KR20170018330A

KR20170018330A - 스트레인된 나노입자를 포함하는 나노입자의 합성을 위한 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20170018330A
Application number: KR1020167035019A
Authority: KR
Inventors: 마이클 알렌 하그
Original assignee: 엠에스엠에이치, 엘엘씨
Priority date: 2014-05-15
Filing date: 2015-05-15
Publication date: 2017-02-17
Anticipated expiration: 2035-05-15
Also published as: EP3142965A4; US20170081199A1; EP3142965A1; KR101990189B1; JP2017525580A; JP6525447B2; CA2949102A1; US10544046B2; CA2949102C; WO2015176045A1

Abstract

나노입자를 합성하기 위한 방법은, 반응물 스트림을 수득하기 위해 유동 캐리어 가스의 존재에서 전구체 용액을 에어로졸화하는 것을 포함하고, 상기 전구체 용액은 휘발성 용매 및 나노입자 전구체를 포함한다. 상기 방법은 추가적으로, 다수의 나노입자를 포함하는 생성물 스트림을 형성하도록 상기 휘발성 용매의 끓는점 이상의 온도로 상기 반응물 스트림을 가열하는 것, 상기 생성물 스트림을 냉각시키는 것, 및 상기 생성물 스트림으로부터 상기 나노입자를 수집하기 위해 수집 액체를 통해 상기 생성물 스트림을 통과시키는 것을 포함한다.

Description

스트레인된 나노입자를 포함하는 나노입자의 합성을 위한 방법 및 시스템{METHODS AND SYSTEMS FOR THE SYNTHESIS OF NANOPARTICLES INCLUDING STRAINED NANOPARTICLES}

관련된 출원에 대한 상호-참조

본 출원은, PCT 규칙 4.18 및 20.6의 목적에 대해 포함하는, 이의 전체가 참고문헌으로 본원에 의해 포함되는, "METHODS AND SYSTEMS FOR THE SYNTHESIS OF NANOPARTICLES INCLUDING STRAINED NANOPARTICLES"로 명명된, 2014년 5월 15일자 출원된, U.S. 가출원 번호 제61/993,779호의 35 U.S.C. §　119(e)에 의하여 우선권의 이익을 청구한다.

배경

나노입자는 태양 전지에서 진단의 의학 내지 트랜지스터까지의 다양한 적용으로 많은 관심을 받고 있다. 산화물 나노입자의 상업적인 적용이 일반적인 반면에, 예를 들어, 자외선 차단제에서 나노-티타니아(nano-titania) 및 나노-실리카 및 금속 나노입자 및 나노결정 응용, 생체 의학 영상(biomedical imaging)에서의 나노-철 산화물(nano-iron oxide)은 보다 뒤떨어져 있다. 금속 나노입자 및 나노결정의 광범위한 실행에 대한 하나의 중요한 장벽은, 특정한 물질적인 특성을 가지는 상업적인-규모의 특징의 생산이다. 이것은 특히 10의 이들의 적용이, 만약 필요하지 않다면, 높은 균일성(예를 들어, 좁은 크기 분포 및 일관된 형태)을 선호하는 것과 같이, 나노결정에 대한 것이 특히 해당된다(This is especially true for nanocrystals as their applications of ten prefer, if not require, high uniformity).

이러한 높은 균일성은, 레이저 어블레이션(laser ablation), 스퍼터링(sputtering) 및 몇몇의 습식-화학 방법(some wet-chemistry methods)과 같은 보다 일반적인 합성 경로를 완수하는 것을 어렵게 한다. 몇몇의 습식-화학 방법은 좁은 크기 분포 필요조건을 충족할 수 있는 반면에, 상기 나노입자를 생산하고, 보다 긴 합성 시간을 필요로 하는, 보다 큰 부피의 화학물질, 특히 용매는, 차례로 크기-확대 노력(scale-up efforts)을 방해하는, 비용 및 환경적인 영향을 현저하게 증가시킨다.

요약

본 내용은, 이러한 방법 및 시스템으로 생성된 유일한 나노입자를 포함하는, 나노입자의 합성을 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.

하나의 실시형태에 따라, 나노입자를 합성하기 위한 방법이 기재되어 있다. 상기 방법은, 반응물 스트림을 수득하도록 유동 캐리어 가스(flowing carrier gas)의 존재에서 전구체 용액을 에어로졸화하는 단계를 포함할 수도 있고, 상기 전구체 용액은 휘발성 용매 및 나노입자 전구체를 포함한다. 상기 방법은, 다수의 나노입자를 포함하는 생성물 스트림(product stream)을 형성하도록 상기 휘발성 용매의 끓는점 이상의 온도로 상기 반응물 스트림을 가열하는 단계, 상기 생성물 스트림을 냉각시키는 단계 및 상기 생성물 스트림으로부터 상기 나노입자를 수집하도록 수집 액체를 통해 상기 생성물 스트림을 통과시키는 단계를 더 포함할 수도 있다.

다른 실시형태에 따라, 나노입자를 합성하는 방법이 기재되어 있다. 상기 방법은, 반응물 스트림을 수득하도록 유동 캐리어 가스의 존재에서 전구체 용액을 연속적으로 에어로졸화하는 단계를 포함할 수도 있고, 상기 전구체 용액은 휘발성 용매 및 나노입자 전구체를 포함한다. 상기 방법은, 상기 전구체 용액을 연속적으로 보충하는 단계, 다수의 나노입자를 포함하는 생성물 스트림을 형성하도록 상기 휘발성 용매의 끓는점 이상의 온도로 상기 반응물 스트림을 가열하는 단계, 상기 생성물 스트림을 냉각시키는 단계를 더 포함할 수도 있다. 상기 방법은, 상기 생성물 스트림으로부터 상기 나노입자를 수집하도록 수집 액체를 통해 상기 생성물 스트림을 통과시키는 단계, 및 상기 수집 액체를 연속적으로 교체하는 단계를 더 포함할 수도 있다.

또 다른 실시형태에 따라, 나노입자가 기재되어 있고, 상기 나노입자는 IV 족 원소(Group IV element) 및 쉬프트된 결정면 피크(shifted crystal plane peak)를 가진다.

또 다른 실시형태에 따라, 나노입자 합성을 위한 시스템이 기재되어 있다. 상기 시스템은, 휘발성 용매 및 나노입자 전구체를 포함하는 전구체 용액을 함유하고, 캐리어 가스를 수용하도록 배열된 전구체 용액 용기를 함유할 수도 있다(The system may include a precursor solution vessel configured to contain a precursor solution including a volatile solvent and a nanoparticle precursor and receive a carrier gas). 상기 시스템은 상기 전구체 용액을 에어로졸화하기 위한 에어로졸화 디바이스(aerosolizing device)를 더 포함할 수도 있다. 상기 시스템은, 나노입자를 생산하도록 상기 캐리어 가스 및 상기 에어로졸화된 전구체 용액을 포함하는 반응물 스트림을 수송하고 가열하도록 배열된 튜브 노(tube furnace)를 더 포함할 수도 있다. 상기 시스템은 상기 나노입자를 수집하기 위해 수집 액체를 함유하는 수집 용기를 더 포함할 수도 있다.

다양한 실시형태의 특징 및 장점은, 하기의 바람직한 실시형태의 서술의 해석 상에서 본 분야의 통상의 기술자에 있어서 명백할 것이다.

도 1은 나노입자를 생산하기 위한 시스템이다.
도 2는 나노입자를 생산하기 위한 시스템이다.
도 3은 나노입자를 포함하는 하나 또는 그 이상의 디바이스의 제작을 설명하는 공정도이다.
도 4는 나노입자를 포함하는 코팅된 기판의 층을 설명하는 도표이다.
도 5는, 보다 큰 (25 nm) 규소 나노결정의 층 상에 증착된 보다 작은 (9 nm) 규소 나노결정의 층의 주사형 전자 현미경 사진이다.
도 6은 나노입자를 포함하는 코팅된 기판의 층을 설명하는 도면이다.
도 7은, 나노입자를 포함하는 코팅된 기판의 층을 설명하는 도면이다.

상세한 설명

본 내용은, 이러한 방법 및 시스템으로 생성된 유일한 나노입자를 포함하는, 나노입자를 합성하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.

본 내용의 방법 및 시스템은, 좁은 크기 분포(예를 들어, 몇몇 실시형태에서 ± 약 2 nm)를 가지는, 나노입자, 및 특히 나노결정 및 금속 나노입자의 높은-수득 생산(high-yield production)(예를 들어, 몇몇의 실시형태에서 85 % 또는 더 큰 수득률)을 유리하게 가능하게 할 수도 있다. 추가적으로, 본원에 기재된 방법 및 시스템은, 나노결정 및 금속 나노입자를 포함하는 매우 균일한 나노입자의 산업-규모 생산을 가능하게 할 수도 있는, 상대적으로 높은-생산 속도(예를 들어, 시간 당 킬로그램) 및 연속 방법에 적합할 수 있다.

게다가, 본원에 기재된 방법 및 시스템은, 몇몇의 실시형태에서, 이온 배터리 및 양자 에너지 디바이스를 포함하는 다수의 적용에 유용할 수도 있는, 유일한 나노입자 조성물을 수득하기 위해 예상치도 않게 밝혀졌다.

"약"이 숫자의 목록의 초반에 본원에 사용된 경우에, "약"은 상기 숫자 목록의 각각의 숫자를 변경하는 점에서 주의해야 한다. 몇몇의 숫자의 목록의 범위에서, 열거된 몇몇의 하한은, 열거된 몇몇의 상한을 초과할 수도 있음을 주의하여야 한다. 본 분야의 통상의 기술자는, 상기 선택된 부분 집합이 상기 선택된 하한을 초과하여 상한의 선택을 필요로 할 것임을 인식할 것이다.

Ⅰ. 나노입자를 생산하기 위한 방법 및 시스템

본원에 기재된 다양한 실시형태는, 몇몇의 실시형태에서, 연속적인 및 높은-생산 속도 나노입자 생산에 적합할 수도 있는, 에어로졸화된 전구체 용액을 가열함으로써 나노입자를 생산하는 것을 포함할 수도 있다.

몇몇 실시형태는, 유동 캐리어 가스의 존재에서 전구체 용액을 에어로졸화하는 단계로서, 이렇게 함으로써 반응물 스트림을 수득하고; 다수의 나노입자를 포함하는 생성물 스트림을 형성하도록 상기 반응물 스트림을 가열하는 단계; 상기 생성물 스트림을 냉각시키는 단계; 및 상기 생성물 스트림으로부터 상기 나노입자를 수집하도록 액체를 통해 상기 생성물 스트림을 통과시키는 단계;를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 상기 전구체 용액은, 휘발성 용매 및 나노입자 전구체를 포함할 수도 있고; 상기 반응성 스트림은 상기 휘발성 용맥의 끓는점 이상의 온도로 가열될 수도 있다. 본원에 사용된 바와 같이, 상기 용어 "나노입자"는 약 40 μm 미만의 적어도 하나의 크기를 가지는 입자를 나타내고, 비정질 나노입자, 나노결정, 코어-셸 나노입자(core-shell nanoparticles), 비-구체 나노입자(non-spherical nanoparticles)(예를 들어, 직사각형 또는 막대-유사 입자), 실질적으로 구체 나노입자, 속이 빈 구체 나노입자(hollow spherical nanoparticles) 등을 포함한다.

전구체 용액을 에어로졸화하는 것은, 상기 휘발성 용매의 끓는점 이상으로 가열한 경우에, 상기 휘발성 용매가 상기 방울로부터 증발되고, 상기 나노입자 전구체 방울이 합쳐지고 반응하는 것을 야기할 수도 있는 방울을 형성하고, 이렇게 함으로써 나노입자, 및 몇몇 예시에서 나노결정을 수득한다(Aerosolizing the precursor solution forms droplets that, when heated above the boiling point of the volatile solvent, may cause the volatile solvent to evaporate from the droplet and the nanoparticle precursors droplets to coalesce and react, thereby yielding nanoparticles, and in some instances nanocrystals). 합성의 조건(예를 들어, 에어로졸화하는 파라미터, 반응 온도, 휘발성 용매 조성물, 및 나노입자 전구체 조성물 및/또는 농도)에 따라, 나노입자는 하나의 방물-하나의 나노입자 매커니즘, 숙성 매커니즘(ripening mechanism), 분해 매커니즘(disintegration mechanism), 또는 이의 조합에 의해 형성될 수도 있음을 주의해야 한다. 다양한 실시형태에서, 상기 하나의 방울-하나의 나노입자 매커니즘은, 단분산 입자(monodispersed particles)(즉, 단일 크기 입자)를 생산할 수도 있다. 다른 실시형태에서, 상기 분해 매커니즘은 바이모달(bimodal), 트리모달(trimodal) 또는 다른 다중-모달 나노입자 크기 분포를 생산할 수도 있다. 나노입자의 이러한 다중모달 분포는, 기판 상의 층에 증착된 경우에 보다 높은 포장 효율(higher packing efficiency)을 가능하게 할 수도 있다.

도 1에서 나타낸 것으로, 일반적으로 표시된 100, 나노입자를 생산하기 위한 시스템을 나타낸 것이다. 상기 시스템(100)은, 에어로졸 B를 생산하기 위한 초음파 분쇄기(114)를 전구체 용액(112) 속에 넣은, 전구체 용액(112)을 함유하는 전구체 용액 용기(110)를 포함할 수도 있다. 상기 초음파 분쇄기(114)는, 상기 초음파 분쇄기(114)에 의해 생산된 파형(waveform), 주파수 및 진폭을 조작할 수 있는 컨트롤 박스(control box)(116)에 부착될 수도 있다. 추가적으로, 상기 전구체 용액 용기(110)는, 반응물 스트림(C)을 수득하도록 상기 에어로졸(B)과 혼합하는, 이를 통해 통과하는 캐리어 가스(A)를 가진다. 상기 반응물 스트림(C)이 나노입자를 포함하는 생성물 스트림(D)를 수득하도록, 상기 반응물 스트림(C)은, 가열기(120a,b 및 122a,b)에 의해 가열되는 반응 구역(118)을 통해 통과할 수도 있다. 상기 가열기(120a,b 및 122 a,b)는, 상이한 구역 온도를 가지는 반응 구역(C)에서 상이한 구역을 형성하기 위해 조절될 수도 있다. 상기 생성물 스트림(D)은, 방출 스트림(effluent stream)(E)을 수득하기 위해, 상기 나노입자가 상기 생성물 스트림(D)으로부터 적어도 실질적으로 제거되는, 수집 용기(126)에서 수집 액체(128)을 통해 통과된다. 본원에 나타낸 바와 같이, 삼방향 밸브(three-way valves)(124 및 130)는, 상기 수집 액체(128)이 반응 구역(118) 내로의 역류를 방지하도록, 상기 수집 용기(126)를 통해 압력 및 가스 유속을 조절하는데 사용된다. 상기 반응 구역 상으로 도입된 추가적인 캐리어 가스 및 진공과 같은 다른 매커니즘이 또한, 상기 수집 액체(128)가 상기 반응 구역(118) 내로 다시 흘러들어가는 것을 방지하는데 도움을 주기 위해 사용될 수도 있음을 주의해야 한다.

몇몇 실시형태에서, 전구체 용액은, 휘발성 용매 및 나노입자 전구체를 포함할 수도 있다.

휘발성 용매는 몇몇 실시형태에서, 약 300 ℃ 이하의 끓는점을 가지는 유기 용매일 수도 있다. 본원에 기재된 방법과 함께 사용을 위해 적합한 휘발성 용매의 예는, 알코올(예를 들어, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 및 부탄올), 글리콜, 아세토니트릴, 물 등, 이의 어떠한 유도체, 및 이의 어떠한 조합을 포함하지만, 이로 제한되지 않는다. 무수 전구체 용매는, 최종 생산물의 산화를 최소화하도록 사용될 수도 있다. 상기 용매는, 예를 들어, 상기 용매의 유전율(dielectric constant)을 기초로 선택될 수도 있다. 다양한 실시형태에서, 상기 용매의 유전율은, 유기 금속 전구체의 유전율과 일치할 수도 있다. 다른 실시형태에서, 상기 용매는 이의 혼화성(miscibility)을 기초로 선택될 수도 있다. 예를 들어, 특정 실시형태에서, 용액을 형성하는 전구체와 혼화성 용매와는 대조적으로 전구체로서 사용하기 위한 에멀젼을 형성하는 것이 바람직할 수도 있다(For example, in certain embodiments, it may be desirable to create an emulsion for use as precursor as opposed to solvents miscible with precursor that creates a solution).

나노입자 전구체는, 몇몇 실시형태에서, 유기 금속 화합물일 수도 있다. 나노입자 전구체는 염화 규소, 염화 게르마늄 등을 포함할 수도 있다. 나노입자 전구체는, 전이 원소(예를 들어, 티타늄, 크롬, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 몰리브덴, 팔라디움(palladium), 은, 카드뮴, 텅스텐, 백금, 및 금), 란탄족 원소(예를 들어, 유로퓸, 가돌리늄 및 에리븀), Ⅲ 족 원소(붕소, 알루미늄, 갈륨, 인듐, 및 탈륨), Ⅳ 족 원소(예를 들어, 게르마늄, 규소, 주석, 납, 및 탄소), Ⅴ족 원소(예를 들어, 질소, 인(phosphorous), 비소, 안티모니, 및 비스무트), Ⅵ 족 원소(예를 들어, 산소, 황, 셀레늄, 및 텔루륨), 또는 이의 조합을 포함할 수도 있다. 본원에 기재된 방법과 함께 사용에 적합한 나노입자의 예는, 몇몇의 실시형태에서, 테트라에틸게르만, 테트라메틸게르만, 테트라에틸실란, 테트라메틸실란, 디에틸실란, 디에틸게르만(diethylgermane), 디에틸 실란, 테트라프로필 게르만, 테트라프로필 실란 등, 이의 어떠한 유도체, 또는 이의 어떠한 조합을 포함할 수도 있지만, 이로 제한되지 않는다.

몇몇 실시형태에서, 많은 나노입자 전구체는 본원에 기재된 상기 전구체 용액에 사용될 수도 있다. 예를 들어, 전구체 용액은, 게르마늄을 포함하는 제1 나노입자 전구체 및 규소를 포함하는 제2 나노입자 전구체를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 전구체 용액은, 상기 제1 나노입자 전구체의 금속(예를 들어, 게르마늄) 대 상기 제2 나노입자 전구체의 금속(예를 들어, 규소)의 몰비가 약 1:10, 1:5, 또는 1:1의 하한 내지 약 10:1, 5:1, 또는 1:1의 상한의 범위를 포함하도록, 많은 나노입자 전구체를 포함할 수도 있고, 상기 몰비는 어떠한 하한 내지 어떠한 상한의 범위를 포함할 수도 있고, 이들 사이의 어떠한 부분집합을 포함할 수도 있다. 다른 실시형태에서, 다중모달 분포가 바람직한 경우에, 순수한 유기금속 전구체는 방울 분해 매커니즘(droplet disintegration mechanism)에 따라 사용될 수도 있다. 이러한 내용의 이익으로 본 분야의 통상의 기술자는, 상기 게르마늄 및 규소 예로 제한되지 않고, 나노입자 전구체의 다른 조합이, 예를 들어, 카드뮴 및 셀레늄, 주석 및 텔루륨, 및 아연 및 황을 적용할 수도 있음을 이해하여야 한다.

몇몇 실시형태에서, 상기 나노입자 전구체는, 상기 전구체 용액의 부피로 약 20%, 30%, 40%, 또는 50%의 하한에서 상기 전구체 용액의 부피로 약 90%, 70%, 50%, 또는 40%의 상한까지의 범위의 양으로 본원에 기재된 상기 전구체 용액에 존재할 수도 있고, 상기 양은 어떠한 하한에서 어떠한 상한으로의 범위일 수도 있고, 이들 사이의 어떠한 부분집합일 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 상기 전구체 용액을 에어로졸화하는 것은, 상기 전구체 용액에 담겨진 상기 초음파 프로브(sonication probe)로 상기 전구체 용액을 초음파처리하고(예를 들어, 도 1에 나타낸 바와 같이), 상기 전구체 용액을 분무하고(nebulizing), 노즐(예를 들어, 에어로졸화 노즐), 정전기적 침전(electrostatic precipitation) 등, 및 이의 어떠한 조합을 통해 상기 전구체 용액을 통과시키는 것 중의 적어도 하나를 포함할 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 본원에 기재된 어떠한 방법에 의해 포함하는, 상기 전구체 용액을 에어로졸화 하는 것은, 약 1 kHz, 10 kHz, 100 kHz, 1 MHz, 10 MHz, 또는 100 MHz의 하한 내지 약 1000 MHz, 100 MHz, 10 MHz, 1 MHz, 또는 100 kHz의 상한의 범위에서의 주파수에서 실행될 수도 있고, 상기 주파수는, 어떠한 하한 내지 어떠한 상한의 범위에 있을 수도 있고, 이들 사이의 어떠한 부분집합(예를 들어, 3 kHz 내지 150 kHz)을 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 본원에 기재된 어떠한 방법에 의해 포함하는 상기 전구체 용액을 에어로졸화하는 것은, 약 1 kHz, 3 kHz, 10 kHz, 또는 15 kHz의 하한 내지 약 200 kHz, 150 kHz, 50 kHz, 또는 25 kHz의 상한의 범위에서의 주파수일 수도 있는, 스트레인된 나노입자(strained nanoparticles)(본원에 추가적으로 기재됨)를 수득하기 위해 주파수에서 실행될 수도 있고, 상기 주파수는 어떠한 하한 내지 어떠한 상한의 범위에 있을 수도 있고, 이들 사이의 어떠한 부분집합, 예를 들어 5 kHz 내지 22 kHz을 포함할 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 본원에 기재된 어떠한 방법에 의해 포함하는, 상기 전구체 용액을 에어로졸화하는 것은, 약 10 Watts(또는 약 5kHz의 주파수)의 하한 내지 약 100 Watts(또는 약 22kHz의 주파수)의 상한의 범위에서 입력 전력(input power)에서 실행될 수도 있고, 상기 입력 전력은 어떠한 하한 내지 어떠한 상한의 범위에서 있을 수도 있고, 이들 사이의 어떠한 부분집합을 포함할 수도 있다. 본 분야의 통상의 기술자는, 상기 시스템에 공급된 에너지에 관한 추가적인 인자가, 내부의 스트레인(internal strain)과 같은, 결과적으로 생성된 나노입자의 물리적인 특성에 영향을 또한 미침을 인식할 것이다. 추가적인 인자는, 파형, 진폭, 열, 또는 입력에서 방울을 형성하는 경우에 상기 시스템 내로 첨가된 어떠한 다른 추가적인 에너지를 포함할 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 상기 에어로졸화된 전구체 용액(B)는 반응물 스트림(C)을 형성하도록 캐리어 가스(A)와 혼합될 수도 있다. 상기 캐리어 가스(A)는, 상기 반응 구역(118)을 통해 상기 에어로졸화된 전구체 용액을 수송할 수도 있다. 추가적으로, 상기 캐리어 가스(A)의 흐름 속도(flow rate)는, 상기 반응 영역(118)에서 상기 반응물 스트림(C)의 원하는 체류 시간에 대해 제공되도록 조절될 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 상기 반응 구역(118)에서 상기 반응물 스트림(C)의 체류 시간은, 약 1 sec의 하한에서 약 10 sec의 상한까지의 범위에 있을 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 상기 캐리어 가스(A)는 비활성 가스(예를 들어, 헬륨)일 수도 있다. 다른 실시형태에서, 상기 캐리어 가스(A)는 비활성이 아닐 수도 있다(예를 들어, 수소). 본원에 기재된 방법과 함께 사용에 적합한 캐리어 가스의 예는, 몇몇 실시형태에서, 수소, 헬륨, 질소, 아르곤, 이산화탄소 등 및 이의 어떠한 조합을 포함할 수도 있지만, 이로 제한되지 않는다.

몇몇 실시형태에서, 상기 반응물 스트림(C)은, 다수의 나노입자를 포함하는 생성물 스트림(D)을 형성하도록 상기 휘발성 용매의 끓는점 이상의 온도로 가열될 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 상기 휘발성 용매의 끓는점 이상의 온도는, 약 500 ℃, 600 ℃, 또는 700 ℃의 하한에서 약 1200 ℃, 1100 ℃, 1000 ℃, 또는 900 ℃의 상한까지의 범위일 수도 있고, 상기 온도는 어떠한 하한에서 어떠한 상한까지의 범위일 수도 있고, 이들 사이의 어떠한 부분집합을 포함할 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 가열하는 것은, 튜브 노, 일련의 노 등을 통해 상기 반응물 스트림(C)을 통과하는 것을 포함할 수도 있다. 이론에 의해 제한되는 것 없이, 나노입자 전구체 및/또는 나노입자는 상기 튜브 노를 통해 통과하는 튜브의 웰(walls)에 수집될 수도 있고, 이렇게 함으로써 생산된 나노입자의 전체적인 수득량이 감소될 수도 있다. 다양한 실시형태는, 상기 웰 및 상기 반응물 스트림 사이의 상호작용을 최소화할 수도 있다. 이러한 상호작용을 최소화하는 것은, 몇몇의 실시형태에서, 상기 튜브 노(tube furnace)를 수직적으로 향하게 하는 것, 상기 반응물 스트림이 통과하는 상기 튜브를 회전시키는 것(spinning the tube through which the reactant stream is passing), 상기 튜브에 전기 전하를 적용하는 것, 상기 튜브 노 내로 피복 흐름을 제공하는 것(예를 들어, 상기 튜브 웰 및 상기 반응물 스트림 사이의 가스의 피복을 흐르게 하는 것)[providing sheath flow within the tube furnace (e.g., flowing a sheath of a gas between the tube wall and the reactant stream)], 상기 반응물 스트림 내로 볼텍스(vortex)를 형성하는 것[예를 들어, 상기 반응 구역 내로 연장하는 스피닝(spinning) 또는 진동하는 줄 등과 함께(with a spinning or oscillating rod or the like extending into the reaction zone)], 피층(cortex)과 함께 테이퍼 튜브(tapered tube) 등, 이의 어떠한 하이브리드, 및 이의 어떠한 조합을 사용하는 것 중의 적어도 하나를 포함한다.

몇몇의 실시형태는, 본원에 나노입자를 수집하기 위해 수집 액체(128)를 통해 상기 생성물 스트림(D)를 통과할 수도 있다. 상기 수집 액체(128)는, 몇몇의 실시형태에서, 나노입자 생산의 적용 다운스트림(applications downstream)[예를 들어, 표면 상의 증착, 중합체로 구성되는 것(compounding with polymers), 화학적인 변형 등]에서 사용을 위해 적합한 용매일 수도 있다. 본원에 기재된 방법 및 시스템에 의해 생산된 나노입자를 수집하는데 있어서 사용에 적합한 상기 수집 액체(128)의 예는, 메탄올, 에틴올, 글리콜, 물, 테트로히드로푸란(THF), 디에틸카르보네이트(diethylcarbonate), 아세토니트릴, 디클로로벤젠, 아세톤, 톨루엔, 펜탄 등, 이의 어떠한 유도체, 또는 이의 어떠한 조합을 포함할 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 상기 수집 액체(128)은, 몇몇 실시형태에서, 상기 나노입자의 보조 현탁액일 수도 있고, 및/또는 상기 나노입자의 클러스터링(clustering)을 완화시킬 수도 있는, 현탁액 제제를 더 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 현탁액 보조물은, 나노입자와 공유적으로 또는 비공유적으로 상호작용할 수도 있다. 본원에 기재된 나노입자의 생산과 함께 사용에 적합한 현탁액 제제의 예는, 계면활성제, 중합체, 킬레이트제, 캡핑제(capping agents)[예를 들어, 옥타놀, 올레일아민(oleylamine), 및 트리옥틸아민] 등, 또는 이의 조합을 포함할 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 상기 생성물 스트림(C)이 상기 반응 구역에서 상기 수집 액체(128)로 뒤따르는 경로는, 표면 상에 나노입자 전구체 및/또는 나노입자의 수집을 최소화하기 위해, 실질적으로 일직선[예를 들어, 약 30 °또는 이하의 편차 또는 굽이(bend)를 함유함] 및/또는 실질적으로 수직[예를 들어, 약 30°또는 덜-수직(less off-vertical)]일 수도 있고, 그렇게 함으로써 나노입자의 수득을 증가시킨다. 몇몇 실시형태에서, 나노입자의 수득은, 생산된 상기 나노입자의 금속에 관하여 상기 나노입자 전구체의 금속의 중량에 대하여 약 65 % 이상, 약 75 % 이상, 보다 바람직하게는 약 85 % 이상(예를 들어, 약 85 % 내지 약 90 %)일 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 본원에 기재된 상기 방법 및 시스템은, 지속적인 및 높은-생산 속도 나노입자 생산에 적합할 수도 있다. 도 2에서 나타낸 것으로, 일반적으로 표시된 200, 나노입자의 생산을 위한 시스템을 나타낸 것이다. 상기 시스템(200)은, 전구체 용액(212)을 함유하는 전구체 용액 용기(210)을 함유할 수도 있다. 상기 전구체 용액(212)은, 다량의 에어로졸화된 전구체 용액(B)을 생산할 수 있는, 기구(214), 예를 들어 대규모의 미스테르(large-scale mister) 또는 분무기(fogger)와 접촉할 수도 있다. 연속적인 공정을 가능하게 하도록, 시스템은, 전구체 용액(212)의 연속적인 첨가를 위한 실린지 펌프(syringe pump)(232)(또는 다른 유사한 자동화된 첨가 시스템)을 포함할 수도 있다.

전구체 용액 용기(210)는 반응물 스트림(C)을 수득하도록 에어로졸(B)와 혼합하는, 캐리어 가스(A)가 이를 통해 통과한다. 상기 반응물 스트림(C)은, 상기 반응물 스트림(C)이, 나노입자를 포함하는 생성물 스트림(D)를 수득하도록, 가열기(220a,b)에 의해 가열되는, 반응 구역(218)을 통해 통과할 수도 있다. 상기 반응 구역(218)이, 도 2에 설명된 것과 같은, 단일의 큰 직경 튜브 등, 또는 용액 용기(212)의 사용과 연관된 보다 큰 처리 부피를 제공하도록, 동시에 몇몇의 보다 작은 튜브들 등을 포함할 수도 있음을 주의하여야 한다. 상기 생성물 스트림(D)은, 나노입자가 방출 스트림(effluent stream)(E)을 수득하도록 상기 생성물 스트림(D)으로부터 적어도 실질적으로 제거되는 수집 용기(226)에서 수집 액체(228)을 통해 통과된다. 나타낸 바와 같이, 상기 수집 용기(226)는, 이러한 것 또는 유사한 공정으로 생성된 나노입자의 연속적인 추출을 가능하게 하도록, 상기 수집 액체(228)의 연속적인 흐름(continuous flow)을 위한 주입구(234) 및 유출구(outlet)(236)를 포함할 수도 있다.

본원에 사용된 바와 같이, 상기 용어 "연속적인(continuous)"은, 장기적인 기간(prolonged time frame)(예를 들어, 약 3 시간 또는 그 이상) 동안 중단 없는 것을 나타낸다. 연속적인 동작이, 단기적으로(예를 들어, 초 내지 분) 간헐적으로 실행될 수도 있고, 장기적으로 연속적인 것으로 간주될 수도 있음을 주의하여야 한다. 예를 들어, 전구체 용액의 연속적인 첨가는, 지속된 기간 동안에 전구체 용액의 간헐적인 첨가, 예를 들어, 매 15 분 당 약 1 mL의 전구체 용액의 첨가를 포함할 수도 있다.

몇몇의 실시형태는, 유동 캐리어 가스(A)의 존재에서 전구체 용액(212)를 지속적으로 에어로졸화하고, 이렇게 함으로써 반응물 스트림(C)를 수득하고; 상기 전구체 용액(212)를 연속적으로 보충하고; 다수의 나노입자를 포함하는 생성물 스트림(D)을 형성하도록 상기 휘발성 용매의 끓는점 이상의 온도로 상기 반응물 스트림(C)를 가열하고; 상기 생성물 스트림(D)을 냉각시키고; 및 상기 생성물 스트림으로부터 상기 나노입자를 수집하도록 수집 액체(228)를 통해 상기 생성물 스트림을 통과시키는 것일 수도 있다.

몇몇 실시형태는 추가적으로, 예를 들어, 상기 나노입자는 본원에서 원하는 농도에 도달하는 경우에, 상기 수집 액체(228)를 연속적으로 교체하는 것을 더 포함할 수도 있다.

몇몇 실시형태는, 상기 수집 액체(228)[예를 들어, 연속적으로 또는 배치방식(batchwise)]로부터 상기 나노입자를 추출하는 것을 더 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 상기 수집 액체(228)로부터 나노입자를 추출하는 것은, 상기 나노입자를 원심분리하는 것, 연속적인 원심분리하는 것[예를 들어, 흐름 원심분리(flow centrifugation)], 여과하는 것, 농축하는 것, 상기 나노입자가 정착하도록 하는 것 후에 수집 액체를 옮기는 것 등 및 이의 하이브리드를 포함할 수도 있다.

Ⅱ. 나노입자

몇몇 실시형태에서, 본원에 기재된 방법 및 시스템은, 스트레인되지 않는 나노입자(unstrained nanoparticles) 및/또는 스트레인된 나노입자(strained nanoparticles)를 형성할 수도 있다. 예를 들어, 바이모달 분포(bimodal distribution)에서, 보다 큰 나노입자는 스트레인(strain)을 가지는 것을 형성할 수도 있는 반면에, 보다 작은 나노입자는 무시해도 될 정도의 스트레인을 가질 수도 있다. 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "스트레인된 나노입자(strained nanoparticles)"는, x-선 회절("XRD")에 의해 분석된 경우에 결정면(crystal plane)에서 쉬프트(shift)에 의해 결정될 수 있는, 스트레인된 결정 구조를 가지는 나노입자를 나타낸다. 몇몇 실시형태에서, 상기 스트레인된 나노입자는, 나노결정, 결정질 코어 및 무정형 셸을 가지는 코어-셸 나노입자(core-shell nanoparticles with a crystalline core and an amorphous shell), SiGe 코어 셸 나노입자 등일 수도 있다. 다른 방식으로 명시되지 않는 한, 상기 용어 "나노입자"는, 스트레인되지 않는 나노입자 및 스트레인된 나노입자 둘 다를 포함하는 것임을 주의해야 한다.

이론에 의해 한정되지 않으면서, 에어로졸화의 주파수, 에어로졸화의 진폭, 반응 구역에서의 체류 시간, 및 온도는, 스트레인의 정도(degree of strain), 직경 분포, 및/또는 본원에 기재된 시스템 및 공정에 의해 형성된 나노입자의 형태에 영향을 미칠 수 있는 것으로 여겨진다. 예를 들어, 에어로졸화 동안에 보다 높은 주파수의 사용은, 보다 큰 나노입자를 수득할 수도 있다. 다른 예에서, 에어로졸화 동안에 보다 높은 진폭의 사용은, 보다 높은 스트레인을 가지는 나노입자를 수득할 수도 있다.

상기 나노입자(스트레인된 또는 스트레인되지 않음)는, 나노입자의 생산에 사용된 상기 나노입자 전구체(들)의 금속(들)을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 본원에 기재된 상기 방법 및 시스템은, 카드뮴 및 셀레늄을 포함하는 전구체 용액을 이용할 수도 있고, 카드뮴 셀레늄 나노입자를 수득할 수도 있다. 다른 예에서, 본원에 기재된 상기 방법 및 시스템은, 금, 팔라듐, 또는 팔라듐 나노입자를 수득하도록, 금, 백금, 또는 팔라듐을 포함하는 전구체 용액을 이용할 수도 있다. 다른 예에서, 본원에 기재된 방법 및 시스템은, 약 원하는 비로 게르마늄 및 규소를 포함하는 나노입자를 수득하도록 원하는 비로 게르마늄 및 규소를 포함하는 전구체 용액을 이용할 수도 있다.

스트레인된 나노입자는, 몇몇 실시형태에서, Ⅲ 족, Ⅳ 족, Ⅴ 족, 및/또는 Ⅵ 족 원소를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 스트레인된 규소 나노입자는, 벌크 규소의 (111) 결정면으로부터 약 4°내지 약 6°으로 변경된 (111) 결정면에 대한 2θ 수치를 가질 수도 있다[For example, a strained silicon nanoparticle may have a 2θ value for the (111) crystal plane shifted by about 4° to about 6° from the (111) crystal plane of bulk silicon]. 몇몇 실시형태에서, 상기 스트레인된 나노입자의 (111) 결정면에 대한 2θ 수치는, 약 1°, 2°, 또는 3°, 또는 4°의 하한 내지 약 8°, 7°, 6°, 5°, 또는 4°의 상한의 이에 대응하는 벌크 물질에 관하여 쉬프트될 수도 있고(the 2θ value for the (111) crystal plane of the strained nanoparticles may shift relative to the corresponding bulk material from a lower limit of about 1°, 2°, or 3°, or 4° to an upper limit of about 8°, 7°, 6°, 5°, or 4°), 상기 쉬프트는 어떠한 하한에서 어떠한 상한까지의 범위일 수도 있고, 이들 사이의 어떠한 부분집합을 포함할 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 상기 스트레인된 나노입자는 Ⅳ족 원소(예를 들어, 게르마늄, 규소, 주석, 납, 탄소 또는 이의 어떠한 조합)를 포함할 수도 있다. 다른 실시형태에서, 상기 스트레인된 나노입자는, 약 1:10, 1:5, 또는 1:1의 하한에서 약 10:1, 5:1, 또는 1:1의 상한까지의 범위에 있는 규소 대 게르마늄의 몰비를 포함할 수도 있고, 상기 몰비는, 어떠한 하한에서 어떠한 상한까지 범위일 수도 있고, 이들 사이의 어떠한 부분집합을 포함할 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 본원에 기재된 상기 나노입자(스트레인된 또는 스트레인되지 않는)는, 약 3 nm, 5 nm, 10 nm, 25 nm, 또는 100 nm의 하한에서 약 1000 nm, 500 nm, 250 nm, 150 nm, 100 nm, 또는 50 nm의 상한까지의 범위의 적어도 하나의 치수(dimension)에서의 평균 직경을 가질 수도 있고, 적어도 하나의 치수에서의 평균 직경은, 어떠한 하한에서 어떠한 상한까지의 범위일 수도 있고, 이들 사이의 어떠한 부분집합을 포함할 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 본원에 기재된 상기 나노입자(스트레인된 또는 스트레인되지 않는)는, 평균 직경으로부터 상기 표준 편차가, ± 약 0.5 nm, 1 nm, 또는 2 nm의 하한에서 ± 약 10 nm, 7 nm, 또는 5 nm의 상한까지의 범위에 있도록, 좁은 직경 분포(narrow diameter distribution)를 가질 수도 있고, 상기 표준 편차는 어떠한 하한에서 어떠한 상한까지의 범위일 수도 있고, 이들 사이의 어떠한 부분집합을 포함할 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 본원에 기재된 나노입자(스트레인된 또는 스트레인되지 않는)은 다중모달 직경 분포(예를 들어, 바이모달, 트리모달 등)을 가질 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 다중모달 직경 분포를 가지는 상기 나노입자(스트레인된 또는 스트레인되지 않는)는, 약 4 nm, 7 nm, 12 nm, 또는 25 nm의 하한에서 약 250 nm, 150 nm, 100 nm, 또는 50 nm의 상한까지의 범위에 있는 적어도 하나의 치수에서 평균 직경을 가지는 적어도 하나의 방식을 가질 수도 있고, 적어도 하나의 치수에서 상기 평균 직경은, 어떠한 하한에서 어떠한 상한까지의 범위일 수도 있고, 이들 사이의 어떠한 부분집합을 포함할 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 본원에 기재된 나노입자(스트레인된 또는 스트레인되지 않는)의 다중모달 직경 분포의 모드는, 각각의 모드에 대한 표준 편차가 독립적으로, ± 약 0.5 nm, 1 nm, 또는 2 nm의 하한에서 ± 약 10 nm, 7 nm, 또는 5 nm의 상한까지의 범위에 있도록, 좁은 직경 분포를 가질 수도 있고, 상기 표준 편차는 어떠한 하한에서 어떠한 상한까지의 범위일 수도 있고, 이들 사이의 어떠한 부분집합을 포함할 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 상기 나노입자는, 나노입자의 크기를 기초로 광발광(photoluminescence)을 생산할 수도 있다. 입자의 물리적인 크기가 이의 여기 반경(its exciton radius) 미만인 경우에[즉, 물리적인 거리 전자는 이의 원자가 밴드(valence band)에서 전도 밴드(conduction band)까지의 이동하여야 한다], 광발광의 양자 현상(quantum phenomenon)은 관찰될 수 있다. 예를 들어, 규소의 여기 반경은 24 nm이다. 즉, 전자는 이의 원자가 밴드에서 전도 밴드까지 24nm 이동해야 한다. 그러나, 다양한 실시형태는 24 nm 미만인 규소 입자를 생산할 수도 있다(예를 들어, 5 nm 규소 입자를 합성하는 것을 가능하게 한다). 이러한 실시형태에서, 충분한 에너지의 광자(즉, 자외선 또는, 보다 명확하게, 나노규모 물질의 밴드 갭 에너지 초과의 광자)가 나노입자에 의해 흡수된 경우에, 전자는 원자가 밴드에서 전도 밴드로 여기된다. 상기 전자는, 원자가 밴드 내로 다시 들어갈 수도 있고, 입자 크기와 여기 반경 사이의 차이점을 기초로 하는 파장에서 빛의 광자를 방출할 수도 있다(The electron may then fall back into the valence band and emit a photon of light at a wavelength based on the difference between the particle size and the exciton radius). 5 nm 규소의 경우에, 이는 푸른 빛이다. 상기 입자의 물리적인 크기가 여기 반경에 접근하는 것과 같이, 광발광은 더 이상 관찰되지 않고, 상기 물질은 벌크 물질(ulk material)로서 행동하기 시작한다.

다양한 실시형태에서, 나노입자의 직경은, 관계를 기초로 하여 결정될 수도 있다:

이 식에서, D_p는 결과적으로 형성된 입자의 직경이고, σ는 전구체 용액의 선택 및 온도에 따른 정수이고, f는 변환기/초음파처리 주파수(transducer/sonicating frequency)이고, Q는 캐리어 가스의 유량(flow rate)이고,

는 상기 전구체의 표면 장력이고,

는 상기 전구체의 밀도이고,

은 상기 전구체의 점도이고, 동력/영역(power/area)은 동력 밀도이다.

Ⅲ. 스트레인된 나노입자의 압전 효과(Piezoelectric Effects)

몇몇 실시형태에서, 상기 스트레인된 나노입자는 압전 효과를 나타낼 수도 있다. 압전기(Piezoelectricity)는, 기계적인 응력으로 인하여 특정한 고체 물질 구조에서 발생하는 전하 증가(electrical charge build-up)의 특별한 환경이다. 일반적으로, 상기 압전 효과는, 어떠한 반전 대칭도 없는 결정성 물질에서 기계적인 및 전기적인 상태 사이의 직선의 전기기계적 상호작용이 되도록 실험적으로 결정하고 있다. 상기 압전 효과는, 적용된 기계력을 결과적으로 형성하는 전하(electrical charge)의 내부 발생이 적용된 전기장으로부터 결과적으로 형성된 기계적인 스트레인의 내부 발생과 역전될 수 있도록 하는 가역 공정이다.

벌크 반도체에서 압전 효과에 관하여, 스트레인으로부터 발생하는 원자 사이의 공간에서의 변화는 전자가 상기 전도 밴드 내로 올라가는 것을 보다 쉽게 만드는(또는 상기 물질 및 스트레인에 따라 보다 어려워진다) 반도체 내인성 밴드 갭에 영항을 미친다[Regarding the piezoelectric effect in bulk semiconductors, changes in inter-atomic spacing resulting from strain affects the semiconductors intrinsic band gap making it easier (or harder depending on the material and strain) for electrons to be raised into the conduction band]. 반도체 물질의 압전 효과는 금속에서 유사한 기하학적 영향(analogous geometrical effect)보다 몇 배 더 클 수도 있고, 게르마늄, 다결정질 규소, 무정형 규소, 탄화 규소 및 단일 결정 규소와 같은 물질에 존재한다.

반도체의 압전 효과는, 게르마늄, 다결정질 규소, 무정형 규소, 및 단일 결정 규소와 같은 다양한 반도체 물질을 가지는 센서 디바이스(sensor devices)에 사용되고 있다. 규소는 거의 모든 통합된 회로를 위한 현재의 선택의 물질이기 때문에, 압전 규소 디바이스의 사용은 연구 관심의 집중된 영역이다.

벌크 단일 결정 규소 및 게르마늄에서의 피에조 저항 효과(piezoresistive effect)에 관하여, 규소 및 게르마늄의 저항은, 기하학의 응력-유도된 변화(stress-induced change)로 인하여 변화될 수 있지만, 또한 물질의 응력 의존적인 저항성(stress dependent resistivity)으로 인하여 변화될 수 있다. n 타입 규소의 저항(전기 전도에 대한 책임이 있는 두드러진 전하 캐리어가 전자이다)은, 결정의 세 가지의 상이한 전도 정점(three different conducting vertices of the crystal)의 쉬프트(shift)로 인하여 주로 변화된다. 상기 쉬프팅(shifting)은, 상이한 유동성을 가지는 정점 사이에 캐리어의 재분배를 초래한다. 이러한 것은, 전류 흐름의 방향에 따라 달라지는 다양한 이동성을 결과적으로 나타낸다. 작은 효과(minor effect)는 단일 결정 규소에서 최하점 정점(valley vertices)의 내부-원자의 간격(inter-atomic spacing)에서의 변화로 인하여 형태 뒤틀림(shape distortion)과 관련된 효과적인 질량 변화(mass change)로 인한 것이다. p-타입 규소에서 [전기 전도에 책임이 있는 우세한 전하 캐리어는 홀(holes)이다], 연구된 지금의 현상은 보다 복잡하고, 또한 질량 및 홀 이동(hole transfer)에서의 변화를 입증한다.

압전 매커니즘에 관하여, 압전 효과의 성질은 고형물에서 전기 쌍극자 모멘트(electric dipole moment)의 발생에 뿌리를 두고 있다. 전기 쌍극자 모멘트는, 전하 사이의 분리의 거리 및 전하의 규모의 생산물과 같은, 벡터량이다. 고형물에서 전기 쌍극자 모멘트는 리튬 탄탈레이트(lithium tantalate) 및 납 지르코네이트-티타네이트와 같은, 비대칭의 전하 환경으로서 결정 격자 부위 상의 이온에 대해 유도될 수도 있거나, 또는 유기 당 분자에서와 같은 분자 그룹에 의해 직접적으로 운반될 수도 있다. 극성을 일으키는 쌍극자 밀도는, 결정 단위 격자(crystal unit cell)의 단위 부피 당 쌍극자 모멘트의 합이다. 전기 쌍극자가 벡터량(특정한 정도 및 방향의 기하학적 대상)이기 때문에, 쌍극자 밀도 P는 또한 벡터량이다. 서로 가까운 쌍극자는 바이스 도메인(Weiss domains)으로 불려진 영역에서 배열되는 경향이 있다. 개별적인 입자들 사이에 발생하는 이러한 조정된 영역에서, 상기 입자는 전체로서 작용한다. 따라서, 전압의 극성 및 퍼텐셜 및 전류의 규모 및 방향은 전체적인 고체를 형성하는 모든 개별적인 입자의 합과 동일하다(the potential and polarity of voltage and magnitude and direction of the current is equal to the sum of all individual particles making up the entire solid).

반복하기 위해, 일반적으로 압전 효과는 적용된 기계적인 응력과 발생하지만, 또한 특정한 고형물 내로 내부 응력을 생산함으로써 나타낼 수 있다. 압전(Piezoelectricity)은, 극성 강도의 변화, 방향 또는 둘 다로 인하여 발생한다. 상기 전하의 규모 및 방향은, 입자 대칭, 개별적인 입자 내로 이의 쌍극자 밀도 P의 방향, 및 적용된 기계적 응력 또는 유도된 내부 응력 사이의 연관성에 따라 달라진다(The magnitude and direction of the charge depends on the interrelationships between the orientation of its dipole density P within individual particles, particle symmetry, and the applied mechanical stress or induced internal stress). 개별적인 결정의 쌍극자 밀도에서의 변화가 상기 개별적인 결정면 상의 표면 전하 밀도의 변화로서 정량적으로 나타낼 수 있을지라도, 즉, 전체적인 결정을 형성하는 개별적인 결정학상의 단위 격자(individual crystallographic unit cells)의 합으로서, 압전 현상으로부터 발생하는 전체적으로 유용한 에너지는 물질의 전체적인 조각을 형성하는 결정의 쌍극자 밀도의 중첩(superposition)에 의해 기인한다. 예를 들어, 오른쪽에서 기계적으로 적용된 힘의 500 lb을 가지는 석영의 1 cm³ 정육면체는, 상기 합력이, 전체적인 결정을 형성하는 모든 개별적인 결정학상의 단위 격자의 합이기 때문에, 약 12500 V의 전압을 생산할 수 있다.

응력의 상태에서 합성된 벌크 극성 결정 구조에서의 발전에 관하여, 결정질 물질에서 대칭 조작의 32가지의 가능한 조합을 나타내는 32 가지의 결정 클래스(32 crystal classes)가 있다. 각각의 결정 클래스는, 클래스의 대칭을 유일하게 정의하는 결정면을 포함한다. 32 가지 결정 클래스 중에서, 21 가지는 비-중심 대칭(대칭의 중심을 가지지 않음)이고, 이러한 것들 중에서, 20 가지는 직접적인 압전(direct piezoelectricity)을 나타낸다. 이들 중에 10 가지는, 이들의 결정 구조에서 내재하는 비대칭(asymmetry)과 연관된 사라지지 않는 전기 쌍극자 모멘트(non-vanishing electric dipole moment)로 인하여 적용된 기계적인 응력 없이 자발적인 분극을 나타내는, 극성 결정 클래스를 포함한다. 쌍극자 밀도 P ≠ 0의 요약이 기계적인 부하(mechanical load)의 적용 없이 유지하는 극성 결정에 대해서, 상기 압전 효과는 P 또는 둘 다의 방향 또는 규모를 변화시킴으로써 이 자체로 나타낸다. 나타낸 다른 방식, 내부 응력을 가지도록 제조될 수 있는 극성 결정은, 적용된 기계적인 부하(mechanical load) 없이 압전 효과를 입증할 것이다.

다른 방식으로 다시 나타낸, 비-극성 압전 결정에 대해, 적용된 기계적인 부하는 비-극성 결정 클래스(P = 0)에서 P ≠ 0 을 가지는 극성의 것까지의 물질을 스트레인시키고, 이런 이유로, 외부 디바이스를 작동할 수 있는 유용한 에너지 및 전압 퍼텐셜(voltage potential)를 일으킨다. 그러나, 내부 상태의 응력에 대한 성향이 있는 결정은, P ≠ 0 에 대한 내재하는 극성 구조를 가지고, 이런 이유로 에너지는 적용된 기계적인 부하 없이 구조로부터 방출될 수 있다(However, crystals predisposed to an internal state of stress have an inherent polar structure for which P ≠ 0 and hence energy can be discharged from the structure without an applied mechanical load). 전기 에너지의 방출 동안에, 상기 결정은 원자 사이의 공간의 이의 우선된 상태로 다시 완화된다(During discharge of electrical energy, the crystal relaxes back into its preferred state of interatomic spacing).

다양한 실시형태에서, 스트레인된 나노결정을 생산하는 것은, 다른 인자들 중에서, 예를 들어, 상기 나노결정의 조성, 반응 구역(들)의 온도(들), 주파수 및 초음파 분쇄기/미스테르/분무기/변환기의 동력을 포함하는 다양한 인자에 달라진다. 하나의 실시형태에서, 스트레인된 Si 나노결정은 세 가지 시기 반응 영역(three stage reaction zone)에서 생산될 수도 있고, 상기 세 가지 시기는 850 ℃, 850 ℃, 및 650 ℃의 온도를 가지고, 초음파 분쇄기에 의해 공급된 동력은, 175 W 초과하고, 700 W 미만이다. 다른 실시형태에서, 스트레인된 게르마늄 나노결정은 세 가지 시기 반응 구역에서 생산될 수도 있고, 상기 세 가지 시기는 750 ℃, 750 ℃, 및 550 ℃의 온도를 가지고, 초음파 분쇄기에 의해 공급된 동력은 462 W 초과하고 700 W 미만이다. 다른 실시형태에서, SiGe 나노결정은 세 가지 시기 반응 구역에서 생산될 수도 있고, 상기 세 가지 시기는 800 ℃, 800 ℃ 및 575 ℃의 온도를 가지고, 초음파 분쇄기에 의해 공급된 동력은 390 W 초과하고 700 W 미만이다.

스트레인된 나노입자를 생산하는 것에 더하여, 다양한 실시형태는, 상기 나노입자로 생산된 양자 에너지 디바이스(quantum energy device, QED)에서 증가된 에너지 밀도를 가능하게 하는, 양자 제한된 나노입자(quantum confined nanoparticles)의 생산을 가능하게 한다. 나노결정에서 양자 제한(Quantum confinement)은, 상기 입자의 물리적은 크기가 이의 특징적인 여기 보어 반지름 미만(its characteristic exciton Bohr radius)인 경우에 발생한다. 여기 보어 반지름은, 여기 동안에 남겨진 이의 양전하 홀로부터 음전하 전자를 분리하는 물리적인 거리이다(The exciton Bohr radius is the physical distance separating a negatively charged electron from its positively charged hole left behind during excitation). 상기 입자의 물리적인 크기가 상기 거리 미만인 경우에, 상기 전자는 여기 동안에 이동해야 하고, 상기 물질은 양자 제한된 것으로 간주된다. 예를 들어, 게르마늄에 대한 여기 보어 반지름은 24.3 nm이다; 그러나, 직경에서 1 나노미터가 되도록 게르마늄 나노결정을 합성하는 것이 가능하다. 이의 특징적인 거리보다 더 좁은 나노입자를 형성함으로써, 나노입자의 전기적인 특성은, 입자 크기를 조절함으로써 에너지 레벨을 신중하게 조정될 수 있다. 따라서, 보어 반지름보다 더 작은 입자로 만들어진 합계는, 크게 증가된 에너지 밀도를 지닐 것이다. 만약 입자가 보어 여기 반지름으로서 거의 동일한 크기 또는 약간 더 크다면, 입자의 총합은, 만약 상기 입자 모두가 여기 보어 반지름보다 더 작은 것과 같은 정도가 아니라면, 여전히 증가된 에너지 밀도를 지닐 것이다.

이러한 내용의 실시형태에 따라 생산된 나노입자는 또한, 얕은 퍼텐셜 웰(shallow potential wells)로부터의 유용하고, 따라서, 양자 터널링(quantum tunneling)에 의해 원자가 밴드에서 전도 밴드로 전자를 여기하기 위해 더 큰 입자보다 더 적은 활성화 에너지를 필요로 한다. 퍼텐셜 웰(Potential wells)은, 이들 각각의 여기 보어 반지름보다 더 적도록 물리적인 입자 면적을 합성하는 직접적인 결과이다. 퍼텐셜 웰은 나노물질에서 퍼텐셜 에너지의 국소 최소한도를 둘러싸는 영역이다(A potential well is the region surrounding a local minimum of potential energy in nanomaterials). 퍼텐셜 웰에서 획득된 에너지(Energy captured in a potential well)는, 이는 상기 퍼텐셜 웰의 국소 최소한도에서 획득된 것이기 때문에, 다른 형태의 에너지로 변환될 수 없다. 따라서, 바디는 이는 자연발생적으로 엔트로피의 보편적인 성질에 따라, 퍼텐셜 에너지의 전반적인 최소치로 이르지 않을 수도 있다(a body may not proceed to the global minimum of potential energy, as it naturally would, according to the universal nature of entropy). 에너지는 만약 충분한 에너지가 여기에 대한 국소의 최소한의 에너지가 충분하게 극복되도록, 상기 시스템에 추가된다면, 퍼텐셜 웰로부터 방출될 수도 있다. 그러나, 양자 물리에서 퍼텐셜 에너지는 양자 입자의 확률론적인 특성으로 인하여 추가적인 에너지 없이 퍼텐셜 웰을 빠져나갈 수 있다. 이러한 경우에, 입자는, 상기 시스템에 첨가된 에너지 없이 퍼텐셜 웰의 벽을 통해 터널을 파는 것으로 상상될 수도 있다(In these cases, a particle may be imagined to tunnel through the walls of a potential well without energy added to the system).

도 3은, 주위의 대기의 조성물 및 압력의 조건 하에서, 기판(315) 상에 나노입자 코팅 또는 필름(310)을 생산하는 방법을 설명하고 있다. 도 3의 실시형태는 또한 주위 또는 약간 높은 온도에서 실행될 수도 있다. 도 3의 실시형태는, 비수성 콜로이드성 현탁액(330)으로부터 나노입자(325)를 전기영동적으로(electrophoretically) 증착하고, 상기 기판(315) 위로 상기 나노입자(325)를 실질적으로 균일하게 증착하는 것(335)을 포함한다. 상기 코팅 또는 필름(310)은, 몇몇 실시형태에서, 두께에서 1000 나노미터 미만일 수도 있지만, 다른 실시형태에서 더 두꺼울 수도 있다. 코팅되기를 바라는 기판(315)은, 상기 기판(315)를 첫 번째로 클리닝(340)하고, 그 다음에, 만약 상기 기판(315)가 충분하게 전기적으로 전도성이 충분하지 않다면, 은 또는 인듐 주석 산화물(인듐 주석 산화물의 얇은 층이 실질적으로 광학적으로 투명하기 때문에, 광학 요소를 제조하기 위해 일반적으로 사용됨)과 같은 전도성 물질(345)의 층으로 상기 기판(315)를 코팅하는 것에 의해 제조될 수도 있다.

나노입자(325)의 비수성 현탁액(330)은, 상기 증착 공정에서 사용을 위해, 나노입자(예를 들어, 본원에 기재된 바와 같은 수집 액체에서 나노입자)의 합성으로부터 제조되거나 제공될 수도 있다. 상기 액체 현탁액 매체(liquid suspension medium)(350)(또는 실시형태에 따라 수집 액체)는 2-부탄올, 1,2-디클로로벤젠 및/또는 아세톤 등과 같은 극성 용매일 수도 있다. 상기 액체 현탁액 매체(350) 조성물은, 이의 내재하는 유전율, 하마커 상수(Hamaker constant), 혼화성, 점성 등으로서 이러한 특성을 고려하여 선택된다. 다양한 실시형태에서, 비양자성 극성 비수성 용매(aprotic polar nonaqueous solvents)(355) 및 양성자성 극성 비수성 용매(protic polar nonaqueous solvents)(360)의 혼합물은, 상기 액체 현탁액 매체(350)를 정의하기 위해 선택된다.

몇몇 실시형태에서, 1-부틸-메틸피롤리디늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드와 같은 이온성 액체(365)의 소량은, 나노입자 필름(310)의 증착을 용이하게 하도록, 상기 액체 현탁액 매체(350)(또는 실시형태에 따라 수집 액체)에 첨가될 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 완충용액(나타내지 않음)은, 나노입자(325)에서 표면 전하를 다루기 위해, 상기 액체 현탁액 매체(350)(또는 상기 실시형태에 따라 수집 액체)에 첨가될 수도 있다. 예를 들어, 규소 입자는 약 6 내지 약 9 사이의 pH 범위에서 음전하되는 반면에, 게르마늄 입자는 약 3 내지 약 5 사이의 pH 범위에서 음전하된다(germanium particles are negatively charged in the pH range from about 3 to about 5).

나노입자 현탁액을 제조하는 것에 관하여, 나노입자(325)의 설정된 및 측정된 양은, 상기 액체 현탁액 매체(350)(임의적으로 이온성 액체(365) 및/또는 완충용액(나타내지 않음)을 포함함)에 분산될 수도 있다. 상기 액체 현탁액 매체(350)은, 상기 나노입자(325)가 콜로이드성 현탁액(330)을 정의하기 위해 일반적으로 고르게 및 균질하게 분산될 때까지 휘저어질 수도 있다(agitated).

DC 동력원(370)에 연결된 기판(315)는 캐소드(cathode)(375)로서 작용할 수도 있고, 상기 콜로이드성 현탁액(330)에 담겨진 제2 전극 또는 전극 배열(380)(탄소 전극과 같은)은, 전기 회로를 완성하고, 전기장을 설정하기 위해 사용될 수도 있다. 상기 기판(315)는 일반적으로 캐소드(375)이고, 상기 탄소 전극은 일반적으로 애노드(anode)이다. 상기 전극들/전극 배열(375, 380)은, 예를 들어, 원하는 증착 패턴, 상기 전극들(375, 380)의 형태, 상기 기판(315)의 형태 등으로서 이러한 변수들에 따라, 약 0.5 내지 약 4.0 센티미터 떨어진 거리에서 유지될 수도 있다. 그러나, 특정한 환경 하에서, 전극 간격 거리(electrode separation distance)는 0.5 내지 4.0 센티미터 범위를 벗어날 수도 있다. 상기 적용된 전압은 일반적으로 나노입자의 크기에 따라 약 3 내지 약 12 볼트 사이이다. 상기 콜로이드성 현탁액(330)에서의 나노입자(325)는, 실질적으로 그 위에 코팅(310)을 형성하는, 상기 기판(315)으로 이동한다.

상기 나노입자(325)는, 몇몇 실시형태에서, 어떠한 편리한 형태 및 기하학일 수도 있고, 일반적으로 규칙적으로 형성된 및 전형적으로 덩어리로 된(typically blocky), 및 보다 전형적으로, 일반적으로 구체이다. 전형적으로, 상기 나노입자(325)는, 예를 들어, 나노입자(325)의 대부분은 3 내지 10 나노미터에 포함되는 것과 같이, 좁은 직경 분포를 가지는 나노입자(325)의 코팅 또는 필름(310)을 수득하기 위해, 상대적으로 좁은 직경 분포를 가지는, 빽빽히 크기를 표시할 것이다 (Typically, the nanoparticles 325 will be tightly sized, having a relatively narrow diameter distribution, to yield a coating or film 310 of nanoparticles 325 having a narrow diameter distribution, such as, for example, wherein most of the nanoparticles 325 fall in the 3-10 nanometer range). 대안적으로, 적용된 전압, 전류 및/또는 콜로이드성 현탁액(330)의 pH는, 상기 콜로이드성 현탁액(330)이 상기 타겟 크기 범위 밖에 있는 나노입자(325)의 실질적인 양을 포함하는 경우에, 상기 증착된 나노입자(325)의 크기 이상의 유사한 컨트롤(control)을 수득하기 위해 다양할 수도 있다. 추가적으로, 상기 콜로이드성 현탁액(330)의 pH 및/또는 적용된 전압을 다양하게 함으로써, 나노결정의 다층은, 미리결정된, 크기-특이적인 등급된 순서(predetermined, size-specific of graduated order)로 기판(315)에 적용될 수도 있다. 상기 증착 공정(335)는, 상기 원하는 필름 두께가 달성될 때까지, 수백 내지 수천 나노미터 두께로 전형적으로 증착된 층을 수득하기 위해, 전형적으로 약 30 초 내지 약 5 분 동안, 유지될 수도 있다. 전형적으로, 상기 증착 공정(335)는 주위 대기 하에서 처리된다; 어떠한 진공도 필요로 하지 않는다.

필름(310)의 효과적인 표면적은, 나노결정질 입자 크기 및 형태의 기능이고, 원하는 말단 용도에 의해 좌우되고, 증착의 방법을 변경하지 않는다. 이와 비슷하게, 전극 또는 전극 배열(380)은 상기 나노입자가 이에 증착될 것인, 캐소드(375)와 동일하거나 이보다 큰 크기인 것을 필요조건으로 하지 않는다.

상기 나노입자(325)의 전기영동의 증착(335)가 완료된 경우에, 코팅된 기판(385)은, 나노입자 필름(310)을 보호하고, 외부의 디바이스(external device)에 동력을 공급하기 위해 사용되도록, 전자가 이동하기 위한 경로를 설정하기 위해, 상기 필름(310) 위에 열 증착 등을 통해 금속 접촉(390)을 증착시킴으로써 끝낼 수도 있다. 상기 금속 접촉(390)은 전형적으로, 금, 백금, 은, 구리 등과 같은 크게 전기 전도성 금속(highly electrically conductive metal)이고, 전형적으로, 약 100 nm 내지 약 400 nm 두께이지만, 이로 제한되지 않는다.

표준 전기적인 접촉 기술을 사용하여, 다수 코팅된 기판(85)은, 상기 원하는 전압/전류 공급 설정(desired voltage/current supply configuration)을 발생하도록 배열된 양자 에너지 디바이스(300)를 수득하기 위해 직/병렬 방식(series/parallel fashion)으로 연결될 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, QED는 원하는 부하(desired load)를 공급하기 위해 완성되고 배열될 수 있다.

도 4에 현재 나타낸 바와 같이, 몇몇의 실시형태에서, 다수의 나노입자 필름(410) 및 금속 접촉(490)은 다수의 층을 가지는 코팅된 기판을 수득하도록 연속으로 증착될 수도 있다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 필름(410)의 나노입자들은, 바이모달 직경 분포를 가질 수도 있고, 전기영동 증착에 의해 잘-배열된 필름(highly-ordered films)(410)을 형성할 수도 있다.

도 5에 현재 나타낸 바와 같이, 나노입자 필름(510)은, 몇몇 실시형태에서, 다중모달 직경 분포를 가지는 나노입자의 용액으로부터 형성될 수도 있다. 이러한 다중모달 직경 분포는, 몇몇 실시형태에서, 결과적으로 생성된 QED에서 높은 에너지 저장 및/또는 동력 변환/발생/공급 특성을 수득할 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 상기 나노입자가 보다 효율적인 패킹 밀도(more efficient packing density)를 이용하도록 증착될 수도 있도록, 상기 나노입자는, 미리 결정된 바이모달 또는 다중모달 크기 분포를 제공한다. 예를 들어, 보다 큰 직경 입자(512)(25 nm와 같음)의 제1 내부층이 증착될 수도 있고, 보다 작은 직경 입자(514)(9 nm와 같음)의 제2 내부층이, 보다 큰 직경 입자(512)에 의해 정의된 간극에 우선적으로 있는 보다 작은 입자(514)로, 그 위에 증착될 수도 있다.

도 6에 현재 나타낸 바와 같이, 몇몇 실시형태에서, 코팅된 기판(600)은, 순서대로, 인듐 주석 산화물(645)에 코팅된 유리 기판(615), 나노입자 필름(610), 전도하는 나노와이어의 필름(film of conducting nanowires)(695)(예를 들어, ZnO, MgO 등), 및 금속 백킹 층(metal backing layer)(690)을 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 상기 전도하는 나노와이어(conducting nanowires)(695)는, 진공 증발 등 기술을 통해 나노입자 필름(610)의 표면으로 증착될 수도 있다. 전도하는 나노와이어의 층(695)은, 보다 낮은 일련의 저항(lower series resistance) 및/또는 증가된 전기 전도성과 같은 효과를 수득할 수도 있고, 그것과 함께 생산된 QED의 동력 방출 능력(power discharge capabilities)에서 증가될 수도 있다. 전도하는 나노와이어의 필름(695)는 상기 금속 백킹 층(690)에 추가하여 또는 상기 금속 백킹 층을 대신할 수도 있다.

도 7에 현재 나타낸 바와 같이, 코팅된 기판(700)은, 순서대로, 인듐 주석 산화물에 코팅된 유리 기판, 그 안에 끼워 넣은 리튬(797)을 가지는 나노입자 필름(710) 및 리튬 이온 수송을 위한 전해질(798), 전도하는 나노와이어의 필름(795)(예를 들어, ZnO, MgO 등) 및 금속 백킹 층(790)을 포함할 수도 있다. 이론에 의해 제한되지 않으면서, 상기 스트레인된 나노입자 내로 제조된 스트레인은 추가적으로, 리튬, 나트륨 등과 같은, 추가적인 적당하게 크기 표시된, 작은 분자의 삽입(intercalation)을 통해 증가될 수도 있다. 삽입(Intercalation)은 전형적으로, 두 개의 다른 분자 사이의 분자의 전형적인 가역적인 포함이다. 스트레인된 나노입자의 결정 격자 구조 내로, 리튬과 같은 작은 삽입 원자 또는 이온의 삽입은, 상기 나노입자 구조를 추가적으로 스트레인하고, 이와 함께 생성된 디바이스의 동력 출력 용량 및 에너지 밀도를 그 결과 증가시키기 위해, 내부 응력을 증가시킬 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 본원에 기재된 나노입자 필름의 두께는, 약 200 nm, 300 nm, 또는 500 nm의 하한 내지 약 1500 nm, 1250 nm, 또는 1000 nm의 상한까지의 범위일 수도 있고, 상기 두께는 어떠한 하한에서 어떠한 상한까지의 범위일 수도 있고, 이들 사이의 어떠한 부분집합을 포함할 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 본원에 기재된 나노입자 필름은, 1 cm² 단일 층 나노입자 필름에 대해, 약 0.1 V, 1 V, 2.5 V, 또는 5 V의 하한에서 약 18 V, 15 V, 12 V, 또는 10 V의 상한까지의 범위의 전압을 나타낼 수도 있고, 상기 전압은, 어떠한 하한에서 어떠한 상한까지의 범위에 있을 수도 있고, 이들 사이의 어떠한 부분집합을 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 상기 나노입자의 조성 및 물리적인 특징은 원하는 전압을 달성하기 위해 조절될 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 본원에 기재된 상기 나노입자 필름은, 1 cm² 단일 층 나노입자 필름에 대해, 약 10 microamps, 100 microamps, 또는 1 mA의 하한에서 약 50 mA, 25 mA, 10 mA, 또는 1 mA의 상한까지의 범위에 있는 전류를 나타낼 수도 있고, 상기 전류는 어떠한 하한 내지 어떠한 상한의 범위에 있을 수도 있고, 이들 사이의 어떠한 부분집합을 포함할 수도 있다.

다수의 QED 단위는, 본원에 기재된, 나노입자 전기영동 증착 방법(nanoparticle electrophoretic deposition method)을 사용하여 성공적으로 제조되고 있다. 개별적으로 QED 단위는, 몇몇의 실시형태에서, 각각 전체 출력 전압 또는 전류를 증가시키기 위해, 직렬로 또는 병렬로, 함께 연결될 수도 있다. 상기 본원에 기재된 나노입자 필름으로 제조된 QED 단위는, 유사한 전력 필요조건을 가지는 다른 전기적인 디바이스 및 LEDs에 동력을 공급하기 위한 능력을 입증하는 것이다. 나노입자의 상이한 크기 및 나노입자의 타입의 조합은, 명확하게 조정된 및 원하는 출력 특성을 가지는 QED를 발생하기 위해 사용될 수도 있다. 나노입자의 다층은, 몇몇 실시형태에서 이용될 수도 있고, 금속 층은 임의적으로, 상기 나노입자 층들 사이에 배치되거나 혼합될 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 금속성 및 비-금속성 후면 또는 전면 접촉은 원하는 QED 출력에 따라, 이용될 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, P-타입 또는 N-타입 도핑된 반도체(즉, 비-본질적으로 도핑된) 나노입자는, 필요한 만큼 본질적인 반도전성 나노입자(intrinsic semiconducting nanoparticles)와 혼합되고/되거나 이용될 수도 있다.

본원에 기재된 몇몇의 나노입자로부터 제조된 디바이스, 예를 들어, 양자점 조성(예를 들어, CdSe, Si, Ge, SiGe 등)은, 몇몇 실시형태에서, 이러한 나노입자의 독특한 및 크기-유도된 물리적인 특성으로부터의 이익을 취할 수도 있다. 반도체는, 매우 좋지 못할 뿐만 아니라, 전기를 전도하는 물질이다(Semiconductors are materials that conduct electricity, but only very poorly). 전기 전도를 지지할 수 있는 유리 전자의 다량을 가지는 물질과 달리, 반도체에서의 전자는 주로 결합된다. 그러나, 몇몇은 매우 느슨하게 결합되고, 이들은, 입사된 광자로부터와 같이, 에너지의 흡수에 의해 원자의 결합 프리로 여기될 수도 있다(However, some are so loosely bound that they may be excited free of atomic binding by the absorption of energy, such as from an incident photon). 이러한 사건은 전자-정공 쌍이 필수적인 여기를 생산하도록, 상기 홀은 유리된 전자 뒤로 순-양전하 격자 위치이다(Such an event produces an exciton, which is essentially an electron-hole pair, the hole being the net-positively charged lattice site left behind by the freed electron). 대부분의 결정에서, 충분한 여기는, 상기 유리된 전자가, 원자가 밴드를 남고, 상기 전도 밴드를 통과하는 것으로 생각할 수도 있도록 형성될 수도 있다. 상기 전자 및 이의 각각의 홀 사이의 자연의 물리적 분리는, 물질에서 물질까지 다양하고, 여기 보어 반지름으로 불린다. 상대적으로 큰 반도체 결정에서, 상기 여기 보어 반지름은, 상기 결정의 치수와 비교되어 작고, 상기 전도 밴드의 개념은 유효하다. 그러나, 나노규모의 반도체 결정 또는 양자점에서, 상기 여기 보어 반경은, 결정의 대략 물리적인 크기 또는 보다 적은 크기로 있고, 상기 여기는 따라서 제한된다(confined). 이러한 양자 제한은, 연속 밴드는 아니고, 별개의 에너지 레벨의 형성을 결과적으로 나타낸다. 나노규모의 반도체 결정의 코팅에 의한 것과 같은, 이러한 현상의 이용은, 에너지 변환 효율, 2차 전지, 광검출기, 유연한 비디오 디스플레이(flexible video displays) 또는 모니터 등을 최적화하기 위해 광자의 특정한 파장으로 '동조된' 광전기로서 이러한 디바이스를 산출할 수 있다(Exploitation of this phenomenon, such as by coatings of nanoscale semiconductor crystals, can yield such devices as photovoltaic cells 'tuned' to specific wavelengths of photons to optimize energy transduction efficiency, rechargeable batteries, photodetectors, flexible video displays or monitors, and the like).

몇몇 실시형태에서, 상기 나노입자는, 전자 구름을 왜곡하고, 전압 퍼텐셜을 일으키는 압전 효과를 줄 수도 있는, 스트레인된 나노입자일 수도 있다. 직류 에너지는 그 다음에 전기 디바이스를 작동하는데 이용될 수도 있다.

본 내용의 보다 나은 이해를 가능하게 하기 위해, 우선된 또는 대표적인 실시형태의 하기의 예가 제공되었다. 어떠한 방식으로, 하기의 실시예로 본 내용의 범위를 제한하거나, 규정하도록 이해하지 않아야 한다.

실시예

실시예 1. 스트레인된 규소 나노입자는, 나타낸 바와 같이, 수직의 배열에서 도 1에 관하여 상기에 기재된 것과 유사한 반응기에서 생산되었다. 테트라에틸실란 및 메탄올은 전구체 용액을 수득하기 위해 혼합되었다. 전구체 용액은, 약 22 kHz의 주파수에서 이들에 담겨진 QSONICA MODEL Q700 초음파 분쇄기(QSONICA로부터 입수가능함)으로 초음파 분쇄되었다. 약 1000 mL/min에서 아르곤 캐리어 가스는, 약 850 ℃에 있는, 반응 구역(길이에서 대략 1 m) 내로 상기 에어로졸화된 전구체 용액을 수송하는데 사용되었다. 상기 생성물 스트림은, 메탄올에서 수집되었다. 상기 결과적으로 생성된 나노입자는, 투과 전자 현미경(transmission electron microscopy) 및 x-선 회절에 의해 분석되었다.

실시예 2. 스트레인된 규소 나노입자는, 나타낸 바와 같이, 수직의 배열에서 도 1에 관하여 상기에 기재된 것과 유사한 반응기에서 생산되었다. 이소부틸실란은, 전구체 용액으로서 사용되었다. 상기 전구체 용액은, 약 20 kHz의 주파수에서 이들에 담겨진 QSONICA MODEL Q700 초음파 분쇄기(QSONICA로부터 입수가능함)으로 초음파 분쇄되었다. 약 16.67 cm³/s에서 흐르는 캐리어 가스는, 각각 약 850 ℃, 850 ℃, 650 ℃의 온도를 가지는 세 가지 구역으로 나눠지는, 반응 구역(길이에서 대략 1 m)으로 상기 에어로졸화된 전구체 용액을 수송하기 위해 사용되었다. 그리고 난 다음에 상기 생성물 스트림은 수집되었다. 상기 결과적으로 생성된 나노입자는, 투과 전자 현미경 및 x-선 회절에 의해 결정된 바와 같이, 규소 결정의 111 평면에서 대략 +0.45 도의 스트레인 및 .00165의 σ 수치와 함께 직경에서 대략 12 nm이었다.

실시예 3. 스트레인된 게르마늄 나노입자는, 나타낸 바와 같이, 수직의 배열에서 도 1에 관하여 상기에 기재된 것과 유사한 반응기에서 생산되었다. 테트라에틸게르만은 전구체 용액으로서 사용되었다. 상기 전구체 용액은 약 20 kHz의 주파수에서 이들에 담겨진 QSONICA MODEL Q700 초음파 분쇄기(QSONICA로부터 입수가능함)으로 초음파 분쇄되었다. 약 16.67 cm³/s에서 흐르는 캐리어 가스는, 각각 약 750 ℃, 750 ℃, 550 ℃의 온도를 가지는 세 가지 구역으로 나눠지는, 반응 구역(길이에서 대략 1 m)으로 상기 에어로졸화된 전구체 용액을 수송하기 위해 사용되었다. 그리고 난 다음에, 상기 생성물 스트림이 수집되었다. 상기 결과적으로 생성된 나노입자는, 투과 전자 현미경 및 x-선 회절에 의해 결정된 바와 같이, 규소 결정의 111 평면에서 대략 +1.4 도의 스트레인 및 .00142의 σ 수치와 함께 직경에서 대략 8 nm이었다.

실시예 4. 스트레인된 규소-게르마늄 나노입자는, 나타낸 바와 같이, 수직의 배열에서 도 1에 관하여 상기에 기재된 것과 유사한 반응기에서 생산되었다. 이소부틸실란 및 테트라에틸게르만이 전구체 용액으로서 사용되었다. 상기 전구체 용액은 약 20 kHz의 주파수에서 이들에 담겨진 QSONICA MODEL Q700 초음파 분쇄기(QSONICA로부터 입수가능함)로 초음파 분쇄되었다. 약 16.67 cm³/s에서 흐르는 캐리어 가스는, 각각 약 800 ℃, 800 ℃, 575 ℃의 온도를 가지는 세 가지 구역으로 나눠지는, 반응 구역(길이에서 대략 1 m)으로 상기 에어로졸화된 전구체 용액을 수송하기 위해 사용되었다. 그리고 난 다음에, 상기 생성물 스트림이 수집되었다. 상기 결과적으로 생성된 나노입자는, 투과 전자 현미경 및 x-선 회절에 의해 결정된 바와 같이, 규소 결정의 111 평면에서 대략 +1.64 도의 스트레인 및 .00142의 σ 수치와 함께 대략 1:3 규소 대 게르마늄의 비로 생성되었다.

실시예 5. 9 nm 규소 나노입자의 80 밀리그램은, 2-부탄올에서 약 8 mg/mL의 규소 나노입자의 농도로 콜로이드성 현탁액을 수득하기 위해, 10 mL의 2-부탄올에 현탁되었다. 10 mL의 시약급 아세톤(reagent grade acetone)은 상기 콜로이드성 현탁액에 첨가되었다. 300 microL의 1-부틸-메틸피롤리디늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드는 상기 콜로이드성 현탁액에 첨가되었다. 그리고 난 다음에, 상기 콜로이드성 현탁액은 약 40 ℃의 온도로 가열되었다. 약 8 ohms/cm²의 저항을 가지는 및 인듐 주석 산화물로 코팅된 1 cm x 2 cm 유리 기판은 그리고 난 다음에, DC 동력 공급의 캐소드와 연결되고, 상기 콜로이드성 현탁액 내로 1 cm 담가졌다. 탄소 전극은, 상기 DC 동력 공급의 애노드에 연결되었고, 상기 유리 기판으로부터 현탁액에 1 cm 간격을 두었다(A carbon electrode was connected to the anode of the DC power supply and spaced in the suspension 1 cm from the glass substrate). 4 볼트의 전압 퍼텐셜은 두 개의 전극을 가로질러 적용되었고(A voltage potential of 4 volts was applied across the two electrodes), 상기 콜로이드성 용액에 담겨진, 상기 유리 기판 영역 상의 약 500 nm 내지 약 800 nm의 두께를 가지는 규소 나노입자 필름을 증착시키기 위해, 180 초 동안 두었다.

실시예 6. 약 10 nm의 평균 입자 직경에 의해 특징지어지는, 매우 순수한 스트레인된 게르마늄 나노결정 입자의 80 밀리그램은, 콜로이드성 현탁액을 수득하기 위해, 메탄올과 같은 극성 양자성 용매(polar protic solvent)에 현탁되었다. 올레얄아민(Oleyalamine)은, 현탁액에 게르마늄 나노입자를 유지하는데 도움을 주기 위해 상기 콜로이드성 현탁액에 첨가되었다. 상기 콜로이드성 현탁액은, 약 25 ℃ 내지 약 40 ℃ 사이의 온도에서 유지되었다. 약 8 ohms/cm²의 저항을 가지는 및 인듐 주석 산화물로 코팅된 1 cm x 2 cm 유리 기판은 DC 동력 공급의 캐소드와 연결되었고, 상기 콜로이드성 현탁액 내로 1 cm 담가졌다. 탄소 전극은, 상기 DC 동력 공급의 애노드에 연결되었고, 상기 유리 기판으로부터 현탁액으로부터 1 cm 간격을 두었다. 약 1.5 내지 약 7 볼트 사이의 전압 퍼텐셜은 두 개의 전극을 가로질러 적용되었고, 상기 콜로이드성 용액에 담겨진, 상기 유리 기판 영역 상의 게르마늄 필름을 증착시키기 위해, 약 180 초 내지 약 5 분 동안 두었다.

실시예 7. 크기 특이적인 반도성 나노결정의 혼합물의 얇은 필름은, 상기 실시예 2 및 3에 기재된 바와 같이, 인듐 주석 산화물 코팅된 유리 상에 전기영동 증착을 통해 증착되었다. 전형적으로, 상기 나노결정은, 적어도 약 99.99999 퍼센트 순수하고, 보다 전형적으로 적어도 약 99.999999 퍼센트 순수하고, 및 여전히 보다 전형적으로, 적어도 약 99.9999999 퍼센트 순수하다. 상기 나노결정의 상기 증착된 얇은 필름을 가지는 기판은 실온에서 낮은 산소 환경에 배치되었고, 상기 기판은 그리고 난 다음에 원하는 후면 접촉 위치를 정의하도록 마스킹되었다(masked). 다음에, 열의 증발기/진공 코팅기 또는 유사한 디바이스를 사용하여, 상기 기판은, 대략 1-5 cm의 거리로, 증착되도록 상기 물질을 향하여 나노코팅된 면에 배치되었다. 높은 진공 환경은 상기 기판 주위에 형성되었고, 적절한 전압/전류 조합은, 증착되도록 상기 원하는 금속을 증발시키기 위해 적용된다. 상기 증발된 금속은, 둘다 보호하고, 전기적인 연결을 가능하게 하는, 완벽한 층을 형성하기 위해 상기 기판 상으로 증착되었다. 보통, 이러한 증착 공정은, 원하는 후면 접촉 두께에 따라, 대략 5 초 내지 약 5 분 걸릴 수도 있다. 상기 금속 층이 증착되자마자, 상기 진공은 제거되었고, 상기 필름은 전형적인 실온 환경에서 다시 돌아가는 것을 가능하게 하였다(Once the metal layer was deposited, the vacuum was removed and the film was allowed to return to a typical room temperature environment). 상기 마스킹은, 상기 필름 상에 상기 원하는 금속 증착 패턴을 그대로 두는, 저 산소 환경(low oxygen environment)에서 제거되었다. 전압계 및/또는 전류계는, 전력이 QED에 의해 공급됨을 확인하기 위해 사용되었다. 표준 전기적인 연결 기술을 사용하여, 다수의 필름은, 원하는 전압/전류 공급 배열을 발생시키기 위해 배열된 디바이스를 수득하기 위해 직렬/병렬 방식으로 연결되었다. QED 디바이스는 원하는 부하를 공급하기 위해 완성되고 배열되었다(A QED device was completed and configured to power a desired load).

실시예 8. 대략 1 mg/mL의 농도로 톨루엔에 현탁된 스트레인된 규소 나노입자의 현탁액이 사용되었다. 상기 현탁액은, 직경에서 대략 10 nm 내지 150 nm 사이의 다수의 나노입자를 가지는 나노입자 크기의 혼합물을 포함한다. 상기 현탁액은, 균질의 혼합물을 수득하는 것을 보장하기 위해 초음파 분쇄되었다. 그리고 난 다음에, 대략 10 mL의 균질화된 현탁액은, 유리 비커에 첨가되었다. 대략 10 mL의 아세톤은 그리고 난 다음에 상기 혼합물에 첨가되었다. 300 마이크로리터의 1-부틸-1-메틸피롤리디늄비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드 65는, 혼화물(admixture)을 정의하기 위해 상기 혼합물에 또한 첨가되었다.

그리고 난 다음에 상기 혼화물은 균질을 보장하기 위해 또 다시 초음파 분쇄되었고, 40 ℃의 온도로 가열되었다. 마그네틱 교반 막대는, 온도에서도 상기 혼화를 용이하게 하고, EPD 수조로서 전기 영동 증착(electrophoretic deposition, "EPD")에 대한 혼화를 준비하도록, 가열하는 동안에 사용되었다.

8 ohms/cm²의 평균 저항 및 2.5 cm에 의한 대략 1 cm의 크기를 가지는 인듐 주석 산화물로 코팅된 유리의 전도성 기판은, 가압된 아세톤의 스프레이로 세척되었고, 깨끗이 닦아졌다(A conductive substrate of glass coated with indium tin oxide with an average resistance of 8 ohms/cm² and of dimensions of approximately 1 cm by 2.5 cm was cleaned with a spray of pressurized acetone and wiped clean). 상기 전도성 기판은 그리고 난 다음에, 상기 동력 공급 상에서 음극 납(캐소드)에 부착되었다(The conductive substrate was then attached to the negative lead (cathode) on the power supply). 높은 순도 탄소 전극은 상기 동력 공급 상에서 양극 납(positive lead)(애노드)에 부착되었다. 상기 탄소 전극은 상기 EPD 수조 내로 삽입되었다.

상기 전도성 기판은 그리고 난 다음에, 탄소 전극을 향하는 전도성 면을 가지는 대략 1 cm의 깊이로 상기 EPD 수조 내로 삽입되었고, 대략 1 cm의 거리에 의해 분리되었다. 상기 동력 공급은 전압을 주었고, 대략 4 볼트 및 최소/무시할 수 있는 전력은 대략 3 분 동안 적용되었다. 3 분 동안, 상기 나노결정은 상기 전도성 기판 위로 증착되었고, 필름이 보다 두꺼워지고, 보다 불투명해지는 것으로 시각적으로 관찰되었다. 상기 전력 공급은 중단되었고, 상기 전도성 기판은 EPD 수조로부터 제거되었다.

규소 나노입자 적용 후에, 리튬은, 디메틸아세트아미드(DMA)의 용액에 용해된 아세트산 리튬의 전기도금을 통해 상기 필름 상을 증착되었다. 상기 규소 나노입자 필름은 그리고 난 다음에, 리튬의 전기영동 증착을 위한 용액 내로 잠겼다(submerged). 리튬 이온은 증가된 전하 밀도 및 증대된 재충전 능력을 가지는 디바이스를 정의하기 위해 EPD 동안에 상기 규소 결정 구조 내로 끼워졌다. 그리고 난 다음에 상기 디바이스는, 증진된 온도(약 110 ℃)에서 저 산소 환경에서 건조되도록 놓여졌다. 건조 속도를 증가시키기 위해 편리하지만, 열이 필수적이지 않음을 주의하여야 한다.

3 시간 내에, 금속성 후면 접촉은, 규소 얇은 필름의 산화를 방지하기 위해 적용되었다. 높은 순도 알루미늄 금속성 후면 접촉은, 대략 200 nm의 두께로 열의 증발기를 사용하여 적용되었다. 마스킹 테이프(Masking tape), 금속 스크린 및 유리는, 상기 금속성 후면 접촉의 위치를 조절하고, 상기 ITO 코팅된 유리에 대한 단축(shorting)으로부터 상기 알루미늄 층을 예방하기 위해 조절하는데 사용되었다.

상기 알루미늄 층이 적용된 후에, 상기 QED 전지는 완전해졌고, 상기 원하는 전기적인 디바이스로 배선(wiring)에 대한 준비를 한다. 세심한 주의는, 상기 전지의 어떠한 단축(shorting)을 예방하기 위해 적용된 상기 규소 나노결정 필름으로 상기 전지 영역을 건드리지 않도록 취해졌다. 직렬 및 병력 회로는 그리고 난 다음에, 상기 동일한 방식으로 생산된 다중전지를 사용하여 형성되었다. 이러한 공정을 통해, QEDs의 배열은, 3.7 볼트 및 50 mA 이상으로 발생하도록 연결되었다(wired). 이러한 배열은 그리고 난 다음에, 얇은 필름 트랜지스터 디스플레이 스크린에 연결되었고, 상기 디바이스는 표 1에서 서술된 특성을 가지는 상기 전기 에너지를 공급하는 QED 디바이스와 정상으로 기능한다.

1 cm²의 규소 필름의 전형적인 특성
Volts	1.5
Amps	0.005
Watts	0.0075
베터리 수명(Battery Life) (hrs)	48
Watt-Hours	0.36
Kilowatt-Hours	0.00036
Megajoules (MJ)	0.001296
Grams of Si	0.00018632
Volts	1.5
Amps	0.005
Watts	0.0075

에너지 밀도 비교(Energy Density Comparison)
배열된 QED(arrayed QED)	~ 7000 MJ/Kg
알칼리성(alkaline)	0.59 MJ/Kg
재충전가능한 리튬-이온 (lithium-ion rechargeable)	0.46 MJ/Kg
아연-공기(zinc-air)	1.59 MJ/Kg
니켈 수소 합금 (nickel metal hydride)	0.36 MJ/Kg

상기 배열된 QED 디바이스로부터 관찰된 에너지 밀도는 약 7000 MJ/Kg로, 표 2에 나타낸 바와 같이, 알칼리성 전지, 리튬-이온 배터리 등의 것 보다 몇 배의 정도로 더 높았다.

상기에 기재된 특정한 실시형태는 오직 설명적인 것이다. 본원에 기재된 다양한 방법은, 본원의 가르침의 이익을 가지는 통상의 기술자에게 명백한 다른 방식을 예측하고 변형할 수도 있다. 게다가, 하기의 청구항에 기재된 것 외에, 본원에 나타낸 디자인 또는 구성의 세부사항으로 제한하는 것을 의도하지 않는다. 따라서, 상기에 나타낸 특정한 설명적인 실시형태가 변하거나, 조합되거나, 변형될 수도 있고, 모든 이러한 변화는 본 내용의 범위 및 본질 내로 고려됨이 분명하다. 본원에 기재된 다양한 실시형태는, 본원에 나타낸 어떠한 임의적인 요소 및/또는 본원에 명확하게 나타내지 않은 어떠한 요소의 부재에서 실행될 수도 있다. 조성물 및 방법은, 다양한 구성요소 또는 단계를 "포함하는(comprising)", "함유하는(containing)" 또는 "포함시키는(including)" 것으로 기재하면서, 상기 조성물 및 방법은 또한 다양한 구성요소 및 단계로 "필수적으로 구성" 또는 "구성"될 수 있다. 상기에 기재된 모든 숫자 및 범위는 몇몇의 양에 의해 다양할 수도 있다. 하한 및 상한을 가지는 숫자 범위를 나타낼 때마다, 어떠한 숫자 및 상기 범위 내에 포함되는 어떠한 포함된 범위가 명확하게 나타낸 것이다. 특히, 본원에 나타낸 수치의 모든 범위["약 a에서 b까지(from about a to about b)", 또는 동등하게, "대략 a에서 b까지", 또는 동등하게, "대략 a-b(from approximately a-b)"]는, 수치의 보다 넓은 범위 내로 포함된 모든 숫자 및 범위를 제시하는 것을 이해되는 것이다. 또한, 특허권자에 의해 명확하고 명쾌하게 정의되지 않는다면, 상기 청구항에서의 용어는 이들의 분명한, 보통의 의미를 가진다. 게다가, 청구항에 사용된 바와 같은 부정 관사 "a" 또는 "an"는 이는 도입된 하나 또는 하나 이상의 요소를 의미하는 것으로 본원에 정의된 것이다. 이러한 명세서 및 참고문헌에 의해 본원에 포함될 수도 있는 하나 또는 그 이상의 특허 또는 다른 문서에서의 단어 또는 용어의 사용에서 어떠한 충돌이 있다면, 이러한 명세서와 일관된 정의가 채택되어야 한다.

Claims

반응물 스트림(reactant stream)을 수득하도록 유동 캐리어 가스(flowing carrier gas)의 존재에서 전구체 용액을 에어로졸화하는 단계로서, 상기 전구체 용액은 휘발성 용매 및 나노입자 전구체를 포함하는 것인, 단계;
다수의 나노입자를 포함하는 생성물 스트림(product stream)을 형성하도록 상기 휘발성 용매의 끓는점 이상의 온도로 상기 반응물 스트림을 가열하는 단계;
상기 생성물 스트림을 냉각시키는 단계; 및
상기 생성물 스트림으로부터 상기 나노입자를 수집하도록 수집 액체를 통해 상기 생성물 스트림을 통과시키는 단계;
를 포함하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 캐리어 가스는 비활성 가스인 것인, 방법.
제1항에 있어서,
상기 휘발성 용매는 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 부탄올, 및 이의 어떠한 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것인, 방법.
제1항에 있어서,
상기 나노입자 전구체는 유기 금속 화합물(organometallic compound)을 포함하는 것인, 방법.
제1항에 있어서,
상기 나노입자 전구체는 IV 족 화합물(Group IV compound)을 포함하는 것인, 방법.
제1항에 있어서,
상기 휘발성 용매의 끓는점 이상의 온도는 약 500 ℃ 내지 약 1200 ℃ 사이인 것인, 방법.
제1항에 있어서,
상기 반응물 스트림을 가열하는 단계는, 튜브 노(tube furnace)를 통해 상기 반응물 스트림을 통과시키는 것을 포함하는 것인, 방법.
제1항에 있어서,
상기 나노입자는 IV 족 원소(Group IV element)를 포함하고, 쉬프트된 결정면 피크(shifted crystal plane peak)를 가지는 것인, 방법.
제1항에 있어서,
상기 나노입자는 다중모달 직경 분포를 가지는 것인, 방법.
제1항에 있어서,
상기 나노입자는 약 3 nm 내지 약 1000 nm 사이의 평균 직경을 가지는 것인, 방법.
제1항에 있어서,
상기 나노입자는 ± 약 0.5 nm 내지 ± 약 10 nm의 표준 편차를 가지는 직경 분포를 가지는 것인, 방법.
반응물 스트림을 수득하도록 유동 캐리어 가스의 존재에서 전구체 용액을 연속적으로 에어로졸화하는 단계로서, 상기 전구체 용액은 휘발성 용매 및 나노입자 전구체를 포함하는 것인, 단계;
상기 전구체 용액을 연속적으로 보충하는 단계;
다수의 나노입자를 포함하는 생성물 스트림을 형성하도록 상기 휘발성 용매의 끓는점 이상의 온도로 상기 반응물 스트림을 가열하는 단계;
상기 생성물 스트림을 냉각시키는 단계;
상기 생성물 스트림으로부터 상기 나노입자를 수집하도록 수집 액체를 통해 상기 생성물 스트림을 통과시키는 단계; 및
상기 수집 액체를 연속적으로 교체하는 단계;
를 포함하는, 방법.
제12항에 있어서,
상기 수집 액체로부터 상기 나노입자를 추출하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제12항에 있어서,
상기 수집 액체로부터 상기 나노입자를 연속적으로 추출하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제12항에 있어서,
에어로졸화하는 단계는 약 1 kHz 내지 약 200 kHz 사이의 주파수에서 발생하는 것인, 방법.
제12항에 있어서,
상기 나노입자 전구체는 유기 금속 화합물에 있는 것(the nanoparticle precursor is in an organometallic compound)인, 방법.
제12항에 있어서,
상기 나노입자 전구체는 IV 족 화합물을 포함하는 것인, 방법.
제12항에 있어서,
상기 나노입자는 IV 족 원소를 포함하고, 쉬프트된 결정면 피크를 가지는 것인, 방법.
제12항에 있어서,
상기 나노입자는 다중모달 직경 분포를 가지는 것인, 방법.
IV 족 원소를 포함하고, 쉬프트된 결정면 피크를 가지는 나노입자.
제20항에 있어서,
상기 나노입자는 약 3 nm 내지 약 1000 nm 사이의 직경을 가지는 것인, 나노입자.
제20항에 있어서,
상기 쉬프트된 결정면 피크는, 약 1°내지 약 8°사이로 쉬프트된 2θ 수치를 가지는 (111) 결정면인 것인, 나노입자.
제20항에 있어서,
상기 나노입자는 약 1:10 내지 약 10:1 사이의 규소 대 게르마늄의 몰 비로 규소 및 게르마늄을 포함하는 것인, 나노입자.
휘발성 용매 및 나노입자 전구체를 포함하는 전구체 용액을 함유하고, 캐리어 가스를 수용하도록 배열된(configured) 전구체 용액 용기(precursor solution vessel);
상기 전구체 용액을 에어로졸화하기 위한 에어로졸화 디바이스(aerosolizing device);
나노입자를 생산하도록 상기 캐리어 가스 및 상기 에어로졸화된 전구체 용액을 포함하는 반응물 스트림을 수송하고 가열하도록 배열된 튜브 노(tube furnace);
상기 나노입자를 수집하기 위해 수집 액체를 함유하는 수집 용기;
를 포함하는, 나노입자를 합성하기 위한 시스템.
제24항에 있어서,
상기 튜브 노는 테이퍼 튜브 노(tapered tube furnace)를 포함하는 것인, 시스템.
제24항에 있어서,
상기 수집 액체가 상기 튜브 노를 통과하는 것을 방지하도록 배열된 밸브를 더 포함하는, 시스템.
제24항에 있어서,
상기 전구체 용액 용기에 전구체 용액을 연속적으로 첨가하기 위한 실린지 펌프를 더 포함하는, 시스템.
제24항에 있어서,
상기 에어로졸화 디바이스는 초음파 분쇄기(sonicator), 미스테르(mister) 및 분무기 중의 하나인 것인, 시스템.
제24항에 있어서,
상기 튜브 노는 상이한 구역 온도를 가지는 다수의 구역을 포함하는 것인, 시스템.