JP2017525580A - 歪みナノ粒子を含むナノ粒子を合成する方法およびシステム - Google Patents

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Abstract

複数個のナノ粒子を合成する方法は、流動するキャリア・ガスの存在下に、前駆体溶液をエアロゾル化し、それにより、反応物流を生成する工程を有し、前記前駆体溶液は、揮発性溶媒と、ナノ粒子前駆体とを含有する。この方法は、さらに、前記反応物流を、前記揮発性溶媒の沸点より高い温度に加熱し、それにより、複数個のナノ粒子を含む生成物流を生成する工程と、前記生成物流を冷却する工程と、前記生成物流を捕集用液体内を通過させ、それにより、前記生成物流から前記複数個のナノ粒子を捕集する工程とを有する。【選択図】図１

Description

本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）項に従い、米国仮特許出願第６１／９９３，７７９号の優先権の効果を主張しており、その米国仮特許出願は、２０１４年５月１５日に出願され、かつ、発明の名称が「歪み（strained、歪みを与えられた、圧縮歪みを与えられた、引張歪みを与えられた、歪まされた、ひずみ、ストレインド）ナノ粒子を含むナノ粒子を合成する方法およびシステム」であるものであり、さらに、この米国仮特許出願は、ＰＣＴ規則第４．１８および第２０．６の適用をも目的として、引用により全体的にこの明細書に合体される。
ナノ粒子(nanoparticles、複数個のナノ粒子）は、これまで、太陽電池から、診断薬、トランジスタまでの広範囲の用途において強い関心を集めてきている。例えば、日焼け止めローション(sunscreens)においてはナノ・チタニア(nano-titania、ナノ酸化チタン)およびナノ・シリカ(nano-silica、ナノ二酸化ケイ素）、生体画像処理(biomedical imaging、生体医用イメージング）においてはナノ・イオン酸化物(nano-ion oxide)というように、酸化物ナノ粒子(oxide nanoparticles、酸化物より成るナノ粒子)の商業的用途が普及しているが、金属のナノ粒子(metal nanoparticles、金属より成るナノ粒子)およびナノ結晶(nanocrystals)という用途は、他より遅れをとっている。金属のナノ粒子およびナノ結晶の実施が広範囲に普及することを阻む重大な障害は、特定の物理的特性を有する商業的規模での品質を作り出すことである(the production of commercial-scale qualities with specific physical properties)。このことは、特に、ナノ結晶について当てはまり、なぜなら、ナノ結晶についての用途においては、しばしば、不可欠ではないとしても、高度の一様性(high uniformity）（例えば、粒子径分布(size distributions、サイズのばらつき範囲、粒径分布）が狭いこと、および、形状が安定していること）が望ましいからである。
この高度の一様性は、より普及している合成方法(routes、ルート）、例えば、レーザー・アブレーション法(laser ablation)、スパッタリング法(sputtering)およびいくつかの湿式化学法(wet-chemistry methods)のようなもので達成することは困難である。いくつかの湿式化学法は、粒子径のばらつき範囲が狭いという要求を満たすことが可能であるが、ナノ粒子を生成するのに必要な化学品、特に、溶媒(solvents、ソルベント)の量が多いことと、合成するのに必要な時間が長いことが原因で、コスト面および環境面での影響が非常に増加し、このことにより、ひいては、合成が行われる規模を拡大しようとする努力が阻害される。
この書類に開示されていることは、複数個のナノ粒子を合成するいくつかの方法およびいくつかのシステムに関し、それら方法およびシステムにより生成された固有のナノ粒子（unique nanoparticles）を含む。
一実施態様に従い、複数個のナノ粒子を合成する方法が開示されている。この方法は、流動するキャリア・ガス(carrier gas、試料成分を運ぶガス）の存在下に、前駆体溶液(precursor solution、前駆体を含有する溶液)をエアロゾル化し、それにより、反応物流(reactant stream、反応物の流れ、反応物流体）を生成する工程を含み、前記前駆体溶液は、揮発性溶媒(volatile solvent)と、ナノ粒子前駆体(nanoparticle precursor、ナノ粒子が生成される前の段階にある物質）とを含有するものとしてもよい。この方法は、さらに、前記反応物流を、前記揮発性溶媒の沸点より高い温度に加熱し、それにより、複数個のナノ粒子を含む生成物流(product stream、生成物の流れ、生成物流体）を生成する工程と、前記生成物流を冷却する工程と、前記生成物流を捕集用液体(collection liquid、回収用液体)内を通過させ、それにより、前記生成物流から前記複数個のナノ粒子を捕集する(collect、回収する）工程とを含むものとしてもよい。
別の実施態様に従い、複数個のナノ粒子を合成する方法が開示されている。この方法は、流動するキャリア・ガスの存在下に、前駆体溶液(precursor solution)をエアロゾル化し、それにより、反応物流(reactant stream、反応物の流れ、反応物流体）を生成する工程を含み、前記前駆体溶液は、揮発性溶媒と、ナノ粒子前駆体とを含有するものとしてもよい。この方法は、さらに、前記前駆体溶液の補充を繰り返し行う工程と、前記反応物流を、前記揮発性溶媒の沸点より高い温度に加熱し、それにより、複数個のナノ粒子を含む生成物流(product stream、生成物の流れ、生成物流体）を生成する工程と、前記生成物流を冷却する工程とを含むものとしてもよい。この方法は、さらに、前記生成物流を捕集用液体(collection liquid、回収用液体)内を通過させ、それにより、前記生成物流から前記複数個のナノ粒子を捕集する(collect、回収する）工程と、前記捕集用液体の交換を繰り返し行う工程とを含むものとしてもよい。
さらに別の実施態様に従い、ナノ粒子が開示されており、そのナノ粒子は、ＩＶ族元素(Group IV element)を含有するとともに、シフトした結晶面ピーク(a shifted cystal plane peak、ある結晶面についてピークシフトが発生していること、ある結晶面についての回折ピークがシフトしていること、ある結晶面についての回折ピークが、歪みなしナノ粒子の結晶面についての回折ピークからシフトしていること)を有する。
さらに別の実施態様に従い、複数個のナノ粒子を合成するシステムが開示されている。このシステムは、揮発性溶媒とナノ粒子前駆体とを含有する前駆体溶液を収容するとともに、キャリア・ガスを収容するように構成された前駆体溶液容器を含むものとしてもよい。このシステムは、さらに、前記前駆体溶液をエアロゾル化するエアロゾル化装置を含むものとしてもよい。このシステムは、さらに、前記エアロゾル化された前駆体溶液と前記キャリア・ガスとを含有する反応物流を輸送して加熱し、それにより、複数個のナノ粒子を生成するように構成された管状炉(tube furnace)を含むものとしてもよい。このシステムは、さらに、前記複数個のナノ粒子を捕集する(collect、回収する）ための捕集用液体を収容する捕集用溶液容器を含むものとしてもよい。
上述の種々の実施態様の特徴および効果は、後述の、望ましいいくつかの実施態様についての説明を読めば、当業者には容易に理解される。
図１は、複数個のナノ粒子を生成するシステムを示す図である。
図２は、複数個のナノ粒子を生成するシステムを示す図である。
図３は、複数個のナノ粒子を含む１または複数のデバイスの製造方法を示す工程図である。
図４は、被覆された基板であって複数個のナノ粒子を含むものより成る複数の層を示す図である。
図５は、走査型電子顕微鏡によって観察された像(scanning electron micrograph、SEM像）であって、より大きい（２５ｎｍ）複数のシリコン・ナノ結晶より成る層(a layer of larger (25 nm) silicon nanocrystals)上に成膜された、より小さい（９ｎｍ）複数のシリコン・ナノ結晶より成る層を表すものを示す図である。
図６は、被覆された基板であって複数個のナノ粒子を含むものより成る複数の層を示す図である。
図７は、被覆された基板であって複数個のナノ粒子を含むものより成る複数の層を示す図である。
この書類に開示されていることは、複数個のナノ粒子を合成するいくつかの方法およびいくつかのシステムに関し、それら方法およびシステムにより生成された固有のナノ粒子（unique nanoparticles）を含む。
この書類に開示されている事項についてのいくつかの方法およびいくつかのシステムの効果として、複数個のナノ粒子を高収率で（例えば、いくつかの実施態様においては、８５％以上の収率で）生成することが可能であり、さらに、特に、複数個のナノ結晶および複数個の金属ナノ粒子を、粒子径がばらつく範囲が狭い状態で（例えば、いくつかの実施態様においては、プラス・マイナス約２ｎｍの範囲内で）生成することが可能である。さらに、この書類に記載されているいくつかの方法およびいくつかのシステムは、比較的高い生産率(production rates、生産速度)（例えば、１時間当たりに生産される重量(kilograms、キログラム数））と、複数の方法であって各々は連続的にないしは反復的に実行されるもの(continuous methods)とに適合することが可能であり、それら生産率(production rate)およびそれら連続的な方法は、ナノ結晶および金属ナノ粒子を含むナノ粒子を高度な一様性を有するように工業的規模で生産することを可能にするかもしれない。
さらに、この書類に開示されているいくつかの方法およびいくつかのシステムについて予想外に発見されたことは、いくつかの実施態様においては、固有のナノ粒子組成物(nanoparticle compositions)が生成されるということであり、そのナノ粒子組成物は、電池(batttery、バッテリ)および量子エネルギー・デバイス(quantum energy device、量子化されたエネルギーである量子エネルギーを利用して作動するデバイス、量子デバイス）を含む複数の用途において有用であるかもしれない。
注目されるべきことは、この書類中、複数の数値が列挙された数値リストの最初に「約(about)」が用いられる場合、「約(about)」は、前記リスト中の各数値を修飾するということである。注目されるべきことは、複数の数値範囲より成るいくつかの数値リストにおいては、その数値リスト中における複数の下限値のうちのいくつかは、同じ数値リスト中における複数の上限値のうちのいくつかより大きくてもよいということである。当業者であれば理解されることは、複数の部分集合(subset、各々、任意のいずれかの下限値と任意のいずれかの上限値とが組み合わせて成る複数の組合せ）から１つを選択する際には、その選択される１つの部分集合の１つの上限値は、同じ部分集合について選択される１つの下限値を超えるように選択されることが要求されるということである。
Ｉ．複数個のナノ粒子を生成するいくつかの方法およびいくつかのシステム
この書類に記載されている種々の実施態様は、エアロゾル化された前駆体溶液を加熱することによって複数個のナノ粒子を生成する工程を含むものであってもよく、その工程は、いくつかの実施態様においては、複数個のナノ粒子を連続的に(continuous、反復的に、繰返し）かつ高い生産率(production rate)で生成する工程に向いているかもしれない。
いくつかの実施態様は、流動するキャリア・ガスの存在下に、前駆体溶液(precursor solution)をエアロゾル化し、それにより、反応物流(reactant stream、反応物の流れ、反応物流体）を生成する工程と、前記反応物流を加熱し、それにより、複数個のナノ粒子を含む生成物流(product stream、生成物の流れ、生成物流体）を生成する工程と、前記生成物流を冷却する工程と、前記生成物流を捕集用液体(collection liquid)内を通過させ、それにより、前記生成物流から前記複数個のナノ粒子を捕集する(collect、回収する）工程とを含むものであってもよい。いくつかの実施態様においては、前記前駆体溶液が、揮発性溶媒(volatile solvent)と、ナノ粒子前駆体（nanoparticle precursors、複数個のナノ粒子前駆体）とを含有してもよく、また、前記反応物流は、前記揮発性溶媒の沸点より高い温度に加熱されてもよい。この書類中に用いられるように、「ナノ粒子」という用語は、約４０μｍより小さい寸法を少なくとも一つ有する粒子を意味し、また、その粒子は、アモルファス・ナノ粒子、ナノ結晶、コア−シェル(core-shell)・ナノ粒子、非球形(non-spherical)ナノ粒子（例えば、長円状粒子またはロッド状粒子）、準球形(substantially spherical、球形またはそれと実質的に同じ形状を有する)ナノ粒子、中空球形(hollow spherical)ナノ粒子、およびそれらと同様のものを含む。
前記前駆体溶液をエアロゾル化すると複数個の液滴(droplets)が形成され、それら液滴は、前記揮発性溶媒の沸点を超える温度に加熱されると、それが原因で、前記揮発性溶媒が前記液滴から蒸発し、そして、前記ナノ粒子前駆体より成る複数個の液滴が合体して反応し、それにより、複数個のナノ粒子を生成し、また、いくつかの例においては、複数個のナノ結晶を生成する。注目されるべきことは、合成を行う条件（例えば、エアロゾル化を規定するパラメータ、反応温度、揮発性溶媒の組成、ならびに、ナノ粒子前駆体の組成および／または濃度）に応じ、複数個のナノ粒子が、１個の液滴当たり１個のナノ粒子というメカニズム(one doroplet-one nanoparticle mechanism、１液滴１ナノ粒子化メカニズム、１液滴１ナノ粒子転換メカニズム)、熟成(ripening、成長、凝集)メカニズム、分裂(disintegration、分離、粉砕、崩壊、分散）メカニズム、またはそれらのうちの任意のものの組合せにより、生成されてもよいということである。種々の実施態様においては、前記１液滴１ナノ粒子化メカニズムにより、複数個の単分散粒子(monodispensed particles、単一の粒子径を有する複数個の粒子）が生成されるかもしれない。他のいくつかの実施態様においては、前記分裂メカニズム(disintegration mechanism)により、二峰性(bimodal、最頻値が２個)、三峰性(trimodal、最頻値が３個)または他の多峰性(multimodal、最頻値が複数個)のナノ粒子径分布を生成してもよい。複数個のナノ粒子についてのそのような多峰性分布のおかげで、それらナノ粒子が基板上に成膜される(deposited in a layer on a substrate、基板上に層が被着される）際に、より高度の充填効率(packing density)を実現することが可能となるかもしれない。
ここで、図１を参照するに、複数個のナノ粒子を生成するシステムが、全体として符号１００を付された状態で示されている。このシステム１００は、前駆体溶液容器１１０であって、前駆体溶液１１２を収容するものを有してもよく、その前駆体溶液１１２の中には、エアロゾルＢを生成するためのソニケータ(sonicator、超音波処理機）１１４が浸漬されている。そのソニケータ１１４は、制御ボックス１１６に装着されてもよく、その制御ボックス１１６は、ソニケータ１１４によって生成される周波数、振幅および波形形状を変化させることが可能である。さらに、前駆体溶液容器１１０は、キャリア・ガスＡを、当該前駆体溶液容器１１０を通過するように有し、そのキャリア・ガスＡは、反応物流Ｃを生成するためにエアロゾルＢと混合される。その反応物流Ｃは、反応ゾーン１１８を通過してもよく、その反応ゾーン１１８においては、反応物流Ｃが複数のヒータ１２０ａと１２０ｂおよび１２２ａと１２２ｂによって加熱され、それにより、複数個のナノ粒子を含む生成物流Ｄが生成される。それらヒータ１２０ａと１２０ｂおよび１２２ａと１２２ｂは、反応ゾーン１１８内において、互いに異なるゾーン温度を有する複数のゾーンを形成するように調節されてもよい。生成物流Ｄは、その後、捕集用液体容器１２６内の捕集用液体１２８を通過させられ、その捕集用液体容器１２６においては、複数個のナノ粒子が、少なくとも実質的に、生成物流Ｄから分離され、それにより、流出物流(effluent stream）Ｅが生成される。ここに図示するように、複数個の３方向バルブ１２４および１３０が、捕集用液体１２８が反応ゾーン１１８内に逆流しないように、捕集用液体容器１２６の圧力およびガス流速を制御するために用いられる。注目されるべきことは、負圧源(vacuum、負圧、真空、真空圧）のような他のメカニズムおよび反応ゾーン１１８より上流側に導入される別のキャリア・ガスも、捕集用液体１２８が反応ゾーン１１８内に逆流することを阻止することを支援するために用いてもよいということである。
いくつかの実施態様においては、前駆体溶液が、揮発性溶媒と、ナノ粒子前駆体とを含有してもよい。
揮発性溶媒は、いくつかの実施態様においては、沸点が約３００℃以下である有機溶媒であってもよい。この書類に記載されているいくつかの方法に関連して用いることに適している揮発性溶媒のいくつかの例としては、アルコール（例えば、メタノール、エタノール、イソプロパノールおよびブタノール）、グリコール、アセトニトリル、水、およびそれらと同様なもの、それらからの派生物、ならびに、それらのうちの任意のものの組合せを含んでもよいが、それらに限定されない。無水前駆体溶媒を、最終生成物の酸化を最小化するために用いてもよい。その溶媒は、例えば、当該溶媒の誘電率(dielectric constant)に基づいて選択してもよい。種々の実施態様においては、その溶媒の誘電率が、有機金属前駆体の誘電率に一致させられてもよい。他のいくつかの実施態様においては、その溶媒を、混和度(miscibility、溶解度）に基づいて選択してもよい。例えば、いくつかの特定の実施態様においては、その溶媒は、溶液を生成する前駆体に対して混和性(miscibile、溶解性）を有する溶媒として用いられるのではなく、前駆体に用いられるエマルジョン（emulsion、乳化物、溶質が溶媒に溶解せずに分散しているもの）を生成する溶媒として用いられることが望ましいかもしれない。
ナノ粒子前駆体は、いくつかの実施態様においては、有機金属化合物であってもよい。ナノ粒子前駆体は、塩化シリコン、塩化ゲルマニウムなどを含有してもよい。ナノ粒子前駆体は、遷移元素（例えば、チタニウム、クロミウム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、モリブデン、パラジウム、銀、カドミウム、タングステン、プラチナおよび金）、ランタノイド元素（例えば、ユウロピウム、ガドリニウムおよびエルビウム）、ＩＩＩ族元素（ボロン、アルミニウム、ガリウム、インジウムおよびタリウム）、ＩＶ族元素（ゲルマニウム、シリコン、錫、鉛および炭素）、Ｖ族元素（例えば、窒素、リン、ヒ素、アンチモンおよびビスマス）、ＶＩ族元素（例えば、酸素、硫黄、セレンおよびテルル）またはそれらのうちの任意のものの組合せを含有してもよい。この書類に記載されているいくつかの方法に関連して用いることに適しているナノ粒子前駆体のいくつかの例としては、いくつかの実施態様においては、テトラエチルゲルマン、テトラメチルゲルマン、テトラエチルシラン、テトラメチルシラン、ジエチルシラン、ジエチルゲルマン、ジエチルシラン、テトラプロピルゲルマン、テトラプロピルシランおよびそれらと同様のもの、それらの派生物、ならびにそれらのうちの任意のものの組合せを含むが、それらに限定されない。
いくつかの実施態様においては、２以上の(more than one、２種類以上の）ナノ粒子前駆体が、この書類に記載されている前駆体溶液中に使用されてもよい。例えば、前駆体溶液は、ゲルマニウムを含有する第１ナノ粒子前駆体と、シリコンを含有する第２ナノ粒子前駆体とを含有してもよい。いくつかの実施態様においては、前駆体溶液が、２以上の(more than one、２種類以上の）ナノ粒子前駆体を、前記第１ナノ粒子前駆体のうちの金属（例えば、ゲルマニウム）の、前記第２ナノ粒子前駆体のうちの金属（例えば、シリコン）に対するモル比が、約１：１０、約１：５または約１：１という下限値から、約１０：１、約５：１または約１：１という上限値までの範囲内に存在するように含有してもよく、ここに、前記モル比は、それら下限値のうちのいずれかから、それら上限値のうちのいずれかまでの範囲内に存在し、そのいずれかの下限値とそのいずれかの上限値との間に存在する任意の部分集合（１つの下限値と１つの上限値との組合せ）を包含する。他のいくつかの実施態様においては、多峰性分布（multimodal distributions、多峰性の粒子径分布）が望ましい場合には、有機金属以外のものを含有しない前駆体(pure organometallic precursors、純有機金属前駆体)が、液滴分裂メカニズム(droplet disintegration mechanism)に従って用いられてもよい。この開示事項を考慮すると、当業者であれば理解されるべきことは、上述のゲルマニウムおよびシリコンを一緒に用いる一例は、本発明の範囲を限定しておらず、複数種類のナノ粒子前駆体のうちの任意のものの組合せのうちゲルマニウムとシリコンの組合せを除くもの、例えば、カドミウムとセレン、錫とテルル、および亜鉛と硫黄が適用可能であるということである。
いくつかの実施態様においては、前記ナノ粒子前駆体が、この書類に記載されている前駆体溶液中に、その前駆体溶液の体積を単位にすると、約２０％、約３０％、約４０％または約５０％という下限値から、その前駆体溶液の体積を単位にすると、約９０％、約７０％、約５０％または約４０％という上限値までの範囲内の量で存在してもよく、ここに、その量は、それら下限値のうちのいずれかから、それら上限値のうちのいずれかまでの範囲内に存在し、そのいずれかの下限値とそのいずれかの上限値との間に存在する任意の部分集合（１つの下限値と１つの上限値との組合せ）を包含する。
いくつかの実施態様においては、前記前駆体溶液をエアロゾル化する工程が、超音波処理プローブ(sonicating probe、超音波処理器）が前記前駆体溶液内に浸漬された状態で（例えば、図１に示すように）、前記前駆体溶液を超音波処理する(sonicating、ソニケーティングする、撹拌する、分散する、破砕する、粉砕する)工程と、前記前駆体溶液を噴霧する（nebulizing、ネブライズする)工程と、前記前駆体溶液をノズル（例えば、エアロゾル化するノズル）内を通過させる工程と、静電沈降によって分離を行う(electrostatic precipitation)工程と、それらと同様な工程と、それら工程のうちの任意のものの組合せとのうちの少なくとも一つを含んでもよい。
いくつかの実施態様においては、前記前駆体溶液をエアロゾル化する工程であって、この書類に記載されているいずれかの方法によるエアロゾル化工程を含むものが、約１ｋＨｚ、約１０ｋＨｚ、約１００ｋＨｚ、約１ＭＨｚ、約１０ＭＨｚまたは約１００ＭＨｚという下限値から、約１０００ＭＨｚ、約１００ＭＨｚ、約１０ＭＨｚ、約１ＭＨｚまたは約１００ｋＨｚという上限値までの範囲内の周波数で実施されてもよく、ここに、その周波数は、それら下限値のうちのいずれかから、それら上限値のうちのいずれかまでの範囲内に存在し、そのいずれかの下限値とそのいずれかの上限値との間に存在する任意の部分集合（１つの下限値と１つの上限値との組合せ）（例えば、３ｋＨｚから１５０ｋＨｚまでの範囲という部分集合）を包含する。いくつかの実施態様においては、前記前駆体溶液をエアロゾル化する工程であって、この書類に記載されているいずれかの方法によるエアロゾル化工程を含むものが、歪み（strained、歪みを与えられた、圧縮歪みを与えられた、引張歪みを与えられた、歪まされた、ひずみ、ストレインド）ナノ粒子（この書類においてさらに説明する）を生成するような周波数で実施されてもよく、その周波数は、約１ｋＨｚ、約３ｋＨｚ，約１０ｋＨｚまたは約１５ｋＨｚという下限値から、約２００ｋＨｚ、約１５０ｋＨｚ、約５０ｋＨｚまたは約２５ｋＨｚという上限値までの範囲内の周波数でもよく、ここに、その周波数は、それら下限値のうちのいずれかから、それら上限値のうちのいずれかまでの範囲内に存在し、そのいずれかの下限値とそのいずれかの上限値との間に存在する任意の部分集合（１つの下限値と１つの上限値との組合せ）、例えば、５ｋＨｚから２２ｋＨｚまでの範囲という部分集合を包含する。
いくつかの実施態様においては、前記前駆体溶液をエアロゾル化する工程であって、この書類に記載されているいずれかの方法によるエアロゾル化工程を含むものが、約１０ワット（または約５ｋＨｚという周波数）という下限値から、約１００ワット（または約２２ｋＨｚという周波数）という上限値までの範囲内の入力パワーで実施されてもよく、ここに、その入力パワーは、いずれかの下限値から、いずれかの上限値までの範囲内に存在し、そのいずれかの下限値とそのいずれかの上限値との間に存在する任意の部分集合（１つの下限値と１つの上限値との組合せ）を包含する。当業者であれば理解されることは、このシステムに供給されるエネルギーに関連する別のいくつかの要因も、結果物としてのナノ粒子の物理的特性、例えば、内部歪み(internal strain)のようなものに影響を及ぼすかもしれないということである。別の要因としては、波形形状、振幅、熱または他の任意の別のエネルギーであって複数個の液滴を形成する際にこのシステムの入力部に印加されるものがあってもよい。
いくつかの実施態様においては、前記エアロゾル化された前駆体溶液Ｂが、キャリア・ガスＡと混合され、それにより、反応物流Ｃを形成してもよい。そのキャリア・ガスＡは、前記エアロゾル化された前駆体溶液Ｂを、反応ゾーン１１８を通過して輸送してもよい。さらに、そのキャリア・ガスＡの流速(flow rate)は、反応物流Ｃが反応ゾーン１１８内に滞留する時間の目標値が実現されるように、調節してもよい。いくつかの実施態様においては、反応物流Ｃが反応ゾーン１１８内に滞留する時間が、約１秒という下限値から約１０秒という上限値までの範囲内に存在してもよい。
いくつかの実施態様においては、キャリア・ガスＡが、不活性ガス（例えば、ヘリウム）であってもよい。他のいくつかの実施態様においては、キャリア・ガスＡが、不活性でなくてもよい（例えば、水素）。この書類に記載されているいくつかの方法に関連して用いることに適しているキャリア・ガスのいくつかの例は、いくつかの実施態様においては、水素、ヘリウム、窒素、アルゴン、二酸化炭素およびそれらと同様なものならびにそれらのうちの任意のものの組合せを含んでもよいが、それらに限定されない。
いくつかの実施態様においては、反応物流Ｃが、前記揮発性溶媒の沸点より高い温度に加熱され、それにより、複数個のナノ粒子を含む生成物流(product stream、生成物の流れ、生成物流体）Ｄを生成してもよい。いくつかの実施態様においては、前記揮発性溶媒の沸点より高い温度が、約５００℃、約６００℃または約７００℃という下限値から、約１２００℃、約１１００℃、約１０００℃または約９００℃という上限値までの範囲内に存在してもよく、ここに、その温度は、それら下限値のうちのいずれかから、それら上限値のうちのいずれかまでの範囲内に存在し、そのいずれかの下限値とそのいずれかの上限値との間に存在する任意の部分集合（１つの下限値と１つの上限値との組合せ）を包含する。
いくつかの実施態様においては、加熱工程が、反応物流Ｃを１本の管状炉(tube furnace)、複数本の管状炉が直列に並んだものまたはそれらと同様なものを通過させる工程を含んでもよい。理論的に限定されるわけではないが、考えられることは、複数個のナノ粒子前駆体および／または複数個のナノ粒子が、前記管状炉を通過する前記管部の壁上に付着し（collect、集積し）、それにより、ナノ粒子の全体としての収率が低下するということである。種々の実施態様により、前記壁と反応物流Ｃとの間での相互作用を最小化してもよい。そのような相互作用を最小化する工程は、いくつかの実施態様においては、前記管状炉を垂直に配置する工程と、反応物流Ｃが通過している前記管部を回転させる工程と、前記管部を帯電させる工程と、前記管状炉内にシース状流れを生成する工程（例えば、前記管部の壁と反応物流Ｃとの間を、ガスより成るシースを流す工程）と、反応物流Ｃ内に渦を生成する工程（例えば、回転するかまたは振動するロッドまたはそれと同様なものであって前記反応ゾーン１１８内まで延びるものを用いて）と、渦の流れに関してテーパ状を成す管部を用いる工程と、それらと同様な工程と、それらを複合したものと、それらのうちの任意のものの組合せとのうちの少なくとも１つを含んでもよい。
いくつかの実施態様においては、生成物流Ｄ内に存在する複数個のナノ粒子を捕集する(collect、回収する）ように、生成物流Ｄを捕集用液体１２８内を通過させる工程を含んでもよい。その捕集用液体１２８は、いくつかの実施態様においては、ナノ粒子の生成工程の下流側において行われる用途（例えば、表面上に成膜すること、ポリマーと混合して組成物を生成すること、化学的に改質すること、およびそれらと同様なこと）に適した溶媒であってもよい。捕集用液体１２８のいくつかの例であって、この書類に記載されているいくつかの方法およびいくつかのシステムによって生成されたナノ粒子を捕集する(collect、回収する）のに適したものとして、メタノール、エタノール、グリコール、水、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、炭酸ジエチル、アセトニトリル、ジクロロベンゼン、アセトン、トルエン、ペンタンおよびそれらと同様なもの、それらからの派生物、ならびにそれらのうちの任意のものの組合せがあってもよい。
いくつかの実施態様においては、捕集用液体１２８が、さらに、懸濁化剤(suspension agent、懸濁補助剤）を含有してもよく、その懸濁化剤は、いくつかの実施態様においては、前記複数個のナノ粒子の懸濁を支援するかおよび／または前記複数個のナノ粒子が凝集することを軽減するものであってもよい。いくつかの実施態様においては、懸濁化剤（suspension aid、懸濁補助剤）が、共有結合的であるかまたは非共有結合的であるように、前記複数個のナノ粒子と相互作用を行ってもよい。この書類に記載されているナノ粒子の製造に関連して用いられるのに適している懸濁化剤についてのいくつかの例としては、表面活性剤、ポリマー、キレート剤、キャッピング剤(capping agent)（例えば、オクタノール、オレイルアミンおよびトリオクチルアミン）、およびそれらと同様なもの、ならびに、それらのうち任意のものの組合せを含有してもよい。
いくつかの実施態様においては、ナノ粒子前駆体および／またはナノ粒子が表面に付着する（collection、集積する）量を最小化するために、生成物流Ｃが反応ゾーン１１８から捕集用液体１２８まで流れる経路が、実質的に直線的である（例えば、約３０度以下の曲り(bend)または偏り(deviation、偏差、偏向）を有する）かおよび／または実質的に垂直であり（例えば、垂直線からのはずれ量が約３０度以下である）、それにより、ナノ粒子の収率が増加する。いくつかの実施態様においては、ナノ粒子の収率が、ナノ粒子前駆体のうちの金属の、生成されたナノ粒子のうちの金属に対する重量比率を単位とすると、約６５％以上であるか、約７５％以上であるか、または、より望ましくは、約８５％以上である（例えば、約８５％と約９０％との範囲内）ものであってもよい。
いくつかの実施態様においては、この書類に記載されているいくつかの方法およびいくつかのシステムが、連続的に(continuous、反復的に）、かつ、高い生産率(production rate)で複数個のナノ粒子を生産する方法が実現されるように適合させられてもよい。ここで、図２を参照するに、複数個のナノ粒子を生成するシステムが、全体として符号２００を付された状態で示されている。このシステム２００は、前駆体溶液２１２を収容する前駆体溶液容器２１０を有してもよい。この前駆体溶液２１２は、装置２１４、例えば、大規模の霧化器(mister）または噴霧器（fogger)であって、エアロゾル化された前駆体溶液Ｂを大きな量で生成することが可能であるものに接触させられてもよい。連続生産を可能にするために、システム２００は、シリンジ・ポンプ(syringe pump、シリンジ内の溶液をポンプの力によって押し出して添加を行うもの）２３２（または、それとは別のシステムであって、それと同様にして、添加を自動的に行うもの）を、前駆体溶液２１２を連続的に(continuous、反復的に）添加するために有してもよい。
前駆体溶液容器２１０が、キャリア・ガスＡが通過する通路を有し、そのキャリア・ガスＡは、エアロゾルＢと混合させられ、それにより、反応物流Ｃが生成される。その反応物流Ｃは、反応ゾーン２１８を通過してもよく、その反応ゾーン２１８においては、反応物流Ｃが、ヒータ２２０ａ，２２０ｂによって加熱され、それにより、複数個のナノ粒子を含有する生成物流Ｄが生成される。注目されるべきことは、反応ゾーン２１８は、図２に示すように、１本の管部であって大きな直径を有するものまたはそれと同様なもの、または、並列した複数本の管部またはそれと同様なものであって各々小さな直径を有するものを、前駆体溶液容器２１０の使用に応じた大きな処理量に対処できるように有してもよいということである。生成物流Ｄは、その後、捕集用液体容器２２６内の捕集用液体２２８を通過させられ、その捕集用液体容器２２６においては、複数個のナノ粒子が、少なくとも実質的に、生成物流Ｄから捕集され、それにより、流出物流Ｅが生成される。図示するように、捕集用液体容器２２６は、捕集用液体２２８の連続流を実現するために入口２３４と出口２３６とを有し、それにより、この製造プロセスまたはそれと同様な製造プロセスによって生成された複数個のナノ粒子を連続的に抽出する(extraction、取り出す）ことを可能にしてもよい。
この書類において用いられているように、「連続的に」という用語は、長い時間フレーム（例えば、約３時間以上）にわたり、中断なく、行われることを意味する。注目されるべきことは、連続的な動作が複数回、短い時間（例えば、数秒から数分の範囲）を隔てて断続的に行われる場合でも、それら動作は、長い時間にわたって連続的であると考えてもよいということである。例えば、前駆体溶液を連続的に添加する工程は、長い時間フレームにわたり、前駆体溶液を複数回、断続的に添加する工程、例えば、約１ｍＬの前駆体溶液を１５分ごとに添加する工程を有してもよい。
いくつかの実施態様は、流れるキャリア・ガスＡの存在下に、前駆体溶液２１２を連続的にエアロゾル化し、それにより、反応物流Ｃを生成する工程と、前駆体溶液２１２を連続的に補充する工程と、反応物流Ｃを、前記揮発性溶媒の沸点より高い温度に加熱し、それにより、複数個のナノ粒子を含む生成物流Ｄを生成する工程と、生成物流Ｄを冷却する工程と、生成物流Ｄを捕集用液体２２８内を通過させ、それにより、生成物流Ｄから複数個のナノ粒子を捕集する(collect、回収する）工程とを含むものとしてもよい。
いくつかの実施態様は、さらに、例えば、前記複数個のナノ粒子の捕集用液体２２８内における濃度が目標値に到達したときに捕集用液体２２８を交換することを繰り返し行う工程を含んでもよい。
いくつかの実施態様は、さらに、複数個のナノ粒子を捕集用液体２２８から抽出する（例えば、連続式で(continuously）かまたは回分式で(batchwise)）工程を含んでもよい。いくつかの実施態様においては、複数個のナノ粒子を捕集用液体２２８から抽出する工程が、遠心分離する工程、連続的に遠心分離を行う工程（例えば、フロー遠心分離）、フィルタリングする工程、複数個のナノ粒子を濃縮する工程、複数個のナノ粒子が沈殿することを許容した後に捕集用液体２２８をデカントする(decanting、捕集用液体２２８の上澄み液を静かに別の容器に移す）工程、それらと同様な工程、それらの工程のうちの任意のものの組合せを含んでもよい。
ＩＩ．ナノ粒子
いくつかの実施態様においては、この書類に記載されているいくつかの方法およびいくつかのシステムにより、歪みなしナノ粒子および／または歪みナノ粒子(strained nanoparticles、歪みありナノ粒子）が生成されてもよい。例えば、二峰性粒子径分布の場合には、より大きな直径を有するナノ粒子が、歪みを有するように形成される一方、より小さな直径を有するナノ粒子が、僅かな歪みしか有しないように形成されてもよい。この書類において用いられるように、「歪みナノ粒子」という用語は、歪み結晶構造体を有するナノ粒子を意味し、その歪み結晶構造体は、Ｘ線回折法（「ＸＲＤ」）によって分析されたときに、結晶面にシフト(shift、ずれ、ピークシフト)があることによって検出することが可能である。いくつかの実施態様においては、歪みナノ粒子が、ナノ結晶、コア−シェル(core-shell)・ナノ粒子であって結晶性のコアとアモルファスのシェルとを有するもの、ＳｉＧｅコア−シェル・ナノ粒子、およびそれらと同様なものであってもよい。注目されるべきことは、特記されない限り、「ナノ粒子」という用語は、歪みなしナノ粒子と、歪みナノ粒子との双方を含むということである。
理論的に限定されるわけではないが、考えられることは、エアロゾル化の周波数、エアロゾル化の振幅、反応ゾーン内に滞留する時間、および温度が、この書類に記載されているいくつかのシステムおよびいくつかの方法によって形成されるナノ粒子につき、歪みの程度、直径分布および／または組織(morphology、モーフォロジー、金属組織）に影響を及ぼすということである。一例においては、エアロゾル化中により高い周波数が使用されると、生成されるナノ粒子の直径が増加するということであるかもしれない。別の例においては、エアロゾル化中により大きな振幅が使用されると、生成されるナノ粒子の歪みが増加するということであるかもしれない。
ナノ粒子（歪みありか歪みなしかを問わない）は、ナノ粒子の生成過程において使用されるナノ粒子前駆体のうちの金属を含有してもよい。一例においては、この書類に記載されているいくつかの方法およびいくつかのシステムは、カドミウム(cadmium）およびセレン(selemium)を含有する前駆体溶液を使用してもよく、その場合には、カドミウムセレミド(cadmium selenide、セレン化カドミウム）より成る複数個のナノ粒子が生成される。別の例においては、この書類に記載されているいくつかの方法およびいくつかのシステムは、金ナノ粒子、プラチナ・ナノ粒子またはパラジウム・ナノ粒子が生成されるように、金、プラチナまたはパラジウムを含有する前駆体溶液を使用してもよい。さらに別の例においては、この書類に記載されているいくつかの方法およびいくつかのシステムは、ゲルマニウムとシリコンとを概して目標比率で含有するナノ粒子が生成されるように、ゲルマニウムとシリコンとを目標比率で含有する前駆体溶液を使用してもよい。
歪みナノ粒子は、いくつかの実施態様においては、ＩＩＩ族元素、ＩＶ属元素、Ｖ族元素および／またはＶＩ族元素を含有してもよい。例えば、歪みシリコン・ナノ粒子は、バルク・シリコン（bulk silicon、歪みなしシリコン）の（１１１）結晶面から、約４度から約６度の範囲内の値だけシフトした結晶面（１１１）について２θ値を有してもよい。いくつかの実施態様においては、歪みナノ粒子の（１１１）結晶面についての前記２θ値が、約１度、約２度、約３度または約４度という下限値から約８度、約７度、約６度、約５度または約４度という上限値までの範囲内の値だけ、対応するバルク材料に対してシフトしてもよく、ここにおいて、そのシフト量は、それら下限値のうちのいずれかから、それら上限値のうちのいずれかまでの範囲内に存在し、そのいずれかの下限値とそのいずれかの上限値との間に存在する任意の部分集合（１つの下限値と１つの上限値との組合せ）を包含する。
いくつかの実施態様においては、歪みナノ粒子が、ＩＶ属元素（例えば、ゲルマニウム、シリコン、錫、鉛、炭素またはそれらのうちの任意の組合せ）を含有してもよい。他のいくつかの実施態様においては、歪みナノ粒子が、シリコンの、ゲルマニウムに対するモル比が、約１：１０、約１：５または約１：１という下限値から、約１０：１、約５：１または約１：１という上限値までの範囲内に存在するように含有してもよく、ここに、前記モル比は、それら下限値のうちのいずれかから、それら上限値のうちのいずれかまでの範囲内に存在し、そのいずれかの下限値とそのいずれかの上限値との間に存在する任意の部分集合（１つの下限値と１つの上限値との組合せ）を包含する。
いくつかの実施態様においては、この書類に記載されているナノ粒子（歪みありか歪みなしかを問わない）が、少なくとも１つの寸法についての平均直径であって、約３ｎｍ、約５ｎｍ、約１０ｎｍ、約２５ｎｍまたは約１００ｎｍという下限値から、約１０００ｎｍ、約５００ｎｍ、約２５０ｎｍ、約１５０ｎｍ、約１００ｎｍまたは約５０ｎｍという上限値までの範囲内に存在するものを有してもよく、ここに、少なくとも１つの寸法についての前記平均直径は、それら下限値のうちのいずれかから、それら上限値のうちのいずれかまでの範囲内に存在し、そのいずれかの下限値とそのいずれかの上限値との間に存在する任意の部分集合（１つの下限値と１つの上限値との組合せ）を包含する。
いくつかの実施態様においては、この書類に記載されているナノ粒子（歪みありか歪みなしかを問わない）が、狭い直径分布(diameter distribution、粒子径分布）を、前記平均直径からの標準偏差（standard deviation、ばらつき幅）が、プラス・マイナス約０．５ｎｍ、約１ｎｍまたは約２ｎｍという下限値から、プラス・マイナス約１０ｎｍ、約７ｎｍまたは約５ｎｍという上限値までの範囲内に存在するように有してもよく、ここに、前記標準偏差は、それら下限値のうちのいずれかから、それら上限値のうちのいずれかまでの範囲内に存在し、そのいずれかの下限値とそのいずれかの上限値との間に存在する任意の部分集合（１つの下限値と１つの上限値との組合せ）を包含する。
いくつかの実施態様においては、この書類に記載されているナノ粒子（歪みありか歪みなしかを問わない）が、多峰性直径分布（例えば、二峰性、三峰性およびその他）を有してもよい。いくつかの実施態様においては、この書類に記載されているナノ粒子（歪みありか歪みなしを問わない）であって多峰性直径分布を有するものが、少なくとも１つの寸法についての平均直径であって、約４ｎｍ、約７ｎｍ、約１２ｎｍまたは約２５ｎｍという下限値から、約２５０ｎｍ、約１５０ｎｍ、約１００ｎｍまたは約５０ｎｍという上限値までの範囲内に存在するものを有する少なくとも１つの最頻値(mode、モード、峰部、山部)を有してもよく、ここに、少なくとも１つの寸法についての前記平均直径は、それら下限値のうちのいずれかから、それら上限値のうちのいずれかまでの範囲内に存在し、そのいずれかの下限値とそのいずれかの上限値との間に存在する任意の部分集合（１つの下限値と１つの上限値との組合せ）を包含する。
いくつかの実施態様においては、この書類に記載されているナノ粒子（歪みありか歪みなしかを問わない）の多峰性直径分布の複数の最頻値(modes、モード、峰部、山部）が、それぞれ互いに独立して、狭い直径分布を、各最頻値についての標準偏差（standard deviation、ばらつき幅）が、それぞれ互いに独立して、プラス・マイナス約０．５ｎｍ、約１ｎｍまたは約２ｎｍという下限値から、プラス・マイナス約１０ｎｍ、約７ｎｍまたは約５ｎｍという上限値までの範囲内に存在するように有してもよく、ここに、前記標準偏差は、それら下限値のうちのいずれかから、それら上限値のうちのいずれかまでの範囲内に存在し、そのいずれかの下限値とそのいずれかの上限値との間に存在する任意の部分集合（１つの下限値と１つの上限値との組合せ）を包含する。
いくつかの実施態様においては、ナノ粒子が、自身の粒子径に基づき、フォトルミネセンス(photoluminescence、蛍光）を生成してもよい。１個の粒子の物理的サイズ(physical size、粒子直径、粒子半径など）が、その粒子の励起子(exiton)半径（すなわち、１個の電子がそれの価電子帯(valence band)から伝導帯(conduction band)まで移動するのに必要な物理的距離）より小さい場合には、フォトルミネセンスの量子現象を観察することが可能である。例えば、シリコンの励起子半径は２４ｎｍである。すなわち、１個の電子は、それの価電子帯(valence band)から伝導帯(conduction band)まで２４ｎｍ移動することが必要である。しかし、種々の実施態様は、２４ｎｍより小さい複数個のシリコン粒子を生成するかもしれない（例えば、５ｎｍの複数個のシリコン粒子を合成することが可能である）。この種のいくつかの実施態様においては、十分なエネルギーを有する１個の光子（すなわち、紫外光、または、より具体的には、そのナノスケール材料(the nanoscale material）のバンド・ギャップ・エネルギーより大きい１個の光子）が前記１個のナノ粒子(the nanoparticle)によって吸収されると、１個の電子が前記価電子帯から前記伝導帯まで励起される。その電子は、その後、前記価電子帯に戻り、前記粒子サイズ(particle size、粒子直径、粒子半径など）と前記励起子半径との差に基づく波長を有する光の１個の光子を出射する。５ｎｍのシリコンである場合には、その光は青色光である。前記１個の粒子の物理的サイズ(physical size、粒子直径、粒子半径など）が励起子半径に近づくにつれて、フォトルミネセンスがもはや観察されなくなり、前記材料は、バルク材料(bulk material、ナノ材料より大きいサイズを有する固体材料など）として挙動し始める。
種々の実施態様においては、ナノ粒子の直径が、次式で表される関係に基づいて求められる。
ＤＰ＝ σ＊(ｆ)-0.66(Ｑ)0.207(γ)0.11( )-0.274( )0.166(power/area)-0.4
ただし、ＤＰは、結果物である粒子の直径であり、また、σは、温度と、選択された前駆体溶液の種類とに依存する定数であり、また、ｆは、変換器(transducer、エネルギーの形態を変換するデバイス)／超音波処理(sonicating)のための周波数であり、また、Ｑは、前記キャリア・ガスの流速であり、また、γは、前記前駆体溶液の表面張力であり、また、ρは、前記前駆体溶液の密度であり、また、ηは、前記前駆体溶液の粘性であり、また、power/areaは、パワー密度(power density）である。
ＩＩＩ．歪みナノ粒子の圧電効果
いくつかの実施態様においては、前記歪みナノ粒子が圧電効果(piezoelectric effects)を示してもよい。圧電気(piezoelectricity、圧電効果によって発生する電気)というものは、電荷が蓄積される(build-up)という特別の状況であって、機械的応力によって特定の固体材料構造体内に発生するものである。一般に、その圧電効果は、反転対称性を有しない結晶性材料において機械的状態と電気的状態との間での線形電気−機械相互作用であることが実験的に求められてきた。その圧電効果は、加えられた機械力による電荷の内部的発生が、印加された電場(electric field、電界）による機械的歪みの内部的発生に逆変換されることが可能であるように、可逆的な過程である。
バルク半導体における圧電効果に関しては、歪みによる原子間隔の変化が、半導体にとって本質的であるバンドギャップに影響を及ぼして、電子が伝導帯に励起することが容易になる（または、当該材料および歪みによっては、困難になる）。半導体材料の圧電効果は、金属における、それと類似の幾何学的効果より数桁大きくなることがあり、また、ゲルマニウム、多結晶シリコン、アモルファス・シリコン、炭化シリコンおよび単結晶シリコンのような材料に存在する。
半導体の圧電効果は、ゲルマニウム、多結晶シリコン、アモルファス・シリコンおよび単結晶シリコンのような広範囲の半導体材料を有するセンサ・デバイスのために使用されてきた。シリコンは、現在、ほとんどすべての集積回路にとって最適な材料であるため、圧電シリコン・デバイスの使用は、研究に対する関心が非常に深い領域である。
バルク単結晶のシリコンおよびゲルマニウムにおける圧電抵抗効果に関しては、シリコンおよびゲルマニウムの抵抗値(resistance)が、応力によって誘発される幾何形状の変化のみならず、当該材料の比抵抗値(resistivity、抵抗性、抵抗率）であって応力に依存するものによっても変化し得る。ｎ型シリコン（電気伝導を担う主な複数個の電荷担体は複数個の電子である）の抵抗値は、主に、当該結晶の、互いに異なる３個の頂点であって電気伝導を行うもの（conducting vertices、電気伝導のための電荷担体が位置する頂点）のシフト(a shift、頂点間の距離、電荷担体間の距離を変化させること）に起因して変化する。そのシフトが原因となり、前記複数個の電荷担体が、複数の頂点の間に、互いに異なる移動度を有するように再分配される。その結果、電流の方向に応じて移動度が変化するということが起こる。軽微な効果は、単結晶シリコンの内部に位置する(in single crystal silicon、単結晶シリコンの表面に位置しない）複数個の谷側頂点(valley vertices、結晶面や結晶頂点に位置する原子とは異なり、結晶の内部に位置する原子)間の原子間隔の変化による形状のゆがみ(distorsion)に関連する有効質量変化に起因する。ｐ型シリコン（電気伝導を担う主な複数個の電荷担体は複数個の正孔である）においては、現在研究されている現象は、より複雑であり、質量および正孔移動の変化も示す。
圧電メカニズムに関しては、圧電効果の性質が、固体における電気双極子モーメントの発生に起因する。電気双極子モーメントは、電荷の大きさと電荷間の距離との積に等しいベクトル量である。固体における電気双極子モーメントは、タンタル酸リチウムおよびチタン酸ジルコン酸鉛であるが如き場合における非対称電荷環境において、複数個の結晶格子部位上の複数個のイオンについて誘発されるものであってもよく、または、固体における電気双極子モーメントは、複数個の有機糖分子であるが如き場合において、複数個の分子群によって直接保有されるものであってもよい。分極化の原因となる双極子密度は、結晶単位格子(crystal unit cell)の単位体積当たりの複数個の双極子モーメントの合計値である。電気双極子は、ベクトル量（特定の大きさおよび特定の方向を有する幾何学的対象）であるため、双極子密度Ｐもベクトル量である。互いに接近している複数個の双極子は、ワイスドメインと称される領域内において整列する傾向がある。それら整列された複数の領域であって個々の粒子間に発生するものにおいては、それら粒子は一体的に作用する。したがって、電圧の電位および極性ならびに電流の大きさおよび方向は、固体全体を構成する個々の粒子すべての合計に等しい。
反復するに、典型的には、圧電効果は、加えられた機械的応力によって生じるが、内部応力をある種の固体内に誘発させる(manufacturing internal stress into certain solids)ことによっても出現し得る。圧電気は、分極の強度の変化(variation)、分極の方向の変化(variation)またはそれらの両方の変化(variation)によって生じる。電荷の大きさおよび方向は、個々の粒子内の双極子密度Ｐの配向と、粒子対称性と、加えられた機械的応力または誘発された内部応力との間のいくつかの相互関係に依存する。個々の結晶の双極子密度の変化は、個々の結晶面に対する表面電荷密度の変化として量的に出現するが、圧電現象から生じる全有効エネルギーは、材料全体を構成する複数個の結晶の複数個の双極子密度の重合せ、すなわち、結晶全体を構成する個々の結晶学的単位格子の合計として作用するものによって発生させられる。例えば、１ｃｍ３の立方体を成す石英であって、選択されたあるポイント(the right point)に５００ｌｂの力が機械的に加えられたものは、合力が、前記結晶全体を構成する個々の結晶学的単位格子すべての合計であるため、約１２５００Ｖの電圧を生成することができる。
応力状態で合成されたバルク極性結晶構造体における発電に関しては、３２個の結晶族が存在し、それら結晶族は、結晶性材料における複数の対称操作(symmetry operations)の組合せであって、存在し得る３２通りの組合せを表している。各結晶族は、当該結晶族の対称性を一意に定義する複数の結晶面を含む。上述の３２個の結晶族のうち、２１個の結晶族は非中心対称であり（対称中心を有せず）、また、それらのうち、２０個の結晶族は直接的な圧電気を示す。それらのうち１０個の結晶族は、複数の極性結晶族を含み、それら極性結晶族は、その結晶構造に内在する(inherent、本質的に存在する)非対称性に付随する非消滅(non-vanishing)電気双極子モーメントのために、機械的応力が付与されなくても自発的に分極する。極性結晶の場合、双極子密度の合計Ｐ≠０という関係が機械的負荷を付与しなくても成立し、圧電効果は、Ｐの大きさもしくは方向またはそれらの両方を変化させることによって出現する。換言すれば、内部応力を有するように製造可能な極性結晶は、機械的負荷を付与しなくても圧電効果を呈示するということである。
換言すれば、非極性圧電結晶の場合、付与された機械的負荷は、当該材料を非極性結晶族（Ｐ＝０）から、Ｐ≠０という関係が成立する極性結晶に変換し、それにより、外部デバイスにエネルギーを供給可能な電位および有効エネルギーが発生する。しかし、内部応力状態となる傾向がある結晶は、それに内在する極性構造体であってＰ≠０という関係が成立するものを有し、それにより、機械的負荷が付与されなくても、エネルギーが当該構造体から放出可能である。電気エネルギーの放出中、当該結晶は、弛緩して(relax)、その結晶にとって望ましい状態の原子間隔に復元する。
様々な実施態様においては、歪みナノ結晶の生成が広範囲の要因に依存しており、それら要因としては、例えば、特に、当該ナノ結晶の組成（composition）と、前記１または複数の反応ゾーンの１または複数の温度と、前述のソニケータ(sonicator、超音波処理器)または霧化機(mister）または噴霧器(fogger)または変換器(transducer)の周波数およびパワーとが存在する。一実施態様においては、歪みＳｉ（シリコン）ナノ結晶が、３つのステージを有する反応ゾーン(a three stage reaction zone、１つの反応ゾーン内において、３つのステージが流れに沿って順に配置されたもの）において生成されてもよく、この場合、その反応ゾーンの３つのステージは、８５０℃、８５０℃および６５０℃というそれぞれの温度を有し、また、前記ソニケータにより供給されるパワーは、１７５Ｗより大きく、７００Ｗより小さい。別の実施態様においては、歪みゲルマニウム・ナノ結晶が、３つのステージを有する反応ゾーンにおいて生成されてもよく、この場合、その反応ゾーンの３つのステージは、７５０℃、７５０℃および５５０℃というそれぞれの温度を有し、また、前記ソニケータにより供給されるパワーは、４６２Ｗより大きく、７００Ｗより小さい。さらに別の実施態様においては、ＳｉＧｅ（シリコン・ゲルマニウム）ナノ結晶が、３つのステージを有する反応ゾーンにおいて生成されてもよく、この場合、その反応ゾーンの３つのステージは、８００℃、８００℃および５７５℃というそれぞれの温度を有し、また、前記ソニケータにより供給されるパワーは、３９０Ｗより大きく、７００Ｗより小さい。
歪みナノ粒子の生成に加えて、種々の実施態様によれば、量子閉じ込めナノ粒子の生成が可能であり、その量子閉じ込めナノ粒子によれば、当該ナノ粒子を用いて製造される量子エネルギー・デバイス（ＱＥＤ）においてエネルギー密度を増加させることが可能である。ナノ結晶における量子閉じ込めは、当該粒子の物理的サイズ(physical size、粒子直径、粒子半径など）が、当該粒子に固有の励起子ボーア半径より短いであるときに発生する。その励起子ボーア半径は、負に帯電した１個の電子を、その電子にとっての正孔であって正に帯電しているとともに励起中に後に残されるものから分離する物理的距離である。当該粒子の物理的サイズ(physical size、粒子直径、粒子半径など）が、励起中に前記電子が移動しなければならない距離に満たないときには、当該材料は、量子閉じ込め状態にあると判断される。例えば、ゲルマニウムについての励起子ボーア半径は２４．３ｎｍであるが、直径が１ナノメートルであるゲルマニウム・ナノ結晶を合成することが可能である。この固有な距離より小さくなるように複数個のナノ粒子を作製することにより、当該ナノ粒子の電子的性質を、粒子径の調節によって複数の離散的エネルギー準位にチューニングする(tune to、合せ込む、一致させる)ことが可能である。したがって、ボーア半径より小さい複数個の粒子より成る凝集体は、エネルギー密度の大幅な増加という効果を享受する。当該複数個の粒子がボーア励起子半径とほぼ同じサイズを有する場合、または、少し大きい場合でも、当該複数個の粒子より成る凝集体は、エネルギー密度の増加という効果を、当該複数個の粒子のすべてが励起子ボーア半径より小さいときと同じ程度には至らないにしても、享受する。
この書類に開示されている事項についてのいくつかの実施態様に従って生成されるナノ粒子も、浅い（shallow）ポテンシャル井戸(potential well）から利益を得ており、よって、量子トンネル効果によって電子を価電子帯から伝導帯に励起するのに必要な活性化エネルギーが、当該ナノ粒子より大きな粒子より少なくて済む。ポテンシャル井戸は、粒子の複数の物理的寸法をそれぞれの励起子ボーア半径より小さくなるように合成することによって直接得られる効果である。ポテンシャル井戸は、ナノ材料における位置エネルギーの極小値の周辺に位置する領域である。ポテンシャル井戸内に捕捉されるエネルギーは、ポテンシャル井戸の極小値内に捕捉されるため、別のタイプのエネルギーに変換することができない。したがって、物体は、エントロピーの普遍的性質によるならばそれに向かって進行することが自然である位置エネルギーの最小値に向かって進行しない。励起のための極小値エネルギーが十分に克服されるように十分なエネルギーが当該システムに付与されると、エネルギーがポテンシャル井戸から放出される。しかし、量子物理学においては、量子論の粒子の確率論的特性に起因し、エネルギーが付与されることなく、位置エネルギーがポテンシャル井戸を脱出することができる。それらの場合には、１個の粒子が、エネルギーが当該システムに付与されることなく、ポテンシャル井戸の壁を通り抜ける(tunnel through、その壁にトンネルを開けてその穴からしみ出す)ことを想像することができる。
図３は、雰囲気(ambient atmospheric)の組成および圧力の条件下で、ナノ粒子より成るコーティング(coating、被覆）または膜３１０を基板３１５上に生成する方法を示している。図３の実施態様は、周囲温度またはそれよりわずかに高い温度で実施されてもよい。図３の実施態様は、複数個のナノ粒子３２５を非水系(nonaqueous、非水溶性）コロイド懸濁液３３０から電気泳動的に集めて堆積させる(depositing、被着させる、成膜する）とともに、それらナノ粒子３２５を実質的に一様な厚さで基板３１５上に堆積させる工程３３５を有する。コーティングまたは膜３１０は、いくつかの実施態様においては、厚さが１０００ナノメートルより薄いが、別のいくつかの実施態様においては、１０００ナノメートルより厚くてもよい。被覆されることを要望される基板３１５は、まず、基板３１５を洗浄する工程３４０と、次に、基板３１５の導電性が不十分である場合には、銀またはインジウムスズ酸化物（インジウムスズ酸化物の薄層は、実質的に光学的に透明であるため、典型的には、光学素子の調製に使用される）のような導電性材料の層３４５を用いて基板３１５を被覆する工程３４３とによって調製される。
ナノ粒子３２５の非水系懸濁液３３０が、成膜（deposition、堆積、被着）工程(deposition process、工程３３５）において使用されるために、ナノ粒子３２５（例えば、この書類に記載されている捕集用液体内のナノ粒子）の合成物から調製されるかまたは提供されてもよい。液体懸濁媒体(medium、溶媒）３５０（または、該当する実施態様によっては、捕集用液体）は、２−ブタノール、１，２−ジクロロベンゼンおよび／またはアセトンまたはそれらと同様のもののような極性溶媒(solvent)である。液体懸濁媒体３５０の組成は、その内在する誘電率、Ｈａｍａｋｅｒ定数、混和性、粘度およびそれらと同様なもののようないくつかの性質を考慮して選択される。種々の実施態様においては、非プロトン性極性非水性溶媒(aprotic polar nonaqueous solvent)３５５とプロトン性極性非水性溶媒(protic polar nonaqueous sovlent)３６０との混合液が、液体懸濁媒体３５０を構成するために選択される。
いくつかの実施態様においては、１−ブチル−メチルピロリジニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド(1-butyl-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide)のような少量のイオン性液体(ionic liquid)３６５を液体懸濁媒体３５０（または、該当する実施態様によっては、捕集用液体）に添加し、それにより、ナノ粒子膜３１０の成膜を促進してもよい。
いくつかの実施態様においては、緩衝液（図示しない）を、液体懸濁媒体３５０（または、該当する実施態様によっては、捕集用液体）に添加し、それにより、ナノ粒子３２５の表面電荷を管理してもよい。例えば、シリコン粒子は、約６から約９までのｐＨ範囲で負に帯電され、一方、ゲルマニウム粒子は、約３から約５までのｐＨ範囲で負に帯電される。
ナノ粒子懸濁液の調製に関しては、予め設定され、かつ、測定された量のナノ粒子３２５が液体懸濁媒体３５０（任意選択的に、イオン性液体３６５および／または緩衝液（図示しない）を含有してもよい）内に分散させられる。液体懸濁媒体３５０は、コロイド懸濁液３３０を構成するために、複数個のナノ粒子３２５が概して一様にかつ均質に分散されるまで撹拌してもよい。
基板３１５であってＤＣ電源３７０に接続されたものは、カソード３７５として作用する一方、第２の電極または電極列３８０であって、コロイド懸濁液３３０に浸漬されたものは、電気回路を完成させて電場(electric field、電界）を確立するために使用されてもよい。基板３１５は、典型的には、カソード３７５であり、炭素電極は、典型的には、アノード３８０である。電極／電極列３７５，３８０は、例えば、目標の成膜パターン、電極３７５，３８０の形状、基板３１５の形状およびそれらと同様なもののようないくつかの変数に応じて、約０．５センチメートルと約４．０センチメートルとの範囲内の距離で互いに隔たるように保持されてもよい。しかしながら、事情によっては、前記電極分離距離は、上述の、０．５センチメートルから４．０センチメートルまでの範囲から外れてもよい。印加電圧は、典型的には、ナノ結晶粒径に応じて約３ボルトと約１２ボルトとの範囲内にある。コロイド懸濁液３３０内の複数個のナノ粒子３２５は、電気泳動して基板３１５に達し、実質的に均一なコーティング(coating、膜）３１０をその基板３１５上に形成する。
複数個のナノ粒子３２５は、いくつかの実施態様においては、都合のよい任意の形状および幾何学(geometry)を有するものとしてもよく、また、概して規則的な形状を有するとともに典型的にはブロック状を成し、より典型的には、概して球状を成している。典型的には、複数個のナノ粒子３２５は、厳密にサイズが管理され(tightly sized、厳密に目標サイズに合わせて生成され)、比較的狭い直径分布（diameter distribution、粒径分布）を有し、それにより、狭い直径分布を有する複数個のナノ粒子３２５より成るコーティングまたは膜３１０が生成され、その狭い直径分布においては、例えば、複数個の粒子３２５の大部分が３−１０ナノメートルの範囲内にある。これに代えて、コロイド懸濁液３３０が目標サイズ範囲から外れている多数のナノ粒子３２５を含有する場合には、コロイド懸濁液３３０の印加電圧、電流および／またはｐＨを変化させることにより、同様な制御を、成膜される複数個のナノ粒子３２５のサイズに対して行ってもよい。さらに、コロイド懸濁液３３０の印加電圧および／またはｐＨを変化させることにより、複数個のナノ結晶より成る複数の層を基板３１５に、粒子径が徐々に増加する順序で塗布してもよい。成膜工程３３５は、目標の膜厚に到達するまで、典型的には、約３０秒から約５分までの範囲内の時間で継続され、典型的には、数百ナノメートルから数千ナノメートルまでの範囲内の厚さの堆積層が生成される。典型的には、成膜工程３３５は雰囲気で行われ、減圧は不要である。
膜３１０の有効表面積は、ナノ結晶の粒子径および形状に応じて変化し、また、前記有効表面積は、目標の最終用途によって支配され、また、前記有効表面積は、ここで用いられる成膜方法を変更しない。同様に、電極または電極列３８０を、ナノ粒子が表面上に成膜されることになるカソード３７５と同じサイズを有するようにすることもそれより大きいサイズを有するようにすることも不要である。
ナノ粒子３２５についての電気泳動式の成膜工程３３５が完了すると、被覆された基板３８５が、熱蒸着（thermal evaporation）またはそれと同様のものにより、金属接触領域（metal contact、金属接触面、金属接点）３９０が膜３１０上に被着されることにより、最終仕上げが行われ、その目的は、ナノ粒子膜３１０を保護することと、複数個の電子が移動するための通路を、外部デバイスにパワーを供給するために使用されるために確立することとにある。金属接触領域３９０は、典型的には、高度の導電性を有する金属、例えば、金、プラチナ、銀、銅またはそれらと同種のものであり、また、典型的には、厚さが約１００ｎｍと約４００ｎｍとの範囲内にあるが、これに限定されない。
電気的接続を行う標準的な技術を用いることにより、被覆済みの複数枚の基板３８５を直列または並列に互いに接続し、それにより、電圧／電流を供給する目標の構成物（voltage/current supply configuration）を生成するように構成される量子エネルギー・デバイス３００を生成してもよい。いくつかの実施態様においては、ＱＥＤ（量子エネルギー・デバイス）が、目標の負荷にパワーを供給するように完成されるとともに構成されることが可能である。
ここで図４を参照するに、いくつかの実施態様においては、複数のナノ粒子膜４１０および複数の金属接触領域４９０が、互いに直列に堆積され、それにより、複数の層を有する基板であって被覆されたものが生成されてもよい。図４に示すように、ナノ粒子膜４１０を構成する複数個のナノ粒子は、二峰性直径分布（bimodal diameter distribution）を有し、電気泳動式成膜により、高度に規則正しく配列された膜（highly-ordered films、高度に秩序化された膜）４１０を形成してもよい。
ここで図５を参照するに、ナノ粒子膜５１０は、いくつか実施態様においては、多峰性直径分布を有する複数個のナノ粒子の溶液から形成されてもよい。そのような多峰性直径分布は、いくつかの実施態様においては、結果物としてのＱＥＤにおいて、高エネルギー保存および／またはパワーの変換（power transduction）／発生／供給という特徴を実現してもよい。
いくつかの実施態様においては、複数個のナノ粒子がより効率的な充填密度という利点を生かすように成膜されるように、それらナノ粒子が、予め定められた二峰性または多峰性の粒子径分布（size distribution）を有するように提供されてもよい。例えば、より大きな直径を有する複数個の大径粒子５１２（例えば、２５ｎｍ）より成る第１部分層(sublayer)が成膜されてもよく、また、より小さな直径を有する複数個の小径粒子５１４（例えば、９ｎｍ）より成る第２部分層(sublayer)が前記第１部分層上に成膜されてもよく、このとき、複数個の小径粒子５１４は、望ましくは、複数個の大径粒子５１２によって定義される複数の隙間内に存在する。
ここで図６を参照するに、いくつかの実施態様においては、被覆された基板６００が、順に、インジウムスズ酸化物（ＩＯＴ、Indium tin oxide）６４５で被覆されたガラス基板６１５と、ナノ粒子膜６１０と、複数本の導電性ワイヤ（例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）またはそれらと同種のもの）より成る膜６９５と、金属バッキング層（metal backing layer）６９０とを有してもよい。いくつかの実施態様においては、複数本の導電性ワイヤ６９５が、真空蒸着法（vacuum evaporation）または同種の製法により、ナノ粒子膜６１０の表面上に成膜されてもよい。複数本の導電性ワイヤより成る膜６９５は、例えば、ＱＥＤにつき、低い直列抵抗値（lower series resistance）および／または高い導電性（electrical conductivity）および高い放電能力というようないくつかの効果を生じてもよい。複数本の導電性ワイヤより成る膜６９５は、金属バッキング層６９０に代わり設けられるか、または金属バッキング層６９０に追加して設けられてもよい。
ここで図７を参照するに、被覆された基板７００が、順に、インジウムスズ酸化物（ＩＯＴ、Indium tin oxide）で被覆されたガラス基板と、ナノ粒子膜７１０であって、その内部にリチウム７９７がインターカレートされた（intercarated、挿入された、取り込まれた)ものと、リチウムイオン輸送用の電解質(Electrolyte for lithium ion transport)７９８とを有するもの、複数本の導電性ワイヤ（例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）またはそれらと同種のもの）より成る膜７９５と、金属バッキング層（metal backing layer）７９０とを有してもよい。理論的に限定されるわけではないが、歪みナノ粒子内に誘発された歪みは、別の複数個の分子であって適切なサイズを有するとともに小径であるもののインターカレーション(intercalation、挿入、取込み)によってさらに増加させてもよく、そのような分子としては、例えば、リチウム、ナトリウムまたはそれらと同種のものが存在する。インターカレーション(intercalation)は、典型的には、ある分子の他の２つの分子間への挿入(inclusion)であって、可逆的であるものである。リチウムのような、小さなインターカレーション(intercalation)原子またはイオンを、歪みナノ粒子より成る結晶格子構造体にインターカレーション(intercalation)すると、それの内部応力値が増加し、それにより、当該ナノ粒子構造体の歪みが増加し、その結果、当該ナノ粒子構造体を用いて生成されるデバイスにつき、エネルギー密度とパワー出力能力(power output capabilities)とが増加する。
いくつかの実施態様においては、この書類に記載されているナノ粒子膜の膜厚が、約２００ｎｍ、約３００ｎｍまたは約５００ｎｍという下限値から、約１５００ｎｍ、約１２５０ｎｍまたは約１０００ｎｍという上限値までの範囲内に存在するものを有してもよく、ここに、前記膜厚は、それら下限値のうちのいずれかから、それら上限値のうちのいずれかまでの範囲内に存在し、そのいずれかの下限値とそのいずれかの上限値との間に存在する任意の部分集合（１つの下限値と１つの上限値との組合せ）を包含する。
いくつかの実施態様においては、この書類に記載されているナノ粒子膜が、単層ナノ粒子膜のうちの１ｃｍ２当たり、約０．１Ｖ、約１Ｖ、約２．５Ｖまたは約５Ｖという下限値から、約１８Ｖ、約１５Ｖ、約１２Ｖまたは約１０Ｖという上限値までの範囲内の電圧を出力してもよく、ここに、前記電圧は、それら下限値のうちのいずれかから、それら上限値のうちのいずれかまでの範囲内に存在し、そのいずれかの下限値とそのいずれかの上限値との間に存在する任意の部分集合（１つの下限値と１つの上限値との組合せ）を包含する。いくつかの実施態様においては、前記複数個のナノ粒子の組成および物理的特性が、目標の電圧を達成するように調合され(tailor)てもよい。
いくつかの実施態様においては、この書類に記載されているナノ粒子膜が、単層ナノ粒子膜のうちの１ｃｍ２当たり、約１０マイクロアンペア、約１００マイクロアンペアまたは約１ｍＡという下限値から、約５０ｍＡ、約２５ｍＡ、約１０ｍＡまたは約１ｍＡという上限値までの範囲内に存在する電流を出力してもよく、ここに、前記電流は、それら下限値のうちのいずれかから、それら上限値のうちのいずれかまでの範囲内に存在し、そのいずれかの下限値とそのいずれかの上限値との間に存在する任意の部分集合（１つの下限値と１つの上限値との組合せ）を包含する。
複数のＱＥＤユニットを、この書類に記載されているナノ粒子電気泳動成膜方法を用いて作製することに成功した。個々のＱＥＤユニットは、いくつかの実施態様においては、直列または並列に互いに接続され、それにより、それぞれ、全出力電圧または全出力電流を増加させてもよい。この書類に記載されているナノ粒子膜を用いて作製された前記複数のＱＥＤユニットは、複数のＬＥＤおよび電子デバイスであってＬＥＤと同様なパワー要求を有するものにパワーを供給する能力を示した。サイズが互いに異なる複数個のナノ粒子の組合せおよび種類が互いに異なる複数個のナノ粒子の組合せを、特別に調合されるとともに要望される出力特性を有するＱＥＤを生成するために使用してもよい。複数個のナノ粒子より成る複数の層を、いくつかの実施態様において、使用してもよく、そして、複数の金属層を、任意選択的に、前記複数のナノ粒子層間にばらばらに配置する(interperses)かまたは混ぜて(mixed)配置してもよい。いくつかの実施態様においては、上述の要望されるＱＥＤ出力に応じ、金属性または非金属性の後側または前側の接触領域(contacts、接点）を使用してもよい。
いくつかの実施態様においては、必要に応じ、Ｐ型またはＮ型ドープ半導体（すなわち、非真性ドープ）ナノ粒子と一緒に用いる(utilized with)かおよび／または真性半導体ナノ粒子と混合して用いてもよい(mixed with)。
この書類に記載されているいくつかのナノ粒子、例えば、量子ドット組成物（例えば、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）およびそれらと同様なもの）が、いくつかの実施態様においては、それらナノ粒子に固有の物理的特性であってサイズに応答する(size-driven、サイズの影響を受ける、サイズに由来する)ものから利点を得てもよい。半導体は、電気を伝導するが、極めて僅かしか伝導しない材料である。電気伝導を支持することが可能な多数の自由電子を有する金属とは異なり、半導体中の複数の電子は、大部分が互いに結合している。しかし、一部の電子は、互いに非常に緩く結合しているため、それら電子は、それら電子に入射した光子のようなものからエネルギーを吸収することにより、原子結合から解放されて励起され得る。この種の事象は、本質的に電子正孔対である１個の励起子を生成し、その１個の正孔は、前記解放された１個の電子によって後に残された正味の正に帯電した格子部位である。大部分の結晶においては、十分な数の励起子が、前記解放された複数個の電子が、価電子帯を退出して伝導帯に進入するものとして考えられるように、生成される。１個の電子とそれ対応する１個の正孔の間に自然に発生する物理的分離は、物質ごとに異なり、それは、励起子ボーア半径と称される。比較的大きい半導体結晶においては、励起子ボーア半径が当該結晶の寸法より小さく、また、伝導帯という概念が成立する。しかし、ナノスケール半導体結晶または量子ドットにおいては、励起子ボーア半径が、当該結晶の物理的寸法のオーダであるかまたはそれより大きく、よって、前記励起子が閉じ込められる。この量子閉じ込めの結果、連続帯ではなく、離散した複数のエネルギー準位が生じる。ナノスケール半導体結晶のコーティングのようなものによってこの現象を利用することにより、いくつかのデバイス、すなわち、エネルギー変換効率を最適化するように光子の特定の波長に「チューニング(tuning)」された光電池(photovoltaic cell、光起電力電池)、充電可能な電池(rechargeable battery、２次電池）、光検出器、フレキシブルなビデオディスプレイまたはモニタ、およびそれらと同様なもののようなデバイスを生み出すことが可能である。
いくつかの実施態様においては、ナノ粒子が歪みナノ粒子であってもよく、それら歪みナノ粒子は、電子雲(electrono cloud)に歪みを与えて電位を生じさせる圧電効果を与えてるものであってもよい。その場合、直流電気エネルギーを、電気デバイスにパワーを供給するために利用してもよい。
この書類に開示されている事項のよりよい理解を促進するために、好ましいかまたは代表的ないくつかの実施態様についてのいくつかの実施例を後述する。後述のいくつかの実施例は、この書類に開示されている範囲を制限したり定義するために読まれるべきではない。
いくつかの例
複数個の歪みシリコン・ナノ粒子が、図１を参照して前述されたものと同様な反応炉(reactor)であって同図に示す縦置き状態にあるものを用いて製造された。テトラエチルシラン(tetraethylsilane)およびメタノールが、前駆体溶液を生成するために混合された。その前駆体溶液は、その前駆体溶液に浸漬されたQSONICA MODEL Q700ソニケータ（QSONICA社から市販されている）を用いて、約２２ｋＨｚの周波数で超音波処理された（sonicated）。約１０００ｍＬ／ｍｉｎで流れるアルゴン・キャリア・ガスが、前記エアロゾル化された前駆体溶液を前記反応ゾーン（長さが約１ｍ）内に輸送するために用いられ、その反応ゾーンの温度は約８５０℃であった。前記生成物流がメタノール内で捕集された。結果物としての複数個のナノ粒子は、透過型電子顕微鏡とＸ線回折とによって分析された。
複数個の歪みシリコン・ナノ粒子が、図１を参照して前述されたものと同様な反応炉であって同図に示す縦置き状態にあるものを用いて製造された。イソブチルシラン(isobutylsilane)が前駆体溶液として用いられた。その前駆体溶液は、その前駆体溶液に浸漬されたQSONICA MODEL Q700ソニケータ（QSONICA社から市販されている）を用いて、約２０ｋＨｚの周波数で超音波処理された（sonicated）。約１６．６７ｃｍ３／ｓで流れるキャリア・ガスが、前記エアロゾル化された前駆体溶液を前記反応ゾーン（長さが約１ｍ）内に輸送するために用いられ、その反応ゾーンは、３つのゾーン(zone、ステージ）に分割され、それぞれのゾーンの温度は約８５０℃、約８５０℃および約６５０℃であった。その後、前記生成物流が捕集された。結果物としての複数個のナノ粒子は、直径が約１２ｎｍであり、また、０．００１６５というσ値（σ value、前記定数）と、当該シリコン結晶の（１１１）面内において約＋０．４５度という歪みとを有しており、その歪みは、透過型電子顕微鏡とＸ線回折とによって特定された。
複数個の歪みゲルマニウム・ナノ粒子が、図１を参照して前述されたものと同様な反応炉であって同図に示す縦置き状態にあるものを用いて製造された。テトラエチルゲルマン(tetraethylgerman)が前駆体溶液として用いられた。その前駆体溶液は、その前駆体溶液に浸漬されたQSONICA MODEL Q700ソニケータ（QSONICA社から市販されている）を用いて、約２０ｋＨｚの周波数でで超音波処理された（sonicated）。約１６．６７ｃｍ３／ｓで流れるキャリア・ガスが、前記エアロゾル化された前駆体溶液を前記反応ゾーン（長さが約１ｍ）内に輸送するために用いられ、その反応ゾーンは、３つのゾーン(zone、ステージ）に分割され、それぞれのゾーンの温度は約７５０℃、約７５０℃および約５５０℃であった。その後、前記生成物流が捕集された。結果物としての複数個のナノ粒子は、直径が約８ｎｍであり、また、０．００１４２というσ値（σ value、前記定数）と、当該シリコン結晶の（１１１）面内において約＋１．４度という歪みとを有しており、その歪みは、透過型電子顕微鏡とＸ線回折とによって特定された。
複数個の歪みシリコン−ゲルマニウム・ナノ粒子が、図１を参照して前述されたものと同様な反応炉であって同図に示す縦置き状態にあるものを用いて製造された。イソブチルシラン(isobutylsilane)およびテトラエチルゲルマン(tetraethylgerman)が前駆体溶液として用いられた。その前駆体溶液は、その前駆体溶液に浸漬されたQSONICA MODEL Q700ソニケータ（QSONICA社から市販されている）を用いて、約２０ｋＨｚの周波数でで超音波処理された（sonicated）。約１６．６７ｃｍ３／ｓで流れるキャリア・ガスが、前記エアロゾル化された前駆体溶液を前記反応ゾーン（長さが約１ｍ）内に輸送するために用いられ、その反応ゾーンは、３つのゾーン(zone、ステージ）に分割され、それぞれのゾーンの温度は約８００℃、約８００℃および約５７５℃であった。その後、前記生成物流が捕集された。結果物としての複数個のナノ粒子は、シリコン対ゲルマニウムの比が約１：３であり、また、０．００１４９というσ値（σ value、前記定数）と、当該シリコン結晶の（１１１）面内において約＋１．６４度という歪みとを有しており、その歪みは、透過型電子顕微鏡とＸ線回折とによって特定された。
重さが８０ｍｇで直径が９ｎｍである複数個のシリコン・ナノ粒子が、１０ｍＬの２−ブタノール内で懸濁され、それにより、２−ブタノール内でのシリコン・ナノ粒子の濃度が約８ｍｇ／ｍＬであるコロイド懸濁液が生成された。１０ｍＬの試薬用(reagent grade)アセトンが、前記コロイド懸濁液に添加された。３００μＬの１−ブチル−メチルピロリジニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド(1-butyl-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide)が、前記コロイド懸濁液に添加された。その後、そのコロイド懸濁液は、約４０℃という温度に加熱された。その後、１ｃｍ×２ｃｍのガラス製の基板であって、インジウムスズ酸化物(indium tin oxide)によって被覆されるとともに約８Ω／ｃｍ２の抵抗値を有するものが、直流電源のカソードに接続されるとともに、前記コロイド懸濁液内に１ｃｍの深さで浸漬された。炭素電極が、前記直流電源のアノードに接続されるとともに、前記懸濁液内において、前記ガラス製の基板から１ｃｍ離して配置された。それら２本の電極間に４ボルトの電位が印加され、シリコン・ナノ粒子膜であって約５００ｎｍと約８００ｎｍの範囲内にある膜厚を有するものが、前記ガラス製の基板のうち、前記コロイド溶液内に埋没している部分の表面に成膜されるように、前記電位が１８０秒間維持されることが許可された。
重さが８０ｍｇで高純度の複数個の歪みゲルマニウム・ナノ粒子であって、平均粒子径が約１０ｎｍであることを特徴とするものが、メタノールのような極性プロトン性溶媒内で懸濁され、それにより、コロイド懸濁液が生成された。前記ゲルマニウムの複数個のナノ粒子が懸濁状態に維持されることを補助するために、オレイアラミン(oleyalamine)が前記コロイド懸濁液に添加された。そのコロイド懸濁液は、約２５℃と約４０℃の範囲内の温度で維持された。１ｃｍ×２ｃｍのガラス製の基板であって、インジウムスズ酸化物(indium tin oxide)によって被覆されるとともに約８Ω／ｃｍ２の抵抗値を有するものが、直流電源のカソードに接続されるとともに、前記コロイド懸濁液内に１ｃｍの深さで浸漬された。炭素電極が、前記直流電源のアノードに接続されるとともに、前記懸濁液内において、前記ガラス製の基板から１ｃｍ離して配置された。それら２本の電極間に約１．５ボルトと約７ボルトの範囲内にある電位が印加され、ゲルマニウム膜が前記ガラス製の基板のうち前記コロイド溶液内に埋没している部分の表面に成膜されるように、前記電位が約１８０秒と約５分との範囲内の時間の間維持されることが許可された。
サイズが互いに異なる複数種類の半導体ナノ結晶の混合物より成る薄膜が、上述の実施例２および３に記載されているように、電気泳動式成膜法により、インジウムスズ酸化物によって被覆されたガラス上に成膜された(deposited、蒸着された）。典型的には、それらナノ結晶は、純度が少なくとも約９９．９９９９９パーセントであり、より典型的には、純度が少なくとも約９９．９９９９９９パーセントであり、また、より典型的には、純度が少なくとも約９９．９９９９９９９パーセントである。前記成膜された薄膜であって複数のナノ結晶より成るものを有する前記基板は、低酸素環境内に室温で配置され、その後、その基板は、目標のバッキング接触領域(back contacts、金属バッキング層６９０)を画定するためにマスキングされた。次に、熱蒸着装置／真空蒸着装置またはそれと同様の装置を用いて、前記基板が、前記ナノ粒子で被覆された側が、成膜されるべき(to be deposited、蒸着されるべき）前記材料を向く姿勢で、かつ、約１ｃｍ−約５ｃｍの距離を隔てて配置された。高真空環境が前記基板の周囲に形成され、また、適切な電圧／電流の組合せが、成膜されるべき(to be deposited、蒸着されるべき）目標金属を蒸発させるために、印加された。その蒸発した金属は、前記基板上に成膜され、それにより、保護機能を有する（protective、保護膜として機能する）とともに電気接続部位としても機能する完全な層が形成される。一般に、この蒸着工程(deposition process、成膜工程）は、目標のバッキング接触領域の厚さに応じて、約５秒から約５分かかり得る。前記金属層が蒸着される（deposited、成膜される）と、前記真空の状態が除去し、当該薄膜が、典型的な室温環境に復元することが許可された。その後、前記マスキングが、低酸素環境で除去され、それにより、目標の金属蒸着パターンが当該薄膜上に残される。電圧計および／または電流計が用いられ、それにより、前記ＱＥＤによってパワーが供給されていることが確認された。標準的な電気接続技術を用いて、複数枚の薄膜が、直列／並列方式で互いに接続され、それにより、目標の電圧／電流供給構造を生成するように構成されたデバイスが生成された。ＱＥＤデバイスが完成し、そのＱＥＤデバイスは、目標の負荷にパワーを供給するように構成された。
複数個の歪みシリコン・ナノ粒子がトルエン内において約１ｍｇ／ｍＬという濃度で懸濁させられた懸濁液が使用された。その懸濁液は、前記複数個のナノ粒子のうちの大部分が直径が約１０ｎｍと約１５０ｎｍとの範囲内にあるように混在している複数のナノ粒子径を有する。この懸濁液は、均質な混合物が取得されることを確保するために、超音波処理された。その後、均質化された懸濁液のうち約１０ｍＬが、ガラスビーカーに添加された。その後、約１０ｍＬのアセトンが前記混合物に添加された。３００マイクロリットルの１−ブチル−１−メチルピロリジニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド６５も前記混合物に添加され、そして、最終的な混合剤(admixture)が構成された。
その後、その混合剤が、均質性を確保するために、再度、超音波処理され、そして、４０℃という温度に加熱された。加熱中、磁気撹拌子が用いられ、その目的は、前記混合剤における均一温度を促進することと、電気泳動式成膜法（「ＥＰＤ」）のための前記混合剤をＥＰＤ浴として準備することとにあった。
導電性基板であって、８Ω／ｃｍ２という平均抵抗値を有するインジウムスズ酸化物で被覆されたガラスによって構成されるとともに、約１ｃｍ×約２．５ｃｍという寸法を有するものが、加圧されたアセトンの噴霧により洗浄され、そして、きれいに拭き取られた。その後、当該導電性基板が、前記電源上の負極リード（カソード）に接続された。高純度の炭素電極が、前記電源上の正極リード（アノード）に接続された。その炭素電極は、前記ＥＰＤ浴内に挿入された。
その後、前記導電性基板が、前記ＥＰＤ浴内に約１ｃｍの深さまで、かつ、当該導電性基板のうちの導電面が前記炭素電極を向くとともに、約１ｃｍの距離だけ前記炭素電極から離れる姿勢で挿入された。前記電源が投入され、約４ボルトと最小の／無視し得る電流とが約３分間印加された。その３分間の間、前記複数個のナノ結晶が前記導電性基板上に成膜され(deposited、膜７１０が形成され）、前記複数個のナノ結晶は、その膜(the film 、膜７１０）が厚みを増してより不透明になるにつれて、視覚的に観察された。前記電源が切断され、当該導電性基板が前記ＥＰＤ浴から取り出された。
シリコン・ナノ結晶が塗布された後、リチウム(litium、リチウム７９７）が前記膜(the film、膜７１０）上に、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡ）溶液内に溶解された酢酸リチウムの電気めっきによって成膜された（deposited、被着させられた）。その後、当該シリコン・ナノ粒子膜(silicon nanoparticle film、膜７１０）は、電気泳動法によってリチウム(litium、リチウム７９７）を成膜するために、前記溶液内に埋没させられた。複数個のリチウムイオン(litium ions、リチウム７９７）が、前記ＥＰＤの実行中、前記シリコン結晶構造体内にインターカレートされ（intercalated、挿入され、取り込まれ）、それにより、増加した電荷密度および強化された充電容量を有するデバイスが構成された。その後、そのデバイスは、低酸素環境内において、高温（約１１０℃）で乾燥するために配置された。注目されるべきことは、乾燥速度を増加させることは好都合ではあるが、加熱は必須ではないということである。
前記シリコン薄膜(silicon thin film、膜７１０）の酸化を防止するために、３時間以内に金属性バッキング接触領域(metallic back contact、金属バッキング層７９０)が塗布された。高純度アルミニウム製の金属性バッキング接触領域(metalic back contact、金属バッキング層７９０）が、熱蒸着装置を用いて、約２００ｎｍの厚さになるまで塗布された。マスキング・テープ、金属スクリーンおよびガラスが、前記金属性バッキング接触領域(metalic back contact、金属バッキング層７９０）の位置を制御することと、前記アルミニウム層(the aluminum layer、前記高純度アルミニウム製の金属性バッキング接触領域、金属バッキング層７９０）が前述の、ＩＴＯによって被覆されたガラスにショートすることを阻止することとを目的として用いられた。
前記アルミニウム層(the aluminum layer、金属バッキング層７９０）が塗布された後、前述のＱＥＤ単電池(the QED cell)が完成し、目標の電気デバイスとの結線のための準備が整っている。前記単電池のショートを防止するために、前記シリコン・ナノ結晶膜(silicon nanoparticle film、膜７１０）が塗布された単電池領域(cell area)に手で触れないように十分な注意が払われた。その後、直列および並列回路を、同じ方法で作製された複数の単電池(cells)を用いて作製された。このプロセスにより、アレイを構成する複数個のＱＥＤが、３．７ボルトおよび５０ｍＡを超えるパワーを発生させるように結線された。その後、このアレイが、薄膜トランジスタ・ディスプレイ・スクリーンに接続され、そのデバイス(the device、前記薄膜トランジスタ・ディスプレイ・スクリーン）は、前記ＱＥＤデバイス(the QED device、ＱＥＤ単電池）が電気エネルギーを表１に概略的に示される特性で供給する状態で、正常に機能した(functioned as normal、ＱＥＤデバイスに代えて通常の電源を使用した場合と同様に機能した）。
Figure 2017525580
Figure 2017525580
上述のアレイを成す複数のＱＥＤデバイスから観察されるエネルギー密度は、約７０００ＭＪ／Ｋｇであり、このエネルギー密度は、表２に示すように、アルカリ電池、リチウムイオン電池およびそれらと同様なものより数桁高い。
上述のいくつかの具体的な実施態様は、例示を目的としているにすぎない。この書類に記載されている種々の方法は、この書類の教示事項によって利益を得つつ、当業者にとって自明である種々の仕方で変更したり実施してもよい。さらに、添付された特許請求の範囲に記載されているものを除き、この書類に示されている構成または構造の細部に対していかなる限定を加える意図も存在しない。よって、上述の具体的でかつ例示的ないくつかの実施態様を改変したり、互いに組み合わせたり、変更してもよく、また、そのようないくつかの変形例はいずれも、この書類に開示されている事項の範囲および主旨を逸脱しないと判断される。この書類に開示されている種々の実施態様は、この書類に特別に開示されているわけではない要素および／またはこの書類に開示されている任意選択的な要素が存在しない状態で実施してもよい。いくつかの組成物およびいくつかの方法が、種々の部品または工程を「含む(comprising)」、「含む(containing)」または「含む(including)」という用語を用いて記載されているが、それら組成物および方法は、上述の種々の部品および工程を「非排他的に含む(consist essentially of)」または「排他的に含む(consist of)」ことも可能である。上述のすべての数値およびすべての範囲は、ある量だけ異なるものにしてもよい。下限値と上限値とを有する数値範囲が開示される場合は常に、その数値範囲内に包含されるいかなる数値もいなかる範囲も、具体的に開示されていることになる。特に、複数の数値が包含される範囲（「約(about)ａから約(about)ｂ」、または等価的に「約(approximately)ａからｂ(a to b)」、または等価的に「約(approximately)ａからｂまで(a-b)」という表現形式で）であってこの書類に開示されているものは、複数の数値を包含するより広い範囲に包含されるいずれの数値および範囲も記載していると理解されるべきものである。さらに、特許請求の範囲におけるいくつかの用語は、他に明記されており、かつ、当該特許権者によって明確に定義されているものではない限り、通常の意味を有する。さらに、特許請求の範囲において使用されているように、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は、この書類においては、その不定冠詞に続く要素が１つまたはそれより多数であることを意味すると定義される。この明細書における単語または用語の使用法と、引用によってこの明細書に合体させられる１件または複数件の特許文献または他の文献とに矛盾が存在する場合には、この明細書に合致する定義を採用すべきである。

Claims (29)

  1. 流動するキャリア・ガスの存在下に、前駆体溶液をエアロゾル化し、それにより、反応物流を生成する工程であって、前記前駆体溶液は、揮発性溶媒と、ナノ粒子前駆体とを含有するものと、
    前記反応物流を、前記揮発性溶媒の沸点より高い温度に加熱し、それにより、複数個のナノ粒子を含む生成物流を生成する工程と、
    前記生成物流を冷却する工程と、
    前記生成物流を捕集用液体内を通過させ、それにより、前記生成物流から前記複数個のナノ粒子を捕集する工程と
    を含む方法。
  2. 前記キャリア・ガスは、不活性ガスである請求項１に記載の方法。
  3. 前記揮発性溶媒は、メタノールと、エタノールと、イソプロパノールと、ブタノールと、それらのうちの任意のものの組合せとからなるグループから選択された少なくとも１つを含む請求項１に記載の方法。
  4. 前記ナノ粒子前駆体は、有機金属化合物を含有する請求項１に記載の方法。
  5. 前記ナノ粒子前駆体は、ＩＶ属元素化合物を含有する請求項１に記載の方法。
  6. 前記揮発性溶媒の沸点より高い前記温度は、約５００℃と約１２００℃との範囲内にある請求項１に記載の方法。
  7. 前記反応物流を加熱する工程は、その反応物流を管状炉内を通過させる工程を含む請求項１に記載の方法。
  8. 前記複数個のナノ粒子は、ＩＶ属元素を含有するとともに、シフトした結晶面ピークを有する請求項１に記載の方法。
  9. 前記複数個のナノ粒子は、多峰性直径分布を有する請求項１に記載の方法。
  10. 前記複数個のナノ粒子は、約３ｎｍと約１０００ｎｍとの範囲内にある平均直径を有する請求項１に記載の方法。
  11. 前記複数個のナノ粒子は、プラス・マイナス約０．５ｎｍからプラス・マイナス約１０ｎｍまでの範囲内の標準偏差を有する直径分布を有する請求項１に記載の方法。
  12. 流動するキャリア・ガスの存在下に、前駆体溶液をエアロゾル化し、それにより、反応物流を生成することを繰り返す工程であって、前記前駆体溶液は、揮発性溶媒と、ナノ粒子前駆体とを含有するものと、
    前記前駆体溶液の補充を繰り返す工程と、
    前記反応物流を、前記揮発性溶媒の沸点より高い温度に加熱し、それにより、複数個のナノ粒子を含む生成物流を生成する工程と、
    前記生成物流を冷却する工程と、
    前記生成物流を捕集用液体内を通過させ、それにより、前記生成物流から前記複数個のナノ粒子を捕集する工程と、
    前記捕集用液体の交換を繰り返す工程と
    を含む方法。
  13. さらに、
    前記複数個のナノ粒子を前記捕集用液体から抽出する工程を含む請求項１２に記載の方法。
  14. さらに、
    前記複数個のナノ粒子を前記捕集用液体から抽出することを繰り返す工程を含む請求項１２に記載の方法。
  15. エアロゾル化は、約１ｋＨｚと約２００ｋＨｚとの範囲内にある周波数で行われる請求項１２に記載の方法。
  16. 前記ナノ粒子前駆体は、有機金属化合物を含有する請求項１２に記載の方法。
  17. 前記ナノ粒子前駆体は、ＩＶ属元素化合物を含有する請求項１２に記載の方法。
  18. 前記複数個のナノ粒子は、ＩＶ属元素を含有するとともに、シフトした結晶面ピークを有する請求項１２に記載の方法。
  19. 前記複数個のナノ粒子は、多峰性直径分布を有する請求項１２に記載の方法。
  20. ＩＶ属元素を含有するとともに、シフトした結晶面ピークを有するナノ粒子。
  21. 前記ナノ粒子は、約３ｎｍと約１０００ｎｍとの範囲内にある平均直径を有する請求項２０に記載の方法。
  22. 前記シフトした結晶面ピークは、（１１１）結晶面であって、２θ値が約１度と約８度との範囲内の量だけシフトしたものである請求項２０に記載の方法。
  23. 前記ナノ粒子は、シリコンとゲルマニウムとを、ゲルマニウムに対するシリコンのモル比が約１：１０と約１０：１との範囲内にあるように含有する請求項２０に記載の方法。
  24. 複数個のナノ粒子を合成するシステムであって、
    揮発性溶媒とナノ粒子前駆体とを含有する前駆体溶液を収容するとともにキャリア・ガスを収容するように構成された前駆体溶液容器と、
    前記前駆体溶液をエアロゾル化するエアロゾル化装置と、
    前記エアロゾル化された前駆体溶液と前記キャリア・ガスとを含有する反応物流を輸送して加熱し、それにより、複数個のナノ粒子を生成するように構成された管状炉と、
    前記複数個のナノ粒子を捕集するための捕集用液体を収容する捕集用溶液容器と
    を含むシステム。
  25. 前記管状炉は、テーパ付きの管状炉を含む請求項２４に記載のシステム。
  26. さらに、
    前記捕集用液体が前記管状炉内に進入することを阻止するように構成されたバルブを含む請求項２４に記載のシステム。
  27. さらに、
    前駆体溶液を前記前駆体溶液容器に添加することを繰り返すシリンジ・ポンプを含む請求項２４に記載のシステム。
  28. 前記エアロゾル化装置は、超音波処理機(sonicator)と、霧化器(mister)と、噴霧器(fogger)とのうちのいずれかである請求項２４に記載のシステム。
  29. 前記管状炉は、互いに異なるゾーン温度を有する複数のゾーンを有する請求項２４に記載のシステム。
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