Physik compact, Basiswissen 8, Schulbuch

100 Ziele dieses Kapitels 3 Die Mikro- und Nanotechnik gewinnt in techni- schen Anwendungen immer mehr an Bedeutung. 3 In diesem Kapitel sollen Einblicke in die Bedeu- tung der Materialwissenschaften am Beispiel von Verfahren zur Miniaturisierung gegeben werden. Zentrale Elemente dieses Kapitels 3 Licht- und Elektronenmikroskop 3 Spektroskopie 3 Top-down-Methode, Bottom-up-Methode 24 Materialwissenschaft, Mikro- und Nanotechnik 665fb4 Was ist Materialwissenschaft? In der Materialwissenschaft werden die physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften von Stof- fen untersucht und die Stoffe dementsprechend klas- sifiziert. Dabei bemüht man sich, den Zusammenhang zwischen der Struktur und den Eigenschaften der Ma- terialien zu verstehen (Grundlagenforschung). In eher anwendungsorientierten Teilen der Materialwissen- schaft beschäftigt man sich mit der Entwicklung und Herstellung neuer Materialien, die vielversprechende Eigenschaften haben, zB besondere Beanspruchungen zulassen, oder aber in der Lage sind, Signale aufzuneh- men oder umzuwandeln (Funktionswerkstoffe). Mit Hilfe von Funktionswerkstoffen lassen sich Vor- gänge erfassen, regeln und steuern. Einsatzgebiete dieser speziellen Werkstoffe liegen zB in der Mikro- elektronik und der Halbleitertechnik, der Optik, der Lasertechnik, der Medizintechnik, der Messtechnik, der Sensorik und der Aktorik. A1 Informiere dich über die Begriffe Sensorik und Aktorik! Typische Arbeiten in der Materialwissenschaft sind zB das Züchten kristalliner Werkstoffe, das Zusammen- fügen und Verbinden unterschiedlichster Materialien und das Beschichten von Oberflächen im Mikro- und Nanometerbereich. Lithographische Verfahren, Ätz- techniken, spektroskopische Methoden sowie Licht- und Elektronenmikroskopie finden dabei häufige An- wendungen. 24.1 In den folgenden Abschnitten wird versucht, anhand einiger BeispieleausdemBereichderMiniaturisierung, die zur heute immer wichtiger werdenden Nanotech- nik führt, in die Grundlagen der Materialwissenschaft einzuführen. Selbstverständlich ist die Miniaturisie- rung nur ein Teilgebiet der Materialwissenschaft. In fast jedem Haushalt finden sich verborgen in elek- tronischen Geräten Mikroprozessoren , wobei die Anzahl der Transistoren wesentlich für ihre Leistungs- fähigkeit ist. Gorden E. Moore hat um 1965 voraus- gesagt, dass die Leistungsfähigkeit der von der Com- puterindustrie verwendeten Halbleiterbauelemente bis zur Mitte der 70er-Jahre exponentiell mit der Zeit zunehmen würde. In den 70er-Jahren verdoppelte sich die Anzahl der Transistoren auf einem Chip etwa alle 12 Monate. Die technische Entwicklung ging so rasant weiter, dass heute schon mehr als 10 7 Transisto- ren auf einem einzelnen Chip vorhanden sind. Für das erste Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts schätzt man die zugehörige Verdoppelungszeit auf etwa 30 Monate. So ist schon jetzt absehbar, dass die Strukturgrößen der Mikroprozessoren in den Bereich von etwa 100 bis 10 nm vorstoßen werden (Nanostrukturen). A2 Formuliere die Regel von Moore durch eine Expo- nentialgleichung! A3 Berechne, wann die Transistoren Nanostrukturen (Seitenlänge s = 100 nm) wären, wenn man von fol- genden Bedingungen ausgeht: konstante Chipgröße 25 mm 2 , konstante Verdoppelungszeit 30 Monate, 10 6 Transistoren auf dem Chip im Jahr 2005! Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv