Emissioner av nanotrådar från epitaxisubstrat

Abstract (Swedish)

Morfologiska likheter med asbest tillsammans med toxikologiska studier i celler och försöksdjur har väckt oro för de potentiella hälsoriskerna om nanotrådar kan bli luftburna och inandas vid hantering. Nanotrådar växta på substrat genom epitaxi kan riskera att skadas under hantering vid förberedelse för analys i mikroskop och detta examensarbete ämnar undersöka huruvida nanotrådar eller fragment av dessa kan lossna från substratet och bli luftburna då detta händer. Emissioner provocerades fram från substrat i en exponeringskammare och deras antalskoncentrationer, storleksfördelningar, kemiska sammansättning och morfologi studerades. Substrat av Si utan påväxta nanotrådar behandlades på motsvarande sätt för att utesluta inverkan av substratfragment i emissionerna. Det visade sig vara stora skillnader mellan emissionerna för substrat med respektive utan nanotrådar, mellan enskilda skrapningar samt mellan de undersökta trådtyperna. Stavformade nanotrådar av InP med 200 nm diameter gav upphov till tydliga toppar i antalskoncentration med en storleksfördelning centrerad runt 1 µm medan konformade trådar av GaP (10 nm diameter i toppen, 100 nm i botten) ej kunde ses som toppar i antalskoncentration. Däremot kunde en bredare och flackare storleksfördelning skiljd från bakgrunden observeras, med partiklar upp till 5 µm i diameter. För en typ av nanotrådar (InP) kunde närvaron av grundämnen unika för nanotrådarna (In, P, Au) uppmätas i luften cirka 2 cm ovanför substratet med hjälp av aerosolmassspektrometri. Storleksfördelningar liksom SEM-bilder visade att emissionerna skedde i form av så väl fragment som agglomerat av dessa och skadade trådar kunde observeras på substratens yta efter hantering. Förståelse för potentiella emissioner till luft är viktig för att skydda personal i de tidiga stadierna av forskning och utveckling liksom som en grund för arbete med säker framtida uppskalning av produktionen.

Popular Abstract (Swedish)

Nanotrådar i forskares arbetsmiljö

Nanotrådar är små strukturer med stor potential. De kan byggas atomlager för atomlager i unika materialkombinationer för att på så vis fånga ljus och leda elektricitet på nya sätt, vilket kan ge mer effektiva solceller och transistorer. Men de fenomen som gör nanoteknik spännande är också de som gör tekniken potentiellt farlig: det saknas grundläggande kunskap hur dessa nya material beter sig och hur de interagerar med människokroppen. Dessa kunskapsluckor innebär att forskare, som hanterar materialen i ett mycket tidigt skede av utvecklingen, är en särskilt utsatt yrkesgrupp. Partiklar i luft är en välkänd risk i en lång rad yrken och man vet ännu inte idag hur farliga nanotrådar är för människor om man skulle råka andas in dem. Men en förutsättning för att de ska bli inandade är förstås att de kan hamna i luften till att börja med. Nanotrådar växes stående upprätt på små brickor som kallas substrat och trådarna själva liknar spikar på en spikmatta. Detta arbete har visat att då substrat med nanotrådar skadas av misstag vid manuell hantering kan nanotrådar brytas av och hittas i luften strax ovanför substratet. De kan också hamna på närliggande ytor eller stanna kvar, fast välta, på substratets yta.

För att skydda både forskare och studenter så väl som framtida industripersonal är det viktigt att så tidigt som möjligt förstå om nanotrådar kan utgöra en risk, helst innan de börjar tillverkas i stora mängder. Det finns en välkänd koppling mellan att andas in fiberstrukturer och lungsjukdomar som gör att forskarvärlden är orolig. Det mest kända exemplet är asbest, vars fibern når djupt ner i lungorna och där inte kan brytas ner av kroppens försvarsmekanismer, vilket på sikt kan leda till lungcancer. De stora kunskapsluckorna gjorde att man i början av detta examensarbete inte visste om det ens var möjligt att hantera substrat så att nanotrådar lossnar och blir luftburna och i så fall i vilka storlekar och former dessa nanotrådar skulle lossna. Vissa spekulerade i att det skulle kunna vara omöjligt att göra eftersom krafter på nanoskalan helt enkelt skulle hålla fast trådarna vid substratet. Det rådde stor oenighet om huruvida detta hade potential att vara väldigt farligt eller så ofarligt att det inte ens var värt att undersöka.
Att mäta om man har nanotrådar i luft är en stor utmaning av flera anledningar. Det finns inte specifika mätinstrument för nanotrådar, vi kan bara mäta partiklar i allmänhet. Problemet är att partiklar skapas av allt möjligt i vår omgivning, till exempel bilavgaser. Dessutom handlar det om mycket små mängder material eftersom nanotrådar är så otroligt små och, jämfört med andra partiklar, otroligt få. Detta gör det svårt att få tillräckligt med nanotrådar i luften för att mätinstrumenten ska hitta dem, speciellt mot en hög bakgrund av ”vanliga” partiklar. En stor del av examensarbetet bestod därför av att hitta ett sätt att skapa en så ren miljö som möjligt att mäta ifrån, så att man skulle kunna hitta och mäta eventuella nanotrådar.
Genom att mäta luften precis ovanför ett substrat under tiden det skrapades med pincett kunde man se att mängden partiklar i luften ökade tydligt i en kort puls strax efter att man skrapat. Man kunde även mäta att dessa partiklar bestod av samma sällsynta kemiska ämnen som nanotrådarna. En överblick av storlekarna på partiklarna visade att nanotrådar klumpas samman i luft och bildar större partiklar i många olika storlekar. På närliggande ytor kunde man se bitar av avbrutna trådar och när man tittade på substraten i mikroskop kunde man även se stora mängder trådar som välts omkull och blivit liggande på substratets yta.
Resultaten från detta examensarbete har visat att det finns en möjlighet för trådar att bli luftburna och att hamna på ytor och arbetet har visat flera vägar framåt för fortsatt forskning inom området. Man har utvecklat en metod för att mäta nanotrådar mot en mycket låg bakgrund, som kan utvecklas vidare för att bättre representera verkligheten. I det praktiska arbetet har resultaten visat hur viktigt det är att man är noggrann med att hantera nanotrådar i skyddande arbetsbänkar, eftersom det fortfarande saknas kunskap om deras toxicitet. Att nanotrådar kan hamna på ytor innebär att det är viktigt att torka av ytor efter att ett substrat har skadats och sedan hantera servetten/trasan som farligt avfall. En person som arbetar i labbet kan råka ta på dessa ytor och på så vis föra vidare trådarna till andra ytor eller i värsta fall råka få i sig nanotrådar, till exempel genom att råka svälja dom. Eftersom arbetet har visat att det är möjligt att bryta av nanotrådar är det viktigt att vara fortsatt försiktig då man arbetar med att utveckla dessa och andra liknande nanopartikelstrukturer.

• author: Abrahamsson, Camilla
• supervisor: Christina Isaxon
• organization: Ergonomics and Aerosol Technology
• course: MAMM10 20202
• year: 2021
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Nanosäkerhet, epitaxi, arbetsplatsrisk, aerosol, hälsorisk
• language: Swedish
• id: 9042453
• date added to LUP: 2021-06-02 10:51:29
• date last changed: 2021-06-02 10:51:29