特表 2022-533392 設計されたエレクトロスプレー蒸着のための装置及び設計されたナノスケールエレクトロスプレー蒸着によってナノ構造を製造する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-07-22

(54)【発明の名称】設計されたエレクトロスプレー蒸着のための装置及び設計されたナノスケールエレクトロスプレー蒸着によってナノ構造を製造する方法

(51)【国際特許分類】

   B22F 10/34 20210101AFI20220714BHJP

   B22F 10/25 20210101ALI20220714BHJP

   B22F 10/38 20210101ALI20220714BHJP

   B22F 12/55 20210101ALI20220714BHJP

   B22F 1/054 20220101ALI20220714BHJP

   B28B 1/30 20060101ALI20220714BHJP

【ＦＩ】

B22F10/34

B22F10/25

B22F10/38

B22F12/55

B22F1/054

B28B1/30

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2021568776

(86)(22)【出願日】2020-05-19

(85)【翻訳文提出日】2021-12-28

(86)【国際出願番号】 US2020033528

(87)【国際公開番号】W WO2020236776

(87)【国際公開日】2020-11-26

(31)【優先権主張番号】16/416,869

(32)【優先日】2019-05-20

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】16/416,858

(32)【優先日】2019-05-20

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】16/416,849

(32)【優先日】2019-05-20

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】521375106

【氏名又は名称】バーミンガム テクノロジーズ，インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】Ｂｉｒｍｉｎｇｈａｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．

(74)【代理人】

【識別番号】110001302

【氏名又は名称】特許業務法人北青山インターナショナル

(72)【発明者】

【氏名】バーミンガム，ジョセフ

【テーマコード（参考）】

4G052

4K018

【Ｆターム（参考）】

4G052DA01

4G052DB12

4G052DC06

4K018AA04

4K018AA06

4K018AA07

4K018AA15

4K018AA25

4K018AA40

4K018AB02

4K018AB03

4K018BA02

4K018BA03

4K018BA04

4K018BA08

4K018BA16

4K018BA20

4K018BB05

4K018BC12

4K018CA44

4K018EA51

4K018KA63

(57)【要約】

実施形態は、調整された勾配特性を有するナノ構造を製造するための装置及び方法に関する。第１及び第２組成物が提供される。組成物の各々は、ナノ構造材料と、複数の粒子成長阻害物質ナノ粒子と、調整溶質及び／又は複数の調整ナノ粒子のうちの少なくとも１つと、を含む。蒸着層は、エレクトロスプレー技術を通じて組成物の各々によってオブジェクトホルダに近接して形成される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも１つの組成物を保持する少なくとも１つのリザーバであって、前記少なくとも１つの組成物は、
第１組成物であって、
第１ナノ構造材料と、
１以上の第１粒子成長阻害物質を備える複数の第１粒子成長阻害物質ナノ粒子と、
１以上の第１調整溶質材料を備える第１調整溶質、及び／又は、
１以上の第１調整ナノ粒子材料を備える複数の第１調整ナノ粒子、のうちの少なくとも１つと、を備える第１組成物と、
第２組成物であって、
第２ナノ構造材料と、
１以上の第２粒子成長阻害物質を備える複数の第２粒子成長阻害物質ナノ粒子と、
１以上の第２調整溶質材料を備える第２調整溶質、及び／又は、
１以上の第２調整ナノ粒子材料を備える複数の第２調整粒子、のうちの少なくとも１つと、を備える第２組成物と、を備える、少なくとも１つのリザーバと、
前記リザーバに動作可能に結合された少なくとも１つのノズルと、
前記少なくとも１つのノズルに近接して位置決めされたステージであって、前記ステージは、前記少なくとも１つのノズルに対して移動するように適合され、前記ステージは、オブジェクトを保持するように適合される、ステージと、
前記ステージに近接して位置決めされた表面プロファイル決定デバイスであって、前記オブジェクトのプロファイルデータを取得するための表面プロファイル決定デバイスと、
前記デバイス及び前記ステージに動作可能に結合され、ピン止めナノ構造の製造を調整するための制御ユニットであって、
前記第１組成物によって、前記オブジェクトホルダに近接して位置決めされた第１蒸着層を形成し、
前記第２組成物によって、前記オブジェクトホルダに近接して位置決めされた第２蒸着層を形成するための制御ユニットと、を備える装置。

【請求項2】

段階的ナノ構造としての前記ピン止めナノ構造の製造を調整するための前記制御ユニットをさらに備え、前記段階的ナノ構造は、前記第１蒸着層、前記第２蒸着層又は前記第１蒸着層及び前記第２蒸着層の組み合わせを備える、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記段階的ナノ構造は１以上の傾斜合金を備え、前記１以上の傾斜合金は、少なくとも１つの物理的寸法に関して変化する材料組成を備える、請求項２に記載の装置。

【請求項4】

前記段階的ナノ構造の製造は、
前記第１ナノ構造材料の濃度、前記第１粒子成長阻害物質ナノ粒子の濃度、前記第１調整溶質材料の濃度、及び／又は、前記第１調整ナノ粒子材料の濃度のうちの１以上を調整するためを含む、
前記第１組成物の形成を調整するための前記制御ユニットをさらに備える、請求項３に記載の装置。

【請求項5】

前記第１ナノ構造材料は、少なくとも第３及び第４ナノ構造材料を備え、前記第３ナノ構造材料は前記第４ナノ構造材料と異なり、
前記段階的ナノ構造の製造は、前記第３及び第４ナノ構造材料の濃度を調整するための前記制御ユニットをさらに備える、請求項４に記載の装置。

【請求項6】

前記段階的ナノ構造の製造は、
前記第２ナノ構造材料の濃度、前記第２粒子成長阻害物質ナノ粒子の濃度、前記第２調整溶質材料の濃度、及び／又は、前記第２調整ナノ粒子材料の濃度のうちの１以上を調整するためを含む、前記第２組成物の形成を調整するための前記制御ユニットをさらに備える、請求項５に記載の装置。

【請求項7】

前記第２ナノ構造材料は、少なくとも第５及び第６ナノ構造材料を備え、前記第５ナノ構造材料は前記第６ナノ構造材料と異なり、
前記段階的ナノ構造の製造は、前記第５及び第６ナノ構造材料の濃度を調整するための前記制御ユニットをさらに備える、請求項６に記載の装置。

【請求項8】

前記第１組成物は均質であり、前記第２組成物は均質であり、前記第１組成物及び前記第２組成物は同様であり、
前記装置は、前記第１及び第２蒸着層による均質結合蒸着層の形成を調整するための前記制御ユニットをさらに備える、請求項１に記載の装置。

【請求項9】

前記第１組成物は均質であり、前記第２組成物は均質であり、前記第１組成物及び前記第２組成物は異なり、
前記装置は、前記第１及び第２蒸着層による段階的結合蒸着層の形成を調整するための前記制御ユニットをさらに備える、請求項１に記載の装置。

【請求項10】

前記少なくとも１つのノズル及び前記制御ユニットに動作可能に結合された少なくとも１つの引き出し電極であって、電場及び／又は磁場を生成するための少なくとも１つの引き出し電極をさらに備え、前記少なくとも１つの引き出し電極は、
前記少なくとも１つのノズルを通じた前記第１組成物の抽出を調整し、前記電場及び／又は前記磁場を通じて前記オブジェクトホルダに前記第１組成物を向けて、前記第１蒸着層を蒸着させるための第１単分散液滴を形成し、
前記少なくとも１つのノズルを通じた前記第２組成物の抽出を調整し、前記電場及び／又は前記磁場を通じて前記オブジェクトホルダに前記第２組成物を向けて、前記第２蒸着層を蒸着させるための第２単分散液滴を形成するための前記制御ユニットをさらに備える、請求項１に記載の装置。

【請求項11】

前記オブジェクトホルダに向かって前記第１及び第２単分散液滴を駆動するための前記電場を設定するための前記制御ユニットをさらに備える、請求項１０に記載の装置。

【請求項12】

前記少なくとも１つのノズルから前記オブジェクトホルダに向かう前記第１及び第２単分散液滴の分散を制限するための前記磁場を設定するための前記制御ユニットをさらに備える、請求項１０に記載の装置。

【請求項13】

前記少なくとも１つのノズルに対する前記基材の移動を調整して、前記少なくとも１つのノズルと前記オブジェクトホルダ上の前記第１及び第２蒸着層との間の目標スタンドオフ距離を維持するための前記制御ユニットをさらに備える、請求項１０に記載の装置。

【請求項14】

前記目標スタンドオフ距離は、前記第１及び第２蒸着層のプロファイルデータに基づいて計算される、請求項１３に記載の装置。

【請求項15】

前記オブジェクトホルダを前記少なくとも１つのノズルに整列させるために前記ステージの移動を制御し、
前記リザーバ内の前記第１組成物が使い果たされるまで前記少なくとも１つのノズルを通じた前記第１組成物の抽出を調整し、
前記少なくとも１つのノズルを通じた前記第２組成物の順次の抽出及び前記オブジェクトへの前記第２組成物の送達を調整するための前記制御ユニットをさらに備え、
順次の前記抽出が組成勾配を形成する、請求項８に記載の装置。

【請求項16】

前記リザーバ及び前記少なくとも１つのノズルに結合されて、前記リザーバ及び前記少なくとも１つのノズルの間に延在する導管であって、前記リザーバは前記第１ナノ構造材料を貯蔵する、導管と、
前記導管に結合されて注入システムと、をさらに備える、請求項１０に記載の装置。

【請求項17】

前記第１粒子成長阻害物質ナノ粒子並びに前記第１調整溶質及び／又は前記第１調整ナノ粒子のうちの少なくとも１つの前記第１ナノ構造材料への第１注入を調整するために、前記注入システムに動作可能に結合された前記制御ユニットをさらに備え、前記第１注入は前記第１組成物を形成する、請求項１６に記載の装置。

【請求項18】

前記第２ナノ構造材料を貯蔵するための前記リザーバをさらに備え、前記第１ナノ構造材料及び前記第２ナノ構造材料が前記リザーバ内で層状にされる、請求項１６に記載の装置。

【請求項19】

前記第１及び第２単分散液滴を生成するための前記少なくとも１つの引き出し電極をさらに備え、前記第１及び第２単分散液滴は、前記少なくとも１つの引き出し電極に伝達される少なくとも１つの電気的特性の調整を通じて実質的に均一なナノ粒子サイズを有し、前記電気的特性は、電圧、電流、周波数及び／又は波形を含む、請求項１０に記載の装置。

【請求項20】

それぞれ、前記第１及び第２単分散液滴の前記第１及び第２組成物を調整するための前記少なくとも１つの引き出し電極をさらに備え、前記調整は、前記第１及び第２単分散液滴を生成するためである、請求項１０に記載の装置。

【請求項21】

前記少なくとも１つのノズルは既定の電位に維持され、
前記少なくとも１つのノズルは、前記少なくとも１つの組成物のジェットを放出するための出口ポートを含み、
前記ジェットは、液滴の流れに前記少なくとも１つの組成物を変換するための電気的せん断応力を受け、各液滴は電荷を有しており、
各液滴のサイズは、
前記少なくとも１つの引き出し電極に伝達される少なくとも１つの電気的特性の調整であって、前記電気的特性は、電圧、電流、周波数及び／又は波形を含む、調整、及び／又は、
前記液滴の流れの流量及び前記液滴の流れの前記組成物の調整、を通じて前記制御ユニットによって制御される、請求項１０に記載の装置。

【請求項22】

前記第１組成物は第１結合剤をさらに備える、請求項１に記載の装置。

【請求項23】

前記第２組成物は第２結合剤をさらに備える、請求項１に記載の装置。

【請求項24】

前記第１ナノ構造材料は複数の第１ナノ構造材料ナノ粒子を備え、前記第２ナノ構造材料は複数の第２ナノ構造材料ナノ粒子を備える、請求項１に記載の装置。

【請求項25】

プログラムコードを有するコンピュータプログラム製品をさらに備え、前記コンピュータプログラム製品は前記制御ユニットに動作可能に結合され、前記プログラムコードは、前記オブジェクトホルダ上に前記第１及び第２蒸着層を蒸着させるためのプログラム命令を備え、前記蒸着は、１以上のオブジェクト構成特性を有するオブジェクト構成を作成するためである、請求項１に記載の装置。

【請求項26】

前記第１ナノ構造材料は、少なくとも２つの異なる第１ナノ構造材料のブレンドを備え、
前記第２ナノ構造材料は、少なくとも２つの異なる第２ナノ構造材料のブレンドを備える、請求項１に記載の装置。

【請求項27】

前記複数の第１粒子成長阻害物質ナノ粒子は少なくとも２つの第１粒子成長阻害物質のブレンドを備え、
前記複数の第２粒子成長阻害物質ナノ粒子は少なくとも２つの第２粒子成長阻害物質のブレンドを備える、請求項１に記載の装置。

【請求項28】

前記１以上の第１調整溶質材料は、前記１以上の第１調整特性で前記第１蒸着層を少なくとも部分的に調整し、
前記１以上の第２調整溶質材料は、前記１以上の第２調整特性で前記第２蒸着層を少なくとも部分的に調整する、請求項１に記載の装置。

【請求項29】

前記１以上の第１調整溶質ナノ粒子材料は、前記１以上の第１調整特性で前記第１蒸着層を少なくとも部分的に調整し、
前記１以上の第２調整溶質ナノ粒子材料は、前記１以上の第２調整特性で前記第２蒸着層を少なくとも部分的に調整する、請求項２８に記載の装置。

【請求項30】

前記第１及び第２調整特性のうちの１以上は、前記第１及び第２蒸着層のうちの１以上の１以上の調整勾配特性を決定する、請求項２９に記載の装置。

【請求項31】

前記少なくとも１つのノズルは、導電材料から製造され、かつ、絶縁材料によって少なくとも部分的に被覆される、請求項１に記載の装置。

【請求項32】

前記少なくとも１つのノズルは、誘電材料から製造され、かつ、導電材料によって少なくとも部分的に被覆される、請求項１に記載の装置。

【請求項33】

前記リザーバは複数の同心壁を備え、前記同心壁は前記第１及び第２組成物を分離する、請求項１に記載の装置。

【請求項34】

前記少なくとも１つのリザーバは、
前記第１組成物を貯蔵するための第１リザーバと、
前記第２組成物を貯蔵するための第２リザーバと、を備え、
前記少なくとも１つのノズルは、
前記第１リザーバに結合された第１ノズルと、
前記第２リザーバに結合された第２ノズルと、を備える、請求項１に記載の装置。

【請求項35】

前記第１ノズル及び前記第２ノズルに対する前記オブジェクトホルダの選択的な整列を調整し、かつ、前記選択的な整列に応答して前記オブジェクトホルダ上への前記第１組成物及び前記第２組成物の蒸着を調整するための前記制御ユニットをさらに備える、請求項３４に記載の装置。

【請求項36】

前記第１及び第２組成物の蒸着は組成勾配を作成する、請求項３５に記載の装置。

【請求項37】

前記第１ノズル及び前記第２ノズルは、それぞれ、複数の１次ノズル及び複数の２次ノズルを備え、
前記装置は、前記複数の１次ノズル及び前記複数の２次ノズルに動作可能に結合された少なくとも１つのマニホールドをさらに備え、
前記オブジェクトホルダは、横平面を規定する表面を備え、前記複数の２次ノズルは、前記横平面の周りに延在する弧状配向内に配向される、請求項３５に記載の装置。

【請求項38】

前記１次ノズルのうちの１以上は、導電材料から製造され、かつ、絶縁材料によって少なくとも部分的に被覆される、請求項３７に記載の装置。

【請求項39】

前記２次ノズルのうちの１以上は、導電材料から製造され、かつ、絶縁材料によって少なくとも部分的に被覆される、請求項３７に記載の装置。

【請求項40】

前記１次ノズルのうちの１以上は、誘電材料から製造され、かつ、導電材料によって少なくとも部分的に被覆される、請求項３７に記載の装置。

【請求項41】

前記２次ノズルのうちの１以上は、誘電材料から製造され、かつ、導電材料によって少なくとも部分的に被覆される、請求項３７に記載の装置。

【請求項42】

段階的ナノ構造としての前記ピン止めナノ構造の製造を調整するための前記制御ユニットをさらに備え、前記段階的ナノ構造は、前記第１蒸着層、前記第２蒸着層又はその組み合わせを備える、請求項３４に記載の装置。

【請求項43】

前記段階的ナノ構造は１以上の傾斜合金を備え、前記１以上の傾斜合金は、少なくとも１つの物理的寸法に関して変化する材料組成を備える、請求項４２に記載の装置。

【請求項44】

前記段階的ナノ構造の製造は、前記第１組成物の形成を調整するための前記制御ユニット、前記第１ナノ構造材料の濃度、前記第１粒子成長阻害物質ナノ粒子の濃度、前記第１調整溶質材料の濃度、及び／又は、前記第１調整ナノ粒子材料の濃度のうちの１以上を調整するための前記制御ユニットをさらに備える、請求項４３に記載の装置。

【請求項45】

前記第１ナノ構造材料は少なくとも第３及び第４ナノ構造材料を備え、前記第３ナノ構造材料は前記第４ナノ構造材料とは異なり、
前記段階的ナノ構造の製造は、前記第３及び第４ナノ構造材料の濃度を調整するための前記制御ユニットをさらに備える、請求項４４に記載の装置。

【請求項46】

前記段階的ナノ構造の製造は、
前記第２ナノ構造材料の濃度、前記第２粒子成長阻害物質ナノ粒子の濃度、前記第２調整溶質材料の濃度、及び／又は、前記第２調整ナノ粒子材料の濃度のうちの１以上を調整するためを含む、前記第２組成物の形成を調整するための前記制御ユニットをさらに備える、請求項４５に記載の装置。

【請求項47】

前記第２ナノ構造材料は少なくとも第５及び第６ナノ構造材料を備え、前記第５ナノ構造材料は前記第６ナノ構造材料とは異なり、
前記段階的ナノ構造の製造は、前記第５及び第６ナノ構造材料の濃度を調整するための前記制御ユニットをさらに備える、請求項４６に記載の装置。

【請求項48】

前記少なくとも１つのノズルは複数のノズルを備え、前記装置は、
前記複数のノズル及び前記制御ユニットに結合された少なくとも１つの引き出し電極であって、電場及び／又は磁場を生成するための少なくとも１つの引き出し電極をさらに備える、請求項１に記載の装置。

【請求項49】

前記複数のノズルのうちの少なくとも１つのノズルを通じた前記第１組成物の抽出を調整し、かつ、前記電場及び／又は前記磁場を通じて前記基材に前記第１組成物を向けて、前記第１蒸着層の蒸着のための第１単分散液滴を形成し、
前記複数のノズルのうちの少なくとも１つのノズルを通じた前記第２組成物の抽出を調整し、かつ、前記電場及び／又は前記磁場を通じて前記基材に前記第２組成物を向けて、前記第２蒸着層の蒸着のための第２単分散液滴を形成する、ための前記制御ユニットをさらに備える、請求項４８に記載の装置。

【請求項50】

前記オブジェクトホルダに向かって前記第１及び第２単分散液滴を駆動するための前記電場を設定するための前記制御ユニットをさらに備える、請求項４９に記載の装置。

【請求項51】

前記複数のノズルから前記オブジェクトホルダに向かう前記第１及び第２単分散液滴の分散を制限するための前記磁場を設定するための前記制御ユニットをさらに備える、請求項４９に記載の装置。

【請求項52】

前記複数のノズルに対する前記オブジェクトホルダの移動を調整して、前記複数のノズルと前記オブジェクトホルダ上の前記第１及び第２蒸着層との間の目標スタンドオフ距離を維持するための前記制御ユニットをさらに備える、請求項４９に記載の装置。

【請求項53】

前記目標スタンドオフ距離は、前記第１及び第２蒸着層のプロファイルデータに基づいて計算される、請求項５１に記載の装置。

【請求項54】

前記オブジェクトホルダを前記複数のノズルに整列させるための前記ステージの移動を制御し、
前記少なくとも１つのリザーバ内の前記第１組成物が使い果たされるまで前記少なくとも１つのノズルを通じた前記第１組成物の抽出を調整し、
前記少なくとも１つのノズルを通じた前記第２組成物の順次の抽出及び前記基材への前記第２組成物の送達を調整するための前記制御ユニットをさらに備え、
順次の前記抽出が組成勾配を形成する、請求項４９に記載の装置。

【請求項55】

前記少なくとも１つのリザーバ及び前記複数のノズルに結合されて、前記少なくとも１つのリザーバ及び前記複数のノズルの間に延在する導管であって、前記少なくとも１つのリザーバは前記第１ナノ構造材料を貯蔵する、導管と、
前記導管に結合された注入システムと、をさらに備える、請求項４９に記載の装置。

【請求項56】

前記第１粒子成長阻害物質ナノ粒子並びに前記第１調整溶質及び／又は前記第１調整ナノ粒子のうちの少なくとも１つの前記第１ナノ構造材料への第１注入を調整するために、前記注入システムに動作可能に結合された前記制御ユニットをさらに備え、前記第１注入は前記第１組成物を形成する、請求項５５に記載の装置。

【請求項57】

前記第２ナノ構造材料を貯蔵するための前記リザーバをさらに備え、前記第１ナノ構造材料及び前記第２ナノ構造材料が前記リザーバ内で層状にされる、請求項５５に記載の装置。

【請求項58】

前記第１及び第２単分散液滴を生成するための前記少なくとも１つの引き出し電極をさらに備え、前記第１及び第２単分散液滴は、前記少なくとも１つの引き出し電極に伝達される少なくとも１つの電気的特性の調整を通じて実質的に均一なナノ粒子サイズを有し、前記電気的特性は、電圧、電流、周波数及び／又は波形を含む、請求項４９に記載の装置。

【請求項59】

それぞれ、前記単分散液滴の前記第１及び第２組成物を調整するための前記少なくとも１つの引き出し電極をさらに備え、前記調整は、前記第１及び第２単分散液滴を生成するためである、請求項４９に記載の装置。

【請求項60】

前記少なくとも１つのノズルは既定の電位で維持され、
前記少なくとも１つのノズルは、前記少なくとも１つの組成物の少なくとも１つのジェットを放出するための出口ポートを含み、
前記少なくとも１つのジェットは、液滴の少なくとも１つの流れに前記少なくとも１つの組成物を変換するための電気的せん断応力を受け、各液滴は電荷を有しており、
各液滴のサイズは、
前記少なくとも１つの引き出し電極に伝達される少なくとも１つの電気的特性の調整であって、前記電気的特性は、電圧、電流、周波数及び／又は波形を含む、調整、及び／又は、
前記液滴の少なくとも１つの流れの流量及び前記液滴の少なくとも１つの流れの前記組成物の調整のうちの少なくとも１つ、を通じて前記制御ユニットによって制御される、請求項４９に記載の装置。

【請求項61】

前記オブジェクトホルダは基材ホルダであり、前記オブジェクトは基材である、請求項１に記載の装置。

【請求項62】

第１組成物を提供することであって、前記第１組成物は、
第１ナノ構造材料と、
１以上の第１粒子成長阻害物質を含む複数の第１粒子成長阻害物質ナノ粒子と、
１以上の第１調整溶質材料を含む第１調整溶質、及び／又は、
１以上の第１調整ナノ粒子材料を含む複数の第１調整ナノ粒子のうちの少なくとも１つと、を含む、提供することと、
第２組成物を提供することであって、前記第２組成物は、
第２ナノ構造材料と、
１以上の第２粒子成長阻害物質を含む複数の第２粒子成長阻害物質ナノ粒子と、
１以上の第２調整溶質材料を含む第２調整溶質、及び／又は、
１以上の第２調整ナノ粒子材料を含む複数の第２調整ナノ粒子のうちの少なくとも１つと、を含む、提供することと、
１以上の調整勾配特性を有するピン止めナノ構造を製造することであって、
前記第１組成物によって第１蒸着層を形成することであって、前記第１層はオブジェクトホルダに近接して位置決めされる、形成することと、
前記第２組成物によって第２蒸着層を形成することであって、前記第２組成物は前記オブジェクトホルダに近接して位置決めされる、形成することと、を含む、製造することと、を含む方法。

【請求項63】

段階的ナノ構造として前記ピン止めナノ構造を製造することをさらに含み、前記段階的ナノ構造は、前記第１蒸着層、前記第２蒸着層又はその組み合わせを備える、請求項６２に記載の方法。

【請求項64】

前記段階的ナノ構造を製造することは、１以上の傾斜合金を製造することを含み、前記１以上の傾斜合金は、少なくとも１つの物理的寸法に関して変化する材料組成物を含む、請求項６３に記載の方法。

【請求項65】

前記段階的ナノ構造を製造することは、
前記第１ナノ構造材料の濃度、前記第１粒子成長阻害物質ナノ粒子の濃度、前記第１調整溶質材料の濃度、及び／又は、前記第１調整ナノ粒子材料の濃度のうちの１以上を調整することをさらに含む、請求項６４に記載の方法。

【請求項66】

前記段階的ナノ構造を製造することは、
少なくとも第３ナノ構造材料及び第４ナノ構造材料を混合することを含む前記第１ナノ構造材料を形成することであって、前記第３ナノ構造材料は前記第４ナノ構造材料とは異なる、形成することと、
前記第３及び第４ナノ構造材料の濃度を調整することと、をさらに含む、請求項６５に記載の方法。

【請求項67】

前記段階的ナノ構造を製造することは、
前記第２ナノ構造材料の濃度、前記第２粒子成長阻害物質ナノ粒子の濃度、前記第２調整溶質材料の濃度、及び／又は、前記第２調整ナノ粒子材料の濃度のうちの１以上を調整することをさらに含む、請求項６６に記載の方法。

【請求項68】

前記第２ナノ構造材料は、少なくとも第５及び第６ナノ構造材料を含み、前記第５ナノ構造材料は前記第６ナノ構造材料とは異なり、
前記段階的ナノ構造を製造することは、前記第５及び第６ナノ構造材料の濃度を調整することを含む、請求項６７に記載の方法。

【請求項69】

前記第１及び第２蒸着層を備える均質結合蒸着層を形成することをさらに含み、前記第１組成物は均質であり、前記第２組成物は均質である、請求項６２に記載の方法。

【請求項70】

前記第１及び第２蒸着層によって段階的結合蒸着層を形成することをさらに含み、前記第１組成物は均質であり、前記第２組成物は均質である、請求項６２に記載の方法。

【請求項71】

少なくとも１つのノズルに近接して、電場及び／又は磁場を生成することと、
前記少なくとも１つのノズルを通じて前記第１組成物を抽出して、前記電場及び／又は前記磁場を通じて前記オブジェクトホルダに前記第１組成物を向け、それによって、第１単分散液滴を形成し、かつ、前記第１蒸着層を形成することと、
前記少なくとも１つのノズルを通じて前記第２組成物を抽出して、前記電場及び／又は前記磁場を通じて前記オブジェクトホルダに前記第２組成物を向け、それによって、第２単分散液滴を形成し、かつ、前記第２蒸着層を形成することと、を含む、請求項６２に記載の方法。

【請求項72】

前記オブジェクトホルダに向かって前記第１及び第２単分散液滴を駆動するために前記電場を設定することをさらに含む、請求項７１に記載の方法。

【請求項73】

前記少なくとも１つのノズルから前記オブジェクトホルダに向かう前記第１及び第２単分散液滴の分散を制限するために前記磁場を設定することをさらに含む、請求項７１に記載の方法。

【請求項74】

前記少なくとも１つのノズルに対する前記オブジェクトホルダの移動を調整して、前記少なくとも１つのノズルと前記オブジェクトホルダ上の前記第１及び第２蒸着層との間の目標スタンドオフ距離を維持することをさらに含む、請求項７１に記載の方法。

【請求項75】

前記第１及び第２蒸着層のプロファイルデータに基づいて前記目標スタンドオフ距離を計算することをさらに含む、請求項７４に記載の方法。

【請求項76】

前記少なくとも１つのノズルは第１ノズル及び第２ノズルを備え、前記方法は、
前記第１ノズルに適合して結合された第１リザーバに前記第１組成物を貯蔵することと、
前記第２ノズルに適合して結合された第２リザーバに前記第２組成物を貯蔵することと、をさらに含む、請求項６２に記載の方法。

【請求項77】

前記第１ノズルに前記オブジェクトホルダを選択的に整列させることと、
前記選択的な整列に応答して前記オブジェクトホルダ上に前記第１組成物を蒸着させることと、
前記第２ノズルに前記オブジェクトホルダを選択的に整列させることと、
前記選択的な整列に応答して前記オブジェクトホルダ上に前記第２組成物を蒸着させることと、をさらに含む、請求項７６に記載の方法。

【請求項78】

前記第１及び第２組成物を蒸着させることは、組成勾配を形成することを含む、請求項７７に記載の方法。

【請求項79】

前記ステージの移動を制御することであって、前記移動は、前記少なくとも１つのノズルに前記オブジェクトホルダを整列させるためである、制御することと、
前記第１組成物がリザーバから使い果たされるまで前記少なくとも１つのノズルを通じて前記第１組成物を抽出することと、
前記少なくとも１つのノズルを通じて前記第２組成物を順次抽出して前記オブジェクトホルダに前記第２組成物を送達し、それによって、順次の前記抽出を通じて組成勾配を形成することと、を含む、請求項７１に記載の方法。

【請求項80】

リザーバ内に前記第１ナノ構造材料を貯蔵することと、
前記リザーバと前記少なくとも１つのノズルとの間に延在する導管に注入システムを結合することと、をさらに含む、請求項７１に記載の方法。

【請求項81】

前記第１ナノ構造材料への、前記第１粒子成長阻害物質ナノ粒子と前記第１調整溶質及び／又は前記第１調整ナノ粒子のうちの少なくとも１つとの第１注入を調整することを含む、前記第１組成物を形成することをさらに含む、請求項８０に記載の方法。

【請求項82】

前記リザーバ内に前記第２ナノ構造材料を貯蔵することであって、前記第１ナノ構造材料及び前記第２ナノ構造材料は前記リザーバ内で層状にされる、貯蔵することを含む、前記第２組成物を形成することをさらに含む、請求項８０に記載の方法。

【請求項83】

前記電場及び前記磁場を形成するために伝達される少なくとも１つの電気的特性を調整することを通じて実質的に均一なナノ粒子サイズを有する前記単分散液滴を生成することをさらに含み、前記電気的特性は、電圧、電流、周波数及び／又は波形を含む、請求項７１に記載の方法。

【請求項84】

前記単分散液滴を生成することを含む、前記単分散液滴の組成を調整することをさらに含む、請求項７１に記載の方法。

【請求項85】

既定の電位に前記少なくとも１つのノズルを維持することと、
前記少なくとも１つのノズルの出口ポートを通じて前記少なくとも１つの組成物のジェットを放出することと、
電気的せん断応力に前記ジェットをさらすことを含む、少なくとも１つの材料を液滴の流れに変換することであって、各液滴は電荷を有する、変換することと、
各液滴のサイズを制御することであって、
前記引き出し電極に伝達される少なくとも１つの電気的特性を調整することであって、前記電気的特性は、電圧、電流、周波数及び／又は波形を含む、調整すること、及び／又は、
前記液滴の流れの流量及び前記液滴の流れの組成を調整すること、を通じて各液滴のサイズを制御することと、をさらに含む、請求項６２に記載の方法。

【請求項86】

第１組成物を提供することは、前記第１組成物に第１結合剤を添加することをさらに含む、請求項６２に記載の方法。

【請求項87】

第２組成物を提供することは、前記第２組成物に第２結合剤を添加することをさらに含む、請求項６２に記載の方法。

【請求項88】

複数の第１ナノ構造材料ナノ粒子を混合することを含む前記第１ナノ構造材料を形成することと、
複数の第２ナノ構造材料ナノ粒子を混合することを含む前記第２ナノ構造材料を形成することと、をさらに含む、請求項６２に記載の方法。

【請求項89】

前記少なくとも１つのノズルに動作可能に結合されたマニホールドを結合することと、
前記マニホールドに複数の２次ノズルを動作可能に結合することと、
前記オブジェクトホルダの表面によって規定された横平面の周りに延在する弧状配向に前記複数の２次ノズルを配向することと、をさらに含む、請求項６２に記載の方法。

【請求項90】

導電材料から各２次ノズルを製造することと、
絶縁材料で前記導電材料を少なくとも部分的に被覆することと、をさらに含む、請求項８９に記載の方法。

【請求項91】

誘電材料から各２次ノズルを製造することと、
導電材料で前記誘電材料を少なくとも部分的に被覆することと、をさらに含む、請求項８９に記載の方法。

【請求項92】

前記第１ナノ構造材料を形成することは、前記第１ナノ構造材料のうちの２以上をブレンドすることを含み、
前記第２ナノ構造材料を形成することは、前記第２ナノ構造材料のうちの２以上をブレンドすることを含む、請求項６２に記載の方法。

【請求項93】

前記複数の第１粒子成長阻害物質ナノ粒子を形成することは、前記第１粒子成長阻害物質のうちの２以上をブレンドすることを含み、
前記複数の第２粒子成長阻害物質ナノ粒子を形成することは、前記第２粒子成長阻害物質のうちの２以上をブレンドすることを含む、請求項６２に記載の方法。

【請求項94】

前記少なくとも１つのノズルは複数のノズルを備え、前記方法は、
前記複数のノズルに結合された少なくとも１つの引き出し電極で電場及び／又は磁場を生成することをさらに含む、請求項６２に記載の方法。

【請求項95】

前記複数のノズルのうちの少なくとも１つのノズルを通じた前記第１組成物の抽出を調整し、前記電場及び／又は前記磁場を通じて前記オブジェクトホルダに前記第１組成物を向けて、前記第１蒸着層の蒸着のための第１単分散液滴を形成することと、
前記複数のノズルのうちの少なくとも１つのノズルを通じた前記第２組成物の抽出を調整し、前記電場及び／又は前記磁場を通じて前記オブジェクトホルダに前記第２組成物を向けて、前記第２蒸着層の蒸着のための第２単分散液滴を形成することと、をさらに含む、請求項９４に記載の方法。

【請求項96】

前記オブジェクトホルダに向かって前記第１及び第２単分散液滴を駆動するために前記電場を設定することをさらに含む、請求項９５に記載の方法。

【請求項97】

前記複数のノズルから前記オブジェクトホルダに向かう前記第１及び第２単分散液滴の分散を制限するために前記磁場を設定することをさらに含む、請求項９５に記載の方法。

【請求項98】

前記複数のノズルに対する前記オブジェクトホルダの移動を調整して、前記複数のノズルと前記オブジェクトホルダ上の前記第１及び第２蒸着層との間の目標スタンドオフ距離を維持することをさらに含む、請求項９４に記載の方法。

【請求項99】

前記ステージの移動を制御して前記複数のノズルに前記オブジェクトホルダを整列させることと、
前記第１組成物が少なくとも１つのリザーバで使い果たされるまで前記複数のノズルを通じた前記第１組成物の抽出を調整することと、
前記複数のノズルを通じた前記第２組成物の順次の抽出、及び、前記オブジェクトホルダへの前記第２組成物の送達を調整することであって、順次の前記抽出は組成勾配を形成する、調整することと、を含む、請求項９４に記載の方法。

【請求項100】

前記少なくとも１つのリザーバ内に前記第２ナノ構造材料を貯蔵することをさらに含み、
前記第１ナノ構造材料及び前記第２ナノ構造材料は前記少なくとも１つのリザーバ内で層状にされる、請求項９９に記載の方法。

【請求項101】

前記１以上の第１調整ナノ粒子材料を通じて前記１以上の第１調整特性で前記第１蒸着層を少なくとも部分的に調整し、
前記１以上の第２調整ナノ粒子材料を通じて前記１以上の第２調整特性で前記第２蒸着層を少なくとも部分的に調整する、請求項１００に記載の方法。

【請求項102】

前記第１及び第２蒸着層のうちの１以上の１以上の調整勾配特性を決定することをさらに含む、請求項１０１に記載の方法。

【請求項103】

導電材料から前記少なくとも１つのノズルを製造することと、
絶縁材料で前記導電材料を少なくとも部分的に被覆することと、をさらに含む、請求項７１に記載の方法。

【請求項104】

誘電材料から前記少なくとも１つのノズルを製造することと、
導電材料で前記誘電材料を少なくとも部分的に被覆することと、を含む、請求項７１に記載の方法。

【請求項105】

前記オブジェクトホルダは、その上に前記第１及び第２蒸着層が形成される基材を保持する、請求項６２に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

[0001] 本実施形態は、エレクトロスプレー技術を使用してナノ構造材料を直接合成するための方法及び当該方法を実行するための装置に関する。より具体的には、本明細書に開示される実施形態は、調整された（tailored）固有の特性を有するナノ構造を製造するためのエレクトロスプレー技術を実施するための方法並びに当該方法を実行するためのシングルノズル及びマルチノズル装置に関する。

【背景技術】

【0002】

[0002] ３次元（３Ｄ）印刷を通じてオブジェクトを製造するための様々な手法には、インクジェット印刷、溶融フィラメント製造（ＦＦＦ）及び電子ビーム積層造形（ＥＢＡＭ）などの付加製造技術が含まれる。多くの既知のインクジェットデバイスによれば、サテライト滴の形成を通じて不十分な蒸着の制御及び精度が証明されている。ＦＦＦプロセスは材料の選択に関して制限される。したがって、付加製造技術のこれらの例は、ＦＦＦ及びＥＢＡＭ製造の場合はミリメートル（ｍｍ）、並びに、インクジェット印刷の場合はミクロンなどの材料蒸着の規模に起因して、微小オブジェクトの製造に最適である。

【発明の概要】

【0003】

[0003] オブジェクトを製造している間にオブジェクトに調整された特性を有するナノ構造を形成するための方法及び装置が提供される。

【0004】

[0004] 一態様では、装置は、その中に少なくとも１つの組成物を保持するリザーバを備える。少なくとも１つの組成物は第１組成物及び第２組成物を含む。第１組成物は、第１ナノ構造材料と、１以上の第１粒子成長阻害物質を含む複数の第１粒子成長阻害物質ナノ粒子と、を含む。第１組成物はまた、第１調整溶質及び／又は複数の第１調整ナノ粒子のうちの少なくとも１つを含む。第１調整溶質は１以上の第１調整溶質材料を含む。第１調整ナノ粒子は１以上の第１調整ナノ粒子材料を含む。第２組成物は、第２ナノ構造材料と、１以上の第２粒子成長阻害物質を含む複数の第２粒子成長阻害物質ナノ粒子と、を含む。第２組成物はまた、第２調整溶質及び／又は複数の第２調整ナノ粒子のうちの少なくとも１つを含む。第２調整溶質は１以上の第２調整溶質物材料質を含む。第２調整ナノ粒子は１以上の第２調整ナノ粒子材料を含む。装置はまた、リザーバに動作可能に結合された少なくとも１つのノズルと、少なくとも１つのノズルに近接して位置決めされたステージと、を含む。ステージは、少なくとも１つのノズルに対して移動するように適合される。ステージは、オブジェクトを保持するように適合されたオブジェクトホルダを含む。装置は、ステージに近接して位置決めされた表面プロファイル決定装置をさらに含む。デバイスはオブジェクトのプロファイルデータを取得する。制御ユニットは、デバイス及びステージに動作可能に結合され、かつ、ピン止めナノ構造の製造を調整する。制御ユニットは、第１組成物によって、オブジェクトホルダに近接して位置決めされた第１蒸着層を形成する。制御ユニットはまた、第２組成物によって、オブジェクトホルダに近接して位置決めされた第２蒸着層を形成する。

【0005】

[0005] 別の態様では、方法は、第１組成物及び第２組成物を提供することを含む。第１組成物は、第１ナノ構造材料と、１以上の第１粒子成長阻害物質を含む複数の第１粒子成長阻害物質ナノ粒子と、１以上の第１調整溶質材料を含む第１調整溶質及び／又は１以上の第１調整ナノ粒子材料を含む複数の第１調整ナノ粒子のうちの少なくとも１つと、を含む。第２組成物は、第２ナノ構造材料と、１以上の第２粒子成長阻害物質を含む複数の第２粒子成長阻害物質ナノ粒子と、１以上の第２調整溶質材料を含む第２調整溶質及び／又は１以上の第２調整ナノ粒子材料を含む複数の第２調整粒子のうちの少なくとも１つと、を含む。方法はさらに、１以上の調整勾配特性を有するピン止めナノ構造を製造することを含む。製造は、第１組成物によって第１蒸着層を形成することであって、第１層はオブジェクトホルダに近接して位置決めされる、形成することと、第２組成物によって、オブジェクトホルダに近接して位置決めされた第２蒸着層を形成することと、を含む。

【0006】

[0006] 本明細書に開示される他の態様には、システム、アセンブリ、サブアセンブリ、装置、方法及びプロセスが含まれる。これらの態様及び他の態様の特徴及び利点は、添付の図面と併せて、例示的な実施形態の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0007】

[0007] 本明細書で参照される図面は、明細書の一部を形成し、かつ、参照により本明細書に組み込まれる。図面に示されている特徴は、特に別途明示されない限り、すべての実施形態ではなく、ある実施形態のみを例示することを意図している。

【0008】

【図1】[0008] ナノスケールエレクトロスプレー蒸着システムの断面概略図を示している。

【図2】[0009] ナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置の一実施形態の断面概略図を示している。

【図3】[0010] ナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置の拡大部分の断面概略図を示している。

【図4】[0011] ナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置の別の実施形態の断面概略図を示している。

【図5】[0012] ナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置のさらに別の実施形態の断面概略図を示している。

【図6】[0013] ナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置のさらに別の実施形態の断面概略図を示している。

【図7】[0014] ナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置のさらに別の実施形態の断面概略図を示している。

【図8】[0015] エレクトロスプレーされた液滴及び粒子成長阻害物質ナノ粒子によって形成された架橋単分子層の概略図を示している。

【図9】[0016] 基材上にエレクトロスプレーされた液滴の概略図を示している。

【図10】[0017] 線形傾斜を有する傾斜合金の概略図を示している。

【図11】[0018] 非線形傾斜を有する傾斜合金の概略図を示している。

【図12】[0019] 線形に段階的な結合蒸着層の概略図を示している。

【図13】[0020] 非線形に段階的な結合蒸着層の概略図を示している。

【図14】[0021] 同種結合蒸着層の概略図を示している。

【図15】[0022] ナノスケールエレクトロスプレー蒸着システムの別の実施形態の断面概略図を示している。

【図16】[0023] ナノスケールエレクトロスプレー蒸着システムのさらに別の実施形態の断面概略図を示している。

【図17】[0024] その上にナノ構造を有するオブジェクトを製造するためのプロセスを示すフローチャートを示している。

【発明を実施するための形態】

【0009】

[0025] 本明細書の図面に概略的に記載及び図示されているように、例示的な実施形態の構成要素は、多種多様な異なる構成で配列及び設計され得ることが容易に理解されよう。したがって、図面に表されるような例示的な実施形態の装置、システム及び方法の以下の詳細な説明は、特許請求される実施形態の範囲を限定することを意図するものではなく、単に選択された実施形態を表すものである。

【0010】

[0026] 本明細書全体を通して、「選択された実施形態」、「一実施形態」又は「実施形態」への言及は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造又は特性が少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体を通して様々な箇所での「選択された実施形態」、「一実施形態において」又は「実施形態において」という語句の出現が必ずしも同一の実施形態を参照するとは限らない。実施形態は様々な組み合わせで互いに組み合わせられてもよい。

【0011】

[0027] 図示する実施形態は、図面を参照することによって最もよく理解され、同様の部分は全体を通して同様の符号によって示される。以下の説明は、例としてのみ意図されており、本明細書で特許請求される実施形態と一致するデバイス、システム及びプロセスの特定の選択された実施形態を単に示している。

【0012】

[0028] ナノスケールエレクトロスプレー蒸着システムの構成
[0029] 本開示の選択された実施形態の理解を向上させるためのさらなる詳細を提供するため、ここで図１を参照し、図１は、複合ナノ粒子、すなわち、粒子状ナノ複合物と、段階的ナノ構造及び傾斜合金を含む、そうしたナノ複合物から製造されたオブジェクトと、を生産するように構成されたナノスケールエレクトロスプレー蒸着システム（１００）の一実施形態の断面概略図を示している。本明細書で使用される場合、「ナノ粒子」及び「ナノ複合物」という用語は、約１ナノメートル（ｎｍ）～約１０ｎｍのオーダの特性長スケールを有する微細構造を有する粒子及び複合物を示す。

【0013】

[0030] ナノスケールエレクトロスプレー蒸着システム（１００）は材料供給ビン（１０２）を有するように示されている。示すように、材料供給ビン（１０２）は、その中にキャビティ（１０６）を規定する外部ケーシング（１０４）を含む。キャビティ（１０６）は、その中の原材料（１０８）の供給を維持する。原材料（１０８）の一部のリストは以下の表１に示される。一実施形態では、ナノ粒子の添加に加えて、供給される原材料は、アルミニウム（Ａｌ）などの第１材料と、チタン（Ｗ）などの第２材料と、を含み得るが、そうした材料は限定的であると見なされるべきではない。アルミニウム（Ａｌ）及びチタン（Ｗ）又は他の材料が、傾斜合金を作成するために使用されることが理解される。その充填を可能にするビン（１０２）の装置は図示されていない。ビン（１０２）は、ガス供給導管（１１２）、シール装置（１１４）、並びに、ガス入口導管（１１８）及びその中のキャビティ（１２０）を形成するガス入口スタブ（１１６）を含む不活性ガス入力調整システム（１１０）を含む。ガス入口導管（１１８）はガス供給導管（１１２）と流体連通している。調整システム（１１０）はまた、ガス圧力調整装置（図示せず）を含む。ビン（１０２）は材料出口導管（１２２）をさらに含む。少なくとも１つの実施形態では、材料供給ビン（１０２）は、原材料（１０８）の供給を予熱するように構成された加熱サブシステムを含む。したがって、ナノスケールエレクトロスプレー蒸着システム（１００）は、原材料（１０８）を投入及び供給するために必要な機構を提供する。

【0014】

[0031] 調整システム（１１０）の動作において、不活性ガス（１２４）は、原材料に実質的に空気のない環境を提供するために使用される。不活性ガス（１２４）は、供給源（図示せず）からガス供給導管（１１２）に入る。不活性ガスの例には、窒素、アルゴン及び二酸化炭素が含まれるが、これらに限定されない。ガス（１２４）は、ガス供給導管（１１２）を通ってシール装置（１１４）に向かって流れる。ガス調整装置（図示せず）は、キャビティ（１０６）内のガス圧を既定値又は構成値（configurable value）に調整する。キャビティ（１０６）内のガス圧が既定値又は構成値（configured value）を下回るとき、調整装置は、ガス供給導管（１１２）を通ってキャビティ（１０６）内に不活性ガス（１２４）を入れることを許容する又は可能にする。不活性ガス（１２４）は、ガス入口導管（１１８）のキャビティ（１２０）内及び材料供給ビン（１０２）のキャビティ（１０６）内に流れ込む。したがって、原材料（１０８）は、不活性ガス（１２４）のブランケットを通じて空気に長時間曝されることから保護される。

【0015】

[0032] ナノスケールエレクトロスプレー蒸着システム（１００）はまた、材料出口導管（１２２）を通じて材料供給ビン（１０２）に動作可能に結合された原材料移送デバイス（１３０）を含む。原材料移送デバイス（１３０）は、スクリュー要素又はフライティング（flighting）（１３６）を包含するキャビティ（１３４）をその中に規定するケーシング（１３２）を有するように本明細書に示されている。図１に示す実施形態では、原材料移送デバイス（１３０）はスクリューコンベヤ又はオーガーコンベヤである。同様に、一実施形態では、原材料移送デバイス（１３０）は、ベルトコンベヤ、容量測定供給装置及び重量測定供給装置などを含むが、これらに限定されない、固体原材料を移送する任意の固体材料処理装置であり得る。さらに、少なくとも１つの実施形態では、原材料移送デバイス（１３０）は、液相で、及びある実施形態では、その中に同伴された固体と共に、材料を輸送するように適合されている。そうした実施形態のための材料移送デバイス（１３０）はスクリューコンベヤ、ベルトコンベヤ及び容積移送式ポンプのタイプを含むが、これらに限定されない。フライティング（１３６）は、ヘリコイド構成を規定する１以上の突起（１３８）を含む。突起（１３８）は、フライティングシャフト（１４０）を矢印（１４４）によって示される方向に回転させる駆動デバイス（１４２）に動作可能に結合されたフライティングシャフト（１４０）に結合される。駆動デバイス（１４２）は、定速電気モータ及び可変速ドライブを含むが、これらに限定されない、任意の運動装置である。ヘリコイド突起（１３８）のピッチは、フライティング（１３６）の回転あたりの原材料（１０８）の所望の容積に比例する。少なくとも１つの実施形態では、原材料移送デバイス（１３０）は、システム（１１０）と同様の不活性ガス入力調整システムを含む。ナノスケールエレクトロスプレー蒸着システム（１００）の少なくともある実施形態は複数の移送デバイス（１３０）を含む。したがって、ナノスケールエレクトロスプレー蒸着システム（１００）は、１以上の材料移送デバイス（１３０）を通じてナノスケールエレクトロスプレー蒸着システム（１００）内で原材料（１０８）を移送する能力を含む。

【0016】

[0033] 原材料移送デバイス（１３０）は、タンディッシュ（１５０）と流体連通して結合される。示すように、タンディッシュ（１５０）は、断熱材（１５４）の少なくとも１つの層上に広がるケーシング（１５２）を含み、断熱材（１５４）の１つの層は同様に内部ライナ（１５６）上に広がる。内部ライナ（１５６）は、その中に溶融材料キャビティ（１５８）を規定する。ライナ（１５６）は、原材料デバイス（１３０）まで延在してタンディッシュ入口導管（１６０）を形成し、かつ、そこから原材料（１０８）を受け取るためにフライティング（１３６）と流体連通して結合されるキャビティ（１６２）をその中に規定する。タンディッシュ（１５０）は、加熱サブシステム又は加熱素子（図示せず）を含み、以下、加熱サブシステムと呼ばれ、原材料（１０８）を溶融状態に溶融して溶融材料（１６４）を形成する。加熱サブシステムは、原材料（１０８）を溶融させる又は原材料（１０８）を溶融状態（１６４）に変化させるのに十分な発熱能力を有する任意の加熱機構を含む。加熱機構の例には、誘導加熱デバイス及び天然ガス燃焼装置が含まれるが、これらに限定されない。ライナ（１５６）は、タンディッシュ（１５０）からさらに延在してタンディッシュ出口導管（１６６）を形成し、かつ、溶融材料キャビティ（１５８）と流体連通して結合されてそこから溶融材料（１６４）を受け取るキャビティ（１６８）をその中に規定する。タンディッシュ（１５０）はまた、ガス供給導管（１７２）と、シール装置（１７４）と、ガス入口導管（１７８）及びその中のキャビティ（１８０）を形成するガス入口スタブ（１７６）と、を含む不活性ガス入力調整システム（１７０）を含み、ガス入口導管（１７８）はガス供給導管（１７２）と流体連通している。不活性ガス入力調整システム（１７０）の動作は、本明細書の他の箇所で記載される不活性ガス入力調整システム（１１０）の動作と実質的に同様である。したがって、ナノスケールエレクトロスプレー蒸着システム（１００）は、本明細書でさらに議論するように、原材料（１０８）を溶融させ、溶融した原材料を溶融状態に又はエレクトロスプレー製造プロセスでさらに使用するための状態に維持するツールを含む。

【0017】

[0034] ナノスケールエレクトロスプレー蒸着システム（１００）はナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（１８２）をさらに含む。示すように、装置（１８２）は、その中に溶融材料リザーバ（１８６）を規定するケーシング（１８４）を含む。リザーバ（１８６）は、タンディッシュ出口導管（１６６）と流体連通して動作可能に結合されて、そこから溶融材料（１６４）を受け取り、かつ、その中に溶融材料（１６４）を維持する。追加の材料（図１には図示せず）が溶融材料（１６４）に添加されて１以上のナノスケール組成物（１８８）を形成してもよい。ケーシング（１８４）は、溶融材料リザーバ（１８６）と流体連通して動作可能に結合されたリザーバ出口キャピラリ（１９２）を規定するケーシング延長部（１９０）を含む。ナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（１８２）はまた、リザーバ出口キャピラリ（１９２）と流体連通して動作可能に結合されてナノスケール材料、例えば、ナノ粒子又はナノ複合物（１９６）を製造する、出口ノズル（１９４）を含む。装置（１８２）は、本明細書において誘導加熱コイルとして示される加熱デバイス（１９８）と、不活性ガス入力調整システム（１１０）及び（１７０）と、をさらに含む。ナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（１８２）の追加の構造上及び動作上の記載は本明細書でさらに議論される。したがって、特定のナノスケール組成物（１８８）の形態の溶融材料（１８４）は、エレクトロスプレーされて特定のナノ粒子又はナノ複合物（１９６）を製造する。

【0018】

[0035] 動作中、ナノスケールエレクトロスプレー蒸着システム（１００）は、材料供給ビン（１０２）のキャビティ（１０６）内に原材料（１０８）の供給を受ける。ビン（１０２）が原材料で既定のレベルまで充填されると、ビン（１０２）は、不活性ガス入力調整システム（１１０）によって密封されて、キャビティ（１０６）内のガス（１２４）圧を調整する。ガス圧は既定値又は構成値であってもよい。材料供給ビン（１０２）内のガス（１２４）圧の既定の構成値は、ビン（１０２）内への空気の進入を低減し、かつ、原材料（１０８）の空気への曝露を軽減する。一実施形態では、ガス圧は、約１０ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）（約６９キロパスカル（ｋＰａ））～約２０ｐｓｉ（約１３８ｋＰａ）の範囲である。一部の原材料（１０８）は空気と反応する可能性があることが理解される。さらに、不活性ガス（１２４）圧は、重力に加えて、原材料（１０８）をビン（１０２）から材料出口導管（１２２）を通じて原材料移送デバイス（１３０）に移送するための輸送力を提供する。さらに、ガス（１２４）は、材料（１０８）がビン（１０２）を出るときの真空ロックの形成を阻止する。したがって、ナノスケールエレクトロスプレー蒸着システム（１００）は、１以上の材料移送デバイス（１３０）を通じて原材料（１０８）を移送する。

【0019】

[0036] 動作中、デバイス（１３０）は、既定の構成可能な速度で原材料（１０８）をタンディッシュ（１５０）に移送する。タンディッシュ（１５０）は、原材料（１０８）を材料（１０８）の融点まで加熱して、溶融材料キャビティ（１５８）内に溶融状態で貯蔵される溶融材料（１６４）を生成する。一実施形態では、溶融材料（１６４）の温度は、摂氏約８００度（℃）（華氏約１４７２度（°Ｆ））～約１０００℃（１８３２°Ｆ）の範囲であり、温度は組成物の融点に依存する。不活性ガス入力調整システム（１７０）は、キャビティ（１５８）内のガス（１２４）圧を既定の構成値に調整して、溶融材料（１６４）の空気への曝露を最小限にし、重力に加えて輸送力を提供して溶融材料（１６４）をタンディッシュ（１５０）からタンディッシュ出口導管（１６６）を通じてナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（１８２）に移送し、かつ、溶融材料（１６４）がタンディッシュ（１５０）を出るときの真空ロックの形成を阻止する。一実施形態では、調整システム（１７０）は、ガス（１２４）の圧力を約１０ｐｓｉ（６９ｋＰａ）～約２０ｐｓｉ（１３８ｋＰａ）の範囲で調整する。ナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（１８２）は、溶融材料リザーバ（１８６）内で溶融材料（１６４）を受け取り、材料（１６４）を他の材料と混合してその中に１以上のナノスケール組成物（１８８）を生産する。不活性ガス入力調整システム（１１０）及び（１７０）は、リザーバ（１８６）内のガス（１２４）圧を既定値又は一実施形態では構成値に調整して、ナノスケール組成物（１８８）の空気への曝露を最小限にし、重力（及び、本明細書の他の箇所でさらに議論する電場）に加えて輸送力を提供して、ナノスケール材料、例えば、ナノ粒子及びナノ複合物（１９６）を製造する。また、ガス（１２４）は、ナノ複合物（１９６）がビン（１０２）を出るときの真空ロックの形成を阻止する。一実施形態では、システム（１１０）は、ガス（１２４）のガス圧を約１０ｐｓｉ（６９ｋＰａ）～約２０ｐｓｉ（１３８ｋＰａ）に調整する。したがって、原材料（１０８）は、溶融させられ、かつ、ナノ粒子及びナノ複合物（１９６）並びに調整された特性を有する設計された（engineered）製品を製造するためのナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（１８２）に移送される。

【0020】

[0037] ナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置の構成
[0038] 図２を参照すると、ナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（２００）の一実施形態を示す断面概略図が提供される。高さ（「Ｙ」）、長さ（「Ｘ」）及び幅（又は深さ）（「Ｚ」）を含む寸法の各々が参考のために示され、寸法は物理的空間において互いに直交している。装置（２００）は、溶融材料（２１０）をその中に保持するための溶融材料リザーバ（２０８）を規定するケーシング（２０６）を有するように示されている。一実施形態では、溶融材料（２１０）の温度は、８００℃（１４７２°Ｆ）～約１０００℃（１８３２°Ｆ）の範囲にあり、温度は組成物の融点に依存する。リザーバガス（２１２）が、溶融材料（２１０）に隣接する溶融材料リザーバ（２０８）の一部（２１４）を占める。装置（２００）は、ガス供給導管（２１８）及びシール装置（２２０）を含む不活性ガス入力調整システム（２１６）をさらに含み、システム（２１６）は、溶融材料リザーバ（２０８）の一部（２１４）と流体連通している。不活性ガス入力調整システム（２１６）は、導管（２１８）を通るガス流（２２２）を調整して、リザーバ（２０８）内のリザーバガス（２１２）圧を既定値又は構成値に調整する。一実施形態では、システム（２１６）は、貯蔵ガス、例えば、不活性ガス（２１２）のガス圧を約１０ｐｓｉ（６９ｋＰａ）～約２０ｐｓｉ（１３８ｋＰａ）に調整する。リザーバ（２０８）のガス圧（２１２）は、リザーバ（２０８）内への空気の進入を低減し、それによって、溶融材料（２１０）の空気への曝露を軽減する。一実施形態では、溶融材料（２１０）の選択された形態は、空気と反応性を有してもよく、及びしたがって、空気への暴露の軽減が保証され得る。さらに、リザーバガス（２１２）圧は、重力（及び電場）に加えて、装置（２００）を通じて溶融材料（２１０）を移送するための輸送力を提供し、かつ、溶融材料（２１０）が装置（２００）を出るときの真空ロックの形成を阻止する。したがって、溶融材料（２１０）は圧力下に維持され、かつ、空気の浸透は、不活性ガス（２１２）でリザーバ（２０８）を加圧することを通じて阻止される。

【0021】

[0039] ナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（２００）は、ケーシング（２０６）の外面の周りに延在する複数の誘導加熱コイル（２２４）を有するように示されている。加熱コイル（２２４）は、ケーシング（２０６）内にある溶融材料（２１０）を加熱し、混合を引き起こすのに役立つ。一実施形態では、加熱コイル（２２４）は、材料（２１０）に補助的な加熱を提供するために代替の加熱方法で置き換えられる。代替の加熱方法の非限定的な例には天然ガスの燃焼が含まれる。ファラデーケージ（２２６）がケーシング（２０６）に動作可能に結合されて示されている。この図では、ファラデーケージ（２２６）がケーシング（２０６）の外面の周りに位置決めされている。ファラデーケージ（２２６）は、ケーシング（２０６）内の材料を、生成された電磁放射から保護するように機能し、一実施形態では、電磁放射は誘導加熱コイル（２２４）の副産物である。通気された熱シールド（２２８）がファラデーケージ（２２６）に動作可能に結合されて示されている。この図示の実施形態では、通気された熱シールド（２２８）は、ファラデーケージ（２２６）の外面の周りに位置決めされている。通気された熱シールド（２２８）は、誘導加熱コイル（２２４）によって生成された熱のかなりの部分から、熱シールド（２２８）の外面に隣接する環境を保護するように機能する。エレクトロスプレーノズル（２３０）が、材料リザーバ（２０８）のケーシング（２０６）の底部（２３２）に結合されている。キャピラリチューブ（２３４）が、ケーシング（２０６）の底部（２３２）に規定され、かつ、エレクトロスプレーノズル（２３０）を通って延在する。キャピラリチューブ（２３４）は、材料リザーバ（２０８）と流体連通して結合されている。引き出し電極（２３６）が、エレクトロスプレーノズル（２３０）に結合され、キャピラリチューブ（２３４）がキャピラリチューブ出口（２４０）を規定するエレクトロスプレーノズル（２３０）の底部（２３８）の近くに位置決めされる。図示の実施形態では、出口はオリフィス（２４０）である。一実施形態では、本明細書に記載の装置（２００）などのナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置の動作を可能にする任意の他の出口構成がオリフィスに代えて使用される。エレクトロスプレーノズル（２３０）が導電性ノズルである一実施形態では、ノズルは、絶縁性被覆（図示せず）で被覆されている。同様に、エレクトロスプレーノズル（２３０）が誘電体材料で製造される一実施形態では、ノズル（２３０）は導電性被覆（図示せず）で被覆される。したがって、溶融材料（２１０）は、リザーバ（２０８）からキャピラリチューブ（２３４）を通ってエレクトロスプレーノズル（２３０）に向かって移動する準備として溶融状態に維持される。

【0022】

[0040] 図３を参照すると、破線ボックス（３）（図２に示す）によって輪郭を描かれた領域周りで切り取られたナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（３００）の拡大部分を示す断面概略図が提供される。引き出し電極（３３６）は、２つの構成要素、すなわち、電場を生成するための電極と、磁場を生成するための誘導コイルと、の組み合わせである。一実施形態では、電極及び誘導コイルは別個の要素である。

【0023】

[0041] 組み合わされた引き出し電極及び誘導要素（３３６）（以下、引き出し電極（３３６）として参照する）は、電界を生成して、エレクトロスプレーノズル（３３０）を既定の又は規定の構成された電位に維持する。電場は、エレクトロスプレーノズル（３３０）から矢印（３４４）の方向にジェット（３１０）の形態で溶融材料（２１０）を抽出して、ナノ粒子サイズの液滴（３４６）の流れを形成し、液滴（３４６）をステージ（３４２）に向かって駆動する。図示の実施形態では、エレクトロスプレーノズル（３３０）は、エレクトロスプレーノズル（２３０）と同様であり、ステージ（３４２）は、以下に記載するステージ（２４２）と同様である。引き出し電極（３３６）は、液滴（３４６）の流れの分散を制限するために磁場を生成する。エレクトロスプレーされた液滴（３４６）は同じ極性で帯電し、それにより、液滴（２４６）は、それらが分散される際に互いに反発する。当技術分野では、磁力線を横切って移動する荷電粒子は、磁力線及び荷電粒子の運動の両方に直交する力を経験することが理解される。磁場が荷電粒子の速度に比べて強い場合、荷電粒子はそれらに沿って移動しながら磁力線を周回する傾向がある。したがって、帯電した液滴（３４６）の流れの分散傾向は磁場によって打ち消される。したがって、引き出し電極（３３６）は、ナノスケールレベルでの蒸着の制御及び精度を提供するのに十分に集束される液滴（３４６）の排出された流れを生成する。

【0024】

[0042] 例示的な実施形態では、引き出し電極（３３６）は、トロイドの中心がエレクトロスプレーノズル（３３０）によって貫通されたトロイダル形状を有する。トロイダル形状の例には、トーラス又はトロイド形状が含まれるが、これらに限定されない。一実施形態では、引き出し電極（３３６）は、１以上のワイヤの巻き（図３には図示せず）を含み、巻きは、同じ量の電流に対して強度を増加させる磁場を生成する。一実施形態では、巻数は磁場の増加強度に比例する。引き出し電極（３３６）は、エレクトロスプレーノズル（３３０）から溶融材料ジェット（３１０）を抽出し、液滴（３４６）の流れをステージ（３４２）に向かって駆動し、かつ、液滴（３４６）の流れをステージ（３４２）上の蒸着領域（３４８）に集束させるのに有用な特性を有する電界及び磁場を提供するように形成される。本明細書に記載の図示の実施形態では、液滴（３４６）は、約１．００２６メートル／秒（ｍ／ｓ）のそれらの関連の終端速度でオリフィス（３４０）から排出される。一実施形態では、終端速度は、１．００ｍ／ｓ～約１．０５ｍ／ｓの範囲であってもよい。一実施形態では、本明細書に記載のナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置の動作を可能にする任意の放出速度が使用されてもよい。エレクトロスプレーされた液滴（３４６）内の荷電ナノ粒子（図示せず）が蒸着領域（３４８）上の標的位置に向けられる際、液滴（３４６）の速度は、オブジェクト（３７８）に対する液滴（３４６）の比較的穏やかな衝突を提供するための既定の構成可能な距離について、組み合わされた引き出し電極及び誘導要素（３３６）を介して制御される。この穏やかな衝突は、オブジェクト（３７８）に対する液滴（３４６）の飛沫及び跳ね返り活動を軽減し、さらに、オブジェクト（３７８）への液滴（３４６）の結合を開始させる。低減された衝突速度は、各液滴（３４６）の軌道の制御を提供し、オブジェクト（３７８）などの複雑なオブジェクトを構築及び製造することを可能にする。したがって、液滴（３４６）の供給は、既定の構成可能なパターンで狭い流れに向けられ、エレクトロスプレーノズル（３３０）から選択された速度で、オブジェクトホルダ（以下で記載される（２５４）と同様）又は製造オブジェクトの新しく形成された層（３７８）などの標的上に放出される。引き出し及び誘導要素（３３６）の組み合わせによる整列は、既定の構成可能な接触点に液滴（３４６）を蒸着させる。

【0025】

[0043] 再び図２を参照すると、ナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（２００）は、液滴（３４６）のエレクトロスプレーされた流れの標的として機能するステージ（２４２）を有するように示されている。ステージ（２４２）は、３つの直交する寸法Ｘ、Ｙ及びＺにおいてエレクトロスプレーノズル（２３０）に対して移動するように構成される。ステージ（２４２）は、通常、電気的に接地され、その結果、ステージ（２４２）は、電界についての平面的なエンドポイントを形成する。例示的な実施形態では、ステージ（２４２）は、ユーティリティベースプレート（２５０）、冷却チャック（２５２）及びオブジェクトホルダ（２５４）を備える。オブジェクトホルダ（２５４）は、エレクトロスプレープロセスから生じる製造オブジェクト（図２には図示せず）を保持するように構成される。オブジェクトホルダには、横平面（２５４_平面）を規定する表面（２５４_表面）を含む。一実施形態では、オブジェクトホルダ（２５４）は、その上に液滴（３４６）のエレクトロスプレーされた流れが蒸着される基材（図示せず）を保持する。他の実施形態では、基材は使用されず、エレクトロスプレーはオブジェクトホルダ（２５４）上に直接蒸着する。冷却チャック（２５２）は、オブジェクトホルダ（２５４）の下に位置決めされ、オブジェクトホルダ（２５４）に結合される。冷却チャック（２５２）は、オブジェクトホルダ（２５４）を冷却するか、又は、そうでなければオブジェクトホルダ（２５４）の温度を低下させるように構成される。少なくとも１つの実施形態では、冷却チャック（２５２）は、直流（ＤＣ）を使用して熱をオブジェクトホルダ（２５４）からユーティリティベースプレート（２５０）に伝達する１以上の熱電冷却チップ（図示せず）を備える。一実施形態では、オブジェクトホルダ（２５４）の温度の制御を可能にする、オブジェクトホルダ（２５４）から熱を伝達する任意の方法が冷却チャック（２５２）及び／又はオブジェクトホルダ（２５４）に適用される。熱伝達方法の例には伝導性熱伝達が含まれるが、これに限定されない。ユーティリティベースプレート（２５０）は、周囲空気に曝されて、冷却される若しくは自然対流又は強制空気流を伴う冷却プロセスの対象となってもよい。配線（２５６）は、冷却チャック（２５２）に電力を供給するため、及び、オブジェクトホルダ（２５４）に埋め込まれ得る任意のセンサ（図示せず）のために、ユーティリティベースプレート（２５０）に動作可能に結合される。引き出し電極配線（２５８）は引き出し電極（２３６）に電流を提供する。したがって、ナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（２００）は、エレクトロスプレーノズル（２３０）から出るときの液滴（３４６）の適切な取り扱いを提供するための構成要素を含む。

【0026】

[0044] 図２の参照を続けると、ナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（２００）は、エレクトロスプレーノズル（２３０）及び溶融材料リザーバ（２０８）に動作可能に結合されたエンクロージャ（２６０）を有する。一実施形態では、エンクロージャ（２６０）は石英又は別の適切な材料から構成される。エンクロージャ（２６０）は、ステージ（２４２）と接触して配置されると、エンクロージャ（２６０）及びステージ（２４２）が、エレクトロスプレープロセスの制御された環境として機能するエンクロージャキャビティ（２６２）を規定するように形成される。エンクロージャ（２６０）は、エンクロージャ（２６０）の外縁（２６６）にスライド式に結合されたフレーム（２６４）を有する。フレーム（２６４）は、ステージ（２４２）が移動させられる際にステージ（２４２）との接触を維持する。この接触により、エレクトロスプレーオブジェクトの製造中にエンクロージャキャビティ（２６２）が完全に密閉された状態に維持される。ユーティリティベースプレート（２５０）は、ガス（図示せず）をエンクロージャキャビティ（２６２）内に注入するための流体入口（２６８）を有する。エンクロージャフレーム（２６４）の底部（２７２）に対して位置決めされたエンクロージャガスケット（２７０）が、エンクロージャキャビティ（２６２）のシーリングを改善し、かつ、ステージ（２４２）が横方向に、すなわち、Ｘ及びＺ寸法に、エンクロージャキャビティ（２６２）のシーリングを妨げることなく移動することを許容する又は可能にする。一実施形態では、エンクロージャガスケット（２７０）はフェルト材料から構成されているが、この材料は限定的であると見なされるべきではない。例えば、一実施形態では、ガスケット（２７０）は、ガスケット（２７０）の機能をサポートする１以上の代替材料から形成されてもよい。したがって、ナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（２００）は、エレクトロスプレーノズル（２３０）から出るときの液滴（３４６）の適切な取り扱いを提供するための構成要素を含む。

【0027】

[0045] ガス入口（２６８）は、不活性ガスを送達するためのエンクロージャキャビティ（２６２）の入口として機能する。一実施形態では、キャビティ（２６２）内のガスは、キャビティ（２６２）内の既定の構成可能な温度プロファイル及び大気条件で提供される。一実施形態では、不活性ガスはアルゴンである。同様に、一実施形態では、不活性ガスは、本明細書に記載されるように、エンクロージャキャビティ（２６２）内で所望の環境をサポートする任意の材料又は流体であってもよい。少なくとも１つの実施形態では、エンクロージャキャビティ（２６２）内のアルゴンガスは、ほぼ大気圧、例えば、１４．７ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）（１０１．３２５キロパスカル（ｋＰａ））の既定の構成可能な圧力に維持される。同様に、一実施形態では、アルゴンガスは、本明細書に記載されるように、装置（２００）などのナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置の動作を可能にする任意の圧力に維持される。一実施形態では、部分的な真空が、エンクロージャキャビティ（２６２）内で、例えば、約１ｐｓｉ（６．９ｋＰａ）～約１０ｐｓｉ（６９ｋＰａ）に引かれる。図示の実施形態では、アルゴンガスは、約２５℃～約５００℃（約７７°Ｆ～９３２°Ｆ）の温度でエンクロージャキャビティ（２６２）内に注入される。一実施形態では、アルゴンガスは、本明細書に記載のナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（装置（２００）を含むがこれに限定されない）の動作を可能にする任意の温度でエンクロージャキャビティ（２６２）内に注入される。したがって、不活性ガスが使用されて、オブジェクトの製造中に液滴（３４６）に望ましい環境を維持する。

【0028】

[0046] 再び図３を参照すると、少なくとも１つの実施形態では、エレクトロスプレーノズル（３３０）は、ノズル（３３０）を通る溶融材料ジェット（３１０）の流量を制御して液滴（３４６）を形成するためのバルブ（３７４）を有する。一実施形態では、可変速駆動デバイスに動作可能に結合されたポンプを含むが、これに限定されない、溶融材料ジェット（３１０）の流れを調整する方法が使用される。さらなる実施形態では、調整装置は使用されず、溶融材料ジェット（３１０）の流れは、例えば、限定されないが、溶融材料リザーバ（２０８）の上部（２１０）のリザーバガス（２１２）の圧力を変化させることによって制御される。さらなる実施形態では、溶融材料ジェット（３１０）の流量は、溶融材料ジェット（３１０）内において約１０^－４重量パーセント（ｗｔ％）～約１００ｗｔ％の間で、図８に関してさらに議論されるように、個々の成分の濃度の調節を通じて決定される。

【0029】

[0047] 溶融材料ジェット（３１０）の流れは電気流体力学的に制御されてもよい。溶融材料ジェット（３１０）の流れのそうした制御は、引き出し電極（３３６）に伝達される電力の１以上の電気的特性の調整を通じて達成される。これらの電気的特性の例には、電圧、電流、周波数及び／又は波形の調整が含まれるが、これらに限定されない。例えば、制御された電圧は、約０．５キロボルト（ｋｖ）～約４０ｋｖの範囲内であってもよく、電流は約０．１マイクロアンペア（μａｍｐｓ）～３．０アンペアの範囲内に維持されてもよく、かつ、周波数は、０ヘルツ（Ｈｚ）の実質的に一定の周波数の直流（ＤＣ）から約１００ギガヘルツ（ＧＨｚ）の交流（ＡＣ）まで制御されてもよい。一実施形態では、本明細書に記載の引き出し電極（３３６）の動作を可能にする任意の電圧、電流及び周波数が使用されてもよい。また、一実施形態では、正弦波形、方形波形及び三角波形を含むが、これらに限定されない、本明細書に記載の引き出し電極の動作を可能にする任意の波形が使用さされてもよい。したがって、溶融材料ジェット（３１０）の流量の制御は、液滴（３４６）のサイズの制御を提供し、流量制御は、約１０^－３ナノグラム／分（ｎｇ／ｍｉｎ）～約１０８ｎｇ／ｍｉｎの流量を生成するために、溶融材料ジェット（３１０）内の成分濃度の制御、引き出し電極（３３６）の電気的特性の調整、溶融材料リザーバ（２０８）内の圧力の調整、及び、バルブ（３７４）の位置の調整のうちの１以上を通じて可能にされる。

【0030】

[0048] エレクトロスプレーされた液滴（３４６）の流れは、電界が溶融材料ジェット（３１０）をキャピラリチューブ（３３４）から引き出すときに、キャピラリチューブ出口ポート又はオリフィス（３４０）上に形成されるテイラーコーン（３７６）から現れる。液滴（３４６）の流れの分散は磁場によって制限される。液滴（３４６）の流れが衝突する製造オブジェクト（３７８）上の領域は蒸着領域（３４８）と呼ばれる。製造オブジェクト（３７８）は、連続する蒸着層を含む（図１０～図１４を参照）。液滴（３４６）の流れが製造オブジェクト（３７８）に衝突する間、ステージ（３４２）は横方向に移動させられ、以前の蒸着層の上に現在の蒸着層を形成する。エレクトロスプレー装置（３００）と製造オブジェクト（３７８）との間の距離はスタンドオフ距離（３８０）又は蒸着までの距離と呼ばれる。目標スタンドオフ距離（３８０）は、各層を蒸着させるために、製造オブジェクト（３７８）上でのノズル（３３０）の各通過について決定される。液滴（３４６）が製造オブジェクト（３７８）上に蒸着される際、実際のスタンドオフ距離（３８０）は、製造オブジェクト（３７８）上のノズル（３３０）の各通過中に減少する傾向がある。一実施形態では、目標スタンドオフ距離（３８０）は、各通過について約２ミリメートル（ｍｍ）である。当技術分野では、距離（３８０）は、溶融材料ジェット（３１０）の組成、及び一実施形態では、溶融材料ジェット（３１０）内の組成物の流量に基づいて、約１．５～約２．５ｍｍの範囲であってもよいことが理解される。同様に、一実施形態では、スタンドオフ距離（３８０）は、ナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（２００）の動作を可能にする任意の値であってもよい。何のアクションも取られなかった場合、スタンドオフ距離（３８０）は、製造オブジェクト（３７８）上のノズル（３３０）の通過ごとに減少する。したがって、スタンドオフ距離（３８０）は、ステージ（３４２）の垂直位置を調整して、既定の構成された速度で既定の構成された温度で製造オブジェクト（３７８）上に液滴（３４６）を蒸着させることを促進することによって、目標スタンドオフ距離又はその近くに維持される。

【0031】

[0049] ナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置の追加の構成の実施形態
[0050] 図４を参照すると、ナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（４００）の別の実施形態を示す断面概略図が提供される。示すように、装置（４００）は、液滴（４４６）の流れに熱エネルギーを提供するための加熱デバイス（４０２）を含む。一実施形態では、加熱デバイス（４０２）は、製造オブジェクト（４７８）と衝突する前に液滴（４４６）の温度が十分に低下したときに、液滴（４４６）の流れに熱エネルギーを付加するために使用される。図示の実施形態では、製造オブジェクト（４７８）は製造オブジェクト（３７８）と同様である。少なくとも１つの実施形態では、加熱デバイス（４０２）は、放射ビーム（４０４）を用いて液滴（４４６）の流れに熱エネルギーを供給する放射源である。加熱デバイス（４０２）は、例えばエネルギースペクトルの一部、及び限定されないが、赤外線部分で放射を放出し、かつ、放射ビーム（４０４）は、例えばコヒーレント光子源、及び限定されないが、レーザビームである。一実施形態では、加熱デバイス（４０２）は、例えば、エネルギースペクトルの他の任意の部分、及び限定されないが、Ｘ線部分で放射ビーム（４０４）を放出する。また、ある実施形態では、放射ビーム（４０４）は、液滴（４４６）が不透明に見える、様々な波長の非コヒーレント光子を含む。図示の実施形態では、加熱デバイス（４０２）は、エンクロージャ（４６０）の外側に装着され、放射線ビーム（４０４）は、図示の実施形態では石英から形成されるエンクロージャ（４６０）を通過する。ある実施形態では、加熱デバイス（４０２）は、ステージ（４４２）のユーティリティベースプレート（４５０）に動作可能に結合される。図示の実施形態では、ステージ（４４２）はステージ（３４２）と同様である。一実施形態では、ステージ（４４２）がエレクトロスプレーノズル（４３０）、及びしたがって液滴の流れ（４４６）に対して移動するとき又は移動させられるときに、放射ビーム（４０４）の照準制御機能が採用されて、ビーム（４０４）による液滴（４４６）の照明を提供する。図示の実施形態では、エレクトロスプレーノズル（４３０）はエレクトロスプレーノズル（３３０）と同様である。代替として、加熱デバイス（４０２）は、エンクロージャ（４６０）又はエレクトロスプレーノズル（４３０）に動作可能に結合されてもよい。したがって、温度制御デバイスが使用されて液滴（４４６）の温度を制御してもよい。

【0032】

[0051] 液滴（４４６）の温度が最適温度範囲を下回ったときに液滴（４４６）が衝突すると、製造オブジェクト（４７８）の特性が悪影響を受ける可能性がある。一実施形態では、液滴（４４６）の最適温度範囲は、約８００℃～約１０００℃（１４７２°Ｆ～１８３２°Ｆ）である。液滴（４４６）の温度の制御は、１以上の所望のナノ構造を構築するために使用される。一実施形態では、リザーバ（４０８）内の溶融材料（４１０）の温度は、誘導加熱コイル（４２４）によって提供される熱エネルギーを通じて約１０００℃、例えば、１８３２°Ｆに維持される。また、この実施形態では、ステージ（４４２）及び製造オブジェクト（４７８）は電気的に接地され、それらの温度は冷却チャック（４５２）を通じた制御を受ける。冷却チャック（４５２）は冷却チャック（２５２）と同様である。液滴（４４６）は、エレクトロスプレーノズル（４３０）から排出されてステージ（４４２）に衝突する。ノズル（４３０）からの放出点では、誘導加熱コイル（４２４）から溶融材料（４１０）への熱エネルギーの伝達によって、液滴（４４６）は約１０００℃、例えば１８３２°Ｆである。この実施形態では、製造オブジェクト（４７８）への衝突点での液滴（４４６）の目標温度は、約５００℃、例えば、９３２°Ｆであり、これは、この実施形態では、関連の配合についての再結晶温度よりも低い。液滴（４４６）は、製造オブジェクト（４７８）に向かって移動させられるので、加熱デバイス（４０２）は、ビーム（４０４）の放出を通じて液滴（４４６）の流れに熱エネルギーを付加する。さらに、エンクロージャキャビティ（４６２）内の不活性アルゴンガスは、液滴（４４６）が、ノズル（４３０）から製造オブジェクト（４７８）への加熱されたアルゴンガスを通過する際の液滴（４４６）の温度の制御をサポートするために、約５００℃、例えば、９３２°Ｆの温度に維持される。

【0033】

[0052] 例示的な実施形態では、液滴（４４６）の温度は、液滴（４４６）の蒸着のシーケンス全体を通して制御される。ノズル（４３０）からの排出時点での溶融材料（４１０）の初期温度は、既定の構成値に制御される。ノズル（４３０）と製造オブジェクト（４７８）との間の距離、すなわちスタンドオフ距離（３８０）は構成目標値に制御される。製造オブジェクト（４７８）の温度は、冷却チャック（４５２）を通じて既定の構成温度に維持される。液滴（４４６）がスタンドオフ距離（３８０）を横断する際、液滴（４４６）が横断するアルゴンガスの温度は既定値又は構成値に維持される。液滴（４４６）がオブジェクト（４７８）に衝突する前に、加熱デバイス（４０２）からのビーム（４０４）を通じて液滴（４４６）に熱エネルギーを付加することにより、液滴（４４６）を既定の構成温度値に維持することを促進する。したがって、オブジェクト（４７８）の製造プロセスの熱力学的特性の少なくとも一部のバランスが取られる。

【0034】

[0053] 図５を参照すると、ナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（５００）のさらに別の実施形態を示す断面概略図が提供される。装置（５００）は、第１光学側面計（５８２）から製造オブジェクト（５７８）までの距離を測定するように構成された第１光学側面計（５８２）を有するように示されている。図示の実施形態では、製造オブジェクト（５７８）は製造オブジェクト（４７８）と同様である。ステージ（５４２）は移動させられる際、第１側面計（５８２）は、ステージ（５４２）から製造オブジェクト（５７８）までの距離を特定の時間間隔で測定する。製造オブジェクト（５７８）の現在蒸着されている層（図５には図示せず）に関するプロファイルデータが作成される。図示の実施形態では、ステージ（５４２）はステージ（４４２）と同様である。現在蒸着されている層に関連するプロファイルデータは、有線又は無線であり得る側面計通信リンク（５８６）を介して主制御ユニット（５８４）に送信される。ある実施形態では、第２光学側面計（５８８）が採用され、ある他の実施形態では、３以上の光学側面計が採用される。

【0035】

[0054] 主制御ユニット（５８４）は、収集されたプロファイルデータを使用して、後続の蒸着層の蒸着中にエレクトロスプレー装置（５００）を制御する。後続の蒸着層の蒸着のために、主制御ユニット（５８４）は、ステージ（５４２）を垂直方向に移動させて、進行中の蒸着層のプロファイルデータに基づいて、目標スタンドオフ距離にスタンドオフ距離（例えば、図３の（３８０））を維持する。主制御ユニット（５８４）はまた、プロファイルデータを使用して、以前の蒸着層で任意の検出されたエラーを補償する。例えば、進行中の蒸着層のプロファイルデータが、製造オブジェクト（５７８）のある領域が所望又は予想よりも大きいことを示す場合、主制御ユニット（５８４）は、検出されたエラーで識別された製造オブジェクト（５７８）の領域にわたるときのエレクトロスプレーノズル（５３０）を通る溶融材料（５１０）の流量を変更することによって後続の蒸着層を修正することができる。図示の実施形態では、エレクトロスプレーノズル（５３０）はエレクトロスプレーノズル（４３０）と同様である。同様に、進行中の蒸着層のプロファイルデータが、製造オブジェクト（５７８）のある領域が予想よりも浅すぎる又はより浅すぎることを示している場合、主制御ユニット（５８４）は、検出されたエラーで識別された製造オブジェクト（５７８）の関連領域上にノズル（５３０）があるときのエレクトロスプレーノズル（５３０）を通る溶融材料（５１０）の流量を変更することによって後続の蒸着層を修正することができる。主制御ユニット（５８４）は、バルブ（例えば、図３のバルブ（３７４））を使用することを通じて、若しくは、例えば、材料リザーバ（５０８）内のリザーバガス（５１２）の圧力を変化させること又は引き出し電極（５３６）の電気的条件を変化させることなどの他の方法で、溶融材料（５１０）の流量を制御する。

【0036】

[0055] 主制御ユニット（５８４）は、主制御ユニット通信リンク（５９０）によって、デバイス通信リンク（５９２）を通じて関連のデバイスに動作可能に結合された１以上のサブ制御ユニットに接続される。図示の実施形態は、ステージ（５４２）を制御するための第１サブ制御ユニット（５９４）、引き出し電極（５３６）を制御するための第２サブ制御ユニット（５９６）、加熱デバイス（例えば、図４のデバイス（４０２））を制御するための第３サブ制御ユニット（５９８）を有する。他の実施形態は、調整されるべき構成要素に応じて、異なる量のサブ制御ユニットを有してもよい。引き出し電極（５３６）、溶融材料リザーバ（５０８）に作用される圧力、誘導加熱コイル（５２４）によって制御される溶融材料（５１０）の温度、ステージ（５４２）及び製造オブジェクト（５７８）に動作可能に結合される冷却チャック（例えば、図４のチャック（４５２））、加熱デバイス（例えば、図４のデバイス（４０２））、及び、エンクロージャキャビティ（４６２）内の不活性アルゴンガス温度は、液滴（例えば、それぞれ図３及び図４の液滴（３４６）及び（４４６））及び製造オブジェクト（５７８）の温度を制御するために、主制御ユニット（５８４）を通じて制御される。したがって、ナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（５００）は、様々なレベルの複雑さを有するオブジェクトの製造をサポートするために、制御ユニット及び１以上のサブ制御ユニットを含む。

【0037】

[0056] 図６を参照すると、ナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（６００）のさらに別の実施形態を示す断面概略図が提供される。示すように、装置（６００）は、溶融材料（６１０）を包含する溶融材料リザーバ（６０８）を含む。示すように、リザーバ（６０８）は、図２、図４及び図５に示すシングルノズルの実施形態、例えば、より大量の溶融材料（６１０）を収容するためのリザーバ（２０８）、（４０８）及び（５０８）よりも広い。しかしながら、リザーバ（６０８）のサイズ及び寸法は制限的であるとみなされるべきではない。装置（６００）は、リザーバ（６０８）内の圧力を調整するためのガス入口導管（６１８）を含む。一実施形態では、ガス入口導管（６１８）は、リザーバガス、例えば、不活性ガスの圧力を、約１０ｐｓｉ（６９ｋＰａ）～約２０ｐｓｉ（１３８ｋＰａ）に調整する。図示の実施形態では、装置（６００）は、溶融材料リザーバ（６０８）の外面の周りに広がり、溶融材料（６１０）を加熱及び液相に維持し、かつ、溶融材料（６１０）の混合を引き起こすのに有用な複数の誘導加熱コイル（６２４）を含む。ある実施形態では、天然ガス燃焼を含むがこれに限定されない補足的な加熱を提供するために代替の加熱方法が使用される。図２、図４及び図５に示すシングルノズルの実施形態の容積を超える溶融材料（６１０）の容積の増加は、加熱コイル（６２４）から材料リザーバ（６０８）内への熱エネルギー伝達の決定を変化させる。溶融材料（６１０）の中心領域（６１２）は、より小さなリザーバ（２０８）、（４０８）及び（５０８）の場合よりも、加熱コイル（６２４）からより遠い距離に位置決めされる。溶融材料（６１０）に熱エネルギーを導入して材料（６１０）を既定の温度範囲、例えば、約８００℃～約１０００℃（１４７２°Ｆ～１８３２°Ｆ）に維持又は誘導する方法に関わらず、溶融材料（６１０）の中心領域（６１２）への熱流束は、中心領域（６１２）を既定の温度範囲内に維持するのに十分である。溶融材料リザーバ（６０８）内に入力される既定の熱エネルギー速度は、これらに限定されないが、特定の溶融材料（６１０）の物理的特性並びにリザーバ（６０８）のサイズ及び容積などの物理的特性に依存する。

【0038】

[0057] 装置（６００）は、キャピラリチューブ（６３４）のアレイ及びバルブ（６７４）のアレイを収容するマニホールド（６３２）を通じて材料リザーバ（６０８）と流体連通して結合されたエレクトロスプレーノズル（６３０）のアレイを含む。各バルブ（６７４）は、関連のキャピラリチューブ（６３４）内に位置決めされ、かつ、図３のバルブ（３７４）と同様である。各バルブ（６７４）は、関連のノズル（６３０）を通る溶融材料（６１０）の流量を制御するように構成される。図示の実施形態では、エレクトロスプレーノズル（６３０）の各々はエレクトロスプレーノズル（５３０）と同様である。少なくとも１つの実施形態では、可変速駆動デバイスに動作可能に結合されたポンプを含むが、これに限定されない、溶融材料（６１０）の流れを調整する代替の方法が使用される。さらなる実施形態では、調整装置は使用されず、溶融材料（６１０）の流れは、例えば、限定されないが、リザーバ（６０８）の圧力を変化させることによって制御される。装置（６００）は、エレクトロスプレーノズル（６３０）のうちの関連の１つが少なくとも部分的に延在する複数の開口部（６３８）を有する引き出し電極プレート（６３６）を含む。引き出し電極プレート（６３６）は、プレート（６３６）が、エレクトロスプレーノズル（６３０）から溶融材料（６１０）を抽出するのに有用な特性を有する電場及び磁場の両方を提供するように形成され、それにより、関連の液滴（６４６）の流れを駆動するという点で、引き出し電極（３３６）と同様である。一実施形態では、溶融材料（６１０）の流れは、これらに限定されないが、例えば、電圧、電流、周波数及び／又は波形などの、引き出し電極プレート（６３６）に伝達される電力の１以上の電気的特性の調整によって制御される。したがって、製造オブジェクト（５７８）の既定の生産速度を達成するために、複数のエレクトロスプレーノズル（６３０）が使用されて、既定の蒸着速度を達成し、既定の材料で所望のパターンを形成する。

【0039】

[0058] 図７を参照すると、ナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（７００）の別の実施形態を示す断面概略図が提供される。装置（７００）は、図６の装置（６００）と同様のマルチノズルエレクトロスプレー装置である。装置（７００）は、複数の溶融材料又は溶融組成物（７１０）を包含する溶融材料リザーバ（７０８）を含む。溶融組成物（７１０）は、第１溶融組成物（７１２）、第２溶融組成物（７１４）、第３溶融組成物（７１６）、第４溶融組成物（７１８）及び第５溶融組成物（７２０）を含む。

【0040】

[0059] 一実施形態では、溶融組成物（７１０）は、各々実質的に異なる材料から構成され、すなわち、各々異なる化学組成物を有する５つの溶融組成物（７１０）から構成される。しかしながら、組成物（７１０）の各々は他の組成物と化学的に適合性がある。一実施形態では、組成物（７１０）は、いくつかの化学的特性、例えば、限定されないが、特定の化学元素又は化合物の同位体を共有する。組成物（７１０）の量は非限定的な値である。一実施形態では、任意の数の組成物（７１０）がリザーバ（７０８）内に配置される。示すように、組成物（７１０）は、複数の層（７１０ａ）を規定するために実質的に層状にされている。層状化は、それぞれ、既定の順序でリザーバ（７０８）内に既定の高さ（それぞれ、Ｈ_１－Ｈ_５）で、組成物（７１２）、（７１４）、（７１６）、（７１８）及び（７２０）の層（７１２ａ）、（７１４ａ）、（７１６ａ）、（７１８ａ）及び（７２０ａ）の位置決めを許容し又は可能にし、それにより、組成物（７１０）の各々の既定の容量をリザーバ（７０８）内に位置決めする。キャピラリチューブ（７３４）内の第１組成物（７１２）の容積はキャピラリチューブ（７３４）の高さ（Ｈ_ＣＴ）に基づいて決定される。一実施形態では、上述した垂直層化ではなく、水平層化が使用される。例えば、水平層状化は、溶融材料リザーバ（７０８）内の同心チャンバの使用を通じて可能にされ得る。

【0041】

[0060] ５つの層（７１０ａ）の厳密な分離が必要とされる場合、第１、第２、第３及び第４界面（７１２ｂ）、（７１４ｂ）、（７１６ｂ）及び（７１８ｂ）は、それぞれ、５つの層（７１０ａ）の隣接する対の間に規定される。具体的には、第１界面（７１２ｂ）は第１層（７１２ａ）と第２層（７１４ａ）との間に規定される。同様に、第２界面（７１４ｂ）は第２層（７１４ａ）と第３層（７１６ａ）との間に規定され、第３界面（７１６ｂ）は第３層（７１６ａ）と第４層（７１８ｂ）との間に規定され、第４界面（７１８ｂ）は第４層（７１８ａ）と第５層（７２０ａ）との間に規定される。界面（７１２ｂ）、（７１４ｂ）、（７１６ｂ）及び（７１８ｂ）での層（７１０ａ）間の組成混合は、所望の調整された特性を製造オブジェクト（５７８）に付与するために、組成物（７１０）間の迅速な移行を提供するために最小化される。一実施形態では、それらの界面（７１２ｂ）、（７１４ｂ）、（７１６ｂ）及び（７１８ｂ）での組成物（７１０）のいくらかの混合がエレクトロスプレー蒸着プロセスに組み込まれる。例えば、特定の製造オブジェクト（５７８）は、第１組成物からその後の組成物への段階的な移行を必要とする又はその恩恵を受ける。したがって、界面（７１２ｂ）、（７１４ｂ）、（７１６ｂ）及び（７１８ｂ）のうちの１以上は、２つの隣接する組成物のブレンドされた混合物を含むように設計される。したがって、突然の又は段階的な移行を伴う調整された特性を有する、図５のオブジェクト（５７８）などのオブジェクトを製造することが可能にされる。

【0042】

[0061] 粒子成長抑制及びピン止め
[0062] ３Ｄ電子ナノ構造を形成するための少なくともいくつかの既存ツールは、例えば、化学蒸気前駆体の電子ビーム及びイオンビーム分解を採用している。これらのビーム書き込み技術は、表面を帯電させるための連続した時間のかかるステップ並びにエッチング及びリフトオフ手順に必要とされる時間、前駆体ガスの汚染の可能性、及び、蒸着されることができる材料が本質的に少ないという欠点に悩まされている。追加の方法には、不活性ガス凝縮（ＩＧＣ）、及び、適切な材料の硬化に向けられた技術と結合されたその他のナノ粉末製造方法が含まれる。ナノ粉末の製造方法に関する少なくとも１つの製造上の欠陥は、粉末の硬化中に加えられる熱及び圧力を通じて引き起こされる粒子成長であり、これにより、材料のナノ特性が失われ、製造オブジェクト内に過度の多孔が生じる。同様に、ナノスケール製造のために設計された少なくともいくつかの既存の技術は、サイズが１００ｎｍ未満のオブジェクトを製造するための既知の方法を含む。これらの方法のいくつかには、フォトリソグラフィ、電子ビームリソグラフィ、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、液体の直接書き込み（例えば、ディップペンナノリソグラフィ）及び酸化物の走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）書き込みが含まれる。これらの製造方法には、低速に向けられた制限と、２次元（２Ｄ）構造への制約と、がある。

【0043】

[0063] 図８を参照すると、エレクトロスプレーされた液滴（８０２）及び粒子成長阻害物質ナノ粒子（８０６）によって形成された関連の架橋単分子層（８０４）を示す図（８００）が提供される。また、図９を参照すると、基材（９１２）上にエレクトロスプレーされた液滴（９０２）を示す図（９００）が提供される。図７に関連して上述した組成物（７１０）などの溶融組成物がエレクトロスプレーノズル（７３０）を通過すると、組成物（７１０）は、引き出し電極プレート（７３６）によって生成された電界を通じて引き起こされる、ノズル（７３０）の電位に起因する電気的せん断応力を受ける。引き起こされたせん断応力は、溶融組成物（７１０）の流れ（図示せず）を、エレクトロスプレーされた液滴（７４６）の１以上の流れに変換する。図示の実施形態では、エレクトロスプレーノズル（７３０）はエレクトロスプレーノズル（６３０）と同様である。エレクトロスプレーされた液滴（３４６）、（４４６）の流れ又はエレクトロスプレーされた液滴（６４６）、（７４６）の複数の流れが基材（９１２）に向けられると、液滴（８０２）、（９０２）はエレクトロスプレーノズル（７３０）から基材（９１２）に移動する。ナノサイズの液滴（８０２）がエレクトロスプレーノズル（７３０）から放出されると、溶融材料（７１０）の表面張力が液滴（８０２）を球形にする。一実施形態では、ステージ（５４２）上のオブジェクトホルダ（２５４）は、エレクトロスプレープロセスから生じる製造オブジェクト（５７８）を位置決めする。最初に、オブジェクトホルダ（２５４）は、その上に液滴（７４６）のエレクトロスプレーされた流れが蒸着される、製造オブジェクト（５７８）の基材（９１２）を保持する。ある実施形態では、基材（９１２）はオブジェクトホルダ（２５４）である。

【0044】

[0064] 図示の実施形態では、液滴（８０２）及び（９０２）は、各々が１以上の成分を含む組成物（７１２）、（７１４）、（７１６）、（７１８）及び（７２０）のうちの１つを含む。示すように、組成物（７１０）の成分は、図８に（８０６）で示され、かつ、図９に（９０６）で示される、ナノ粒子（８０８）及び粒子成長阻害物質ナノ粒子の形態のナノ構造材料を含む。液滴（８０２）及び（９０２）はまた、１以上の第１設計溶質材料（図示せず）を含む設計溶質（８１０）を含む。代替として、又は、溶質（８１０）に加えて、液滴（８０２）及び（９０２）は、１以上の設計ナノ粒子物質を含む複数の設計ナノ粒子（８１２）を含む。また、溶質（８１０）とは異なる１以上の結合剤／湿潤剤（９１０）が液滴（８０２）及び（９０２）に含まれる。ある実施形態では他の材料が追加される。図示するように、エレクトロスプレーされた液滴（８０２）及び（９０２）の成分は異質に分散されている。組成物（７１０）内の成分の異質な混合物は、組成物（７１０）全体、及びしたがって、液滴（８０２）及び（９０２）にわたって変化する成分の相対濃度を含む。しかしながら、液滴（８０２）及び（９０２）の成分も均質に分散されてもよい。組成物（７１０）内の成分の均質な混合物は、組成物（７１０）全体、及びしたがって、液滴（８０２）及び（９０２）にわたって実質的に一定の成分の相対濃度を含む。

【0045】

[0065] エレクトロスプレーされた液滴（８０２）が移動すると、粒子成長阻害物質粒子（８０６）は、液滴（８０２）に引き起こされた表面張力に打ち勝ち、液滴（８０２）の表面境界に移動して、隣接する液滴（８０２）に結合する架橋単分子層（８０４）を形成し始める。液滴（９０２）が基材（９１２）に衝突してスプラット（９０８）に変わるとき、粒子成長阻害物質粒子（９０６）は架橋単分子層（９０４）の形成を終了する。架橋単分子層（９０４）は、他の粒子の粒子成長をスプラット（９０８）内に制限し、それにより、製造オブジェクト（５７８）のナノ特性を維持する。したがって、液滴（８０２）及び（９０２）がエレクトロスプレーノズル（７３０）から標的表面までの距離を横断する際の液滴（８０２）及び（９０２）のダイナミクスが利用されて製造オブジェクト（５７８）を形成する。

【0046】

[0066] 本明細書に記載のナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（１８２）、（２００）、（３００）、（４００）、（５００）、（６００）及び（７００）の成分として使用するのに適したナノ構造材料（８０８）は、金属、金属合金、金属セラミック（特に金属炭化物及び金属窒化物）、金属間化合物、セラミック及びセラミック－セラミック複合物を含む。より具体的には、ナノ構造材料（８０８）は以下の材料、Ｃｕ、ＦｅＣｕ、ＦｅＣｏ、ＭｏＳｉ、ＭｏＣ、ＮｂＣ、ＮｉＣｒ、ＴｉＣ、ＮｉＡｌ、Ｍｏ_２Ｓｉ、ＮｉＣｒ／Ｃｒ_３Ｃ_２、Ｆｅ／ＴｉＣ、Ｍｏ／ＴｉＣ、ＷＣ／Ｃｏ、又は、Ｔｉ、ＴｉＣ、Ｍｎ、Ｗ、Ｂ、Ｙ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｖのうちの１以上を有する前述の合金のいずれか、及び、前述の金属の混合物、のうちの１以上を含む。

【0047】

[0067] 粒子成長阻害物質（８０６）及び（９０６）は、その粒子成長を制限することを通じてナノ粒子構造をピン止めし、それによって、ナノ粒子構造及びそれと共に形成される境界を安定化させるために使用されるナノ粒子ピン止め化合物である。粒子成長阻害物質（８０６）及び（９０６）は、熱処理、反応、化学的手段による還元、浸炭又は窒化によって修飾されて、粒子成長阻害物質（８０６）及び（９０６）を変換又は部分的に変換して、所望のナノ粒子境界の安定化を誘導してもよい。一実施形態では、粒子成長阻害物質（８０６）及び（９０６）は、材料供給ビン（１０２）内に入る前に、ナノ構造材料（８０８）又はナノ構造材料の前駆体の混合物内に、結合剤／湿潤剤（９１０）と共に導入される。一実施形態では、ナノ構造材料（８０８）及び粒子成長阻害物質（８０６）及び（９０６）は、湿潤剤／結合剤（９１０）を有する溶液に別個に添加される。一実施形態では、結合剤／湿潤剤（９１０）及び粒子成長阻害物質（８０６）及び（８０８）は同じ材料であるが、液相の結合剤／湿潤剤（９１０）及び固体粒子相のナノ粒子ピン止め化合物を有する。一実施形態では、アルミニウム（Ａｌ）及びチタン（Ｗ）溶質（８１０）などであるがこれらに限定されない結合剤／湿潤剤（９１０）は傾斜合金を生成するために使用され、粒子成長阻害物質（８０６）及び（８０８）は異なる材料である。アルミニウム（Ａｌ）及びチタン（Ｗ）は結合剤／湿潤剤の前駆体と呼ばれ得る。送達のための機構に関わらず、本明細書に記載の単分散ナノ液滴のエレクトロスプレー蒸着は、ナノ構造材料全体に粒子成長ピン止め剤を均一に分布させることを可能にする。

【0048】

[0068] 本明細書に記載のナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置での使用に適した粒子成長阻害物質は、好ましくは化学的に不活性であり、ナノ構造材料（８０８）の粒界上又は粒界で均一に分布しやすく、そこから形成されるナノ構造に望まれる、化学的、物理的及び機械的特性を実質的に低下させない。本明細書に記載のナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（１８２）、（２００）、（３００）、（４００）、（５００）、（６００）、（７００）と共に使用するための組成物（７１０）の成分として使用するのに適した粒子成長阻害物質（８０６）及び（９０６）には、金属、金属合金、金属セラミック（特に金属炭化物及び金属窒化物）、金属間化合物、セラミック及びセラミック－セラミック複合物が含まれる。より具体的には、粒子成長阻害物質（８０６）及び（９０６）は、Ｂ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｆｅ、Ｗ、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｔｉ、Ｍｏ、ＴｉＣ、ＡｌＳｉ、ＴｉＳｉ、ＴｉＡｌ及びＴｉＢ_２並びにそれらの組み合わせを含む材料である。さらに、希土類金属、シリコン系炭化物、チタン系炭化物、アルミニウム系窒化物、チタン系窒化物、ＢＮ、金属ケイ化物及び金属アルミナイドなどの材料が使用されてもよい。

【0049】

[0069] 表１は、設計（又は調整）溶質（８１０）及び関連の融点の一部のリストを示している。アルミニウム及びチタン合金は、原材料（１０８）及び結合剤／湿潤剤（９１０）の前駆体として使用されてもよい。

【0050】

[0070] 表２は、調整ナノ粒子（８１２）及び関連の融点の一部のリストを示している。

【0051】

[0071] エレクトロスプレーされた液滴（８０２）及び（９０２）の蒸着は３段階のシーケンスをたどる。シーケンスの第１段階は、ノズル（７３０）からの液滴（８０２）及び（９０２）の放出後、約２１ミリ秒（ｍｓｅｃ）内に発生する衝突段階である。液滴（８０２）及び（９０２）の速度は約１．００２６ｍ／ｓであり、スタンドオフ距離（３８０）は約２ｍｍである。衝突開始時の０マイクロ秒（μｓｅｃ）から約２０μｓｅｃの範囲内で、液滴（８０２）及び（９０２）は、約５００℃（９３２°Ｆ）の温度で加熱された基材（９１２）に接触する。液滴（８０２）及び（９０２）は、球形から液体ディスク形状に向かって変形し、最大広がり直径に到達する。液滴（８０２）及び（９０２）は、エレクトロスプレーノズル（７３０）から落下すると、急速に冷却され、選択された粘度及び温度に到達して、基材（９１２）又は製造オブジェクト（５７８）に付着すると同時に、粒子成長抑制物質（８０６）を液滴（８０２）の境界に移動させる。

【0052】

[0072] 第２段階は、衝突の開始時に約２０μｓｅｃ～約４５μｓｅｃ以内に発生する跳ね返り段階である。液滴（８０２）及び（９０２）は液体ディスク形状から球形に向かって跳ね返り始める。しかしながら、液滴（８０２）及び（９０２）の運動エネルギーは、液滴（８０２）及び（９０２）の表面張力に起因して少なくとも部分的に散逸するので、液滴（８０２）及び（９０２）の形状の変動が、液滴（８０２）及び（９０２）が静的で平らな形状になるまで発生する。液滴（８０２）及び（９０２）のサイズが小さいので、衝突後及び跳ね返り中の液滴（８０２）及び（９０２）の変動が最小限に抑えられる。

【0053】

[0073] 第３段階は、衝突の開始時に約４５μｓｅｃ以上発生する準定常凝固段階であり、その間、現在は動かない液滴（８０２）及び（９０２）は、スプラット（９０８）と呼ばれる平らな形状を保持する。スプラット（９０８）は、液滴（８０２）、（９０２）の温度が低下するにつれて収縮し、それによってその中に機械的応力を引き起こす。この応力は、スプラット（９０８）が共に拡散するように、基材（９１２）を既知の再結晶温度未満に維持することによって緩和される。応力が緩和されない場合、基材（９１２）の微小亀裂が発生する可能性がある。

【0054】

[0074] ナノスケールのオブジェクトを３Ｄ製造するためのいくつかの既存のナノ粉末製造技術には何らかの焼結方法を必要とする。これらの技術には、ステレオリソグラフィ、不活性ガス凝縮、レーザ気化、放電加工、ワイヤの電気爆発及びマイクロ波プラズマ技術が含まれる。焼結は、製造されるオブジェクトにクリープ、反り及び粒子成長を引き起こし得る。したがって、ナノ構造の所望のナノ特性は焼結プロセス中に失われる。

【0055】

[0075] 液滴（８０２）及び（９０２）が蒸着されると、液滴（９０２）は互いに接触させられ、それによって、基材（９１２）上の関連の層の多孔性の大幅な減少を促進する。スプラット（９０８）は、それらの平らな形状を維持しながら、基材（９１２）上に結合ナノ凝集体を形成する。エレクトロスプレー条件に曝されると、液滴（８０２）及び（９０２）内で傾斜合金を生成するバインダ前駆体、例えば、アルミニウム（Ａｌ）及びチタン（Ｗ）が結晶、例えば（８１４）及び（９１４）を形成する。これらの結晶（８１４）及び（９１４）は、液滴（９０２）内でそれぞれ粒子成長阻害物質ナノ粒子（８０６）及び（９０６）を被覆し、かつ、隣接するナノ粒子間のギャップを埋めるナノ粒子間の接続を形成する。さらに、液滴（８０２）及び（９０２）の冷却速度及び電荷を制御することにより、エレクトロスプレーされた蒸着物が、基材（９１２）上に形成された層内の任意の空隙を埋めることをさらに可能にし、それによって、製造オブジェクト（５７８）の多孔性がさらに減少する。特に、凝固スプラット（９０８）上の電荷は、スプラット（９０８）の隣接する蒸着物、すなわち、下にあるスプラット（９０８）への共有結合を可能にして、均一なナノ構造を形成する。したがって、エレクトロスプレー蒸着で作成された共有金属イオンタイプの化学結合の組み合わせにより、蒸着された材料を圧縮して多孔性を除去するための製造後の焼結が不要になる。したがって、製造オブジェクト（５７８）の材料の完全性のロバスト性は、図４に関して記載するように、溶融材料（４１０）の流れ制御を通じた特定の組成物の液滴（８０２）及び（９０２）の温度制御の方法によって改善される。材料の完全性のロバスト性は、エンクロージャキャビティ（４６２）内で温度を維持することと、図４に関連して記載したように、再結晶温度未満で蒸着された材料を維持することと、によって達成される。

【0056】

[0076] 再び図７を参照すると、第１組成物（７１２）は、第１ナノ構造材料（８０８）と、１以上の第１粒子成長阻害物質を含む複数の第１粒子成長阻害物質ナノ粒子（８０６）及び（９０６）と、を含む。第１組成物（７１２）はまた、１以上の第１設計溶質材料（図示せず）を含む第１設計溶質（８１０）を含む。代替として、又は、溶質材料に加えて、第１組成物（７１２）は、１以上の第１設計ナノ粒子材料（図示せず）を含む複数の第１設計ナノ粒子（８１２）を含む。

【0057】

[0077] 第２組成物（７１４）は、第２ナノ構造材料（８０８）と、１以上の第２粒子成長阻害物質を含む複数の第２粒子成長阻害物質ナノ粒子（８０６）及び（９０６）と、を含む。第２組成物（７１４）はまた、１以上の第２設計溶質材料（図示せず）を含む第２設計溶質（８１０）を含む。代替として、又は、溶質材料に加えて、第２組成物（７１４）は、１以上の第２設計ナノ粒子材料（図示せず）を含む複数の第２設計粒子（８１２）を含む。

【0058】

[0078] 同様に、第３、第４及び第５組成物（７１６）、（７１８）及び（７２０）は、それぞれ、第３、第４及び第５ナノ構造材料（８０８）を含む。第３、第４及び第５組成物（７１６）、（７１８）及び（７２０）はまた、それぞれ、複数の第３、第４及び第５粒子成長阻害物質ナノ粒子（８０６）及び（９０６）を含む。粒子成長阻害物質ナノ粒子（８０６）及び（９０６）は、それぞれ、１以上の第３、第４及び第５粒子成長阻害物質を含む（図示せず）。第３、第４及び第５組成物（７１６）、（７１８）及び（７２０）はまた、それぞれ、１以上の第３、第４及び第５設計溶質材料（図示せず）のうちの少なくとも１つを含む、第３、第４及び第５設計溶質物質（８１０）のうちの少なくとも１つを含む。代替として、又は、溶質材料に加えて、第３、第４及び第５組成物（７１６）、（７１８）及び（７２０）は、それぞれ、１以上の第３、第４、及び第５設計ナノ粒子材料（図示せず）を含む、それぞれ、複数の第３、第４及び第５設計ナノ粒子（８１２）を含む。

【0059】

[0079] 組成物（７１０）は、既定の構成可能なナノ構造材料（８０８）を含む。本明細書で使用される場合、ナノ構造材料（８０８）は、特性長スケールが約１ｎｍ～約１０ｎｍのオーダである微細構造を有する材料を含む。ナノ構造材料（８０８）は、剛性、強度、延性、硬度及び靭性を含むが、これらに限定されない、既定の構成可能な機械的特性を有するオブジェクト構造を製造するように設計される。ナノ構造材料（８０８）はまた、密度、電気伝導率及び熱伝導率を含むが、これらに限定されない、既定の構成可能な物理的特性を提供するように設計される。さらに、ナノ構造材料（８０８）は、耐食性を含むが、これに限定されない、既定の構成可能な化学的特性を提供するように設計されている。ナノ構造材料（８０８）は、成形性、機械加工性及び他のオブジェクトとの接合の容易さを含むが、これらに限定されない、既定の構成可能な製造特性を提供するようにさらに設計される。したがって、ナノ構造材料（８０８）は、それらの設計された及び固有の機械的、物理的、電気的及び製造特性に基づいて選択され、所望の機能特性を有する製造オブジェクト（５７８）を製造する。

【0060】

[0080] 組成物（７１０）はまた、既定の構成可能な粒子成長阻害物質ナノ粒子を含む。一実施形態では、組成物（７１０）の各々は、ナノ粒子形態の単一種の粒子成長阻害物質に対応する単一種の粒子成長阻害物質ナノ粒子をその中に有する。一実施形態では、組成物（７１０）のうちの少なくとも１つは、その中に２以上の種の粒子成長阻害物質ナノ粒子を有し、その結果、関連の組成物は、その中にナノ粒子形態の２以上の種の粒子成長阻害物質を含む。

【0061】

[0081] ナノ構造材料（８０８）及びナノ粒子形態の粒子成長阻害物質に加えて、組成物（７１０）のうちの少なくとも１以上は、設計溶質（８１０）及び設計ナノ粒子（８１２）のうちの少なくとも１つを含む。設計溶質（８１０）は、関連の沈殿物が、溶液から沈殿すると、設計された、すなわち、調整された特性を提供して、製造オブジェクト（５７８）上の蒸着層のナノ粒子構造を安定化させるのを助けるように、設計溶液中に１以上の設計溶質物質を含む。一実施形態では、沈殿物の一部は境界に移動する一方、沈殿物の他の部分はナノ粒子構造全体に移動し、それによって、ナノ粒子構造を強化する。一実施形態では、沈殿物は、例えば、より低い溶融温度で選択された材料、例えば、表１のチタン合金よりも高い溶融温度を有する材料であり、例えば、表２を参照されたい。沈殿物は、例えば、特性長スケールが約１ｎｍ～約１０ｎｍのオーダであるナノ粒子サイズである。ある実施形態では、設計溶質（８１０）ではなく又は設計溶質（８１０）に加えて、組成物（７１０）のうちの少なくとも１以上はその中に設計ナノ粒子（８１２）を含む。設計ナノ粒子（８１２）は、設計ナノ粒子（８１２）が溶液に溶解されず、かつ、流動促進液と共に、又は、一実施形態では流動促進液なしで、流動性固体の形態で関連の組成物に添加されるという点で、設計沈殿物とは異なる。表１を参照されたい。設計ナノ粒子（８１２）は、その中に１以上の設計ナノ粒子材料を含む。したがって、設計溶質（８１０）、設計溶質材料、設計ナノ粒子（８１２）及び設計ナノ粒子材料は、調整された製造オブジェクト（５７８）を規定する調整されたナノ構造を生成するために使用される、（設計ナノ粒子（８１２）の形態の）調整されたナノ複合物を生成するために選択又は特別に製造される。

【0062】

[0082] 本明細書で使用される場合、用語「ナノ構造」は、特性長スケールが約１ｎｍ～約１００ｎｍのオーダである微細構造を有するエレクトロスプレー蒸着プロセスを通じて形成される構造をいう。本明細書で使用される用語「オブジェクト」は、その上にナノ構造が形成される、特性長スケールが約１００ｎｍ超のエレクトロスプレー蒸着プロセスを通じて製造されたオブジェクト（５７８）をいう。そうして製造されたオブジェクト（５７８）には、ナノスケールのエネルギー変換デバイス用の電極、事実上すべての産業用のマイクロデバイス及びマイクロツール、並びに、肉眼で容易に識別可能な巨視的なデバイス及びツールが含まれるが、これらに限定されない。

【0063】

[0083] 本明細書で使用されるように、設計ナノ粒子（８１２）の形態の調整されたナノ複合物を定義することに加えて、用語「設計された」及び「調整された」は、エレクトロスプレー蒸着プロセスを通じて生成されたナノ複合物ナノ粒子の、エレクトロスプレー蒸着を通じて生成されたナノ構造の、特定のプログラムされた、構成された又は構成可能な特性及び特性を示している。設計ナノ構造は、構成された非段階的特性及び構成された段階的特性のうちの少なくとも１つを含む。ナノ構造の構成された非段階的特性の非限定的な例には、製造オブジェクト（５７８）全体にわたる均一な色及び均一な強度が含まれる。

【0064】

[0084] 構成された段階的ナノ構造特性の非限定的な例には、段階的特性が少なくとも１つの物理的寸法の関数として変化する、段階的強度特性並びに不均一な電気伝導率及び熱伝導率が含まれる。プロパティの段階は線形及び非線形のうちの１つである。さらに、段階的特性には、本明細書に記載のエレクトロスプレープロセスを通じて基材（図示せず）上に蒸着された材料の材料組成が少なくとも１つの物理的寸法の関数として変化する傾斜合金が含まれる。段階的特性は、第１特性及び第２特性のバリエーションを含んでもよく、第１特性及び第２特性は、類似の特性又は異なる特性のいずれかである。一実施形態では、特性の変化は、１以上の成分を除去し、かつ、１以上の成分を追加することを含むがこれらに限定されない、組成物の成分の濃度を変化させることを通じて作成される。したがって、本明細書に記載のエレクトロスプレー蒸着プロセスを通じて製造された設計された製造オブジェクト（５７８）は、３つの物理的寸法に関して相対的に均一であるか、又は、３つの物理的寸法のうちの１以上に関して変化する、特定の調整された特性及び特徴を含む。

【0065】

[0085] ナノ材料（層）の蒸着及びナノ構造の形成
[0086] 図１０を参照すると、線形勾配（１００４）を有する傾斜合金（１００２）を示す図（１０００）が提供される。３つの蒸着層（１００６）、（１００８）及び（１０１０）が示されているが、この蒸着層の数は非限定的な値である。示すように、第１蒸着層（１００６）は第２蒸着層（１００８）で覆われ、第２蒸着層（１００８）が今度は第３蒸着層（１０１０）で覆われる。層（１００６）、（１００８）及び（１０１０）の材料組成は実質的に同様であり、各層は１以上の成分を含む。一実施形態では、層（１００６）、（１００８）及び（１０１０）の各々は、層（１００６）、（１００８）及び（１０１０）の各々について順次蒸着される１以上の異なる組成物を含む。層（１００６）、（１００８）及び（１０１０）の各々は、層（１００６）、（１００８）及び（１０１０）の各々が同様の厚さを有するように、Ｙ次元でほぼ同様の距離で延在する。一実施形態では、３つの層（１００６）、（１００８）及び（１０１０）は、３次元空間に広がる任意の次元値を有している。特性の値がより高い領域（１０１２）が示されており、特性の値がより低い領域（１０１４）が別の領域に示されている。特性の値は、Ｘ軸に沿って矢印（１０１６）の方向に直線的に減少する。一実施形態では、形成される段階的ナノ構造は、その中に１以上の傾斜合金を含み、傾斜合金の各々は、少なくとも１つの物理的寸法に関して変化する材料組成を有する段階的ナノ構造の１以上の種を規定する。変化し得る特性の非網羅的なリストには、成分濃度、剛性、強度、延性、硬度、密度、電気伝導率、熱伝導率、耐食性及び機械加工性が含まれる。図１０では、１つの特性が一次元で線形に変化して示されているが、別の実施形態では、特性は多次元で変化する。一実施形態では、２以上の特性が１以上の次元で変化する。したがって、線形勾配を有する傾斜合金を含む段階的ナノ構造は、本明細書に記載されるように複数の層の蒸着を通じて形成される。

【0066】

[0087] 図１１を参照すると、非線形勾配（１１０４）を有する傾斜合金（１１０２）を示す図（１１００）が提供される。３つの蒸着層（１１０６）、（１１０８）及び（１１１０）が示されているが、層の数は非限定的な値である。示すように、第１蒸着層（１１０６）は第２蒸着層（１１０８）で覆われ、第２蒸着層（１１０８）は今度は第３蒸着層（１１１０）で覆われる。さらに、３つの層（１１０６）、（１１０８）及び（１１１０）の材料組成は実質的に同様であり、各層は、本明細書の他の箇所で記載されるように、１以上の成分を含む。一実施形態では、層（１１０６）、（１１０８）及び（１１１０）の各々は、層（１１０６）、（１１０８）及び（１１１０）の各々について順次蒸着される１以上の異なる組成物を含む。さらに、示すように、層（１１０６）、（１１０８）及び（１１１０）の各々は、層（１１０６）、（１１０８）及び（１１１０）の各々が同様の厚さを有するように、Ｙ次元でほぼ同様の距離で延在する。一実施形態では、層（１１０６）、（１１０８）及び（１１１０）は、３次元（Ｘ、Ｙ、Ｚ）に広がる任意の次元値を有している。図１１の左の第１領域（１１１２）は、例えば右の第２領域（１１１４）に示されるよりも低い特性の値を有し、特性の値は、界面（１１１６）においてＸ軸に沿って実質的に瞬時に増加する。一実施形態では、形成される段階的ナノ構造は、その中に１以上の傾斜合金を含み、傾斜合金の各々は、少なくとも１つの物理的次元に関して変化する材料組成を有する段階的ナノ構造の１以上の種を規定する。変化し得る特性の非網羅的リストには、成分濃度、剛性、強度、延性、硬度、密度、電気伝導率、熱伝導率、耐食性及び機械加工性が含まれる。図１１では、１つの特性が一次元で変化して示されているが、一実施形態では、特性は多次元で変化する。一実施形態では、２以上の特性が１以上の次元で変化する。したがって、非線形勾配を有する傾斜合金を含む段階的ナノ構造は、本明細書に記載されるように複数の層の蒸着を通じて形成される。

【0067】

[0088] 図１２を参照すると、線形に段階的な結合蒸着層（１２０２）を示す図（１２００）が提供される。また、図７を参照すると、一実施形態では、組成物（７１０）の各々は、関連の層（７１０ａ）内で実質的に均質であり、実質的に均質な組成物（７１０）の各々は互いに異なる。関連の蒸着層がナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（７００）を通じて基材（１２０８）上に蒸着されるとき、層は、各層（１２０４）及び（１２０６）が実質的に均質である段階的結合蒸着層（１２０２）を形成する。具体的には、第１蒸着層（１２０４）は、第１均質組成物（７１２）を含む基材上に蒸着され、第２蒸着層（１２０６）は、第１蒸着層（１２０４）の少なくとも一部上に蒸着され、第２蒸着層（１２０６）は、第２組成物（７１４）、例えば、均質な組成物を含む。段階的結合蒸着層（１２０２）の全体的な材料組成は、少なくとも１つの物理的次元に関して変化する。１つの非限定的な例は、基材（１２０８）の長さ（Ｘ次元）に沿った位置の関数として変化する基材（１２０８）の上方の層（１２０６）の高さ（Ｙ次元）を含み、それによって、実質的に直線的な界面（１２１０）を有する段階的結合蒸着層（１２０２）を形成する。一実施形態では、段階的結合蒸着層（１２０２）はまた、第１均質組成物（７１２）及び第２組成物（７１４）の適切な蒸着を通じて、幅、例えば、Ｚ寸法で変化し得る。一実施形態では、このプロセスは、各層又は一部の層が、割り当てられた特性に関して以前の層及び後続の層から変化するように、装置（７００）によって蒸着される後続の蒸着層のすべてに外挿される。一実施形態では、第１組成物（７１２）及び／又は第２組成物（７１４）は均質ではなく、そこから蒸着される第１蒸着層（１２０４）及び／又は第２蒸着層（１２０６）もまた均質ではない。一実施形態では、形成される段階的ナノ構造は、その中に段階的結合線形蒸着層（１２０２）の１以上を含み、段階的蒸着層（１２０２）の各々は、少なくとも１つの物理的寸法に関して変化する材料組成を有する段階的ナノ構造の１以上の種を規定する。したがって、結合された段階的蒸着層（１２０２）を形成することによって、製造オブジェクト（５７８）上に段階的ナノ構造が形成される。

【0068】

[0089] 図１３を参照すると、非線形に段階的な結合蒸着層（１３０２）を示す図（１３００）が提供される。また、図７は、実質的に均質な組成物（７１０）の各々が互いに異なる実施形態の例示のために参照される。関連の蒸着層がナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（７００）を通じて基材（１３１０）上に蒸着されるとき、層は、第１蒸着層（１３０４）、第２蒸着層（１３０６）及び第３蒸着層（１３０８）を備える段階的結合蒸着層（１３０２）を形成し、層（１３０４）、（１３０６）及び（１３０８）の各々は実質的に均質である。第１蒸着層（１３０４）は、第１均質組成物（７１２）を含む基材（１３１０）上に蒸着される。第２蒸着層（１３０６）は第１蒸着層（１３０４）の少なくとも一部上に蒸着され、第２蒸着層（１３０６）は均質な第２組成物（７１４）を含む。第３蒸着層（１３０８）は第２蒸着層（１３０６）の少なくとも一部上に蒸着され、第３蒸着層（１３０８）は均質な第３組成物（７１６）を含む。一実施形態では、第３蒸着層（１３０８）も第１蒸着層（１３０４）の少なくとも一部上に蒸着される。段階的結合蒸着層（１３０２）の全体的な材料組成は、少なくとも１つの物理的次元に関して変化する。１つの非限定的な例は、基材（１３１０）に沿った長さ（Ｘ次元）における位置の関数として基材（１３１０）の上方で変化する第２蒸着層（１３０６）の高さ（Ｙ次元）を含み、それによって、段階的結合蒸着層（１３０２）を形成する。一実施形態では、段階的結合蒸着層（１３０２）はまた、第１均質組成物（７１２）、第２組成物（７１４）及び第３組成物（７１６）の適切な蒸着を通じて幅（Ｚ寸法）が変化し得る。一実施形態では、このプロセスは、装置（７００）によって蒸着されたすべての蒸着層に外挿され、その結果、層（１３０４）、（１３０６）及び（１３０８）の各々又は一部の層は、割り当てられた特性に関して以前及び後続の層から変化する。一実施形態では、第１組成物（７１２）及び／又は第２組成物（７１４）及び／又は第３組成物（７１６）は均質ではなく、第１蒸着層（１３０４）及び／又は第２蒸着層（１３０６）及び／又は第３蒸着層（１３０８）も均質ではない。一実施形態では、形成される段階的ナノ構造は、その中に１以上の段階的結合非線形蒸着層（１３０２）を含み、段階的蒸着層（１３０２）の各々は、少なくとも１つの物理的寸法に関して変化する材料組成を有する段階的ナノ構造の１以上の種を規定する。したがって、結合された段階的蒸着層（１３０２）を形成することによって、製造オブジェクト（５７８）上に段階的ナノ構造が形成される。

【0069】

[0090] 図１４を参照すると、均質な結合蒸着層（１４０２）を示す図（１４００）が提供される。一実施形態では、図７を参照すると、実質的に均質な組成物（７１２）及び（７１４）の各々は互いに異なる。関連の蒸着層（１４０４）及び（１４０６）がナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（７００）を通じて基材（１４０８）上に蒸着されるとき、層（１４０４）及び（１４０６）は均質な結合蒸着層（１４０２）を形成し、層（１４０４）及び（１４０６）の部分は実質的に均質である。第１蒸着層（１４０４）は、基材（１４０８）上に蒸着され、かつ、第１均質組成物（７１２）を含む。第２蒸着層（１４０６）は、第１蒸着層（１４０４）の少なくとも一部に蒸着され、第２蒸着層（１４０６）は均質な第２組成物（７１４）を含む。１つの非限定的な例は、基材（１４０８）の上方の高さ（Ｙ）並びに基材（１４０８）に沿った２つの層（１４０４）及び（１４０６）の長さ（Ｘ）及び幅（Ｚ）の寸法に関して実質的に均質であり、それによって、界面（１４１０）を有する均質な結合蒸着層（１４０２）を形成する、２つの層（１４０４）及び（１４０６）の材料組成を含む。示すように、界面（１４１０）はＸ軸に実質的に平行である。一実施形態では、界面（１４１０）は、本明細書に記載の装置（７００）の動作を可能にする任意の向きで形成される。一実施形態では、このプロセスは、装置（７００）によって蒸着された各層又は一部の層が、割り当てられた特性に関する以前の及び後続の層と実質的に同様であるように、装置（７００）によって蒸着された蒸着層（１４０４）及び（１４０６）のすべてに外挿される。一実施形態では、形成される段階的ナノ構造は、その中に１以上の均質な結合蒸着層（１４０２）を含み、蒸着層（１４０２）の各々は、少なくとも1つの物理的寸法に関して実質的に一定である材料組成を有する段階的ナノ構造の１以上の種を規定する。したがって、均質な結合蒸着層（１４０２）を形成することによって、製造オブジェクト（５７８）上に実質的に均質なナノ構造が形成される。

【0070】

[0091] 一実施形態では、組成物（７１０）の層（７１０ａ）のうちの少なくとも１つは１以上のナノ構造材料（８０８）のブレンドを含む。一実施形態では、関連の層（７１０ａ）内のブレンドは、均質ブレンド、異質ブレンド又はそれらの組み合わせのうちの１つである。一実施形態では、ナノ構造材料（８０８）ナノ粒子は、製造オブジェクト（５７８）の一部又は全体内に既定の構成された電気導電性を提供するために、絶縁性、導電性及び半導電性ナノ粒子の特性のうちの１以上を有してもよい。複数のナノ構造材料（８０８）の均質なブレンドは、関連の層（７１０ａ）全体に実質的に均質に分散された様々なナノ構造材料（８０８）を含む。一実施形態では、エレクトロスプレー装置（７００）によって蒸着された層は、蒸着された層全体に実質的に均質に分散された様々なナノ構造材料（８０８）を含む。そうしたブレンドを製造するための１つの非限定的な方法は、材料供給ビン（１０２）内に導入する前に原材料（１０８）としてナノ構造材料（８０８）の所望のブレンドを混合することを含む。例えば、一実施形態では、ブレンドは磁束線に従う。したがって、組成物（７１０）の１以上内での複数のナノ構造材料（８０８）の均質なブレンドは、エレクトロスプレー装置（７００）で製造された製造オブジェクト（５７８）上に蒸着材料の実質的に均一な層を配置することを提供する。

【0071】

[0092] 一実施形態では、複数のナノ構造材料（８０８）の異質なブレンドは、関連の層（７１０ａ）全体に実質的に異質に分散している様々なナノ構造材料（８０８）を含む。エレクトロスプレー装置（７００）によって蒸着された層は、例示的な実施形態によれば、蒸着された層全体に実質的に異質に分散された様々なナノ構造材料（８０８）を含む。ナノ構造材料（８０８）のブレンドのそうした異質な分散は、エレクトロスプレー装置（７００）を使用して蒸着された関連の層の既定の部分全体に段階的特性を位置決めすることを提供する。ナノ構造材料（８０８）の異質なブレンドを製造するための非限定的な方法は、材料供給ビン（１０２）内に挿入する前に、原材料（１０８）の混合物に凝集添加剤を加えることを含む。したがって、組成物の１以上内での複数のナノ構造材料（８０８）の異質なブレンドは、エレクトロスプレー装置（７００）で製造された製造オブジェクト（５７８）上の蒸着された材料の層の既定の部分内に段階的特性を位置決めすることを提供する。

【0072】

[0093] 一実施形態では、組成物（７１０）の層（７１０ａ）の１以上は複数の副層（図示せず）によって形成され、副層の１以上は、複数のナノ構造材料（８０８）の均質なブレンドを含み、１以上の副層は、複数のナノ構造材料（８０８）の不均質なブレンドを含む。異質なブレンドと均質なブレンドとの組み合わせを組成物（７１０）の２以上の層（７１０ａ）に外挿すると、製造オブジェクト（５７８）に複数の均質な部分及び異質な部分を与える複数の蒸着層が生じる。したがって、溶融材料リザーバ（７０８）内の異質及び均質な副層の組み合わせは、製造オブジェクト（５７８）に、エレクトロスプレー装置（７００）を通じて蒸着された層の部分に均質な特性を、かつ、蒸着された層の他の部分に異質な特性を提供し、それにより、その中の既定の部分に均一な特性及び段階的な特性を有する製造オブジェクト（５７８）を形成する。

【0073】

[0094] 実施形態では、上述したように、組成物（７１０）の１以上内の複数のナノ構造材料（８０８）のブレンドは、段階的特性を規定するその少なくとも一部を有するオブジェクト（５７８）の製造を可能にする。さらに、実施形態では、ブレンド中のナノ構造材料（８０８）の相対濃度も段階的特性を規定するために変化させられる。一実施形態では、複数の粒子成長阻害物質のうちの１以上、複数の設計溶質材料及び複数の設計ナノ粒子材料が、ナノ構造材料（８０８）のブレンドに加えて又はその代わりにブレンドされる。粒子成長阻害物質、設計溶質材料及び設計ナノ粒子材料のブレンドも異質、均質又はそれらの組み合わせのうちの１つである。したがって、製造オブジェクト（５７８）の設計された特性は、粒子成長阻害物質、設計溶質材料及び設計ナノ粒子材料のうちの１以上の濃度を調節することを通じてさらに可能にされる。

【0074】

[0095] 蒸着プロセス全体にわたる液滴（７４６）の温度制御が検討される。一実施形態では、組成物（７１０）の各々は、異なる温度条件を使用して蒸着される。したがって、本明細書に記載の液滴（７４６）の温度を制御するための装置及び方法は、拡張可能であり、かつ、組成物（７１０）の各々に適応可能である。

【0075】

[0096] 一実施形態では、製造オブジェクト（５７８）上に調整ナノ構造を形成するための設計ナノ構造材料（８０８）の既定の配置に加えて、犠牲材料（図示せず）が溶融組成物（７１０）の１以上に含まれる。製造オブジェクト（５７８）上に蒸着された１以上の組成物（７１０）は、製造オブジェクト（５７８）をさらに形成するためにその後に除去される犠牲材料を含むように変更される。一実施形態では、犠牲物質を除去するためにアセトンが使用される。したがって、様々な材料蒸着物のうちの１つが取り去られて異常な３Ｄ形状を作成するときの設計状況を含め、製造後の機械加工なしで任意の３次元（３Ｄ）設計が製造されることができる。

【0076】

[0097] 図７に図示する実施形態を参照すると、ナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（７００）は、マニホールド（７３２）内にアレイで配列された複数のエレクトロスプレーノズル（７３０）を含む。示すように、ノズル（７３０）は直線的に配列されている。一実施形態では、ノズルの配列はＸ軸の方向にある。一実施形態では、エレクトロスプレーノズル（７３０）は、本明細書に記載されるような迅速な製造の態様を可能にする任意の構成で配列され、例えば、任意の数のノズル（７３０）がＸ軸及びＺ軸に関して任意の構成で配列される。一実施形態では、ノズル（７３０）は、１以上の１次ノズル（ノズル（７３０）として示される）及び関連の２次マニホールド（７８２）に動作可能に結合された複数の２次ノズル（７８０）として配列され、オブジェクトホルダ（７５４）は、横平面（７５４_平面）を規定する表面（７５４_表面）を含み、複数の２次ノズル（７８０）が横平面（７５４_平面）の周りに延在する弧状配向内に向けられる。２次ノズル（７８０）の各々は、２次スプレー液滴（７８４）の流れを表面（７５４_表面）に向ける。図示の実施形態では、１つのマニホールド（７８２）及び３つの２次ノズル（７８０）が示され、マニホールド（７８２）及び２次ノズル（７８０）の数は非限定的である。一実施形態では、２次ノズル（７８０）は、横平面（７５４_平面）に対して直交して配向されている。一実施形態では、２次ノズル（７８０）は、横平面（７５４_平面）に対して非直交に配向されている。一実施形態では、２次マニホールド（７８２）はマニホールド（７３２）に結合されている。一実施形態では、２次マニホールド（７８２）は別個の材料源（図示せず）に結合されている。一実施形態では、ノズル（７３０）はＹ軸の方向に配置されてもよい。しかしながら、エレクトロスプレー液滴（７４６）並びにステージ（２４２）及び（４４２）の温度制御に関して本明細書の他の箇所に記載されるような制限は、ノズル（７３０）の配列において検討されるべき要因である。一実施形態では、単一のオリフィス（２４０）及び（３４０）ではなく、キャピラリチューブ（７３４）は、製造オブジェクト（５７８）上に非常に均一なフィルム又はパターンを生成するための蒸着ノズルとして、１以上のオリフィス（図示せず）又はノズル（図示せず）を有する被覆又はパターニングヘッド（図示せず）を含む。パターニングヘッドは、マニホールド（７３２）内の単一又は２以上の列に配列された単一又は複数の導電性キャピラリオリフィスを有する引き出し電極プレート（７３６）に近接している。一実施形態では、オリフィス又はノズルの終了位置、例えば、先端は、オブジェクトホルダ（７５４）の横平面（７５４_平面）の下に配置される。一実施形態では、オリフィス又はノズルは横平面（７５４_平面）の上方又は平行に配置される。オリフィス又はノズルが導電性である実施形態では、オリフィス及び／又はノズルは、絶縁性被覆（図示せず）で被覆されている。オリフィス又はノズルが誘電体物質で製造されている一実施形態では、オリフィス又はノズルは、導電性被覆（図示せず）で被覆されている。したがって、本明細書に記載のナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（７００）の動作を可能にするノズル（７３０）及び（７８０）の任意の数及び任意の構成が使用される。

【0077】

[0098] エレクトロスプレーノズル（７３０）のアレイを通る組成物（７１０）の流量は、オブジェクト（５７８）上の液滴（７４６）の流れの蒸着パターンを制御する。蒸着パターンはまた、ステージ（２４２）及び（４４２）の位置決めを通じたオブジェクト（５７８）に対するノズル（７３０）の整列を通じて制御される。流量は、抽出器／誘導プレート（７３６）の組み合わせによって生成される電界及び磁界の調整を通じた液滴（７４６）の流れの整列を通じて制御される。エレクトロスプレープロセス中、個々のノズル（７４６）を通る蒸着速度は、関連のバルブ（７７４）の調整を通じて制御される。一実施形態では、オブジェクト（５７８）の一部は、その上に様々な速度の材料蒸着を受け、それによって、オブジェクト（５７８）への調整された特性の送達をさらに強化する。組成物（７１０）の各々について、オブジェクト（５７８）への材料の蒸着の調整が同様に行われる。ある組成物（７１０）の場合、オブジェクト（５７８）へのその蒸着は、液滴（７４６）を受け取るオブジェクト（５７８）の一部に関して選択的であってもよい。したがって、複数のエレクトロスプレーノズル（７３０）を通じた液滴（７４６）の複数の流れの調整及びステージ（２４２）及び（４４２）のノズル（７３０）との選択的整列による組成物（７１０）の蒸着は、オブジェクト（５７８）上への組成勾配の形成を提供する。

【0078】

[0099] 一実施形態では、ナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（１８２）、（２００）、（３００）、（４００）、（５００）、（６００）及び（７００）は主制御ユニット（５８４）を含む。主制御ユニット（５８４）は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、プログラマブルロジックデバイス、すなわち、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）及び分散処理システム（ＤＣＳ）などのプログラマブルハードウェアデバイスに実装される。主制御ユニット（５８４）は、機能を有効にし、かつ、本明細書に記載の例示的な実施形態の方法を実行するためのプロセッサユニット、メモリデバイス及びストレージデバイスを含むがこれらに限定されない十分なハードウェアデバイスを含む。さらに、主制御ユニット（５８４）は、機能を有効にし、かつ、本明細書に記載される例示的な実施形態の方法を実行するのに十分なソフトウェアを含む。さらに、主制御ユニット（５８４）は、機能を有効にし、かつ、本明細書に記載の方法の実施形態を実行するために、ワイヤ及びケーブルを通じて又は無線で、十分な通信チャネルを通じて関連の測定及び制御デバイスに動作可能及び通信可能に結合される。したがって、本明細書に記載のナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（１８２）、（２００）、（３００）、（４００）、（５００）、（６００）及び（７００）の動作を有効にするハードウェア及びソフトウェアの任意の組み合わせが使用される。

【0079】

[0100] 例示的な実施形態では、層の蒸着（１００６）、（１００８）、（１０１０）、（１１０６）、（１１０８）、（１１１０）、（１２０４）、（１２０６）、（１３０４）、（１３０６）、（１３０８）、（１４０４）及び（１４０６）、以下、総称して蒸着層と呼ぶ、は、第１光学側面計（５８２）及び第２光学側面計（５８８）から収集されたプロファイルデータを使用して、蒸着層の蒸着中、エレクトロスプレー装置（１８２）、（２００）、（３００）、（４００）、（５００）、（６００）及び（７００）、以下、総称してナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置と呼ぶ、を制御する主制御ユニット（５８４）を通じて制御される。光学側面計（５８２）及び（５８８）は、側面計（５７２）及び（５８８）から製造オブジェクト（５７８）までの距離を特定の時間間隔で測定して、ステージ（５４２）がエレクトロスプレーノズル（５３０）及び（７３０）に関して製造オブジェクト（５７８）を移動させる際に、製造オブジェクト（５７８）のプロファイルデータを作成する。後続の蒸着層の蒸着のために、主制御ユニット（５８４）は、後続の蒸着層のプロファイルデータに基づいて、測定されたスタンドオフ距離（３８０）を目標スタンドオフ距離に維持するために、必要に応じてステージ（５４２）を垂直に移動させる。主制御ユニット（５８４）はまた、プロファイルデータを使用して、以前の蒸着層におけるエラーを補償する。例えば、後続の蒸着層のプロファイルデータが、製造オブジェクト（５７８）のある領域が厚すぎることを示している場合、主制御ユニット（５８４）は、製造オブジェクト（５７８）の関連領域上にあるとき、エレクトロスプレーノズル（５３０）及び（７３０）を通る溶融材料（５１０）及び（７１０）の流速を遅くすることによって、後続の又は隣接して位置決めされた蒸着層を修正することができる。同様に、例えば、後続の蒸着層のプロファイルデータが、製造オブジェクト（５７８）のある領域が薄すぎることを示している場合、主制御ユニット（５８４）は、製造オブジェクト（５７８）の関連の領域上にあるときに、エレクトロスプレーノズル（５３０）及び（７３０）を通る溶融材料（５１０）及び（７１０）の流速を上げることによって、後続の又は隣接して位置決めされた蒸着層の厚さ誤差を補正することができる。主制御ユニット（５８４）は、バルブ（３７４）及び（７７４）を使用すること、リザーバ（５０８）及び（７０８）のガスの圧力を変化させること、又は、引き出し電極（５３６）及び（７３６）の電気的条件を変更することを通じて、溶融材料（５１０）及び（７１０）の流量を制御する。

【0080】

[0101] 例示的な実施形態では、主制御ユニット（５８４）は、ステージ（５４２）の位置決めを制御して、基材（９１２）、（１２０８）、（１３１０）、（１４０８）及び／又は製造オブジェクト（５７８）と、液滴（７４６）の流れの既定の開始及び停止を通じて組成物（７１０）を蒸着させるためのエレクトロスプレーノズル（７３０）のアレイと、を選択的に整列させる。一実施形態では、第１組成物（７１２）は、溶融材料リザーバ（７０８）から抽出され、かつ、第１組成物（７１２）が使い果たされるまで、ノズル（７３０）の起動及びステージ（５４２）の位置決めの既定のシーケンスにおいて製造オブジェクト（５７８）上に蒸着される。その後、主制御ユニット（５８４）は、第２、第３、第４及び第５組成物（７１４）、（７１６）、（７１８）及び（７２０）をそれぞれ順次蒸着させて、組成勾配、傾斜合金及び本明細書の他の箇所に記載される段階的ナノ構造のうちの１以上を形成する。

【0081】

[0102] 一実施形態では、プログラムコードを有するコンピュータプログラム製品は、主制御ユニット（５８４）内に存在する又は主制御ユニット（５８４）に動作可能に結合されたネットワーク化されたコンピュータコンポーネントに存在する。プログラムコードは、蒸着層が１以上の既定のオブジェクト構成特性を有するオブジェクト構成を作成するように、基材（９１２）又は製造オブジェクト（５７８）上に蒸着層を蒸着するのに十分なプログラム命令を含む。一実施形態では、製造オブジェクト（５７８）は、ステージ（５４２）を案内し、かつ、製造オブジェクト（５７８）への選択された組成物（７１０）の蒸着を開始又は終了するために、主制御ユニット（５８４）内に存在するコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）ソフトウェアプログラムを通じて製造される。一実施形態では、ＣＡＤソフトウェアプログラムは、主制御ユニット（５８４）に動作可能に結合された別のネットワーク化されたコンピュータコンポーネントに存在している。したがって、２次元及び／又は３次元（３Ｄ）製造オブジェクト（５７８）は、ソフトウェアによって、所望の材料の正確な蒸着が案内されるコンピュータモデルから製造される。

【0082】

[0103] 一実施形態では、制御ユニット（５８４）は、図１の原材料（１０８）が追加されてナノスケールエレクトロスプレー蒸着システム（１００）の材料ハンドリング部分を通って輸送される際に組成物（７１０）の個々の成分を調節する。一実施形態では、複数の材料供給ビン（１０２）及び複数の原材料移送デバイス（１３０）が使用されて、組成物（７１０）のバリエーションを生成する。ナノ構造材料（８０８）、粒子成長阻害物質ナノ粒子、設計溶質材料及び／又は設計ナノ粒子材料の濃度は変更されて、最終的に任意の所望の種の溶融組成物（７１０）を提供し得る。１つの非限定的な例は、既定の構成されたナノ構造材料混合物のバリエーションを生成し、既定の構成可能な溶融組成物（７１０）及び後続の段階的ナノ構造のバリエーションを製造オブジェクト（５７８）上に形成することを促進するために、一緒に混合される複数の異なるナノ構造材料（８０８）の濃度を含む。したがって、その例では、溶融組成物（７１０）の各々は、特定の混合物のバリエーションであり、構成可能なバリエーションの程度が事前に決定される。他の実施形態では、実質的に異なる特性を有する複数のナノ構造材料（８０８）が混合されて、固有の混合物及び固有の溶融組成物を形成する。同様に、粒子成長阻害物質ナノ粒子、設計溶質材料及び設計ナノ粒子材料は変更されてもよい。一実施形態では、本明細書に記載のナノ構造を製造するために必要な他の任意の材料が使用されて変更されてもよい。一実施形態では、上記の表１及び表２にリストされているものなどの他の航空宇宙材料が使用されて変更されてもよい。一実施形態では、さらなる下流の製造を容易にする他の材料が使用されてもよい。したがって、本明細書に記載の溶融組成物（７１０）の製造は、製造オブジェクト（５７８）を製造するために必要な成分濃度のスペクトル全体にわたって組成物（７１０）を製造することを提供する。

【0083】

[0104] 追加のナノスケールエレクトロスプレー蒸着システム
[0105] 図１５を参照すると、ナノスケールエレクトロスプレー蒸着システム（１５００）の別の実施形態を示す断面概略図が提供される。示すように、３つのナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（１５８２_Ａ）、（１５８２_Ｂ）及び（１５８２_Ｃ）は、平行又は相対的に平行に配置されている。３つのエレクトロスプレー蒸着装置が示されているが、この数は説明の目的のためであり、非限定的な数と見なされるべきである。第１ナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（１５８２_Ａ）は、第１溶融組成物（１５１０_Ａ）を包含する第１溶融材料リザーバ（１５０８_Ａ）を含む。第１ナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（１５８２_Ａ）はまた、第１エレクトロスプレーノズル（１５３０_Ａ）に動作可能に結合された第１引き出し電極（１５３６_Ａ）でエンクロージャ（１５６０）を貫通する第１エレクトロスプレーノズル（１５３０_Ａ）を含む。第１エレクトロスプレーノズル（１５３０_Ａ）は、概して、ステージ（１５４２）上に位置決めされた製造オブジェクト（１５７８）に向かって配向される。

【0084】

[0106] 同様に、第２及び第３ナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（１５８２_Ｂ）及び（１５８２_Ｃ）は、それぞれ、第２及び第３溶融組成物（又は組成物）（１５１０_Ｂ）及び（１５１０_Ｃ）を包含する、それぞれ、第２及び第３溶融材料リザーバ（１５０８_Ｂ）及び（１５０８_Ｃ）を含む。第２及び第３ナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（１５８２_Ｂ）及び（１５８２_Ｃ）は、それぞれ、ノズル（１５３０_Ｂ）及び（１５３０_Ｃ）に動作可能に結合された、それぞれ、第２及び第３引き出し電極（１５３６_Ｂ）及び（１５３６_Ｃ）でエンクロージャ（１５６０）を貫通する、それぞれ、第２及び第３エレクトロスプレーノズル（１５３０_Ｂ）及び（１５３０_Ｃ）も含む。第２及び第３エレクトロスプレーノズル（１５３０_Ｂ）及び（１５３０_Ｃ）は、ステージ（１５４２）上に位置決めされた製造オブジェクト（１５７８）に向かって配向される。したがって、ナノスケールエレクトロスプレー蒸着システム（１５００）などの製造システムは、製造オブジェクト（１５７８）を効率的に製造するために、複数のナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（１５８２_Ａ）、（１５８２_Ｂ）及び（１５８２_Ｃ）を含む。一実施形態では、複数の引き出し電極（１５３６_Ａ）、（１５３６_Ｂ）及び（１５３６_Ｃ）に代えて、引き出し電極プレート（７３６）と同様の１以上の引き出し電極プレートが使用される。

【0085】

[0107] 各ナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（１５８２_Ａ）、（１５８２_Ｂ）及び（１５８２_Ｃ）は、本明細書の他の箇所に記載されるように、単分散ナノ液滴（図１５には図示せず）のエレクトロスプレー蒸着を実行する。３つの溶融組成物（１５１０_Ａ）、（１５１０_Ｂ）及び（１５１０_Ｃ）の各々は、実質的に類似しているか、特定の組成物の漸進的バリエーションであるか、又は、異なる。ステージ（１５４２）は、その上に既定の構成されたナノ構造を構築するために、製造オブジェクト（１５７８）が適切な材料組成物（１５１０_Ａ）、（１５１０_Ｂ）及び（１５１０_Ｃ）をそれぞれ受け取るように、スケジュールされたスプレーノズル（１５３０_Ａ）、（１５３０_Ｂ）及び（１５３０_Ｃ）の下に必要に応じて位置決めされるエンクロージャ（１５６０）を横断するように移動可能である。図５の制御ユニット（５８４）などの１以上の制御ユニットは、本明細書の他の箇所に記載されているのと同様の方法でナノスケールエレクトロスプレー蒸着システム（１５００）の動作を制御する。

【0086】

[0108] 動作中、ナノスケールエレクトロスプレー蒸着システム（１５００）は、ステージ（１５４２）をエレクトロスプレーノズル（１５３０_Ａ）、（１５３０_Ｂ）及び（１５３０_Ｃ）の下に連続的に位置決めすることを通じて、製造オブジェクト（１５７８）を生産し、３つの材料組成物（１５１０_Ａ）、（１５１０_Ｂ）及び（１５１０_Ｃ）は実質的に類似しており、ステージ（１５４２）の再位置決めは、それぞれ溶融材料リザーバ（１５０８_Ａ）、（１５０８_Ｂ）及び（１５０８_Ｃ）からの材料組成物（１５１０_Ａ）、（１５１０_Ｂ）、及び（１５１０_Ｃ）の枯渇を条件とする。ステージ（１５４２）は、製造オブジェクト（１５７８）をそれぞれのノズル（１５３０_Ａ）、（１５３０_Ｂ）及び（１５３０_Ｃ）の下で適切な向きで輸送するための単一ステージとして示されている。しかしながら、本明細書に記載のナノスケールエレクトロスプレー蒸着システム（１５００）の動作を可能にする任意の数のステージ（１５４２）が、特に、製造オブジェクト（１５７８）の複数のコピーを実質的に同時かつ継続的に大量生産するように動作可能なシステム（１５００）の実施形態に使用されてもよい。実施形態では、３つのエレクトロスプレーノズル（１５３０_Ａ）、（１５３０_Ｂ）及び（１５３０_Ｃ）が、ノズル（１５３０_Ａ）、（１５３０_Ｂ）及び（１５３０_Ｃ）のうちの２以上による同じ組成物（１５１０_Ａ）、（１５１０_Ｂ）及び（１５１０_Ｃ）の同時エレクトロスプレーを許容又は可能にするように配向されるように、ナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（１５８２_Ａ）、（１５８２_Ｂ）及び（１５８２_Ｃ）が配列される。したがって、ナノスケールエレクトロスプレー蒸着システム（１５００）は、実質的に同様に製造オブジェクト（１５７８）を大量生産するために拡張可能である。

【0087】

[0109] 一実施形態では、動作中、ナノスケールエレクトロスプレー蒸着システム（１５００）は、エレクトロスプレーノズル（１５３０_Ａ）、（１５３０_Ｂ）及び（１５３０_Ｃ）の下にステージ（１５４２）を連続的に位置決めすることを通じて、製造オブジェクト（１５７８）を生産することができる。３つの材料組成物（１５１０_Ａ）、（１５１０_Ｂ）及び（１５１０_Ｃ）は異なり、ステージ（１５４２）の再位置決めは、製造オブジェクト（１５７８）上に既定の構成されたナノ構造を生産するためにステージ（１５７８）のスケジュールされた位置決めを伴う既定の構成可能なシーケンスでの材料組成物（１５１０_Ａ）、（１５１０_Ｂ）及び（１５１０ｃ）の時限エレクトロスプレーに依存する。同様に、特定の材料組成物のこれらのバリエーションもエレクトロスプレーされて製造オブジェクト（１５７８）を生産する。一実施形態では、３つのエレクトロスプレーノズル（１５３０_Ａ）、（１５３０_Ｂ）及び（１５３０_Ｃ）が、ノズル（１５３０_Ａ）、（１５３０_Ｂ）及び（１５３０_Ｃ）のうちの２以上による異なる組成物（１５１０_Ａ）、（１５１０_Ｂ）及び（１５１０_Ｃ）の同時エレクトロスプレーを許容又は可能にするように配向されるように、ナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（１５８２_Ａ）、（１５８２_Ｂ）及び（１５８２_Ｃ）が配列される。したがって、ナノスケールエレクトロスプレー蒸着システム（１５００）は、本明細書の他の箇所に記載される組成勾配、傾斜合金及び段階的ナノ構造のうちの１以上を形成するために、異なる製造オブジェクト（１５７８）を大量生産するように拡張可能である。

【0088】

[0110] 図１６を参照すると、ナノスケールエレクトロスプレー蒸着システム（１６００）のさらに別の実施形態を示す断面概略図が提供される。単一のナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（１６８２）が示されているが、１つの装置（１６８２）は非限定的な数であり、一実施形態では、複数の装置（１６８２）があってもよい。ナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（１６８２）は、第１溶融組成物（１６１０_Ａ）を包含する第１材料リザーバ（１６０８_Ａ）を有するように示されている。第１材料リザーバ（１６０８_Ａ）内の第１溶融組成物（１６１０_Ａ）を構成する材料は、複数の第１誘導加熱コイル（１６２４_Ａ）を通じて溶融状態に維持される。第１材料リザーバ（１６１０_Ａ）内の圧力は、第１不活性ガス入力調整システム（１６１６_Ａ）によって少なくとも部分的に維持される。ナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（１６８２）はまた、エレクトロスプレーノズル（１６３０）に動作可能に結合された第１引き出し電極（１６３６_Ａ）でエンクロージャ（１６６０）を貫通する第１キャピラリチューブ（１６３４_Ａ）と流体連通して結合されたエレクトロスプレーノズル（１６３０）を含む。エレクトロスプレーノズル（１６３０）は、概して、ステージ（１６４２）上に位置決めされた製造オブジェクト（１６７８）に向かって配向される。

【0089】

[0111] ナノスケールエレクトロスプレー蒸着システム（１６００）はまた、製造オブジェクト（１６７８）の製造に向けて設計材料を供給する第１追加設計材料注入システム（１６０２）を含み、システム（１６０２）からのそれらの設計材料は第１溶融組成物（１６１０_Ａ）に追加されなかった。追加設計材料には、粒子成長阻害物質ナノ粒子（８０６）、設計溶質（８１０）及び設計ナノ粒子（８１２）並びにそれらの任意の組み合わせなどの調整材料が含まれるがこれらに限定されない。追加設計材料は、均質混合物又は異質混合物のうちの１つに混合される。ある実施形態では、追加設計材料は層状である。第１追加設計材料注入システム（１６０２）は、第１追加設計材料（１６１０_Ｂ）を包含する第１追加材料リザーバ（１６０８_Ｂ）を含む。一実施形態では、第１追加材料（１６１０_Ｂ）は、組成物を形成する複数の成分を含んでもよい。第１追加材料リザーバ（１６１０_Ｂ）内の圧力は、第１追加不活性ガス入力調整システム（１６１６_Ｂ）によって少なくとも部分的に維持される。第１追加設計材料注入システム（１６０２）はまた複数の第１追加誘導加熱コイル（１６２４_Ｂ）を含む。第１追加誘導加熱コイル（１６２４_Ｂ）が利用可能であるが、第１追加設計材料（１６１０_Ｂ）を溶融状態に維持するために必ずしも必要ではない場合がある。第１追加設計材料注入システム（１６０２）は、第１追加キャピラリチューブ（１６３４_Ｂ）及び導管、すなわち、第１キャピラリチューブ（１６３４_Ａ）と流体連通して結合された第１キャピラリチューブ延長部（１６３４_Ｄ）を含む。ある実施形態では、第１追加キャピラリチューブ（１６３４_Ｂ）及び第１キャピラリチューブ延長部（１６３４_Ｄ）は、第２追加誘導加熱コイル（１６２４_Ｄ）（第１追加キャピラリチューブ（１６３４_Ｂ）に動作可能に結合されて示される）を含む。またある実施形態では、第１追加設計材料注入システム（１６０２）は、第１追加材料リザーバ（１６０８_Ｂ）からの抽出及び第１キャピラリチューブ（１６３４_Ａ）へのさらなる輸送のために関連の電場及び／又は磁場を必要とするそれらの第１追加設計材料（１６１０_Ｂ）のための第１追加引き出し電極（１６３６_Ｂ）を含む。

【0090】

[0112] ナノスケールエレクトロスプレー蒸着システム（１６００）は、製造オブジェクト（１６７８）の製造に向けて設計された材料を供給する第２追加設計材料注入システム（１６０４）も含み、システム（１６０４）の供給された設計材料が第１溶融組成物（１６１０_Ａ）に追加されなかった。２つの追加設計材料注入システム（１６０２）及び（１６０４）に含まれるものに制限はない。第２追加設計材料注入システム（１６０４）は、第２追加設計材料（１６１０ｃ）を包含する第２追加材料リザーバ（１６０８_Ｃ）を含む。一実施形態では、第２追加設計材料（１６１０_Ｃ）は、組成物を形成する複数の成分を含んでもよい。第２追加材料リザーバ（１６１０_Ｃ）内の圧力は、第２追加不活性ガス入力調整システム（１６１６_Ｃ）によって少なくとも部分的に維持される。第２追加設計材料注入システム（１６０４）はまた、複数の第３追加誘導加熱コイル（１６２４_Ｃ）を含む。第３追加誘導加熱コイル（１６２４_Ｃ）が利用可能であるが、第２追加設計材料（１６１０_Ｃ）を溶融状態に維持するために必ずしも必要ではない場合がある。第２追加設計材料注入システム（１６０４）は、第２追加キャピラリチューブ（１６３４_Ｃ）及び導管、すなわち、第１キャピラリチューブ（１６３４_Ａ）と流体連通して結合された第２キャピラリチューブ延長部（１６３４_Ｅ）を含む。一実施形態では、第２追加キャピラリチューブ（１６３４_Ｃ）及び第２キャピラリチューブ延長部（１６３４_Ｅ）は、第４追加誘導加熱コイル（１６２４_Ｅ）（第２追加キャピラリチューブ（１６３４_Ｃ）に動作可能に結合されて示される）を含む。また一実施形態では、第２追加設計材料供給装置（１６０４）は、第２追加設計材料リザーバ（１６０８_Ｃ）からの抽出及び第１キャピラリチューブ（１６３４_Ａ）へのさらなる輸送のために関連の電場及び／又は磁場を必要とする第２追加設計材料（１６１０_Ｃ）のための第２追加引き出し電極（１６３６Ｃ）を含む。したがって、ナノスケールエレクトロスプレー蒸着システム（１６００）は、ナノスケールエレクトロスプレー蒸着装置（１６８２）の材料を補足して設計された（調整された）製造オブジェクト（１６７８）を生産するため、それぞれ第１及び第２追加設計材料注入システム（１６０２）及び（１６０４）を含む。

【0091】

[0113] 動作中、第１及び第２追加設計材料注入システム（１６０２）及び（１６０４）の制御は、調整弁（３７４）、それぞれ、第１及び第２追加引き出し電極（１６３６_Ｂ）及び（１６３６_Ｃ）、並びに、それぞれ、第１及び第２追加不活性ガス入力調整システム（１６１６_Ｂ）及び（１６１６_Ｃ）などのフィールドデバイスに動作可能に結合された主制御ユニット（５８４）などのデバイスを含むが、これらに限定されない。第１及び／又は第２追加設計材料（１６１０_Ｂ）及び／又は（１６１０_Ｃ）を必要とする製造オブジェクト（１６７８）を生産するためのある状況は、第１キャピラリチューブ（１６２４_Ａ）の第１溶融材料（１６１０_Ａ）に追加されるべき溶融状態ではないナノ材料の化学的又はその他の物理的要件、及び、第１キャピラリチューブ（１６２４_Ａ）内の第１溶融材料（１６１０_Ａ）の温度制御を含むが、これらに限定されない。第１及び第２追加設計材料（１６１０_Ｂ）及び（１６１０_Ｃ）の流れは、それぞれ、第１及び／又は第２追加キャピラリチューブ（１６３４_Ｂ）及び／又は（１６３４_Ｃ）、並びに、それぞれ、第１キャピラリチューブ（１６３４_Ａ）内への、それぞれ、関連の第１及び第２キャピラリチューブ延長部（１６３４_Ｄ）及び（１６３４_Ｅ）を通じて調節される。ある実施形態では、第１溶融組成物（１６１０_Ａ）と第１追加設計材料（１６１０_Ｂ）及び／又は第２追加設計材料（１６１０ｃ）との組み合わせは、本明細書の他の箇所で記載されるように、蒸着層を形成するために使用される組成物（又は複数の組成物）（図示せず）を生産する。追加設計材料が層状にされるそれらの実施形態では、エレクトロスプレーノズル（１６３０）を通じて放出される材料の組成は、層が使い果たされる際に第１組成物から第２組成物で変化する。一実施形態では、第１及び第２追加設計材料注入システム（１６０２）及び（１６０４）は、それぞれ、ナノスケールエレクトロスプレーマルチノズル蒸着装置（７００）と共に使用される。したがって、第１及び第２追加設計材料注入システム（１６０２）及び（１６０４）は、それぞれ、製造オブジェクト（１６７８）を設計ナノ構造で調整して、１以上の組成勾配、傾斜合金及び本明細書の他の箇所で記載される段階的ナノ構造を形成する代替方法を提供する。

【0092】

[0114] 図１７を参照すると、その上にナノ構造を有するオブジェクトを製造するためのプロセスを示すフローチャート（１７００）が提供される。図１７に示されて記載されるように、少なくとも１つのリザーバ（２０８）、（７０８）、（１５０８_Ａ）、（１５０８_Ｂ）又は（１５０８_Ｃ）は、少なくとも１つの組成物（２１０）、（７１０）、（１５１０_Ａ）、（１５１０_Ｂ）又は（１５１０_Ｃ）を、それぞれ、保持するように設けられる（１７０２）。例示的な実施形態では、複数のリザーバ（１５０８_Ａ）、（１５０８_Ｂ）及び（１５０８_Ｃ）が、同様の組成物又は異なる組成物のいずれかを保持して、組成物（２１０）、（７１０）、（１５１０_Ａ）、（１５１０_Ｂ）及び（１５１０_Ｃ）の蒸着の効率を、単一ノズル装置、例えば、装置２００、４００及び５００（それぞれ、図２、図４及び図５に示す）よりも向上させることを可能にするために設けられる。第１組成物（７１２）及び（１５１０_Ａ）は、第１ナノ構造材料（８０８）、１以上の第１粒子成長阻害物質を含む複数の第１粒子成長阻害物質ナノ粒子（８０６）を組み合わせることを通じて生成される（１７０４）。第１組成物（７１２）及び（１５１０_Ａ）はまた、第１設計溶質材料（図示せず）を含む第１設計溶質（８１０）、及び、１以上の第１設計ナノ粒子材料を含む複数の第１設計ナノ粒子（８１２）のうちの少なくとも１つを含む。

【0093】

[0115] 第２組成物（７１４）又は（１５１０_Ｂ）は、第２ナノ構造材料（８０８）、１以上の第２粒子成長阻害物質（図示せず）を含む複数の第２粒子成長阻害物質ナノ粒子（８０６）を組み合わせることを通じて生産される（１７０６）。第２組成物（７１４）又は（１５１０_Ｂ）はまた、１以上の第２設計溶質材料を含む第２設計溶質（８１０）、及び、１以上の第２設計ナノ粒子材料を備える複数の第２設計粒子（８１２）のうちの少なくとも１つを含む。第１及び第２組成物（７１２）又は（１５１０_Ａ）及び（７１４）又は（１５１０_Ｂ）は、少なくとも１つのリザーバ（２０８）、（７０８）、（１５０８_Ａ）、（１５０８_Ｂ）又は（１５０８_Ｃ）に動作可能に結合された、１以上のエレクトロスプレーノズル（２３０）、（７３０）、（１５３０_Ａ）、（１５３０_Ｂ）又は（１５３０_Ｃ）を通じて、それぞれ、導かれる（１７０８）。ステージ（２４２）又は（１５４２）がノズル（２３０）、（７３０）、（１５３０_Ａ）、（１５３０_Ｂ）又は（１５３０_Ｃ）に近接して位置決めされ（１７１０）、ステージ（２４２）又は（１５４２）は、ノズル（２３０）、（７３０）、（１５３０_Ａ）、（１５３０_Ｂ）又は（１５３０_Ｃ）に対して移動するように適合される。ステージ（２４２）又は（１５４２）は、基材（９１２）を保持するように適合されたオブジェクトホルダ（２５４）を含む。表面プロファイル決定デバイス（５８２）及び（５８８）はステージ（２４２）又は（１５４２）に近接して位置決めされ（１７１２）、デバイス（５８２）又は（５８８）は基材（９１２）のプロファイルデータを取得する（１７１４）。デバイス（５８２）及び／又は（５８８）に動作可能に結合された主制御ユニット（５８４）並びにステージ（２４２）又は（１５４２）は、ピン止めされたナノ構造の製造を調整（１７１６）し、基材（９１２）の近位にある第１組成物（７１２）で第１蒸着層（１００６）を形成し（１７１８）、及び、基材（９１２）の近位にある第２組成物（７１４）で第２蒸着層（１００８）を形成する（１７２０）。

【0094】

[0116] 本明細書に記載されるように、本開示の例示的な実施形態は、概して、オブジェクトを製造している間にオブジェクト上に調整された特性を有するナノ構造を形成する装置及び方法に向けられている。特定の組成物が混合されて、製造オブジェクトに特定の特徴及び特性を生成する。例示的な実施形態の組成物は、本明細書に記載されるように形成されるナノ構造の基本的な構造的特性を生成するための１以上のナノ構造材料（ナノ粒子の形態）を含む。粒子成長阻害物質ナノ粒子は、それらが材料の基材上に蒸着される際にピン止めを通じて材料の粒界の成長を制限するため、例示的な実施形態の組成物に含まれる。さらに、例示的な実施形態の組成物はまた、設計溶質及び／又は設計ナノ粒子並びに１以上の結合剤／湿潤剤を含む。

【0095】

[0117] 例示的な実施形態によれば、組成物は、組成、サイズ、温度、均一性、蒸着の速度、及び／又は、ナノ液滴の蒸着の精度が制御される複数の溶融ナノ液滴としてエレクトロスプレーされる。さらに、ナノ液滴の異なる層を蒸着するシーケンスが制御される。制御可能な組成物及び選択可能な温度の溶融液滴のエレクトロスプレー製造により、ほとんどボイドのない最終製品を所望の特性を有するように製造することを可能にする。特性の調整により、傾斜合金の直接印刷を可能にし、埋め込まれた加工硬化効果はプロセスの本質的な結果であり、既定の硬度値はナノ粒子組成物に起因する。アルミニウム６０６１ Ｔ６などの既存の合金の現在の組成物は、本明細書に開示される例示的な実施形態のエレクトロスプレープロセスを通じた製造によって単純に改善された特性を有することができる。ナノ構造材料の直接印刷は、プロセスパラメータ制御の欠如及び最終組成物で所望の特性を得るために必要な固有の成分の欠如のために、自然のプロセスでは形成されることができない新規な材料の製造を提供する。

【0096】

[0118] 本明細書に記載の例示的な実施形態のナノスケールエレクトロスプレー蒸着システム及び装置は、エレクトロスプレー蒸着における結合共有金属イオンタイプの化学結合の作成を促進し、それによって、焼結の必要性を排除する。本明細書に記載の例示的な実施形態の装置は、物品の型を必要とせずに、自由形状の２次元及び３次元（３Ｄ）物品の直接かつ正確な形成を提供する。さらに、本明細書に記載の例示的な実施形態の装置は、溶融材料内の組成物の一定の変化のための手段を提供する。例示的な実施形態では、粒界を固定し、蒸着層の組成物を変化させることにより、ナノ構造の固有の調整された特性を作成して、本明細書の他の箇所で記載される組成勾配、傾斜合金及び段階的ナノ構造のうちの１以上を形成することが許容する又は可能にする。本明細書に記載の例示的な実施形態のナノスケールエレクトロスプレー蒸着システム及び装置は、拡張可能であり、固有の特殊なサービスのための既定の構成可能な特性を有する個々のオブジェクトを生産し、かつ、一般的な商業消費のためにナノスケールサイズのデバイスを大量生産する。

【0097】

[0119] 本実施形態の態様は、実施形態に係る方法及び装置（システム）のフローチャート図及び／又はブロック図のうちの１以上を参照して本明細書に記載される。

【0098】

[0120] 本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を記載することのみを目的としており、実施形態を限定することを意図するものではない。本明細書で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、文脈が明らかに他のことを示さない限り、複数形も含むことを意図している。本明細書で使用される場合、用語「備える」及び／又は「備えている」は、説明された特徴、整数、ステップ、動作、要素及び／又は構成要素の存在を特定するが、１以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素及び／又はそれらのグループの存在を排除するものではないことがさらに理解される。特定の数の導入された請求項の構成要素が意図される場合、そのような意図は請求項に明示的に記載され、そのような記載がない場合、そのような限定は存在しないことが当業者によって理解されるであろう。非限定的な例として、理解を助けるために、以下の添付の特許請求の範囲は、請求項の構成要素を導入するための導入句「少なくとも１つ」及び「１以上」の使用法を含む。しかしながら、そのような句の使用は、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」による請求項の構成要素の導入が、同じ請求項に「１以上」又は「少なくとも１つ」という導入句と「ａ」又は「ａｎ」などの不定冠詞とが含まれている場合、そのような導入された請求項の構成要素を包含する特定の請求項を、そのような要素を１つだけ包含する実施形態に限定することを意味すると解釈されるべきではない；同じことが定冠詞の請求項での使用にも当てはまる。本明細書で使用される場合、用語「及び／又は」は、いずれか又は両方（若しくは、任意の組み合わせ又は用語のすべて又は言及されて表現される）を意味する。

【0099】

[0121] 以下の特許請求の範囲におけるすべてのミーンズ又はステッププラスファンクション構成要素の対応の構造、材料、行為及び同等物は、具体的に特許請求されたような他の特許請求された構成要素と組み合わせて機能を実行するための任意の構造、材料又は行為を含むことを意図している。本実施形態の説明は、例示及び説明の目的で提示されたが、網羅的又は開示された形態の実施形態に限定されることを意図するものではない。多くの修正及び変形が、実施形態の範囲及び精神から逸脱することなく、当業者には明らかであろう。実施形態は、実施形態の原理及び実際の適用を最もよく説明し、かつ、当業者が、考えられる特定の用途に適するように様々な修正を有する様々な様々な実施形態のための実施形態を理解することができるようにするために選択及び説明された。本明細書に記載のナノスケール製造システム及び装置の実装は、幅広い用途にわたるオブジェクトの製造を容易にする。したがって、ナノスケール製造システム及び装置並びに図１～図１７に示されて記載される関連の実施形態は、ナノ構造の固有の調整された特性を作成して、組成勾配、傾斜合金及び段階的ナノ構造のうちの１以上を形成することを提供する。

【0100】

[0122] 例示の目的で特定の実施形態が本明細書に記載されたが、実施形態の精神及び範囲から逸脱することなく様々な修正が行われてもよいことが理解されよう。特に、例示的な実施形態のナノスケール製造システム及び装置は、ナノスケール基準フレーム上に固有の２次元及び３次元（３Ｄ）オブジェクトを生産するように構成されたものとして示されている。代替として、ナノスケール製造システム及び装置は、肉眼で簡単に識別可能なデバイス及びツールを含む巨視的スケールを通じた、ナノスケールエネルギー変換デバイス用の電極、事実上すべての産業用のマイクロデバイス及びマイクロツールなどのナノスケールからサイズスペクトルに沿った製品を生産するように構成されてもよい。したがって、実施形態の保護の範囲は、以下の特許請求の範囲及びそれらの同等物によってのみ制限される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【国際調査報告】