Advanced

Methods to Generate Size- and Composition Controlled Aerosol Nanoparticles

Karlsson, Martin LU (2004)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Den här avhandlingen beskriver olika experimentella metoder att framställa nanopartiklar med kontroll över storlek och sammansättning. En nanopartikel är en partikel som är mindre än 100 nanometer (1 nm är en miljondels millimeter). Utmaningen ligger i att partiklarna är såpass små. En nanopartikel förhåller sig ungefär storleksmässigt till en tennisboll som en tennisboll förhåller sig till hela jordklotet. För att möta denna utmaning användes olika aerosolmetoder. En aerosol är fasta eller flytande partiklar som är så små att de kan hålla sig svävande i en omgivning av gaser.



Ett av sätten att producera partiklar som användes i denna avhandling är den så kallade... (More)
Popular Abstract in Swedish

Den här avhandlingen beskriver olika experimentella metoder att framställa nanopartiklar med kontroll över storlek och sammansättning. En nanopartikel är en partikel som är mindre än 100 nanometer (1 nm är en miljondels millimeter). Utmaningen ligger i att partiklarna är såpass små. En nanopartikel förhåller sig ungefär storleksmässigt till en tennisboll som en tennisboll förhåller sig till hela jordklotet. För att möta denna utmaning användes olika aerosolmetoder. En aerosol är fasta eller flytande partiklar som är så små att de kan hålla sig svävande i en omgivning av gaser.



Ett av sätten att producera partiklar som användes i denna avhandling är den så kallade evaporering/kondensations-metoden. Den bygger på att man hettar upp ett material så att det evaporeras, det vill säga materialet övergår till gasfas. Om tillräckligt mycket material förångas bildas det partiklar genom kondensation när gasen så småningom kyls av. Enskilda atomer slås samman och bildar mycket små och instabila partiklar, som sedan kan växa genom att fler och fler atomer kondenseras på ytan. Partiklar som bildas på detta sätt är ofta väldigt oregelbundna, varför en process som gör dem mer kompakta oftast är nödvändig. Denna process kallas sintring och sker exempelvis då partiklarna passerar en upphettad region, i dessa experiment en rörugn. Sintringsprocesser studerades för olika material.



Nanopartiklar bestående av två material producerades med kontroll på såväl storlek som sammansättning. Partiklar skapades först med evaporering/kondensations-metoden. Sammansatta partiklar, eller legeringar, kunde sedan skapas genom att kondensera ett annat material på de redan skapade partiklarna. På detta sätt framställdes Au/Ga-partiklar.



En annan metod som användes i detta avhandlingsarbete skapar partiklar genom att bryta sönder gasformiga molekyler. Fria atomer bildas då en molekyl som innehåller det önskade grundämnet hettas upp och bryts sönder. Dessa kan då bilda partiklar på samma sätt som tidigare. Med denna metod kan partiklar skapas bestående av ämnen som är svåra att skapa med evaporering/kondensations-metoden.



En av de viktigaste egenskaperna när det gäller nanopartiklar är storleken. Storleken påverkar andra egenskaper, varför det är viktigt att noggrant kunna mäta storleken. För detta användes ett instrument som heter differentiell mobilitetsanalysator, DMA. I en DMA delas laddade partiklar upp enligt deras elektriska mobilitet. Elektrisk mobilitet kan beskrivas som partiklarnas rörlighet i elektriska fält, och beror på antalet laddningar på partikeln och partikelns storlek. Om man utför mätningar med en DMA på partiklar som laddats upp på ett kontrollerat sätt, kan deras storlek beräknas med hög noggrannhet. En metod för att bestämma prestandan av DMAer i förhållande till det ideala fallet utvecklades och testade experimentellt. Med denna metod kan storleksberoendet av en DMAs prestanda förutsägas utifrån mätningar gjorda vid en partikelstorlek, vilket också presenteras i denna avhandling.



Nanometerstora aerosolpartiklar skapades genom att spraya kolloider, som är partiklar lösta i en vätska. En elektrospray användes för att generera droppar tillräckligt små för att endast innehålla en kolloidpartikel. Aerosolpartiklar skapades då dropparna torkade. En elektrospray använder högspänning i samband med själva sprayandet. Detta gör att man kan skapa likformiga droppar på ett kontrollerat sätt. I avhandlingen presenteras resultat som visar att det är möjligt att skapa enskilda, nanometerstora aerosolpartiklar från en kolloidlösning. (Less)
Abstract
This thesis describes experiments performed using different methods to produce aerosol nanoparticles with control over size and composition. The process included differential mobility analyzers (DMAs) as size-selecting instruments and tube furnaces for particle synthesis.



A method to estimate the degradation of the DMA performance from the ideal case for individual DMAs was proposed and tested experimentally. Using this method, the size dependence of the DMA performance was predicted from measurements at a single particle size.



Size- and composition controlled binary alloy aerosol nanoparticles were generated. Core particles were formed by the evaporation/condensation method, and alloy particles were... (More)
This thesis describes experiments performed using different methods to produce aerosol nanoparticles with control over size and composition. The process included differential mobility analyzers (DMAs) as size-selecting instruments and tube furnaces for particle synthesis.



A method to estimate the degradation of the DMA performance from the ideal case for individual DMAs was proposed and tested experimentally. Using this method, the size dependence of the DMA performance was predicted from measurements at a single particle size.



Size- and composition controlled binary alloy aerosol nanoparticles were generated. Core particles were formed by the evaporation/condensation method, and alloy particles were created by the subsequent condensation of another material. The Au-Ga system was used as a test system.



Generation processes were investigated by studying deposition patterns inside a horizontal evaporation/condensation nanoparticle generator. Comparison to estimates calculated from a one-dimensional monodisperse aerosol formation model indicates the presence of non-uniform flow inside the generator.



Aerosol nanoparticles were created from the vapor emanating from the thermal decomposition of iron pentacarbonyl. The size, morphology, composition and structure of the generated iron-containing particles were investigated.



The sintering behavior of agglomerated aerosol nanoparticles was investigated. When comparing the relative compaction temperature for different nanoparticles produced in different laboratories deviations in the sintering behavior were found. These could be associated to the different particle compositions.



Individual nanoparticles were generated from monodisperse colloidal suspensions by the use of an electrospray method. Deposition of single particles could be achieved and controlled by deposition time and dilution ratio. The method was found to be independent of particle material. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
opponent
  • Professor Boman, Mats, Uppsala University, Sweden
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
differential mobility analyzer (DMA), transfer function, binary alloy nanoparticles, nanoparticle generator, thermal decomposition, Physics, sintering, Fysik, size selection, nanoparticles, aerosol technology, Fysicumarkivet A:2004:Karlsson
pages
138 pages
publisher
Solid State Physics, Lund University
defense location
Department of Physics, Lecture Hall B, Sölvegatan 14, Lund Institute of Technology
defense date
2004-05-14 13:15
external identifiers
  • Other:LUFTD2/TFFF-0071
ISBN
91-628-6034-8
language
English
LU publication?
yes
id
3ea525b9-3f68-4191-a20d-5f880572e319 (old id 467000)
date added to LUP
2007-09-28 10:57:49
date last changed
2016-09-19 08:45:13
@misc{3ea525b9-3f68-4191-a20d-5f880572e319,
  abstract     = {This thesis describes experiments performed using different methods to produce aerosol nanoparticles with control over size and composition. The process included differential mobility analyzers (DMAs) as size-selecting instruments and tube furnaces for particle synthesis.<br/><br>
<br/><br>
A method to estimate the degradation of the DMA performance from the ideal case for individual DMAs was proposed and tested experimentally. Using this method, the size dependence of the DMA performance was predicted from measurements at a single particle size.<br/><br>
<br/><br>
Size- and composition controlled binary alloy aerosol nanoparticles were generated. Core particles were formed by the evaporation/condensation method, and alloy particles were created by the subsequent condensation of another material. The Au-Ga system was used as a test system.<br/><br>
<br/><br>
Generation processes were investigated by studying deposition patterns inside a horizontal evaporation/condensation nanoparticle generator. Comparison to estimates calculated from a one-dimensional monodisperse aerosol formation model indicates the presence of non-uniform flow inside the generator.<br/><br>
<br/><br>
Aerosol nanoparticles were created from the vapor emanating from the thermal decomposition of iron pentacarbonyl. The size, morphology, composition and structure of the generated iron-containing particles were investigated.<br/><br>
<br/><br>
The sintering behavior of agglomerated aerosol nanoparticles was investigated. When comparing the relative compaction temperature for different nanoparticles produced in different laboratories deviations in the sintering behavior were found. These could be associated to the different particle compositions.<br/><br>
<br/><br>
Individual nanoparticles were generated from monodisperse colloidal suspensions by the use of an electrospray method. Deposition of single particles could be achieved and controlled by deposition time and dilution ratio. The method was found to be independent of particle material.},
  author       = {Karlsson, Martin},
  isbn         = {91-628-6034-8},
  keyword      = {differential mobility analyzer (DMA),transfer function,binary alloy nanoparticles,nanoparticle generator,thermal decomposition,Physics,sintering,Fysik,size selection,nanoparticles,aerosol technology,Fysicumarkivet A:2004:Karlsson},
  language     = {eng},
  pages        = {138},
  publisher    = {ARRAY(0x8fb2a78)},
  title        = {Methods to Generate Size- and Composition Controlled Aerosol Nanoparticles},
  year         = {2004},
}