Nanopartikelanalytik

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1 Folie 1 Nanopartikelanalytik Erwin Peiner, TUBS- Fraunhofer Wilhelm-Klauditz-Institut (WKI) (T. Salthammer, E. Uhde) TUBS Institut für Hochfrequenztechnik () (W. Kowalsky, T. Riedl) TUBS Institut für Halbleitertechnik () (A. Waag, Ü. Sökmen)

2 Folie 2 BZ, 23. April 2007:...Straßen-, Reifen-, Brems-, und Kupplungsabrieb [belasten] mehr als Auspuff-Emission......alarmierende Feinstaub-Werte (PM 10) für den Bohlweg......der bisher nur in den USA geltende Grenzwert [für UFP] wurde fast immer überschritten,...

3 Folie 3 UFP J. Weidhofer, N. Winker, Allg. Unfallvers.-Anst., Wien

4 Folie 4 Gesundheitsrisiko Nanopartikel - Hypothesen: Nanopartikel länger stabil da Koagulation mit größeren Partikeln seltener auftritt toxischer, da Oberfläche katalytisch wirksam -> unerwünschte Reaktionen UFP PM 1 PM 2,5 PM 10 Staub D (nm)

5 Folie 5 PM 10 PM 2,5 PM 1 oral dermal sedimentierter Hausstaub Immunzellen (Makrophagen) in Lungenbläschen nehmen UFP auf und rufen im Zellgewebe eine entzündliche Reaktion hervor H. F. Krug, FZ Karlsruhe

6 Folie 6 chemische Zusammensetzung adsorbierte Moleküle Größenverteilung Dynamik Form Masse

7 Folie 7 Sammeln und Charakterisierung von Modell-Nanopartikeln Nanopartikelemission aus elektronischen Geräten Massebestimmung an Nanopartikeln

8 Folie 8 Ag-Nanopartikel aus einer Clusterquelle - Konglomeration von gesputterten Teilchen in gekühlter Atmospäre (LN 2 ) unter hohem Druck (30 hpa), - Extraktion durch Expansion ins Vakuum (< 0.1 Pa), - Abscheidung durch Impaktion auf Substrat unter 45 Arbeitsgruppe Schultes, HTW Saarbrücken

9 Folie 9 Ag-Nanopartikel auf Silizium-Wafer: FE-REM D. Rümmler,

10 Folie 10 Ag-Nanopartikel auf Silizium-Wafer: FE-REM

11 Folie 11 Ag-Nanopartikel auf Silizium: AFM E. Schlenker,

12 Folie 12 Ag-Nanopartikel auf ZnO-Nanorods: FE-REM D. Rümmler,

13 Folie 13 Ag-Nanopartikel auf black/grey silicon: FE-REM D. Rümmler,

14 Folie 14 Sammeln und Charakterisierung von Modell-Nanopartikeln Nanopartikelemission aus elektronischen Geräten Massebestimmung an Nanopartikeln

15 Folie 15 Emission of nanoparticles from electronic devices (study in test chamber and office) WKI Chamber design particle distribution Particle Sampling Nanobalance/Mass Particle sampling Spectroscopy Evaluation of results Paper (pr)

16 Folie 16 Nanopartikelkonzentration und größe mit FMPS (Fast Mobility Particle Spectrometry Particle analysis TSI Inc.

17 Emission of nanoparticles from electronic devices 3x10 6 2x10 6 1x10 6 Uhde et al. (2006) Proc. Healthy Buildings 0 Folie 17 particle conc. (particles cm -3 ) particle size (nm) time after print start (min)

18 Folie 18 Sammeln von Partikeln mit Mikrofaserfilter für mikroskopische Untersuchungen nicht geeignet D. Rümmler,

19 Folie 19 Sammeln auf ZnO-Nanorods D. Rümmler,

20 Folie 20 Sammeln und Charakterisierung von Modell-Nanopartikeln Nanopartikelemission aus elektronischen Geräten Massebestimmung an Nanopartikeln

21 Folie 21 β-absorption (BAM) Tapered Element Oscillating Microbalance (TEOM) F. Drewnick, MPI Mainz Nachweisgrenze bei 1 l/min (Halbstundenmittelwert): 3 µg/m 3 6 µg/m 3 entspricht 10 7 /cm 3, d = 20 nm, Dichte = 1 g/cm 3

22 Folie 22 Partikelmasse Masse d. einz. Partikels 1 pg 1 fg 1 ag

23 Folie 23 micromechanical system (nanobalance) nanolithography (filters) Nanoparticle Analysis System mass concentration chemical reactivity (through receptors) integration of functionality (microsystem design) real time functionality Suitable Sampling System : Fiber / Membrane / Pore /

24 Folie 24 ZnO-Nanorods on cantilever for nanoparticle sampling ZnO-Nanorods on cantilever (i imin = 30 nm)

25 Folie 25 -> MEMS/NEMS-Resonator als Nanowaage - skalierbar - piezoresistive, piezoelektrische, kapazitive oder optische Auslesung - erreichte Auflösung: 10 fg unter Vakuum ( 10 3 Partikel), < 1 pg ( 10 6 Partikel), in Luft

26 Folie 26 großflächige Silizium-Kragbalkenresonatoren Lasergeschnitten: Q -1 = 6A10-3 mechanisch poliert Nasschem. geätzte Si-Resoantoren -> Dämpfung nahe der thermoelastischen Grenze trocken geätzt nasschemisch geätzt 28 mm 2 T. Haramina, U Göttingen M = 2 mg, m min = M/Q 2 ng

27 Folie 27 Piezoresistive Cantilever: - high resolution, simple read out - traceable to the SI - no geometrical restrictions by optical read out - CMOS-compatible batch fabrication - integration with nanoparticle detection unit PTB/ micro/nanoforce transfer standard

28 Folie 28 Piezoresistive cantilever M. Balke,

29 Folie 29 Nanobalance Sampling/filtering of nanoparticles: - Deposition of particle collectors: ZnO nanorods - Surface modification: Black/grey silicon - Integration of electrodes: Electrostatic sticking Development of Nanobalance: - Design optimization starting from piezoresistive micro-/nanoforce standard - Improvement of mass resolution - Integration of particle collector/filter - Differential measurement with respect to a reference cantilever Integration of Nanobalance into FMPS spectrometer: - Size-dependent weighing of nano particles - Material analysis by density measurement

30 Folie 30 Outlook Ø Particle measurement Ø Simulation of a realistic environment Ø Standard particle source Ø Real-time analysis Ø Nanobalance Ø Filters (nanolithography) Ø Collection of nanoparticles (wafer) Ø Single particle analysis (AFM, Ellipsometry)