(57)【要約】  表面の物理的及び化学的性質は、無機前駆体を介してナノ粒子、マイクロスフェア、又はナノテクスチャを前記表面に結合させることによって制御することができる。表面は、可視光に対する透明性を維持しながら、様々な望ましい特性、例えば反射防止、曇り止め、霜防止、UV遮断、及びIR吸収、を獲得することができる。マイクロ又はナノ材料はまた、表面をテクスチャ加工し、そのマイクロ又はナノテクスチャを介してその物理的及び化学的特性を制御するためのエッチングマスクとして使用することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
方法であって、：
表面上の構造における各要素の第１の横方向寸法を決定することであって、前記構造は複数の要素を含み、前記決定することは前記構造の第１の物理的特性に基づき、前記第１の横方向寸法は表面に対して水平方向にあること；
各要素の第２の横方向寸法を決定することであって、前記第２の横方向寸法は、前記第１の横方向寸法に垂直であり、且つ、表面に対して水平方向にあること；
前記構造の第２の物理的特性に基づいて各要素の高さを決定することであって、前記高さは前記表面に対して垂直方向であること；
前記第１及び第２の物理的特性に基づいて前記要素間の間隔を決定すること；及び
前記構造を製造すること；
を含む方法。
【請求項２】
前記第１及び第２の横方向寸法が互いに等しい、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
請求項１〜２のいずれか一項に記載の方法であって、前記第１の物理的特性は、電磁放射に対して透過性であり、且つ、：
第1の最大波長と第1の最小波長との間の波長を含む第1の波長範囲を決定することであって、前記第１の最小波長が前記第１の最大波長より短いこと、
第２の最大波長と前記第1の最大波長との間の波長を含む第２の波長範囲を決定することであって、前記第２の最大波長が前記第１の最大波長より大きいこと、
をさらに含み、
ここで、前記第１の横方向寸法及び前記第２の横方向寸法は、前記第１の最大波長の半分未満である、方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法であって、前記第２の物理的特性は、電磁放射に対する反射率であり、且つ、第３の波長範囲を決定することをさらに含み、ここで、各要素の高さを決定することは、前記第３の波長範囲において前記表面の前記反射率を増加させることである、方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法であって、前記構造に接触する液滴の接触角に従って、前記構造の各要素の外側面についての傾斜角を決定することをさらに含み、より小さい接触角は前記構造についての親水性に対応し、且つ、より高い接触角は前記構造についての疎水性に対応する、方法。
構造の場合、及び構造の疎水性に対応するより高い接触角。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法であって、：
前記構造を第１の官能基の自己飽和単層で官能化すること；
第１の複数の粒子を第２の官能基で官能化することであって、前記第２の官能基は、前記第１の官能基との化学結合を形成するように選択されること；及び
前記構造上に前記第１の複数の粒子の単層を形成すること；
をさらに含む、方法。
【請求項７】
７．５マイクロメートルと８．５マイクロメートルとの間の波長範囲における電磁放射を放出するため、前記粒子の直径及び材料を選択することをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
赤外線を吸収するため、前記粒子の直径及び材料を選択することをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記第１及び第２の物理的特性に基づいて前記粒子の直径及び材料を選択することをさらに含む、請求項６〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の波長範囲はＵＶ電磁放射であり、且つ、前記第２の波長範囲は可視電磁放射である、請求項３に記載の方法。
【請求項１１】
前記表面が可撓性基板である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記可撓性基板が布帛基板(clothing  substrate)である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１の横方向寸法、前記第２の横方向寸法、及び各要素の前記高さを決定することは、各要素の形状を選択することを含む、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記形状が、平行六面体、ピラミッド、円錐、立方体、ビーム、楕円体及び球からなる群から選択される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１及び第２の物理的特性に基づいて各要素の表面についての粗さ値を選択することをさらに含む、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１の複数の粒子の単層を形成することは、前記表面に、流体分散液中の前記第１の複数の粒子を噴霧することを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法であって、前記粒子は軸に沿って分極可能であり、且つ、前記第１の複数の粒子の単層を形成することは、前記粒子を前記軸に沿って配向させるために噴霧中に電場及び／又は磁場を印加すること、それにより、前記軸に沿って配向された前記第１の複数の粒子を堆積させること、及び偏光感受性表面を得ること、を含む、方法。
【請求項１８】
前記第１の複数の粒子が、：  金属、金属酸化物、金属窒化物、カーボンナノチューブ、バッキーボール、及びアーキテクチャ化３Ｄナノ構造からなる群から選択される粒子を含み、且つ、前記表面が、：  ガラス、セラミック、プラスチック、ポリマー、テキスタイル、半導体、金属、３Ｄ印刷された材料、３Ｄアーキテクチャ化材料、から選択される材料を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１９】
疎水性特性に従って傾斜角を決定することは、前記構造のサブ領域に限定され、それにより、曇りを発生させる環境湿度範囲に対して、前記サブ領域が曇らない、請求項５に記載の方法。
【請求項２０】
請求項１に記載の方法であって、前記第１の物理的特性及び前記第２の物理的特性が、：
入射電磁放射に対する反射率、入射電磁放射に対する透明性、防曇、疎水性、入射電磁放射の偏光に対する感受性、入射電磁放射の吸収、入射電磁放射の遮断、第１の波長範囲における入射電磁放射の遮断及び前記第１の波長範囲とは異なる第２の波長範囲における入射電磁放射の透過性、入射電磁放射に対する放射率、霜防止、撥油性、撥水性、入射電磁放射に対する吸収、電子を放出する能力、電子を増幅及び放出する能力、及びそれらの組み合わせ、
からなる群から選択される、方法。
【請求項２１】
前記第１の横方向寸法、前記第２の横方向寸法、各要素の前記高さ、及び要素間の前記間隔がそれぞれ１０マイクロメートル未満である、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記構造の表面上に追加の構造化層を形成することをさらに含み、前記追加の構造化層は、前記構造の前記要素の前記第１の横方向寸法、第２の横方向寸法、及び高さよりも小さい寸法を有する、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の方法。構造。
【請求項２３】
前記構造上に複数の粒子の単層を形成することをさらに含む、請求項３に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１の複数の粒子の単層を形成することは、前記第１の複数の粒子を含む流体分散液に前記表面を浸漬することを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項２５】
方法であって、：
表面上の構造における各要素の第１の横方向寸法を、入射電磁放射に対する前記構造の望ましい透明度に基づいて決定することであって、前記構造は複数の要素を含み、前記第１の横方向寸法は、前記表面に対して水平方向にあり、且つ、前記構造によって遮断される電磁放射の波長の半分未満であること；
前記入射電磁放射についての所望の反射率に基づいて各要素の高さを決定することであって、前記高さは前記表面に対して垂直方向にあること；
前記望ましい透明度と反射率に基づいて前記要素間の間隔を決定すること；及び
前記構造を製造すること；
を含む、方法。
【請求項２６】
前記構造の望ましい偏光特性に基づいて各要素の第２の横方向寸法を決定することをさらに含み、前記第２の横方向寸法は、前記第１の横方向寸法に垂直であり、且つ、前記表面に対して水平方向にあり、前記第２の横方向寸法は、前記第１の横方向寸法とは異なる値を持つ、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
構造であって、：
表面上のピラーのアレイであって、各ピラーは、第１の横方向寸法ｘ、第２の横方向寸法ｚ、及び高さｙを有する、アレイ；及び
各ピラーを覆う粒子の単層、ここで、ｘは５０ｎｍから２５０ｎｍの間であり、それにより紫外線を遮断する、ｙは１２０ｎｍから１８０ｎｍの間であり、それにより反射放射線を低減する、前記単層の各粒子の２００ｎｍ未満の直径を有し、且つ、赤外線を吸収できる素材料から構成されている、単層；
を含む構造。
【請求項２８】
ｚがｘの少なくとも３倍である、請求項２７に記載の構造。
【請求項２９】
ｚが４００ｎｍ未満である、請求項２７に記載の構造。
【請求項３０】
ｙがｘより少なくとも３倍大きく、それにより視野角選択性を可能にする、請求項２７に記載の構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年８月３日に出願された米国特許出願第１５／６６８，２８３号、２０１７年７月１４日に出願された米国仮特許出願第６２／５３２，８５７号、及び２０１７年１月６日に出願された米国仮特許出願第６２／４４３，５５８号に対する優先権を主張する。これら３つはすべて参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
技術分野
本開示は多機能表面に関する。より具体的には、本発明は、ナノ粒子単層によって表面特性を制御する方法に関する。
【０００３】
図面の簡単な説明
本明細書に組み込まれてその一部を構成する添付の図面は、本開示の１つ又は複数の実施形態を示し、且つ、例示的な実施形態の説明と共に、本開示の原理及び実施を説明するのに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】図１は、基板にたいするナノ粒子（ＮＰ）の共有結合の概略図である。
【図２】図２は、ブロッキングを介して表面のトポグラフィを修正するためにＮＰ−ＳＡＭ錯体を使用する例を示す。
【図３】図３〜図６は、異なる官能性を有するナノ粒子及び基板の例を示す。
【図４】図３〜図６は、異なる官能性を有するナノ粒子及び基板の例を示す。
【図５】図３〜図６は、異なる官能性を有するナノ粒子及び基板の例を示す。
【図６】図３〜図６は、異なる官能性を有するナノ粒子及び基板の例を示す。
【図７】図７は、複数の製造ステップを有する作業ステーションを示す。
【図８】図８は、ＵＶ光を遮断しながら可視光に対して透明である例示的な表面を示す。
【図９】図９は、ＵＶ遮断及び可視光透過のための例示的表面を示す。
【図１０】図１０は、太陽電池効率をブーストするための例示的なデバイスを示す。
【図１１】図１１は、波長の関数としての例示的な利用可能な電力(power)を示す。
【図１２】図１２〜図１３は、２つのセルに対する例示的なスペクトル効率を示す。
【図１３】図１２〜図１３は、２つのセルに対する例示的なスペクトル効率を示す。
【図１４】図１４は例示的な電力増大を示す図である。
【図１５】図１５は、図１３と同様のデータを示すが、１５％の効率のＳｉセルについてのものである。
【図１６】図１６は、図１４と同様のデータを示すが、１５％の効率のＳｉセルについてのものである。
【図１７】図１７は、シミュレートされた構造についての暗電流−電圧（Ｉ−Ｖ）曲線を示す。
【図１８】図１８は、ＡＭ  １．５Ｇ電力の場合の電力密度を示す。
【図１９】図１９〜図２０は、Ｅｇ＝０．６７ｅＶを有する半導体を含む模擬デバイスについての電流−電圧特性を示す。
【図２０】図１９〜図２０は、Ｅｇ＝０．６７ｅＶを有する半導体を含む模擬デバイスについての電流−電圧特性を示す。
【図２１】図２１は、太陽電池と上部構造との間のスペーサの一例を示す。
【図２２】図２２は、異なる波長におけるスペクトル効率の例示的概念を示す。
【図２３】図２３は、全体のタンデム効率に関する例示的なシミュレーションを示す。
【図２４】図２４は、ＰＶパネルと頂部及び底部吸収体とを有する例示的構造を示す。
【図２５】図２５は、互いに間隔を置いて平行な導電ワイヤのアレイを示す。
【図２６】図２６は、マイクロスフェアの例示的な単層及びナノ粒子エッチングマスクを示す。
【図２７】図２７〜図２８は例示的な階層構造を示す。
【図２８】図２７〜図２８は例示的な階層構造を示す。
【図２９】図２９〜図３０は構造の例示的なアレイを示す。
【図３０】図２９〜図３０は構造の例示的なアレイを示す。
【図３１】図３１は、構造に含まれ得る例示的な要素を図示する。
【図３２】図３２〜図３５は、例示的な光吸収構造を示す。
【図３３】図３２〜図３５は、例示的な光吸収構造を示す。
【図３４】図３２〜図３５は、例示的な光吸収構造を示す。
【図３５】図３２〜図３５は、例示的な光吸収構造を示す。
【図３６】図３６は、固体用途を示している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
概要
本開示の第１の態様において、方法が記載されている。当該方法は、：
表面上の構造における各要素の第１の横方向寸法を決定することであって、前記構造は複数の要素を含み、前記決定することは前記構造の第１の物理的特性に基づき、前記第１の横方向寸法は表面に対して水平方向にあること；
各要素の第２の横方向寸法を決定することであって、前記第２の横方向寸法は、前記第１の横方向寸法に垂直であり、且つ、表面に対して水平方向にあること；
前記構造の第２の物理的特性に基づいて各要素の高さを決定することであって、前記高さは前記表面に対して垂直方向であること；
前記第１及び第２の物理的特性に基づいて前記要素間の間隔を決定すること；及び
前記構造を製造すること；
を含む。
【０００６】
本開示の第２の態様において、方法が記載される。当該方法は、：
表面上の構造における各要素の第１の横方向寸法を、入射電磁放射に対する前記構造の望ましい透明度に基づいて決定することであって、前記構造は複数の要素を含み、前記第１の横方向寸法は、前記表面に対して水平方向にあり、且つ、前記構造によって遮断される電磁放射の波長の半分未満であること；
前記入射電磁放射についての所望の反射率に基づいて各要素の高さを決定することであって、前記高さは前記表面に対して垂直方向にあること；
前記望ましい透明度と反射率に基づいて前記要素間の間隔を決定すること；及び
前記構造を製造すること；
を含む。
【０００７】
本開示の第３の態様において、構造が記載される。当該構造は、：
表面上のピラーのアレイであって、各ピラーは、第１の横方向寸法ｘ、第２の横方向寸法ｚ、及び高さｙを有する、アレイ；及び
各ピラーを覆う粒子の単層、ここで、ｘは５０ｎｍから２５０ｎｍの間であり、それにより紫外線を遮断する、ｙは１２０ｎｍから１８０ｎｍの間であり、それにより反射放射線を低減する、前記単層の各粒子の２００ｎｍ未満の直径を有し、且つ、赤外線を吸収できる素材料から構成されている、単層；
を含む。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
詳細な説明
いくつかの既存の製品は、製品表面について特定の物理的、化学的、又は電気的特性を得るためのコーティング及び他の種類の表面改質を包含する。例えば、表面特性の改質は、非結合プロセスによって表面上へのナノ粒子の堆積によって達成することができる。これらのナノ粒子は、スピン、スプレー、又はディップコーティングプロセスによって表面に適用されてもよい。ナノ粒子は、さまざまな理由で、例えばラマン増強、又は触媒として機能するために表面に付着する場合がある。当業者に知られているこれらの技術は特定の用途においては有効であるが、それでもなお、これらは、主にこれらの既知の技術がナノ粒子を表面にしっかりと付着させないという事実により、いくつかの欠点を呈する場合がある。これらの既知の技術の多くはまた特異性を持たず、堆積中に細心の注意を必要とし、そして、一般的に表面上にナノ粒子の単一層を均一に付着させない。加えて、これらのプロセスは、湾曲した表面又は他の不均一な表面上にナノ粒子の単一層を効果的に塗布することができないかもしれない。
【０００９】
あるいは、ナノ粒子を表面に結合させる、当業者に公知の他の方法がある。例えば、ナノ粒子は、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）の相補的塩基対の一方の部分に結合することができる一方で、相補的塩基対の他方の部分は表面に結合する。この技術は単一のナノ粒子層を作り出す一方で、欠点がある可能性がある。第一に、ＤＮＡは加熱すると変性する。従って、ナノ粒子層は高温で安定ではない。第二に、ＤＮＡ結合は強酸／強塩基又は極端な溶媒に対して化学的に安定ではないかもしれない。第三に、ＤＮＡを特定の基質に付着させることは非常に複雑なプロセスである。最後に、ＤＮＡ付着のための原料は高価である。
【００１０】
本開示は、ナノ粒子でコーティングされた得られた表面の化学的及び物理的（例えば、光学的及び電気的）特性に対する制御の大幅な向上を可能にする、安価で技術的に複雑でない技術で、ナノ粒子の単層を堆積する方法を記載する。この技術を使用して、ナノ粒子の複数レベル及びサイズを有する三次元構造も作り出すことができる。従って、この技術はナノ粒子表面を改質する方法について説明する一方で、コンフォーマルで均一な粒子の複数の層をコーティングする能力により、新しい表面の生成が可能になるだけでなく、三次元材料及びメタマテリアルの製造も可能になる。
【００１１】
一般論として、本明細書に開示されている様々な方法は、基板表面上へのナノ粒子の単層の塗布に関する。本明細書に開示される方法は、多種多様な表面上に安定かつ均一なコーティングを提供する（平坦、湾曲、又は不均一）。いくつかの実施形態において、堆積された粒子のサイズは、ナノメートル範囲、又はマイクロメートル範囲にあり得る（例えば、マイクロスフェア）。これらの粒子は、例えば異なる方法：
１．無機結合；
２．有機結合（クリックケミストリー）；
３．注意深く制御された噴霧又は浸漬；
によって表面に付着させることができる。例えば、粒子と表面との間に結合又は引力を生じさせるために、流体を粒子及び表面に、連続した異なるステップで塗布することができる。例えば、第１の液体を噴霧することができるか、そうでなければ粒子に塗布することができる一方で、第２の液体混合物を異なるステップで表面に塗布することができる。液体の過剰量は、例えばニートな溶媒（又は溶媒混合物）を用いて、又は乾燥によって除去することができる。粒子と表面との間の結合又は引力を作成することが可能であるように、第１の液体及び第２の液体は選択され、表面上に粒子の単一の均一な単層を作成する。この技術は、複数の単層又は他の構造を含むより複雑な階層的表面を作成するように修正することができる。有機化学を使用して同様のプロセスを実施することができる。液体の代わりに気体を使用してもよい。流体は「前駆体」とも呼ばれるが、それらが官能基間のその後の結合（又は一般に引力）のために異なる表面を調製するためである。いくつかの実施形態において、粒子（又は粒子懸濁液）は、2つの前駆体の1つである。根場合、粒子を官能化して、それらの表面を基板に反応させることができる。しかし、他の実施形態では、粒子は、形成される又は製造される際の引力に適している場合がある。したがって、粒子を前駆体にするために、粒子を別のステップで準備することができる。他の前駆体は基板の表面に塗布される。粒子前駆体は次に他の前駆体で処理された表面に付着することができる。言い換えれば、当該プロセスは以下のステップを含む。：
１．基板に第１の前駆体を噴霧するか、そうでなければ基板は第１の前駆体で準備される；
２．基板にニート溶媒又は流体混合物を噴霧する；
３．基板に粒子の分散液を噴霧する（粒子が流体中に懸濁した前駆体である）；
４．基板にニート溶媒を噴霧する。第２の単分子層の付着を妨げながら、１つの単分子層の適用を可能にするために、前駆体及び溶媒は、所望により、異なる官能基が相互作用するか又は相互作用しないように選択される。一旦、第１の単層が形成されると、必要ならば、第２の単層を付着させるなどのためにプロセスを繰り返すことができる。他の実施形態において、粒子は表面に直接スプレーすることができ、物理的な相互作用のみを中継し、永久的な結合はない。例えば、粒子は、ファンデルワールス力又は静電力によって付着したままであり得る。
【００１２】
いくつかの実施形態において、−ＯＨ及びＡｌ−ＣＨ３のような官能基は、粒子を表面に結合するために使用される。このアプローチはＤＮＡベースの官能化とは異なる。なぜなら、ＤＮＡ法は水素結合に基づいているからである。相補的塩基対は水素型結合を有する。これらの水素結合は高温で変性する。高温では、ＤＮＡ鎖の形状が変化し、及び従って水素結合が壊れる。
【００１３】
開示された方法で使用されるナノ粒子の例は、金属、金属酸化物、金属窒化物、カーボンナノチューブ、バッキーボール（例えば、式Ｃ６０の球状フラーレン分子）、又はアーキテクチャ３Ｄナノ構造、例えば金属有機フレームワーク（ＭＯＦ）など、を含むが、これらに限定されない。
【００１４】
開示された方法で使用される基板の例は、ガラス、セラミック、プラスチック、ポリマー、織物、半導体、金属、３Ｄ印刷された材料、又は３Ｄアーキテクチャ化(architectured)材料を含むが、これらに限定されない。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
いくつかの実施形態において、ナノ粒子の単一の均一な層は、液相原子層堆積によって任意の表面上に堆積される。当業者に知られているように、原子層堆積（ＡＬＤ）は、前駆体成分（2つの前駆体など）の連続塗布に基づく薄膜堆積技術である。前記前駆体成分は基板上に堆積し、そこで化学的に相互作用して原子結合を形成する。前駆体は一般に堆積チャンバ内部のガス状態で導入されるので、ＡＬＤは化学蒸着のサブクラスと考えられている。しかしながら、前駆体が液体状態にある場合、前駆体は非相互作用溶媒に溶解するので、当該技術は液相原子層堆積又は溶液原子層堆積（ｓＡＬＤ）と呼ぶことができる。
【００１６】
いくつかの実施形態において、層は３ステッププロセスを使用して形成される。第１のステップにおいて、ナノ粒子は、「−ＯＨ」アルコール基で官能化される。当業者は理解するように、「−ＯＨ」官能基を任意の組成のナノ粒子に結合するために使用できる多くの異なる化学合成法がある（限定ではなく、一例として、ナノ粒子は純粋な金属又は酸化物を含んでもよい）。第２のステップにおいて、ターゲット基板（すなわち、コーティングされるべき表面）が、真空チャンバ、溶液、又は当技術分野で知られているもしくは開発されている他の方法においてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）にさらされる。この第２のステップにおいて、基板表面は「−ＣＨ３」又はメチル基で官能化される。
【００１７】
この実施形態の第３のステップでは、「−ＣＨ３」で官能化された基板を、「−ＯＨ」で官能化されたナノ粒子の浴中に浸漬することができる。浴は、有機溶媒、例えば、ヘキサン（又は、水を含まない、又は−ＯＨ基を含有する反応性分子を含まない、他の有機溶媒）中に懸濁された官能化ナノ粒子で構成されている。基板−酸素−ナノ粒子（基質−Ａｌ−Ｏ−ナノ粒子）共有結合、及び（溶存ガスとして浴から出ていく、又は浴から泡立つ）メタン副生成物（ＣＨ４）を形成するため、基板表面のメチル基はアルコールと反応し、より一般的には官能化ナノ粒子上の−ＯＨ基と反応する。
【００１８】
共有結合はナノ粒子を単層で表面に恒久的に付着させる。全ての「−ＣＨ３」基がコバレントなナノ粒子結合に変換されると、付着は停止する。表面に接近する後続のナノ粒子は、基板にゆるく付着する可能性があるが、それらは共有結合を形成しない。したがって、コーティングされた基板を浴から取り出してすすぐと、ゆるく結合したナノ粒子が除去され、共有結合したものは基材表面上に残る。このようにして、共有結合したナノ粒子の単層を形成することが可能である一方で、ナノ粒子のそのような可能な多層は基板に共有結合していないという事実に起因して、第２の又は第３の単分子膜などとして付着している可能性のあるナノ粒子はすべて除去できる。第１のナノ粒子層のみが共有結合している。いくつかの実施形態において、各ステップの後、基板をヘキサンなどの有機溶媒ですすぐ。例えば、ヘキサンは、第２の単層又は追加の多層の任意の数として弱く付着したいずれのナノ粒子をすすぎ流すことができる。場合によっては、余分な多層膜を除去するために、超音波処理を使用することができる。
【００１９】
他の実施形態において、基板に共有結合したナノ粒子の単一の単層を形成する上記のプロセスは、ナノ粒子の正確な層を一度に１層構築するために必要な回数繰り返すことができる。このプロセスでは、基板に共有結合した第１の単層が官能化される−同様に、第１の反復で基板がどのように官能化されたかに対して。次いで、ナノ粒子の第２の単層が第一の単層に共有結合し、一方、可能な第３の単層として弱く結合したいずれのナノ粒子は容易に除去することができる（例えば、すすぎ流される）。各後続反復において、ナノ粒子の別の単層が堆積される。ナノ粒子の後続の層は、第１の層におけるナノ粒子と同一であり得る。あるいは、後続の層において、異なるナノ粒子を追加することができる。例えば、各後続の単層は、ナノ粒子の異なる種類もしくはサイズで形成されてもよく、又はナノ粒子の２種類が交互になってもよい。層の各々について適切なナノ粒子組成を選択することにより、3次元の材料とメタマテリアルは、任意の組成、材料特性の等級付け、及び寸法で作成できる。この種の構造化ナノ粒子アセンブリは、「メタマテリアル」特性、例えば調整可能な（潜在的に負の）屈折率、クローキング(cloaking)、波長選択可能な反射、偏光、又はスーパーレンズフォーカス効果など、を持つ場合がある。
【００２０】
他の実施形態において、それがナノ粒子の完全に閉じた単層を形成する前に上記のプロセスを停止することができる。いくつかの実施形態において、過剰のナノ粒子多層は除去される必要はない。他の実施形態では、上記プロセスにおいて、完全に分離されたステップを有する必要はない。これらの実施形態において、理想的なステップからの修正は最終単層の品質を損なう可能性があるが、製造時間を短縮するためにわずかに不完全なプロセスを使用する可能性がある。言い換えれば、最終用途の欠陥に対する許容度に応じて、品質と製造の容易さとの間のトレードオフとしてプロセスを修正することができる。
【００２１】
他の実施形態において、ナノ粒子の単一の均一な層は、ガスと液相原子層堆積との組み合わせにより、任意の表面上に堆積される。この方法によれば、気相中で基板をＴＭＡにさらすことによって基板表面を官能化することができる。この第１のステップは、例えば、大気圧コンベヤーベルトシステム又は同様のシステムで行われる。一旦基板が−ＣＨ３基で官能化されると、基板は、乾燥窒素環境中でスプレーコーティング（又は他の種類のコーティング、例えばディップコーティングなど）によって−ＯＨ官能化ナノ粒子に曝露される。上記の方法と同様に、ナノ粒子は基板の表面に共有結合する。
【００２２】
それゆえ、上記の方法は、
１．ナノ粒子の官能化；
２．基板の官能化；
３．基板上のナノ粒子の単一単層の共有結合；
として要約することができる。第１及び第２のステップはまた、逆の順序で、又は同時に行われてもよい。上記のように、ナノ粒子−基板コンボの一方又は両方が前処理なしで結合形成(bonding)であり得る。
【００２３】
他の実施形態において、基板の官能化と共有結合ステップが実質的に水を含まない、又はナノ粒子上の−ＯＨ基以外の−ＯＨ基が実質的にない環境において実行される限り、３つのステップは、気相中、真空下、又は液相中の官能化剤で実行されるように変更できる。そうでなければ、これらの追加の−ＯＨ基は、他の非標的表面上にナノ粒子を優先的に結合することによって方法を妨害するかもしれない。加えて、実施形態のいずれもバッチ式又はコンベアベルト式の連続プロセスで実施することができる。限定ではなく例として、一実施形態によれば、基板が第１のゾーンに配置され、基板にＴＭＡが噴霧され、前記ＴＭＡは液相にある。次に、いずれの未反応のＴＭＡを基板から洗い流す(flush)ために、基板をニート溶媒（化学量論的溶媒）で第２のゾーンに移動する。次に、基板は官能化されたナノ粒子を基板表面にスプレーする第３のゾーンに移動する。次に、基板は第４のゾーンに移動する。このゾーンでは、いずれの過剰な粒子を除去するために、基板にニート溶媒が再び噴霧される。
【００２４】
他の実施形態において、ナノ粒子はＴＭＡで官能化することができ、基板表面はアルコール基で官能化される。他の実施形態において、気相原子蒸着で使用されるいずれの数の潜在的な反応性前駆体、例えば限定はしないが、塩化物、フッ化物、有機金属、又はａｃａｃ（アセチルアセトネート）など、の代わりにＴＭＡを使用することができる。他の実施形態において、−ＯＨ基は、他の基、例えばアミン（−ＮＨ２）基、エステル基、アルデヒド基、ハライド、アミド、ニトリル、又は当該分野で公知のもしくは開発された他の官能基など、で置換されていてもよい。他の実施形態において、本明細書に開示される種々の官能された基は、ナノ粒子とその官能基の間の炭素鎖（例えば、−ＯＨ基）を付着すること及び／又は基板とその官能基（例えば、−ＣＨ３基）との間の炭素鎖を付加することによって、伸長することができる。
【００２５】
本明細書に記載の方法は、他のプロセスと一緒に、又は既存の製品の表面を改質するために使用することができる。例えば、それに付着した共有結合したナノ粒子を有する表面は、その後のエッチングプロセスのためのマスキング剤として使用することができる。他の用途では、太陽電池が異なる波長の光を吸収できるように、共有結合したナノ粒子を利用することができる。太陽電池の基板は、ナノ粒子とは異なる波長の光を吸収するように設計することができるので、複合型タンデム型セルから収集される全体のエネルギーを単一末端セルよりも増加させることができる。ナノ粒子で修飾された表面はまた、セルによって吸収される光の量を増やすために、既存の太陽電池の底面の散乱中心として使用することもできる。
【００２６】
上記のように、本開示は、ナノ粒子を任意の表面に共有結合させる方法を記載する。導入されたナノ粒子は、次いで、新たに形成された表面トポグラフィを有する新規材料を作成するために活用することができる。新しく作成されたナノメートルスケールの表面トポグラフィは、前記任意の表面を、超親水性、超疎水性又は集光性の材料を包含する貴重な新しい材料に変える。官能化された自己組織化単分子層（self-assembled  monolayers,ＳＡＭs）を作製するための多数の既知の方法がある。本発明は、価値ある表面特性を制御するのにこれらのＳＡＭを使用する。例えば、基板をＳＡＭで官能化することができる。官能化されたナノ粒子は、その後、ＳＡＭを介して基板に共有結合することができる。
【００２７】
いくつかの実施形態において、基板上にコーティングされたナノ粒子は、反応種が基板でエッチング除去されるのを部分的にブロックするマスクを作成するために使用できる。次に、ナノ粒子を除去するか、あるいは表面に共有結合したままにして、それによって所望のナノメートルスケールのトポグラフィを作成することができる。
【００２８】
他の実施形態において、元の表面領域の一部を意図的にブロックし、且つ、表面に追加される追加の原子、分子、化合物、又は材料の堆積（元の領域のブロックされた部分に限定）を防止するため、ナノ粒子の単層を使用することができる。このようにして、望ましい表面特性を作成するため、ナノメートルスケールの表面トポグラフィを制御することができる。他の実施形態において、所望の光吸収又は発光特性を可能にするために、官能化されたナノ粒子をＳＡＭに共有結合させることができる。
【００２９】
図１は、基板へのナノ粒子（ＮＰ）の共有結合の概略図である。図１において、ナノ粒子（１０５）は基Ｒ‘で官能化される（１１０）一方、表面（１２０）は相補的基Ｒで官能化される（１１５）。次いで共有結合Ｘが形成され（１２５）、ナノ粒子を表面に付着させる（１３０）。いくつかの実施形態において、ＣＨ２−ＣＨ２−Ｒ鎖の代わりに、単にＲを使用することができ、その場合、Ｒは任意の官能基又は原子を表す。
【００３０】
したがって、任意の表面上のＳＡＭは、ＮＰをＳＡＭに対して共有結合させる反応を受ける。いくつかの実施形態において、ＳＡＭの特定の官能基がナノ粒子の特定の材料に共有結合することができる場合、ナノ粒子はさらに官能化されていなくてもよい。目的のナノメートルスケールのトポグラフィを備えた表面を製造するためのさらなる操作を行うために、ＮＰ−ＳＡＭを使用することができる。そのようなトポグラフィは、表面を、例えば超親水性、超疎水性、発光性、又は光吸収性にすることができる。
【００３１】
図２は、表面のトポグラフィを修正するためにＮＰ−ＳＡＭ錯体（２０５）を使用する一例を示す。この実施形態では、ＮＰ−改質されたＳＡＭは、下にある表面のさらなる操作のための基板として使用されている。例えば、ＮＰは、化学エッチングにおいて反応性イオン種の接近をブロックするためのマスクとして機能することができる。あるいは、ＮＰは、新たに、下にある基板の表面に対して新たに導入された物質を導入の成長を停止することができる。
【００３２】
いくつかの実施形態において、新たに作成された表面トポグラフィを有する新しい表面を得るため、ナノ粒子は、それらが既に付着している表面上に保持されてもよい（２１０）。この例では、ナノ粒子は基板上のＳＡＭに共有結合したままである。ナノ粒子は、下にある基板の特定の領域へのアクセスを提供し、その後、材料、例えば原子又は分子、を、これらのアクセス可能な領域に限定して堆積させることができる。
【００３３】
他の実施形態において、いかなるＮＰも含まない新しい表面トポグラフィを表面（２１５）に提供するため、ナノ粒子を化学的に又は他の方法で除去することができる。この実施形態において、ナノ粒子は、基板の特定の領域にのみ材料を堆積させるためのマスクとして使用される。銅触媒作用によるアジド−アルキン付加環化反応（ＣｕＡＡＣ）は、官能化されたＮＰを適切に装備されたＳＡＭに共有結合させるために使用することができる反応の種類の一例である。
【００３４】
図３〜図５は、異なる官能化を有するナノ粒子及び基板の例を示す。例えば、図３は、ＣｕＡＡＣ反応を用いた一例を示す。図３を容易に作成するために、ＮＰで修飾されたＳＡＭ基板を作成するため、表面にＮＰを付着させるトリアゾール（３１５）を生成するため、室温で銅触媒を用いて、アルキン官能化ＮＰ（３１０）に容易に結合するアシ゛ト゛含有ＳＡＭ（３０５）を示す。
【００３５】
図４はまた、ジベンゾアザシクロオクチン（ＤＩＢＡＣ）で官能化されたナノ粒子（４１０）に付着することができる、アジド単層（４０５）を有する表面を示す。共有結合（４１５）は、歪み促進されたアジド−アルキンクリック（ＳＰＡＡＣ）を介する。
【００３６】
図５は、ナノ粒子上のアジド（５１０）に結合することができるＤＩＢＡＣ単層（５０５）を有する基板を示す。共有結合（５１５）は、新たに形成されたトリアゾール環と共に、歪み促進されたアジド−アルキンクリックを介して形成される。図５の例において、基板とナノ粒子の官能化剤とが、図４の例と比較して逆になっている。当業者には理解されるように、異なる官能化剤を使用することができる。各官能化剤は相補剤と相互作用するが、同じ群の他の薬剤(agents)とは相互作用しない。言い換えれば、基板上の官能化剤はナノ粒子上の剤に結合するが、基板上の他の薬剤には結合しないし、他のナノ粒子上の薬剤は他のナノ粒子に結合しない。このように、共有結合は、基板とナノ粒子との間に選択的に形成されるが、ナノ粒子間には形成されない。
【００３７】
図６は制御された堆積のさらなる例を示す。この実施形態において、当該方法は、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）及び−ＯＨ官能基を有するナノ粒子を使用した、粒子の官能化及び結合と類似している。図６の例において、後述するように、粒子を結合するために、表面に酸化アルミニウムの単層が形成されている。
【００３８】
−ＯＨ官能基（６１０）に対するトリメチルアルミニウム（６０５）  Ａｌ２（ＣＨ３）６の高い親和性は、酸化アルミニウムとメタンを形成する積極的な反応をもたらす。ＴＭＡは、例えばＴＭＡパルスを用いて導入することができる。表面上の化学吸着（６１５）は自己飽和的である。メチル配位子及び−OH配位子は相互に親和性がないため、単一の単層の自己制限的に形成される。続いて、「−ＯＨ官能化されたナノ粒子パルス」パルス（６２３）を導入することができる（６２０）。結果として、Ａｌ２Ｏ３の単分子層又は準単分子層が形成され（６２５）、その表面上に新しい−ＯＨ官能基（６２７）がある。いくつかの実施形態において、酸化アルミニウム表面が官能的に活性である必要があるか否かに応じて、表面上に新たな−ＯＨ基も導入することもなく、酸化アルミニウム層が形成されてもよい。いくつかの実施形態において、商業的に官能化されたナノ粒子及びＴＭＡ溶液もまた使用され得る。例えば、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）カプセル化金ナノ粒子上のカルボン酸基は市販されている。ヘキサン溶液中のＴＭＡも市販されている。
【００３９】
いくつかの実施形態において、本開示の方法は、空間的に区別されたソリューションベースのＡＬＤとして実装することができる。例えば、基板は、作業領域の第１のゾーンにおいて、溶液中のＴＭＡをスプレーされる。第２のゾーンでは、ニートな溶媒が未反応のＴＭＡを洗い流す(flushes)。第３のゾーンでは、官能化されたナノ粒子が基板上にスプレーされる。第４のゾーンでは、過剰のナノ粒子を除去するため、ニートな溶解液(solved)が噴霧される。いくつかの実施形態において、噴霧の代わりに浸漬ステップを使用することができる。いくつかの実施形態において、ニートな溶媒の代わりに溶媒混合物又は他の流体を使用することができる。
【００４０】
例えば、図７は複数の製造ステップを有する作業ステーションを示す。基板は、例えば矢印（７２５）によって示されるように、作業面に沿って複数のゾーンにわたって移動することができる。図７の例では、各ゾーンは液体又は気体を基板に適用するための手段を有する。例えば、ゾーン（７０５、７１７、７３５）において流体を適用するため、気体軸受又は液体ポンプ（７１５）を使用することができた。この例では、第１の（７２０）及び第２の（７３０）前駆体をそれぞれのゾーンにおいて基板に適用することができる。いくつかの実施形態において、前駆体は液体であり、残りの前駆体を洗い流すため、液体フラッシュを（７０５、７１７、７３５）において使用することができる。例えば、この方法は、前駆体が基板に塗布される前に互いに混合するのを防ぐ。混合前駆体は、被覆されている表面上に堆積する代わりに沈殿を引き起こす可能性がある。本開示において上述したように、前駆体のうちの１つは粒子を含み得る。他の実施形態において、前駆体及びフラッシュはガス状態にあり得る。ゾーン（７０５、７１７、７３５）の目的は、従って前駆体を排出する(vent)ことである。流体を排出する(exhaust)ための好適な手段は、前駆体ゾーンとフラッシングゾーンとの間に配置することができる。例えば、ニートな溶媒をゾーン（７０５、７１７、７３５）において使用することができる一方で、前駆体は溶媒を含む溶液中に存在することができる。いくつかの実施形態では、前駆体の一方は基板上に官能基を残す流体であるが、他方の前駆体は、基板上に粒子懸濁液を噴霧する前に、基板上のものと相補的な官能基で官能化されてあった粒子を含む。いくつかの実施形態において、排出（venting）ステップ又はパージステップは、前駆体が噴霧されるのと同じ場所において実施することができる。
【００４１】
スプレーコーティングを最適化するためにいくつかのパラメータを調整することができる。例えば、そのような速度において基板がゾーン間を移動するラスタ速度（例えば図７において）、基板からのスプレーノズルの距離、ノズルが超音波を使用するか否か、懸濁液中の粒子の分散、懸濁液のｐＨ、界面活性剤の使用、及び特定の液体（複数可）、例えばアルコール、水、又は有機溶媒。いくつかの実施形態において、噴霧前超音波処理ステップもまた組み込まれ得る。他のパラメータは、供給管及びノズルにおける流速又は速度、ノズルの向き、ならびに基板の温度を含む。凝集を防止又は遅延させるために、界面活性剤をナノ粒子分散液に添加することも同様にできる。これらすべてのパラメータは、表面のコーティング、例えば単層の均一性など、に影響を及ぼし得る。粒子間の間隔もまた、上記のパラメータを通して制御することができる。例えば、粒子の半径の半分よりも大きい粒子間の間隔を有することは、均一な単層を作製するには大きすぎると考えられ得る。そのような場合、スプレーコーティングは、半径の半分未満の粒子間の間隔を与えるように最適化されるであろう。従って、スプレーコーティングは、表面上に粒子をコーティングする間に可能なより大きな制御に起因して、スピンコーティングと比較して有利であり得る。堆積が均一ではないならば、そして液体が乾燥するにつれて、粒子は単層ではなく表面上に島を形成する傾向があり得る。いくつかの実施形態において、部分的に閉じた単層が有用であり得、そして粒子間の特徴的な長さ及び凝集の程度を特定するために同じ製造パラメータが制御され得る。
【００４２】
いくつかの実施形態において、所望の機能性、例えば防曇、可視光線透過率、紫外線遮断、及びエッチング耐性など、を得るために、粒子サイズ及び組成は制御することができる。いくつかの実施形態において、粒子の単層を形成するための最密充填配置を有することが有利であり得る。しかしながら、粒子は堆積前に懸濁液中で凝集する可能性があり、これは単層の形成に悪影響を及ぼす可能性がある。例えば、標的は、懸濁液流体中に３個未満の粒子の凝集物を有することであり得る。例えば、粒子の噴霧中に制御された広がりを確実にするために粒子上に電荷を確立することができる。粒子、噴霧される表面のいずれか、又はその両方の上に表面コーティングを使用することもできる。表面コーティングは、例えば、粒子の単層の接着を改善し得る。基板の表面張力は、いくつかの実施形態において、噴霧された流体に適合させることができる。したがって、製造中に表面ポテンシャルを考慮に入れることができる。いくつかの流体パラメータを制御することができる。：  誘電率（例えば１０より大きい）、粘度、揮発性、及び粒子を懸濁する能力。例えば、いくつかの実施形態において、表面コーティングは表面張力を制御するのに重要であり得る。いくつかの実施形態において、粒子の表面張力を基板の表面張力と一致させることが有利であり得る。
【００４３】
ナノ粒子の完全な、又はほぼ完全な単層の、相互又は基板への化学結合のない噴霧につながる要因を以下に説明する。ナノ粒子の分散に使用される流体は、ナノ粒子が浮遊したままになるように構成されている。いくつかの実施形態において、流体はより高いｐＨであり得る。例えば、アルミナナノ粒子表面に負に帯電したＡｌＯ−種を確実に形成できるように、ｐＨ１０を有する流体をアルミナ粒子とともに使用することができる。粒子上の負電荷により、粒子は互いに反発し、可能な凝集を最小限に抑える。その中で粒子が懸濁し、且つ、それが噴霧又は浸漬に使用される分散液は、ナノ粒子の周りにミセル構造を形成し、凝集を最小限に抑える界面活性剤を含有することができる。
【００４４】
粒子が結合される基板、及び懸濁液流体は、良好な一致を有するように選択することもできる。言い換えれば、流体及び基板についての特定の選択は、流体で基板を濡らす能力の増加又は減少につながる可能性がある。湿潤能力の増加又は減少は、流体と比較した基板に対する粒子の親和性に応じて、粒子の均一な単層の形成を改善することができる。基板はまた、その濡れ性を増加又は減少させるために、粒子堆積の前に準備されてもよい。例えば、水を使用する場合、いずれの表面の油汚染を除去するため、及び親水性の表面を作成するため、ガラス基板を酸素プラズマで事前に洗浄することができる。一部の実施形態において、親水性表面の代わりに、疎水性表面がより有利であり得る。例えば、湿潤を阻止するため、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）又はフルオロカーボン層を適用すること。
【００４５】
粒子を含有する流体は、一旦それが基板を濡らすと、比較的急速に蒸発するように構成することもできる。そうでなければ、流体が蒸発するとき、流体は、それが蒸発するにつれて液体／空気界面に沿ってナノ粒子を運ぶことができ、基板に対するナノ粒子の親和性を保証する対策が取られない限り、粒子は表面に堆積する。いくつかの実施形態において、蒸発速度は、基板温度を制御することにより調節することができる。たとえば、流体が水である場合、温度は５°Ｃから１５０°Ｃの間で変化する。蒸発速度は、表面に送られる液体の量を制御することによっても調整できる。典型的な流量は、０．２５ｍＬ／ｍｉｎから２ｍＬ／ｍｉｎの範囲である。低温では、粒子の動きは、表面の液滴に表面張力勾配がないようにすることで制御される。高温では、液滴は「フラッシュ蒸発」し、ナノ粒子の表面移動性は許可されていない。流量と蒸発速度をさらに調整するため、粒子を含有する液体を基板の同じ領域に複数回通過させることも可能である。
【００４６】
ナノ粒子濃度及び超音波処理の量は、流体中に分散した粒子の表面への適用も制御できる。典型的な濃度は０．５−５ｍｇ／ｍＬである。いくつかの実施形態において、粒子の凝集を減らすため、液体ナノ粒子分散液を含有する回転キャニスターに超音波処理を適用することができる。例えば１時間持続させる。
【００４７】
粒子の複数の単層が連続ステップで堆積される場合、異なる流体を使用することができる。言い換えれば、基板を官能化するために使用される前駆体流体は、第２の単分子層を堆積させる前に、第１の堆積された粒子の単分子層を官能化するために使用される流体とは異なり得る。いくつかの実施形態において、使用される流体は官能基に対して実質的に不活性でなければならない。例えば、官能基がＡｌ−ＣＨ３である場合、水は許容可能な流体ではないであろう。
【００４８】
他の実施形態において、スプレーコーティングの代わりに、表面又は表面の一部が粒子を含有する液体に浸漬又はディップされる浴法が使用され得る。この方法では、バッチでコーティングできる。さまざまな適用(applications)が、他方よりも一方の適用を好む場合がある。いくつかの実施形態において、表面上の粒子の結合を可能にするために触媒を使用してもよい。基板上の粒子の結合のための化学的又は物理的手段を使用してもよい。例えば、粒子及び／又は基板上の官能基の使用。これらの実施形態において、触媒は、官能基の両方、粒子上の基及び基板上の基、と相互作用することができ得る。
【００４９】
以下では、方法は、結合させる代わりに噴霧することにより、粒子を付着させるための方法も記載されている。粒子は、化学結合の代わりにさまざまな力で付着できる。例えば、静電力やファンデルワールス力。表面上に単層の被覆を達成するためにナノ粒子をスプレーすることは、スプレーに対するいくつかのコンポーネントの協調的な工学的努力が必要である。
【００５０】
いくつかの実施形態において、ナノ粒子は、粒子の凝集を遅らせる流体中に均一に分散させることができる。水性分散液について、凝集を防止又は遅延させる２つの例示的な方法を以下に説明する。第１の方法は、例えば親水性ポリエチレンオキシドを含む、界面活性剤分子を包含することである。ナノ粒子が分散液からクラッシュしたり、他のナノ粒子に付着したりするのを防ぐやり方で、ミセル状に、界面活性剤分子はナノ粒子を取り囲む。２番目の方法は、溶液のｐＨを変更することであり、それによってナノ粒子の表面に静電荷を付与することである。例えば、０．５ｍＬの０．５Ｍ  ＮａＯＨ溶液を、ｐＨ７における２５０  ｍＬの市販の酸化アルミニウムナノ粒子水溶液に加えることにより、分散液のｐＨが１０．５に上昇すると、酸化アルミニウムナノ粒子の表面はＡｌ（ＯＨ）２−になる。ナノ粒子上の有効な負電荷は凝集を防ぐのに役立つ。なぜなら粒子が互いに静電的に反発するためである。
【００５１】
いくつかの実施形態において、ナノ粒子分散液を攪拌し、超音波処理することができる。例えば、ナノ粒子分散液は、使用前に約１時間攪拌及び超音波処理できる。例えば、超音波処理のパワーは１００Ｗに設定できるが、超音波槽の温度が大幅に上昇するのを避けるために、その時間のデューティサイクルは５０％未満である。４０℃を超える温度は、界面活性剤分子の劣化を引き起こす可能性がある。攪拌及び超音波処理には２つの目的がある。：
１．すべての粒子が界面活性剤の利点にアクセスできる機会を確保するため、ナノ粒子と界面活性剤（存在する場合）の混合物を均質化する。；
２．コーティングされる表面に特大の粒子を運ぶ機会を減らすのに役立つために、超音波エネルギーが凝集した粒子を破壊する。
【００５２】
いくつかの実施形態において、粒子懸濁液が超音波処理されると、粒子の沈降を防ぐのを助けるために磁気攪拌棒で絶えず攪拌されるシリンジポンプに装填することができる。次に、シリンジポンプは、分散液の一定流量（たとえば０．２５〜５ｍＬ／ｍｉｎ）で超音波ノズルに供給する一方で、ノズルはコーティングされる表面の一部をラスタする。
【００５３】
ナノ粒子分散液の理想的な流量は、多くの要因によって制御される。例えば、上記の調製ステップをとることにより、ナノ粒子は、コーティングされている基板に送達されたときに凝集しないと合理的に結論付けることができる。ただし、一旦、粒子が基板に到達すると、表面上のさまざまな力により、粒子が凝集して堆積する可能性がある。重要な要因は、液滴のエッジにおける蒸発速度とその中心における蒸発と間のバランスである。基板の温度が高すぎる場合、液滴のエッジ（基板と接触）と液滴の最上面（空気のみの接触）との間に温度差がある。温度差により、表面張力に差が生じ、これは液滴内にマランゴニ流を誘導する。流れは、液滴内の粒子がエッジまで運ばれ、液滴が乾燥するにつれて積み上げられるようにする。いくつかの実施形態において、単層又は単層に近い被覆率(coverage)を確保するために、基板温度を周囲ガスの温度に近づけるように管理することにより、表面張力の差を最小限に抑える必要がある。したがって、水分散液の場合、理想的な基板温度は室温に近い一方で、イソプロピルアルコール（プロパン−２−オール、ＩＰＡ）などの特に揮発性の溶媒では温度を低くする必要がある。
【００５４】
エッチングマスクとしても使用できる有効な多孔質媒体を形成するのに、ナノ粒子多層を使用することができる、代替アプローチも可能であることに留意することができる。例えば、ＳｉＯ２などの侵食性材料で作られた深さ３粒子の多層膜は、ガラスのためのナノテクスチャマスクとして使用できる。効果的なメディア方式では、メディアが侵食されると最終的にナノテクスチャに移動する(translate)穴とパッキングの欠陥を残す。これにより、テクスチャリングプロセス全体が、完全な単分子層の形成に影響されにくくなる。層を形成するため、より大きな又はより小さなナノ粒子を選択することにより、多孔度を制御できる。例示的な場合は、フルオロカーボンベースのプラズマでエッチングされたガラス上の深さ６層の、３０ｎｍ  ＳｉＯ２ナノ粒子多層である。この場合の基板温度は、単層堆積法よりもペナルティが少なく、より高く（たとえば７５℃以上）できる。さらに、ＳｉＯ２などの侵食性ナノ粒子とＡｌ２Ｏ３などの非侵食性ナノ粒子との混合物をさまざまな比率で使用できる。侵食性ナノ粒子は、表面上にＡｌ２Ｏ３をより良く分散させ、最終的な表面テクスチャを管理する。
【００５５】
単層の形成を容易にするために、ナノ粒子とコーティングされる表面との間に固有の親和性を作り出すことが有用であり得る。以下の段落では、ナノ粒子と基板表面の間に化学結合を優先的に形成する２つの方法について説明する（クリック型有機化学とＡＬＤ型無機化学）。ただし、優先的な物理のみの相互作用を作成できる他の方法があることに注意することができる。
【００５６】
物理的（化学結合ではない）誘引のいくつかの例示的な例は、以下を包含する。：
１．基板上に正電荷を生成することにより表面上に電荷を生成すること（１つの、非限定的な例を与えるためのイオン衝撃による）、及びナノ粒子に負の表面電荷を持たせるために７より大きいｐＨを使用すること。；
２．親水性相互作用を作成することであって、その場合、−ＯＨ基を生成するため、表面及び／又は粒子をフィルム又はＯ２プラズマで前処理し、表面の親水性が第１層の粒子を引き付ける。
【００５７】
引力を（化学的又は物理的に）作り出すことの利点は、噴霧プロセスを噴霧パラメータに対してより鈍感にすることであり、ラングミュア・ブロジェット技術に頼らずに浸漬プロセスを実行可能にすることである。これらの特徴の両方により、本開示に記載されているナノ粒子付着プロセスがより堅牢になり、市販製品に統合しやすくなる。
【００５８】
いくつかの実施形態において、上述のＡＬＤ方法は、例えば、タンデム太陽電池又は他のセルとタンデムに使用されるセルを製造するために使用することができる。例えば、シリコン太陽電池の表面をナノ粒子でコーティングすることにより、効率を高めるために、シリコン太陽電池の表面を改質することができる。例えば、ナノ粒子は、シリコンセルのＵＶ（紫外線）及び可視スペクトルの吸収効率を高めることができる。結合された効率は、２５％以上に増やすことができる。光がセルに向かって散乱されるので、ナノ粒子は、セルによって吸収される光の量を増やすため、既存のセルの底部の散乱中心としても機能することができる。
【００５９】
他の用途において、ナノ粒子で修飾された表面は、触媒作用又は電池用途において使用することができる。本明細書に記載される方法は、表面上のナノ粒子の選択的な３Ｄローディングを可能にする。換言すると、表面はナノスケールレベルで制御できる。この場合、表面とは、ナノ粒子が到達できるすべての露出表面のことであることに留意されたい。たとえば、いくつかの材料、例えばゼオライト、ポリマー、又は金属−有機フレームワーク（ＭＯＦ）などは、内部及び外部の表面積を有する。本開示の方法は、そのような表面のすべて（３Ｄトポロジー全体）を指すことができる。一部の用途では、表面上のナノ粒子は赤外線検出器の吸収体としても使用できる。
【００６０】
本明細書に記載される化学的方法（有機及び無機の両方）は、ＤＮＡベースの方法よりも大幅に改善される。ナノ粒子と基板との間の結合が共有結合であるためである。ナノ粒子への表面リンクは、改善された温度と化学的安定性とを有し、永続的と見なすことができる。本明細書に記載される方法はまた、階層表面の作成も可能にする。なぜなら、ナノ粒子は異なるトポグラフィを持ついくつかの単層に堆積することができるためであり、基板の物理的及び化学的特性に影響を与える３Ｄ構造を形成する。
【００６１】
本明細書に記載される方法はまた、湾曲した又は他の不均一な表面上にナノ粒子の単一層を適用するために効果的に使用することができる。ナノ粒子の官能基と強力な化学結合を形成する表面の化学官能基を介して、直接結合によりナノ粒子を表面に付着させることにより、ナノ粒子の複数の単層も曲面に堆積する場合がある。そのような化学結合がない場合、従来技術では、ナノ粒子を結合する前に材料の表面を活性化する必要があった。表面活性化は、典型的には厳しい化学的又は物理的手法を使用して、反応性化学官能基を生成する又はプロデュースするプロセスである。したがって、本明細書に記載される方法は、厳しい化学的又は物理的技術によって悪影響を受けるさまざまな表面に適用できるため、有利である。
【００６２】
上述したように、表面は、パターニングされた又は他の方法で所望の用途に適合させることができるテクスチャ加工された表面を提供するように改質することができる。いくつかの実施形態において、濡れ性、付着を促進又は阻害する傾向、導電率、表面電荷、凝縮を促進又は阻害する傾向、蒸発、腐食、昇華、反射率、放射率、光フィルタリング（高、低、又はバンドパス）、光吸収（偏光を包含する）、及び流体吸収を包含するが、これらに限定されない、基板表面の1つ以上の物理的特性を改質又は変更するため、１つの以上の表面構造及び／又は１つの以上の層が基板表面に適用されてもよい。
【００６３】
本明細書に記載されているように、修飾された表面は、基板に改質物理的特性の組み合わせを提供するように設計されている。いくつかの実施形態において、改質された物理的性質は下にある材料又は基板に内在することができる。なぜなら、改質された物理的性質は、コーティングの結果ではないが材料に内在するためである。換言すれば、いくつかの実施形態において、構造自体は所望の特性のうちの少なくとも１つを有している。例えば、構造の寸法が２００ｎｍ以下を有し、階層的なナノテクスチャー（ナノオンマイクロ、又はナノオンナノ、例えば、粗いエッジを持つピラー）を有する場合、ナノ粒子は、ＵＶブロッキングと霜防止を得るために必要ではない。ＩＲ遮断も加えるため、ナノ粒子をＵＶ遮断構造上に堆積させることもできる。その構造は本質的に紫外線遮断及び霜防止であるが、本質的に赤外線遮断ではない。この事実は、長期にわたる物理的特性の一貫性と同様に耐久性の向上をもたらす。強化された耐久性は、そうでなければコーティングされた表面で発生する可能性のある摩耗や層間剥離による物理的損傷に対する向上した耐性を提供する。以下では、いくつかの例示的な用途及び実施形態について説明する。いくつかの用途が例と共に記載されているが、これらの例は限定的であることを意味しない。例えば、以下の例は航空機に関連するものとして説明されているが、それは海軍車両又は他の分野にも適用され得る。
【００６４】
電波吸収と組み合わせた霜防止。
この実施形態において、航空機、ヘリコプター、無人機、又は他の飛行中の航空機の１つ又は複数の外面は、（疎水性であることによって）氷の形成を抑制するように改質され、且つ、レーダー（例えばステルス）による検出を防ぐため、電波を吸収させることができる。この用途において、外面をそれらの製造後に修正することができるか、又は表面増強法を関連構造部品の製造中に適用することができる。例えば、本開示に記載されているような方法は、航空会社によって製造された翼に適用することができるか、又はこれらの方法は翼の製造に統合することができる。
【００６５】
（航空機の外部の）外部表面を含む構造は、航空機の空力性能又は流体力学的性能を改善するために改質することもできる。例えば、航空機の表面は、電波を吸収することができる材料のベース層を組み込んだ複合体(composite)から作ることができる。次に、複合パネルの表面をテクスチャ化することにより、疎水性表面処理を適用することができる。たとえば、霜防止及び電波吸収効果を作成するため、鉄ナノ粒子を含有する複合体をマイクロサイズ又はナノサイズのフィーチャ（例えば、スパイクや穴など）でテクスチャ化することができる。様々な実施形態において、複合パネルの異なる部分は、より多くの電波吸収特性を備えてもよく、他の部分はより大きな疎水性特性を有してもよい。別の実施形態において、航空機の表面は、大きな構造の特徴的な長さが電波を吸収するように設計され、且つ、小さな構造の長さが水と氷をはじくように疎水性になるように設計される、階層構造を有することができる。階層ディメンションの一例としては、マイクロスケール又はナノスケールのフィーチャと組み合わせたミリメートルスケールのより大きなフィーチャであり得る。
【００６６】
ＵＶ及びＩＲ吸収と組み合わせた抗霜／霧。
この実施形態において、車のフロントガラスは、その外面での霜の形成を防ぐように、並びにその内面での結露の形成を防ぐように、製造することができる。フロントガラスは、太陽からの紫外線を吸収又は散乱するように、並びにＩＲ光を吸収するように作成することもできます（例えば、暑い気候で車内の温度を調整するため）。たとえば、多機能表面は、サイズが４００ｎｍ未満のいくつかの構造と、サイズが１００ｎｍを超えるいくつかの構造を持つように、内側又は外側にテクスチャ加工されたガラス風防ガラスを含むことができる。大きな構造は霜の形成を抑制する一方で、可視光を通過させる。より小さい構造は、ＵＶ散乱及び／又は吸収を促進する。この実施形態は、可視光の散乱を回避するのに十分小さい一方で、ＩＲ吸収を可能にするバンドギャップを有する半導体ナノ粒子のコーティングを有することもできる。コーティングを窓に塗布し、次いで、可視光に対しては透明で、UV光に対しては不透明のままで、曇り止め特性を有効にするためにテクスチャ化することができる。
【００６７】
ＵＶ吸収、偏光、軸外光除去、及び任意の組み合わせでの反射防止と組み合わせた防曇。
この実施形態において、レンズ（ゴーグル、眼鏡、マスク、又は他のアイウェア用）は、特定のナノテクスチャを有するように製造される。ナノテクスチャのサイズはＵＶ吸収と曇り止めを可能にする一方で、高さは可視光の反射防止を可能にし、形状は偏光を可能にする。たとえば、非球形ナノ粒子、例えば楕円形ナノ粒子など、を使用すると、偏光制御が可能になる。これらの効果を達成するには、次の条件を達成する必要がある。：
１）構造は、入射するＵＶ光を散乱させるのに十分な大きさでなければならない。例えば、構造は、それぞれが１００〜３００ｎｍの幅を有する要素を有し得る。
２）曇り止めを実現するために、構造は、構造のために意図された湿度及び表面温度の動作条件で、水滴の特徴的なサイズ以下の距離で間隔を空けて配置する必要がある。例えば、間隔は10マイクロメートル未満であり得る。
３）反射防止を実現するには、ナノ構造は垂直の高さを持つ必要があり、それにより、空気とナノ構造によって形成される有効媒質が反射防止条件を確保するように調整される。
４）偏光制御と軸外光除去を実現するために、ナノ構造は多くの次元のうちの１つ以上で異方性でなければならない。例えば、構造を形成する要素は、アスペクト比が１より大きい、例えば１．５で、細長くすることができる。たとえば、アスペクト比は、細長い形状の縦軸と横軸との間の比と考えることができる。ナノ構造はまた、傾けることができ、それにより、一方向の光の経路差が他の方向と異なる。ナノ構造は、光の進行方向における構造の特徴的な寸法（たとえば、ナノピラーの幅や高さなどの構成要素のサイズ）が散乱サイズ（たとえば、可視光の場合は４００ｎｍ）より小さく、且つ、異なる方向の散乱サイズよりも大となる（たとえば、４００ｎｍを超える）。
【００６８】
広帯域の反射防止、広帯域の吸収及び伝導性と組み合わせた防曇/霜。
この実施形態において、太陽電池の効率（すなわち太陽光を電気に変換する能力）を高めるために一連の構造及び層が太陽電池に追加される。光吸収の範囲を広げるために、様々なバンドギャップを有するナノ粒子の１つ以上の層を太陽電池の最上面に加えることができる。より広い範囲の波長が太陽電池によって吸収され得るので、これは太陽電池が太陽からより大きなパーセンテージの光を捕捉することを可能にする。これらの層における光吸収によって生成された電子の収集を容易にするために、太陽電池基板でエネルギーを収集することができるように、ナノ粒子間又はナノ粒子と基板との間のリンク（又は周囲の媒体）を導電性にすることができる。太陽電池の表面での霜の形成や塵埃の収集を防ぎ、及び従って収集効率を向上させるため、ナノ粒子吸収体層の最上部に層を追加することができる。加えて、宇宙への大気波長の窓がある、赤外線帯域の中長波長範囲（約８マイクロメートル、たとえば７．５〜８．５マイクロメートルの範囲）で放射を放出するように、１つ以上の層を設計することができる。宇宙の寒い暗闇への光の放出に起因する、明るい日光の下でも効率を改善するため、太陽電池を冷却するため、この放射を使用することができる。言い換えると、太陽電池に追加された改質された層は、宇宙に熱を放射することにより、太陽電池を冷却するために赤外線帯域で放射するように設計することができる。他の実施形態において、太陽電池の底部は、太陽電池の吸収領域に向かって戻る太陽光の散乱を促進するように調整することができる。いくつかの実施形態において、それらの収集を増加させるため、より長い波長の光子をより短い波長の光子に変換するように、太陽電池の底部は、アップコンバートするナノ粒子を包含するように改質することができる。これらのより短い波長の光子からのエネルギーは、それらの変換に近い場所で収集することができるか、又はより理想的な場所で吸収するためにセルの主要部分に反射して戻すことができる。
【００６９】
ナノ粒子の単一の単層、ナノ粒子の複数の単層、又は表面の特性を変更するより複雑な構造の製造において、いくつかのパラメータは、所望の特性を達成するように制御することができる。例えば、ナノ粒子のサイズ及び組成は、所望の機能性、例えば防曇、可視光線透過率、紫外線遮断、及びエッチング耐性など、を達成するように制御することができる。ナノ粒子の凝集もまた制御可能なパラメータである。例えば、スプレー中に粒子上の静電荷又はスプレーノズルに印加される超音波エネルギーは、ナノ粒子間の凝集に影響を及ぼし、不均一な堆積を引き起こす可能性がある。静電及び超音波エネルギー入力電荷を制御することは、ナノ粒子の基板への制御された広がりを可能にする。例えば、１つのターゲットは、３個未満のナノ粒子を凝集させることであり得る。いくつかの実施形態において、ナノ粒子を塗布する前に、表面コーティングを基板上又はナノ粒子上にスプレーすることができる。噴霧を最適化するために流体パラメータを制御することもできる。例えば、粘度、揮発性及び誘電率、ならびに液体が粒子を懸濁する能力は、液体の選択において考慮されるべき特徴である。例えば、いくつかの実施形態において、液体の誘電率は１０より高い。考慮すべき他のパラメータは、スプレーされる表面の表面張力である。いくつかの実施形態において、表面張力は噴霧された流体に適合する。基板の表面ポテンシャルも考慮することができる。
【００７０】
図８は、実質的にＵＶ光を遮断しながら、可視光に対して実質的に透明である例示的な表面を示す。ＵＶ光は、可視光と比較してより短い波長を有する。ナノ構造化表面を有する同じ表面は、入射可視光と比較して入射ＵＶ光に対して異なって見える。この例において、表面（８０５）は、不均一なギザギザのナノ構造を含み、これは、拡大された方法（８０６）で見たときに粗いと説明することができる。ＵＶ光は著しい散乱を受け、透過光（８１５）は、反射される光（８１０）よりも低い全体の総強度を有することになる。しかしながら、可視光（８２１）の場合、同じ構造は、ＵＶ光の場合と比較して、より小さいサイズ、又は粗さ、を有するように見える。換言すれば、可視光の場合、ナノ構造は小さく見える。（入射光の波長に対する）減少した粗さは散乱の減少を引き起こし、光の全透過強度（８２０）は反射光の強度（８２５）よりも高くなる。波長の違いにより、表面はＵＶ光に対して粗く見え、且つ、可視光に対して滑らかに見え、散乱に違いが生じる。
【００７１】
図９は、図８に関して上述したように、ＵＶ遮断及び可視光透過のための例示的な表面を示している。この例において、表面は１００〜２００ｎｍの寸法で不均一なギザギザのナノ構造を持ち、含む。この構造は、霜防止用途にも使用できる。４０ｎｍ範囲の寸法の構造は、可視光に対して透過性でありながら、霜防止用途に使用することができるが、寸法を１００〜２００ｎｍに増やすことはＵＶブロッキングをも可能にする。実際、４０ｎｍ範囲の寸法の構造は、液滴のサイズが４０ｎｍより大きい場合、曇り防止を可能にする。この場合、液滴は表面に形成しない、又は付着しないようになっているためである。構造が１００〜２００ｎｍ範囲の寸法を有する場合、液滴のサイズはさらに大きくなるため、防曇特性は保持されるが、ＵＶブロッキングの追加された機能性が追加される。
【００７２】
いくつかの実施形態において、表面は、一実施形態において、曇り領域及び曇り防止領域をもたらすであろうテクスチャ化及び非テクスチャ化領域を定義するため、パターン化され得る。例えば、ナノ粒子は制御された方法で噴霧することができる。スプレーパターンは先端が細いペンの形状になるように調整できる。スプレーパターンの断面は、パターニングされる領域の最小のフィーチャと同じであろう。例えば、異なる特性（例えば、曇り対曇り防止）を有する領域がｘマイクロメートル幅である場合、噴霧されたナノ粒子懸濁液の断面もまたｘマイクロメートル幅となる。スプレーの空間選択性に起因して、被覆されている領域だけが防曇特性を有するであろう。いくつかの実施形態において、スプレーコーターは、約１ミクロンのスポットサイズを達成することができる。いくつかの実施形態において、スプレーはインクジェットを用いて達成することができる。
【００７３】
他の実施形態において、シャドーマスクは、その上に噴霧される表面の特定の領域をブロックするために使用することができる。シャドーマスクをスプレーし、除去した後、対応する環境条件に置かれた場合、表面のブロックされた領域は曇る一方で、ブロックされていない領域は曇らない。上記方法の可能な用途は、異なる表面上にロゴを製造することである。例えば、例示的な用途は、ホテルブランドのロゴを明らかにするために曇るであろう鏡の小さな領域を除いて、曇らないホテルの浴室用鏡であろう。他の例において、テキストの他の字体(types)を表面上にデザインすることができる。
【００７４】
いくつかの実施形態において、ロゴは、金属シートなどの材料シートに穴を作成することにより製造することができる。穴は、テキスト又は画像、例えばブランドロゴ、を形成するように形作ることができる。その後、ナノ粒子マスク及びエッチングをスプレーコーティングによって金属シートを通して別の基板に施すことができる。金属シートが鏡を製造するために使われるならば、ナノ粒子はブランドロゴの形状で鏡をコーティングする。湿度が十分に高い場合に曇るであろう表面の残りの部分とは異なり、この限られた表面は防曇特性を有する。ロゴ又は所望のパターンだけが曇り、残りが曇らないという逆の場合も、金属内の穴の形状及び後続の処理ステップに応じた一選択肢である。
【００７５】
いくつかの実施形態において、本開示に従って製造した構造は、材料が摩耗するにつれて新しいナノテクスチャを露出する耐摩耗性構造である。構造は、（環境と接触している）外部層が徐々に摩耗し、内部層が次第に露出しても、それらの機能をそのままに保つように設計及び製造されている。たとえば、構造は複数の層を含むことができる（たとえば、背の高い構造体）。しかしながら、構造体に階層を持たせることができるため、構造体の最上部が削除されると、構造体の中央部分とベース部分には、曇り止めテクスチャが引き続き使用可能である。
【００７６】
いくつかの実施形態において、階層的表面の製造により、異なる特性を持つ表面、例えばＵＶ保護及び防曇能力の両方を有する表面など、が可能になる。例えば、それぞれ異なる数の粒子を有するか、又はそれぞれ異なるサイズの粒子を有する、異なる層が使用されてもよい。これらの実施形態において、構造のサイズは、ＵＶ光を遮断しながら、可視光が表面を透過することを可能にする。粒子は、構造の疎水性を制御するか、又は防曇効果を可能にするのに十分近くに配置できる。いくつかの実施形態において、球状粒子の代わりに、細長い粒子を偏光制御に使用してもよい。例えば、ロッド又は楕円体が使用されてもよい。
【００７７】
いくつかの実施形態において、構造のアスペクト比を増加させることにより反射防止を達成することができる。たとえば、背の高い構造は反射防止に使用できる。構造における各要素の最大幅は、特定の波長に対する透明度を制御する。例えば、図９を参照すると、ピークの各々（９０５）は高さと最大幅を有する。ピークは、ギザギザの構造を表してもよいか、又は他の実施形態において、構造はナノピラー、マイクロピラーによって、又は粒子の構造化された層によって形成されてもよい。たとえば、粒子は、ピラーを形成するように配置することがきる。これらのピークの高さは、表面の反射率を制御できる。したがって、より高いピークを持つ構造を持つことは、表面に反射防止特性を与えることができる。ピークの幅（例えばナノピラーの幅）は、特定の波長の光に対する透明度を制御できる。光の透過を制御する幾何学的な寸法は、入射光の方向において構造を形成する要素の最大幅である。たとえば、最大幅が１００〜２００ｎｍである場合、可視光は透過されながら、ＵＶ光は効果的にブロックされる。
【００７８】
いくつかの実施形態において、表面は、以下に説明される概念に従って、反射防止特性又は高反射特性を有するように改質することができる。
【００７９】
いくつかの実施形態において、表面は、テクスチャ化されていない表面と比較して、表面に入射する光の反射率を増加するか、又は減少させるようにテクスチャ化されている。これらの例において、表面テクスチャの特徴的な横方向の寸法は、光の波長よりも小さい。表面テクスチャは多くの要素、例えば、ナノ粒子、又はナノ粒子群、ナノピラー、ナノロッド、不規則なギザギザのピーク、均一な三角形の構造、又は他のタイプの構造など、を含んでもよい。表面テクスチャ全体を構成する要素の横方向は、表面の平面内、たとえば各ナノピラーの幅、又はピラーの幅が均一でない場合、ナノピラーの平均幅、として定義できる。
【００８０】
表面に垂直なテクスチャの深さは、表面の屈折率を変更するように設計できる。たとえば、柱の高さは表面テクスチャの屈折率を制御する。表面上の構造の深さは、指定された波長、又は波長範囲における、光の建設的又は破壊的な干渉を引き起こす。当業者に知られているように、電磁放射は、異なる屈折率を有する材料間の各界面において、反射及び透過を受ける。適切な条件において、例えばナノメートル又はマイクロメートルのオーダーの寸法を有する構造において、電磁放射は干渉を受け、これは建設的又は破壊的となり得る。この効果は、その特定の波長で建設的干渉又は破壊的干渉が望ましいかどうかに応じて、各層の厚さを適宜選択することにより制御できる。テクスチャ表面が吸収材料を使用して製造される実施形態において、表面反射率の変更は、テクスチャ化されていない表面と比較して、特定の波長又は入射光の波長範囲において吸収率を増加又は減少させる場合もある。テクスチャ化表面が透明材料を使用して製造される他の実施形態において、表面反射率の変更は、テクスチャ化されていない表面と比較して、入射光の特定の波長又は波長範囲において透過率を増加又は減少させ得る。
【００８１】
表面の偏光特性は、表面構造を設計することによって制御することもできる。いくつかの実施形態において、表面に入射する光の反射、透過、又は吸収が表面に入射する光の偏光に依存するように、表面がテクスチャ化される。たとえば、環境から反射された光は、好ましい偏光を輸することがある。反射を減少させるため、表面はこの偏光に反応することができる。たとえば、この効果はサングラスで使用できる。これらの実施形態におて、表面テクスチャの特徴的な横方向の寸法は、入射光の波長よりも小さい。これらの実施形態において、横方向は、表面の平面内の方向、例えば表面に平行な縦軸で形成されるビームの長さ、として定義される。いくつかの実施形態において、表面は、二色性又は複屈折特性を持つ材料を使用して製造することができる。いくつかの実施形態において、表面は、単一の材料又は材料の組み合わせの改変から生じる二色性又は複屈折特性を有する材料を使用して製造することができる。いくつかの実施形態において、表面は、ヨウ素ドープドポリビニルアルコールから合成されたプラスチックを使用して製造することができる。他の実施形態において、表面は、材料の固有の原子構造に起因する二色性又は複屈折特性を有する材料を使用して製造することができる。
【００８２】
いくつかの実施形態において、表面に入射する光の吸収が光放射の電場の方向に依存するようなやり方で、表面をテクスチャ化することができる。したがって、表面は偏光効果を得ることができる。これらの実施形態において、表面は、異なる光学特性を有する材料の最上部に有限の厚さの吸収層を有する材料を使用して製造することができる。これらの実施形態において、表面テクスチャは、吸収層における不連続性なしに表面に垂直な深さまで延在する。これらの実施形態において、構造は、電場に垂直な方向に対して（電磁放射が照射される表面の平面内）、入射光（入射電磁放射）の電場に平行な方向に非対称である。非対称性のため、構造の要素が伸びる方向に平行な電界を持つ放射線は、細長い軸に垂直な電界を持つ放射線と比較して、優先的に吸収される。全体的な効果は、構造が偏光特性を有するということである。細長い構造はさまざまな方法で実現可能である。たとえば、各粒子又はロッドの縦軸が共通の平行方向に整列している場合、細長い楕円形の粒子又はナノロッドを使用することができた。
【００８３】
図２５に示すように、互いに間隔を空けて平行に並んだ導電性ワイヤのアレイを考慮することにより、分極効果を理解することができる。図２５は、５００ｎｍの入射放射に対して、幅（長方形断面のワイヤの場合）又は直径（円形断面のワイヤの場合）が５０ｎｍ、間隔が２５０ｎｍの、例示的ワイヤを示す。したがって、間隔は入射波長にほぼ匹敵する（又はわずかに小さい）一方で、幅は波長よりもはるかに小さい。入射波が（２０１５）（図の平面内）におけるように面内に向けた電界と、（２５１０）として対応する磁場とを持つ場合、放射は、方向（２５１０）の電界を持つ放射と比較して、ワイヤの長軸（２５０５）に平行な方向（２０１５）の電界で優先的に吸収される。したがって、導電性ワイヤのアレイを含む表面は、偏光感受性である。
【００８４】
同様の構造は、表面に細長い粒子もしくはナノロッドをスプレーコーティングする（もしくは浸漬する）ことにより、又は表面にビームをエッチングすることにより、実現できる。例えば、スプレーコーティング中又は浸漬中の配向は、印加された電界、磁界、又は電界と磁界の両方の下で実行できる。細長い粒子が電気的に分極しているか、又は磁場に敏感である場合、粒子は堆積中に平行方向に整列する可能性がある。例えば、上記の本開示は、無機前駆体を使用することにより、表面上の粒子の安定した結合をどのように可能にするかを説明した。粒子が細長い場合、バイアス場の下で行われたコーティングは、単独で、又は上記で議論したような他の表面改質（ＵＶブロッキング、防曇など）と組み合わせて、偏光感受性表面の作成を可能にすることができた。
【００８５】
いくつかの実施形態において、偏光感受性表面を作成するために、不連続部間の横方向の間隔は、入射電磁波の電界に平行な方向の不連続部間の間隔と比較して、電界に垂直な方向では小さい。いくつかの実施形態において、テクスチャ化された表面は、テクスチャード化されていない吸収層上に粒子を堆積させることにより作成される。これらの例において、粒子は特性軸を有する。この特性軸に沿って、粒子は特性軸に垂直な軸に沿った粒子の寸法と比較して少なくとも２倍の長さです。
【００８６】
粒子は、特定の横方向に優先的に整列させることができ、且つ、いくつかの実施形態において、粒子は、下にある表面にパターンを転写するためのマスクとして使用される。結果として生じるテクスチャ化された表面は、光の偏光に依存する表面への入射光の吸収をもたらす。いくつかの実施形態において、細長い粒子は、外部から印加される電場又は磁場を使用して粒子を非テクスチャ化表面上に整列させることができるように、電気又は磁気極性を有する。いくつかの他の実施形態において、細長い粒子は、粒子が互いに電磁相互作用を介して非テクスチャ化表面上に整列できるように、電気的又は磁気的極性を有する。他の実施形態において、細長い粒子は、粒子が分子間の化学反応を介して非テクスチャ化表面上に配置できるように他の分子に付着している。いくつかの実施形態において、細長い粒子は、ＤＮＡの自己組織化により粒子が非テクスチャ化表面上に配置できるように、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）に付着している。
【００８７】
他の実施形態において、細長い粒子は、特定の横方向に沿って粒子に速度を与えるプロセスを使用して、テクスチャのない表面に適用される。これにより、粒子の最長寸法が同じ方向に配向されるように粒子を整列させる。他の実施形態において、細長い粒子は、テクスチャのない表面に適用され、その後特定の横方向に引き伸ばされる。これにより、粒子の最長寸法が同じ方向に配向されるように粒子を整列させる。いくつかの実施形態において、細長い粒子は、表面上にすでにパターン化されたフィーチャとの化学的又は電磁的相互作用を介して非テクスチャ化表面上に配置される。いくつかの実施形態において、細長い粒子は、入射波長に匹敵する長手方向の長さ、及び入射波長よりも小さい幅（面内）を有するであろう。図２５は、ワイヤ（２５０５）と機能的に同等の構造を形成するため、粒子の極性軸に沿って整列された細長い粒子（２５２０）の一例を示す。
【００８８】
いくつかの実施形態において、表面に対して光が透過又は反射される角度を制限するように、表面はテクスチャ化されることができる。たとえば、そのような表面は、特定の角度からのコンピューター画面の表示を制限するためのプライバシー画面として使用できる。これらの実施形態において、表面に垂直なテクスチャの深さは、光の波長よりも大きい。たとえば、ナノピラー又はナノビームの高さは、入射光の波長よりも大きい場合、特定の角度での反射を制限する。たとえば、特定の値よりも大きい角度での反射は制限され、及びしたがって、画面の正面に実質的に面している観察者のみが画面の詳細を識別できる。いくつかの実施形態において、テクスチャ化された領域内の空隙（例えば、ナノピラー間の空き空間）は、異なる屈折率の材料で部分的又は完全に満たされている。このようにして、テクスチャ化された領域は、充填された材料によって機械的に強化される。いくつかの実施形態において、テクスチャ化された領域は溶液ベースのポリマーで満たされる。溶液ベースのポリマーは、固体マトリックスを形成するために、続いて硬化される。高アスペクト比のピラーを持つ構造は、垂直光ファイバーのアレイとして機能することが理解できる。光ファイバの内部反射により、光ファイバから出ていく際の光の放出が円錐に制限される。同様に、特定の角度からの光がピラーの最上端に入射できることが理解できる。いくつかの実施形態において、ピラーを通って構造を出ていく光は、平行な光ファイバーのアレイと同様の方法で作用することができる。いずれにせよ、特定の角度での光の反射又は透過は、設計により制御できる。いくつかの実施形態において、高アスペクト比のピラーは表面の反射率を制御できる。本開示に記載されている原理に従って、追加の特性を制御することができる。たとえば、各ピラーの幅が約１００〜２００ｎｍの場合、構造体は可視光に対して透過性でありながらＵＶ光を遮断できる。
【００８９】
以下では、表面特性の改質のいくつかの例が、図２６〜図３０を参照して説明される。例えば、図２６は、図１〜７を参照して上述した方法のいずれかで表面に堆積された微小球（２６０５）の例示的な単層を示している。図２６は、ナノ粒子又は微小球をエッチングマスクとして使用する例示的な方法も示している。粒子（２６１５）は、所望のパターン、例えば平行な列又は平行な破線で堆積させることができる。続いて、粒子をエッチングせずに基板をエッチングできるエッチャントにより、エッチングステップが行われる（又は、少なくとも2つの材料についてのエッチング速度に大きな違いがある場合）。その結果、粒子で覆われていない基板の領域がエッチングされ（２６１０）、例えば、基板上に平行ビーム（粒子の平行列の場合）又はナノピラー（粒子の平行破線の場合）が形成される。したがって、上記のエッチングプロセスは異方性とみなすことができる。その後、用途に応じて、粒子を除去するか、又は表面に残すことができる。たとえば、図２６は各ビームに単一の粒子を示す。しかしながら、代わりに１つ又は複数の粒子の単分子層を持つ複数の領域を堆積することもできる。したがって、エッチャントによって攻撃されなかった表面は、本開示で上述したように、粒子の構造によって修正された表面特性を有することができた。エッチングされた表面は、例えば、基板の物理的又は化学的特性をさらに修正するため、追加のナノ粒子構造を追加することにより、引き続き処理することもできる。
【００９０】
例えば、図２８に示すように、追加の粒子を間隔内のビーム又はピラーの表面上に堆積させることができる。いくつかの実施形態において、ビーム又はピラー上に横方向に堆積する粒子間に間隔を残すことができる。たとえば、間隔は粒子の直径の２倍より大きい場合があり得たが、ただし、これより小さくても大きくてもかまわない。表面特性を変更するため、これらの粒子を使用することができる。いくつかの実施形態において、粒子をエッチャントマスクとして使用して、例えば図２７（２７０５）に示すように、ピラーの側面に追加の構造を作成することもできる。いくつかの実施形態において、表面のいくつかの特性を一度に制御することができる。たとえば、図２７におけるのビーム又はピラーの高さ、及び間隔は、特定の波長に対する透過性、偏光感度、及び特定の角度での反射率を制御することができた。たとえば、高アスペクト比の構造は反射率を制御することができた一方で、構造の要素間の間隔、並びに構造の要素の高さ及び幅は、特定の波長での偏光感度及び透明度を制御することができた（例えばＵＶブロッキング）。
【００９１】
図２７は、例えばレーダステルス面を製造するために、レーダ反射に使用することができる例示的な溝又はピラミッド（２７１０）を示している。例えば、溝は、レーダに使用される波長程度の横方向又は深さ寸法を有することができた。溝のアレイは表面のレーダ反射率を制御することができた。本開示で上述した方法を用いて、追加の特性、例えば防曇又は防曇など、を追加するために、溝をさらに修正することもできる。例えば、図２８は、追加の構造がより小さなスケールで追加された、溝又はピラミッドを示している。例えば、ビーム又はピラー（２８１０）は、図２６（２６１０）又は図２７（２７０５）におけるように粒子マスクを使用することによってエッチングすることができた。いくつかの実施形態において、溝又はピラミッドは、ミリメートル範囲の寸法を有することができる一方、（２８１０）のような追加のテクスチャは、ナノメートルの範囲内にあり得た。可能性のある用途は、霜に強い表面（例えば飛行機の翼）をより低いレーダーシグネチャで製造することであり得た。いくつかの実施形態において、図２８の構造の凹部内に堆積した粒子間のギャップは、粒子の直径の２倍よりも実質的に大きい。図２７において、形状はピラミッドを表すことができた。
【００９２】
図２７及び２８を参照すると、たとえば（２７１０）又は（２８１０）における表面の粗さが５０ｎｍから１マイクロメートルの場合、レーダに対する視認性も低い本質的に霜防止構造材料を実現できる。いくつかの実施形態において、表面は、小さな構造のアレイ、例えば（２７０５）など、を含んでもよい。各逆ピラミッド（２７１０）又は溝の横方向の寸法は、１ミリメートルのオーダーであり得る。
【００９３】
図２９〜３０は、構造の例示的なアレイを示している。たとえば、ナノピラーのアレイ（２９０５）又は図２９における上から見た長方形の断面構造は、表面特性を制御するために使用することができる。図３０は、表面上の構造の側面図を示し、ここで、構造は傾斜した側面（３００５）を有する。いくつかの実施形態において、最上部に追加の材料が存在してもよい（３０１０）。図３０の構造は、例えば、図２６に示すように粒子でマスキングすることにより製造することができる。表面の特性をさらに修正するため、粒子を図３０の構造上にコーティングすることもできる。
【００９４】
図３０において、三つの異なるゾーン：
第１のゾーン（３０１５）、ここで基板は屈折率ｎ１を有する、と、
屈折率ｎ２（３０２５）を有する第２のゾーン（例えば、空気）と、
第３の（有効）屈折率ｎ１（ｚ）を有する第３のゾーン（３０２０）と、
を区別することが可能である。第３のゾーンは、第１の屈折率と第２の屈折率との両方を有する領域を含み得る。第２ゾーンの媒体が第３ゾーンの要素の間隔の間に存在する場合（例えば、ビーム間の空気）、当業者によって理解されるように、第３のゾーンの有効屈折率は、第１及び第２のゾーンの屈折率の幾何平均として計算することができる。入射光に関して表面の特性（例えば透明性）を修正する構造は、第３のゾーンにおいて製造することができる。いくつかの実施形態において、第３のゾーンの厚さ、深さ又は高さは、入射波長と第３の区域の有効屈折率との間の比の１／４に等しい。表面が電磁波にどのように反応するかを調整するため、図３０における要素の高さ、間隔、厚さを制御することができる。例えば、要素間の間隔は、入射波長の半分未満であるならば、入射波長を遮断する可能性がある。
【００９５】
例えば、図３０のような構造は、要素間の間隔が約２５０ｎｍであれば、ＵＶ光を遮断し、可視光に対して透明であり得る。ＵＶ光は間隔に匹敵する波長（例えば４０〜４００ｎｍ）を有するので、この間隔はＵＶ光を遮断するが、５００ｎｍ以上の波長の可視光は表面を透過する。図３０の構造は、ＵＶを遮断するように、且つ、可視光に対して透明であるように設計されている場合、他の特性、例えば防曇又は反射防止など、も同様に有するようにさらに修正することができる。構造体の厚さが入射電磁波の透明度に影響を与える１つの方法は、各境界での反射に起因する、例えば、材料と空気との間の境界。異なる境界からの反射は建設的又は破壊的な方法で干渉する可能性がある。構造を含む第３のゾーンが有効（例えば幾何平均）屈折率及び厚さを有すると考えられる場合、第１のゾーンと第３のゾーンとの間、及び第３のゾーンと第２のゾーンとの間の境界での建設的又は破壊的な干渉は、入射電磁波に対する構造の透明性を制御すると考えられる。
【００９６】
図２６を参照すると、構造は、赤外光を吸収するために、特定の直径のＩｎＧａＡｓ粒子（２６１５）を含むことができる。粒子の直径は、構造内の要素の幅を制御するであろう。構造の深さ（高さ）は表面の反射特性を制御することができた。要素間の間隔は表面の防曇特性を制御することができた。いくつかの実施形態では、構造の高さは約４００ｎｍであり得た。
【００９７】
図３６は、多機能構造（３６０５）の例示的な実施形態を示している。この例において、構造はピラーの繰り返しアレイを含み、各ピラーは図２７と同様に凹部を持つ。いくつかの実施形態において、凹部は、粒子をエッチングマスクとして使用するディファレンシャルエッチングによって製造されてもよい。この例において、得られる構造は粒子の単層で覆われている。ピラーの横方向の寸法（３６１０）はｘで示すことができ、ピラーの高さ（３６１５）はｙで示すことができ、他の横方向の寸法（３６２０）はｚで示すことができる。表面のさまざまな特性を制御するため、これらのパラメータを変更することができる。加えて、他のパラメータ、例えば材料の選択又はピラー間の間隔など、も指定できる。たとえば、ｘが５０ｎｍ〜２５０ｎｍの場合、ＵＶブロッキングを可能にする。ｙが入射波長の約４分の１の場合、たとえばｙ＝１５０ｎｍ、反射防止を可能にする。ｚがｘより大きい場合、たとえばｚがｘの３倍以上の場合、表面は偏光する。加えて、単層を形成する粒子が２００ｎｍ未満の直径を有し、且つ、吸収材料でできている場合、粒子はＩＲ吸収を提供できる。例えば、粒子は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、又は同様の吸収材料でできていてもよい。ｘ及びｚが４００ｎｍ未満の場合、表面は可視光に対して透明になる。ｙがｘよりも大きい場合、たとえば少なくとも５倍（又は３倍）大きい場合、表面は角度選択性を提供することになる（たとえば、プライバシースクリーンプロテクターの場合）。いくつかの実施形態において、ｘ及びｚの値は実質的に等しくてもよい。
【００９８】
上記を考慮して、図３６の例において、ｘ＝ｚ＝２００ｎｍ、ｙ＝１５０ｎｍ、且つ、Ｓｉ粒子の直径が５０ｎｍの場合、可視光に対して透明なＵＶブロッキング、反射防止、ＩＲ吸収表面を実現することができた。
【００９９】
図３１は、その開示はその全体が参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第８６９１１０４に記載されているように、構造内に包含され得る例示的な要素を示す。いくつかの実施形態において、表面の疎水性を制御することは、上記の他の特性に加えて、以下に記載されるように、且つ米国特許第８６９１１０４号に記載されるように実施され得る。いくつかの実施形態において、図３１のように表面から投影された構造は、ネガティブスペースバージョンにおいても実現できる。例えば、図３１において、図の平面内で形状の向きを１８０°反転させるならば、形状を材料内の溝又は凹部として読み取ることも可能である。これらの形状は、表面から突出しているとみなされる形状のリエントラント又は反転バージョンとみなすことができる。これらの形状を有する構造は、他の所望の形状を生成するために任意の重み付けで加法的又は減法的に組み合わせることができる。
【０１００】
例えば、固定された巨視的表面積の場合、表面をナノテクスチャリングすることにより、たとえば、表面にナノ構造を提供することにより、微視的な表面積は変化することができ、制御することができる。したがって、微視的な表面積が増加する。特に、本開示によれば、単位面積あたりのナノ構造の数を増やすことにより、より高い微視的表面積を達成することができ、したがって、固定された巨視的表面積よりも高い微視的表面積を得る。液滴の特性に影響するテクスチャのサイズもミクロンサイズである可能性があり、及びしたがって、本開示で言及されるナノテクスチャのサイズは、サイズが１０００ｎｍ未満に制限されると見なされるべきではない。
【０１０１】
特に、いくつかの実施形態では、液体が表面となす接触角を制御することにより、表面の濡れ性を制御することができる。いくつかの実施形態において、表面の比表面積が大きいほど、流体と表面との接触角に対する影響が大きくなる。例えば、流体との接触角が小さい特に濡れ性が高い（親水性など）表面では、特に濡れ性の高い（例えば親水性）表面が流体との接触角が小さい場合、表面にナノ構造を提供すること、したがって、ナノ構造のない表面に対して比表面積が増加した表面を提供することは、表面に非常に高い湿潤性（例えば、超親水性になること）を提供することができ、流体との接触角が小さくなる。
【０１０２】
本明細書で使用する用語「比表面積」とは、単位質量、断面積又は別の定義された面積当たりの総表面積を意味する。例えば、２つの表面は、例えば表面に粗さを設けることによって、同じ巨視的表面積にわたって異なる比表面積を有することができる。第２の表面よりも大きい粗さを有する第１の表面は、第２の表面よりも高い比表面積を有すると予想される。
【０１０３】
ナノ構造フィーチャに関して、本明細書で使用される「高さ」という用語は、表面の基部からその遠位端までのナノ構造の高さを指す。
【０１０４】
ナノ構造フィーチャに関して、本明細書で使用される「距離」という用語は、ナノピラー間の距離を指す。距離は、１つのナノ構造の基部の中心から別のナノ構造の基部の中心まで、又は、１つのナノ構造の遠位端の中心から別のナノ構造の遠位端の中心まで、測定できる。
【０１０５】
ナノ構造フィーチャに関して、本明細書で使用される「直径」という用語は、ピラーの基部を横切る最大距離を指す。「直径」という用語は、ナノ構造の基部が円形である必要はないが、正方形、長方形、又は不規則な形状であってもよいため、ナノ構造フィーチャに関する用語「幅」と交換可能である。
【０１０６】
本明細書で使用される用語「透明」は、光を散乱させることなく、又は光の最小散乱で、材料／表面を通過する特定の波長範囲の光の能力を指す。したがって、光散乱に起因するいくらかの量の光損失は、本開示による透明材料／表面のサブセットである半透明材料／表面をもたらす可能性がある。本明細書で使用される「透明度」という用語は、光を散乱させることなく、又は光の最小散乱で、光が材料／表面を通過することを可能にする能力を有する材料／表面のフィーチャを指す。したがって、透明度という用語は、特定の範囲の波長の光、例えば、可視光、赤外光、紫外光など、に関して使用することができる。
【０１０７】
ナノ構造フィーチャに関して、本明細書で用いられる用語「壁粗さ」は、ナノ構造の全ての表面を含めてナノ構造の壁に沿って粗さを意味し、且つ、用語「表面粗さ」から区別される。壁粗さは、表面材料の異なる物理的状態の結果である。例えば、材料の非晶質形態対結晶質形態であって、前記非晶質形態はより滑らかな表面を有し、前記結晶形態は微結晶に起因するより粗い表面を有する。別の例として、壁粗さは、材料の多孔度の結果である。高い多孔度は、より低い多孔度の材料よりも粗い表面をもたらす。別の例として、壁粗さは、表面粗さをもたらす粒子を含む壁のコーティングにコーティングを施すことの結果であり得る。
【０１０８】
本明細書で使用される用語「ナノ構造」とは、柱状構造が実質的に直交した面から突出する柱状構造を意味する。本開示の意味におけるナノ構造は、例えば、ナノニードル、ナノピラー、及びナノコーンを包含する。ナノピラー、ナノニードル、及びナノコーンを含む本開示のナノ構造は、ナノピラーの頂部から底部まで表面に対して垂直であり得るか（傾斜角≒０）、又は突出する表面に幅の広い端部を有する円錐形又は針状の構造であり、前記表面から離れた点に達する（傾斜角≠０）。本開示によるナノ構造は、５ｎｍから１００ミクロンのサイズの範囲であり得る。
【０１０９】
ナノコーンに関してより具体的には、ナノコーンはナノコーン形状構造を包含することができる。ここで、ナノコーンの実質的に傾斜した表面が凹面又は凸面である。表面の濡れ性（例えば、疎水性又は親水性）は、表面上の水滴の接触角を測定することによって分析することができる。約９０〜１５０°の間の高い接触角を有する表面を、本明細書では、低い湿潤性を有すると定義することができる（例えば、疎水性表面）。約１５０〜１８０°の間のより大きい接触角を有する表面は、本明細書において超低湿潤性を有する（例えば、超疎水性表面）と定義することができる。約２０〜６０°の間の低い接触角を有する表面は、高い湿潤性を有するものとして分類することができる（例えば親水性表面）。約０〜２０°の間のより低い接触角を有する表面は、超高濡れ性を有するものとして分類することができる（例えば、超親水性表面）。
【０１１０】
いくつかの実施形態において、液体の流動特性は、表面を構成する材料の種類及び表面のナノ構造フィーチャによって制御することができる。特に、表面に制御流体特性を付与するため、ナノ構造を含む表面を使用することができる。より具体的には、ナノ構造の構成は、表面に、ナノ構造間の平均高さ（ｈａｖｇ）、平均傾斜角（ｉａｖｇ）、及び平均距離（ｄａｖｇ）に基づいて流体特性の制御を提供することができる。
【０１１１】
いくつかの実施形態において、ナノ構造の特定の構成の有効性、特に、特定の平均高さ（ｈａｖｇ）、平均傾斜角（ｉａｖｇ）、及び相互間の平均距離（ｄａｖｇ）のナノ構造は、ナノ構造を含む表面が液体と作る接触角を測定すること、及びこの接触角を所望の接触角と比較することにより、推定できる。
【０１１２】
いくつかの実施形態において、表面は剛体表面（rigid  surface）である。本開示の意味における剛体表面は、加えられた圧力によって容易に変形することができない材料を含む。例えば、剛体表面は、金属、セラミック、サファイア、フッ化物光学系、及びガラスを含み得る。本開示による金属は、遷移金属又は遷移金属合金；いずれのｐブロック金属又はｐブロック金属合金；及び半導体又は半導体合金；を包含することができるが、これらに限定されない。本開示によるガラスは、ボロシリケート、フルオロシリケート、ホスホシリケート、ボロホスホシリケート、及びアルミノシリケート、他の種類のケイ素系ガラス、及び金属ガラスを包含するが、これらに限定されない。
【０１１３】
光散乱液滴の形成を回避するため、凝縮物の湿潤を促進することにより、又は、表面の濡れ性を低下させ（例えば疎水性を高める）、水滴が玉になって急速に流れ落ちるようにすることにより、曇りを最小限に抑えることができる。さまざまな濡れ性の薄膜を堆積させることにより（例えば、親水性又は疎水性フィルム）、又は水の拡散を促進又は最小化するナノ構造を組み込むことにより、制御された方法で意図的にその粗さを増加させることにより、表面の濡れ性は変更できる。
【０１１４】
いくつかの実施形態において、表面粗さは、表面と液滴との間の大きな接触面積を作成することによって（例えば、疎水性又は親水性を高めるために）濡れ性を増加又は減少することが示されていた。接触角のこの変化は、液体−気体−固体平衡の動力学を変化させ、且つ、濡れ性、又はその欠如を増強する可能性がある。このように、わずかに濡れ性（又はわずかに疎水性）の表面は、粗さ又はナノスケールの表面テクスチャを追加することによって超濡れ性の表面（又は超疎水性）になることができる。液体は準安定状態になり、そこでは液滴が浮遊し、液滴の底に追加の液体／固体／気体の界面ができる。
【０１１５】
本明細書で使用される「抵抗」という用語は、特定の流体について表面の濡れが生じる速度を指す。たとえば、２つの異なる表面は特定の流体に対して同等の濡れ性を持つことができるが、表面の一方が液体に対する抵抗が大きい場合、表面の濡れの最終状態が同じであっても、濡れ性が低い可能性がある。
【０１１６】
いくつかの実施形態において、表面のナノ構造化により、表面と、表面に接触する流体との間の抵抗が増加する可能性がある。加えて、ナノ構造上の粗さは、表面と流体との間に追加の抵抗を提供する。壁粗さ／ナノ構造粗さは、表面材料の物理的状態の違いの結果であり得る。たとえば、材料の非晶質形態対結晶形態であって、ここで、前記非晶質形態はより滑らかな表面を持ち、前記結晶形態は微結晶(crystallites)に起因するより粗い表面を持つ。壁粗さは、材料の多孔性の結果であり得、多孔性が高いと多孔性が低い材料よりも粗い表面になる。また、壁粗さは、粒子を含む壁コーティングに表面粗さをもたらすコーティングを適用した結果であり得る。
【０１１７】
ナノ構造間の距離、ナノ構造の高さ、及びナノ構造の幅は、高さ、距離、幅、及び傾斜角／曲率によって生じる空間を排除するためのさまざまな抵抗を生み出す可能性がある。このように、高さ、距離、幅、及び傾斜角／曲率を制御することにより、異なる湿潤特性を得るため、流体に対する表面の抵抗を制御することができる。
【０１１８】
いくつかの実施形態において、平坦な表面上でより低い湿潤性を有する実質的に平坦な表面（非ナノ構造）は、本開示の実施形態に従って表面をナノ構造化することにより増大した湿潤性を示し得る。例えば、基板材料が本質的に低い濡れ性を有し、及びしたがって濡れを実質的に回避する場合、ナノ構造を表面に提供することは、その濡れ性を高めることができ、及びしたがって濡れ速度を制御することができる。加えて、濡れ性を高めるのに適したナノ構造を表面に提供した後、表面にコーティングを提供することにより、そこでは、コーティング自体が本質的に低いぬれ性（例えば疎水性）を示し、濡れ速度は、反対の濡れ特性（つまり、濡れ性の低いコーティング（例えば疎水性）と濡れ性の高いナノ構造表面（例えば親水性））に基づいて制御できる。
【０１１９】
例えば、表面上のナノ構造の構成は、表面の濡れ性を増加又は減少させるように構成することができ、且つ、コーティングは、コーティングの濡れ性に基づいて選択することができる（例えばコーティングは疎水性又は親水性である）。コーティングの選択及び反対の濡れ特性に基づいた表面構成は、コーティングの濡れ性が低く（疎水性など）、且つ、コーティングされたナノ構造化表面の濡れ速度を制御する手段を提供できるようなものである。
【０１２０】
例えば、製造時の典型的なガラス表面のＲａ（ＲＭＳ）は、約０．５ｎｍ未満である。ナノ構造を含む本開示の表面は、１〜４００ｎｍの範囲であり、通常のガラス表面よりも微視的に粗く、巨視的には滑らかな表面として見える。すなわち、ナノ構造製造前の対応する表面に見える。いくつかの実施形態において、ナノ構造を含む本開示の表面は約３０ｎｍであり得る。本明細書で使用される「湿潤」という用語は、液体が固体表面との接触を維持する能力を指し、且つ、固体表面と接触している液滴の表面積と液滴の総体積との比に関連することができる。ここで、総表面積に対する接触した表面積が大きいほど、濡れが大きい。
【０１２１】
ナノ構造化した表面における光透過を考慮すると、光散乱を回避するために、距離と幅の両方の特徴(feature)がナノ構造の所望のサイズに関連して考慮される。たとえば、両方の特徴は、光の透過が望まれる波長よりも短いため、光の散乱を避けることができる。
【０１２２】
ナノ構造間の距離及びナノ構造の幅は、光の波長の所定の範囲に対して表面の透明性を維持するように構成することができる。たとえば、約１０：１の波長とフィーチャサイズとの比は、より高い透明度を与える。ただし、透明度を少し損なうことで、より小さい比率を使用することができる。
【０１２３】
このように、光の所定の波長に関して特徴サイズを大きくすると、光の前記波長に関して表面の透明度が低下させることができる一方で、光の所定の波長に関してフィーチャサイズを小さくすると、光の前記波長に関して表面の透明度が高くすることができる。
【０１２４】
表面を貫通する光の通過が望まれる光の波長に応じて、ターゲットフィーチャサイズは変化し得る。たとえば、表面を貫通する紫外（ＵＶ）光の通過が望ましい場合、ＵＶ光の範囲が１０−４００  ｎｍの場合、可視光の範囲が４００〜７５０ｎｍの場合、可視光の通過が望ましい表面よりも、ＵＶ光の通過が望ましい表面上ではるかに小さなフィーチャサイズを使用できる。このように、表面を貫通する光の通過が望まれる光の波長が小さいほど、フィーチャサイズは小さくなり得る。しかし、透明性についての望ましい基準に応じて、波長の選択した範囲の最低波長に等しいサイズを有するナノ構造の寸法は、透明度が約１０％失われたナノ構造表面を提供することができる。
【０１２５】
特定の波長の光の透過性は、用途によっては考慮される場合があるが、液体の流体特性の制御が望まれる表面が不透明な表面である場合、この考慮は必要ではないかもしれない。たとえば、船体の防汚特性を達成するために流体特性の制御が望ましい場合、ナノ構造のサイズと周期性は、所望の接触角に基づいて選択することができ、光の通過を考慮する必要はない。
【０１２６】
いくつかの実施形態において、ナノ構造の高さは、摩耗率に基づいて選択することができる。例えば、光学レンズ上に表面を含むナノ構造は、船体又は飛行機上に表面を含むナノ構造よりも摩耗が少ない可能性が高い。したがって、摩耗が予想される用途では、より大きいナノ構造高さを使用することができる。このように、より高いナノ構造高さでは、流体特性の制御が影響を受ける前に、ナノ構造は、より短いナノ構造よりも大幅に磨耗する可能性がある。
【０１２７】
いくつかの実施形態において、基板の透明度は、ナノ粒子シャドウマスクに基づくエッチング処理の影響を受けない。これは、粗さの特徴的な長さスケールが、透過した可視光の波長よりも少なくとも４０倍小さいためである。
【０１２８】
いくつかの実施形態において、太陽電池の効率をブーストするために、表面を修正することができる。この実施形態の例示的なデバイスためのデバイス層は、図１０に概略的に示されている。図１０は、パネルａ〜ｃを含む。：
パネルａ（１００５）は、太陽電池の市販のパネル又は以前に製造されたパネルに吹き付けられる層を備えたデバイスを概略的に示す；
パネルｂ（１０１０）は、電子輸送層、正孔輸送層及び量子ドット（ＱＤ）吸収体層の間の関係を示す例示的なバンド図を示す；
パネルｃ（１０１５）は、正孔輸送層（ＨＴＬ）／電子輸送層（ＥＴＬ）のみを備えたデバイス、及びＥＴＬ／ＱＤ吸収体／ＨＴＬを備えたデバイスについてのシミュレートされた電流−電圧曲線を示す。
【０１２９】
図１０の構造は、例えば、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）及び／又は電流収集に使用される金属フィンガーグリッドアレイ又は電極アレイからなる下部電極層（１０２０）を含む。この下部電極（１０２０）の上に、電子選択性透明コンタクト層（ＥＴＬ、１０２５）を堆積することができる。層（１０２５）は、下部電極（１０２０）への電子の輸送を可能にし、且つ、アクティブ半導体層（１０３０）及び上部コンタクト（１０４０）から下部電極（１０２０）への正孔の輸送をブロックする。次に、量子ドット／微粒子層又はアクティブ半導体層（１０３０）を堆積させることができる。この層は、入射する太陽光子を吸収する。吸収体層（１０３０）上に、正孔輸送層（１０３５）が堆積され得る。この層は、電子が上部コンタクトに流れ込むのをブロックするため、ＥＴＬに類似している。続いて、例えば透明導電性酸化物及び／又は金属フィンガーグリッドを含む上部電極（１０４０）を堆積させることができる。
【０１３０】
図１０、パネルｂは、ＨＴＬ（１０３７）、吸収体（１０４２）、及びＥＴＬ（１０４７）の伝導帯及び価電子帯を備えた例示的なエネルギー帯図を示す。この図は、デバイスを通る伝導帯（１０５０、ＥＣ）、価電子帯（１０６０、ＥＶ）、及びフェルミ準位（１０５５、ＥＦ）を示す。当業者に知られているように、電子はバンド図においてより低いエネルギー状態に向かって移動する傾向がある一方、正孔は有効な正電荷を持つ準粒子として作用し、且つ、バンド図においてより高いエネルギーレベルに向かって移動する傾向がある。
【０１３１】
所望のように動作するデバイスの場合、ＥＴＬと吸収体層の伝導帯の差は小さくなければならない一方で、ＨＴＬと吸収体層の価電子帯の差は小さくなければない。ＨＴＬとＥＴＬとの間には、電流に対する大きなエネルギー障壁も存在するはずである。これは、図１０パネルｃにおけるデバイスの例示的なＩ−Ｖ曲線によって定量化され、ここで、デバイスについての曲線はバリア層（１０７０）のみを持ち、前記デバイスについての曲線はＱＤ層を備えたバリア層（１０６５）を持つ。具体的には、バリア層のみのデバイスのターンオン電圧（１０７５）は、他のデバイスのターンオン電圧（１０８０）よりも大幅に大きいことに注意できる。
【０１３２】
いくつかの実施形態において、上部電極と下部電極の両方を含む金属グリッドは、その上にスプレーオン光起電力デバイスが追加される、先に製造された光起電（ＰＶ）パネル（１０４５）の金属グリッドとして間隔を置かれるべきである。このアプローチは、金属グリッドによる反射に起因する光子損失を最小限に抑える。さらに、セルは、下にあるＰＶパネルと同じ寸法によってサイズ分類できる(sized)。各層についていくつかの例の材料オプションを表１に示す。電子輸送層と正孔輸送層の厚さは、たとえば１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲であり得る一方で、吸収体層の厚さは、たとえば１００ｎｍ〜５マイクロメートルの範囲であり得る。いくつかの実施形態において、ＱＤ層は、ナノ粒子又はマイクロ粒子の単層を含み得る。例えば、約１マイクロメートルの直径を有するマイクロ粒子又はマイクロスフェアの単層が使用され得る。いくつかの実施形態において、ＱＤ層の最適な厚さは約１マイクロメートルである。ナノ粒子の単層を複数持つか、又は直径１マイクロメートルの粒子の単層を使用することにより、１マイクロメートルの厚さを実現できる。いくつかの実施形態において、光起電性パネルの代わりに、他のタイプの太陽電池が使用されてもよい。
【０１３３】
いくつかの実施形態において、図１０の例示的なデバイスのレイアウトは、ＰＶパネルの底部に別の粒子多層をさらに含むことができる。この底部アタッチメントは、上部構造に似ているか、又は異なる構造を持っている場合がある。これらの実施形態において、例えば層（１０２０、１０２５、１２３０、１０３５、１０４０）を含む上部構造は、ＵＶ及び可視光の吸収を可能にするが、ＰＶパネルは近赤外光を吸収することができ、下部構造は長波長赤外光（ＰＶパネルで吸収される波長よりも長い波長）を吸収できる。ＰＶパネルの効率は、上面、底面、又は上面と底面の両方に安価に粒子を堆積させることにより大幅に向上させることができる。いくつかの実施形態において、層（１０４０、１０３５）及び（１０２０、１０２５）はそれぞれ１０〜１００ｎｍの厚さを有してもよく、一方、ＱＤ層は約１マイクロメートルの厚さを有することができた。
【０１３４】
マイクロスフェアを使用することの１つの可能な利点は、ほとんどの欠陥が粒子の表面に存在し、より大きな粒子がより大きな体積対表面積比を有するという事実により、より小さいナノ粒子と比較して欠陥が減少することである。いくつかの実施形態では、デバイスは、ＥＴＬ、ＨＴＬ、又はＥＴＬ及びＨＴＬのいずれもなしで、電極を備えたＱＤ層を含んでもよい。構造は、本開示に記載される液相成長、又は本明細書に記載される他の方法により製造され得る。いくつかの実施形態において、異なる寸法の粒子を同じＱＤ層、―たとえば、第１の直径を有する粒子の層、及び第１の直径より小さい第２の直径を有する粒子の第２の層―において使用できる。より大きな直径を有する層は、複数の層に堆積させることもできる。ここで、より小さい粒子はより大きい粒子間のスペースを埋める。デバイスの負荷を最適化するため、電極（１０２０）と（１０４０）との間の図１０の構造に電圧を印加することができる。例えば、構造は０．４〜０．５Ｖで動作し得る。いくつかの実施形態において、マイクロスフェア又はナノ粒子を生成するため、粒子は、バルク材料のボールミル粉砕により製造され得る。
【０１３５】
表１
【表１】
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【０１３６】
いくつかの実施形態において、ＰＶパネルに上部構造と下部構造を取り付けると、より広い波長スペクトルにわたって光吸収能力が向上するため、全体的な効率が、たとえば２５〜５０％になる。いくつかの実施形態において、上部構造の効率は、下にあるＰＶパネルの効率に有害な影響を与えないために少なくとも１３％である必要がある。ＰＶパネルに上部構造のみを追加した場合の全体的な効率は、たとえば約２５％になる場合がある。以下では、表１を参照して、ＰＶパネルに追加する層の材料の選択について説明する。表１は、オプションのETL及びHTLレイヤーの例示的な材料、並びにPVパネルの最上部に堆積させる構造のための材料、及びＰＶパネルの最底部に堆積させる構造のための材料を示す。同じ目的に適した他の材料は、表１の材料の代わりに用いてもよい。
【０１３７】
電子輸送層
電子輸送層（ＥＴＬ）のための材料オプションは、次の３つのカテゴリに分類できる。：
１．半導体吸収体層の伝導帯と一致する伝導帯を有するワイドバンドギャップ材料（例えば、バンドギャップＥｇ＞２  ｅＶ）；
２．アモルファス構造として、又は準化学量論的に堆積される場合、半導体吸収体層の伝導帯付近のバンドギャップに欠陥状態を形成するワイドバンドギャップ材料；
３．非常に低い仕事関数の金属材料。
電子輸送層に記載されている材料のうち（表１）、ＴｉＯ２、ＰｂＯ、ＳｎＯ２、Ｉｎ２Ｏ３は第１のカテゴリに分類され、ＬｉＦｘ、ＣｓＦｘ、ＫＦｘ、ＣｓＯｘ、ＭｇＦｘは第２のカテゴリに分類され、Ｃａ及びＬａＢ６は第３のカテゴリに分類される。
【０１３８】
正孔輸送層
ＥＴＬと同様に、正孔輸送層（ＨＴＬ）の材料オプションは次の２つのカテゴリに分類できる。：
１．半導体吸収体層の価電子帯と一致する価電子帯を持つワイドバンドギャップ材料（例えばＥｇ＞２  ｅＶ）；
２．アモルファス構造として、又は準化学量論的に堆積される場合、半導体吸収体層の価電子帯付近のバンドギャップに欠陥状態を形成するワイドバンドギャップ材料。
正孔輸送層にリストされている材料のうち（表１）、ＧａＰ、ＡｌＳｂ、ＺｎＴｅ、ＮｉＯ、及びＡｌＣｕＯ２、ＣｕＳＣＮ、及びＣｕＰｃは第１のカテゴリに分類され、ＭｏＯｘ、ＷＯｘ、Ｖ２Ｏｘ、ＣｕＯｘ：Ｎは、第２のカテゴリに分類される。
【０１３９】
吸収体層
上部及び底部セル層のための吸収体層は、材料のバンドギャップに応じて選択することができる。具体的には、いくつかの実施形態において、トップセルのバンドギャップは１．６ｅＶから２．５ｅＶの範囲内に該当してよい一方で、ボトムセルのバンドギャップは０．１５ｅＶから０．７５ｅＶの範囲内に該当してよい。少なくとも１つの達成可能な混合物又は化合物が１．６  ｅＶ〜２．５  ｅＶの範囲内のバンドギャップを示すように、トップセルのための２成分及び３成分半導体（表１）を選択した。同様に、ボトムセル用に選択された材料の各々（表１）は、それらの材料の１つの相が０．１５  ｅＶ〜０．７５  ｅＶのバンドギャップを示すように選択された。
【０１４０】
図１１は、波長の関数としての例示的な利用可能なパワー、例えば地上において太陽スペクトルで利用可能なパワー、を示している。図１２は、ＧａＩｎＰセル（１２０５）及びＳｉ太陽電池パネル（１２１０）に対する例示的なスペクトル効率を示す。異なる半導体材料の異なる吸収及びバンドギャップに起因して、波長範囲（１２１５）において効率がブーストすることに注目することが可能である。頂部、底部、又は頂部構造と底部構造の両方をＳｉパネルに追加することによって、異なる吸収効率を有する異なる材料の異なる吸収プロファイルを組み合わせることによって全体の効率をブーストすることが可能である。
【０１４１】
図１３は、定数としてのＳｉセル（１３１０）の効率、及び１．８ｅＶのトップセル（１３０５）を備えた同じＳｉセルの全体的な効率を示している。Ｓｉセルは２０％の効率を有する。全体の効率は、トップセルの効率が低いと低くなるが、トップセルの効率が上がると増加し、損益分岐点（１３１５）でベアＳｉセルを上回る。図１４は、トップセル効率が増加するときの例示的なパワー強化を示している。図１５は、図１３と同様のデータを示すが、１５％の効率のＳｉセルについてのものである。図１６は、図１４と同様のデータを示すが、１５％の効率のＳｉセルについてのものです。特定のＰＶパネル効率については、全体の効率がＰＶパネル単独の効率を上回るために、上部構造に必要な最小効率があることに注意することができる。この概念は、Ｓｉパネル以外の他のパネルでも機能することに注意されたい。
【０１４２】
図１７は、図１０におけると同様に、吸収体層の両側にＥＴＬとＨＴＬを備えた、上部電極と下部電極を持つシミュレートされた構造の暗電流−電圧（Ｉ−Ｖ）曲線を示す。図１７において、吸収体層はＣｄＳｅ、例えばＣｄＳｅのマイクロスフェアである。１０１７のドーピングレベルの場合、異なる再結合寿命を示すパラメータであるτの３つの異なる値：  １０−１１（１７０５）、１０−１２（１７１０）、及び１０−１３（１７１５））に対して３つの曲線がプロットされる。典型的なＣｄＳｅ  ＱＤは通常１０−１０〜１０−１２ｓの寿命を示す。図１７のデータは、最新技術のＩｎＧａＰセルと比較することができる。このようなＩｎＧａＰセルは、Ｖｏｃ＝１．４Ｖ（Ｖｏｃは開回路電流である）、Ｊｓｃ＝１５ｍＡ（Ｊｓｃは短絡電流である）及びＦＦ＝０．８８を有する。フィルファクタ（ＦＦ）は太陽電池の品質の尺度である。これは、最大電力を開回路電圧と短絡電流の両方で一緒に出力される理論電力と比較することによって計算される。
【０１４３】
図１７においてシミュレートされた図１０におけるような構造は、０．８Ｖから１ＶのＶｏｃを有することができた。ＣｄＳｅは、現在、ＩｎＧａＰの最新技術セルと匹敵する、40〜60％のスペクトル効率を有することが知られている。したがって、Ｖｏｃ＝０．８〜１Ｖ及びＪｓｃ＝１３ｍＡ／ｃｍ２により、ＱＤ構造について１３％の効率を達成することが可能であろう。
【０１４４】
図１８は、ＡＭ  １．５Ｇパワーの場合のパワー密度を示す（１８０５）。当業者に知られているように、ＡＭ１．５Ｇは、ソーラーパネルデバイスの開発又は試験中にソーラーパワーをシミュレートするために使用される、ある波長範囲で照射されるパワーについての値の標準セットである。図１８はまた、Ｓｉ吸収カットオフ（１８１５）及び累積パワー密度（１８１０）を示す。約２００Ｗ／ｍ２のパワーはＳｉセルによって吸収されず、入射ＡＭ  １．５Ｇパワーの約２０％を表すことに留意されたい。本明細書に記載されるように、後方吸収体、約１８００ｎｍ（約０．７  ｅＶ）のバンドギャップを持つ底部構造、を選択することにより、そうでなければ、ソーラーパネルによって浪費されるパワーの約１５０Ｗ／ｍ２を吸収することが可能である。
【０１４５】
図１９〜２０は、Ｅｇ＝０．６７ｅＶの半導体を含むシミュレートされたデバイスの場合の電流−電圧特性を示す。図１９において、３つの曲線がプロットされている：  ＪＶダーク（１９０５）、照射光を用いたＪＶ（１９１０）、及び照射光を用いたパワー−電圧（１９１５）。図２０において、３つの曲線がプロットされている：  ＪＶダーク（２００５）、照射光を用いたＪＶ（２０１０）及び照射光を用いたパワー−電圧（２０１５）。理想的なＰＶセルでは、約８ｍＷ／ｃｍ２のパワー、２０％の効率的なＳｉパネルのパワー出力で４０％のブースト、を生成することが可能である。比較的低品質のＰＶ吸収体材料セルでは、約１．９ｍＷ／ｃｍ２のパワー、２０％Ｓｉ  ＰＶセルのパワー出力で１０％のブースト、を生成することが可能である。
【０１４６】
上記の実装は、生産コストと材料の入手可能性に起因して、一般的に入手可能なソーラーパネルがＳｉに基づいているという事実に基づく。ただし、Ｓｉは、ＵＶ及び可視スペクトルにおいて、並びに近赤外線の部分において、スペクトル効率が低い。したがって、Ｓｉを、より短い波長を捕捉するのに効率的な上部吸収体とペアにすることができる。トップセルとボトムセルの両方を使用することにより、より短い波長とより長い波長をキャプチャすることもでき、及び従ってソーラーパネルの効率が向上する。
【０１４７】
図２２は、異なるバンドギャップを有する、ＰＶパネルの上部及び下部において使用されるＳｉ及び異なる吸収材料についての異なる波長でのスペクトル効率の例示的概念を示す。図２２において、１．４〜１．９ｅＶの間の異なるバンドギャップ（２２０５）に対するスペクトル効率が概略的に示されている。Ｓｉのスペクトル効率についての曲線も示されている（２０１０）。第１の領域（２２１５）は、Ｓｉパネルにトップ吸収体を追加することによってスペクトル効率が改善され得た波長範囲を示す。中央領域（２２２０）は、Ｓｉがトップセルによって吸収されなかった光を効率的に吸収することができた波長範囲を示す。第３の領域（２２２５）は、Ｓｉ  ＰＶパネルに取り付けられたボトムセルが、Ｓｉによって効率的に吸収されない、より長い波長を吸収することができた波長範囲を示す。トップ吸収体は短波長でＳｉと連携し、ボトム吸収体は長波長でＳｉと連携して動作するため、第１の領域と第３の領域はそれぞれタンデムショートとタンデムロングとも呼ばれる。図２２の例は１２００ｎｍまでの波長を示しているが、より長い波長、例えば１８００ｎｍまでの波長も使用され得る。
【０１４８】
図２３は、トップに吸収体構造を有する２０％の効率のＳｉパネルについて、トップセルバンドギャップ及び詳細なバランス効率のトップセル分率の関数としての全体的なタンデム効率の例示的なシミュレーションを示している。例示的なデータポイントは、ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、及び異なるペロブスカイトについて示されている。図２３において、タンデム効率は一般に、トップセル分率軸の左から右に向かって増加する。いくつかの実施形態において、トップ及びボトム吸収構造体は、市販のソーラーパネルの効率を最大３０％ブーストさせることができる。
【０１４９】
図２４は、７００〜１０００  ｎｍの光を吸収するＰＶパネル（２４０５）、例えばＳｉパネルなどと、UV及び可視光を吸収するための上部構造（２４１０）（例えばＣｄＳｅ  ＱＤ又はマイクロスフェアなど）と、１０００〜１３００ｎｍで吸収する底部構造（２４１５）（例えばＧａＳｂ、ＩｎＧａＡｓなど）と、を備えた例示的な構造を示している。この構造は、以下を含むことができる。：
透明導電性酸化物電極（２４２０）；
ＨＴＬ（２４２５）、ＱＤ層（２４３０）、ＥＴＬ（２４３５）、下部電極（２４４０）、ＰＶパネル（２４４５）、透明導電性酸化物電極（２４５０）；
ＨＴＬ（２４５５）、ＱＤ層（２４６０）、ＥＴＬ（２４６５）、下部電極（２４７０）。
必要に応じて他の層を追加することができることに留意されたい。例えば、反射防止コーティングを電極層と同様に加えることもできる。
【０１５０】
本開示によれば、基板表面は付加的なプロセス、例えば表面テクスチャ又はバルク材料の３Ｄ印刷、ナノ粒子の付着／層化、ナノスクライビング又はコーティング用の犠牲又は永久金型／テンプレートの同様の書き込み、蒸着、液相及び／又は超臨界相堆積など（ただしこれらに限定されない）、によって修正することができる。したがって、構造は多数のプロセスによって作成することができ、そのうちのいくつかはナノ粒子又はＡＬＤを決して使用しない。つまり、階層テクスチャ全体を３Ｄ印刷することができるか、又はテクスチャ全体をモールドすることができる。
【０１５１】
あるいは、基板表面は、サブトラクティブプロセス、例えばウェット（例えば液相又は超臨界相）エッチング又はドライ（例えばプラズマ又は蒸気）エッチング、及び／又は基板表面から物質を除去する物理的方法、によって改質することができる。他の実施形態において、基板表面はスタンピング又はエンボス加工プロセスによって改質することができる。
【０１５２】
表面改質する様々な方法（加法、減法、スタンピング、又はエンボス加工）は、所望の物理的効果を達成するための構造（複数可）及び／又は層（複数可）を生成するために単独で又は任意の組み合わせで使用することができる。当業者が理解するであろうが、構造及び／又は層は、同じ又は異なる材料から作られてもよい。
【０１５３】
他の例示的な実施形態において、構造又は層は、基板との１つの連続材料としてモノリシックに製造できる。あるいは、構造又は層は、基板の製造前、製造中、又は製造後に基板に追加することができる。他の例示的な実施形態において、任意の所与の用途に望ましい正確な機能及び可能な限り最高の性能を得るため、様々な材料の階層構造又は層を作成するため、様々な技術を組み合わせることができる。他の例示的な実施形態において、基板と組み合わせて、又は基板を隔離して機能的構造又は層を生成するため、３Ｄ印刷技術又は直接描画プロセスを使用することができる。
【０１５４】
上述したように、シリコン太陽電池は、追加の構成要素を持たないＳｉ太陽電池と比較したときに追加の光を吸収するために上部及び下部構造を追加することによって最適化することができる。いくつかの実施形態において、反射防止コーティングもまた加えることができる。例えば、反射防止構造を図２４における層（２４２０）の上に追加することができるか、又は層（２４３０）もしくは（２４２５）に組み込むことができる。いくつかの実施形態において、ＰＶパネルはすでに反射防止コーティングを有する。例えば、いくつかの以前に製造されたＰＶパネルは、上部の上に反射防止コーティングを有することができる、例えば（２４４５）の上面の一部として。この場合、構造（２４１０）の適用は、効率の低下を防ぐために反射防止コーティングを考慮に入れることができる。いくつかの実施形態において、したがって、エアギャップは、上部構造、例えば図２４における構造（２４１０）に、有利に追加することができる。例えば、エアギャップは（２４４５）と（２４４０）の間−（２４０５）と（２４１０）の間であってもよい。トップ量子ドットセル（２４１０）と先に製造されたシリコンセル（２４０５）との間のギャップが数ミクロンよりも大きい場合、（２４０５）上に存在する反射防止コーティングを修正する必要がないので、技術的要件及びコストが低減される。いくつかの実施形態において、以前に製造されたＰＶパネルの最上部の量子ドットセルを隔離するために、小さいポスト（ピラー）を使用してもよい。例えば、ポストは、ミリメートル又はセンチメートルの範囲の厚さを有することができる。図２１は、太陽電池（２１１０）と上部構造（２１０５）との間のそのようなスタンドオフスペーサー（２１１５）の一例を示す。
【０１５５】
背面反射体も複合構造の底部に加えることができる。例えば、背面反射体層を層（２４５０）、（２４６０）又は（２４７０）の下に追加することができる。あるいは、背面反射体を（２４０５）の既に製造されたＰＶパネルの底部に追加することもでき、あるいは既に製造されたＰＶパネル内に既に存在していてもよい。背面反射体は、上の層によって吸収されなかったあらゆる放射を吸収層に向けて反射するように構成することができる。したがって、背面反射体は全体の吸収効率を高めることができる。いくつかの実施形態において、可視光と1200 nm波長付近の放射のみが吸収層に向かって反射し、1200 nmよりも長い波長の放射は上に反射されず、代わりに底部構造（2415）によって吸収されることを保証するため、波長選択可能な反射体を（２４０５）の底部に使用することができる。例えば、背面反射体は、Ａｕフィルム又は多層誘電体スタックを含み得る。
【０１５６】
図３２〜図３５は、ＰＶパネルの上面にある例示的な光吸収構造を示している。特に、図３２は図３３の構造の詳細を示す一方、図３４は図３５の詳細を示す。図３２−３５の構造は、ナノパターニングによる光子管理を示す。これらの構造は、広範囲の角度にわたる反射を低減し、特定の材料の厚さに対する吸収を増加させ、材料コストを削減できる。コンタクトエンジニアリングは、最適な電子及び正孔選択コンタクトの製造を可能にし、所定の材料品質に対して開回路電圧を最大化し、ピンホールなどの物理的欠陥の影響を軽減する。キャリア収集エンジニアリングは、光の吸収と収集の方向を分離し、材料キャリアの収集長とデバイス構造のマッチングを可能にし、平面構造と比較してセルの短絡電流と効率を向上させる。
【０１５７】
これらの方法は、スプレーオン技術が類似のデバイス構造を有する材料の幅広い選択を可能にし、伝統的な高温処理と比較して大幅にコストを削減するので、吸収材料の選択における柔軟性を可能にする。低温度処理は、市販のパネルに直接堆積を可能にする。図３２〜３３の層は、図１０又は図２４の層に対応できる。：  透明導電性酸化物（３２０５）；電子輸送層（３２１０）；吸収体層（３２１５）；正孔輸送層（３２２０）；透明導電性酸化物層（３２２５）、及び加えて、光子管理層（３２３０）。例えば、光子管理層は反射を減少させるように構成されているので、より多くの光子が下にあるＰＶパネルに伝達される。図33は、図32のような複数の要素を含む構造を示す。図３２及び図３３の例では、構造は、三角形の断面を有する要素によって形成されたぎざぎざの形状を有する。例えば、構造はピラミッドを含んでもよいし、又は図３２〜３３の平面に垂直に延びる長い線を含むことができる。ここでは、各ラインは三角形の断面を持ち、ギザギザの格子構造を形成している。例えば図３３に見られるように、ギザギザの要素の傾斜角は各層で異なっていてもよく、ここでは、第１の傾斜角（３３０５）は第２の傾斜角（３３１０）と異なる。図３３において、上部吸収体のギザギザ構造（３３１５）が、以前に製造されたＰＶパネル（３３２０）に堆積されている。
【０１５８】
図３４は、構造が図３２におけるようにギザギザの要素の代わりに丸みを帯びた盛り上がり(mound)を含む、別の実施形態を図示する。図３４〜図３５の層は、図３２の層に対応する。：  透明導電性酸化物（３４０５）；電子輸送層（３４１０）；吸収体層（３４１５）；正孔輸送層（３４２０）；透明導電酸化物層（３４２５）、及び光子管理層（３４３０）。いくつかの実施形態において、図３５の構造は、ナノピラーのアレイ、又は図３５の平面に対して垂直に延在するビームを有するビーム格子を含み得る。図３３又は３５における要素間の寸法及び距離は、本開示で上述したように、構造の物理的特性を制御するように選択することができる。
【０１５９】
図３２及び３４における光子管理層（３２３０）及び（３４３０）は、光子管理に使用できる層の例である。いくつかの実施形態では、光子管理層は構造、例えば図３２におけるギザギザのプロファイル、又は図３４におけるピラー、を含むことができる。他の実施形態において、これらの層は複雑な構造のない平坦な層でもよい。光子及び少数キャリア管理構造層は、２つの目的に役立つ。：  光子とデバイスの相互作用の改善、及び少数キャリアの再結合の削減。光子管理層の上面にナノスケール構造を作成することにより、この層は広帯域の広角反射防止構造として機能する。反射防止構造は、下にある太陽電池構造による垂直入射太陽光の反射を最小限に抑える。反射防止特性は、ＵＶ、可視、及び近赤外の光子波長範囲に適用できる。反射防止構造は、オフノーマルの(off-normal)太陽光子の反射を減らすこともできる。
【０１６０】
反射防止構造が反射を低減するメカニズムは、空気からその下の太陽電池への有効屈折率のグラデーションによるものである。このグラデーションは、構造の寸法が入射光子波長に対してサブ波長レジーム(regime)にある場合に発生する。たとえば、ＵＶ帯域に影響を与えるには、構造はＵＶ範囲における波長（たとえば２５０ｎｍ）未満の寸法を有するであろう。結果として、入射電磁波の電場は、太陽電池材料と空気と同時に相互作用する可能性がある。たとえば、構造が空気に囲まれている場合、空気に囲まれた構造を含む層の有効屈折率は、
ｎｅｆｆ（ｆ）＝  ｎａｉｒ＊ｆ＋ｎｍａｔ＊（１−ｆ）
として計算できる。ここで、ｎｅｆｆ（ｆ）は、混合領域において、光子が感じる有効屈折率であり、ｆは空気である光子の移動方向に直交する面のフラクションである。空気と材料との屈折率はそれぞれｎａｉｒとｎｍａｔで与えられる。このように、連続的に変化するフラクションｆを持つ構造を作成することにより、屈折率をグレーディングできる。言い換えれば、屈折率は材料の深さ全体で均一ではないが、構造の形状を変更することにより制御できる勾配を持つことになる。たとえば、構造に特定の間隔のピラーがある場合、高さを一定に保つこと、及び間隔を小さくすることにより、混合層のより大きなフラクションが空気ではなく構造材料によって占有される。結果として、有効屈折率は、ピラー間の間隔が増加した場合と比較して、空気の屈折率よりも材料の屈折率の寄与を重視する。ピラーの幅を変更することもできたか、又は角錐台や円錐を形成するため傾斜を導入することもできた。傾斜角は、同様の効果のために変更することができた。
【０１６１】
当業者であれば、空気と接触していないが図３２及び３４などの追加の材料層で覆われている構造の場合、空気の屈折率を構造にコンフォーマルに堆積された材料層の屈折率で置き換えることにより、有効屈折率の同じ平均化原理が有効であることを理解するであろう。
【０１６２】
したがって、有効インデックスのための勾配は、反射防止構造の幾何学的寸法及び形状を変化させること、ならびに特定の屈折率の適切な材料を選択することによって制御することができる。
【０１６３】
吸収構造のもう1つの光子管理効果は、入射光子を複数の局所的な誘導モード及び共振に結合できるようにすることである。この結合の結果は、吸収体層中の材料の単位体積当たりの吸収の増加である。いくつかのメカニズムはこのフィーチャを可能にできる。例えば、構造化上面及び底面を作成することによって、局所的な広帯域共振は、複数の内部モードに起こる、太陽電池の上面からの光が内部反射に起因して作成される。このフィーチャは、使用される材料の量の減少を可能にし、それは次に本明細書に記載されるようなキャリア収集工学を可能にする。具体的には、興味対象スペクトルの中点を表す波長の０．２５〜０．５倍のフィーチャサイズを作成することにより、我々は最大２倍の吸収の向上が期待できる。ソーラー材料の場合、半導体のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）からＥｇ＋０．１ｅＶまでの波長が最も弱く吸収される。このように、この範囲の光吸収を最大２倍まで増強するために、０．２５×１．２４／（Ｅｇ＋０．０５）〜０．５×１．２４／（Ｅｇ＋０．０５）の横方向フィーチャサイズを有するデバイスを使用することができる。垂直フィーチャサイズは、ＥｇからＥｇ＋０．０５ｅＶの間の波長範囲における半導体の吸収長の１から２倍であり得る。吸収長は、入射光の１／ｅが吸収されないままである前に、光が半導体構造内を進行しなければならない長さとして定義することができる。
【０１６４】
具体的には、これらの共鳴は、フィルムの電磁シミュレーションと、計算シミュレーションによる材料における光子生成率の観察を通じて観察できる。平面材料において、生成率は、光に面する表面に直交する方向に単調に減衰し、入射光に面する表面に平行な方向に均一である。ただし、ナノ構造化によって作成された共鳴は、フィルム内の共鳴の位置で光子発生率を局所的に増大させる。これは、光に面する表面から平行方向と直交方向の両方で、平面材料の生成速度プロファイルからの偏差としてシミュレーションを通じて観察できる。
【０１６５】
一例として、半導体のバンドギャップエネルギーは、約６９０ナノメートルの波長に対応する、１．８  ｅＶである場合、構造は約１６０ｎｍから最大３４０ｎｍまでの範囲の横方向の寸法を有していてもよい。半導体が興味対象の波長において４００ｎｍの吸収深さを持っている場合、構造は４００ｎｍから８００ｎｍまでの範囲の高さを持つことができる。光子の波長と同じオーダーのフィーチャサイズに起因して、光子と構造化されたフィーチャとの間の相互作用は、完全な３次元有限差分時間領域電磁シミュレーションによって厳密に記述される。ただし、光子とこれらの非平面ジオメトリとの相互作用により、効果が作成される。具体的には、ここで説明する共鳴は、ピラミッド型、円錐型、又は円柱型であってよい、これらのサブ波長構造と相互作用し、それらの初期方向から散乱する、入射光子によって作成される。複数の散乱イベントが発生すると、光子間の干渉により局所共振が発生する。フィルムは吸収性であるため、材料内の光子の経路長が光子散乱長よりも大きい場合、これらの共鳴が発生する。吸収前の材料内の光子の経路長が散乱長よりも大幅に短い場合、光子は複数の散乱イベントが発生する前に吸収され、共鳴は発生しない。前述のように構造の寸法を設計する（engineering）ことにより、周期的構造とランダム構造の両方が、興味対象の波長範囲、例えば４００ｎｍ〜７００ｎｍ、内でこれらの共振を作成する。
【０１６６】
この構造のキャリア収集エンジニアリング態様は、電子及び正孔収集層がデバイスのすべてのポイントに近接していることから生じる。標準的な平面光起電力において、光子吸収とキャリア収集はどちらも同じ方向に起こる。しかしながら、局所共鳴を発生させることによって、及びナノ構造材料の使用を介して、光子吸収方向と少数キャリア方向とを切り離すことが可能である。その結果、いずれの少数キャリアが収集される前にデバイス内を移動する必要がある最大距離を短縮できる。それ故、セルの短絡電流は改善される。上記を考慮すると、光子管理層は少数キャリア管理層と見なすこともできる。局所光子発生率の変化に起因して、光子のより大きなフラクションをキャリア収集面の近くに吸収させるそのようなフィルムを設計することが可能である。これにより、光子を最大に吸収し、且つ、キャリア収集表面、例えば電子輸送層及び正孔輸送層など、付近に少数キャリアを生成するように、構造を設計することによって、生成された少数キャリアの損失を設計及び最小化することができる。
【０１６７】
上記を考慮して、ナノテクスチャの特徴的な寸法を慎重に制御するならば、光子の散乱長は光子経路長よりも低くなる。したがって、光子は、それらがナノ構造の基部まで、たとえばピラミッド状又はロッド状の要素の基部まで、移動するときに、ナノ構造において数回散乱される機会を有する可能性がある。増大した散乱は、収集される効果の可能性を増大させる。構造が小さすぎるか大きすぎる場合、光子が吸収体を通過する前に複数の散乱イベントは発生しない。本開示において、表面は、入射波長の半分未満の典型的な寸法を有する要素により形成される構造を形成することにより設計できることに留意されたい。これらの波長は、表面によってブロックされる。結果として、入射波長のより多くの光子が表面から離れて散乱バックアップする（scatter  back  up）。同様に、吸収体層は、太陽電池の吸収層に向かって散乱し返された(scattered  back)光子の波長の半分未満の典型的な寸法を有する要素によって形成され得る。
【０１６８】
いくつかの実施形態において、要素のアスペクト比又は高さは、太陽電池の吸収層に向かって戻る光子の散乱を増加させる可能性がある。いくつかの実施形態において、構造の要素が約１マイクロメートルの高さを有する場合、散乱効果は最大化される。例えば、図３４における層（３４３０）のピラー又は図３２における層（３２３０）のピラミッドは、上記の太陽電池の吸収層への光子の散乱を有利に最大化するために、約１マイクロメートルの高さを持つことができる。
【０１６９】
いくつかの実施形態において、光子管理層は、最初に高アスペクト比のＥＴＬを製造することにより実現できる（例えば、５：１から１０：１のアスペクト比及び１００ｎｍから２００ｎｍの横方向寸法）。通常、そのような高アスペクト比の層を製造するのに含まれるリソグラフィステップは、コストを大幅に増加させるであろう。しかしながら、本開示に記載された方法のうちのいずれかを使用することによって、この高アスペクト比の層は、大幅に減少したコストで製造することができる。例えば、構造は、粒子の単層を構築することによって形成され得る。構造はまた、本開示に記載されるように、粒子をエッチングマスクとして使用することによって形成されてもよい。構造はまた、粒子の単層を構築し、前記粒子を互いに融合させることによっても製造することができる。一旦、高アスペクト比構造が製造されると、量子ドット粒子の均一でコンフォーマルな層を高アスペクト比構造上に被覆することができる。ＱＤの吸収体層は、本開示に記載されるように、粒子の単層、又は多層を含み得る。したがって、ナノ粒子で被覆された高アスペクト比構造の製造は、本開示に記載された方法により、手頃なコストで実現することができる。
【０１７０】
当業者に知られているように、現在のソーラー設備は、主に単一接合太陽電池に基づいている。本開示は、現在の技術で動作し、且つ、セル及びパネルのアーキテクチャ全体に対する最小限の必要な変更でパワー出力を改善する方法を説明する。いくつかの実施形態において、本開示の方法及び構造は、ソーラー製造業者とは独立して、又はカプセル化の前の製造プロセスの最後に、後処理を通じて統合することができる。これらの方法は、多接合セルでも機能する。
【０１７１】
いくつかの実施形態において、第１の官能基は、：  −ＣＨ３、−ＯＨ、−ＮＨ２、エステル基、アルデヒド基、アミド基、及びニトリル基、からなる群から選択され、第１の流体は、：  トリメチルアルミニウム、塩化物化合物、フッ化物化合物、有機金属化合物、及びアセチルアセトネート化合物、トリメチルアルミニウムと混合したヘキサン、塩化物化合物と混合したヘキサン、フッ化物化合物と混合したヘキサン、有機金属化合物と混合したヘキサン、アセチルアセトネート化合物と混合したヘキサン、有機金属化学蒸着前駆体、及び原子層堆積前駆体、からなる群から選択される。ヘキサンとは異なる溶媒を含む他の混合物も使用できる。いくつかの実施形態において、粒子の表面は官能基を含むことができた。これは、前駆体で粒子の表面を調製する必要がなくす。あるいは、コーティングされる表面はこれらの官能基を含んでもよく、及びしたがって粒子の表面のみが調製される必要がある。たとえば、ナノ粒子が本質的に表面に−ＯＨを持っている場合、表面に−ＯＨ官能基を準備する必要はない。粒子の材料が既にそれを含むためである。この例において、粒子調製ステップなしに、コーティングする表面を、たとえばＴＭＡで準備してから、次いで、処理した表面に粒子を噴霧するか、又は付着させることができるす。
【０１７２】
いくつかの実施形態において、表面に結合した粒子は、基板と同じ化学組成を有してもよい。いくつかの実施形態では、粒子は、基板と同じ材料でコーティングされてもよい。これらの場合、粒子の外側の領域は基板と同じになるが、粒子の内側の領域は異なる場合がある。いくつかの実施形態において、粒子混合物は、基板と同じ材料の粒子の多数（majority）と、異なる材料を有する粒子の少数(minority)とを包含し得る。この異なる材料は、基板の材料と比較して異なるエッチング速度を有し得る。例えば、粒子の少数は、基板よりも速い速度で、又は基板よりも遅い速度で、エッチングする場合がある。いくつかの実施形態では、粒子及び基板に同じ材料を使用すると、（基板への粒子の）コーティングプロセスをより簡単にすることができる。いくつかの実施形態において、粒子と基板の両方に同じ材料、又は異なるエッチング速度を有する異なる材料を使用することにより、エッチングプロセスを簡素化することもできる。いくつかの実施形態において、階層構造を形成するため、構造の粗さを制御することができる。
【０１７３】
いくつかの実施形態において、表面上に粒子の第１の単層を形成することは、表面を完全に飽和させるのに不十分なナノ粒子のフラックスを提供することによって１未満の単層を形成することによる。いくつかの実施形態において、表面上に粒子の第１の単層を形成することは、前記第１の単層の過剰の粒子を部分的に洗い流すことにより、第１の単層と、部分的第２の単層における少なくとも１つの他の粒子と、含む１つより多い単層を形成することによる。いくつかの実施形態において、前記第１の複数の粒子は、異なるサイズ、形状又は組成を有する粒子を含む。いくつかの実施形態において、前記第１の複数の粒子は、前記第２の複数の粒子とは異なるサイズ、形状又は組成を有する。いくつかの実施形態において、異なるサイズの粒子が一緒に使用される場合、より小さい粒子はより大きい粒子に、並びにより大きな粒子の間の隙間において、基板に付着し得る。いくつかの実施形態におい、粒子に異なる材料が使用される場合、これらの粒子はそれらの異なるエッチング速度のおかげでシャドウマスクとして使用することができる。例えば、異なる材料を使用することによって、異なるエッチング速度に起因して表面をパターニングすることが可能である。例えば、ＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３のナノ粒子の混合物が表面にスプレーされると、粒子はフッ素エッチャント中で非常に異なってエッチングされるであろう。異なるエッチング速度は、固有のパターニングをもたらし得る。
【０１７４】
メタマテリアル、たとえば、オブジェクトを不可視又は見えにくくするためのクローキングアプリケーションに使用されるメタマテリアルなど、エキゾチックな特性を持つメタマテリアルを製造するため、金属及び誘電体ナノ粒子を含むマトリックスを使用することができる。負の屈折率を持つ材料を作成するため、粒子を使用しりこともできる。
【０１７５】
いくつかの実施形態において、ナノ粒子は、表面に塗布した後、レーザ又は熱で焼結することができる。粒子はまた、高湿度環境におけるＬＥＤ及び太陽電池の特性評価のための環境チャンバ用の防曇光学素子(optics)を製造するためにも使用することができる。いくつかの実施形態において、粒子及び基板は、共有結合していると記載されていた。しかしながら、他の実施形態において、粒子と基板は、例えば静電力又はファンデルワールス力によって物理的に相互作用することができる。したがって、本開示の説明は、共有結合ではなく物理的に相互作用するとも言える。したがって、本開示では、共有結合(covalently  bonded)は、必要に応じて、物理的相互作用の代わりに使用することができる。
【０１７６】
いくつかの実施形態において、表面の異なる特性の制御、例えば特定の波長における透明性及び反射率、は、それぞれの層の有効屈折率の制御として説明することができる。異なる材料を含む層の屈折率は、材料の種類、ならびに層の体積に対する各材料の相対寸法及び寄与によって効果的に制御される。例えば、構造の形状を変えることによって、その構造の有効屈折率を制御することができる。
【０１７７】
いくつかの実施形態において、低温は、関連する流体の蒸発時に表面張力の勾配を最小限に抑えるために、堆積プロセスのために使用することができる。本開示の構造はまた、単層の粒子を構築すること、及び粒子を互いに融合させることによって、例えば温度を上げることによって、又は粒子間に化学結合を形成することによって、製造されてもよい。類似の又は異なる粒子を使用することによってメタマテリアルを製造することができる。
【０１７８】
上記の様々な実施形態は、例示のみを目的として提供されており、本開示を限定すると解釈されるべきではない。当業者は、本明細書に例示及び記載された例示的な実施形態及び用途に従うことなく、及び本開示の真の精神及び範囲から逸脱することなく、本開示に対してなされ得る様々な修正及び変更を容易に認識するであろう。
【０１７９】
本開示の多くの実施形態が説明された。それにもかかわらず、本開示の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な修正がなされ得ることが理解されるであろう。したがって、他の実施形態は以下の特許請求の範囲内にある。
【０１８０】
上記の例は、完全な開示及び本開示の実施形態を作成及び使用する方法の説明として当業者に提供され、且つ、発明者/発明者が開示とみなす範囲を限定することを意図したものではない。
【０１８１】
当業者には明らかである、本明細書に開示される方法及びシステムを実行するための上述のモードの修正は、添付の特許請求の範囲内にあることを意図している。本明細書で言及されるすべての特許及び刊行物は、本開示が関係する当業者のスキルのレベルを示している。本開示で引用されたすべての参考文献は、各参考文献がその全体が個別に参照により組み込まれたかのように、同程度に参照により組み込まれている。
【０１８２】
本開示は特定の方法又はシステムに限定されず、もちろん変化し得ることを理解されたい。本明細書で使用される用語は特定の実施形態を説明することのみを目的としており、限定することを意図するものではないこともまた理解されるべきである。本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用されるように、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、その内容が明確に指示しない限り、複数の指示対象を包含する。「複数」という用語は、その内容が明らかにそうでないことを指示しない限り、２つ以上の指示対象を含む。他に定義されない限り、本明細書で使用されるすべての技術的及び科学的用語は、本開示が関連する分野の当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【国際調査報告】
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