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)