Durch die künstlich reduzierte Dimensionalität sowie den hohen Anteil von Grenzflächen oder Oberflächen sind maßgeschneiderte Änderungen der elektronischen, optischen, magnetischen, mechanischen oder katalytischen Eigenschaften möglich. Nanometergroße Bauelemente sind für die Entwicklung hochdichter Datenspeicher und von zukünftigen Computern von enormem Interesse. Wie in dem Beitrag „Neue Materialien“ beschrieben, können auch natürliche Kristalle eine reduzierte Dimension aufweisen, mit Eigenschaften, welche den Nanostrukturen sehr ähnlich sind. Strukturen mit Abmessungen von Nanometern spielen aber auch bei biologischen Prozessen und in der Medizin eine maßgebliche Rolle. 
In der Fakultät Physik der Universität Stuttgart werden vielfältige Untersuchungen zur Nanostrukturphysik durchgeführt. Wichtig ist hierbei eine enge Zusammenarbeit zwischen Physik, Chemie, Materialwissenschaft, Informatik und Biologie.
In nanokristallinen Festkörpern treten aufgrund der Vielzahl von Grenzflächen (siehe Abbildung links) schnelle Diffusionsprozesse auf, die zum Beispiel für Sensoren oder Ionenleiter in Brennstoffzellen von Bedeutung sind. Neuartige nanokristalline Magnete sind beispielsweise in Hochleistungstransformatoren und für die Anwendungen kleiner Elektromotoren wichtig. Der Effekt des Riesenmagnetowiderstands in Nanostrukturen wird für moderne schnelle Leseköpfe für magnetische Datenspeicher ausgenutzt.

top-down oder bottom-up
In der Halbleitertechnologie werden zwei grundsätzlich verschiedene Ansätze verfolgt, um immer kleinere Bauelemente zu realisieren: einerseits werden die Grenzen der Lithographietechniken immer weiter in den Nanometer-Bereich vorgeschoben (top-down Ansatz), andererseits versucht man, Nanostrukturen aus einzelnen Atomen aufzubauen (bottom-up Ansatz). 

Als Alternative zu den rein optischen Lithographie-Verfahren in der Halbleiterindustrie werden für zukünftige elektronische Bauelemente mit Strukturen unterhalb 100 nm neuartige Verfahren mit Elektronen-, Ionen-, Röntgen- und Atomstrahlen erforscht. Für noch kleinere Strukturen im 10-Nanometer-Bereich sind Technologien unter Nutzung der Selbstorganisation aussichtsreich (siehe Abbildung).
Zur Charakterisierung der feinen Strukturen werden Rastersonden-mikroskope eingesetzt, bei denen die Oberfläche mit einer wenige Nanometer großen Sonde abgetastet wird. Mit diesen Mikroskopen lassen sich Prozesse an Oberflächen mit atomarer Auflösung studieren. So zeigt beispielsweise die nächste Abbildung die Selbstorganisation von Phthalocyanin-Molekülen auf einer Oberfläche. 

Die beobachteten Strukturen lassen sich aus dem Wechselspiel der Kräfte zwischen den Molekülen und zum Substrat verstehen. Die optische und spektroskopische Charakterisierung von Nanostrukturen ist mit der Nahfeldmikroskopie in neuartiger Weise zugänglich.

Ein weiteres Beispiel sind die in Stuttgart hergestellten Nanostrukturen für den ersten Quanteninsellaser im roten Spektralbereich. Auf der Basis der intensiven Forschungsaktivitäten wird das weltweite Umsatzpotential der Nanotechnologie für 2001 von Marktforschern auf ca. 110 Milliarden Mark geschätzt (siehe Abbildung unten rechts). Anwendung und Perspektiven liegen etwa auf den Gebieten der Elektronik, Optoelektronik, 

Magnetoelektronik und Sensorik, der Weich- und Hartmagnete, der Sonnenschutzmittel, der Katalyse, der Anti-Schmutz- und Anti-Kratzschichten und weiteren Gebieten.

H. Schaefer, M. Dressel

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Prof. Dr. Hans-Eckhardt Schaefer,
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