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Nanotechnologie für Einsteiger - Herstellung und Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanostrukturen
Wilhelm Kulisch
Verlag Wiley-VCH, 2016
ISBN 9783527695324 , 300 Seiten
Format PDF, OL
Kopierschutz DRM
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Mehr zum Inhalt
Nanotechnologie für Einsteiger - Herstellung und Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanostrukturen
Cover
1
Titelseite
5
Impressum
6
Inhaltsverzeichnis
7
Vorwort
13
1 Einführung
15
1.1 Nanowissenschaften und Nanotechnologie
15
1.2 Nanowissenschaften sind interdisziplinär
17
1.3 Nanotechnologie – Heilsbringer oder Risiko?
17
1.4 Kohlenstoffnanostrukturen
18
1.5 Der Aufbau dieses Buchs
19
Literatur
21
Teil I Nanotechnologie und Nanostrukturen
23
2 Nanostrukturen
25
2.1 Definition
25
2.2 Physik und Chemie im Nanometerbereich
26
2.2.1 Der Einfluss der Oberfläche
27
2.2.2 Platzersparnis
28
2.2.3 Kritische Längen
30
2.2.4 Quantenmechanik
36
2.3 Arten von Nanostrukturen
39
2.4 Vorbilder in der Natur
45
2.5 Wissen testen
48
Literatur
49
3 Herstellung von Nanostrukturen
51
3.1 Grundlegende Ansätze zur Herstellung von Nanostrukturen
51
3.2 Top-down-Verfahren
51
3.2.1 Erzeugung von Nanopartikeln durch Mahlen
53
3.2.2 Mechanische Oberflächenermüdung
54
3.2.3 Lithografie und Ätzen
55
3.3 Irgendwo dazwischen: die weiche Lithografie
58
3.3.1 Nanokontaktdruck
59
3.3.2 Weitere auf Stempeln beruhende Verfahren der weichen Lithografie
60
3.3.3 Dip-Pen-Nanolithografie
61
3.4 Bottom-up-Verfahren
62
3.4.1 Selbstassemblierte Systeme und Schichten
64
3.4.2 Verwendung von Templates
66
3.4.3 Verwendung von DNA
68
3.4.4 Prozessführung
69
3.5 Funktionalisierung
69
3.5.1 Möglichkeiten zur Funktionalisierung
70
3.5.2 Verleihung von Funktionalitäten
73
3.6 Wissen testen
76
Literatur
76
4 Charakterisierung von Nanostrukturen
79
4.1 Kann man Atome sehen?
79
4.1.1 Das Rayleigh-Kriterium
79
4.1.2 Reduzierung der Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung
80
4.1.3 Die Lösung: Teilchenstrahlen
81
4.2 Elektronenstrahlverfahren
82
4.2.1 SEM
82
4.2.2 TEM und HRTEM
84
4.2.3 TED und EELS
85
4.3 Charakterisierung mittels Nanosystemen: Rastersondenmikroskopie
86
4.3.1 Rastertunnelmikroskopie
87
4.3.2 AFM
90
4.3.3 Weitere Verfahren
93
4.4 Makroskopische Verfahren
96
4.4.1 Raman-Spektroskopie
96
4.4.2 Weitere spektroskopische Verfahren
99
4.4.3 Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung
99
4.4.4 Beugungsverfahren zur Ermittlung der Kristallinität
102
4.5 Wissen testen
104
Literatur
104
Teil II Das Element Kohlenstoff
107
5 Das Element Kohlenstoff
109
5.1 Vorkommen
109
5.1.1 Die Entstehung von Kohlenstoff
110
5.1.2 Bedeutung als Energieträger
111
5.1.3 Bedeutung in der Biologie
111
5.2 Die besondere Chemie des Kohlenstoffs
112
5.2.1 Hybridisierung
112
5.2.2 Ring- und Kettenbildung
114
5.2.3 Polymere
117
5.2.4 Fremdatome und funktionelle Gruppen
118
5.3 Wissen testen
121
Literatur
122
6 Kohlenstofffestkörpermodifikationen
123
6.1 Diamant
125
6.1.1 Vorkommen und Herstellung
125
6.1.2 Physikalische Eigenschaften
132
6.1.3 Chemische Eigenschaften
135
6.1.4 Anwendungen
135
6.2 Graphit
136
6.2.1 Struktur
136
6.2.2 Gewinnung bzw. Herstellung
137
6.2.3 Physikalische Eigenschaften
137
6.2.4 Chemische Eigenschaften
138
6.2.5 Anwendungen
139
6.3 Weitere Modifikationen
141
6.3.1 Glaskohlenstoff
141
6.3.2 Ruß
142
6.3.3 Amorpher Kohlenstoff
143
6.4 Wissen testen
144
Literatur
145
Teil III Kohlenstoff-Nanostrukturen
147
7 Punktförmige Kohlenstoffnanostrukturen: Fullerene
149
7.1 Entdeckung
149
7.2 Struktur
151
7.2.1 Die große Varietät der Fullerene
151
7.2.2 C60 und C70
153
7.2.3 Nomenklatur
154
7.3 Fullerite
154
7.4 Fullerene mit Fremdatomen
155
7.4.1 Heterofullerene
155
7.4.2 Endohedrale Komplexe
156
7.5 Herstellung
158
7.5.1 Laserablation
158
7.5.2 Thermische Zersetzung
158
7.5.3 Vakuum-Bogenentladung
160
7.5.4 Pyrolyse
160
7.5.5 Verbrennungsverfahren
161
7.5.6 Vergleich der Verfahren
161
7.6 Weiterverarbeitung
162
7.6.1 Reinigung und Anreicherung
162
7.6.2 Funktionalisierung
163
7.6.3 Polymerisation
164
7.7 Eigenschaften von Fullerenen
164
7.7.1 Chemische Eigenschaften
165
7.7.2 Mechanische Eigenschaften
165
7.7.3 Optische Eigenschaften
166
7.8 Anwendungen
166
7.8.1 Wasserstoffspeicherung
169
7.8.2 Härtung von Materialien
169
7.8.3 Medizin
169
7.9 Wissen testen
173
Literatur
174
8 Eindimensionale Kohlenstoffnanostrukturen: Nanoröhrchen
177
8.1 Entdeckung
177
8.2 Beschreibung, Klassifizierung und Nomenklatur
178
8.2.1 Armchair-, Zigzag- und chirale Röhrchen
178
8.2.2 Singlewall- and Multiwall-Röhrchen
181
8.2.3 Die Enden der Nanoröhrchen
182
8.2.4 Spezielle Arten von CNTs
182
8.2.5 Nanoröhrchen mit Fremdatomen
184
8.2.6 Nanoröhrchen aus anderen Materialien
186
8.3 Herstellung
186
8.3.1 Physikalische Verfahren
186
8.3.2 CVD-Verfahren
187
8.3.3 Ein spezielles Beispiel: das HiPCO-Verfahren
191
8.3.4 Zusammenfassender Vergleich
192
8.3.5 Reinigung, Trennung und Aufbereitung
193
8.3.6 CNT-Bündel, -Fasern und -Filme
195
8.4 Eigenschaften
199
8.4.1 Mechanische Eigenschaften
200
8.4.2 Elektrische und elektronische Eigenschaften
200
8.4.3 Thermische Eigenschaften
201
8.4.4 Chemische Eigenschaften
202
8.5 Anwendungen
202
8.5.1 Nanoverbundwerkstoffe
203
8.5.2 Anwendungen in elektronischen Bauelementen
204
8.5.3 Feldemission
210
8.5.4 Sensoren
211
8.5.5 Anwendung von CNTs in der Medizin
212
8.5.6 Weitere Anwendungen
214
8.5.7 Gegenwärtige Probleme
214
8.6 Wissen testen
215
Literatur
215
9 Zweidimensionale Kohlenstoffnanostrukturen: Graphen
219
9.1 Entdeckung
219
9.2 Struktur
220
9.3 Herstellung
221
9.3.1 Ablöseverfahren
222
9.3.2 CVD-Verfahren
222
9.3.3 Direktes epitaktisches Wachstum durch Segregation
223
9.3.4 Transfer auf geeignete Substrate
224
9.3.5 Graphenwachstum auf SiC
225
9.3.6 Reduktion von Graphenoxid
226
9.4 Eigenschaften
228
9.4.1 Mechanische Eigenschaften
229
9.4.2 Elektrische und elektronische Eigenschaften
229
9.4.3 Thermische Eigenschaften
230
9.4.4 Optische Eigenschaften
230
9.4.5 Chemische Eigenschaften
231
9.4.6 Weitere Eigenschaften
231
9.5 Anwendungen
232
9.5.1 Graphentransistor
232
9.5.2 Chemische Sensoren und Biosensoren
233
9.5.3 Nanoverbundwerkstoffe
235
9.6 Wissen testen
235
Literatur
237
10 Dreidimensionale Kohlenstoffnanostrukturen
239
10.1 Kohlenstoffnanozwiebeln
239
10.1.1 Struktur
239
10.1.2 Herstellung
241
10.1.3 Eigenschaften
244
10.1.4 Anwendungen
244
10.2 Kohlenstoffnanohörner
245
10.3 Weitere graphitische dreidimensionale Kohlenstoffnanostrukturen
248
10.4 Zusammenfassung: graphitähnliche dreidimensionale Kohlenstoffnanostrukturen
250
10.5 Diamantnanopartikel
250
10.5.1 Herstellungsverfahren
251
10.5.2 Struktur, Aufbereitung und Funktionalisierung
253
10.5.3 Anwendungen
254
10.6 Nano- und ultrananokristalline Diamantschichten
254
10.7 Diamantnanosäulen und Nanostäbe
257
10.8 Wissen testen
257
Literatur
258
11 Verwandte Nanostrukturen aus anderen Elementen
261
11.1 Bornitrid
261
11.1.1 Herstellung von BN
263
11.1.2 Eigenschaften von BN
263
11.1.3 BN-Nanostrukturen
264
11.1.4 BN-Nanoröhrchen
265
11.1.5 Weitere BN-Nanostrukturen
269
11.2 Silizium
274
11.2.1 Siliziumnanodrähte
275
11.2.2 Siliziumquantenpunkte
276
11.2.3 Mesoporöse SiO2-Nanoteilchen
278
11.3 Wissen testen
279
Literatur
280
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