JP6157715B2 - 正確な寸法制御を備えた動的繊維内粒子の製造 - Google Patents
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Description
本発明は、全米科学財団により支給された契約番号DMR−0819762、および米国陸軍研究所により支給された契約番号W911NF−07−D−0004の下、米国政府の支援によりなされた。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。
選択された繊維コア径を製造するための熱繊維プリフォームの延伸、再延伸およびテーパ加工
繊維プリフォームを構築し、プリフォームから延伸された繊維においてシリコン粒子を製造するためのシリコン繊維コアを製造した。プリフォームは、太さ8mmの石英クラッディングチューブ内にはめられた、Lattice Materials社製の、長さ10cm、直径2mmの幅のシリコンロッドを用いて製造され、チューブの底部を密封するために太いロッドにより真空融合し、シリコンロッドが挿入された後にチューブ内のポケットを閉鎖するために頂部を太いロッドで真空融合した。石英は、Technical Glass Products社(オハイオ州Painesville Twp.)から得た。繊維プリフォームは、繊維延伸塔内で、炉の中心の2130℃のホットゾーン延伸温度で、延伸供給速度vf=1.2mm/分および延伸速度vd=0.3m/分で延伸した。この熱繊維延伸により、外繊維径500μm、シリコンコア径130μmの繊維が得られた。
繊維速度により粒径を制御する繊維内粒子製造
実施例1の延伸された繊維の部分が、三重スケーリング処理に供されず、シリコンコア径4μmを有するシリカ−クラッド繊維として維持された。次いで、6つの異なる繊維部分を切断し、動的繊維内粒子製造処理に個々に供した。各処理では、繊維部分を0.3l/分の水素流および0.1l/分の酸素流の水素/酸素火炎のホットゾーンに通して供給した。6つの部分のそれぞれは、2μm/秒、10μm/秒、30μm/秒、50μm/秒、70μm/秒、および90μm/秒という異なる前述の繊維速度vfで火炎に通して供給した。この繊維速度のみが異なり、水素および酸素流は一定に維持された。繊維長が火炎を通して供給されるにつれて、前述のような態様で、繊維内のシリコンコアの端部は火炎の位置で分裂し、繊維内に粒子の列が形成される。
サブミクロンの直径の繊維内粒子の製造
最初に、シリカクラッディングおよび直径325nmのSiコアを含む外径23μmの繊維を製造することによって、実施例1の繊維プリフォーム延伸と三重スケーリング手順を経て、100nmスケールのシリコンSi球体の製造を実験的に実施した。シリコン粒子を製造するために、それぞれガス流速を0.17l/分および0.08l/分に設定した水素/酸素火炎のホットゾーンを通して、繊維供給速度10μm/秒で繊維を供給した。繊維内に粒子が製造された後、フッ化水素酸(HF)を使用したクラッディングの化学エッチングにより、球体をシリカクラッディングから放出させた。
繊維内粒子クラスターの製造
2つの別個のシリカチューブを用いて、上記の手法で2つの分離されたSiロッドを含む繊維プリフォームを調製し、二重コア繊維に延伸した。Siロッドの1つはp型であり、電子アクセプタ濃度NA=6.9x1018cm−3を有し、他方のSiロッドはn型であり、電子ドナー濃度ND=1.6x1019cm−3を有していた。2つのロッドは、それぞれ直径が2mmであり、それぞれは12mmのシリカクラッディングを有するプリフォームにはめられていた。プリフォームは、延伸温度2130℃、ならびに0.6mm/分の供給速度vfおよび0.6m/分の延伸速度vdで熱延伸された。
加圧による、繊維内粒子のバンドギャップ制御
各粒子についての内部圧力および対応するバンドギャップシフトを測定するために、シリコン繊維内粒子、およびゲルマニウム繊維内粒子についてフーリエ変換赤外分光法(FTIR)を実施した。シリコン粒子は直径450μmの球体であり、ゲルマニウム粒子は直径35μmの球体であった。表2の最初の行に示すようにシリコン粒子を製造し、表2の最後の行に示すようにゲルマニウム粒子を製造した。
繊維内真空製造
銅のコアおよびシリカクラッディングを有する繊維を延伸し、Cuの繊維内球状粒子を製造した。繊維は、直径6μmの銅のコアを備えており、Cu粒子を製造するために、0.4l/分の水素流から得られる純粋な水素炎を通して10μm/秒で供給された。トーチ穴から繊維までの距離は3cmであった。得られた繊維内粒子の分裂期間は1.7mmであった。得られた粒子は、楕円形状を有し、その細長い軸は繊維軸と一致していた。シリカクラッディングは、各楕円形粒子の部位で変形し、搬送方向と反対方向に向いている極に、銅が存在しない真空の空隙を含んでいる容器を形成した。
Claims (46)
- 長手方向軸繊維長に沿って配置されたシリカクラッディングと;
繊維長の少なくとも一部に前記長手方向繊維軸に平行な長手方向の線に沿って、間隔が均一な結晶粒子の列として配置された複数の結晶粒子とを含み、各結晶粒子が前記シリカクラッディング材料中に埋め込まれている繊維。 - 請求項1に記載の繊維であって、各結晶粒子が、シリコンおよびゲルマニウムからなる群から選択される物質を含む繊維。
- 請求項1に記載の繊維であって、各結晶粒子が、1mm未満の直径を有する球形である繊維。
- 請求項1に記載の繊維であって、各結晶粒子が、1ミクロン未満の直径を有する球形である繊維。
- 請求項1に記載の繊維であって、各結晶粒子が、100ナノメートル未満の直径を有する球形である繊維。
- 請求項1に記載の繊維であって、前記繊維が繊維外径を有し、各結晶粒子が、前記繊維外径より小さい直径を有する繊維。
- 請求項1に記載の繊維であって、各結晶粒子が電気的半導体材料を含む繊維。
- 請求項1に記載の繊維であって、各結晶粒子が、電子的にドープされた電気的半導体材料を含む繊維。
- 請求項1に記載の繊維であって、各結晶粒子が導電性材料を含む繊維。
- 請求項1に記載の繊維であって、各結晶粒子が電気的絶縁材料を含む繊維。
- 請求項1に記載の繊維であって、各結晶粒子の少なくとも一部が単結晶である繊維。
- 請求項1に記載の繊維であって、各結晶粒子の少なくとも一部が多結晶である繊維。
- 請求項1に記載の繊維であって、各結晶粒子が、均一な粒子材料を含む繊維。
- 請求項1に記載の繊維であって、各結晶粒子の少なくとも一部が不均一である繊維。
- 請求項1に記載の繊維であって、各結晶粒子が、球状のシェルに囲まれた球形のコアを含むコアシェル粒子を含む繊維。
- 請求項1に記載の繊維であって、各結晶粒子が、対称性が破られたヤヌス粒子を含む繊維。
- 請求項1に記載の繊維であって、各結晶粒子が、2つの粒子の結晶性2粒子クラスターを含む繊維。
- 請求項17に記載の繊維であって、前記2つの粒子の2粒子クラスターが、第1の結晶性材料組成物の第1の粒子と、前記第1の結晶性材料組成物とは異なる第2の結晶性材料組成物の第2の粒子とを含む繊維。
- 請求項1に記載の繊維であって、各結晶粒子がp型半導体材料を含む繊維。
- 請求項1に記載の繊維であって、各結晶粒子がn型半導体材料を含む繊維。
- 請求項1に記載の繊維であって、各結晶粒子が、p型半導体材料を含む第1の結晶粒子と、n型半導体材料を含む第2の結晶粒子とを含む2成分粒子を含む繊維。
- 請求項1に記載の繊維であって、結晶粒子の前記長手方向の列が複数の長手方向の列を含み、各列が、繊維長の少なくとも一部において前記長手方向繊維軸と平行な長手方向線に沿って配置する複数の結晶粒子を含み、各結晶粒子は前記シリカクラッディング内に埋め込まれており、各列は前記シリカクラッディングにより他の列から分離されている繊維。
- 請求項22に記載の繊維であって、結晶粒子の前記複数の長手方向の列のうちの少なくとも1つが、別の長手方向の列における粒子材料とは異なる粒子材料を含む繊維。
- 繊維プリフォームから熱延伸された繊維を設ける工程であって、前記繊維が長手方向軸繊維長を有し、また、前記繊維が、前記長手方向繊維軸に平行な長手方向コア軸を有し、且つ、前記繊維長に沿ったクラッディング材料からなる少なくとも1つの外側繊維クラッディング層に対して内部に配置されている、少なくとも1つの結晶性繊維コアを含む工程;
前記繊維を、前記繊維コアの溶融温度よりも高い温度である加熱部位温度Tを有する局在化加熱部位を通して供給し、前記繊維は、前記局在化加熱部位で前記繊維コアの一部を溶融する繊維供給速度vfで供給され、溶融液滴が、前記繊維供給速度vfにより設定された溶融液滴形成の期間に一滴ずつ、前記繊維コア部分から繊維コア材料をピンチオフ(pinch off)する工程;および
前記局在化加熱部位を通して前記繊維を連続的に供給して、前記溶融液滴を前記局在化加熱部位から移動させ、前記溶融液滴を固化し、前記繊維内に固体粒子の長手方向の列を前記長手方向繊維軸と平行に、各粒子が繊維クラッディング材料によって前記列中の他の粒子から分離されているように形成する工程
を含む、粒子の製造方法。 - 請求項24に記載の方法であって、局在化加熱部位を通して前記繊維を供給することが、局在化火炎を通して前記繊維を供給することを含む方法。
- 請求項24に記載の方法であって、局在化加熱部位を通して前記繊維を供給することが、加熱要素に対して前記繊維コアを溶融する距離に近接させて、前記繊維を供給することを含む方法。
- 請求項24に記載の方法であって、前記繊維供給速度vfが、1μm/秒から1mm/秒の間にある方法。
- 請求項24に記載の方法であって、繊維を設ける工程が、半導体材料を含むコアを有する繊維を設けることを含み、それによって前記繊維内の各固体粒子が半導体粒子を含む方法。
- 請求項24に記載の方法であって、繊維を設ける工程が、金属を含むコアを有する繊維を設けることを含み、それによって前記繊維内の各固体粒子が金属を含む方法。
- 請求項24に記載の方法であって、繊維を設ける工程が、ポリマー材料を含むコアを有する繊維を設けることを含み、それによって前記繊維内の各固体粒子がポリマー粒子を含む方法。
- 請求項24に記載の方法であって、繊維を設ける工程が、半導性ガラスを含むコアを有する繊維を設けることを含み、それによって前記繊維内の各固体粒子が半導性ガラス粒子を含む方法。
- 請求項24に記載の方法であって、繊維を設ける工程が、シリカクラッディング層を有する繊維を設けることを含む方法。
- 請求項24に記載の方法であって、繊維を設ける工程が、ポリマークラッディング層を有する繊維を設けることを含む方法。
- 請求項24に記載の方法であって、繊維を設ける工程が、シリコンおよびゲルマニウムからなる群から選択される材料を含むコアを有する繊維を設けることを含む方法。
- 請求項25に記載の方法であって、繊維を設ける工程が、すず、銅、銀およびアンチモンからなる群から選択される材料を含むコアを有する繊維を設けることを含む方法。
- 請求項24に記載の方法であって、繊維を設ける工程が、少なくとも2つの繊維コアを含む繊維を設けることを含み、各繊維コアが異なるコア材料を含み、各コアが前記長手方向繊維軸と平行な長手方向軸を有し、前記繊維長に沿ったクラッディング材料の少なくとも1つの外部繊維クラッディング材料層に対して内部に配置されており、前記2つの繊維コアが、ある量の繊維クラッディングにより分離され、それによって、前記局在化加熱部位を通して前記繊維を供給することにより、溶融液滴が各繊維コア材料を同時にピンチオフして、前記繊維内に、粒子の複数の分離した長手方向列を形成し、各粒子の列は前記繊維クラッディングにより他の列から分離される方法。
- 請求項24に記載の方法であって、繊維を設ける工程が、少なくとも2つの繊維コアを含む繊維を設けることを含み、各繊維コアが異なるコア材料を含み、各コアが前記長手方向繊維軸と平行な長手方向軸を有し、前記繊維長に沿ったクラッディング材料の少なくとも1つの外部繊維クラッディング材料層に対して内部に配置されており、前記2つの繊維コアが、ある量の繊維クラッディングにより分離され、それによって、前記局在化加熱部位を通した前記繊維を供給することにより、溶融液滴が各繊維コア材料を同時にピンチオフして、前記繊維内で多重球状粒子に固化される、多重球状溶融液滴を形成する方法。
- 請求項24に記載の方法であって、少なくとも2つの繊維コアを含む繊維を設けることが、電子的にドープされたp型である第1の半導性コアを提供し、電子的にドープされたn型である第2の半導性コアを提供することを含み、それによって多重球状粒子に固化する多重球状粒子溶融液滴の形成が多重球状p−n接合粒子を形成することを含む方法。
- 請求項24に記載の方法であって、加熱部位温度Tにある局在化加熱部位を通して前記繊維を供給することは、少なくとも1600℃の局在化温度を通して前記繊維を供給することを含む方法。
- 請求項24に記載の方法であって、前記固体粒子を前記繊維から放出するため、前記繊維クラッディング材料を除去する工程を更に含む方法。
- 請求項41に記載の方法であって、放出した粒子の凝集を防止するために放出した固体粒子を不動態化する工程を更に含む方法。
- 繊維プリフォームから熱延伸された繊維を設ける工程であって、前記繊維が長手方向軸繊維長を有し、また、前記繊維が、前記長手方向繊維軸に平行な長手方向コア軸を有し、且つ、前記繊維長に沿ったクラッディング材料からなる少なくとも1つの外側繊維クラッディング層に対して内部に配置されている少なくとも1つの繊維コアを含む工程;
前記繊維コアの溶融温度よりも高い温度である加熱温度Tを有する移動温度勾配を前記繊維に適用し、前記移動温度勾配は、局在化加熱部位で前記繊維コアの一部を溶融する速度vfを有し、溶融液滴が、前記速度vfにより設定された溶融液滴形成の期間において一滴ずつ、前記繊維コア部分から繊維コア材料をピンチオフする工程;および
前記溶融液滴を固化し、前記繊維内に固体粒子の長手方向列を前記長手方向繊維軸に平行に、各粒子が繊維クラッディング材料によって前記列中の他の粒子から分離されているように形成する工程
を含む、粒子の製造方法。 - 請求項43に記載の方法であって、前記速度vfが1μm/秒から1mm/秒の間にある方法。
- 請求項43に記載の方法であって、移動温度勾配を前記繊維に適用することが、前記繊維長の少なくとも一部に沿って、局在化加熱温度Tを移動させることを含む方法。
- 請求項43に記載の方法であって、移動温度勾配を前記繊維に適用することが、少なくとも1600℃の局在化加熱温度T、を有する移動温度勾配の適用を含む方法。
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