
<p>3.4 Bottom–up–Verfahren 48</p>
<p>3.4.1 Selbstassemblierte Systeme und Schichten 50</p>
<p>3.4.2 Verwendung von Templates 52</p>
<p>3.4.3 Verwendung von DNA 54</p>
<p>3.4.4 Prozessf&uuml;hrung 55</p>
<p>3.5 Funktionalisierung 55</p>
<p>3.5.1 M&ouml;glichkeiten zur Funktionalisierung 56</p>
<p>3.5.2 Verleihung von Funktionalit&auml;ten 59</p>
<p>3.6 Wissen testen 62</p>
<p>Literatur 62</p>
<p>4 Charakterisierung von Nanostrukturen 65</p>
<p>4.1 Kann man Atome sehen? 65</p>
<p>4.1.1 Das Rayleigh–Kriterium 65</p>
<p>4.1.2 Reduzierung derWellenl&auml;nge elektromagnetischer Strahlung 66</p>
<p>4.1.3 Die L&ouml;sung: Teilchenstrahlen 67</p>
<p>4.2 Elektronenstrahlverfahren 68</p>
<p>4.2.1 SEM 68</p>
<p>4.2.2 TEMund HRTEM 70</p>
<p>4.2.3 TED und EELS 71</p>
<p>4.3 Charakterisierung mittels Nanosystemen: Rastersondenmikroskopie 72</p>
<p>4.3.1 Rastertunnelmikroskopie 73</p>
<p>4.3.2 AFM 76</p>
<p>4.3.3 Weitere Verfahren 79</p>
<p>4.4 Makroskopische Verfahren 82</p>
<p>4.4.1 Raman–Spektroskopie 82</p>
<p>4.4.2 Weitere spektroskopische Verfahren 85</p>
<p>4.4.3 Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung 85</p>
<p>4.4.4 Beugungsverfahren zur Ermittlung der Kristallinit&auml;t 88</p>
<p>4.5 Wissen testen 90</p>
<p>Literatur 90</p>
<p>Teil II Das Element Kohlenstoff 93</p>
<p>5 Das Element Kohlenstoff 95</p>
<p>5.1 Vorkommen 95</p>
<p>5.1.1 Die Entstehung von Kohlenstoff 96</p>
<p>5.1.2 Bedeutung als Energietr&auml;ger 97</p>
<p>5.1.3 Bedeutung in der Biologie 97</p>
<p>Inhaltsverzeichnis VII</p>
<p>5.2 Die besondere Chemie des Kohlenstoffs 98</p>
<p>5.2.1 Hybridisierung 98</p>
<p>5.2.2 Ring– und Kettenbildung 100</p>
<p>5.2.3 Polymere 103</p>
<p>5.2.4 Fremdatome und funktionelle Gruppen 104</p>
<p>5.3 Wissen testen 107</p>
<p>Literatur 108</p>
<p>6 Kohlenstofffestk&ouml;rpermodifikationen 109</p>
<p>6.1 Diamant 111</p>
<p>6.1.1 Vorkommen und Herstellung 111</p>
<p>6.1.2 Physikalische Eigenschaften 118</p>
<p>6.1.3 Chemische Eigenschaften 121</p>
<p>6.1.4 Anwendungen 121</p>
<p>6.2 Graphit 122</p>
<p>6.2.1 Struktur 122</p>
<p>6.2.2 Gewinnung bzw. Herstellung 123</p>
<p>6.2.3 Physikalische Eigenschaften 123</p>
<p>6.2.4 Chemische Eigenschaften 124</p>
<p>6.2.5 Anwendungen 125</p>
<p>6.3 Weitere Modifikationen 127</p>
<p>6.3.1 Glaskohlenstoff 127</p>
<p>6.3.2 Ru&szlig; 128</p>
<p>6.3.3 Amorpher Kohlenstoff 129</p>
<p>6.4 Wissen testen 130</p>
<p>Literatur 131</p>
<p>Teil III Kohlenstoff–Nanostrukturen 133</p>
<p>7 Punktf&ouml;rmige Kohlenstoffnanostrukturen: Fullerene 135</p>
<p>7.1 Entdeckung 135</p>
<p>7.2 Struktur 137</p>
<p>7.2.1 Die gro&szlig;e Variet&auml;t der Fullerene 137</p>
<p>7.2.2 C60 und C70 139</p>
<p>7.2.3 Nomenklatur 140</p>
<p>7.3 Fullerite 140</p>
<p>7.4 Fullerene mit Fremdatomen 141</p>
<p>7.4.1 Heterofullerene 141</p>
<p>7.4.2 Endohedrale Komplexe 142</p>
<p>7.5 Herstellung 144</p>
<p>7.5.1 Laserablation 144</p>
<p>7.5.2 Thermische Zersetzung 144</p>
<p>7.5.3 Vakuum–Bogenentladung 146</p>
<p>7.5.4 Pyrolyse 146</p>
<p>7.5.5 Verbrennungsverfahren 147</p>
<p>7.5.6 Vergleich der Verfahren 147</p>
<p>7.6 Weiterverarbeitung 148</p>
<p>7.6.1 Reinigung und Anreicherung 148</p>
<p>7.6.2 Funktionalisierung 149</p>
<p>7.6.3 Polymerisation 150</p>
<p>7.7 Eigenschaften von Fullerenen 150</p>
<p>7.7.1 Chemische Eigenschaften 151</p>
<p>7.7.2 Mechanische Eigenschaften 151</p>
<p>7.7.3 Optische Eigenschaften 152</p>
<p>7.8 Anwendungen 152</p>
<p>7.8.1 Wasserstoffspeicherung 155</p>
<p>7.8.2 H&auml;rtung vonMaterialien 155</p>
<p>7.8.3 Medizin 155</p>
<p>7.9 Wissen testen 159</p>
<p>Literatur 160</p>
<p>8 Eindimensionale Kohlenstoffnanostrukturen: Nanor&ouml;hrchen 163</p>
<p>8.1 Entdeckung 163</p>
<p>8.2 Beschreibung, Klassifizierung und Nomenklatur 164</p>
<p>8.2.1 Armchair–, Zigzag– und chirale R&ouml;hrchen 164</p>
<p>8.2.2 Singlewall– andMultiwall–R&ouml;hrchen 167</p>
<p>8.2.3 Die Enden der Nanor&ouml;hrchen 168</p>
<p>8.2.4 Spezielle Arten von CNTs 168</p>
<p>8.2.5 Nanor&ouml;hrchenmit Fremdatomen 170</p>
<p>8.2.6 Nanor&ouml;hrchen aus anderenMaterialien 172</p>
<p>8.3 Herstellung 172</p>
<p>8.3.1 Physikalische Verfahren 172</p>
<p>8.3.2 CVD–Verfahren 173</p>
<p>8.3.3 Ein spezielles Beispiel: das HiPCO–Verfahren 177</p>
<p>8.3.4 Zusammenfassender Vergleich 178</p>
<p>8.3.5 Reinigung, Trennung und Aufbereitung 179</p>
<p>8.3.6 CNT–B&uuml;ndel, –Fasern und –Filme 181</p>
<p>8.4 Eigenschaften 185</p>
<p>8.4.1 Mechanische Eigenschaften 186</p>
<p>8.4.2 Elektrische und elektronische Eigenschaften 186</p>
<p>8.4.3 Thermische Eigenschaften 187</p>
<p>8.4.4 Chemische Eigenschaften 188</p>
<p>8.5 Anwendungen 188</p>
<p>8.5.1 Nanoverbundwerkstoffe 189</p>
<p>8.5.2 Anwendungen in elektronischen Bauelementen 190</p>
<p>8.5.3 Feldemission 196</p>
<p>8.5.4 Sensoren 197</p>
<p>8.5.5 Anwendung von CNTs in der Medizin 198</p>
<p>8.5.6 Weitere Anwendungen 200</p>
<p>8.5.7 Gegenw&auml;rtige Probleme 200</p>
<p>8.6 Wissen testen 201</p>
<p>Literatur 201</p>
<p>9 Zweidimensionale Kohlenstoffnanostrukturen: Graphen 205</p>
<p>9.1 Entdeckung 205</p>
<p>9.2 Struktur 206</p>
<p>9.3 Herstellung 207</p>
<p>9.3.1 Abl&ouml;severfahren 208</p>
<p>9.3.2 CVD–Verfahren 208</p>
<p>9.3.3 Direktes epitaktischesWachstum durch Segregation 209</p>
<p>9.3.4 Transfer auf geeignete Substrate 210</p>
<p>9.3.5 Graphenwachstum auf SiC 211</p>
<p>9.3.6 Reduktion von Graphenoxid 212</p>
<p>9.4 Eigenschaften 214</p>
<p>9.4.1 Mechanische Eigenschaften 215</p>
<p>9.4.2 Elektrische und elektronische Eigenschaften 215</p>
<p>9.4.3 Thermische Eigenschaften 216</p>
<p>9.4.4 Optische Eigenschaften 216</p>
<p>9.4.5 Chemische Eigenschaften 217</p>
<p>9.4.6 Weitere Eigenschaften 217</p>
<p>9.5 Anwendungen 218</p>
<p>9.5.1 Graphentransistor 218</p>
<p>9.5.2 Chemische Sensoren und Biosensoren 219</p>
<p>9.5.3 Nanoverbundwerkstoffe 221</p>
<p>9.6 Wissen testen 221</p>
<p>Literatur 223</p>
<p>10 Dreidimensionale Kohlenstoffnanostrukturen 225</p>
<p>10.1 Kohlenstoffnanozwiebeln 225</p>
<p>10.1.1 Struktur 225</p>
<p>10.1.2 Herstellung 227</p>
<p>10.1.3 Eigenschaften 230</p>
<p>10.1.4 Anwendungen 230</p>
<p>10.2 Kohlenstoffnanoh&ouml;rner 231</p>
<p>10.3 Weitere graphitische dreidimensionale Kohlenstoffnanostrukturen 234</p>
<p>10.4 Zusammenfassung: graphit&auml;hnliche dreidimensionale Kohlenstoffnanostrukturen 236</p>
<p>10.5 Diamantnanopartikel 236</p>
<p>10.5.1 Herstellungsverfahren 237</p>
<p>10.5.2 Struktur, Aufbereitung und Funktionalisierung 239</p>
<p>10.5.3 Anwendungen 240</p>
<p>10.6 Nano– und ultrananokristalline Diamantschichten 240</p>
<p>10.7 Diamantnanos&auml;ulen und Nanost&auml;be 243</p>
<p>10.8 Wissen testen 243</p>
<p>Literatur 244</p>
<p>11 Verwandte Nanostrukturen aus anderen Elementen 247</p>
<p>11.1 Bornitrid 247</p>
<p>11.1.1 Herstellung von BN 249</p>
<p>11.1.2 Eigenschaften von BN 249</p>
<p>11.1.3 BN–Nanostrukturen 250</p>
<p>11.1.4 BN–Nanor&ouml;hrchen 251</p>
<p>11.1.5 Weitere BN–Nanostrukturen 255</p>
<p>11.2 Silizium 260</p>
<p>11.2.1 Siliziumnanodr&auml;hte 261</p>
<p>11.2.2 Siliziumquantenpunkte 262</p>
<p>11.2.3 Mesopor&ouml;se SiO2–Nanoteilchen 264</p>
<p>11.3 Wissen testen 265</p>
<p>Literatur 266</p>
<p>Richtig gel&ouml;st 269</p>
<p>Stichwortverzeichnis 283</p>