Nanotechnologie in der Schule - Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Nanotechnologie in der Schule - Prof. Dr. Thomas Wilhelm Nanotechnologie in der Schule - Prof. Dr. Thomas Wilhelm
I Das Rastertunnelmikroskop 25 4 Allgemeines zum Rastertunnelmikroskop 29 4.1 Historisches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4.1.1 Ursprünge des optischen Mikroskops . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4.1.2 Das Auflösungsvermögen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Betrachtung selbstleuchtender Objekte . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Beleuchtete Objekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.1.3 Das Konfokalmikroskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.1.4 Die Entdeckung des Transmissions-Elektronenmikroskops . . . . . . 39 4.1.5 Das Rastertunnelmikroskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.2 Der Tunneleffekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.2.1 Das Tunneln von Elektronen durch eine Potentialbarriere . . . . . . 43 Abschnitt I: EpotI = 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Abschnitt II: EpotIII �= 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Abschnitt III: EpotIII = 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Bemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Näherungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.2.2 T (E) bei nichtkonstanter Potentialbarriere . . . . . . . . . . . . . . . 56 Anmerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.2.3 Störungstheoretischer Ansatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Bemerkungen zur Zustandsdichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.2.4 Spektroskopie der lokalen Zustandsdichte . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.3 Arbeitsweisen des Rastertunnelmikroskops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.3.1 Topografische Betriebsart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Konstant-Strom Modus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Konstant-Höhen Modus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3.2 Tunnelspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 I-U Spektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 I-z Spektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 z-U Spektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4.4 Spitzensteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 II
5 Spitzenpräparation 71 5.1 Schneide- bzw. Abreißmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 5.2 Ätzmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 6 Verwendung des vorhandenen RTM 73 6.1 Hintergründe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 6.2 Spitzenpräparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 6.2.1 Konstruktion des Ätzeinrichtungsgehäuse . . . . . . . . . . . . . . . 74 Prinzipielle Überlegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Konstruktion und Bau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 6.2.2 Ätzelektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 6.2.3 Erklärung des Schaltplans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 6.2.4 Vorbereitungen des zu ätzenden Drahtes . . . . . . . . . . . . . . . . 78 6.2.5 Hinweise zum Betrieb der Ätzeinrichtung . . . . . . . . . . . . . . . 79 6.3 Messergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 7 Ferienakademie 83 7.1 Grundlegende Konzeption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 7.2 Praktische Durchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 II Herstellung und Versuche mit Ferrofluiden 87 8 Ferrofluide, Magnetismus und Curie-Temperatur 89 8.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 8.2 Magnetismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 8.3 Curie-Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 8.4 Hysterese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 8.5 Sonderstellung von Ferrofluiden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 8.6 Magnetisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 8.7 Rosensweig Instabilitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 8.8 Modellvorstellung zum Magnetismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 9 Physikalische Anforderungen an ein Ferrofluid 101 9.1 Bedingungen an die Partikelgröße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 9.1.1 Bedingung aufgrund des Schwerefeldes . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 9.1.2 Bedingung aufgrund des externen Magnetfeldes . . . . . . . . . . . . 104 III
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5 Spitzenpräparation 71<br />
5.1 Schneide- bzw. Abreißmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71<br />
5.2 Ätzmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72<br />
6 Verwendung des vorhandenen RTM 73<br />
6.1 H<strong>in</strong>tergründe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73<br />
6.2 Spitzenpräparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74<br />
6.2.1 Konstruktion des Ätze<strong>in</strong>richtungsgehäuse . . . . . . . . . . . . . . . 74<br />
Pr<strong>in</strong>zipielle Überlegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74<br />
Konstruktion und Bau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75<br />
6.2.2 Ätzelektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77<br />
6.2.3 Erklärung des Schaltplans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77<br />
6.2.4 Vorbereitungen des zu ätzenden <strong>Dr</strong>ahtes . . . . . . . . . . . . . . . . 78<br />
6.2.5 H<strong>in</strong>weise zum Betrieb <strong>der</strong> Ätze<strong>in</strong>richtung . . . . . . . . . . . . . . . 79<br />
6.3 Messergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79<br />
7 Ferienakademie 83<br />
7.1 Grundlegende Konzeption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83<br />
7.2 Praktische Durchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84<br />
II Herstellung und Versuche mit Ferrofluiden 87<br />
8 Ferrofluide, Magnetismus und Curie-Temperatur 89<br />
8.1 E<strong>in</strong>leitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89<br />
8.2 Magnetismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90<br />
8.3 Curie-Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92<br />
8.4 Hysterese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93<br />
8.5 Son<strong>der</strong>stellung von Ferrofluiden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95<br />
8.6 Magnetisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95<br />
8.7 Rosensweig Instabilitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96<br />
8.8 Modellvorstellung zum Magnetismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98<br />
9 Physikalische Anfor<strong>der</strong>ungen an e<strong>in</strong> Ferrofluid 101<br />
9.1 Bed<strong>in</strong>gungen an die Partikelgröße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101<br />
9.1.1 Bed<strong>in</strong>gung aufgrund des Schwerefeldes . . . . . . . . . . . . . . . . . 101<br />
9.1.2 Bed<strong>in</strong>gung aufgrund des externen Magnetfeldes . . . . . . . . . . . . 104<br />
III
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