Date post: | 05-Apr-2015 |
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Bionanoelektronik
Was ist „Nanotechnologie“ ?
1. Nanotechnolgie befaßt sich mit Strukturen, die in mindestens einer Dimension kleiner als 100 nm sind.
2. Nanotechnologie macht sich charakteristische Effekte und Phänomene zunutze, die im Übergangsbereich zwischen atomarer und mesoskopischer Ebene auftreten.
3. Nanotechnologie bezeichnet die gezielte Herstellung und/oder Manipulation einzelner Nanostrukturen
Herstellungsstrategien
„Top-down“
Strukturen und Komponenten werden immer weiter miniaturisiert (Physik, physikalische Technik)
„Bottom-up“
Aufbau immer komplexerer Strukturen aus atomaren bzw. molekularen Bausteinen (Chemie, Biologie)
Basisstrukturen
Punktförmige Strukturen – drei Dimensionen < 100 nm
(Nanokristalle, Cluster, Moleküle)
Linienförmige Strukturen – zwei Dimensionen < 100 nm
(Nanodrähte, Nanoröhren, Nanogräben)
Schichtstrukturen – eine Dimension < 100 nm
Mikroelektronik – Nanoelektronik - Halbleitertechnik
1957: Magn. Ringkern-Speicher mit 16 kbit
(kleinste Strukturabmessung der Bauelemente)
(1 cm)
1976: 64 kbit Memory Modul
1988: 1 Mbit Chip
(10 Mikrometer)(1,3 Mikrometer)
Mikroelektronik – Nanoelektronik - Halbleitertechnik
1997: 1 Gbyte DRAM in 128x8 Mbyte-Modulen
2006:Chipstrukturen nähernsich der 100 nm - Grenze
(180 Nanometer) Aktuell (Jan. 2010): 32 nm
Kleinste Strukturabmessung DRAM-Speicherdichte Mikroprozessorleistg.der Bauelemente pro Chip (Systemgeschw.)
1970 10 Mikrometer 1 Kbit 0,5 MHz
1980 1,3 Mikrometer 64 Kbit 5 MHz
1990 0,5 Mikrometer 4 Mbit 50 MHz
2000 180 Nanometer 256 Mbit 1 GHz
2010* 50 Nanometer 64 Gbit 10 GHz
* Prognose (Strategiepapier des BMBF von 2006)
Führende Firmen in der Halbleiterentwicklung
- Intel- Samsung Electronics- Texas Instruments- Toshiba- ST Microelectronics- Infineon Technologies
Þ Neue Fertigungsvarianten für Strukturlängen < 100 nm notwendig (z.B. Kristallgitter-Streckverfahren)
Neue Lithografieverfahren (z.B. Immersionslithografie)
Wichtige Anwendungsfelder der Nanoelektronik:
Medizin: Laufende und unauffällige Kontrolle gesundheitsrelevanter Körperfunktionen
Verkehrstechnik: Verkehrssicheres Auto mit Assistenz in allen Fahrsituationen, Sicherheitserkennung über biometrische Merkmale
Baugewerbe: sicheres und vernetztes Haus
Sicherheit: Sicherheitserkennung über biometrische Merkmale
Problem: Zunehmende Miniaturisierung der Objekte verlangt
neue chemische Methoden
„Bottom up“ – Aufbau von nm-Dimensionen aus Metallen wie
Au, Ag, Pt, Cu oder Halbleitern wie PbS, CdS, CdSe, TiO2
größenabhängige Plasmonenabsorption
photoinduzierte Erzeugung von Elektron- Loch- Paaren
Fluoreszenz
Möglichkeit der Ansteuerung der Partikel durch externe
elektronische oder photonische Signale
Nanotechnolgie + biologische Systeme
Aggregation und Manipulation
Sensoren
Schaltkreise
elektronische undoptoelektronischeFunktionseinheiten
Herstellung von Biomolekül-Nanopartikel-Hybriden
Erzeugung von Au-Nanopartikeln durch Citratreduktion(d = 16±2 nm)
IgG (Immunglobulin G)oberhalb des isoelektr.Punktes
Nanopartikel– Protein-Konjugat durch elektrosta-tische Wechselwirkungen
Herstellung von Biomolekül-Nanopartikel-Hybriden
Nanopartikel– Protein-Konjugat durch Adsorption an
natürliche Thiolgruppen des Proteins
synthetische Thiolgruppen des Proteins
Herstellung von Biomolekül-Nanopartikel-Hybriden
Nanopartikel – Protein – Konjugat
bei Antikörper-Antigen-Komplexen
Anwendung von Nanopartikel – Protein – Konjugaten
als Immunosensoren
Prostataspezifisches Antigen(PSA)
Magnetteilchen mitAntikörper
+magn. Trennung
Dehybridisierung
Thermische Dissoziation der Nucleinsäure –Doppelhelix
DNA - Detektion auf einem Chip
Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) – Spektroskopie
bei Immunsensor-Assays mit Gold- Nanopartikeln als Marker
(Reflektivität)
C – Gold als Marker
Þ Verschiebung des Plasmonenwinkels
Þ Verbreiterte Plasmonen- resonanz
Antigen läßt sich in pikomolaren Mengen nachweisen
Oberflächenplasmonenresonanz mit Silber- Nanopartikeln
als Marker
AFM – Aufnahme von dreieckigen
Silber - Nanopartikeln
außergewöhnliche optische Eigenschaften bzgl. externer dielektrischerUmgebung (ca. 10-30 nm)
Oberflächenplasmonenresonanz mit Silber- Nanopartikeln
als Marker
SPR – Spektren nach Funktionaliaierung
mit Biotineinheiten
a) Modifikation mit 1 mM Biotin
b) Modifikation mit 0,1 mM Biotin
c) Modifikation mit biotinylierten
Ag- Nanopartikeln
Þ Umwandlung von Änderungen des Brechungsindex in Verschiebung der Wellenlänge
Magnet - Nanopartikel als Marker in Proteinkäfigen
Proteinkäfige, insbesondere virale fungieren als strukturell begrenzte
„Nanoreaktoren“ Eisenspeicherprotein Ferritin besonders zur Erzeugung
magn. Partikel def. Form und Größe geeignet
CCM- Virus (cowpea chlorotic mottle virus –Kuhbohnen-Mosaikvirus),
180 identische Untereinheiten von 20.000 kDalagern sich zu einer leeren Virushülle mitIkosaedersymmetrie zusammen
Magnet - Nanopartikel als Marker in Proteinkäfigen
CCMV – Proteinkäfig
D außen = 28 nm
D innen = 18-24 nm
gentechnische Modifizierung des Hüllproteins zur
Beeinflussung des Wachstums der Nanopartikel
Konstruktion von Überstrukturen aus CdS-Nanopartikel-
DNA-
Konjugaten - Anwendungen zur Erzeugung von Photostrom
Au Kolloide
67,68 – thiolderivatisierte Nucleinsäuren, komplementär zur Ziel- DNA
69 – Ziel –DNA fungiert als Vernetzungselement zum Aufbau eines Arrays
D = 2,6 0,4 nm
70 – Ru-Komplex zur Verstärkung des Photostromes
Bestrahlung des Arrays Induktion von Photostrom Zunahme mit Zahl der CdS-
Nanopartikel- Generationen
Photonanregung des Halbleiters induziert Transfer von Elektronen in das
LeitungsbandElektronische Nanoschaltkreise
B – Absorptionsspektrum C - Fluoreszenzspektrum
(1-4 Schichten CdS-Nanopartikel Aggregate)
Charakterisierung der Arrays
Biomolekulare Nanoschaltkreise
Nanodrähte bzw. Nanoröhren als Funktionseinheiten für
selbstorganisierende logische- und Speicherschaltkreise
Biomolekulare Nanoschaltkreise
Möglichkeiten der technischen Umsetzung zur Bildung geordneter Arrays:
Þ S- Layer- Techniken (gezielte Anordnung von kristallinen
Proteinschichten auf Substraten)
Strukturierung der S- Layer durch:
- Bestrahlung mit mit Tief-UV-Licht
- Anwendung weicher Lithographie- Techniken
- Mikromolding in Kapillaren (MIMIC)
Biomolekulare Nanoschaltkreise
PDMS - Poly(dimethylsiloxan)
S- Layer: kristalline Proteinschichten
a) Mit einer „Gußform“ aus PDMS werden Kanäle auf einem Si-Wafer erzeugt.
b) Die Kanäle werden durch Kapillarkräfte mit Proteinlösung befüllt.
Erzeugung von S- Layer –Mustern durch MIMIC
Biomolekulare Nanoschaltkreise
S- Layer Muster werden mit
Fluoreszenzfarbstoff markiert
S- Layer Muster werden als Substrate für
Antikörper- Antigen Immunreaktion verwendet
Biomolekulare Nanoschaltkreise
EM- Aufnahme eines S- Layers mit quadratischerGittersymmetrie und Goldübergitter(Dgold = 4-5 nm)
Fluoreszenzaufnahmen eines S- Layers, dessenMuster mit „schaltkreisähnlicher“ PDMS – Form erzeugt wurde
Biomolekulare Nanoschaltkreise
DNA als Templatmaterial - Nanodrähte
Vielfältige Möglichkeiten (mittels Enzymen) für Manipulation der DNA:
Þ Ligasen: verknüpfen Nucleinsäurestücke
Þ Endonucleasen: schneiden Nucleisäuren an spez. Positionen
Þ Telemerasen: verlängern einsträngige Nucleinsäuren
Þ Polymerasen: replizieren DNA
„Cut and Paste“ -Werkzeuge zur Modifizierung von DNA - Matrizen
Problem: Elektronentransport durch DNA – schlechte oder
isolierende Leitungseigenschaften
DNA – Metallisierung: Anordnung der metallischen Nanopartikel „auf Lücke“ kontinuierliche Leitfähigkeit
DNA als Templatmaterial – Nanodrähte
Herstellung:
Mikroelektroden mitOligonucleotiden
Verbrückung über - DNA
Beladung mit Silberionendurch Ionenaustauschan Phosphatgruppen
DNA als Templatmaterial – Nanodrähte
Reduktive Abscheidung von Silber
Durchmesser des Drahtes: 100 nm
I-V- Kurven des Silberdrahtes
DNA als Templatmaterial – Nanodrähte
Herstellung: Molekulare Lithographie
AFM – Aufnahme einer strukturierten DNA- Matrize nach Metallisierung mit Gold
Ausblick:
- Umsetzung von Biomolekül-Nanopartikel-Organisation in tragfähige
Technologien z.T. schon möglich (z.B. analytische Anwendungen,
signalinduzierte elektronische Funktionen)
- funktionierende molekulare Elektronik erfordert aufwendige
Grundlagenforschung
Bildung komplexer Geometrien
nanoskopische Strukturbildung von Leiterbahnen
molekular exakte Lokalisierung von Bauelementen
- Nanorobotics mikroskopische Roboter
(Regelung, Kommunikation, Energieversorgung)
- nanoelektromechanische Quantenschaltkreise und
Quantensysteme (freistehende, bewegliche
Nanokomponenten)