(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノワイヤ成長システムであって、
第１の固体壁を有する反応チャンバと、
前記反応チャンバ内に第１の流れを配送するように構成された第１の入力部と、
前記反応チャンバ内に第２の流れを配送するように構成された第２の入力部と、
を含み、
前記第１の入力部は前記第２の入力部と同心に配置され、前記第１の入力部及び前記第２の入力部は、前記第２の入力部から配送された前記第２の流れは前記第１の入力部から配送された前記第１の流れと前記反応チャンバの前記第１の固体壁の全体との間にシースを提供するように構成され、前記第２の流れは前記反応チャンバの全体に沿って前記第１の流れと接触し、
前記ナノワイヤ成長システムは、ナノ粒子エアロゾル生成器を更に含み、前記ナノ粒子エアロゾル生成器は、
前記第１の入力部及び前記第２の入力部の少なくとも一方の上流に配置された、第２の固体壁を有する蒸発チャンバと、
前記蒸発チャンバ内に配置された原料を収容する坩堝容器と、
熱加熱、電気アーク加熱又は誘導加熱により前記原料を加熱し蒸発させるように構成された、熱、電気アーク又は誘導の加熱装置と、
前記蒸発チャンバ内の前記原料に向けてキャリアガスを吹き付けて、前記原料のナノ粒子が懸濁したナノ粒子エアロゾルを生成するように構成されたキャリアガス源と、
前記蒸発チャンバ内に希釈ガスを供給して、実質的に前記蒸発チャンバ内の前記第２の固体壁に沿って流し、前記ナノ粒子エアロゾルを希釈するように構成された希釈ガス源と、
を含むことを特徴とするナノワイヤ成長システム。
【請求項２】
前記第２の入力部は、多孔質フリットを更に含む
ことを特徴とする請求項１に記載のナノワイヤ成長システム。
【請求項３】
前記第１の入力部及び前記第２の入力部に対して前記反応チャンバの反対側の壁に配置された第１の出力部及び第２の出力部を更に含み、
前記第１の出力部は前記第２の出力部と同心に配置される
ことを特徴とする請求項１に記載のナノワイヤ成長システム。
【請求項４】
前記第１の入力部及び前記第２の入力部を加熱するように構成された１以上のヒータを更に含む
ことを特徴とする請求項３に記載のナノワイヤ成長システム。
【請求項５】
前記反応チャンバを加熱するように構成された１以上のヒータを更に含む
ことを特徴とする請求項１に記載のナノワイヤ成長システム。
【請求項６】
前記第１の入力部及び前記第２の入力部と第１の出力部及び第２の出力部は、それぞれの入力部及び出力部に接続されたそれぞれの入力導管及び出力導管を含む
ことを特徴とする請求項１に記載のナノワイヤ成長システム。
【請求項７】
前記ナノ粒子エアロゾル生成器は、前記第２の固体壁の外側に配置され、前記蒸発チャンバ内の冷却ゾーン内の温度を低下させるように構成された冷却装置を更に含む
ことを特徴とする請求項１に記載のナノワイヤ成長システム。
【請求項８】
前記ナノ粒子エアロゾル生成器は、前記蒸発チャンバの出力部に隣接して配置され、前記ナノ粒子のサイズ選択を実行するように構成された微分型移動度分析装置を更に含む
ことを特徴とする請求項１に記載のナノワイヤ成長システム。
【請求項９】
前記ナノ粒子エアロゾル生成器は、前記微分型移動度分析装置の下流に配置され、前記ナノ粒子の密度を測定するように構成された粒子計数装置を更に含む
ことを特徴とする請求項８に記載のナノワイヤ成長システム。
【請求項１０】
前記ナノ粒子エアロゾル生成器は、前記希釈ガス源を制御することによって、前記原料の上部表面の上の前記坩堝容器に隣接する前記蒸発チャンバ内に前記希釈ガス源を導入し、前記ナノ粒子が形成後すぐに希釈され、希釈されたナノ粒子エアロゾル中に懸濁した前記ナノ粒子の凝固速度の低下による凝固および粒子サイズ分布を減少させるように前記ナノ粒子エアロゾルが希釈されるように、前記ナノ粒子の凝固を制御するように構成されたコントローラを更に含む
ことを特徴とする請求項９に記載のナノワイヤ成長システム。
【請求項１１】
前記コントローラは、実質的に前記蒸発チャンバ内の前記第２の固体壁に沿って前記希釈ガスを流し、前記キャリアガスの流れと前記ナノ粒子とによって形成された前記ナノ粒子エアロゾルから前記第２の固体壁を分離する希釈ガス流シールドを形成し、それにより前記第２の固体壁に前記ナノ粒子が堆積するのを防止するように更に構成される
ことを特徴とする請求項１０に記載のナノワイヤ成長システム。
【請求項１２】
前記ナノ粒子エアロゾル生成器は、前記微分型移動度分析装置及び前記粒子計数装置の少なくとも１つから受信した情報に基づいて、前記加熱装置と前記キャリアガス源と前記希釈ガス源の少なくとも１つを制御するように構成されたコントローラを更に含む
ことを特徴とする請求項９に記載のナノワイヤ成長システム。
【請求項１３】
前記ナノ粒子エアロゾル生成器は、前記蒸発チャンバ内の温度勾配を測定するように構成された熱電対を更に含む
ことを特徴とする請求項１に記載のナノワイヤ成長システム。
【請求項１４】
前記ナノ粒子エアロゾル生成器は、前記蒸発チャンバ内の温度と前記キャリアガス源と前記希釈ガス源との少なくとも１つを制御することによって、前記ナノ粒子エアロゾルの密度を制御するように構成されたコントローラを更に含む
ことを特徴とする請求項１に記載のナノワイヤ成長システム。
【請求項１５】
前記ナノ粒子エアロゾル生成器は、前記第２の固体壁の外側に配置された希釈ガス入力導管を更に含む
ことを特徴とする請求項１に記載のナノワイヤ成長システム。
【請求項１６】
前記ナノ粒子エアロゾル生成器は、前記第２の固体壁と前記坩堝容器との間の空間に配置された希釈ガス入力導管を更に含む
ことを特徴とする請求項１に記載のナノワイヤ成長システム。
【請求項１７】
前記ナノ粒子エアロゾル生成器は、少なくとも部分的に前記坩堝容器内に配置された希釈ガス入力導管を更に含む
ことを特徴とする請求項１に記載のナノワイヤ成長システム。
【請求項１８】
ナノワイヤ成長システムであって、
蒸発チャンバ内に配置され、該蒸発チャンバ内に配置された原料に向けて吹き付けられるキャリアガスを用いてナノ粒子エアロゾルを生成する手段であって、前記ナノ粒子エアロゾルは前記原料のナノ粒子を含む、前記生成する手段と、
希釈ガスを用いてナノ粒子エアロゾルを希釈する手段であって、前記希釈ガスは前記原料の上部表面に隣接しかつ上の前記蒸発チャンバ内に提供され、前記ナノ粒子が形成後すぐに希釈され、希釈されたナノ粒子エアロゾル中に懸濁した前記ナノ粒子の凝固速度の低下による凝固および粒子サイズ分布を減少させるように前記ナノ粒子エアロゾルが希釈され、前記希釈ガスは実質的に前記蒸発チャンバの第１の固体壁の内面に沿って流れる、前記希釈する手段と、
第１のガス流を反応チャンバに提供する手段であって、前記第１のガス流は前記ナノ粒子とナノワイヤを製造するための第１の前駆体とを含む、前記提供する手段と、
第２のガス流を前記反応チャンバに提供する手段であって、前記第２のガス流は前記第１のガス流を前記反応チャンバの第２の固体壁の全体から分離するシースを形成し、前記第２のガス流は前記反応チャンバの全体に沿って前記第１のガス流と接触する、前記提供する手段と、
前記反応チャンバ内で、気相中で前記ナノワイヤを成長させる手段と、
とを含むことを特徴とするナノワイヤ成長システム。
【請求項１９】
ナノワイヤ成長触媒粒子を前記反応チャンバに提供するための手段を更に含む
ことを特徴とする請求項１８に記載のナノワイヤ成長システム。
【請求項２０】
前記反応チャンバを加熱するための手段を更に含み、実質的に前記蒸発チャンバの前記第１の固体壁の内面に沿って流れる前記希釈ガスは、前記キャリアガスの流れと前記ナノ粒子とによって形成された前記ナノ粒子エアロゾルから前記第１の固体壁を分離する希釈ガス流シールドを形成し、それにより前記第１の固体壁に前記ナノ粒子が堆積するのを防止する
ことを特徴とする請求項１８に記載のナノワイヤ成長システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノワイヤ成長システムに関し、特に、ナノ粒子エアロゾル生成器を有するナノワイヤ成長システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
通常、ナノワイヤ、ナノロッド、ナノウイスカーなどと呼ばれ、典型的には半導体材料を含む小さな細長い物体は、これまで以下の方法の何れかを用いて合成されている。
・アリヴィサトス（Alivisatos）らによる米国特許出願公開第２００５／００５４００４号に例示される例えばコロイド化学反応による液相合成、
・国際公開第２００４／００４９２７号及び国際公開第２００７／１０７８１号にそれぞれ提示されているサミュエルソン（Samuelson）らの研究によって例示される、触媒粒子を用いる／用いない基板からのエピタキシャル成長、又は、
・リーバー（Lieber）らの国際公開第２００４／０３８７６７号Ａ２に例示される、レーザ支援触媒成長プロセスによる気相合成。
これらの方法を用いて得られたワイヤの特性は以下の表で比較される。
【０００３】
【表１】
0006449458.tif 000002
【０００４】
結果として、合成方法の選択は、異なるワイヤの特性と生産コストとの間の妥協である。例えば、基板ベースの合成は、有利なワイヤの特性を提供する。しかしながら、ワイヤはバッチで形成されるため、プロセスの拡張性ひいては生産コストとスループットが制限される。
【発明の概要】
【０００５】
ある実施形態は、ナノ粒子エアロゾル生成器に関連する。前記ナノ粒子エアロゾル生成器は、壁を有するチャンバと、原料を収容する容器と、前記原料を加熱するように構成された加熱装置と、を含む。また、前記ナノ粒子エアロゾル生成器は、前記原料に向けてキャリアガスを吹き付けて、前記原料のナノ粒子が懸濁したナノ粒子エアロゾルを生成するように構成されたキャリアガス源を含む。更に、前記ナノ粒子エアロゾル生成器は、前記チャンバ内に希釈ガスを供給して、実質的に前記チャンバ内の前記壁に沿って流し、前記ナノ粒子エアロゾルを希釈するように構成された希釈ガス源を含む。
【０００６】
他の実施形態は、ナノワイヤ成長システムに関連する。前記ナノワイヤ成長システムは、第１の壁を有する反応チャンバと、前記反応チャンバ内に第１の流れを配送するように構成された第１の入力部と、前記反応チャンバ内に第２の流れを配送するように構成された第２の入力部と、を含む。前記第１の入力部は前記第２の入力部と同心に配置され、前記第１の入力部及び前記第２の入力部は、前記第２の入力部から配送された前記第２の流れが前記第１の入力部から配送された前記第１の流れと前記反応チャンバの前記第１の壁との間にシースを提供するように構成される。前記ナノワイヤ成長システムは、ナノ粒子エアロゾル生成器を更に含む。前記ナノ粒子エアロゾル生成器は、前記第１の入力部及び前記第２の入力部の少なくとも一方の上流に配置された、第２の壁を有する蒸発チャンバと、原料を収容する容器と、前記原料を加熱するように構成された加熱装置と、を含む。前記ナノ粒子エアロゾル生成器は、前記原料に向けてキャリアガスを吹き付けて、前記原料のナノ粒子が懸濁したナノ粒子エアロゾルを生成するように構成されたキャリアガス源と、前記蒸発チャンバ内に希釈ガスを供給して、実質的に前記蒸発チャンバ内の前記第２の壁に沿って流し、前記ナノ粒子エアロゾルを希釈するように構成された希釈ガス源と、を含む。
【０００７】
他の実施形態は、ナノワイヤを製造する方法に関連する。前記方法は、蒸発チャンバ内に配置された原料に向けて吹き付けられるキャリアガスを用いてナノ粒子エアロゾルを生成するステップを含み、前記ナノ粒子エアロゾルは前記原料のナノ粒子を含む。前記方法は、希釈ガスを用いてナノ粒子エアロゾルを希釈するステップを含み、前記希釈ガスは実質的に前記蒸発チャンバの第１の壁の内面に沿って流れる。前記方法は、第１のガス流を第１の反応チャンバに提供するステップを含み、前記第１のガス流は前記ナノワイヤを製造するための第１の前駆体と前記ナノ粒子とを含む。前記方法は、第２のガス流を前記第１の反応チャンバに提供するステップを含み、前記第２のガス流は前記第１のガス流を前記第１の反応チャンバの第２の壁から分離するシースを形成する。前記方法は、前記第１の反応チャンバ内で、気相中で前記ナノワイヤを成長させるステップを含む。
【０００８】
他の実施形態は、ナノワイヤ成長システムに関連する。前記ナノワイヤ成長システムは、蒸発チャンバ内に配置された原料に向けて吹き付けられるキャリアガスを用いてナノ粒子エアロゾルを生成する手段を含み、前記ナノ粒子エアロゾルは前記原料のナノ粒子を含む。前記ナノワイヤ成長システムは、希釈ガスを用いてナノ粒子エアロゾルを希釈する手段を含み、前記希釈ガスは実質的に前記蒸発チャンバの第１の壁の内面に沿って流れる。前記ナノワイヤ成長システムは、第１のガス流を反応チャンバに提供する手段を含み、前記第１のガス流は前記ナノ粒子とナノワイヤを製造するための第１の前駆体とを含む。前記ナノワイヤ成長システムは、第２のガス流を前記反応チャンバに提供する手段を含み、前記第２のガス流は前記第１のガス流を前記反応チャンバの第２の壁から分離するシースを形成する。前記ナノワイヤ成長システムは、前記反応チャンバ内で、気相中で前記ナノワイヤを成長させる手段を含む。
【０００９】
他の実施形態は、ナノ粒子エアロゾルを生成する方法に関連する。前記方法は、原料を加熱するステップと、壁を有するチャンバ内を流れる前記ナノ粒子エアロゾルを生成するためにキャリアガスを前記原料に向かって吹き付けるステップと、前記ナノ粒子エアロゾルを希釈するために希釈ガスを前記チャンバ内に供給するステップであって、前記希釈ガスは実質的に前記壁の内面に沿って流れる、前記供給するステップと、を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】例示的なナノワイヤ成長システムの概略図である。
【図２】別の例示的なナノワイヤ成長システムの概略図である。
【図３Ａ】低コア流を用いる実施形態において運用される、図１のナノワイヤ成長システムの概略図である。
【図３Ｂ】高コア流を用いる実施形態において運用される、図１のナノワイヤ成長システムの概略図である。
【図３Ｃ】スタックされたナノワイヤ成長反応装置を有する、例示的なナノワイヤ成長システムの概略図である。
【図４Ａ】例示的なナノワイヤ成長システムの概略図である。
【図４Ｂ】図４Ａのナノワイヤ成長システムの例示的な熱伝達要素の上面図である。
【図５】図４Ａのナノワイヤ成長システムの例示的な抽出器部分の概略図である。
【図６】例示的なナノワイヤ成長システムの概略図である。
【図７Ａ】別の例示的なナノワイヤ成長システムの概略図である。
【図７Ｂ】図７Ａの実施形態の変形例の概略図である。
【図８】ナノワイヤ成長システムにおいて使用され得る例示的なナノ粒子エアロゾル生成器の概略図である。
【図９】ナノワイヤ成長システムにおいて使用され得る別の例示的なナノ粒子エアロゾル生成器の概略図である。
【図１０】ナノワイヤ成長システムにおいて使用され得る別の例示的なナノ粒子エアロゾル生成器の概略図である。
【図１１】ｐｎ接合を含むナノワイヤの例示的な軸方向成長の概略図である。
【図１２】ｐｎ接合を含むナノワイヤの例示的な半径方向／コア−シェル成長の概略図である。
【図１３】基板上にナノワイヤを堆積させる例示的な方法の概略図である。
【図１４】基板上にナノワイヤを配向させる例示的な方法の概略図である。
【図１５】ナノワイヤを製造する例示的な方法を示すフローチャートである。
【図１６】ナノ粒子エアロゾルを生成する例示的な方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
制御された寸法（例えば、長さなどのサイズ）のナノワイヤを成長させるために、従来のシステムは、ナノワイヤを核形成し、単結晶基板上に成長させる。ナノワイヤは、１ミクロン未満の直径又は幅、例えば２〜５００ｎｍ又は１０〜２００ｎｍのナノスケール構造物である。長さは、１ミクロンより長くてもよい。本願発明者らは、単結晶基板の使用を必要としない、ガス／エアロゾル相において制御された寸法を有するナノワイヤを成長させるためのシステム及び方法を開発した。ガス／エアロゾル相中でナノワイヤを成長させるためのシステム及び方法は、ＰＣＴ出願公開である国際公開第１１／１４２，７１７及び国際公開ＷＯ２０１３／１７６６１９に記載されており、これらの出願の内容は、その全体が参照により明示的に本明細書に組み込まれる。ナノワイヤの成長をシードするために使用されるエアロゾルナノ粒子は加熱炉内で生成され、ナノワイヤを成長させるための反応炉内に流入され得る。
【００１２】
ナノ粒子のサイズ選択は、加熱炉（例えば、エアロゾル生成器）の下流に配置された微分型移動度分析装置（ＤＭＡ）で行うことができる。しかしながら、高濃度（例えば高密度）でサイズ選択された粒子を製造することは困難である。従来のシステムが使用される場合、典型的には、ＤＭＡにおけるサイズ選択プロセスにおいて、主要なエアロゾルナノ粒子の大部分（典型的には９５％）が失われる。ＤＭＡでの主要なナノ粒子の損失が大きいため、サイズ選択後に、高い粒子密度を生成することが困難になる。例えば、従来のシステムは、１０６粒子／ｃｍ３よりはるかに少ない濃度で、２０ｎｍ〜１００ｎｍの典型的なサイズのナノ粒子を生成することができる。しかしながら、いくつかの用途では、より大きなサイズ、より狭いサイズ分布及びより高い密度のナノ粒子を生成することが望ましい場合がある。例えば、狭いサイズ分布（例えば、標準偏差＜平均の１０％、例えば＜平均の５％又は平均の３％〜５％）及び高密度（例えば、＞１０６粒子／ｃｍ３）で、１００ｎｍより大きいサイズ（例えば、１００ｎｍ〜２００ｎｍ）のナノ粒子を生成することが望ましい場合がある。微分型移動度分析装置を使用して狭いサイズの分布エアロゾルを生成するための従来のシステム及び方法は、しばしば、主要エアロゾルナノ粒子の利用率が低く低エアロゾルナノ粒子密度（例えば、１０７粒子／ｃｍ３又は１０８粒子／ｃｍ３未満）である。したがって、エアロゾル流の粒子サイズ及び／又は密度を高めるために、ＤＭＡサイズ選択の前及び／又は後の主要粒子サイズ及び／又は密度を制御するためのシステム及び方法を開発することが望ましい。
【００１３】
図１は、反応装置２００を含み得る例示的なナノワイヤ成長システム１００を概略的に示している。ナノワイヤ成長反応装置２００の一例は、ａｅｒｏｔａｘｙ（商標）ナノワイヤ成長反応装置であり得る。ａｅｒｏｔａｘｙ（商標）は、ＱｕｎａｎｏＡＢ社の商標であり、気相ナノワイヤ成長装置／プロセスを指す。反応装置２００では、同心円状の流れが生成され、反応装置の壁の粘性効果によって引き起こされる流れの速度の変動を低減するために使用され得る（例えば、流れの中央部分は壁に近い部分よりも速度が大きい）。同心流はまた、流れのコア部分（中央部分）における温度及びガス濃度条件の変動を低減し得る。触媒ナノ粒子をコア領域（シース流の内側）に閉じ込めることにより、各粒子は実質的に同様のプロセス条件を享受し得る。
【００１４】
反応装置２００は、垂直方向、水平方向又は水平方向又は垂直方向に対して適切な角度に配向することができるハウジング２０１（例えば、ＣＶＤ反応管）を含み得る。反応装置２００は、外側入力部２０２Ａ及び外側出力部２０４Ａを含み得る。反応装置２００は、内側入力部２０２Ｂ及び内側出力部２０４Ｂを含み得る。反応装置２００は、反応チャンバ２１０（又は反応ゾーン２１０）を含み得る。いくつかの実施形態では、反応チャンバ２１０は、２つ以上の反応ゾーンに分割され得る。内側入力部２０２Ｂは、外側入力部２０２Ａと同心に配置され、外側入力部２０２Ａは内側入力部２０２Ｂを取り囲む。内側入力部２０２Ｂは、反応ゾーン２１０の一方の端の中央部に位置し、内側出力部２０４Ｂは、反応チャンバ２１０の他方の端の中央部に位置し得る。いくつかの実施形態では、内側入力部２０２Ｂは、中心から例えば１％〜２５％（例えば１％〜１０％）だけ離れて位置し得る。内側出力部２０４Ｂは、対応するように中心から例えば１％〜２５％（例えば１％〜１０％）だけ離れて配置され得る。
【００１５】
外側入力部２０２Ａ及び内側入力部２０２Ｂは、反応装置２００の反応チャンバ２１０への入力開口であってもよく、１以上のシリンダ、ホース、パイプ又はマニホールドなどの任意の適切なガス又はエアロゾル配送導管に接続され得る。例えば、外側入力部２０２Ａは、外側入力部２０２Ａに１以上の不活性ガスを供給し得る外側入力導管２０６Ａに接続され得る。内側入力部２０２Ｂは、内側入力部２０２Ｂに前駆体ガスを供給し得る内側入力導管２０６Ｂに接続され得る。触媒粒子（例えば、後述するナノ粒子エアロゾル生成器によって生成された触媒ナノ粒子）は、前駆体ガスと共に内側入力部２０２Ｂを介して反応チャンバ２１０に供給され得る。内側出力部２０４Ｂ及び外側出力部２０４Ａは、それぞれ、内側出力導管２０８Ｂ及び外側出力導管２０８Ａに接続され得る。
【００１６】
いくつかの実施形態では、内側入力部２０２Ｂは、第１の流れ２０５（例えば、第１のガス流などの第１の流体流）を反応チャンバ２１０に配送するように構成され得る。第１の流体流は、少なくとも１つの前駆体ガス及び触媒ナノ粒子エアロゾルを含み得る第１の流体を含み得る。第１の流れ２０５は、図１の点線矢印によって示されるように、反応チャンバ２１０の中央部分に配置され得る。
【００１７】
外側入力部２０２Ａは、第１の流れ２０５を取り囲む第２の流れ２０７（例えば、第２のガス流などの第２の流体流）を配送するように構成され得る。第２の流れ２０７は、図１の実線矢印で示すように、第１の流れ２０５とハウジング２０１の壁２０１Ａとの間のシースを提供し得る。第１の流れ２０５を取り囲む第２の流れ２０７の構成は、例えば、層状条件下で第１及び第２の流体（例えば、気体）の両方を提供することによって達成し得る。第１の流れ２０５を取り囲む第２の流れ２０７の構成は、外側入力部２０２Ａを内側入力部２０２Ｂよりも十分に広い（例えば、５０〜５００％広い）ように構成することによっても達成され得る。第１の流れ２０５及び第２の流れ２０７は、第１の流れ２０５及び第２の流れ２０７（図１の矢印によって示される）が反応チャンバ２１０を通って流れる際にそれらの間の界面で混合しても、第１の流れ２０５が反応チャンバ２１０内にある間にハウジング２０１の壁２０１Ａに実質的に接触しないようなシース（第２の流れ２０７）の厚さであり得る。例えば、壁２０１Ａと接触し得る第１の流れ２０５の０％〜５％の体積であり得る。層流又はプラグ流の下では、コア流路（例えば、第１の流れ２０５）は、反応装置壁２０１Ａと接触しなくてもよい。
【００１８】
図１に示すように、反応装置２００において、コア流（例えば、第１の流れ２０５）及びシース流（例えば、第２の流れ２０７）は、流れの速度が反応装置の全幅（例えば、流れ方向に垂直な断面）にわたって実質的に同じである「プラグ」流条件を最初に与えるように適合され得る。流れが反応ゾーン２１０を通って進むにつれて、表面抗力は、第２の流れ２０７（これはガス流であり得る）の最も外側の部分を減速させる可能性がある。反応装置２００の長さに依存して、流れは、放物線状の速度分布を有する層流に完全に成長する時間を有してもよいし有さなくてもよい。プラグ流条件は、シース（例えば、ガス流）を反応チャンバ２１０から一様に引き出すために反応装置の抽出器部分（例えば、以下に説明する外側出力部２０４Ａ）を設計することによって部分的に維持され得る。完全に層流の場合であっても、コア流２０５は狭い速度分布となり得、したがって触媒ナノ粒子の通過時間は狭い範囲となり得る。
【００１９】
さらに、シース流（例えば、第２の流れ２０７）は、反応装置２００の壁２０１Ａ上の材料の堆積を低減し、壁２０１Ａからコア流（例えば、第１の流れ２０５）への材料の逆拡散を排除し、反応容積（例えば、第１の流れ２０５）と反応装置の壁２０１Ａとの間に最小のクロストークが存在することを保証する。プロセスの安定性は時間の経過とともに改善され、より良い製品とより長いメンテナンス間隔をもたらし得る。
【００２０】
内側入力部２０２Ｂ及び外側入力部２０２Ａ及び反応装置２００を構成するときに考慮され得る他の要因は境界条件として説明され得る。第１の境界条件２２０は、重力に対する反応装置２００の向きに関連し得る。いくつかの実施形態では、反応装置２００の流れの方向が重力の方向に実質的に平行（例えば、重力の方向から０〜１０％のずれ）になるように、反応装置２００を向けることができる。このようにして、重力は、反応装置２００を通る第１の流れ２０５及び第２の流れ２０７（例えば、ガス流）を横断する混合流を生じさせないように作用し得る。いくつかの実施形態において、第１の流れ２０５及び第２の流れ２０７は重力方向に流れる。例えば、外側の入力部２０２Ａ及び内側の入力部２０２Ｂは、ガス流が反応チャンバ２１０を通って反応チャンバ２１０の底部に位置する外側出力部２０４Ａ及び内側の出力部２０４Ｂまで「下方」に流れるように、反応チャンバ２１０の上部に配置され得る。いくつかの実施形態では、第１の流れ２０５及び第２の流れ２０７は、重力の反対方向に流れることができる。例えば、図１に示すように、外側入力部２０２Ａ及び内側入力部２０２Ｂは、ガス流が反応チャンバ２１０を通って反応チャンバ２１０の上部に位置する外側出力部２０４Ａ及び内側出力部２０４Ｂに「上向き」に流れるように、反応チャンバ２１０の底部に配置され得る。
【００２１】
第２の境界条件２２２は、反応装置２００からのシース（例えば、ガス流であり得る第２の流れ２０７）の均一な抽出に関す関連し得る。反応装置２００の出力端における非理想性は、シース（例えば、第２の流れ２０７）が反応チャンバ２１０から均一に抽出されるように外側出力部２０４Ａを構成することによって最小化又は除去され得る。外側出力部２０４Ａで第２の流れ２０７を抽出するために、ファン又は真空装置（不図示）は、例えば外側出力部２０４Ａに隣接して反応装置２００に含まれ得る。対応する第４の境界条件２２６は、シース（例えば、第２の流れ２０７）の反応チャンバ２１０への均一な注入に関連し得る。反応チャンバ２１０の入力端及び反応チャンバ２１０を通過における非理想性は、外側入力部２０２Ａを通る第２の流れ２０７（これは１以上の気体を含み得る）の均一な噴射によって最小化又は除去され得る。結果として生じる反応装置２００を通る均一な流れ（例えば、第２の流れ２０７）は、「プラグ」流として説明され得る。
【００２２】
第３の境界条件２２４は、反応チャンバ２１０内の均一な流れ（例えば、少なくとも１つの気体を含み得る第１の流れ２０５及び第２の流れ２０７）及び壁温度に関連し得る。壁温度及び流れ温度を均一にする（例えば０〜５％の範囲などの５％未満の分散の範囲内）ことによって、反応チャンバ２１０内の対流の形成を低減又は排除することができる。これは、反応装置２００内の不均一な流れ状態を発生させる可能性を減少し得る。
【００２３】
第５の境界条件２２８は、外側入力部２０４Ａに接続され得る外側入力導管２０６Ａ内の第１の加熱ゾーン２１２における制御された温度勾配を維持することに関連し得る。シースの温度（例えば、少なくとも１つの気体を含み得る第２の流れ２０７）は、外側入力導管２０６Ａに隣接して（例えば、ハウジング２０１の外壁を取り囲んで）配置された１以上のヒータ２１４によって、第１の加熱ゾーン２１２内を所望の反応温度に加熱され得る。以下でより詳細に説明するように、第１の前駆体ガス及び／又は触媒ナノ粒子は、内側入力部２０２Ｂに隣接して（例えば、内側入力部２０２Ｂの外壁を取り囲んで）配置された１以上のヒータ２１６によって所望の反応温度に加熱され得る。あるいは、第１の前駆体ガスは、反応チャンバ２１０への進入点まで能動的に冷却されてもよく、この場合、１以上の第２のヒータ２１６は１以上の冷却装置で置き換えられ得る。いくつかの実施形態では、装置２１６は、加熱効果及び冷却効果の両方を提供することができる。したがって、装置２１６は、１以上の温度制御装置２１６（すなわち、ヒータ及び／又は冷却器）と呼ぶことができる。いくつかの実施形態では、反応チャンバ２１０は、反応チャンバ２１０に沿って（例えば、ハウジング２０１の外壁を取り囲んで）配置され得る１以上のヒータ２３０で加熱され得る。これらのヒータ２３０は独立して制御することができ、それにより、反応装置２００内に複数の反応チャンバ２１０を確立することができる。
【００２４】
１以上の不活性ガスは、外側入力導管２０６Ａを介して外側入力部２０２Ａに供給され得る。１以上の半導体ナノワイヤ前駆体ガスは、内側入力導管２０６Ｂを介して内側入力部２０２Ｂに供給され得る。反応装置２００は、反応チャンバ２１０内に成長又は堆積基板を含まず、その代わりに、内側出力部２０４Ｂを介して内側出力導管２０８Ｂからナノワイヤが収集され基板上に堆積される。さらに、本開示のシステム及び方法によって成長させたナノワイヤは、成長のためのレーザ補助を必要としない。
【００２５】
反応チャンバ２１０を出る第２の流れ２０７（例えば、シースガス）は、外側出力部２０４Ａを介して収集され、一方、ナノワイヤ及び未反応前駆体ガスは、内側出力部２０４Ｂを介して収集され得る。シースガスとして不活性ガスが使用される場合、いくらかの未反応前駆体ガスは反応チャンバ２１０内で不活性ガスと混合され、外側出力部２０４Ａを介して排出され得る。この未反応前駆体ガスは、不活性シースガスから分離され、後で反応装置２００で使用するためにリサイクルされ得る。
【００２６】
触媒ナノ粒子は、第１の流れ２０５及び第２の流れ２０７の１以上に供給され得る。触媒材料は、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｇａ，Ｉｎ，Ａｌ及びそれらの合金を含むがそれらに限定されない。触媒ナノ粒子は、単一の元素、又は２以上の元素の組み合わせ（例えば、合金）から構成され得る。さらに、触媒ナノ粒子は、電荷を帯びて又は帯びずに提供され得る。触媒ナノ粒子は、以下により詳細に考察される上流ナノ粒子エアロゾル生成器又は蒸発器２１５によって生成されるエアロゾルの形態で提供され得る。あるいは、触媒ナノ粒子は、触媒ナノ粒子（例えば、Ｇａ）を形成するために反応又は分解するガス前駆体（例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ））を供給することによってその場で形成され得る。不活性ガスは、反応装置の壁２０１Ａに沿って外側シース又はシリンダを形成するが、触媒ナノ粒子エアロゾルは、中間シース又は外側シース内のシリンダとして形成される又は提供される。ナノワイヤ前駆体は、中間シース内の内部ガス流を形成し、中間シース内の触媒ナノ粒子と相互作用してナノワイヤを成長させる。さらに、１以上の前駆体ガスを外側入力導管２０６Ａに供給して、触媒ナノ粒子の流れに拡散させることもできる。
【００２７】
図２は、例示的なナノワイヤ成長反応装置３００を有する例示的なナノワイヤ成長システム１００を示し、これは、ａｅｒｏｔａｘｙ（商標）ナノワイヤ成長反応装置であり得る。反応装置３００は、内壁３０１Ａを有するハウジング３０１を含み得る。反応装置３００は、反応チャンバ３１０を含み得る。説明のため、図２には反応装置３００のすべての要素が示されていない場合がある。しかし、反応装置３００は、例えばヒータ／冷却器のような反応装置２００に含まれる要素と同様の要素を含み得る。反応装置３００は、３つの入力部３０２Ａ、３０２Ｂ、及び３０２Ｃと３つの出力部３０４Ａ、３０４Ｂ、及び３０４Ｃを含み得る。３つの入力部３０２Ａ、３０２Ｂ、及び３０２Ｃ及び３つの出力部３０４Ａ、３０４Ｂ、及び３０４Ｃは、シリンダ、ホース、パイプ又はマニホールドなどの任意の適切な配送又は抽出導管への入力部及び出力部の開口であり得る。シースガスは、最も外側の入力部３０２Ａに供給され得る。
【００２８】
いくつかの実施形態では、中間の入力部３０２Ｂに、金又は銀などの触媒ナノ粒子を提供することができる。上述のように、触媒ナノ粒子は個々の金属又は合金を含み得る。触媒ナノ粒子は、以下により詳細に説明される上流ナノ粒子エアロゾル生成器２１５によって生成されるエアロゾルの形態で提供され得る。
【００２９】
１以上のナノワイヤ前駆体ガスを内側入力部３０２Ｃに供給することができる。以下により詳細に説明するように、成長中のナノワイヤをドープするために、１以上のドーピングガスを内側入力部３０２Ｃに供給することもできる。いくつかの実施形態では、触媒ナノ粒子を内側入力部３０２Ｃに供給しながら、前駆体及びドーピングガスを中間入力部３０２Ｂに供給することができる。いくつかの実施形態では、前駆体ガス及びドーピングガスは、ナノ粒子エアロゾル生成器２１５によって生成された触媒ナノ粒子で内側入力部３０２Ｃに供給され得る。いくつかの実施形態では、第１の前駆体ガスは中間入力部３０２Ｂ及び内側入力部３０２Ｃのいずれか又はその両方に供給することができ、異なる第２の前駆体ガスは中間入力部３０２Ｂ及び内側入力部３０２Ｃのいずれか又はその両方に供給することができる。いくつかの実施形態では、触媒ナノ粒子は、中間入力部３０２Ｂ及び内側入力部３０２Ｃのいずれか又は両方に提供され得る。１以上の前駆体ガスを外側入力部３０２Ａに供給して、触媒ナノ粒子の流れに拡散させることもできる。
【００３０】
入力部３０２Ａ、３０２Ｂ及び３０２Ｃは、外側入力部３０２Ａから送出される流れ（少なくとも１つのガスを含む）が、前駆体ガス及び／又は触媒ナノ粒子エアロゾルと反応チャンバ３１０のハウジング３０１の壁３０１Ａとの間にシースを提供し得るように構成され得る。このようにして、入力部３０２Ａ及び３０２Ｂからの中央又は中間ガス蒸気中の成長するナノワイヤは、実質的に同じ時間の間、実質的に同じプロセス条件を経験することができ、それによって、狭い範囲の制御された寸法（例えば、直径又は長さなどのサイズ）にナノワイヤを成長させることができる。反応チャンバ３１０を出るシースガスは、外側出力部３０４Ａに集められ得る。未使用の前駆体ガス及びナノワイヤは、中間出力部３０４Ｂ及び内側出力部３０４Ｃで収集され得る。例えば、ナノワイヤ及び排気ガスは中間出力部３０４Ｂ、排気ガスは内側出力部３０４Ｃ、排気ガスは外側出力部３０４Ａで集められ得る。シースガス中に同伴される未使用の前駆体ガスは、シースガスから分離されて再利用され得る。
【００３１】
図３Ａ及び図３Ｂは、図１のナノワイヤ成長反応装置２００（例えば、ａｅｒｏｔａｘｙ（商標）ナノワイヤ成長反応装置）を運用する例示的な方法を示す。同様の方法を適用して、図２のナノワイヤ成長反応装置３００を運用させることもできる。具体的には、図３Ａは、低コア流（例えば、コア流量がシース流量未満）で運用する場合の反応装置２００内の流体の挙動を示し、図３Ｂは、高コア流（例えば、コア流量がシース流量よりも大きい）で運用するときの反応装置２００内の流体の挙動を示す。反応装置２００内のナノワイヤの滞留時間（例えば、ナノワイヤが反応チャンバ２１０内を移動する時間）は、コア領域（例えば、内側入力部２０２Ｂからの流れ）とシース領域（例えば、外側入力部２０２Ａからの流れ）とにおける流れ（例えば、流量）の比率を制御することによって影響され得る。シース内の平均ガス速度がコア流（例えば、内側入力部２０２Ｂからの流れ）よりも大きくなるようにシースガス流（例えば、外側入力部２０２Ａからの流れ）が増加する場合、コア流内のガスは加速され、図３Ａに示すように、コア流の流れの直径（又は幅）に収縮１４０２を生じる。コアガスの平均速度がシースガスの平均速度よりも大きい逆流状況が適用される場合、コアガス流（及びその中に含まれる触媒ナノ粒子）が膨張して、図３Ｂに示すように、コアガス流の直径（又は幅）は増加する。
【００３２】
図３Ａに示された構成は、反応装置２００におけるナノワイヤ滞留時間の減少をもたらし得、図３Ｂに示された構成は、反応装置２００におけるナノワイヤ滞留時間の増加をもたらし得る。このプロセスは、第２ステージの反応装置への流れが第１ステージから来る流れに直接依存するように反応装置２００を直列に配置する場合に重要である。この方法は、逐次反応装置２００における滞留時間を独立して制御することを可能にする。図３Ａ及び図３Ｂに関連して上述した動作方法は、図２の反応装置３００や後述する図４Ａの反応装置４００のような他の反応装置にも適用可能である。
【００３３】
図３Ｃは、ナノワイヤ成長反応装置５００Ａ及び５００Ｂ（ａｅｒｏｔａｘｙ（商標）反応装置であり得る）が直列に接続されたナノワイヤ成長システム１５００（ａｅｒｏｔａｘｙナノワイヤシステムであり得る）を示す。図示されるように、ナノワイヤ成長システム１５００は、２つの成長ステージを含むことができ、すなわち、システムは、２つのナノワイヤ成長反応装置５００Ａ及び５００Ｂを一緒にスタックすることができる。反応装置５００Ａ及び５００Ｂのそれぞれは、図１に示す反応装置２００と同様であってもよく、同様の要素を含み得る。例えば、反応装置５００Ａ及び５００Ｂの各々は、第１ステージのコア流出力部が第２ステージのコア流入力部に接続されるように構成することができる。ナノ粒子エアロゾル生成器２１５は、第１ステージの入力部の上流に配置することができる。ナノワイヤ成長システム１５００に含まれる要素又は特徴は、システム１００，５００（図６に図示）、７００Ａ及び７００Ｂ（図７Ａ及び図７Ｂに図示）など、本明細書に開示される他のシステムに含まれ得る。
【００３４】
例示目的のために、２つのステージ（例えば、２つの反応装置２００）のみが示されているが、ナノワイヤ成長システム１５００は、３以上の反応装置２００を接続することによって、３以上のステージのような任意の数のナノワイヤ成長ステージを有することができる。ナノワイヤ成長システム１５００は、本明細書に開示される任意の数の、及び任意の組み合わせのナノワイヤ成長反応装置２００，３００、及び４００を含み得る。例えば、ナノワイヤ成長システム１５００は、反応装置２００，３００及び／又は４００の任意の組み合わせで構成され得る。ナノワイヤ成長システム１５００は、シース流よりも高いコア流を有するか、又はシース流よりも低いコア流を有し得る。反応装置５００Ａ及び５００Ｂはそれぞれ、反応装置２００、反応装置３００、及び／又は反応装置４００と類似し得る。さらに、異なる相対流量の反応装置をスタックすることによって、システムは、ベンチュリ効果を利用して、コア流のサイズを更に変化させ得る。
【００３５】
いくつかの実施形態では、ナノワイヤ成長システム１５００は、フィード導管（例えば、５０４Ａ、５０４Ｂ）及びガス出力部（例えば、４４０）が設けられ得るスタック内の隣接するナノワイヤ成長反応装置５００Ａ及び５００Ｂの間にギャップを含み得る。例えば、フィード導管５０４Ａは、第２の反応装置５００Ｂの外側入力導管２０６Ａにシースガスを提供するように構成され得、フィード導管５０４Ｂは、第２の反応装置５００Ｂの内側入力導管２０６Ｂに前駆体及び／又は触媒ナノ粒子を提供するように構成され得る（例えば、反応装置５００Ａ、５００Ｂの間のコア流領域に配置される）。各ステージにおいて、シースガス及びシースガス中の同伴された前駆体ガス（例えば、排気ガス）は、ガス出力部４４０及び４４０Ａによって除去され得る。このようにして、新しい前駆体及びシースガスを新しい各ステージに供給し、古いシースガス及び排気ガスを除去することができる。さらに、ステージは、垂直方向、水平方向、又はその間の任意の組み合わせでスタックされ得る。いくつかの実施形態では、スタック全体を外部ハウジング（不図示）内に格納することができる。
【００３６】
図４Ａ、図４Ｂ及び図５は、例示的なナノワイヤ成長反応装置４００を含む別の例示的なナノワイヤ成長システム１００を示す。ナノワイヤ成長反応装置４００は、反応装置２００と同様であり得るが、追加の要素を含んでもよい。ナノワイヤ成長反応装置４００の要素はまた、ナノワイヤ成長反応装置２００又は３００に含まれ得る。反応装置４００は、外側入力部４０２Ａ、内側入力部４０２Ｂ、外側出力部４０４Ａ、及び内側出力部４０４Ｂを含み得る。シースガスは、外側入力導管４０６Ａに配置されたシースガス入力部４３２に接続された外側入力部４０２Ａを介して反応チャンバ４１０に供給され得る。触媒ナノ粒子は、ナノ粒子エアロゾル生成器２１５によってエアロゾル化され、（例えば、少なくとも部分的に）内側入力導管４０６Ｂに位置する触媒入力部４３４に接続された内側入力部４０２Ｂを介して反応チャンバ４１０に供給される。
【００３７】
１以上の前駆体ガスは、前駆体入力部４３６及び内側入力導管４０６Ｂに接続された内側入力部４０２Ｂを介して反応チャンバ４１０に供給され得る。入力部４３２，４３４、及び４３６は、シリンダ、ホース、パイプ又はマニホールドなどの任意の導管を含み得る。シースガス入力部４３２は、（例えば、少なくとも部分的に）外側入力導管４０６Ａに隣接して配置され得る。前駆体入力部４３６は、（例えば、少なくとも部分的に）内側入力導管４０６Ｂに隣接して配置されてもよく、前駆体入力部４３６は、触媒入力部４３４よりも内側入力導管４０６Ｂの上方に延びている。シースガス、触媒ナノ粒子エアロゾル及び前駆体ガスは、外側入力部４０２Ａ及び内側入力部４０２Ｂ、ならびに１以上の熱電対４２０を用いて外側入力導管４０６Ａ及び内側入力導管４０６Ｂで監視することができる。例示のために、熱電対４２０は、出力導管４０８Ａ及び４０８Ｂのうちの少なくとも１つの中に位置し、また、熱電対４２０は、入力部４０２Ａ及び４０２Ｂの少なくとも１つ、又は、入力導管４０６Ａ及び４０６Ｂのうちの少なくとも１つ、又は、出力部４０４Ａ及び４０４Ｂの少なくとも１つ、に位置し得る。
【００３８】
１以上のヒータ４３０を使用して、外部入力導管４０６Ａ、反応チャンバ４１０、及び外部出力導管４０８Ａに熱を供給することができる。内側入力導管４０６Ｂを加熱するために、外側入力導管４０６Ａから反応装置４１０への熱の移動は反応装置４００の下部に位置する１以上の熱伝達要素４３８を介して行われ得る。内側入力導管４０８Ｂから熱を抽出するために、内側出力導管４０８Ｂから外側出力導管４０８Ａへの熱の移動は、反応装置４００の上部に位置する１以上の熱伝達要素４３８を介して行われ得る。熱伝達要素４３８は、例えば、図４Ｂに示すようなアルミニウム又は銅のような高い熱伝導率を有する材料からなるディスクであり得る。外側入力導管４０６Ａの遠位端（反応チャンバ４１０から最も遠い）には、熱シールド又は断熱材４１８（例えば、熱伝導率の低い材料）を設けることができる。熱シールド又は断熱材４１８は、外側入力導管４０６Ａからの熱損失を低減し、それにより、外側入力導管４０６Ａにおける安定した温度勾配を維持するのを助ける。
【００３９】
外側入力導管４０６Ａには、１以上のフリット又はフィルタが設けられ、円形に対称なプラグ流を確保する平衡圧力を提供することができる。いくつかの実施形態では、外側入力導管４０６Ａには、１以上の低多孔度フリット又はフィルタ４２４、及び／又は１以上の高多孔率フリット又はフィルタ４２２が設けられ得る。低多孔度フリット又はフィルタ４２４は、例えば焼結されたステンレス鋼のような任意の適切な材料で作ることができる。高多孔性フリット又はフィルタ４２２は、金属又はセラミックウール又はＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３のような織物繊維又はスチールウールのような任意の適切な材料で作ることができる。
【００４０】
外側出力導管４０８Ａは、冷却カラー４２６を含み得る。冷却カラー４２６は、流体入力部４２８及び流体出力部４２９を含み得る。流体は、液体又は気体のいずれかであり得る。冷却カラー４２６は、外側出力導管４０８Ａから熱を抽出してシースガスを冷却することができる。さらに、熱伝達要素４３８が、上述のように外側出力導管４０８Ａに隣接して（例えば、その内部に）設けられている場合、内側出力導管４０８Ｂから熱を抽出し、それによって未反応の前駆体ガス及びナノワイヤを冷却することができる。外側出力導管４０８Ａ及び内側出力導管４０８Ｂの温度は、１以上の熱電対４２０を使用して監視することができる。
【００４１】
シースガスは、外側出力導管４０８Ａ及びガス出力部４４０を介して外側出力部４０４Ａから除去することができる。シースガスは、リザーバに貯蔵され得る。未反応の前駆体ガス及びナノワイヤは、内側出力導管４０８Ｂからの出力部４４２を介して反応装置４００から除去することができる。
【００４２】
図５は、反応装置４００（ａｅｒｏｔａｘｙ（商標）ナノワイヤ成長反応装置であり得る）の典型的な出口部分を概略的に示す。いくつかの実施形態では、出口部分は、対称ガス流を維持するために入口部分と実質的に同一であり得る。また、反応装置４００の出口部分は図１〜図３Ｃに示すナノワイヤ成長システム１００に含まれ得る。出口部分は、ハウジング４４４を含むことができる。出口部分は、ハウジング４４４内に組み立てられ得る高多孔性フリットまたはフィルタ４２２および低多孔性フリットまたはフィルタ４２４を含み得る。ハウジング４４４は、例えばステンレス鋼またはモリブデンのような任意の適切な材料で作ることができる。反応チャンバ４１０から高多孔性フリットまたはフィルタ４２２および／または低多孔率フリットまたはフィルタ４２４を通って流れるシースガスは、導管またはパイプ４４８に導かれ得る。導管４４８は、熱シールドまたは断熱材４１８、及び、シースガス出力部４４０への途中で外側出口導管４０８Ａに隣接して配置された１以上の熱伝達要素４３８を通過し得る。いくつかの実施形態では、熱シールドまたは断熱材４１８及び１以上の熱伝達要素４３８は、導管またはパイプ４４８に固定された１以上のクランプ４５０を有するハウジング４４４の上流（またはハウジング４４４の下流）に配置され得る。熱シールドまたは断熱材４１８および熱伝達要素４３８を所定の位置に固定するために、ネジ、ボルト等の他の適切な締結具を使用することができる。
【００４３】
反応チャンバ４１０のサイズは、外側入力部４０２Ａ及び内側入力部４０２Ｂ、外側出力部４０４Ａ及び内側出力部４０４Ｂ（範囲４４６によって示される）、又はその両方を上昇又は下降させることによって調節することができる。すなわち、外側入力部４０２Ａ及び内側入力部４０２Ｂと外側出力部４０４Ａ及び内側出力部４０４Ｂとの間の距離は、反応チャンバ４１０のサイズを調節するために増加又は低減され得る。この調節は、ネジ、レバー、又は任意の他の適切な機構のような他の適切な機構の調節機構４４５によりなされ得る。いくつかの実施形態では、調節機構４４５は、反応チャンバ４１０からの出力部４０４Ａ及び４０４Ｂが上昇又は下降し得るように、外側入力導管４０６Ａ及び内側入力導管４０６Ｂ、外側出力導管４０８Ａ及び内側出力導管４０８Ｂ、及び／又は、外側出力導管４０８Ａ内のアセンブリ４４０，４４２，４４４，４４８及び４３８の上部キャップ４５２を上下させ得る。あるいは、反応チャンバ４１０のサイズは、反応装置チューブ（例えば、１以上の入力導管２０６Ａ及び２０６Ｂ及び出力導管２０８Ａ及び２０８Ｂ）を交換することによって調節することができる。いくつかの実施形態では、反応チャンバ４１０のサイズは、外側導管２０６Ａ及び２０８Ａを異なる長さの反応管で置き換えることによって調節することができる。
【００４４】
図６は、ナノワイヤ成長システム５００（これは、ａｅｒｏｔａｘｙ（商標）ナノワイヤ成長システムであり得る）の実施形態を示す。説明のために、システム５００は、３つのナノワイヤ成長反応装置６００Ａ、６００Ｂ及び６００Ｃを含むように示されているが、システム５００は他の任意の適切な数（例えば、２つ、４つ、５つなど）の反応装置を含み得る。反応装置６００Ａ、６００Ｂ及び６００Ｃのそれぞれは、反応装置２００、３００及び４００のいずれかに類似し得る。ナノワイヤ成長システム５００に含まれる要素又は特徴は、上述のシステム１００及び１５００、及び後述のシステム７００Ａ、７００Ｂに含まれ得る。図示するように、３つのナノワイヤ成長反応装置６００Ａ、６００Ｂ及び６００Ｃは、直列に構成されている。すなわち、第１のナノワイヤ成長反応装置６００Ａを出るナノワイヤは、第２のナノワイヤ成長反応装置６００Ｂに供給され、第２のナノワイヤ成長反応装置６００Ｂから出るナノワイヤは、第３のナノワイヤ成長反応装置６００Ｃに提供される。いくつかの実施形態では、ナノワイヤ成長反応装置は、並列に、又は直列及び並列の組み合わせで構成され得る。ナノワイヤ成長反応装置６００Ａ、６００Ｂ、及び６００Ｃ間の接続部５０８Ａ、５０８Ｂは、パイプ、マニホールド、ホース又は任意の他の適切なコネクタのような任意の適切な導管で作製することができる。最終的なナノワイヤは、導管５０８Ｃを介して収集され得る。
【００４５】
シースガス及び前駆体ガスの源は、１以上のリザーバに貯蔵され得る。図示するように、システム５００は、６つのリザーバＲ１〜Ｒ６を含み得るが、必要に応じて１，２，３，４，５、又はそれ以上の任意の数のリザーバを含めることができる。第１リザーバＲ１は、例えばトリメチルガリウム又はトリエチルガリウムのような第１前駆体ガスを貯蔵することができる。第２のリザーバＲ２は、アルシン、又は窒素、アルゴン又はヘリウムなどの不活性キャリアガスなどの第２の前駆体ガスを貯蔵することができる。第３のリザーバＲ３は、第３の前駆体ガス、不活性ガス（例えば、シースガス）又は第１の導電型（例えば、ｐ型又はｎ型）の第１のドーパントガスを貯蔵することができる。第４リザーバＲ４は、第１導電型とは異なる第２導電型（例えば、ｎ型又はｐ型）の第２ドーパントガスを貯蔵することができる。この構成では、ナノワイヤを、複数の層（例えば、コア−シェル）又は異なる導電型の領域で成長させることができる。例えば、長手方向に配向されたナノワイヤ及び半径方向（ラジアル）に配向されたナノワイヤの両方が、システム５００（及び本明細書に開示される他のシステム）で製造され得る。このようにして、１以上のｐｎ又はｐ−ｉ−ｎ接合を有するナノワイヤを作成することができる。
【００４６】
ナノ粒子エアロゾル生成器２１５は、第１の反応装置６００Ａの入力部に配置され、触媒ナノ粒子エアロゾルを生成し、第１の反応装置６００Ａにエアロゾルを供給することができる。いくつかの実施形態では、ナノ粒子エアロゾル生成器２１５は、反応装置６００Ａ、６００Ｂ、及び６００Ｃのそれぞれの入力部に配置され得る。システム５００及び（後述する）システム７００Ａ及び７００Ｂでは、１以上のｐｎ接合（又はｐｉｎ接合）を有する長手方向及び半径方向に配向されたナノワイヤを連続的に製造することができる。システムを停止させることなく、システムの第１の端部（例えば、５００、７００Ａ、又は７００Ｂ）に原材料を連続的に供給し、完成したナノワイヤをシステムの第２の端部で連続的に収集することができる。さらに、ガスの種類及び濃度及び動作条件を独立して制御することができるので、システム５００（及びシステム７００Ａ及び７００Ｂ内の反応装置２００などの他の開示されたシステムの他の反応装置）のすべての反応装置６００Ａ、６００Ｂ及び６００Ｃにおいて、組成、ドーピング及び／又は導電型に関してホモ構造及びヘテロ構造の両方を製造することができる。さらに、ガスの種類及び濃度ならびに動作条件は、反応装置６００Ａ、６００Ｂ及び６００Ｃ内の時間の関数として変化させることができる。
【００４７】
ガスは、フィード導管５０４Ａ、５０４Ｂ及び５０４Ｃを介して反応装置６００Ａ、６００Ｂ及び６００Ｃに供給され得る。フィード導管５０４Ａ、５０４Ｂ、及び５０４Ｃは、パイプ、導管、ホース、マニホールド、又は任意の他の適切な供給チューブであり得る。上述したように、反応装置６００Ａ、６００Ｂ及び６００Ｃの温度は、１以上の熱電対４２０（図４及び図５に図示）で監視することができる。さらに、リザーバＲ１〜Ｒ６から反応装置６００Ａ、６００Ｂ及び６００Ｃへのガス流は、１以上の計器及び／又は流量制御弁を含み得る流量制御装置５１０によって監視することができる。流量制御装置５１０は、流量及び／又は流量の合計量に関する情報を提供するように構成され得る。流量計又は弁５１０はまた、流量及び／又は流量の総量を制御するように構成され得る。いくつかの実施形態では、別個の流量計及び流量制御弁を設けることができる。いくつかの実施形態では、流量計および流量制御弁を流量制御装置５１０内に一体化することができる。いくつかの実施形態では、１以上のリザーバＲ１〜Ｒ６からの１以上のガスを、フィード導管５０４Ｄを介してナノ粒子エアロゾル生成器２１５に供給することができる。図示されていないが、ナノ粒子エアロゾル生成器２１５からのエアロゾル流及び／又はナノ粒子エアロゾル生成器２１５に供給されるガス流を制御するために、フロー制御装置５１０と同様の１以上のフロー制御装置を設けることができる。
【００４８】
ナノワイヤ成長システム５００は、パーソナルコンピュータ、サーバ、又は専用コンピューティング装置などのコントローラ５０２を含み得る。システム１００及び１５００（図１〜図４Ｂに示す）及びシステム７００Ａ及び７００Ｂ（図７Ａ及び図７Ｂに示す）にも同様のコントローラを含めることができる。コントローラ５０２は、ハードウェア構成要素、ソフトウェア構成要素、又はその両方を含み得る。例えば、コントローラ５０２は、ナノワイヤ成長システム５００に含まれる様々な装置又は構成要素（例えば、フロー制御装置５１０、反応装置６００Ａ〜６００Ｃなど）と通信するように構成された通信ユニット５０５を含み得る。通信ユニット５０５は、有線ネットワーク（例えば、イーサネット（登録商標））又は無線ネットワーク（例えば、ＷｉＦｉネットワーク、セルラネットワーク、無線周波数ネットワークなど）であり得るネットワーク５０６を介して、様々な装置又は構成要素と通信する。通信ユニット５０５は、通信ポート、アンテナなどの少なくとも１つのハードウェア構成要素を含み得る。
【００４９】
コントローラ５０２は、コンピュータプログラムなどのコンピュータ実行可能命令及び／又はコードを格納するように構成されたメモリ５０７を含み得る。メモリ５０７は、例えば、フラッシュメモリ、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などのような任意の適切な有形メモリであり得る。メモリ５０７は、半導体、ハードウェア回路などの少なくとも１つのハードウェア構成要素を含み得る。
【００５０】
コントローラ５０２は、プロセッサ５０９を含み得る。プロセッサ５０９は、本明細書で開示される様々な方法又はプロセスを実行するために命令又はコードを実行するように構成され得る。プロセッサ５０９は、例えば、ハードウェア回路、半導体などの少なくとも１つのハードウェア構成要素を含み得る。プロセッサ５０９、メモリ５０７、及び通信ユニット５０５は、バス、ワイヤ、及び／又は他の通信手段を介して互いに通信することができる。
【００５１】
コントローラ５０２は、反応装置（例えば、２００，３００，４００など）又はシステム（例えば、５００，７００Ａ、７００Ｂ、１５００など）内の本明細書で開示される様々な装置又は構成要素と通信することができる。コントローラ５０２は、ナノワイヤ成長反応装置又はシステムの動作を制御するために、様々な装置又は構成要素からデータ又は信号を受信し、データを分析し、制御信号を様々な装置又は構成要素に送ることができる。例えば、コントローラ５０２は、反応装置２００（又は３００，４００など）の温度を調節するために、ヒータ２１４，２１６及び２３０のうちの少なくとも１つからデータ又は信号を受信し、少なくとも１つに制御信号を送信するように構成され得る。コントローラ５０２は、１以上の熱電対４２０（例えば、コントローラ５０２が熱電対４２０の温度測定値を監視することができる）から温度測定値を受信することができる。例えば、コントローラ５０２は、熱電対４２０から受信した温度測定値に基づいて、ヒータ２１４，２１６及び２３０のうちの少なくとも１つを調節することができる。コントローラ５０２は、フロー制御装置５１０からデータ又は信号を受信し、フロー制御装置５１０に制御信号を送り、反応装置及び／又はナノ粒子エアロゾル生成器２１５に供給されるガスの流れを調節し得る。
【００５２】
図７Ａ及び図７Ｂは、例示的なナノワイヤ成長システム７００Ａ及び７００Ｂ（ａｅｒｏｔａｘｙ（商標）ナノワイヤ成長システムであり得る）を示す。システム７００Ａは、前駆体ガスを反応装置２００（又は３００，４００）に配送するように構成された第１のリザーバＲ１を含み得る。いくつかの実施形態において、ナノ粒子エアロゾル生成器２１５は、触媒ナノ粒子エアロゾルを反応装置２００に提供するために含まれ得る。リザーバＲ１に貯蔵された１以上のガスは、ナノ粒子エアロゾル生成器２１５に供給され得る。システム７００Ａは、シースガスを配送するように構成された第２のリザーバＲ２を含み得る。シースガスは、第２の前駆体ガス、又は、例えば窒素、又はヘリウム又はアルゴンなどの希ガスであり得る不活性ガスであり得る。
【００５３】
システム７００Ａは、所望のナノワイヤ特性を得るために、ナノワイヤ又は部分的に成長したナノワイヤの現場（in-situ）分析を提供する粒子分析器７０４をさらに含み得る。粒子分析器７０４は、例えば、ナノワイヤを照らしナノワイヤの発光を検出することによって、ナノワイヤの光学特性を決定する動作をすることができる。現場分析は、ナノワイヤの基板ベース合成では利用できないフィードバック制御ループで使用されるフィードバック（例えば、ナノワイヤのサイズ）を得る能力を提供する。フィードバックは、例えば、触媒シード粒子のサイズの制御のようなワイヤ成長の制御のために、また、１以上の反応チャンバ内の前駆体組成、前駆体のモル流量、キャリアガス流、温度、圧力又はドーパントに関連する１以上のパラメータの制御のために、制御器（例えば、コントローラ５０２）によって使用され得る。ナノワイヤの成長後、ナノワイヤは、ナノワイヤレポジトリ７０６（例えば、ナノワイヤの格納用の容器又は基板を含むナノワイヤ堆積装置）に提供され得る。
【００５４】
図７Ｂに示す実施形態では、システム７００Ｂは、第１のリザーバＲ１及び第２のリザーバＲ２を含み得る。第１のリザーバＲ１は前駆体ガスを提供するように構成され、第２のリザーバＲ２はシースガスを提供するように構成される。この実施形態では、システム７００Ｂは、直列及び並列に構成された複数の反応装置２００（又は３００，４００）を含み得る。図示されていないが、各反応装置２００（又は３００，４００）は、触媒ナノ粒子エアロゾルを提供するためにナノ粒子エアロゾル生成器２１５を備え得る。さらに、コントローラ（例えばコントローラ５０２）がシステム７００Ｂに含まれ得る。
【００５５】
システム７００Ｂでは、多数のナノワイヤを同時に製造することができる。さらに、反応装置２００の各並列ラインは、システム７００Ｂの反応装置２００の他のラインとは異なる条件下で運用され得る。このようにして、ナノワイヤの異なる構成、例えば長手方向に配向されかつ水平方向に配向されたナノワイヤを同時に製造することができる。別の態様では、反応装置２００の異なる導管に異なるサイズのナノ粒子を提供してもよく、又は反応装置２００に関連するナノ粒子エアロゾル生成器２１５が異なるサイズのナノ粒子を生成するように構成し得る。このようにして、異なるサイズ（例えば、直径、長さ）を有するナノワイヤを、絡み合うことなく同時に製造することができる。任意で、図７Ｂに示すシステム７００Ｂは、反応装置２００の１以上の導管におけるナノワイヤの成長を監視するための１以上の粒子分析器７０４を含み得る。
【００５６】
本明細書に開示されるナノワイヤ成長反応装置（例えば、２００，３００，４００）は、水平又は垂直に整列され得る。例えば、２つの反応装置２００を含むナノワイヤ成長システムの垂直方向の整列に対して、第２の反応装置２００の外側入力部２０２Ａ及び内側入力部２０２Ｂは、第１の反応装置２００の外側出力部２０４Ａ及び内側出力部２０４Ｂとそれぞれ垂直に整列される。複数のナノワイヤ成長反応装置５００Ａ、５００Ｂ、６００Ａ〜６００Ｃ、７００Ａ及び／又は７００Ｂ（それぞれが反応装置２００，３００又は４００のうちの１つであり得る）を有するシステム１５００，５００，７００Ａ及び／又は７００Ｂにおいて、ナノワイヤ成長反応装置は、垂直に積み重ねられて示されるが、水平にスタックされ得、水平方向と垂直方向との間の任意の角度でスタックされ得る。
【００５７】
図８〜図１０は、本明細書に開示されるナノワイヤ成長反応装置及びシステムとともに使用され得る例示的なナノ粒子エアロゾル生成器２１５を概略的に示す。図８〜図１０に示す実施形態は、希釈ガスを供給するための構成を除いて、同様の又は同じ要素を含み得る。同様の又は同じ要素については、以下の説明は図８のみを参照するが、図９及び図１０の実施形態に含まれる同様の又は同様の要素にも同じ説明が当てはまる。
【００５８】
図８〜図１０を参照すると、ナノ粒子エアロゾル生成器２１５は、ナノ粒子エアロゾルを生成し、ナノワイヤ成長反応装置（例えば、システム５００、１５００、７００Ａ、７００Ｂに含まれる反応装置２００，３００，４００）の入力部にナノ粒子エアロゾルを提供するように構成することができる。ナノ粒子エアロゾル生成器２１５は、反応装置で使用される触媒ナノ粒子を生成するように構成され得る。ナノ粒子エアロゾル生成器２１５は、狭いサイズ分布（例えば、標準偏差＜平均の１０％）の１００ｎｍより大きい（例えば、１００ｎｍ〜２００ｎｍ又は２００ｎｍより大きい）サイズの、高密度（例えば、例えば１０８粒子／ｃｍ３より多いなど、１０７粒子／ｃｍ３よりも多い）の触媒ナノ粒子を生成するように構成することができる。ナノ粒子エアロゾル生成器２１５は、他のサイズ（例えば、１００ｎｍ未満、１０〜２００ｎｍ）、他のサイズ分布（例えば、標準偏差＞平均の１０％より広いサイズ分布）、及び／又は他の密度（例えば、１０６粒子／ｃｍ３又は１０５粒子／ｃｍ３など、１０７粒子／ｃｍ３未満）である触媒ナノ粒子を生成するように構成することもできる。ナノ粒子エアロゾル生成器２１５はまた、ナノスケールよりも小さいか又は大きいナノ粒子を生成するように構成され得る。
【００５９】
図８〜図１０に示されるように、ナノ粒子エアロゾル生成器２１５は、容器８００を含み得る。いくつかの実施形態では、容器８００は坩堝であり得る。他の容器も使用することができる。議論の目的のために、容器８００の一例として坩堝が使用される。坩堝８００は、原料８０５を含むように構成され得る。原料８０５は、例えば、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｇａ，Ｉｎ，Ａｌ又はこれらの任意の組合せを含むことができ、ナノワイヤを成長させるための触媒として機能することができる。原料８０５は加熱されて蒸発し得る。いくつかの実施形態では、原料８０５を２０００℃まで加熱し得る。いくつかの実施形態では、原料８０５を２０００℃より高く加熱し得る。原料８０５の加熱は、熱加熱、電気アーク加熱、誘導加熱などの様々な方法による加熱装置８１０を用いて達成することができる。レーザ蒸発法のような原料８０５を蒸発させる他の方法も使用することができる。
【００６０】
いくつかの実施形態では、原料８０５を加熱することは、熱加熱によって達成することができる。加熱装置８１０は、坩堝８００を加熱して、原料８０５を加熱する。いくつかの実施形態では、原料８０５を加熱することは、電気アーク加熱によって達成することができる。加熱装置８１０は、原料８０５に電気アーク電流を印加して、原料８０５の温度を上昇させることができる。いくつかの実施形態では、原料８０５を加熱することは、電気誘導加熱によって達成することができる。加熱装置８１０は、坩堝８００を囲む複数のコイル（図示せず）に交流電流を印加して、コイル内の交流電流によって発生する誘導のもとで原料８０５を加熱することができる。
【００６１】
特定の温度以上に加熱されると、加熱された原料８０５の一部（例えば、上部表面部分）が気化する（例えば、加熱された原料８０５が溶融し、少なくともその上部表面で小さな粒子に分解する）。温度が高くなると、加熱された原料８０５がキャリアガス流によって吹き飛ばされるときに、原料８０５のより多くのナノ粒子が気化することがある。従って、より高い温度は、生成されたナノ粒子エアロゾルの密度をより高くすることができる。
【００６２】
図８〜図１０に示すように、ナノ粒子エアロゾル生成器２１５は、導管８２０を介して坩堝８００内にキャリアガスの流れを供給するように構成されたキャリアガス源８１５を含み得る。導管８２０は、ある角度でキャリアガスを原料８０５に吹き付けることができる。導管８２０の角度は、固定され得又は調節され得る。キャリアガスは、原料８０５の上面に吹き付けられて、原料のナノ粒子を上昇させ原料８０５から分離させることができる。キャリアガスを原料８０５の上面に吹き付けると、エアロゾル（例えば、蒸気）は、キャリアガスと、原料８０５の小さな粒子（例えば、ナノ粒子）とによって形成され得る。キャリアガスは、例えば、窒素、水素、及びヘリウム及びアルゴンのような希ガス、又はそれらの混合物である。
【００６３】
１つのキャリアガス源８１５及び１つの導管８２０が図８に示されているが、ナノ粒子エアロゾル生成器２１５は、左側に少なくとも１つの他のペアのキャリアガス源及び導管を含み得る。キャリアガス源及び導管の追加ペアは、キャリアガス源８１５及び導管８２０に対して対称に配置され得る。いくつかの実施形態では、キャリアガス源及び導管の追加ペアは、キャリアガス源８１５及び導管８２０に対して対称に配置されなくともよい。
【００６４】
蒸気（例えば、ナノ粒子エアロゾル）は、坩堝８００から、蒸発チャンバ８４２内のナノ粒子エアロゾル生成器２１５の出力部８２５に向かって流れることができる。キャリアガス流の様々なパラメータは、ナノ粒子のサイズ、粒子濃度（密度及び／又はサイズ分布）、及び材料輸送総量を含む。様々なパラメータは、キャリアガスの種類、流量、流量総量、原料８０５に対する導管８２０の角度を含み得る。
【００６５】
坩堝８００に隣接するナノ粒子エアロゾルは高密度であり得、粒子は互いに凝集してクラスタを形成する傾向があり得る。粒子クラスタは、反応装置の下流での使用には適していないか、又は望ましくないことがある。図８に示すように、２つのタイプの粒子がナノ粒子エアロゾル中に共存することができ、一方は主要粒子８３０であり、他方は凝固粒子クラスタ８３５である。主要粒子８３０は反応装置における下流での使用に使用できる。凝集体粒子クラスタ８３５は、クラスタ８３５のサイズが所望のサイズ分布の外側にある場合に破棄され得る。
【００６６】
ナノ粒子エアロゾルの密度は、原料８０５の温度によって影響を受ける可能性がある。原料８０５の温度が高いほど、ナノ粒子エアロゾルの密度は高くなる。ナノ粒子エアロゾルの密度はまた、キャリアガスの流量のようなキャリアガスの影響を受け得る。いくつかの実施形態では、キャリアガスの流量をより大きくすると、密度が高くなる可能性がある。
【００６７】
より高い密度は、ナノ粒子間のより多くの凝固をもたらし得る。したがって、凝固を制御するために、ナノ粒子エアロゾルの密度を制御することができる。ナノ粒子エアロゾルの密度は、原料８０５の温度及びキャリア流の少なくとも１つを制御することによって制御することができる。例えば、加熱装置８１０による加熱（例えば、加熱装置８１０によって印加されるアーク電流）を制御することによって、原料８０５の温度を制御することができる。キャリアガスの流れは、流量制御バルブ（不図示）を制御して坩堝８００に供給されるキャリアガス流の流量及び／又は量を調節することによって制御され得る。
【００６８】
ナノ粒子エアロゾル生成器２１５は、壁８４０を含み得る。壁８４０の内面は、蒸気（例えば、ナノ粒子エアロゾル）が流れるように、坩堝８００から出力部８２５まで延びる蒸発チャンバ又は流路８４２を規定し得る。壁８４０は、チューブ又はパイプの壁であってもよく、あるいは、チャンバ８４２を形成するために互いに接続された複数の壁を含んでもよい。壁８４０は、坩堝８００を少なくとも部分的に取り囲むように配置され、ナノ粒子エアロゾルは、壁８４０によって規定されたチャンバ又は流路８４２に沿って坩堝８００から出力部８２５に流れ得る。壁８４０は、図８に示すように、坩堝８００の壁８４５と重なり、壁８４５と壁８４０との間に空間を規定し得る。
【００６９】
図８〜図１０に示すように、凝固をさらに制御し、それによってナノ粒子のサイズ分布を制御して所望の範囲を達成するために、ナノ粒子エアロゾル発生器２１５は、第２の別個のガス流を使用して、キャリアガス流によって形成されたナノ粒子エアロゾルおよび原料８０５から生成されたナノ粒子を希釈することができる。図８〜図１０に示すように、ナノ粒子エアロゾル発生器２１５は、希釈ガスを供給するように構成された希釈ガス源８５０を含み得る。希釈ガスは、例えば、窒素、水素、およびヘリウムおよびアルゴンなどの希ガス、またはそれらの混合物などの任意の適切なガスであり得る。希釈ガスは、キャリアガスと同じでもよいし異なっていてもよい。いくつかの実施形態では、希釈ガスは、坩堝８００から離れた場所でチャンバ８４２に導入され得る。例えば、キャリアガスとは異なり、希釈ガスは坩堝８００に向かって吹き付けられないので、原料８０５からのナノ粒子の生成に影響を与えない。キャリアガス流および希釈ガス流は、チャンバ８４２内に別々に供給されてもよい。キャリアガス流によって生成されたナノ粒子エアロゾルを希釈することにより、希釈エアロゾル中に懸濁したナノ粒子の凝固時間が増加するため、凝固が低減され得る。
【００７０】
図８に示す実施形態では、希釈ガスは、希釈ガス源８５０から、壁８４０の外側に配置され壁８４０の少なくとも一部に沿って延びる導管８５５に供給され得る。図８に示すように、導管８５５は、壁８４０と実質的に平行で、坩堝８００に隣接する位置で壁８４０を越えて延びる部分を含み得る。希釈ガスは、坩堝８００に向かって壁８４０と平行に導管８５５内を下方に流れ得る。希釈ガスの流れが壁８４０の下端に達すると、希釈ガスの流れは壁８４０の底部周辺で又は壁８４０の開口を通って回転し、壁８４０の内面に沿って上向きに流れて、壁８４０の内面に沿ってシールドを形成する。希釈ガス流シールドは、熱泳動によって部分的に引き起こされる壁堆積を低減することができる（例えば、比較的低温の壁８４０上に堆積する熱い粒子の量を減少させる）。希釈ガス流シールドは、壁８４０と、キャリアガス流及びナノ粒子によって形成されたナノ粒子エアロゾルとを分離し、それにより、熱いナノ粒子が壁８４０上に堆積するのを防止し、ナノ粒子エアロゾルを希釈し得る。壁８４０及び導管８５５の構成は、希釈ガスを壁８４０の内面に沿って流しながら、可能な限りキャリアガス流をほとんど妨害しないようにすることができる（例えば、希釈ガス流とキャリアガス流との間の交差フローは無い又はほとんど無い）。
【００７１】
希釈ガスを供給するために他の構成を使用することもできる。例えば、図９に示す実施形態では、希釈ガス流は、ナノ粒子エアロゾル生成器２１５の下部又は底部、例えば坩堝８００に隣接する部分から供給され得る。希釈ガスは、壁８４０の底部から流路に直接供給することができ、例えば、壁８４０と坩堝８００の壁８４５との間の空間に挿入された導管８４９を介して供給され得る。壁８４０と坩堝８００の壁８４５との間の空間を通って供給される希釈ガスは、壁８４０に沿って上方に流れ続け、壁８４０とナノ粒子エアロゾル（例えば、ナノ粒子を伴うキャリアガス流）との間にシールドを形成し、ナノ粒子エアロゾルを希釈する。
【００７２】
図１０に示す他の実施形態では、希釈ガスは、希釈ガス入力導管８５１を介して流路に供給され得る。入力導管８５１は、任意の適切な位置に配置することができ、直線状であっても良いし無くても良い（例えば、ある角度で曲げてもよい）。例えば、入力導管８５１は、坩堝８００の壁８４５に隣接する空間又は原料８０５に隣接する空間など坩堝８００内に少なくとも部分的に配置し得る。いくつかの実施形態では、図１０に示すように、導管８５１は、坩堝８００の底面に配置され、希釈ガスがキャリアガス及び原料８０５によって生成されたナノ粒子エアロゾルと共に上方に流れるようにすることができる。希釈ガス流は、ナノ粒子エアロゾルと壁８４０との間にシールドを形成し得、ナノ粒子エアロゾルを希釈することもできる。坩堝８００の底面から流路に延びる入力部の深さは、所望の開始位置でナノ粒子エアロゾルを希釈するために希釈ガスが流路に放出されるように、任意の適切な深さに構成され得る。いくつかの実施形態では、開始位置は、原料８０５の上面より上であり得る。いくつかの実施形態では、図１０に示すように、導管８５１は真っすぐ真上に向け得る。いくつかの実施形態では、導管８５１は、希釈ガスがある角度（例えば、５度、１０度など）で壁８４０に向かって吹き付けられ得、希釈ガスが壁８４０に向かってある角度で吹き付けられ、実質的に壁８４０の内面に沿って流れ、壁８４０とナノ粒子エアロゾルとの間にシールドを形成し、ナノ粒子エアロゾルを希釈する。
【００７３】
入力導管８５１は、坩堝８００の任意の他の適切な位置、例えば、坩堝８００の側壁８４５に配置することができる。このような構成では、入力導管８５１は、所望の角度（例えば、９０度の角度）で曲がった導管８５１を含み得る。曲がった導管８５１は、希釈ガスがチャンバ内に上向きに放出されて実質的に壁８４０の内面に沿って流れるように上向きの放出口を含み、それによって壁８４０とナノ粒子エアロゾルとの間にシールドを形成し、ナノ粒子エアロゾルを希釈する。
【００７４】
図８〜図１０に示され上述した様々な構成を用いて蒸発チャンバ８４２に供給された後、希釈ガスは、壁８４０に実質的に沿って流れ、壁８４０とナノ粒子エアロゾルとの間にシールドを形成し、ナノ粒子エアロゾルを希釈し、それによって密度を減少させることができる。密度の低下により、希釈されたナノ粒子エアロゾル中に担持されたナノ粒子は互いに凝集してクラスタを形成する可能性が低くなり得る。したがって、凝固は、希釈ガス流を制御することによって制御することができる。例えば、希釈ガス流の流量を制御して凝固を調節し得る。凝固の制御はまた、所望のサイズ分布範囲を達成するためにナノ粒子のサイズ分布を制御するのを助けることができる。凝集が減少すると、原料８０５から生成されたより多くのナノ粒子が、下流の微分型移動度分析装置（ＤＭＡ）を通過することができ、それによってサイズ分布の制御が改善される。
【００７５】
希釈ガスが、壁８４０によって規定されたチャンバ８４２内に供給され、ナノ粒子を担持するキャリアガスを希釈する場所は、任意の適切な位置になるように構成することができる。例えば、いくつかの実施形態では、稀釈ガスを坩堝８００に隣接するチャンバ８４２に流入させることができ、その結果、主要ナノ粒子を形成後すぐに希釈し、それにより凝固を抑制してサイズ分布を制御することができる。希釈ガスはまた、坩堝８００と冷却ゾーン８６５との間などの他の位置でチャンバ８４２に供給され得る。
【００７６】
図８〜図１０を参照すると、ナノ粒子エアロゾル生成器２１５は、壁８４０の一部によって形成された蒸発チャンバ８４２の一部分との間に位置する冷却ゾーン８６５を冷却するために冷却流体（例えば、水、冷却ガス、又は他の適切な冷却流体）を提供するように構成された冷却装置８６０を含み得る。冷却ゾーン８６５内で、ナノ粒子エアロゾルの一部（希釈ガス流及びナノ粒子を伴うキャリアガス流を含む）の温度は低下され得る。冷却ゾーン８６５内でナノ粒子エアロゾルの温度が低下すると、ナノ粒子の移動度が減少し、それにより凝固が減少する。いくつかの実施形態では、冷却流体は、壁８４０の外面に沿って隣接して配置された導管８７０（例えば、銅パイプなど）内を循環させることができる。冷却ゾーン８６５の位置は、（例えば、導管８７０の位置を構成することによって）原料８０５に近接する又は出力部８２５に近接するように構成され得る。実質的に一定の温度（例えば、室温）が（後述する）微分型移動度分析装置８７５の上流で維持されるように、出力部８２５に先立って（例えば、ナノ粒子エアロゾルが微分型移動度分析装置８７５に入る前に）ナノ粒子エアロゾルの温度を低下させることが望ましい場合がある。
【００７７】
温度が低下すると、ナノ粒子の動きが少なくなり、これは、チャンバ８４２内の滞留時間が短縮され得ることを意味する。したがって、凝固は、ナノ粒子エアロゾルにおいて低減され得る。しかし、温度が低下すると、ナノ粒子の密度も低下する可能性がある。したがって、凝固の低減と高密度の維持との間に妥協点がある。冷却装置８６０は、所望の妥協を達成するように制御することができる。さらに、冷却導管８７０が位置していないゾーン（例えば、坩堝８００により近いゾーン）内では、ナノ粒子エアロゾルの温度は冷却ゾーン８６５の温度よりも高い。したがって、坩堝８００から出力部８２５への流路を形成する。大きな温度勾配は、ナノ粒子エアロゾル内に乱流を生じさせ得、これにより、より多くの凝固が引き起こされ得る。
【００７８】
図８〜図１０に示すように、ナノ粒子エアロゾル生成器２１５は、微分型移動度分析装置（ＤＭＡ）８７５に関連してもよく、又はそれを含んでもよい。ＤＭＡ８７５は、サイズ選択、すなわち、所定のサイズ分布範囲（例えば、１００ｎｍ〜１５０ｎｍ、１００ｎｍ〜２００ｎｍ、２００〜２５０ｎｍなど）内に入る粒子を選択するよう構成され得る。ＤＭＡ８７５によって選択されたナノ粒子は、下流の反応装置（例えば、２００，３００，４００）又はシステム（例えば、５００，１５００，７００Ａ及び７００Ｂ）に提供され得る。例えば、ＤＭＡ８７５は、ナノ粒子エアロゾル生成器２１５の出力部８２５に接続された入力部を含み得る。いくつかの実施形態では、ＤＭＡ８７５は、反応装置の入力部（例えば、反応装置の内側入力部２０２Ｂ、反応装置３００の内側入力部３０２Ｃ、反応装置４００の入力部４０２Ｂ等）に接続されている。いくつかの実施形態では、サイズ選択ナノ粒子エアロゾルが反応装置の入力部に供給される前に、ＤＭＡ８７５を下流の粒子計数装置８７６に接続することができる。いくつかの実施形態では、粒子計数装置８７６は、単一ユニットとしてＤＭＡ８７５と一体であり得る。
【００７９】
ＤＭＡ８７５は、電界を生成することができる。ナノ粒子がＤＭＡ８７５を通って移動するにつれて、それらはそれら自身の電気移動度に従って移動し得る。所定のサイズ分布範囲内のサイズ（例えば、直径）のナノ粒子のみがＤＭＡ８７５を通過することができる。所定のサイズ分布範囲は、例えば、（後述する）コントローラ８８０又はコントローラ５０２によって、ＤＭＡ８７５において調節され得る。図８〜図１０に示す実施形態では、希釈ガス流を使用してナノ粒子エアロゾルを希釈し、それにより凝固を減少させることにより、より多くのナノ粒子がＤＭＡ８７５を通過することができる。
【００８０】
図８〜図１０を参照すると、ナノ粒子エアロゾル生成器２１５は、粒子計数装置８７６を含み得、粒子計数装置８７６と関連付けられ得る。粒子計数装置８７６は、ＤＭＡ８７５の下流に配置され得、サイズ選択後にＤＭＡ８７５から出力されるナノ粒子エアロゾル中の粒子の個数を計数するよう構成され得る。粒子計数装置によって計数された粒子の個数は、ナノ粒子の密度を示し得る。粒子計数装置８７６は、ＤＭＡ８７５とは別個のユニットであり得、単一ユニットとしてＤＭＡ８７５と一体的であり得る。
【００８１】
図８〜図１０を参照すると、ナノ粒子エアロゾル生成器２１５は、熱電対８７７を含み得る。熱電対８７７は、熱電対４２０と同様であり得る。熱電対８７７は、蒸発チャンバ８４２内、例えば、原料８０５から出力部８２５までの温度勾配を測定するように構成され得る。いくつかの実施形態では、熱電対８７７は、坩堝８００に隣接して（例えば、原料８０５の近くに）配置された１つの電極、出力部８２５に隣接して配置された別の電極又は任意の他の適切な位置を含み得る。図８〜図１０の実施形態では、熱電対８７７は１つしか示されていないが、複数の熱電対８７７が含まれ得る。いくつかの実施形態では、熱電対８７７は温度勾配を直接測定するのではなく、代わりにナノ粒子エアロゾルの温度を測定することができ、コントローラ８８０又はコントローラ５０２は温度勾配を計算するために温度測定値を使用することができる。
【００８２】
図８〜図１０を参照すると、ナノ粒子エアロゾル生成器２１５は、コントローラ８８０によって制御され得る。コントローラ８８０は、コントローラ５０２の一部であってもよく、又はナノ粒子エアロゾル生成器２１５を制御するための専用コントローラであり得る。コントローラ８８０は、ハードウェア構成要素、ソフトウェア構成要素、又はその両方を含む。例えば、コントローラ８８０は、加熱装置８１０、冷却装置８６０、キャリアガス源８１５、希釈ガス源８５０、ＤＭＡ８７５、粒子計数装置８７６、及び／又は熱電対８７７などのナノ粒子エアロゾル生成器２１５に含まれる様々な装置又は構成要素と通信するように構成された通信ユニット８８１を含み得る。通信ユニット８８１は、有線ネットワーク（例えば、イーサネット（登録商標））又は無線ネットワーク（例えば、ＷｉＦｉネットワーク、セルラネットワーク、無線周波数ネットワークなど）であり得るネットワーク８８５を介して、様々な装置又は構成要素と通信する。通信ユニット８８１は、通信ポート、アンテナなどの少なくとも１つのハードウェア構成要素を含み得る。コントローラ８８０は、様々な装置又は構成要素からデータ又は信号を受信し、様々な装置又は構成要素に制御信号を送信して、動作パラメータを調節し得る。コントローラ８８０は、ナノ粒子エアロゾル生成器２１５が使用され得るナノワイヤ成長システムの他のコントローラ（例えば、コントローラ５０２）と通信することができる。
【００８３】
図８〜図１０を参照すると、コントローラ８８０は、ナノ粒子のサイズ分布及び／又は密度を制御するための様々な制御方法を実施することができる。いくつかの実施形態では、コントローラ８８０は、オープン制御（例えば、フィードフォワード制御）を実施し得る。いくつかの実施形態では、コントローラ８８０は、クロース制御（例えば、クローズドループフィードバック制御）を実施し得る。いくつかの実施形態では、コントローラ８８０は、オープン制御（例えば、フィードフォワード制御）及びクローズド制御（例えば、フィードバック制御）の両方を実施し得る。
【００８４】
コントローラ８８０は、ナノ粒子エアロゾル生成器２１５に含まれる様々な装置又は構成要素からデータ又は信号を受信し、様々な装置又は構成要素に制御信号を送信して、これらの装置又は構成要素の制御パラメータを調節し、所望のサイズ分布及び／又は所望の密度を有するナノ粒子エアロゾルを生成するプロセスを制御する。いくつかの実施形態では、コントローラ８８０は、蒸発チャンバ８４２内の（例えば、坩堝８００と出力部８２５との間の）温度勾配を制御するように構成され得る。温度勾配は、ナノ粒子の移動に直接影響しないかもしれないが、温度が低いほど移動を減少させ温度が高くなるほど移動が増加しそれによって密度に影響を及ぼすため、移動に間接的に影響を及ぼす可能性がある。いくつかの実施形態では、コントローラ８８０は、温度勾配に関する情報を含み得、又は温度勾配を計算するためにコントローラ８８０によって使用され得る温度情報を含み得る、熱電対８７７からデータ又は信号を受信することができる。
【００８５】
熱電対８７７の測定値から得られた温度勾配に基づいて、コントローラ８８０は、冷却装置８６０及び加熱装置８１０の少なくとも１つを制御して所望の温度勾配を達成することができる。温度勾配は、冷却ゾーン８６５内の温度、坩堝８００の温度、又はその両方を変えることによって調節することができる。冷却装置８６０を制御するために、コントローラ８８０は、冷却効果を制御するために、冷却流体の量、冷却流体の流量、及び／又は冷却流体の種類を調節し、それにより冷却ゾーン８６５内の温度を制御する。加熱装置８１０を制御するために、コントローラ８８０は、加熱装置８１０によって印加される電気アーク電流の量を調節するか、又は加熱装置８１０によって坩堝８００に供給される総熱量を調節することができる。
【００８６】
いくつかの実施形態では、コントローラ８８０は、加熱装置８１０を制御して、ナノ粒子の所望の密度を達成することができる。より高い温度を有する原料８０５は、原料８０５がキャリアガス流によって吹き飛ばされると、より多くのナノ粒子を生成し得る。したがって、加熱装置８１０は、所望の密度に基づいて原料８０５又は坩堝８００の温度を調節するように制御され得る。例えば、コントローラ８８０は、ＤＭＡ８７５及び／又は粒子計数装置８７６から受け取った情報に基づいて加熱装置８１０を制御することができる。
【００８７】
コントローラ８８０は、ＤＭＡ８７５及び／又は粒子計数装置８７６からデータ又は信号を受信することができる。ＤＭＡ８７５から受信したデータ又は信号は、所定のサイズ分布範囲などのサイズ選択に関連する情報を含み得る。コントローラ８８０は、サイズ選択を設定又は調節するためにＤＭＡ８７５に制御信号を送ることができる。コントローラ８８０は、粒子計数装置８７６からナノ粒子の密度を示し得るデータ又は信号を受け取ることができる。コントローラ８８０は、ＤＭＡ８７５から受信したサイズ選択情報及び／又は粒子計数装置８７６から受信した密度情報を、様々な制御（例えば、フィードバック制御、フィードフォワード制御、又はそれらの組み合わせ）で使用することができる。コントローラ８８０は、ＤＭＡ８７５から受け取った情報及び／又は粒子計数装置８７６から受け取った密度情報に基づいて、希釈ガス源８５０及び／又はキャリアガス源８１５などの他の装置又は構成要素を制御して所望のサイズ選択及び／又は所望の密度を達成する。
【００８８】
コントローラ８８０は、希釈ガス源８５０及び／又はキャリアガス源８１５と通信し、制御することができる。例えば、コントローラ８８０は、希釈ガス源８５０から、ナノ粒子エアロゾル流路に供給される希釈ガスの量、希釈ガスの流量、希釈ガスの種類などを示す信号又はデータを受け取ることができる。コントローラ８８０は、希釈ガス源８５０から受け取った情報を、ナノ粒子エアロゾルを生成するプロセスに関する様々な制御（例えば、フィードバック制御、フィードフォワード制御、又はそれらの組み合わせ）に使用し得る。コントローラ８８０は、例えば、エアロゾルを希釈するためにナノ粒子エアロゾル流路に供給される希釈ガスの量を調節するために希釈ガス源８５０に制御信号を送ることができる。コントローラ８８０は、希釈ガスの流量、希釈ガスの種類などを調節することができる。コントローラ８８０は、ＤＭＡ８７５及び／又は粒子計数装置８７６から受け取った情報に基づいて、希釈ガス源８５０を制御することができる。
【００８９】
コントローラ８８０は、原料ガス８０５を吹き付けるために供給されるキャリアガスの量、キャリアガスの流量、キャリアガスの種類などを示すキャリアガス源８１５から信号又はデータを受信することができる。コントローラ８８０は、ナノ粒子エアロゾル生成器２１５を使用してナノ粒子エアロゾルを生成するプロセスの様々な制御において、キャリアガス源８１５から受け取った情報を使用する。コントローラ８８０は、キャリアガス源８１５に制御信号を送信して、例えば、キャリアガスの流量、キャリアガスの種類などを制御することができる。コントローラ８８０は、ＤＭＡ８７５及び／又は粒子から受け取った情報に基づいてキャリアガス源８１５を制御することができる。温度勾配、希釈ガス流及びキャリアガス流のうちの１以上を制御することによって、エアロゾル中のナノ粒子の凝固を制御して、所望のサイズ分布及び／又は所望の密度を達成することが出来る。
【００９０】
いくつかの実施形態では、コントローラ８８０は、ナノ粒子の所望の密度に基づいて、加熱装置８１０を個別に又は冷却装置８６０と組み合わせて制御することができる。より高い温度を有する原料８０５は、原料８０５がキャリアガス流によって吹き飛ばされると、より多くのナノ粒子を生成し得る。したがって、加熱装置８１０を個別に制御して、所望の密度に基づいて原料８０５又は坩堝８００の温度を調節することができる。例えば、コントローラ８８０は、サイズ選択（又は分布）を示すＤＭＡ８７５から受け取った情報、及び／又は密度を示す粒子計数装置８７６に基づいて加熱装置８１０を制御することができる。
【００９１】
図８〜図１０を参照すると、コントローラ８８０は、プロセッサによって実行されると本明細書で開示される方法を実行するように構成されたコンピュータプログラムなどのコンピュータ実行可能命令及び／又はコードを格納するように構成されたメモリ８８２を含み得る。メモリ８８２は、例えば、フラッシュメモリ、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などのような任意の適切な有形メモリであり得る。メモリ８８２は、半導体、回路などの少なくとも１つのハードウェア構成要素を含み得る。
【００９２】
図８〜図１０を参照すると、コントローラ８８０は、プロセッサ８８３を含み得る。プロセッサ８８３は、本明細書で開示される様々な方法又はプロセスを実行するために命令又はコードを実行するように構成され得る。プロセッサ８８３は、例えばハードウェア回路、半導体などの少なくとも１つのハードウェア構成要素を含み得る。プロセッサ８８３、メモリ８８２、及び通信ユニット８８１は、バス、ワイヤ、及び／又は他の通信手段を介して互いに通信することができる。
【００９３】
本発明の実施形態は、また、基材ベースの合成を用いて形成されたナノワイヤに匹敵する構造的複雑性及び材料品質が組み合わされた大規模生産を可能にする、ナノワイヤを形成する方法を含む。１つの方法は、第１のガスを管状炉のような反応チャンバ（又は反応ゾーン）への第１の入力導管に供給することを含む。この方法において、第１のガスは、ナノワイヤを製造するための第１の前駆物質を含み得る。例えば、第１のガスは、高温でガリウム及びメタンに解離するトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を含むことができ、それによってガリウムベースのナノワイヤ、例えば半導体ＧａＡｓナノワイヤにガリウムを提供する。第２のガスは、第１の入力部と同じであってもよいし無くてもよい第２の入力部を介して反応装置の反応チャンバに供給され得る。第２のガスは、ヒ素及び水素に解離し得るアルシンなどの第２の異なる前駆体ガスを含み得る。いくつかの実施形態では、ガリウムは液滴を形成し、アルシンの解離及びＧａＡｓナノワイヤの成長を触媒することができる。シースガスは、第２の入力部を通して供給され得る。いくつかの実施形態では、触媒粒子は、第１の入力部を通して供給され得る。
【００９４】
図１１は、ｐｎ接合を含むナノワイヤ１の例示的な軸方向成長の概略図である。この方法は、ガス中に懸濁した触媒ナノ粒子２を供給し、反応チャンバ（例えば、反応装置２００内の反応チャンバ２１０）内に形成されるナノワイヤ１の成分を含み得る第１の気体前駆物質３及び第２の気体前駆物質４を提供する工程（例えば、ＴＭＧ及びＡｓＨ３）を含む。この方法は、触媒ナノ粒子がガス中に懸濁している間に、第１のガス状前駆体３及び第２のガス状前駆体４を含み得る気相合成法で、触媒粒子２から単結晶ナノワイヤ１を成長させることを含み得る。第１の前駆体ガス３及び第２の前駆体ガス４は、室温で反応装置２００に供給することができる。あるいは、第１の前駆体ガス３及び第２の前駆体ガス４（及び使用される場合にはドーパントガス）は、反応装置２００に配送される前に予熱され得る。
【００９５】
ナノワイヤの成長は、上述したように、反応装置２００，３００，４００（又はシステム５００，１５００，７００Ａ及び７００Ｂ）のいずれかにおいて高温で実施することができる。成長は、触媒ナノ粒子２の表面上のガス前駆体３，４の触媒分解及び触媒ナノ粒子２の表面上でのナノワイヤの核形成によって開始される。核形成後、ナノワイヤ１は方向性を持って成長し、例えば細長い物体を形成する。成長は、蒸気−液体−固体（ＶＬＳ）又は化学気相成長（ＣＶＤ）によって起こり得る。いくつかの実施形態では、ガスは反応装置２００を通って流れ、少なくとも触媒ナノ粒子２を、したがって反応器２００を通って触媒ナノ粒子２上に形成されたナノワイヤ１を運ぶ。
【００９６】
本明細書に記載の方法は、半導体材料、特にＩＩＩ族／Ｖ族材料に関して記載されている。方法はこれに限定されない。一例として、図１１は、金などの触媒粒子２及び第１及び第２のガス前駆体ＴＭＧ３及びＡｓＨ３４からのＧａＡｓワイヤ１の形成を概略的に示す。図示のように、触媒粒子２（例えば、ナノ粒子２）は、供給ガスにより、ガス状前駆体３，４が存在し反応が起こる反応装置２００へ前方に運ばれ得る。あるいは、前駆体ガス３，４は、反応装置２００に入る前又は反応装置２００に直接的に、ガス流に追加され得る。例えば、上述のように、触媒ナノ粒子は、エアロゾルナノ粒子生成器２１５によって前駆体ガス３，４の１つにおいてエアロゾル化され、反応装置２００の内側入力導管２０６Ｂ、内側入力導管３０６Ｃ、又は反応装置３００の中間入力導管３０６Ｂを介して反応装置２００に供給される。
【００９７】
図１１は、ｐドープされたＧａＡｓセグメントとｎドープされたＧａＡｓセグメントとの間に軸方向ｐｎ接合を有するＧａＡｓナノワイヤ１を形成する方法をさらに概略的に示す。ＩＩＩ族材料及びＶ族材料をそれぞれ有する第１の前駆体３及び第２の前駆体４、及び１以上のｐ−ドーパントを、反応装置２００に供給することができる。核形成後、ｐドープされたＧａＡｓナノワイヤ１を、触媒ナノ粒子２から軸方向に成長させることにより、ＧａＡｓナノワイヤの第１の軸方向セグメントを形成することができる。その後、成長条件は、成長条件に関連する他のパラメータを実質的に維持しながら、ｐ型ドーパントをｎ型ドーパントと交換することによって変化させることができ、第２の軸方向セグメントは先に形成された第１のセグメント上で長手方向に軸方向成長することが出来る。従って、軸方向成長中の成長条件を変化させることによって、異なる特性を有する軸方向セグメントを得ることができる。
【００９８】
図１２は、ｐドープされたＧａＡｓコアとｎドープされたＧａＡｓシェルとの間に半径方向ｐｎ接合を有するＧａＡｓナノワイヤの形成を概略的に示す。ＩＩＩ族材料及びＶ族材料をそれぞれ含む第１の前駆体３及び第２の前駆体４は、反応装置２００（又は反応装置３００又は４００、又はシステム５００，１５００，７００Ａ及び７００Ｂに含まれる反応装置）に供給され得る。核形成後、触媒ナノ粒子２からｐドープされたＧａＡｓを軸方向に成長させることにより、ＧａＡｓナノワイヤ１のコアを形成することができる。その後、温度を上げたり、Ｖ族／ＩＩＩ族比を上げて成長条件を変えたりｐ型ドーパントをｎ型ドーパントに交換することによって、成長条件を変化させることが出来る。シェルは、予め形成されたコアの半径方向に成長させることができる。これは、成長条件を変化させて、軸方向成長と半径方向成長とを切り替える可能性を示している。代替的又は追加的に、ナノワイヤは、ｎドープされたコア及びｐドープされたシェルで成長させることができる。
【００９９】
ナノワイヤを製造する上記方法のいずれかにおいて、ナノワイヤは、成長の完了時に収集され、次いで、基板上に膜として堆積され、及び／又は基板上に配向される（例えば、ナノワイヤの軸は、ナノワイヤを支持する基板表面に対して実質的に垂直である）。図１３は、ナノワイヤを基板上に堆積させる例示的な方法を示す。図１４は、基板上にナノワイヤを堆積させ、配向させる例示的な方法を示す。
【０１００】
図１３に示す方法では、成長炉２００、３００又は４００（又はシステム５００，１５００，７００Ａ及び７００Ｂ）からナノワイヤを貯蔵容器１２０１に収集し、次いで容器１２０１からスプレーノズル１２０２に供給する。いくつかの実施形態では、ナノワイヤは、反応装置２００、３００、４００、又はシステム５００、１５００、７００Ａ及び７００Ｂから（例えば、２００、３００、４００、５００、１５００、７００Ａ及び７００Ｂに含まれる排気口４４２を介して）直接提供され得る。スプレーノズル１２０２は、例えば、ステンレス鋼のような金属シート、プラスチック、シリコン、又は任意の他の適切な材料などの基板１２０３上にナノワイヤを吹き付けるように構成され得、基板上にナノワイヤの浸透ネットワークのようなナノワイヤ膜１２０４を形成することができる。
【０１０１】
図１４に示すように、ナノワイヤ１は、堆積チャンバ１３００内の電場によってナノワイヤ内に生成された電気双極子を使用して基板１３０３に垂直な長軸に沿って整列される。例えば、電場Ｅが、基板を支持するサセプタ１３０４と基板の上のエアロゾル吸気口を有する上部プレート１３０５との間に印加される電位差（すなわち、電圧）である。ナノワイヤは、リザーバから又は前述の図に示された反応装置から、エアロゾルとして堆積チャンバ１３００に直接供給され得る。
【０１０２】
ナノワイヤ内の電気双極子は、例えば、以下の方法の１つ又は組合せによって生成され得る。第１の方法では、電界が生成され、導電性、半導体性、又は絶縁性のいずれかのナノワイヤに電気分極を誘導することが出来、ナノワイヤは、電界に沿って自己配向することができる。単極ナノワイヤの場合、ナノワイヤは、シード粒子端のための好ましい方向を伴って又は伴わずに、電場に沿って配向することができる。より大きくｐ（ｎ）ドープされた端部が正に（負に）荷電され、この端部を電界内に上向き（下向き）に導くことができるため、ドーピングにおける軸方向勾配を有する単極ドープされたナノワイヤが配向され得る。
【０１０３】
第２の方法では、図１４に示されるように、ｐｎ接合を形成するｐドープされた端部及びｎドープされた端部を含むナノワイヤは、単極ナノワイヤよりも容易に分極可能であり得る。ｐドープされた端部は正に帯電し、ｎドープされた端部は電界に曝されると負に帯電し得、したがって、ナノワイヤは、ｐドープされた端部が電界の方向（例えば、図１４の上）を向く。同じ効果が、ワイヤとシード粒子との間にショットキーダイオードが形成される単極性ドープされたナノワイヤにも適用され得る。
【０１０４】
第３の方法では、光又はＵＶ又はＩＲ放射１３０６によるｐｎ接合を含むナノワイヤの照射は、図１４に示すように、電界によって形成される電気双極子と同じ極性の強い電気双極子を誘発し、ｐｎ接合の効果を大きく増進し得る。異なる所定の波長領域の光を照射することによって、異なるバンドギャップを有するナノワイヤを選択的に整列させることができる。なぜなら、光を吸収しないワイヤは、はるかに弱い双極子を有するからである。
【０１０５】
ＧａＡｓで例示されているが、他のＩＩＩ／Ｖ族半導体材料ならびにＩＩ族及びＶＩ族材料を含む半導体材料も同様に処理することができる。例えば、上記実施例のガス状前駆体は、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）及びホスフィン（ＰＨ３）と交換してＩｎＰワイヤを形成することができる。本明細書に開示されるシステムおよび方法によって作成され得るナノワイヤ材料は、ＧａＡｓ，ＩｎＰ，Ｇａ，ＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ，ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ，ＧａＳｂ，ＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＳｂ１−ｙ，ＧａＮ，ＩｎＮ，ＡｌＮ，ＡｌｚＧａｘＩｎ１−ｘ−ｚＮ，ＩｎＧａＮ，Ｓｉ，ＳｉＣ，Ｇｅ又はＳｉｘＧｅ１−ｘ（ここで、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１及び０≦ｚ≦１及びｘ＋ｙ＋ｚ＝１である）を含むがこれらに限定されない。異なるガス状前駆体からワイヤを形成するために反応装置の構造を変更する必要はない。その代わりに、ガス状前駆体は、例えば、システム５００，７００Ａ、７００Ｂでは切り替えられ得る。さらに、図９および図１０に例示されているようなプロセスは、ドーパントの添加の有無にかかわらず行うことができる。 絶縁体も成長させることができる。異なる組成、ドーピングまたは導電型を有するセグメント、コアまたはシェルの形成を改善するために、１以上の反応装置又は反応装置内の複数の反応チャンバを使用することができる。さらに、軸方向及び半径方向の成長が必ずしも完全に分離されている必要はなく、プロセス条件は、ナノワイヤが同時に半径方向及び軸方向に成長するように選択され得る。適切なガス状前駆体、流れ、温度、圧力、及び粒径を選択することによって、ナノワイヤ材料は、軸方向又は半径方向、又は２つの成長方向の組み合わせで成長させることができる。
【０１０６】
シースガスは、窒素、水素、及びヘリウム及びアルゴンのような希ガスを含み得るが、これらに限定されない。前駆体ガスは、ＴＭＧ，ＴＭＩｎ，ＴＥＧ，ＴＥＩｎ，ＴＭＡｌ，ＴＥＡｌ，ＮＨ３，ＡｓＨ３及びＰＨ３を含むが、これらに限定されない。適切なドーパントは、ドープされるナノワイヤ材料に依存する。例としては、
（１）ＩｎＧａＡｌ−ＡｓＰＳｂ：ｎ型ドーパント（Ｓ，Ｓｅ，Ｓｉ，Ｃ，Ｓｎ）；ｐ型ドーパント（Ｚｎ，Ｓｉ，Ｃ，Ｂｅ）
（２）ＡｌＩｎＧａＮ：ｎ型ドーパント（Ｓｉ）；ｐ型ドーパント（Ｍｇ）
（３）Ｓｉ：ｎ型ドーパント（Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ）；ｐ型ドーパント（Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）
（４）ＣｄＺｎ−ＯＳＳｅＴｅ系：ｐ型ドーパント（Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｎ，Ｐ，Ａｓ）；ｎ型ドーパント（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｃｌ，Ｉ）
が挙げられるが、これらに限定されない。
【０１０７】
開示された方法のいくつかの実施形態では、外側入力部２０２Ａ内に同心円状に配置された内側入力部２０２Ｂを有する反応装置２００を使用して、ナノワイヤ成長の従来のガス方法の壁効果を克服することができる。この構成では、第１のガス及び第２のガスを反応チャンバ又は反応ゾーンに供給して、第２のガスが反応チャンバ（例えば、反応チャンバ２１０）の壁（例えば、壁２０１Ａ）から第１のガスを分離するシースを形成し得る。このようにして、第１に、内部ガスは、壁２０１Ａによって引き起こされる温度勾配及び粘性効果の有害な影響から遮蔽される。いくつかの実施形態では、第１のガス及び第２のガスの両方に、層流を提供し得る。拡散によって、触媒粒子及び／又はナノワイヤを担持するガスは、コアガス及びシースガスが異なる実施形態において、シースガスに対して実質的に交換され得る。これは、連続した反応装置セクション２００Ａ、２００Ｂ等において異なる化学反応を提供するために有利であり得る。
【０１０８】
いくつかの実施形態では、触媒シードナノ粒子２は、共通の内部ガス流として、第１の内側入力部２０２Ｂに第１の前駆体ガス３及び場合により第２の前駆体ガス４を供給することができる。触媒シードナノ粒子は、第１の前駆体ガス３中でエアロゾル化され得るし、異なるガス中で別個にエアロゾル化されて第１の内側入力部２０２Ｂに加えられ得る。いくつかの実施形態では、第２のガスは、第２の前駆体ガス４を含み得る。いくつかの実施形態では、第２のガスは、窒素、アルゴン又はヘリウムなどの不活性ガスであり得る。いくつかの実施形態では、第１のガスは、シリコン及び水素に解離し得るシランなどの１つの前駆体ガス３のみを含むことができ、第２のガスは不活性であり得る。いくつかの実施形態では、単一元素ナノワイヤ、例えばシリコンナノワイヤを成長させることができる。いくつかの実施形態では、第１のガス中に１以上のドーパントガス（例えば、ｎ型ドーピング用のＰＨ３又はＡｓＨ３及びｐ型ドーピング用のＢ２Ｈ２）を含めることができる。このようにして、ドープされた「単一元素」ナノワイヤを製造することができる。
【０１０９】
図１５は、ナノワイヤを製造する例示的な方法２０００を示すフローチャートである。方法２０００は、蒸発チャンバ内に配置された原料に向けて吹き付けられるキャリアガスを使用してナノ粒子エアロゾルを生成することを含み得、ナノ粒子エアロゾルは、原料のナノ粒子を含む（ステップ２０１０）。方法２０００は、希釈ガスを用いてナノ粒子エアロゾルを希釈することを含み、希釈ガスは実質的に蒸発チャンバの第１の壁の内面に沿って流れる（ステップ２０２０）。方法２０００は、第１のガス流を第１の反応チャンバに供給することを含み、第１のガス流は、ナノワイヤ及びナノ粒子を作製するための第１の前駆体を含む（ステップ２０３０）。方法２０００は、第１の反応チャンバに第２のガス流を供給することを含み、第２のガス流は、第１のガス流を第１の反応チャンバの第２の壁から分離するシースを形成する（ステップ２０４０）。方法２０００は、第１の反応チャンバ内の気相中でナノワイヤを成長させることを含み得る（ステップ２０５０）。
【０１１０】
図１６は、ナノ粒子エアロゾルを生成する例示的な方法３０００を示すフローチャートである。方法３０００は、原料を加熱することを含み得る（ステップ３０１０）。方法３０００は、壁を有するチャンバ内を流れるナノ粒子エアロゾルを生成するために、原料に向かってキャリアガスを吹き付けることを含み得る（ステップ３０２０）。方法３０００は、ナノ粒子エアロゾルを希釈するために、希釈ガスをチャンバに供給することを含み得、希釈ガスは実質的に壁の内面に沿って流れる（ステップ３０３０）。
【０１１１】
上記は特定の実施形態を示しているが、本発明はそれに限定されないことが理解される。当業者であれば、開示された実施形態に様々な変更を加えることができ、そのような変更は本発明の範囲内にあることが意図されている。本明細書で引用した出版物、特許出願及び特許のすべては、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。更に、異なる図に示された例は互いに排他的ではないことが理解される。１つの例（例えば１つの図）に示される特徴又は要素は、他の例（例えば他の図）に含まれ得る。例えば、いくつかの用途において、反応装置及び／又はシステムの異なる構成を組み合わせることができる。任意の例の任意の１以上の特徴は、１以上の他の例の任意の１以上の他の特徴と任意の組み合わせで使用され得る。明細書及び実施例は、例示的なものとしてのみ考慮され、真の範囲は、以下の請求項及びそれらの均等物によって示されることが意図される。
【０１１２】
＜関連特許出願の相互参照＞
本出願は、２０１５年１１月１０日に出願された米国仮出願第１４／５３７，２４７号の利益を主張し、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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