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Forschung

Die Arbeitsgruppen des LNQE arbeiten Interdisziplinär über die Fachgrenzen hinweg zusammen auf dem Gebiet Nanotechnologie. Die Begriffe Nanoengineering, Nanoanalytik und Nanomaterialien kennzeichnen die Forschung des LNQE. Zusätzlich konzentriert sich das LNQE auf (zurzeit) drei Applikationsfelder: Nanotechnologie für die Energieforschung, Nanotechnologie für die Sensorik und Nanotechnologie für die Biomedizintechnik & Nanomedizin.

Forschungsstruktur des Laboratoriums für Nano- und Quantenengineering.

Nanotechnologie

Die Nanotechnologie beschreibt die Erforschung und Manipulation von Dingen auf kleinsten Dimensionen. Generell beschäftigt sich die Nanotechnologie mit Strukturen im Größenbereich von 1-100 Nanometer in mindestens einer Raumrichtung. 100 Nanometer sind in etwa ein Tausendstel des Durchmessers eines normalen menschlichen Haares. Bei diesen kleinen Abmessungen treten Oberflächeneigenschaften gegenüber den Volumeneigenschaften der Materialien immer mehr in den Vordergrund und darüber hinaus müssen oft quantenphysikalische Effekte berücksichtigt werden.

Hellfeld TEM-Aufnahme von Nanowürfeln aus Eisenoxid (D. Hinrichs, D. Dorfs/PCI)

Nanoengineering

Nanoengineering ist das Engineering auf der Nanoskala, also das gezielte künstliche Herstellen von Strukturen der Nanotechnologie wie zum Beispiel winzigster Transistoren auf Computerchips. Der mit dem Nanoengineering eng verwandte Begriff Quantenengineering zielt auf die Erzeugung und Manipulation eines definierten Quantenzustandes ab, wie zum Beispiel der Realisierung eines Bose-Einstein-Kondensats oder eines Bauelements mit gezielt eingestelltem Elektronenspin. Die Größe solcher Systeme ist oft ebenfalls im Nanometerbereich.

Beispiele für aktuelle Forschungsarbeiten im Laboratorium sind Quanteninterferenz und Quantentransport in niedrigdimensionalen Systemen, Quantensensoren auf der Basis von integrierten atomoptischen Systemen, atomare Systeme in Nanostrukturen, atomare Inertialsensoren, Einsatz von einfachen und gekoppelten Quantenpunktsystemen bei der Quanteninformationsverarbeitung sowie Spineffekte. Anwendung von nanoskaligen Materialien in Dünnschichtsolarzellen, Herstellung und Charakterisierung von Photonischen Kristallen, Nanostrukturen und Bausteinen für die Plasmonik, Kohärenzeffekte bei der Elektron-Loch-Spin-Kopplung und die Anwendung von spinpolarisierten Ladungsträgern in Halbleiterlasern.

TEM-Untersuchungen an PECVD / SiO2-Schichten auf Si (B. Wolpensinger, R. Brendel/ISFH, E. Bugiel, J. Osten/MBE)

Für die Herstellung kleinster Strukturen werden im Laboratorium vielfältigste Techniken verwand, wobei die Weiterentwicklung und das Verständnis dieser Techniken zum Teil selbst Gegenstand der Forschung sind. Die verwendeten Strukturierungstechniken sind zum Beispiel Fotolithographie, Elektronenstrahllithographie, Oberflächen-Laserstrukturierung, 3D Two-Photon Lithographie, Oberflächenbearbeitung mit dem Rasterkraftmikroskop und Strukturierung mit dem Rastertunnelmikroskop . Hinzu kommen die Dünnschichttechniken der Halbleitertechnologie wie Aufdampfen, Sputtern, Tempern, chemische Gasphasenabscheidung, Molekularstrahlepitaxie, Implantieren von Ionen, Oxidation, Ätzprozesse (Plasmaätzen, Ätzen mit RIE und Nasschemisches Ätzen) und Atomlagenabscheidung.

Resonante Spin-Dynamik in Bose-Einstein Kondensaten (Klempt, Ertmer/IQO)

Nanomaterialien

Nanomaterialien verschiedenster Form, Stoffzusammensetzung und Größe im Nanometerbereich werden im Laboratorium hergestellt und untersucht. Nanopartikel besitzen aufgrund ihrer kleinen Abmessungen spezielle chemische und physikalische Eigenschaften, die sich deutlich von den Eigenschaften von makroskopischen Partikeln und Festkörpern unterscheiden. Die Ursache hierfür ist das große Verhältnis von Oberfläche zu Volumen der Nanopartikel, wodurch sie stark mit Ihrer Umgebung wechselwirken. Hinzu kommen gegebenenfalls quantenmechanische Effekte.

Die Herstellung von Nanopartikeln mit gezielt einstellbaren Eigenschaften, die Nutzbarmachung von Nanopartikeln für bestimmte Anwendungen und das physikalische Grundlagenverständnis von Nanopartikeln und deren Wirkungsweise stehen im Laboratorium im Vordergrund. Die Nanopartikel werden chemisch synthetisiert oder lasergestützt erzeugt.

Transmissionselektronenmikroskop-Aufnahme von Metallorganischen Gerüsten (engl. metal-organic frameworks, MOF) mit Zink. (A. Satalov, P. Behrens/ACI)

Aktuelle Forschungsvorhaben sind unter anderem Untersuchungen von Nanopartikeln für Farbstoff-Solarzellen, Beschichtungen mit Nanopartikeln für selbstreinigende Oberflächen, Nanopartikel mit photokatalytischen Eigenschaften zur Reinigung von Luft und Wasser, Überstrukturen von Nanopartikeln, erweiterte Formkontrolle von Nanopartikeln sowie biokompatible Nanomaterialien für die Medizin wie zum Beispiel Implantate für das Innenohr. Darüber hinaus wird immer auch die mögliche Toxizität von Nanomaterialien berücksichtigt und untersucht. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Simulation auf der Nano-Ebene, es werden in Multiskalen-Analysen der Einfluss der Nanomaterialien und allgemein Grenzflächen auf makroskopische Objekten modellier. 

Nanoanalytik

Die künstlich erzeugten Strukturen und Materialien werden auf vielfältigste Art untersucht und analysiert. Die Analytik im Nanometerbereich benötigt unterschiedlichste und neuste Geräte und Verfahren. Die nötige technologische Ausrüstung steht den Arbeitsgruppen zentral im LNQE-Forschungsbau zur Verfügung (unter „Technologie im Forschungsbau“ auf der Website) und wird durch die Ausstattung in den Instituten (als „Gerätepool der Mitglieder“ auf der Website) ergänzt.

 Quantenphysik in zweilagigem Graphen (Lüdtke, Haug/FKP)

Als wichtige Verfahren der Nanoanalytik sind zu nennen: Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Rasterelektronenmikroskopie (REM), Rasterkraftmikroskopie (AFM), Rastertunnelmikroskopie (STM), Konfokalmikroskopie, Spektrale Ellipsometetrie, Röntgen-Diffraktometrie etc.

Falschfarben-REM-Bild (70000-fache Vergrößerung, 45 ° gekippte Ansicht) eines einzelnen freistehenden Galliumarsenid-Nanodrahtes, der mit drei Wolfram-Nanospitzen eines Mehrsonden-Rastertunnelmikroskopes
kontaktiert wird (I. Miccoli, F. Edler, C. Tegenkamp/FKP)

Nanotechnologie für die Energieforschung

Energiewandlung, Energietransport und Energiespeicherung sind grundlegende Fragen für die Zukunft unserer Gesellschaft. Hier kann das neue Gebiet der Nanotechnologie wichtige Beiträge leisten. Der Energietransport auf der Nanoskala, sowie die Energiewandlung in nanostrukturierten Systemen stellen bis heute nur sehr wenig untersuchte Themenkomplexe dar. Allerdings können die auftretenden wissenschaftlichen Fragestellungen nur interdisziplinär von Naturwissenschaftlerinnen und Naturwissenschaftlern, von Ingenieurinnen und Ingenieuren gemeinsam bewältigt werden, da hierbei die grundlegenden Quanteneffekte in Nanostrukturen sowohl aus physikalischer als auch aus chemischer Sicht untersucht werden müssen und diese Effekte nur nutzbar gemacht werden können, wenn auch materialwissenschaftliche und ingenieurwissenschaftliche Aspekte berücksichtigt werden. Für die Bearbeitung dieser Fragestellungen sind deshalb interdisziplinär ausgebildete Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler notwendig.

Das Niedersächsische Promotionsprogramm „Hannover School for Nanotechnolgy: Section Energy“ des LNQE beschäftigt sich als Forschungsschwerpunkt mit dieser Thematik.

 

Querschnittsansicht von mesoporösem Silizium, dass als Anodenmaterial in einer Lithiumionen -Batterie verwendet wird (siehe Inlay)(S. Wolter, R. Brendel/ISFH)

Nanotechnologie für die Sensorik

Im Bereich Sensorik spielt Nanotechnologie eine immer größere Rolle. Sensoren mit nanoskaligen Oberflächen, Sensoren, die Informationen aus der nanoskopischen Welt in die makroskopische Welt übertragen und Sensoren, die Nanoeffekte als Sensorprinzip nutzen, können zusammenfassend als Nanosensoren definiert werden. Ziel ist zum einem eine deutliche Verbesserung der Empfindlichkeit und Präzision mit Nanosensoren gegenüber herkömmlichen Sensoren, zum anderen aber auch die Möglichkeit zur Detektion von Dingen, die vorher nicht möglich waren, wie z. B. Schnelltests für Krebs oder der gezielte Nachweis von Einzelmolekülen. Gegenwärtig gibt es viele mögliche Herstellungsstrategien für Nanosensoren, darunter Top-down-Lithographie, Bottom-up-Assembly und der molekularen Selbstorganisation.

Das Niedersächsische Promotionsprogramm „Hannover School for Nanotechnolgy: Section Sensors“ des LNQE beschäftigt sich als Forschungsschwerpunkt mit dieser Thematik.

Nanotechnologie für die Biomedizintechnik & Nanomedizin

Im Bereich Medizin kommt Nanotechnologie immer häufiger zum Einsatz. Zum Beispiel werden im LNQE Nanopartikel und Nanomaterialien für ein kontrolliertes Drug Delivery hergestellt und charakterisiert, z.B. durch Ausnutzung der magnetischen Hyperthermie; bei Implantaten wird die Wechselwirkung mit dem Körper moduliert; neuronale Elektroden werden in ihrer Funktion verbessert; mit Lasertechniken werden Scaffolds für das Tissue Engineering hergestellt, die dann mit Zellen besiedelt werden; Nanofibers werden für den Bau neuartiger Ionenmobilitätsspektrometer für die Atemgasanalyse verwendet.