Inhaltsverzeichnis

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Serie

Titel

Autor

Impressum

Vorwort

1 Einführung

1.1 Nanowissenschaften und Nanotechnologie
1.2 Nanowissenschaften sind interdisziplinär
1.3 Nanotechnologie – Heilsbringer oder Risiko?
1.4 Kohlenstoffnanostrukturen
1.5 Der Aufbau dieses Buchs
Literatur

Teil I: Nanotechnologie und Nanostrukturen

2 Nanostrukturen
1. 2.1 Definition
2. 2.2 Physik und Chemie im Nanometerbereich
3. 2.3 Arten von Nanostrukturen
4. 2.4 Vorbilder in der Natur
5. 2.5 Wissen testen
6. Literatur
3 Herstellung von Nanostrukturen
1. 3.1 Grundlegende Ansätze zur Herstellung von Nanostrukturen
2. 3.2 Top-down-Verfahren
3. 3.3 Irgendwo dazwischen: die weiche Lithografie
4. 3.4 Bottom-up-Verfahren
5. 3.5 Funktionalisierung
6. 3.6 Wissen testen
7. Literatur
4 Charakterisierung von Nanostrukturen
1. 4.1 Kann man Atome sehen?
2. 4.2 Elektronenstrahlverfahren
3. 4.3 Charakterisierung mittels Nanosystemen: Rastersondenmikroskopie
4. 4.4 Makroskopische Verfahren
5. 4.5 Wissen testen
6. Literatur

Teil II: Das Element Kohlenstoff

5 Das Element Kohlenstoff
1. 5.1 Vorkommen
2. 5.2 Die besondere Chemie des Kohlenstoffs
3. 5.3 Wissen testen
4. Literatur
6 Kohlenstofffestkörpermodifikationen
1. 6.1 Diamant
2. 6.2 Graphit
3. 6.3 Weitere Modifikationen
4. 6.4 Wissen testen
5. Literatur

Teil III: Kohlenstoff-Nanostrukturen

7 Punktförmige Kohlenstoffnanostrukturen: Fullerene
1. 7.1 Entdeckung
2. 7.2 Struktur
3. 7.3 Fullerite
4. 7.4 Fullerene mit Fremdatomen
5. 7.5 Herstellung
6. 7.6 Weiterverarbeitung
7. 7.7 Eigenschaften von Fullerenen
8. 7.8 Anwendungen
9. 7.9 Wissen testen
10. Literatur
8 Eindimensionale Kohlenstoffnanostrukturen: Nanoröhrchen
1. 8.1 Entdeckung
2. 8.2 Beschreibung, Klassifizierung und Nomenklatur
3. 8.3 Herstellung
4. 8.4 Eigenschaften
5. 8.5 Anwendungen
6. 8.6 Wissen testen
7. Literatur
9 Zweidimensionale Kohlenstoffnanostrukturen: Graphen
1. 9.1 Entdeckung
2. 9.2 Struktur
3. 9.3 Herstellung
4. 9.4 Eigenschaften
5. 9.5 Anwendungen
6. 9.6 Wissen testen
7. Literatur
10 Dreidimensionale Kohlenstoffnanostrukturen
1. 10.1 Kohlenstoffnanozwiebeln
2. 10.2 Kohlenstoffnanohörner
3. 10.3 Weitere graphitische dreidimensionale Kohlenstoffnanostrukturen
4. 10.4 Zusammenfassung: graphitähnliche dreidimensionale Kohlenstoffnanostrukturen
5. 10.5 Diamantnanopartikel
6. 10.6 Nano- und ultrananokristalline Diamantschichten
7. 10.7 Diamantnanosäulen und Nanostäbe
8. 10.8 Wissen testen
9. Literatur
11 Verwandte Nanostrukturen aus anderen Elementen
1. 11.1 Bornitrid
2. 11.2 Silizium
3. 11.3 Wissen testen
4. Literatur

Richtig gelöst

Stichwortverzeichnis

Endbenutzer-Lizenzvereinbarung

List of Tables

2 Nanostrukturen

Tab. 2.1 Überblick über Größenparameter und die entsprechenden kritischen Längen, die die Eigenschaften von nanostrukturierten Matrialien bestimmen.
Tab. 2.2 Der Bohr’sche Exzitonenradius einiger Halbleitermaterialien.

4 Charakterisierung von Nanostrukturen

Tab. 4.1 Die in diesem Abschnitt vorgestellten Elektronenstrahlverfahren sowie deren englische Bezeichnungen und Abkürzungen.
Tab. 4.2 Verfahren der Rastersondenmikroskopie, deren englische Bezeichnung sowie deren Abkürzungen.
Tab. 4.3 Verfahren der Rastersondenmikroskopie.
Tab. 4.4 Zu Aufgabe 4.1.

5 Das Element Kohlenstoff

Tab. 5.1 Häufigkeit des Elements Kohlenstoff im Universum, in der Erdkruste und im Menschen.
Tab. 5.2 Die Isotope des Kohlenstoffs.

6 Kohlenstofffestkörpermodifikationen

Tab. 6.1 Vergleich einiger Eigenschaften von Diamant und Graphit. Graphit ist anisotrop. Die erste Spalte gibt die Werte innerhalb der Ebenen an, die zweite die Werte senkrecht zu ihnen (falls sie abweichen).

7 Punktförmige Kohlenstoffnanostrukturen: Fullerene

Tab. 7.1 Einige Eigenschaften von C₆₀-Molekülen.
Tab. 7.2 Einige Eigenschaften des C₆₀-Fullerits.
Tab. 7.3 Die wichtigsten Verfahren zur Herstellung von Fullerenen. Die Ausbeute bezeichnet den Anteil an Fullerenen am Gesamtprodukt. Die folgenden Prozentangaben beziehen sich auf diesen Wert. Die Zahlen sollen nur als grobe Anhaltswerte dienen.

8 Eindimensionale Kohlenstoffnanostrukturen: Nanoröhrchen

Tab. 8.1 Zusammenfassung der strukturellen Eigenschaften der drei CNT-Klassen.
Tab. 8.2 Zusammenfassung der wichtigsten Verfahren zur Herstellung von CNTs.
Tab. 8.3 Vergleich der Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhrchen mit denen anderer Kohlenstoffmodifikationen. Wenn beim Graphit zwei Werte angegeben sind, gilt der erste innerhalb der Ebenen (in plane). Die für CNTs angegeben Werte gelten in Richtung der Längsachse.

9 Zweidimensionale Kohlenstoffnanostrukturen: Graphen

Tab. 9. 1 Einige Eigenschaften von Graphen. Die angegebenen Werte sind die bislang berichteten Spitzenwerte.

11 Verwandte Nanostrukturen aus anderen Elementen

Tab. 11.1 Eigenschaften von Diamant, Graphit, c-BN und h-BN bei Raumtemperatur. Bei den schichtartigen Materialien gilt der erste angegebene Wert innerhalb der Ebenen, der zweite senkrecht dazu.
Tab. 11.2 Vergleich von BN- und Kohlenstoffnanoröhrchen. Auffällig ist vor allem, dass im Fall von BN die Größe der Ringe nur geradzahlig sein kann, da ansonsten B–B- oder N–N-Bindungen auftreten müssten.

Richtig gelöst

Tab. 1 Die Lösung von Aufgabe 4.1.

List of Figures

2 Nanostrukturen

Abb. 2.1 Größe einiger wichtiger Körper in unserer Welt. Beachten Sie die logarithmische Darstellung.
Abb. 2.2 Das Moore’sche Gesetz zur Entwicklung der Halbleitertechnologie.
Abb. 2.3 Die Zustandsdichte für Elektronen im dreidimensionalen Fall sowie für die verschiedenen Möglichkeiten des Elektronen-Confinements.
Abb. 2.4 Der Riesenmagnetowiderstand. FM steht für ferromagnetisch, NM für nicht magnetisch. Der Spin ist der Elektronenspin.
Abb. 2.5 Die Anregung einer Oberflächenplasmonenresonanz in einem Nanoteilchen durch Licht.
Abb. 2.6 Zum Hall-Petch-Effekt.
Abb. 2.7 Der quantenmechanische Tunneleffekt.
Abb. 2.8 Eine Nanokapsel mit einem inneren SiO₂-Kern und einer Goldhülle.
Abb. 2.9 Ein elektronischer Prozess (Anregung eines Elektrons und dessen nachfolgende Relaxation unter Aussendung eines Lichtquants) in einem Halbleiter, einem Quantenpunkt und einem Atom. Wichtig ist, dass die Zustände in Quantenpunkten diskret sind, in Halbleitern aber kontinuierlich.
Abb. 2.10 Ein InAs-Quantenpunkt in einem GaAs-Wirtskristall. Die Bandlücke des Quantenpunkts ist deutlich geringer als die des Wirtskristalls. Die Zustände im InAs sind diskret.
Abb. 2.11 Mithilfe der Molekularstrahlepitaxie (siehe Kapitel 3) hergestellte InAsQuantenpunkte in einem GaAs-Kristall. Nachgedruckt mit freundlicher Erlaubnis aus [7]. © 1999 AIP Publishing LLC.
Abb. 2.12 Der Lotuseffekt am Beispiel eines Frauenmantels (Alchemilla) aus dem Garten der Autoren.
Abb. 2.13 (a) Eine hydrophile Oberfläche; (b) eine hydrophobe Oberfläche; (c) eine superhydrophobe Oberfläche.
Abb. 2.14 Melaninzylinder mit 150 nm Abstand aus dem grünen Bereich einer Pfauenfeder. Nachgedruckt mit freundlicher Erlaubnis aus [15]. © 2003 by the National Academy of Sciences, U.S.A.
Abb. 2.15 Ein Fabry-Perot-Interferometer.

3 Herstellung von Nanostrukturen

Abb. 3.1 Der Unterschied zwischen Top-down- und Bottom-up-Verfahren.
Abb. 3.2 Herstellung von Nanostrukturen mittels Top-down- und Bottom-up-Verfahren.
Abb. 3.3 Prinzip einer Hochgeschwindigkeitsmühle zur Herstellung von Nanostrukturen.
Abb. 3.4 α-Fe₂O₃-Nanopartikel vor und nach einem Ballmilling-Prozess. Mit freundlicher Erlaubnis aus [19]. © 2012 Scientific & Academic Publishing.
Abb. 3.5 Apparatur zur SMAT-Behandlung.
Abb. 3.6 TEM-Aufnahmen (etwa 10 μm unterhalb der Oberfläche) von AISI 321-Stahl vor (a) und nach (b) einer SMAT-Behandlung. Mit freundlicher Erlaubnis aus [7]. © 2006 Elsevier.
Abb. 3.7 Die einzelnen Schritte bei der Fotolithografie.
Abb. 3.8 Die Grundstruktur eines Feldeffekttransistors.
Abb. 3.9 Eine MBE-Anlage für die Abscheidung von GaAlAs-Verbindungshalbleitern. Sn und Mn sind Dotierelemente.
Abb. 3.10 Ablauf des Herstellungsprozesses von Nanostrukturen beim Nanokontaktdruck.
Abb. 3.11 Verschiedene Verfahren, die unter dem Oberbegriff weiche Lithografie zusammengefasst werden [17]. Die Namen der Verfahren werden im Text erläutert. Mit freundlicher Erlaubnis aus [17]. © Royal Society of Chemistry.
Abb. 3.12 (a) Funktionsweise der Dip-Pen-Nanolithografie (schematisch). (b) Mithilfe der DPN hergestellte Nanostruktur. Mit freundlicher Erlaubnis aus [8]. © 2001 American Chemical Society.
Abb. 3.13 Selbstassemblierung auf der Grundlage geeigneter Vorgaben.
Abb. 3.14 Eine selbstassemblierte Schicht aus mit Thiolgruppen funktionalisierten langkettigen Alkanmolekülen auf einer Goldoberfläche.
Abb. 3.15 Verschiedene selbstassemblierte Mesokristalle aus γ-Fe₂O₃-Nanopartikeln. Die Längen der Skalen sind (a) 10, (b) 100 und (c) 50 nm. Mit freundlicher Erlaubnis aus [16]. © 2014 Taylor & Francis.
Abb. 3.16 Aufbau eines DNA-Moleküls.
Abb. 3.17 (a) Prozess zur Herstellung von Nanosäulen mithilfe einer Maske aus SiO₂- oder Polystyrolkugeln. (b) SEM-Aufnahmen der Maske und der damit erzielten Strukturen. Mit freundlicher Erlaubnis aus [10]. © 2003 American Vacuum Society.
Abb. 3.18 Regelmäßige Anordnung von Nanoporen in porösem Aluminiumoxid. Mit freundlicher Erlaubnis aus [14]. © 2003 Springer Science+Business Media.
Abb. 3.19 Herstellung einer regelmäßigen Anordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen. (a) Herstellung von porösem Aluminiumoxid; (b) Ablagerung von Co als Katalysator; (c) Wachstum von CNTs.
Abb. 3.20 Aufbau eines Agglomerats von Goldnanopartikeln mithilfe von DNA. Abgewandelt nach [9].
Abb. 3.21 Möglichkeiten zur Funktionalisierung von Nanoröhrchen. (a) Funktionalisierung an Defekten; (b) kovalente Funktionalisierung an den Seitenwänden; (c) nicht-kovalente Funktionalisierung mit Surfactanten; (d) nicht-kovalente Funktionalisierung mit Polymeren; (e) endohedrale Funktionalisierung. Mit freundlicher Erlaubnis aus [5]. © 2002 John Wiley & Sons.
Abb. 3.22 Einige Möglichkeiten zur kovalenten Funktionalisierung von Kohlenstoffnanoröhrchen. Mit freundlicher Erlaubnis aus [1]. © 2005 John Wiley & Sons.
Abb. 3.23 Nicht-kovalente Funktionalisierung von Kohlenstoffnanoröhrchen mit einem bifunktionalen Molekül. Mit freundlicher Erlaubnis aus [3]. © 2001 American Chemical Society.
Abb. 3.24 Verschiedene Möglichkeiten, einem Nanoteilchen Funktionalitäten zu verleihen (schematisch, abgewandelt nach [13]).
Abb. 3.25 Kolloidale mesoporöse SiO₂-Nanopartikel (SMS), die mit PEG-Molekülen verschiedener Länge funktionalisiert wurden. Nachgedruckt mit freundlicher Erlaubnis aus [2]. © 2010 The Royal Society of Chemistry.
Abb. 3.26 Die Wirkungsweise eines Enzyms: Das Zusammenfügen zweier Substrate zu einem Produkt mithilfe eines Enzyms.
Abb. 3.27 Struktureller Aufbau eines Antikörpers zur spezifischen Erkennung von Antigenen. Die Größe von Antikörpern liegt im Bereich von 10 nm, es handelt sich also um Nanostrukturen.

4 Charakterisierung von Nanostrukturen

Abb. 4.1 Die Grundprinzipien von SEM und TEM.
Abb. 4.2 HRTEM-Aufnahme von nanokristallinem Palladium. Die einzelnen Atome sind deutlich zu erkennen, aber strukturlos. Die Grenzen der einzelnen Körner sind klar sichtbar. Mit freundlicher Erlaubnis aus [12]. © 2011 Elsevier.
Abb. 4.3 Das EELS-Spektrum einer ultrananokristallinen Diamantschicht (UNCD) im Vergleich zu Spektren anderer Kohlenstoffmodifikationen. a-C steht für amorphen Kohlenstoff.
Abb. 4.4 Das Prinzip von STM-Messungen.
Abb. 4.5 Tunneln von Elektronen in eine Probenoberfläche. LDOS steht für Local Density of States (lokale Zustandsdichte).
Abb. 4.6 STM-Messung einer Graphenoberfläche auf einem h-BN-Substrat. Skala: 2 nm, im Inset 0,3 nm. Mit freundlicher Erlaubnis aus [15]. © 2011 Macmillan Publishers Ltd.
Abb. 4.7 Verschieben von Atomen auf einer Oberfläche mithilfe einer STM-Spitze. Mit freundlicher Erlaubnis aus [5]. © 1990 Macmillan Publishers Ltd.
Abb. 4.8 Das Prinzip von AFM-Messungen.
Abb. 4.9 AFM-Bild einer ultrananokristallinen Diamantschicht.
Abb. 4.10 (a) Das Prinzip der Scanning Nearfield Optical Microscopy. (b) Beispiel einer Apertur-SNOM-Spitze. Mit freundlicher Erlaubnis aus [10]. © 1999 John Wiley & Sons.
Abb. 4.11 Prinzipieller Aufbau einer auf einem Thermoelement basierenden SThM-Spitze (a). Die SEM-Aufnahme (b) zeigt die Realisierung einer solchen Spitze. Mit freundlicher Erlaubnis aus [13]. © 1999 American Vacuum Society.
Abb. 4.12 Energieschema zur Raman-Spektroskopie.
Abb. 4.13 Raman-Spektren einiger wichtiger Kohlenstoffmodifikationen. Die Spektren wurden von M. Veres (Wigner Research Centre for Physics, Ungarische Akademie der Wissenschaften, Budapest) aufgenommen. Die Anregungswellenlänge war 488 nm.
Abb. 4.14 FTIR-Spektrum einer ultrananokristallinen Diamantschicht im Bereich der C–H-Streckschwingungen [9]. Die Messung zeigt, dass die Probe sp³-hybridisierte CH₃-bzw. CH₂-Gruppen enthält. sp²-hybridisierte CH-Gruppen würden zu Absorptionen oberhalb von 3000 cm⁻¹ führen.
Abb. 4.15 NRA-Wasserstofftiefenprofil einer ultrananokristallinen Diamantschicht [9].
Abb. 4.16 Bestimmung einer Kristallstruktur durch Beugungsmessungen.
Abb. 4.17 (a) XRD-Messungen an einer nano- und einer ultrananokristallinen Diamantschicht sowie ein katalogisiertes Diamantpulverspektrum. (b) TED-Beugungsbild einer UNCD-Schicht.

5 Das Element Kohlenstoff

Abb. 5.1 Die Bildung von Kohlenstoff in He-Brenner genannten Sternen durch den 3α-Prozess.
Abb. 5.2 (a) Orbitale des Kohlenstoffatoms im ersten angeregten Zustand; (b) Orbitale im Fall einer sp³-Hybridisierung. Mit freundlicher Erlaubnis aus [4]. © 2014 Wiley-VCH.
Abb. 5.3 Die Grundlagen der sp³-Hybridisierung des Kohlenstoffs.
Abb. 5.4 Kohlenstofforbitale im Fall der sp²-Hybridisierung: (a) σ-Orbitale; (b) p_z-Orbital. Mit freundlicher Erlaubnis aus [4]. © 2014 Wiley-VCH.
Abb. 5.5 Die Moleküle von Ethan (a), Ethen (b) und Ethin (c).
Abb. 5.6 Kettenförmige Kohlenwasserstoffmoleküle.
Abb. 5.7 Beispiele für Kohlenstoffsechserringe.
Abb. 5.8 Kohlenstofffünferringe. Die dargestellten Moleküle unterscheiden sich durch die Zahl der Doppelbindungen.
Abb. 5.9 Ein polyzyklischer Kohlenwasserstoff.
Abb. 5.10 Das Monomer Propylen und das Polymer Polypropylen.
Abb. 5.11 Kohlenstofffünferringe mit Fremdatomen.
Abb. 5.12 Die Moleküle von Ethan (a), Ethanol (b) und Essigsäure (Ethansäure) (c).
Abb. 5.13 Beispiele funktioneller Gruppen. R steht für einen Kohlenwasserstoffrest, X für ein Halogenatom.
Abb. 5.14 Möglichkeiten der kovalenten Funktionalisierung einer Kohlenstoffnanozwiebel. Mit freundlicher Erlaubnis aus [1]. © 2014 Beilstein J. Nanotechnol.

6 Kohlenstofffestkörpermodifikationen

Abb. 6.1 Phasendiagramm des Kohlenstoffs.
Abb. 6.2 Die Kristallgitter von Graphit (a) und Diamant (b). Mit freundlicher Erlaubnis aus [7]. © 2012 Wiley-VCH.
Abb. 6.3 Ein Diamantkristall (fotolia #87072193, Urheber: Anatoly Maslennikov).
Abb. 6.4 The Big Hole in Kimberley in Südafrika.
Abb. 6.5 Synthetische Herstellung von Diamant mittels des HPHT-Verfahrens.
Abb. 6.6 Eine Mikrowellen-CVD-Anlage zur Abscheidung von Diamantschichten. MFC steht für Mass Flow Controller.
Abb. 6.7 Einkristalline CVD-Schmuckdiamanten. Für den Laien sind diese Steine nicht von natürlichen Diamanten zu unterscheiden. Aber auch Juweliere brauchen spezielle spektroskopische Verfahren, um zwischen natürlichen Diamanten einerseits und synthetischen bzw. CVD-Diamanten andererseits unterscheiden zu können. Nachgedruckt mit freundlicher Erlaubnis aus [8]. © 2013 The American Chemical Society.
Abb. 6.8 Ein polykristalliner Diamantfilm aus der Forschungsarbeit des Autors.
Abb. 6.9 Ein Graphitkristall.
Abb. 6.10 Die Interkalation von Ionen in einem Graphitkristall.
Abb. 6.11 HRTEM-Aufnahme von Glassy Carbon. Mit freundlicher Erlaubnis aus [4]. © 2005 Taylor & Francis.
Abb. 6.12 Furnace-Verfahren zur Herstellung von Carbon Black.
Abb. 6.13 Verfahren zur Abscheidung von ta-C: (a) Sputtern; (b) PLD.

7 Punktförmige Kohlenstoffnanostrukturen: Fullerene

Abb. 7.1 Ein C₆₀-Molekül.
Abb. 7.2 Die 1967 von Buckminster Fuller errichtete Biosphére in Montreal.
Abb. 7.3 Das hypothetische Riesenfulleren C₅₄₀ (fotolia #39211994, Urheber: Leonid Andronov).
Abb. 7.4 Zur möglichen Anordnung der Fünfecke in einem Fulleren.
Abb. 7.5 Das C₇₀-Molekül. Mit freundlicher Erlaubnis aus [12]. © 1992 Macmillan Publishers Ltd.
Abb. 7.6 HRTEM-Aufnahme einer reinen C₆₀-Probe auf einem TEM-Gitter. Der kristalline Charakter der Probe ist deutlich erkennbar. Mit freundlicher Erlaubnis aus [5]. © 2004 Elsevier.
Abb. 7.7 Beispiele von Heterofullerenen. Mit freundlicher Erlaubnis aus [19]. © 2006 The American Chemical Society.
Abb. 7.8 (a) Ladungsdichteverteilung in einem Sc₂C₂@C₈₄-Molekül; (b) schematische Darstellung eines Sc₂C₂@C₈₄-Moleküls, wie sie sich aus Beugungsmessungen und ¹³C-NMR ergibt. Mit freundlicher Erlaubnis aus [20].© 2001 John Wiley and Sons.
Abb. 7.9 Laserablation zur Herstellung von Fullerenen.
Abb. 7.10 Eine Anordnung zur Herstellung von Fullerenen durch Widerstandsheizung.
Abb. 7.11 Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme von C₆₀-Kristalliten, die mit einem Widerstandsheizungsverfahren hergestellt wurden. Die Kristallite sind platten-, stab- oder sternförmig. Mit freundlicher Erlaubnis aus [8]. © 1990 Macmillan Publishers Ltd.
Abb. 7.12 Eine Vakuum-Bogenentladung.
Abb. 7.13 HRTEM-Aufnahme der bei beim Verbrennen von Benzol in einer laminaren Flamme erhaltenen Produkte. Auffällig sind die im Inset gezeigten gekrümmten Strukturen. Mit freundlicher Erlaubnis aus [6]. © 2000 Elsevier.
Abb. 7.14 Prozessschritte zur Reinigung und Anreicherung von Fullerenen. Ruß steht hier für alle im Reaktionsprodukt enthaltenen Verunreinigungen.
Abb. 7.15 Ein Copolymer aus C₆₀-Molekülen und einem Calixaren. Mit freundlicher Erlaubnis aus [17]. © 2000 The Royal Society of Chemistry.
Abb. 7.16 Eine Reihe von Fullerenderivaten. Mit freundlicher Erlaubnis aus [18]. © 2012 MDPI.
Abb. 7.17 (a) Querschnitt durch eine organische Mehrschichtsolarzelle; (b) Querschnitt durch eine organische Einschichtsolarzelle. ITO steht für Indiumzinnoxid (Indium Tin Oxide), ein leitfähiges und durchsichtiges Material.
Abb. 7.18 Ein Fulleren, das zwei DOX-Moleküle trägt. Die Anbindung erfolgt über zwei oligomerische PEG-Fragmente, die der Struktur hydrophile Eigenschaften verleihen. Nachgedruck mit freundlicher Erlaubnis aus [13]. © 2011 The Royal Society of Chemistry.
Abb. 7.19 Zwei Ansichten des Gadofullerens Gd₃ N@C₈₀. Grau: Kohlenstoff; schwarz: Gadolinium; weiß: Stickstoff. Mit freundlicher Erlaubnis aus [10]. © 2005 John Wiley and Sons.
Abb. 7.20 Zu Aufgabe 7.4.

8 Eindimensionale Kohlenstoffnanostrukturen: Nanoröhrchen

Abb. 8.1 Kohlenstoffnanoröhrchen. Die Abbildung zeigt die erste Aufnahme von Kohlenstoffnanoröhrchen. Mit freundlicher Erlaubnis aus [15]. © 1991 Macmillan Publishers Ltd.
Abb. 8.2 Die Größen zur Beschreibung des Aufrollens einer Graphenebene zu einem Nanoröhrchen.
Abb. 8.3 Die drei Haupttypen von Kohlenstoffnanoröhrchen: (a) Armchair; (b): Chiral; (c): Zigzag. Die Chiralität und die Helizität von (b) ist deutlich erkennbar. Bei (a) und (c) bezieht sich der Name auf den Verlauf der offenen Enden. Mit freundlicher Erlaubnis aus [14]. © 2002 John Wiley and Sons.
Abb. 8.4 Einheitszellen eines Armchair- und eines Zigzag-Nanoröhrchens.
Abb. 8.5 Single- und Multiwall-CNTs. Mit freundlicher Erlaubnis aus [9]. © 2012 Hindawi Publishers.
Abb. 8.6 Mögliche Enden von Nanoröhrchen. Mit freundlicher Erlaubnis aus [3]. © 2004 IOP.
Abb. 8.7 (a) TEM- und (b) HRTEM-Aufnahme eines bambusartigen MWCNTs. Mit freundlicher Erlaubnis aus [21]. © 2004 Elsevier.
Abb. 8.8 (a) Das Wachstum von bambusartigen Kohlenstoffnanoröhrchen (schematisch); (b) Stacked-Cup-Nanoröhrchen.
Abb. 8.9 (a,b) AFM-Aufnahmen von Nanoröhrchen mit einzelnen Knicken; (c) Darstellung des Knickes zwischen einem Armchair- und einem Zigzag-Röhrchen. 5 bezeichnet ein Fünfeck, 7 ein Siebeneck [28]. Mit freundlicher Erlaubnis aus [28]. © 1999 Macmillan Publishers Ltd.
Abb. 8.10 SEM-Aufnahme von spiralförmigen Kohlenstoffnanospulen. Aus [11]. © 2010 bei den Autoren.
Abb. 8.11 Computererzeugte Darstellung eines CNTs mit eingebauten Fullerenen. Mit freundlicher Erlaubnis aus [6]. © 2008 The Royal Society of Chemistry.
Abb. 8.12 Laserablation zur Herstellung von Kohlenstoffnanoröhrchen.
Abb. 8.13 Chemische Gasphasenabscheidung von CNTs.
Abb. 8.14 Herstellung von Doppelwand-CNTs mithilfe eines CVD-Verfahrens aus einem Ar/CH₄-Gemisch bei 875°C mit Molybdän als Katalysator: (a) SEM-Abbildung (Skala = 300 nm); (b) TEM-Aufnahme (Skala = 5mn). Mit freundlicher Erlaubnis aus [10]. © 2005 Macmillan Publishers Ltd.
Abb. 8.15 Plasmagestützte Gasphasenabscheidung von CNTs.
Abb. 8.16 Strukturiertes Aufwachsen von CNTs. Mit freundlicher Erlaubnis aus [26]. © 2001 American Institute of Physics.
Abb. 8.17 Spitzen- und Basiswachstum von CNTs bei der Verwendung von Katalysatoren.
Abb. 8.18 Mithilfe von Katalysatoren hergestellte CNTs. In (b) ist das an der Spitze eingebaute Katalysatorteilchen deutlich zu erkennen. Mit freundlicher Erlaubnis aus [13]. © 2014 Macmillan Publishers Ltd.
Abb. 8.19 Schematische Darstellung des HiPCO-Prozesses zur Herstellung von Kohlenstoffnanoröhrchen.
Abb. 8.20 Mithilfe des HiPCO-Verfahrens hergestellte SWCNTs. Auch in dieser Aufnahme sind Katalysatorteilchen deutlich zu erkennen. Mit freundlicher Erlaubnis aus [23]. © 1999 Elsevier Science.
Abb. 8.21 (a) TEM-Aufnahme eines SWCNT-Bündels; (b) SEM-Aufnahme eines MWCNT-Agglomerats. Mit freundlicher Erlaubnis aus [24]. © 2010 Elsevier Science.
Abb. 8.22 Programm für die Sortierung von SWCNTs nach [2].
Abb. 8.23 Trennung von metallischen und halbleitenden CNTs (nach [19]).
Abb. 8.24 SEM-Aufnahmen (a) einer einzelnen Faser; (b) Anordnung der Röhrchen innerhalb der Faser (der Pfeil zeigt in Richtung der Faserachse); (c) Knoten in der Faser; (d) zwei verdrillte Fasern. Mit freundlicher Erlaubnis aus [29]. © 2008 Springer.
Abb. 8.25 SEM-Aufnahme eines CNT-Films, der mittels Elektrophorese hergestellt wurde. Mit freundlicher Erlaubnis aus [7]. © 2006 Elsevier.
Abb. 8.26 Schematische Beispiele der Selbstassemblierung funktionalisierter Kohlenstoffnanoröhrchen zu dünnen Filmen.
Abb. 8.27 Ein Wald aus SWCNT-Nanoröhrchen. Mit freundlicher Erlaubnis aus [22]. © 2012 The Royal Society of Chemistry.
Abb. 8.28 Möglichkeiten zur Funktionalisierung von CNTs.
Abb. 8.29 SEM-Aufnahme einer Bruchoberfläche eines PMMA-CNT-Nanoverbundwerkstoffs. Mit freundlicher Erlaubnis aus [8]. © 2014 American Chemical Society.
Abb. 8.30 (a) Ein CNTFET mit einem Kohlenstoffnanoröhrchen mit dem Gate auf der Rückseite; (b) zufällig auf einem Substrat angeordnete CNTs zur Realisierung von Feldeffekttransistoren.
Abb. 8.31 Ein Top-Gated CNTFET. (a) Querschnitt; (b) Aufsicht.
Abb. 8.32 (a) Schematischer Querschnitt eines GAA-CNTFETs; (b) TEM-Aufnahme eines Felds von GAA-FETs; (c) vergrößerte Aufnahme des FETs in der Mitte. Mit freundlicher Erlaubnis aus [12]. © 2013 American Chemical Society.
Abb. 8.33 Ein ausgehängter CNTFET mit einem einzelnen SWCNT. Der Balken in (b) entspricht 0,5 μm. Mit freundlicher Erlaubnis aus [17]. © 2014 American Physical Society.
Abb. 8.34 (a) Ein Plattenkondensator; (b, c) Kondensatoren mit wesentlich höheren Ladungsdichten; (c) stellt einen Wickelkondensator dar.
Abb. 8.35 Aufbau und Wirkungsweise eines Superkondensators (a) ohne und (b) mit angelegter Spannung. Der Separator verhindert Überschläge, ist aber für Ionen durchlässig.
Abb. 8.36 Schematische Darstellung eines Pixels eines Bildschirms, der auf der Feldemission von CNTs beruht.
Abb. 8.37 Ein Gassensor auf der Basis eines CNTFETs.
Abb. 8.38 Ein Biosensor auf der Basis eines CNTFETs. HRP steht für Horseraddish Peroxidase (Meerrettichperoxidase), die häufig als Marker-Enzym eingesetzt wird. Mit freundlicher Erlaubnis aus [25]. © 2010 Elsevier Sciences.
Abb. 8.39 Ein auf einem CNTFET beruhender Blutzuckersensor. Mit freundlicher Erlaubnis aus [1]. © 2003 American Chemical Society.
Abb. 8.40 Einsatz von CNTs bei der Krebsbekämpfung (schematisch). NIR steht für Nahinfrarot, RF für Radiofrequenz; PEG für Polyethylenglycol und siRNA für Small Interfering RNA (kleine eingreifende RNA). Mit freundlicher Erlaubnis aus [20]. © 2011 Elsevier Sciences.

9 Zweidimensionale Kohlenstoffnanostrukturen: Graphen

Abb. 9.1 Ein Graphenmolekül.
Abb. 9.2 Die beiden Untergitter des Graphenmoleküls. Gestrichelt eingezeichnet ist die Einheitszelle des Gitters.
Abb. 9.3 Lichtmikroskopische Aufnahme (a) und AFM-Bild (b) von mittels mechanischer Exfoliation erhaltenen Graphenschichten auf einem Si/SiO₂-Substrat. Mit freundlicher Erlaubnis aus [3]. © 2011 John Wiley & Sons.
Abb. 9.4 Graphendomänen auf einer Kupferoberfläche, die in einem einminütigem CVD-Prozess mit CH₄ bei verschiedenen Temperaturen erhalten wurden. Ganz offensichtlich hängt die Form der Domänen von der Substrattemperatur ab. Der Skalierungsbalken entspricht 10 μm. Mit freundlicher Erlaubnis aus [12]. © 2015 Macmillan Publishers Ltd.
Abb. 9.5 (a) Eine Rutheniumoberfläche; (b) eine einlagige Graphenschicht auf dieser Oberfläche; (c) eine zweilagige Graphenschicht. Mit freundlicher Erlaubnis aus [11]. © 2008 Macmillan Publishers Ltd.
Abb. 9.6 Die Ablösung von Graphen von einem Metallsubstrat und der Transfer der Schicht auf ein Zielsubstrat. Mit freundlicher Erlaubnis aus [3]. © 2011 John Wiley & Sons.
Abb. 9.7 Epitaktische Synthese von Graphen auf SiC. Mit freundlicher Erlaubnis aus [15]. © 2015 The Royal Chemical Society.
Abb. 9.8 Ein Graphenoxidmolekül.
Abb. 9.9 Ein Graphanmolekül. Mit freundlicher Erlaubnis aus [10]. © 2007 American Physical Society.
Abb. 9.10 Ein (hypothetisches) Graphynmolekül. Die Kohlenstoffatome in den Sechserringen sind sp²-hybridisiert, ebenso die C3 genannten Atome. Die C2-Atome sind sp-hybridisiert. Mit freundlicher Erlaubnis aus [14]. © 2013 Macmillan Publishers Ltd.
Abb. 9.11 Faltenbildung in einem Graphenfragment unter Kompression, das lediglich auf einem Polymersubstrat aufliegt. Mit freundlicher Erlaubnis aus [1]. © 2014 Macmillan Publishers Ltd.
Abb. 9.12 (a) Erste Brillouin-Zone und Bandstruktur von Graphen; (b) Dispersionsrelation in Graphen. Teilbild (a) mit freundlicher Erlaubnis aus [5]. © 2012 Hindawi Publishing Corporation.
Abb. 9.13 Drei Generationen von Feldeffekttransistoren auf Graphenbasis.
Abb. 9.14 Ein Lithium-Ionen-Akkumulator. Dargestellt ist der Aufladeprozess, bei dem Lithiumionen in das Anodenmaterial eingelagert werden. Der eingezeichnete ionendurchlässige Separator dient dazu, elektrische Überschläge zu verhindern.
Abb. 9.15 SEM-Aufnahme einer Bruchfläche eines Graphen-Epoxid-Nanokomposits. Mit freundlicher Erlaubnis aus [7]. © 2014 Macmillan Publishers Ldt.

10 Dreidimensionale Kohlenstoffnanostrukturen

Abb. 10.1 HRTEM-Bild einer Kohlenstoffnanozwiebel. Mit freundlicher Erlaubnis aus [9]. ©1992 Macmillan Publishers Ltd.
Abb. 10.2 Eine C₆₀@C₂₄₀@C₅₄₀-Nanozwiebel und die sie bildenden Fullerene. Mit freundlicher Erlaubnis aus [4]. © 2008 The Royal Chemical Society.
Abb. 10.3 HRTEM-Bild einer facettierten Kohlenstoffnanozwiebel. Mit freundlicher Erlaubnis aus [16]. © 1998 Elsevier.
Abb. 10.4 (a) Perfekte Kohlenstoffnanozwiebel; (b) facettierte Nanozwiebel; (c) von einer gemeinsamen Hülle umgebene Nanozwiebeln.
Abb. 10.5 (a) Nanodiamanten mit einem Durchmesser von ca. 5 nm; (b) Kohlenstoffnanozwiebeln nach einer Temperaturbehandlung bei 1700 °C; (c) Nanozwiebeln nach einer Behandlung bei 1900 °C. Die bei 1700 °C hergestellten Zwiebeln sind sphärisch, während bei 1900 °C stark facettierte Zwiebeln erhalten werden. Mit freundlicher Erlaubnis aus [20]. © 2001 AIP Publishing LLC.
Abb. 10.6 Molekulardynamische Simulationen von (a) Nanodiamant, (b) Nanodiamant nach einer Temperaturbehandlung bei 1400 °C bzw. (c) 2000 °C; (d) HRTEM-Aufnahme einer 2000 °C-Probe; (e) Nanozwiebel aus einer Bogenentladung unter Wasser; (f) eine mittels Elektronenbestrahlung hergestellte Nanozwiebel. Aus [12]. © 2013 bei den Autoren.
Abb. 10.7 Herstellung von Kohlenstoffnanozwiebeln durch eine Bogenentladung in einer Flüssigkeit.
Abb. 10.8 Ein möglicher Mechanismus beim Einsatz von Kohlenstoffnanozwiebeln als Schmiermittel.
Abb. 10.9 Die Dehydrierung von Ethylbenzol zu Styrol unter Verwendung von Kohlenstoffnanozwiebeln als Katalysator.
Abb. 10.10 Dahlienförmig angeordnete Kohlenstoffnanohörnchen. Mit freundlicher Erlaubnis aus [7]. © 2007 The Royal Society of Chemistry.
Abb. 10.11 TEM-Aufnahme von Kohlenstoffnanohörnern. Aus [5]. © bei den Autoren.
Abb. 10.12 Ein Kohlenstoffnanotorus. (a) TEM-Aufnahme; der Skalenbalken besitzt eine Länge von 100 nm. Mit freundlicher Erlaubnis aus [19]. © 1997 Maxmillan Publishers Ltd. (b) Modell. Mit freundlicher Erlaubnis aus [4]. © 2008 The Royal Chemical Society.
Abb. 10.13 Eine Kohlenstoffnanoknospe. (a) HRTEM-Aufnahme. Mit freundlicher Erlaubnis aus [13]. © 2007 Macmillan Publishers Ltd. (b) Modell. Mit freundlicher Erlaubnis aus [4]. © 2008 The Royal Chemical Society.
Abb. 10.14 Das Adamantanmolekül.
Abb. 10.15 HRTEM-Aufnahme von Diamantnanopartikeln, die mittels des Explosionsverfahrens hergestellt wurden. Mit freundlicher Erlaubnis aus [8]. © 2008 IOP.
Abb. 10.16 HRTEM-Aufnahme von Diamantnanopartikeln, die mittels des Schockwellenverfahrens hergestellt wurden. Mit freundlicher Erlaubnis aus [22]. © 1998 Elsevier.
Abb. 10.17 Diamantnanokristallite auf einem Siliziumsubstrat. Die Aufnahme stammt aus der gegenwärtigen Forschungsarbeit des Autors. Trotz der geringen Dimensionen sind die Diamantfacetten der Kristallite deutlich zu erkennen.
Abb. 10.18 (a) Aufbau eines Explosionsnanodiamanten (sehr schematisch); (b–e) Funktionalisierung von Nanodiamanten.
Abb. 10.19 Eine nano- (a) und eine ultrananokristalline (b) Diamantschicht (Letztere wurde auf einem polykristallinen Diamantfilm abgeschieden, durch den die Oberflächenrauheit im Mikrometerbereich hervorgerufen wird). Die Aufnahmen stammen aus der Forschungsarbeit des Autors [11].
Abb. 10.20 TEM-Aufnahme einer ultrananokristallinen Diamantschicht [15].
Abb. 10.21 Sphärische Diamantstrukturen, die auf den Spitzen von Siliziumnadeln nukleiert haben [10].
Abb. 10.22 (a) Feld von NCD-Säulen mit einem nominellen Durchmesser von 1 μm; (b) Säulen mit verschiedenen Nominaldurchmessern. Die Aufnahmen stammen aus der gegenwärtigen Forschungsarbeit des Autors [14].

11 Verwandte Nanostrukturen aus anderen Elementen

Abb. 11.1 Das Periodensystem der Elemente in der Umgebung des Kohlenstoffs.
Abb. 11.2 Die Nukleationssequenz einer c-BN-Schicht (a) und der Oberflächenbereich einer solchen Schicht (b). Der Pfeil deutet auf zwei waagerechte h-BN-Lagen auf der Oberfläche.
Abb. 11.3 h-BN als Substrat für eine Grapheneinzelschicht [7]. Mit freundlicher Erlaubnis aus [7]. © 2010 American Institute of Physics.
Abb. 11.4 Das Lichtbogenschmelzverfahren zur Herstellung von BN-Nanoröhrchen.
Abb. 11.5 HRTEM-Aufnahme von Multiwall-BN-Nanoröhrchen, die mithilfe des Lichtbogenschmelzverfahrens hergestellt wurden. Mit freundlicher Erlaubnis aus [19]. © 2013 InTech.
Abb. 11.6 Katalysatorgestützte Herstellung von BN-Nanoröhrchen.
Abb. 11.7 Eine SWBNNT@SWCNT-Struktur. (a) Reaktionsprinzip. (b) HRTEM-Aufnahme. (c) EELS-Konzentrationsprofile (Electron Energy Loss Spectroscopy (Kapitel 4)). Mit freundlicher Erlaubnis aus [16]. © 2013 Macmillan Publishers Ltd.
Abb. 11.8 Berechnungen der Struktur von B₃₆N₃₆ bzw. Y@B₃₆N₃₆. Beachten Sie, dass die Strukturen Viererringe enthalten. Mit freundlicher Erlaubnis aus [18]. © 2004 Taylor & Francis.
Abb. 11.9 SEM- (a) und HRTEM-Aufnahme (b) eines BN-Nanokäfigs. Beachten Sie den Abstand der Ebenen von 0,34 nm. Mit freundlicher Erlaubnis aus [22]. © 2009 Hindawi Publishing Corporation.
Abb. 11.10 STM-Aufnahme eines h-BN-Nanomeshes auf einer Ru(0001)-Unterlage. Mit freundlicher Erlaubnis aus [8]. © (2007) American Chemical Society.
Abb. 11.11 (a) Poröse nanoskalige BN-Schichten. Der Skalenbalken hat eine Länge von 200 nm. (b) HRTEM-Aufnahme dieser Struktur. Skalenbalken: 5 nm. Die Pfeile deuten auf einen aus drei BN-Schichten bestehenden Bereich. Mit freundlicher Erlaubnis aus [14]. © 2013 Macmillan Publishers Ltd.
Abb. 11.12 Schematische Darstellung der Morphologie von BN-Nanopartikeln: (a) konzentrische Polyeder; (b) Platelets. Mit freundlicher Erlaubnis aus [1]. © 1995 Elsevier.
Abb. 11.13 (a) SEM-, (b) TEM- und (c) HRTEM-Aufnahmen von BN-Nanopartikeln, die mithilfe der Pyrolyse von Borazin hergestellt wurden. Mit freundlicher Erlaubnis aus [15]. © 2014 Inorganics.
Abb. 11.14 Die VLS-Methode zur Herstellung von Si-Nanodrähten.
Abb. 11.15 SEM-Aufnahme von Si-Nanodrähten. Mit freundlicher Erlaubnis aus [2]. © 2008 Macmillan Publishers Ltd.
Abb. 11.16 Fotolumineszenzspektren von Si-Quantenpunkten verschiedener Größe. Mit freundlicher Erlaubnis aus [5]. © 2013 ASC.
Abb. 11.17 Verfahren zur Herstellung mesoporöser SiO₂-Nanopartikel (schematisch). Mit freundlicher Erlaubnis aus [17]. © 2009 Elsevier Science.
Abb. 11.18 TEM-Aufnahmen mesoporöser SiO₂-Nanopartikel. Mit freundlicher Erlaubnis aus [17]. © 2009 Elsevier Science.

Richtig gelöst

Abb. 1 Die Energiebarriere zwischen Graphit und Diamant.
Abb. 2 Die Energiedispersion eines Metalls (a), eines Halbleiters (b) und von Graphen (c).

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