Nanotechnologie, von der Forschung in den Alltag · Kurzportrait 1949 gegründet gemeinnütziger...

© Fraunhofer IWS

Kürzel: Datum und Name der Präsentation

Otmar Zimmer, Andreas Leson

Fraunhofer IWS Dresden

Nanotechnologie, von der Forschung in den AlltagInformationsveranstaltung Markteinstieg UK 2012

Berlin, 22. Juni 2012

© Fraunhofer IWS


Nanotechnologie, von der Forschung in den Alltag


Nanotechnologie

gestern und heute

Akteure in Deutschland

Trends

Zusammenfassung

© Fraunhofer IWS


3


© Fraunhofer IWS


4

Fraunhofer GesellschaftKurzportrait

1949 gegründet

gemeinnütziger Verein, Träger sind Bund und Länder

60 Institute

ca. 20.000 Mitarbeiter

Umsatz ca. 2 Mrd. €

Finanzierung:

-

40% aus Industrieerträgen,

-

30% aus Projektförderung (EU, Forschungsprogramme von Bund und Ländern

-

30% Grundfinanzierung .

München

Dresden

Freiburg

Weil/WintersweilerGarmisch-Partenkirchen

Holzkirchen

Stuttgart

KarlsruhePfinztal

Erlangen

WürzburgDarmstadt

SaarbrückenSt.Ingbert

AachenEuskirchen

Schmallenber g

DuisburgDortmund

Braunschwei g

Hannover

Jena

Chemnitz

Halle

MagdeburgPotsdam Teltow

Berlin

Bremen

Rostock

Itzehoe

größte Organisation für anwendungsorientierte

Forschung Europas

© Fraunhofer IWS


5

Fraunhofer Institut für Werkstoff-

und Strahltechnik IWS

Ausstattung

Verschiedene Laseranlagen

CO2

, Faser, Scheibe, NdYAG, Diode

div. Bearbeitungsanlagen

PVD-Beschichtungsanlagen

CVD-Beschichtungsanlagen

Plasma-

und Induktions-

anlagen

Ausrüstungen für Schicht-

und Werkstoffprüfung

Metallographie

TEM, REM, etc.

Institutsleiter: Prof. Dr. E. Beyer

Zahlen

Mitarbeiter

2011: ca. 270

Betriebshaushalt 2011:

ca. € 23 Mio.

Investitionen 2011: ca. €

3,4 Mio.

Laborfläche ca. 8400 m²

© Fraunhofer IWS


6


und Strahltechnik IWSGeschäftsfelder

CVD Atmosphärendruck- Schichttechnik

PVD Vakuum-Schichttechnik

y

Fügen Randschichttechnik

Thermische Beschichtungstechnik

Abtragen / Trennen

Lasermaterialbearbeitung Oberflächen- und Schichttechnik

© Fraunhofer IWS


7


und Strahltechnik IWSDienstleistungsangebot

BeratungenMachbarkeitsstudien Durchführung von F&E-Arbeiten Technologieentwicklungen Verfahrenserprobungen (Applikationen)

Systementwicklungen zusammen mit unseren Partnern

Aufbau und Betrieb von PilotanlagenWerkstoff-

und Bauteilprüfung

Schadensfallanalysen

sowie die Ausbildung von: Wissenschaftlern Ingenieuren Anlagebedienern und Laboranten

Wir bieten Dienstleistungs-und Werkverträge zufolgenden Themen an:

© Fraunhofer IWS


8

Nanotechnologie

gestern und heute

© Fraunhofer IWS


9

Nanotechnologie

gestern und heute

nanos

= (gr.) Zwerg

10-3

= milli

10-6

= mikro

10-9

= nano

10-12

= pico

10-15

= femto

10-18

= atto

Nano-Dimensionen

© Fraunhofer IWS


10

1 : 108 1 : 108

Geo

10000 km

Makro

10 cm

Nano

1 nm

Nano-Dimensionen

Nanotechnologie

gestern und heute

© Fraunhofer IWS


11

Gegenstand der Nanotechnologie

Kontrollierte Herstellung, Analyse und Manipulation von technisch nutzbaren Objekten mit Abmessungen (< 100 nm)

Technische Nutzung nanoskaliger

Phänomene und

Materialeigenschaften

Nutzung verschiedener Technologieplattformen und Verfahrensansätze („Top-Down“, „Bottom-up“, „Selbstorganisation“)

Interdisziplinäre und branchenübergreifende Herangehensweise für neue technische Lösungen und Produkte

Nanotechnologie

gestern und heute

© Fraunhofer IWS


12

Nano-Effekt

–

ein Beispiel

einkristalline Schicht

Schichtvolumen 1cm3

1 m1 m

1 μm

polykristalline Schicht

Korngröße

1 μm

Kristall-Oberfläche: 6 m2

nanokristalline

Schicht

Korngröße

10 nm

Kristall-Oberfläche: 600 m2

OF-Zone = 1 nm 60 % der Atome im Bereich der Kristall-

Oberfläche !

Nanotechnologie

gestern und heute

© Fraunhofer IWS


13Elektronenmikroskop von Ernst RuskaQuelle: Deutsches Museum München

Entwicklung der Nanotechnologie

400 v. Chr.

Demokrit entwickelt den Begriff der Atome für die kleinsten

Teilchen

1744

Pierre J. Macquer

untersucht das von den Alchimisten bekannte

kolloidale

Gold und vermutet feinst

verteilte Partikel

1905

Albert Einstein promoviert mit einer Arbeit über die Bestimmung

des Durchmessers des Zuckermoleküls

1931

Max Knoll und Ernst Ruska

entwickeln das Elektronenmikroskop

Max Knoll und Ernst Ruska

Nanotechnologie

gestern und heute

© Fraunhofer IWS


14


Lycurgus Becher, 4. Jhdt. vor Chr., London, Britisches Museum

Lycurgus Becher von außen beleuchtet (Links) und von innen beleuchtet (rechts)

Frühe Anwendung von Au-Nanopartikeln

Transmissionsfarbe: rotReflektiertes Licht: grün

Nanotechnologie

gestern und heute

© Fraunhofer IWS


15


1959: Richard Feynman

hält seinen Vortrag „There

is

Plenty

of Room

at the

Bottom“

1968: John Arthur und Alfred Y. Cho (Bell Labs)

entwickeln die Molekularstrahlepitaxie

1974: Norio

Taniguchi prägt den Ausdruck Nano-Technology:

„Nanotechnology

mainly

consists

of the

processing

of separation,

consolidation

and deformation

of materials

by

one

atom

or

one

molecule“

1981: Gerd Binnig

und Heinrich Rohrer entwickeln das Rastertunnelmikroskop (STM) und erhalten 1986 den Nobelpreis für Physik

1985: Harry Kroto, Richard Smalley

und Robert F. Curl

weisen das C60-Molekül nach (Buckminsterfullerene) und erhalten dafür 1986 den Nobelpreis für Chemie

…

Nanotechnologie

gestern und heute

© Fraunhofer IWS


16

Nanotechnologie

gestern und heuteEntwicklung der Nanotechnologie

2004: Andre Geim

und Konstantin Novoselov

(Manchester University) gelingt die

Präparation von einzelnen Graphen-Kristallen, die aus einer einzelnen Atomlagevon Kohlenstoffatomen bestehen. 2010 erhalten beide dafür den Physik-Nobelpreis.

Andre Geim Konstantin Novoselov

© Fraunhofer IWS


17

integriertes Nutzenbiologischer Prinzipienphysikalischer Gesetze

chemischer Eigenschaften

System

generieru

ng

1940 195 0 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050

0,1 nm

1 nm

10 nm

0,1 μm

1 μm

10 μm

0,1 mm

1 mm

1 cm

0,1 m

StrukturgrößeN

AN

OM

IKR

OM

AK

RO

„Top

Do

wn

“

„Bo

tto

mu

p“

Physik

Elektronik

Min

iaturisieren

Nano-

elektronik

Mikro-elektronik

Komplexieren

ChemieNano-Cluster/

-partikelKomplex-

chemie

Molekular-biologie

Biologie

Funktionalisieren

Nanobiotechno-logie

Nano-Technologie

Quelle: VDI

Nanotechnologie

gestern und heute

© Fraunhofer IWS


18


© Fraunhofer IWS


19


Quelle: BMBF (nano-map.de)

© Fraunhofer IWS


20

Akteure in DeutschlandNanotechnologie-

Unternehmen nach Branchen

Anzahl /%

0 10 20 30

2513

10

119

7

64

2

34

6

Quelle: BMBFnano.deReport

© Fraunhofer IWS


21

Akteure in DeutschlandNanotechnologie-Unternehmen

/ Zuordnung zur Wertschöpfungskette

Anzahl /%, Mehrfachnennungen möglich0 25 50

Quelle: BMBF, nano.de

-

Report

© Fraunhofer IWS


22

Leibniz-

Gemeinschaft

-

Nanomaterialien

und -OF, Festkörper-

und Optoelektronik, HF-Technik

Helmholtz-Gemeinschaft dt. Forschungszentren

-

Nanoelektronik, Nanomaterialien

Max-

Planck-

Gesellschaft

-

Grundlagenforschung von Werkstoff bis Biotechnologie

Fraunhofer-

Gesellschaft

-

angewandte Forschung zu Werkstoffen, OF, Elektronik, Biotechnik

Universitäten & sonstige FuE-

Einrichtungen

-

verstärkt relevante Studiengänge zur Nanotechnologie

BMBF-

geförderte Kompetenzzentren -

Ziel: Zusammenführung von Forschung und Anwendung

Weitere Netzwerke, häufig mit lokalem Bezug

Industrielle Forschung und Entwicklung

-

Systemforschung in Großunternehmen, -

Geräte und Verfahren in KMU

Akteure in DeutschlandNanotechnologie-

Forschung in Deutschland

© Fraunhofer IWS


23

Akteure: öffentliche FörderungBritisch-Sächsisches Nanotechnologie-Forum in London am 03.10.2005

Anlass: Sachsen Partnerland von GB

in 2005 etwa 150 Teilnehmer (1/3 aus D) Vortragende u.a.:

Prof. Milbradt,Prof. Bullinger (FhG),Sir David King,Dr. Deppe (AMD),Prof. Simons (MPG),Dr. Kücher (FhG CNT) u.a.

3 Workshops zu Nanoelektronik/-optik, Nanoschichten/-materialien und Nanobiotechnologie

Ministerpräsident Milbradt bei der Eröffnung

=> diverse Folgeveranstaltung in Sachsen

© Fraunhofer IWS


24

Akteure: öffentliche Förderung

Aktionsplan Nanotechnologie

2015 des BMBF

Forschungsförderung und Technologietransfer in den Bereichen Klima/Energie, Gesundheit/ Ernährung, Mobilität, Sicherheit und Kommunikation

KMU-Förderung und Gründerunterstützung

Risikoforschung für Mensch und Umwelt, Aktivitäten im Umwelt-, Verbraucher und Arbeitsschutz

Anpassungen gesetzlicher Regelwerke, Standardisierung und Normung, Nachwuchs-

und Arbeitskräfte

Dialog mit der Öffentlichkeit

internationale Kooperation

Inhaltliche Anknüpfung an "Nano-Initiative

-

Aktionsplan 2010"

© Fraunhofer IWS


25

Akteure: öffentliche Förderung

EU-

Förderung

Nanoscience, Nanotechnologies, Materials and new

Production

Technologies –NMP (Cooperation)

Food, Agriculture and Fisheries, and Biotechnology (Cooperation)

Information and Communication Technologies –

ICT (cooperation)

Spezielle Förderprogramme zur Nanotechnologie:

Darüber hinaus:

Themenoffene Programme, z.B. für KMU (Eureka, spezielle bilaterale Programme..)

© Fraunhofer IWS


28

Trends: Nanotechnologie

–

Forschung am Fraunhofer IWSNanometer-Multischichten für EUV-

und Röntgenoptiken

Extremes Ultraviolett

(EUV):

Lithographie

bei

l = 13,5 nm (~ 100 eV)Weiche Röntgenstrahlung:

Spektroskopie

(RFA, ESMA) (200 eV

–

2 000 eV) Harte Röntgenstrahlung:

Diffraktometrie, Reflektometrie

(6 000 eV

–

30 000 eV)

Hauptanwendungsbereich

Spiegel und Monochromatoren auf Basis derBRAGG-Reflexion

an periodischen Strukturen

© Fraunhofer IWS


29

EUV-Spiegel

für die Halbleiter-Lithographie

Schema des Prinzips der EUV-Lithographie

Anforderungen an die Schichten: höchste Reflexion präzise Gesamtdicke präzise Dickengradienten geringste Eigenspannungen Langzeit- und Strahlungsstabilität

dp ~ 7 nmMoSi


–

Forschung am Fraunhofer IWS

© Fraunhofer IWS


30

Nanostrukturierte

Schichten für Verschleißschutzanwendungen

Beeinflussung des Schichtstruktur bei AlCrN/TiN

–

Schichten

durch Si –

Dotierung:

ohne Si mit Si

Steigerung von Härte und Zähigkeit

Kontrolle von Defektwachstum und Eigenspannungszuständen


–


© Fraunhofer IWS


31

Carbon-Nanotube-

Technologie für Aktorik, Energiespeicher u.v.a.

CNT-

Elektrode

substratgebundene CNT

Anwendungen:

Elektroden für Supercaps

und künftige Hochleistungsbatterien


–


© Fraunhofer IWS


32

Nanokristalline Magnetwerk- stoffe für effiziente Kompo- nenten bei der Stromver- sorgung (Transformatoren, Zähler, etc.)

Nanomembranen zur Abtren- nung von Kohlendioxid in Verbrennungskraftwerken

Nanoverschleißschutzschichten für mechanische Komponenten (Z.B. Automobil, Bohrgestänge etc.)

OLED für großflächige Displays und Beleuchtungskörper

Nanostrukturierte Themoel- ektrika zur Stromversorgung mobiler Elektronik

Farbstoffsolarzellen für dekorative Fassadenelemente

Polymersolarzellen für großflächige Anwendungen auch für komplexe Geometrien

Kohlenstoffnanoröhren für stabile Windrotorblätter und verlustarme Stromleitungen

Li-Ionenbatterien zur Speicher- ung von Windenergiestrom und zum Antrieb von Automobilen

Nanoporöse Wasserstoff- speicher für Brennstoff- zellen-Fahrzeuge

Nano-Hitzeschutzschichten für Gasturbinen

Hochtemperatursupraleiter für Generatoren/Antriebe in Schiffen

Nanooptimierte Brennstoffzel- len für Automobile, Transportfahrzeuge

n eff 1

n eff

n eff

2

3

Antireflexbeschichtung

Isolation durch Einschränkung der MFP

Beispiele zu Nano für den Energiesektor

Bildquellen: Siemens, BASF, Evonik, Bayer, FhG-ISE, Rewitec, GKSS, Magnetec , Fh-Wiesbaden, Cabot, Merck, centrosolar

© Fraunhofer IWS


33

Zusammenfassung

In den letzten 20 Jahren ist die Nanotechnologie

in den Fokus der

Öffentlichkeit gerückt

nanotechnologisch

optimierte Produkte dringen in den Alltag, Tendenz

steigend

Deutschland gehört zu den wichtigsten Nanotechnologie-

Standorten in

der Welt

Akteure sind vor allem KMU sowie einige Großunternehmen

Zahlreiche F&E-

Einrichtungen befassen sich mit Nanotechnologie

Nanotechnologie-

Forschung wird zielgerichtet öffentlich gefördert

Immer mehr Bereiche der Technik profitieren von der Nanotechnologie

© Fraunhofer IWS


34

DAS WISSEN DER GESAMTEN

MENSCHHEIT HAT PLATZ AUF DER SPITZE

DIESER NADEL !!!!!

DAS ERKLÄRT EINIGES...

Quelle: sächsische Zeitung

Nanotechnologie, von der Forschung in den Alltag · Kurzportrait 1949 gegründet gemeinnütziger...

Documents

Transcript of Nanotechnologie, von der Forschung in den Alltag · Kurzportrait 1949 gegründet gemeinnütziger...