特許 7574227 新規の付加ナノ製造システムおよび方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-18

(45)【発行日】2024-10-28

(54)【発明の名称】新規の付加ナノ製造システムおよび方法

(51)【国際特許分類】

   B28B 1/30 20060101AFI20241021BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20241021BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20241021BHJP

   B22F 1/08 20220101ALI20241021BHJP

   B22F 12/53 20210101ALI20241021BHJP

   B22F 12/44 20210101ALI20241021BHJP

   B22F 10/16 20210101ALI20241021BHJP

   C04B 35/64 20060101ALI20241021BHJP

【ＦＩ】

B28B1/30

B33Y30/00

B33Y10/00

B22F1/08

B22F12/53

B22F12/44

B22F10/16

C04B35/64

【請求項の数】 20

(21)【出願番号】P 2021573560

(86)(22)【出願日】2020-06-12

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-08-17

(86)【国際出願番号】 US2020037413

(87)【国際公開番号】W WO2020252247

(87)【国際公開日】2020-12-17

【審査請求日】2023-06-05

(31)【優先権主張番号】62/860,467

(32)【優先日】2019-06-12

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】597158986

【氏名又は名称】オーバーン・ユニバーシティ

【氏名又は名称原語表記】Ａｕｂｕｒｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】マスード・マジューリ－サマニ

(72)【発明者】

【氏名】ニマ・シャムサイー

【審査官】末松 佳記

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１０－１３３０１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０５９１１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０６１１３７５１（ＵＳ，Ａ）

【文献】米国特許第０６４９１７５９（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】特開２０１５－１７８１９２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２８Ｂ １／３０－１／４２

Ｃ０４Ｂ ３５／６４－３５／６５

Ｃ２３Ｃ １４／００－１４／５８

Ｂ３３Ｙ １０／００

Ｂ３３Ｙ ３０／００

Ｂ２２Ｆ １／０８

Ｂ２２Ｆ １０／１６

Ｂ２２Ｆ １２／４４－１２／４５

Ｂ２２Ｆ １２／５３

Ｂ８２Ｙ ４０／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

デバイスであって、
チャンバおよび前記チャンバに着脱可能に接続されるノズルであって、開口部を規定するノズルと、
前記チャンバ内に配設される目標カルーセルと、
レーザプルームを形成するためインサイチュアブレーションを実施するように前記目標カルーセルに向けられる第１のビームを生成するように構成される第１のレーザと、
ガスが前記レーザプルームと相互作用しナノ粒子の凝縮および形成をもたらすように、前記ガスを前記チャンバの中に供給するように構成されるガスフローシステムと、
前記チャンバの内部を通り前記ノズルの前記開口部を通り前記デバイスの外側に配設される基板に向けられる第２のビームを生成するように構成される第２のレーザであって、前記第２のレーザビームが、前記ノズルを出る前記ナノ粒子を前記基板上で焼結および結晶化させるように構成される、第２のレーザと、
を備えるデバイス。

【請求項2】

前記目標カルーセルが、板であって、前記板の第１の側の周りの複数の目標、および前記第１の側の反対の前記板の第２の側の周りにシャフトを含む板を備え、前記第１のビームが、前記目標のうちの少なくとも１つに合焦することによって、前記レーザプルームを形成するため前記インサイチュアブレーションを実施する、請求項１に記載のデバイス。

【請求項3】

前記複数の目標の各々が固体ペレットを備える、請求項２に記載のデバイス。

【請求項4】

前記ノズルを出る前記ナノ粒子が流動を含み、搬送ガスの一定の流れによって前記基板へと搬送される、請求項１に記載のデバイス。

【請求項5】

前記第１のレーザおよび前記第２のレーザの各々のそれぞれのフルエンス、繰返し率、ならびに前記ガスの流量を選択的に調整することによって、前記レーザプルームの熱運動化の動態および前記ナノ粒子の前記流動を制御するように構成される制御論理をさらに備える、請求項４に記載のデバイス。

【請求項6】

前記ナノ粒子がアモルファスおよび結晶のうちの一方である、請求項１に記載のデバイス。

【請求項7】

第１のレーザビームを生成して、レーザプルームを形成するためインサイチュアブレーションを実施するように、前記生成した第１のレーザビームをチャンバの内部を通して前記チャンバ内に配設される目標カルーセルに向けるステップと、
ガスが前記レーザプルームと相互作用してナノ粒子の凝縮および形成をもたらし、前記チャンバに着脱可能に結合されるノズルに向けて前記ナノ粒子の流れを向けるように、前記ガスを前記チャンバの中に供給するステップであって、前記ノズルが開口部を規定する、ステップと、
第２のビームを生成して、生成した前記第２のレーザビームを前記チャンバの前記内部を通り前記ノズルの前記開口部を通り前記チャンバの出口に配設される基板に向けるステップであって、前記第２のレーザビームが、前記ノズルを出る前記ナノ粒子を前記基板上で焼結および結晶化させるように構成される、ステップと、を含む方法。

【請求項8】

前記目標カルーセルが、板であって、前記板の第１の側の周りの複数の目標、および前記第１の側の反対の前記板の第２の側の周りにシャフトを含む板を備え、前記第１のレーザビームが、前記目標のうちの少なくとも１つに合焦することによって、前記レーザプルームを形成するため前記インサイチュアブレーションを実施する、請求項７に記載の方法。

【請求項9】

前記複数の目標の各々が固体ペレットを備える、請求項８に記載の方法。

【請求項10】

前記複数の目標のそれぞれの固体ペレットのうちの少なくとも２つのペレットが互いに異なる材料を含み、そのため、前記レーザプルームを形成するために、前記材料の各々について、前記インサイチュアブレーションを連続的に実施し、前記ナノ粒子の凝縮および形成をもたらすために前記ガスを供給し、前記基板上の前記ナノ粒子を焼結および結晶化することによって、多機能材料の形成をもたらす、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

前記多機能材料が、少なくとも２つの構成材料を有する複合物を含むハイブリッド材料を含む、請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

チャンバの内側でレーザプルームを形成するためにインサイチュアブレーションを開始するステップと、
ガスが前記レーザプルームと相互作用しナノ粒子の凝縮および形成をもたらすように前記ガスを前記チャンバの中に供給するステップと、
前記チャンバの内部を通して前記チャンバの出口に配設されかつ前記チャンバの外部環境に配置されかつ大気圧に維持される基板に前記ナノ粒子を向けるステップと、
前記チャンバを出る前記ナノ粒子を前記基板上で焼結および結晶化させるステップと、を含む方法。

【請求項13】

インサイチュアブレーションを開始するステップが、第１のレーザビームを生成して、前記生成した第１のレーザビームを前記チャンバの内部を通して目標カルーセルに向けるステップを含む、請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

前記目標カルーセルが、板であって、前記板の第１の側の周りの複数の目標、および前記第１の側の反対の前記板の第２の側の周りにシャフトを含む板を備え、インサイチュアブレーションを開始するステップが、前記目標のうちの少なくとも１つに合焦するため、生成した前記第１のレーザビームを生成および向けるステップを含む、請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

前記複数の目標の各々が固体ペレットを備える、請求項１４に記載の方法。

【請求項16】

前記複数の目標のそれぞれの固体ペレットのうちの少なくとも２つのペレットが互いに異なる材料を含み、そのため、前記レーザプルームを形成するために、前記材料の各々について、前記インサイチュアブレーションを連続的に開始し、前記ナノ粒子の凝縮および形成をもたらすために前記ガスを供給し、前記ナノ粒子を向けて、前記基板上の前記ナノ粒子を焼結および結晶化することによって、多機能材料の形成をもたらす、請求項１５に記載の方法。

【請求項17】

前記多機能材料が、少なくとも２つの構成材料を有する複合物を含むハイブリッド材料を含む、請求項１６に記載の方法。

【請求項18】

前記チャンバを出る前記ナノ粒子が流動を含み、搬送ガスの一定の流れによって前記基板へと搬送される、請求項１２に記載の方法。

【請求項19】

前記ナノ粒子がノズルを介して前記チャンバを出て、前記ノズルが前記チャンバに着脱可能に結合される、請求項１８に記載の方法。

【請求項20】

前記ナノ粒子がアモルファスおよび結晶のうちの一方である、請求項１２に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本出願は、その全開示が参照によって本明細書に組み込まれる、２０１９年６月１２日に出願された米国仮特許出願第６２／８６０，４６７号の米国特許法第１１９条（ｅ）項の下での利益を主張する。

【0002】

本開示は、一般的に、付加製造のためのシステムおよび方法に関する。

【背景技術】

【0003】

付加製造は、広範囲の２次元および３次元（２Ｄ、３Ｄ）の構造、デバイス、および複雑な幾何形状の、層ごとの印刷のための多目的な手法として採用されてきた。付加製造プロセスは、電子機器から生物医学、および航空宇宙から建築までの範囲にわたる様々な産業で幅広く採用されてきた。付加製造の開発以来、付加製造は、製造プロセスに変革をもたらすという目的で長年にわたって著しく発達してきた。付加製造および材料印刷技術を介した複雑な構造およびデバイスの製作によって、設計のフレキシビリティおよび製作速度を潜在的に向上させる一方で費用を低減させることができる、工学的設計および製品実現におけるパラダイムシフトがもたらされた。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0004】

デバイスは、チャンバおよびチャンバに着脱可能に接続されるノズルであって、開口部を規定するノズルと、チャンバ内に配設される目標カルーセルと、レーザプルームを形成するためインサイチュアブレーションを実施するように目標カルーセルに向けられる第１のビームを生成するように構成される第１のレーザと、ガスがレーザプルームと相互作用しナノ粒子の凝縮および形成をもたらすように、ガスをチャンバの中に供給するように構成されるガスフローシステムと、チャンバの内部を通りノズルの開口部を通りデバイスの外側に配設される基板に向けられる第２のビームを生成するように構成される第２のレーザであって、第２のレーザビームが、ノズルを出るナノ粒子を基板上で焼結および結晶化させるように構成される、第２のレーザと、を含む。

【0005】

方法は、第１のレーザビームを生成して、レーザプルームを形成するためインサイチュアブレーションを実施するように、生成した第１のレーザビームをチャンバの内部を通してチャンバ内に配設される目標カルーセルに向けるステップと、ガスがレーザプルームと相互作用してナノ粒子の凝縮および形成をもたらし、チャンバに着脱可能に結合されるノズルに向けてナノ粒子の流れを向けるように、ガスをチャンバの中に供給するステップであって、ノズルが開口部を規定する、ステップと、第２のビームを生成して、生成した第２のレーザビームをチャンバの内部を通りノズルの開口部を通りチャンバの出口に配設される基板に向けるステップであって、第２のレーザビームが、ノズルを出るナノ粒子を基板上で焼結および結晶化させるように構成される、ステップと、を含む。

【0006】

方法は、チャンバの内側でレーザプルームを形成するためにインサイチュアブレーションを開始するステップと、ガスがレーザプルームと相互作用しナノ粒子の凝縮および形成をもたらすようにガスをチャンバの中に供給するステップと、チャンバの内部を通してチャンバの出口に配設される基板にナノ粒子を向けるステップと、チャンバを出るナノ粒子を基板上で焼結および結晶化させるステップと、を含む。

【0007】

発明を実施するための形態では、以下の図を特に参照する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】多機能材料の付加ナノ製造のための一例示的なシステムを図示するブロック図である。

【図2A】ナノ粒子のインオペランド合成および焼結のための一例示的なデバイスを図示するブロック図である。

【図2B】ナノ粒子のインオペランド合成および焼結のための一例示的なデバイスを図示するブロック図である。

【図2C】図１および図２Ａ～図２Ｂのデバイスによって堆積される一例示的な材料を図示するブロック図である。

【図3】ビームスプリッタを使用する付加ナノ製造の一例示的な実装形態を図示するブロック図である。

【図4】図１および図２Ａ～図２Ｂの付加ナノ製造システムのための一例示的な制御システムの例を図示するブロック図である。

【図5A】図１、図２Ａ～図２Ｂ、および図４のシステムを使用して生成した多機能材料の画像を図示する図である。

【図5B】図１、図２Ａ～図２Ｂ、および図４のシステムを使用して生成した多機能材料の画像を図示する図である。

【図5C】図１、図２Ａ～図２Ｂ、および図４のシステムを使用して生成した多機能材料の画像を図示する図である。

【図5D】図１、図２Ａ～図２Ｂ、および図４のシステムを使用して生成した多機能材料の画像を図示する図である。

【図6A】図１、図２Ａ～図２Ｂ、図３、および図４Ａの付加ナノ製造デバイスを使用して形成された構造を図示するブロック図である。

【図6B】図１、図２Ａ～図２Ｂ、図３、および図４Ａの付加ナノ製造デバイスを使用して形成された構造を図示するブロック図である。

【図7】ナノ粒子ビルディングブロックのインサイチュ順次堆積およびインオペランド焼結の一例示的な実装形態を図示するブロック図である。

【図8】多機能材料の付加ナノ製造のための一例示的なプロセスフローを図示するブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本開示の概念は様々な変形形態および代替形態が可能である一方で、図では例として具体的で例示的な実施形態が示されており、記載されることになる。しかし、本開示の概念を開示される特定の形態に限定する意図はなく、反対に、添付の請求項によって規定されるような本発明の精神および範囲に入るすべての変形形態、等価形態、および代替形態をカバーすることが意図であることを理解されたい。

【0010】

本明細書における、「１つの実施形態」、「一実施形態」、「一例示的な実施形態」などに対する言及は、記載される実施形態が特定の特徴、構造、または特性を含むことができるが、あらゆる実施形態がその特定の特徴、構造、または特性を含んでも必ずしも含まなくてもよいことを示す。さらに、そのような語句は必ずしも同じ実施形態を言及していない。さらに、特定の特徴、構造、または特性が一実施形態に関して記載されるとき、明示的に記載されようとそうでなかろうと、他の実施形態に関してそのような特徴、構造、または特性を実施することは、当業者の知識の範囲内であると具申される。加えて、「少なくとも１つのＡ、Ｂ、およびＣ」という形でリストに含まれる項目は、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（ＡおよびＢ）、（ＢおよびＣ）、（ＡおよびＣ）、または（Ａ、Ｂ、およびＣ）を意味することができることを理解されたい。同様に、「Ａ、Ｂ、またはＣのうちの少なくとも１つ」という形でリストに含まれる項目は、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（ＡおよびＢ）、（ＢおよびＣ）、（ＡおよびＣ）、または（Ａ、Ｂ、およびＣ）を意味することができる。

【0011】

開示される実施形態は、いくつかの場合では、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、またはそれらの任意の組合せで実装することができる。開示される実施形態は、１つまたは複数の一時的または非一時的機械可読（たとえば、コンピュータ可読）記憶媒体上で搬送または記憶される命令として実装することもでき、それらは、１つまたは複数のプロセッサが読み取って実行することができる。機械可読記憶媒体は、機械が読み取ることが可能な形で情報を記憶または送信するための、任意の記憶デバイス、機構、または他の物理的構造として具体化することができる（たとえば、揮発性または不揮発性メモリ、媒体ディスク、または他の媒体デバイス）。

【0012】

図では、いくつかの構造上のまたは方法の特徴を、特定の配置および／または順序で示す場合がある。しかし、そのような特定の配置および／または順序が必要でない場合があることを理解されたい。むしろ、いくつかの実施形態では、そのような特徴は、例示の図に示されるものと異なる方式および／または順序で配置される場合がある。加えて、特定の図において構造上のまたは方法の特徴が含まれることは、すべての実施形態でそのような特徴が必要であることを暗示することを意味しておらず、いくつかの実施形態では、含まれない場合があり、または他の特徴と組み合わせる場合がある。

【0013】

伝統的な技法を超えた付加製造を採用することに関心が高まっているのは、従来の製造プロセスを通して利用できない複雑な幾何形状の製造、材料の浪費が最小となること、設計のフレキシビリティ、費用効果的試作品作成、および特注生産を含むいくつかの利点に起因する。多機能材料は、力を発生させること、振動する期間の剛性を増すこと、または外部要因に対する熱伝導率を変化させることに対する歪み応答を組み込んだスマートな構造を可能にすることができる。たとえば、航空機の翼または装着可能なセンサ上といった、等角面上に直接多機能材料（たとえば、圧電）を印刷する独自の能力によって、付加製造は、そのような用途にとっての魅力的な解決策になる。

【0014】

しかし、（たとえば、圧電デバイス、フレキシブル電子回路といった）ハイブリッド構造およびデバイスは、周期的な荷重がかかることが多く、したがって、ハイブリッド構造中に、融合不良（ＬｏＦ）、閉じ込められたガス孔、表面荒れ、および／または２つの材料システム間の弱い境界などといった、材料内の不完全性が存在する場合、疲労破損されやすい。レーザパワーおよびスキャン速度などといったハイブリッド構造を作るために使用される付加製造プロセスのパラメータは、それらの構造の熱履歴および（不完全性を含む）マイクロ構造的特徴に影響をおよぼし、それが次に、印刷した部分の疲労挙動を含む機械的特性を定める。現在の付加製造技術における既存の技法には、圧電、光電子、エネルギー変換、および記憶デバイスを含む複雑な機能性を有するハイブリッド構造およびデバイスを印刷する際の、それらの用途を著しく限定する課題がある。

【0015】

改善した製造プラットフォームは、複雑な機能性を有する丈夫なハイブリッド構造およびデバイスを印刷するため、大気圧かつ気相で様々な多機能ナノ粒子を発生させ、送達し、焼結することを含む。本開示の付加ナノ製造（ＡＮＭ）方法は、層ごとに複雑な機能性を有する丈夫なハイブリッド構造およびパターンの形成を可能にする、多機能材料のインサイチュ生成および実時間焼結を含む。既存の付加製造技術を超える利点としては、強誘電体から強磁性体および圧電性から相変化材料にわたるナノスケール多機能材料の広い選択範囲を可能にすること、大気圧かつ気相でリガンドのないナノ粒子ビルディングブロックの純粋な流れのインサイチュ形成および離散的送達を可能にすること、および、堆積および焼結プロセスにナノスケール精度を実現することが挙げられる。

【0016】

図１は、多機能材料の付加ナノ製造のための一例示的なシステム１００を図示する。レーザビーム１０６、１０８の各々が、複数のチャンバ開口部１１２のうちの対応する１つを介してチャンバ１１０に入る。システム１００の例示的な実施形態は、チャンバ１１０の内部１１６にレーザビーム１０６、１０８を送達、向ける、または伝達するように構成されるチューブ１１４または他の構造もしくはデバイスを含む。少なくとも図２Ａおよび図３を参照して記載されるように、２つのレーザビーム１０６、１０８は、単一のレーザビームを２つの経路へと分割するビームスプリッタを使用して生成することができる。もちろん、レーザビーム１０６、１０８の各々を生成および／または送達する他の方法論または手法も企図される。

【0017】

ノズル１２４は、チャンバ１１０の遠位端に着脱可能または取外し可能に結合され、開口部１２６を規定する。一例では、ノズル１２４は、円錐形状であってよいが、限定しないが、釣鐘およびスパイクなどといった他の形状および構成であってよい。もちろん、本明細書に記載されるプロセスを実施するように構成される実装形態などといった、チャンバ１１０およびノズル１２４の他の実装形態も企図される。

【0018】

システム１００の第１のレーザビーム１０６が、インサイチュアブレーションプロセス１３０を開始する。第１のレーザビーム１０６は、チャンバ１１０の内部１１６内に配設される目標カルーセル１２０に向けられる（または、目標カルーセル１２０の方向を示される）。目標カルーセル１２０は、カルーセルの回転板上に配設される複数の目標を含む。一例では、目標は、多機能構造の形成および組立てのための固体ペレットを含むことができる。第１のレーザビーム１０６は、複数の目標のうちの第１の目標と選択的に位置合わせして、第１の目標の第１の材料のアブレーションプロセス１３０を開始して、第１の材料のレーザプルームの形成をもたらすことができる。さらに、第１のレーザビーム１０６は、その後、複数の目標のうちの第２の目標と選択的に位置合わせして、第２の目標の第２の材料のアブレーションプロセス１３０を実施して、対応するレーザプルームの形成をもたらすことができる。純粋に非限定の一例として、第１の材料が、圧電材料品質を呈するチタン酸バリウム（ＢＴＯ）を含んでよく、第２の材料が、導電性電極を形成するのに好適な特性を有するインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）を含んでよい。

【0019】

インサイチュアブレーションプロセス１３０は、大気圧パルス状レーザアブレーション（ＰＬＡ）プロセスを含むことができ、ナノ粒子１１８が実時間でハイブリッド機能構造へと一体化することができるように、ナノ粒子１１８ビルディングブロックに純粋な流れを生成させるよう構成することができる。

【0020】

システム１００は、チャンバ１１０の近位端の周りに配設され、チャンバ１１０の内部１１６へのガスの流れを送達するように構成される１つまたは複数のガス入口１２８を含む。ガスの流れの中の、目標カルーセル１２０上に配設される所与の材料のアブレーションによって、ナノ粒子の流動１２２の形成をもたらす。したがって、システム１００は、レーザ生成したプルームと、凝集体およびナノ粒子ビルディングブロックの形成をもたらすプラズマを凝縮する背景ガスと、の相互作用を容易にする。さらに、搬送ガス流およびアブレーション速度が、基板上へのナノ粒子の純粋な流れの送達を決定する。

【0021】

粒子１１８は、ノズル１２４の開口部１２６を通ってチャンバ１１０の内部１１６から出る。開口部１２６は、予め規定された直径を有する。システム１００の第２のレーザビーム１０８は、インサイチュアブレーションプロセス１３０期間に生成された複数の粒子１１８の実時間焼結１３２を実施する。チャンバ１１０を出る粒子１１８は、粒子１１８が基板１３４上に着地すると実時間で焼結され（１３２）、パルスごとに、結晶性多機能材料のディスクの製造を可能にする。制御されたレーザ焼結条件下のナノ粒子の結晶化および界面相互作用は、粒子が基板の表面上に着地するとき、焼結レーザパラメータが、アモルファスナノ粒子の結晶化の動態および相展開を支配するようなものである。さらに、後続のアモルファスナノ粒子が、前に焼結したブロックと相互作用し、より大きい結晶構造のエピタキシャル成長をもたらす。

【0022】

いくつかの例では、製造したディスクの厚さは、堆積／焼結パルスの数を制御することによって制御することができる。追加または代替として、手動Ｚステージ１３６を使用して、厚さを増したディスクを堆積するため、焼結レーザの焦点を再調整することができる。そのため、本開示のＡＮＭシステムおよびプロセスを使用して、高品質で丈夫な多機能ハイブリッド構造を製造することができる。

【0023】

図２Ａは、ナノ粒子のインオペランド合成および焼結のための一例示的なデバイス２００－Ａを図示する。ビームスプリッタ２０２は、エキシマレーザビーム２０４を２つのレーザ経路（ビーム）２０６、２０８へと分割する。一例示的なビームスプリッタ２０２は、入射光を予め規定された割合で２つの別個のビームに分けるように構成される、板または立方体などといった光学デバイスを含む。ビームスプリッタ２０２は、薄く平坦なガラス板を含むことができ、そこでは、板の本体は、ビームスプリットコーティングで第１の面の周りをコーティングされる、および／または、不要な反射を除去または最小化するために反射防止コーティングで第２の面の周りをコーティングされる。エキシマレーザビームは、紫外線の範囲内の波長を有し、電気的な励起の下で形成される、希ガス（たとえば、アルゴン、クリプトン、またはキセノン）とフッ素および塩素などといった反応性ガスとの分子間の一時的結合によって生成されるレーザ光ビームを含む。

【0024】

第１のレーザビーム２０６がインサイチュアブレーションプロセスを実施し、第２のレーザビーム２０８が生成した粒子の実時間焼結を実施する。図３に図示されるように、ガス（たとえば、アルゴン）の流れの中での目標（たとえば、ＺｎＯ）のアブレーションによって、複数のナノ粒子の形成がもたらされる。次いで、ガスの流動の流れは、生成したナノ粒子をノズル１２４の開口部１２６へと搬送する（たとえば図２Ｂ参照）。開口部１２６は、予め規定された直径（たとえば、約３００μｍ）を有する。図２Ｂは、一例示的な実装形態２００－Ｂを図示しており、そこでは、ナノ粒子１１８は、基板１３４上に着地すると、または堆積されると実時間で焼結される。図２Ｃは、予め規定された厚さおよび形状を有するなどといった、焼結された粒子の製造した材料堆積物２１０を含む、一例示的な形成物２００－Ｃを図示する。結晶性材料のディスクの製造が示される一方で、他の形状、厚さ、および。ディスクの厚さは、実験中の堆積／焼結パルスの数によって簡単に制御された。より厚いディスクの堆積期間に焼結レーザの焦点を再調整するために、本実験では、手動Ｚステージを使用することができる。

【0025】

図４は、ナノ粒子１１８のインオペランド合成および焼結のための一例示的な制御システム４００を図示する。制御システム４００は、モータ４０４に通信可能に結合される制御論理デバイス４０２を含む。モータ４０４は、目標カルーセル１２０に動作可能に結合され、そのため、対応する信号またはコマンドに応答して、モータ４０４は、目標カルーセル１２０の目標および／または目標材料の回転を開始、継続、または防止し、アブレーションレーザビーム１０６と目標および／または目標材料との位置合わせを開始、継続、または防止し、アブレーションプロセス１３０を開始、継続、または防止するように動作する。

【0026】

いくつかの事例では、制御論理デバイス４０２およびモータ４０４は、限定しないが、目標カルーセル１２０の位置、アブレーションプロセス１３０の動作パラメータ、焼結プロセス１３２の動作パラメータ、および背景ガスの流れの動作パラメータを検知するように構成されるセンサなどといった、本開示の付加ナノ製造システム１００の動作を監視および制御することに関係する１つまたは複数のセンサを含む複数のセンサのうちの少なくとも１つに通信可能に結合される。センサのうちの少なくとも１つは、制御論理デバイス４０２にデータを送信することができる。一度受信すると、制御論理デバイス４０２は、センサデータに基づいて、目標カルーセル１２０の回転を開始、継続、もしくは防止する、および／または、アブレーションプロセス１３０を開始、継続、もしくは防止する、および／または、ナノ粒子１１８の形成プロセスを開始、継続、もしくは防止する、および／または、焼結プロセス１３２を開始、継続、もしくは防止するためにモータ４０４を動作させることができる。

【0027】

現在堆積／製造している層上の焼結プロセス１３２が完了する際に、制御論理デバイス４０２は、多機能材料の後続の層の印刷を開始するために、ノズル１２４および／またはノズル１２４の開口部１２６に対する所望の相対的な位置に層を位置決めするように構成される。たとえば、制御論理デバイス４０２は、可動ステージ１３６上に配設される基板１３４の動きおよび／または前に堆積／製造した層もしくは構造物の動きを開始、継続、または防止するように構成される。

【0028】

制御論理デバイス４０２は、プロセッサ、Ｉ／Ｏサブシステム、１つまたは複数のデータ記憶デバイス、および通信回路を含む。他の実施形態では、制御論理デバイス４０２は、典型的な計算デバイスに一般的に見られるもの（たとえば、様々な入出力デバイスおよび／または他の構成要素）などといった、他のまたはさらなる構成要素を含むことができることを理解されよう。加えて、いくつかの実施形態では、例示的な構成要素のうちの１つまたは複数は、別の構成要素の中に組み込むことができ、さもなくば、別の構成要素の一部分を形成することができる。制御論理デバイス４０２は、記載される様々な計算機能を実施する能力がある任意のタイプのデバイスまたはデバイスの集合として具体化することができる。いくつかの実施形態では、制御論理デバイス４０２は、集積回路、組込みシステム、フィールドプログラム可能ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、システムオンチップ（ＳＯＣ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、再構成可能ハードウェアもしくはハードウェア回路、または本明細書に記載された機能の性能を容易にするための他の専用ハードウェアなどといった単一のデバイスとして具体化することができる。いくつかの実施形態では、制御論理デバイス４０２は、１つまたは複数のプロセッサ（すなわち、１つまたは複数の中央処理装置（ＣＰＵ））およびメモリを含むことができ、または１つまたは複数のプロセッサおよびメモリとして具体化することができる。

【0029】

制御論理デバイス４０２のプロセッサは、記載される機能を実施することができる任意のタイプのプロセッサとして具体化することができる。たとえば、制御論理デバイス４０２のプロセッサは、１つもしくは複数のシングルコアプロセッサ、１つもしくは複数のマルチコアプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、マイクロコントローラ、または他のプロセッサもしくは処理／制御回路として具体化することができる。いくつかの実施形態では、制御論理デバイス４０２のプロセッサは、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ、再構成可能ハードウェアもしくはハードウェア回路、または記載される機能の性能を容易にするための他の専用ハードウェアとして具体化すること、それを含むこと、さもなくばそれに結合することができる。

【0030】

制御論理デバイス４０２のメモリは、記載される機能を実施することができる、任意のタイプの揮発性（たとえば、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）など）もしくは不揮発性メモリまたはデータ記憶装置として具体化することができる。制御論理デバイス４０２のメモリは、メインメモリ（すなわち、主メモリ）および／またはキャッシュメモリ（すなわち、メインメモリよりも迅速にアクセスできるメモリ）を含むことができることを理解されよう。揮発性メモリは、媒体によって記憶されるデータの状態を維持するため電力を必要とする記憶媒体であってよい。揮発性メモリの非限定の例は、ＤＲＡＭまたはスタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）などといった様々なタイプのランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を含んでよい。

【0031】

制御論理デバイス４０２のプロセッサは、制御論理デバイス４０２のプロセッサ、メモリ、および他の構成要素との入出力動作を容易にする回路および／または構成要素として具体化することができるＩ／Ｏサブシステムを介して、制御論理デバイス４０２の他の構成要素に通信可能に結合される。たとえば、Ｉ／Ｏサブシステムは、メモリコントローラハブ、入出力制御ハブ、一体型センサハブ、ファームウェアデバイス、通信リンク（たとえば、ポイントツーポイントリンク、バスリンク、ワイヤ、ケーブル、光ガイド、印刷回路板トレースなど）、ならびに／または入出力動作を容易にするための他の構成要素およびサブシステムとして具体化すること、さもなくばそれらを含むことができる。いくつかの実施形態では、Ｉ／Ｏサブシステムは、システムオンチップ（ＳｏＣ）の一部分を形成し、単一の集積回路チップ上に、プロセッサおよびメモリおよび／または制御論理デバイス４０２の他の構成要素と一緒に組み込むことができる。

【0032】

制御論理デバイス４０２の１つまたは複数のデータ記憶デバイスは、たとえば、メモリデバイスおよび回路、メモリカード、ハードディスクドライブ、ソリッドステートドライブ、または他のデータ記憶デバイスなどといった、短期間または長期間のデータの記憶のために構成される任意のタイプの記憶デバイスとして具体化することができる。制御論理デバイス４０２の各データ記憶デバイスは、制御論理デバイス４０２のデータ記憶デバイスのためデータおよびファームウェアコードを記憶するシステムパーティションを含むことができる。制御論理デバイス４０２の各データ記憶デバイスは、オペレーティングシステムのためのデータファイルおよび実行可能なものを記憶するオペレーティングシステムパーティションをやはり含むことができる。

【0033】

さらに、通信回路は、制御論理デバイス４０２とモータ４０４との間の通信を可能にすることができる任意の通信回路、デバイス、またはそれらの集合、ならびに、ネットワークトラフィックの入来／発出を可能にするための、ゲートウェイ、アクセスポイント、他のネットワークスイッチ／ルータなどといった、任意のネットワーク通信可デバイスとして具体化することができる。したがって、制御論理デバイス４０２の通信回路は、そのような通信を達成するために、任意の１つまたは複数の通信技術（たとえば、ワイヤレスまたは有線通信技術）および関連するプロトコル（たとえば、イーサネット、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）、ＷｉＭＡＸ、ＬＴＥ、５Ｇなど）を使用するように構成することができる。

【0034】

いくつかの実施形態では、制御論理デバイス４０２の通信回路は、ネットワークパケットを処理すること（たとえば、受信したネットワークパケットを構文解析する、各受信したネットワークパケットについて宛先コンピューティングデバイスを決定する、制御論理デバイス４０２のそれぞれのホストバッファの特定のバッファ待ち行列にネットワークパケットを転送するなど）、計算機能を実施することなどを含む、本明細書に記載された機能を実施するためのパイプライン論理（たとえば、ハードウェアアルゴリズム）を実施するための専用回路、ハードウェア、またはそれらの組合せを含むことができることを理解されたい。

【0035】

いくつかの実施形態では、制御論理デバイス４０２の記載された通信回路の機能のうちの１つまたは複数の遂行は、システムオンチップ（ＳｏＣ）として具体化することができる、さもなくば、制御論理デバイス４０２のＳｏＣの一部分を形成することができる（たとえば、制御システム４００のプロセッサ、メモリ、および／または他の構成要素と一緒に単一の集積回路チップ上に組み込まれる）、制御論理デバイス４０２の通信回路の専用回路、ハードウェア、またはそれらの組合せによって実施することができる。代わりに、専用回路、ハードウェア、またはそれらの組合せは、その各々が記載される機能のうちの１つまたは複数を実施することができる、制御システム４００の１つまたは複数の個別処理ユニットとして具体化することができる。

【0036】

図５Ａ～図５Ｄは、本開示の付加ナノ製造システム１００を使用して生成した多機能材料の画像５００－Ａ、５００－Ｂ、５００－Ｃ、および５００－Ｄを図示する。光学画像５００－Ａは、本開示の付加ナノ製造システム１００を使用して印刷した、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）材料の一例示的なパターン５０２を図示する。光学画像５００－Ｂは、パターン５０２の材料構造の一部分の詳細図を表す。光学画像５００－Ｂで観察できるように、パターン５０２の材料構造は、ほぼ固体である。光学画像５００－Ｃは、光学画像５００－Ｂでキャプチャされた材料構造の一部分５０６の詳細図を表す。画像５００－Ｄは、光学画像５００－Ｂおよび５００－Ｃでキャプチャされた材料構造の一部分の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。示されるように、たとえば要素５０８を使用して、本開示の付加ナノ製造システム１００を使用した基板１３４へ生成および搬送されたアモルファスナノ粒子１１８は、予め規定された結晶相へと焼結／結晶化されて、より大きい多機能材料構造へと一体化される。

【0037】

図６Ａおよび図６Ｂは、本開示の付加ナノ製造デバイスを使用して形成された構造６０２および６０４の、それぞれの一例示的なレイアウト６００－Ａおよび６００－Ｂを図示する。構造６０２、６０４は、基板６０６上に形成することができる。基板６０６は、フレキシブル基板であってよく、図１を参照して記載された基板１３４と同じまたは異なってよい。構造６０２および６０４の各々がハイブリッドＩＴＯ／ＢＴＯ構造を備え、そこでは、構造６０２は、横向きを有し、構造６０４は垂直の向きを有する。

【0038】

図７は、ナノ粒子ビルディングブロックのインサイチュ順次堆積およびインオペランド焼結の一例示的な実装形態７００を図示し、順次堆積および焼結／結晶化プロセスである。順次プロセス実装形態の第１の相７０２の期間に、アモルファスナノ粒子１１８を基板上へと送達して堆積することができる。第２の相７０４の期間に、レーザ焼結パルスが、着地したナノ粒子を特定の結晶化相へと駆り立て、レーザエネルギーおよび帰還率に依存してより大きい構造へと一体化させる。プロセスが継続するにつれて７０６、アモルファスナノ粒子１１８の後続の堆積物が、層ごとの様式で、前に堆積し結晶化したナノ粒子７０８上に着地する。結晶化したナノ粒子の第１の組の結晶化相が、後続のアモルファス粒子の相変化をもたらすこと、さもなくばそれに影響をおよぼすことができる。この順次堆積および焼結／結晶化プロセスによって、結晶化の表面上の不十分に配位した結合とアモルファスナノ粒子との間の界面相互作用がもたらされ、このことによって、互いへの付着がもたらされ、核生成および成長または誘起された結晶化プロセスを通して結晶化構造を形成することができる。

【0039】

図８は、多機能材料の付加ナノ製造のための一例示的なプロセス８００を図示する。プロセス８００は、ブロック８０２で開始してよく、ここでは、本開示の付加製造デバイスの制御論理デバイス４０２が、目標カルーセル１２０の複数の目標のうちの１つを第１のレーザビーム１０６と位置を合わせて位置決めする。ブロック８０４において、制御論理デバイス４０２は、第１のレーザビームを使用して、目標カルーセルの目標上に配設される目標材料のアブレーションを開始し、そのため、アブレーションプロセスがレーザプルームの生成をもたらす。ブロック８０６において、制御論理デバイス４０２は、ガスの流れをレーザプルームと混合するように導入して、ナノ粒子１１８の凝縮および形成をもたらす。ガス流は、形成したナノ粒子１１８をノズル１２４の開口部１２６および開口部１２６に直に隣接して配設される基板１３４に向けるように構成することができる。

【0040】

ブロック８０８において、制御論理デバイス４０２は、ナノ粒子１１８が基板１３４上に堆積されるのに応じて、第２のレーザビームを使用してナノ粒子１１８の焼結をもたらす。ブロック８１０において、制御論理デバイス４０２は、前に堆積／製造した層をノズル１２４および／またはノズル１２４の開口部１２６に対して所望の相対的な位置に位置決めして、多機能材料の後続の層の印刷を開始する。たとえば、制御論理デバイス４０２は、可動ステージ１３６上に配設される基板１３４を動かす、かつ／または、前に堆積／製造した層もしくは構造を動かす。プロセス８００は、次いで終了することができる。いくつかの例では、プロセス８００は、予め規定された信号またはコマンドに応答して繰り返すことができる。

【0041】

既存のプロセスは、多機能材料およびデバイスを製造することをサポートしない。本開示のＡＮＭプロセスは、ハイブリッド機能構造へナノ粒子ビルディングブロックを制御して合成および組み立てて、それらのプロセス－構造－特性間の関係を理解するための非平衡プロセスに依拠する。そのような関係は、それらのライフサイクルの全体にわたって拡張された構造的な完全性、機能性、および耐久性を有するデバイスを製造する際に本質的となる。この変形させる力のある手法によって、エネルギー貯蔵および変換から光電子およびフォトニクスにわたる次世代の破壊的な技術が可能になる。

【0042】

本開示が図面および上の記載中で詳細に図示および記載されてきた一方で、そのような図および記載は、例示的であって、特性が限定されるとは考えるべきでなく、単に例示的な実施形態が示され記載されており、本開示の精神の中に入るすべての変更および修正は保護されるように希望されることが理解される。

【0043】

本明細書に記載される方法、装置、およびシステムの様々な特徴からもたらされる複数の利点が本開示にはある。本開示の方法、装置、およびシステムの代替実施形態は、記載される特徴の全部を含まない可能性があるが、依然として、そのような特徴の利点の少なくともいくつかからの利益があることに留意されたい。当業者ならば、本発明の特徴のうちの１つまたは複数を組み込み、添付の請求項に規定されるような本開示の精神および範囲に入る方法、装置、およびシステムの、当業者自身の実装形態を容易に考案することができる。

【符号の説明】

【0044】

１００ システム、付加ナノ製造システム
１０６ 第１のレーザビーム
１０８ 第２のレーザビーム
１１０ チャンバ
１１２ チャンバ開口部
１１４ チューブ
１１６ 内部
１１８ ナノ粒子
１２０ 目標カルーセル
１２２ ナノ粒子の流動
１２４ ノズル
１２６ 開口部
１２８ ガス入口
１３０ インサイチュアブレーションプロセス
１３２ 実時間焼結、焼結プロセス
１３４ 基板
１３６ 手動Ｚステージ、可動ステージ
２００－Ａ デバイス
２００－Ｃ 形成物
２０２ ビームスプリッタ
２０４ エキシマレーザビーム
２０６ レーザ経路、第１のレーザビーム、アブレーションレーザビーム
２０８ レーザ経路、第２のレーザビーム、焼結レーザビーム
２１０ 材料堆積物
３０２ ミラー
３０４ ミラー
４００ 制御システム
４０２ 制御論理デバイス
４０４ モータ
５００－Ａ 光学画像
５００－Ｂ 光学画像
５００－Ｃ 光学画像
５００－Ｄ 画像
５０２ パターン
５０６ 材料構造の一部分
５０８ 要素
６００－Ａ レイアウト
６００－Ｂ レイアウト
６０２ 構造
６０４ 構造
６０６ フレキシブル基板
７００ 実装形態
７０２ 第１の相、表面上の着地したナノ粒子
７０４ 第２の相、レーザ焼結
７０８ 前に堆積し結晶化したナノ粒子

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8】