JP2013036156A - Device manufactured by using current-activated tip-based sintering (cats) - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nanodevice and a microdevice manufactured by utilizing powder sintered by current in which, when a large sample is processed, a large amount of a current is required, and only the device having a simple shape can be manufactured.SOLUTION: There is provided a 1D (One-Dimensional), 2D (Two-Dimensional) or 3D (Three-Dimensional) layered micro or nano component device such as a nanowire, a nanotube or a quantum dot, manufactured by using processes including a step of providing an electrode having a microscale or nanoscale tip and applying a current to the tip of the electrode in the presence of microscale or nanoscale powder.

Description

本発明は、本発明は、電流を使った粉末の焼結を使用して製造されるナノデバイスおよびマイクロデバイス、および特に1D、2D、または3D部品加工のための電流の使用に関する。   The present invention relates to nanodevices and microdevices manufactured using powder sintering using electric current, and particularly to the use of electric current for processing 1D, 2D, or 3D parts.

電流を使った粉末の焼結（すなわち、放電プラズマ焼結（SPS））は、現在精力的な研究および世界的な関心の対象となっている。現在SPSは、ナノ粉末およびカーボンナノチューブ複合材料を含む多数のバルク材料粉末系を成功裏に圧密するための主要なプロセスと考えられている。しかし、場合によって本プロセスは、大きな標本を加工する時、大きな直流電流（数千アンプ）を必要とし、通常、大量でシンプルな形状（すなわち、円盤／短い円筒）の製造に限定されている。   Sintering of powders using electric current (ie, spark plasma sintering (SPS)) is currently the subject of intense research and worldwide interest. Currently, SPS is considered the primary process for the successful consolidation of many bulk material powder systems, including nanopowder and carbon nanotube composites. However, in some cases, the process requires large direct currents (thousands of amplifiers) when processing large specimens and is usually limited to producing large quantities and simple shapes (ie, disks / short cylinders).

特許文献１は、パルス電流の存在下、高圧でナノサイズ結晶を連続的塊に圧縮することにより作られ、好ましくは放電プラズマ焼結によって作られる、赤外線検知器をナノサイズ結晶から保護するための光学窓の製造方法を開示している。結果得られる材料は、従来の単結晶サファイアの代替として好ましい優れた光学的および機械的特性を持つ。   US Pat. No. 6,057,059 is made by compressing nanosized crystals into a continuous mass at high pressure in the presence of a pulsed current, preferably made by spark plasma sintering, for protecting infrared detectors from nanosized crystals. An optical window manufacturing method is disclosed. The resulting material has excellent optical and mechanical properties that are preferred as an alternative to conventional single crystal sapphire.

特許文献２は、化合物膜の形成プロセスを開示しており、これには制御された全組成物を持つナノ粉末材料を形成すること、および1つの固溶体粒子を含めることを含む。ナノ粉末材料は基板の上に堆積して基板上に層を形成し、層は少なくとも１つの適切な雰囲気中で反応して化合物膜を形成する。化合物膜は、放射線検出器または太陽電池の加工に使用され得る。   U.S. Patent No. 6,057,031 discloses a process for forming a compound film, which includes forming a nanopowder material with a controlled total composition and including one solid solution particle. The nanopowder material is deposited on the substrate to form a layer on the substrate that reacts in at least one suitable atmosphere to form a compound film. The compound film can be used in the processing of radiation detectors or solar cells.

特許文献３は、ダイヤモンドナノチップまたはナノチューブを含む、縦に配列されたナノスケールのダイヤモンド構造を開示している。さらに具体的には、このようなダイヤモンド構造を起伏の激しい多結晶基板上に堆積させるための装置および方法が開示されている。この構造は少なくとも、マイクロ電子デバイス中のヒートスプレッダとして使用され得る。   U.S. Patent No. 6,057,031 discloses a vertically arranged nanoscale diamond structure comprising diamond nanotips or nanotubes. More specifically, an apparatus and method for depositing such a diamond structure on a rugged polycrystalline substrate is disclosed. This structure can be used at least as a heat spreader in a microelectronic device.

特許文献４は、一般に電子用途で使用される熱交換システムを開示している。さらに具体的には、本発明は、配向マイクロスケール経路を持つ熱交換器本体およびこのような本体の加工方法に関する。しかし、層形成は、既知の化学的蒸着技術を使用して行われる。   Patent document 4 is disclosing the heat exchange system generally used for an electronic use. More specifically, the present invention relates to a heat exchanger body having an oriented microscale path and a method for processing such a body. However, layer formation is performed using known chemical vapor deposition techniques.

特許文献５は、金型表面に対応する構造のある金型を使って、マイクロからナノサイズの構造を持つ製品を加工する方法を開示しており、これでは鋳造材料を含む流体は前述の金型表面と接触させられる。   Patent Document 5 discloses a method of processing a product having a micro-to-nano size structure using a mold having a structure corresponding to a mold surface. In this method, a fluid containing a casting material is used as the above-described mold. Brought into contact with the mold surface.

米国特許第7,148,480号明細書U.S. Patent No. 7,148,480 米国特許第7,091,136号明細書U.S. Patent No. 7,091,136 米国特許出願公開第2006/0104885号明細書US Patent Application Publication No. 2006/0104885 米国特許出願公開第2005/0039885号明細書US Patent Application Publication No. 2005/0039885 米国特許出願公開第2004/0028875号明細書US Patent Application Publication No. 2004/0028875

本発明は、電流を使った粉末の焼結を使用して製造されるナノデバイスおよびマイクロデバイス、および特に1D、2D、または3D部品加工のための電流の使用に関する。このようなサイズの部品は、医療機器、半導体、ろ過システム、さらにナノサイズおよびマイクロサイズの部品を必要とする他の多くのデバイスにおいて有用である。   The present invention relates to nanodevices and microdevices manufactured using powder sintering with electric current, and in particular to the use of electric current for processing 1D, 2D or 3D parts. Such sized components are useful in medical devices, semiconductors, filtration systems, and many other devices that require nano-sized and micro-sized components.

好ましい実施形態では、本明細書に開示された焼結プロセスで加工されたナノワイヤーは、円筒形を特徴とする。   In a preferred embodiment, nanowires processed by the sintering process disclosed herein are characterized by a cylindrical shape.

別の好ましい実施形態では、本明細書に開示された焼結プロセスで加工されたナノワイヤーで、ここでさらにワイヤーの内径は1ナノメートルから10マイクロメートルの間である。   In another preferred embodiment, nanowires processed by the sintering process disclosed herein, further wherein the inner diameter of the wire is between 1 nanometer and 10 micrometers.

別の好ましい実施形態では、本明細書に開示された焼結プロセスで加工された、ニッケルチタンまたは形状記憶特性を持つ類似の物質の粉末を使用したナノワイヤー外科用ステントで、ここで、ステントは以下を含むグループの形状を特徴とするナノワイヤーメッシュから成る：チューブ、コイル、リング、メッシュまたは外科用ステントで一般的に見られる他の形状。   In another preferred embodiment, a nanowire surgical stent using nickel titanium or a similar material powder with shape memory properties processed by the sintering process disclosed herein, wherein the stent is It consists of a nanowire mesh characterized by a group of shapes including: tubes, coils, rings, meshes or other shapes commonly found in surgical stents.

別の好ましい実施形態では、本明細書に開示された焼結プロセスで加工された、有機または無機焼結粉末材料を使用した分子ワイヤーデバイスで、デバイスは以下を含むグループの形状を特徴とする分子ワイヤーから成る：単一らせん、二重らせん、鎖、四面体、球体、円筒、円錐あるいは、有機または無機分子で一般的に見られる他の形状。   In another preferred embodiment, a molecular wire device using an organic or inorganic sintered powder material processed with the sintering process disclosed herein, wherein the device is characterized by a group of shapes comprising: Consists of wires: single helix, double helix, chain, tetrahedron, sphere, cylinder, cone or other shapes commonly found in organic or inorganic molecules.

別の好ましい実施形態では、織りナノワイヤーから成るシートで、格子またはダイヤモンド型のいずれかのメッシュパターンを特徴とし、ここでこのようなシートはフィルターまたは膜として機能する。   In another preferred embodiment, a sheet of woven nanowires is characterized by a mesh pattern of either lattice or diamond type, where such sheet functions as a filter or membrane.

別の好ましい実施形態では、ナノワイヤーメッシュフィルターまたは膜で、ここでデバイスは、伝導性およびイオン化を含むがこれに限定されない膜関連特性を持つ焼結粉末材料を使用して加工される。   In another preferred embodiment, with a nanowire mesh filter or membrane, where the device is fabricated using a sintered powder material with membrane-related properties including but not limited to conductivity and ionization.

別の好ましい実施形態では、本明細書に開示された焼結プロセスで加工され、内径が1ナノメートルから10マイクロメートルの間のチューブ状のデバイスであり、ここでこのようなチューブの壁は中空ではなく、このようなナノチューブの長さは可変である。   In another preferred embodiment, a tubular device fabricated with the sintering process disclosed herein and having an inner diameter between 1 nanometer and 10 micrometers, wherein the wall of such a tube is hollow Rather, the length of such nanotubes is variable.

別の好ましい実施形態では、本明細書に開示された焼結プロセスで加工されたチューブ状デバイスであり、ここでチューブ状デバイスは1つ以上の壁を含み、それぞれは一連の格子状三角形、四角形、五角形、六角形または八角形を含む。   In another preferred embodiment, a tubular device fabricated with the sintering process disclosed herein, wherein the tubular device includes one or more walls, each of which is a series of lattice triangles, squares , Including pentagon, hexagon or octagon.

別の好ましい実施形態では、本明細書に開示された焼結プロセスで加工された量子ドットである。   In another preferred embodiment, the quantum dots are processed with the sintering process disclosed herein.

電流活性化先端基焼結（CATS）プロセスの実施形態の図解である。この図は、ナノ部品を加工するためのナノチップの使用を示す一例である。1 is an illustration of an embodiment of a current activated advanced group sintering (CATS) process. This figure is an example showing the use of nanotips to fabricate nanoparts. 焼結領域が1D、2D、または3Dの、鍛造または刻印された機構または部品であることを示すプロセスの図解である。FIG. 5 is a process diagram illustrating that a sintered region is a 1D, 2D, or 3D, forged or stamped mechanism or part. 焼結領域が1D、2D、または3Dの圧延機構または部品であることを示すプロセスの図解である。FIG. 5 is a process illustration showing that a sintered region is a 1D, 2D, or 3D rolling mechanism or part. 焼結領域が1D、2D、または3Dの連結機構または部品であることを示すプロセスの図解である。FIG. 5 is a process illustration showing that a sintered region is a 1D, 2D, or 3D coupling mechanism or part. 焼結領域が1D、2D、または3Dの充填された穴または割れ目であることを示すプロセスの図解である。FIG. 5 is a process illustration showing that a sintered area is a 1D, 2D, or 3D filled hole or crack. プロセスが柔軟性のある先端用に変更されていることを示すプロセスの図解である。FIG. 5 is a process diagram showing that the process has been modified for a flexible tip. プロセスが中空先端用に変更されていることを示すプロセスの図解である。FIG. 6 is a process illustration showing that the process has been modified for a hollow tip. プロセスがローラー、ボールアタッチメント付き先端用に変更されていることを示すプロセスの図解である。FIG. 5 is a process diagram showing that the process has been modified for a roller, tip with ball attachment. プロセスが、埋め込み個別（離散）フィーダー、または埋め込み連続フィーダー付きの先端用に変更されていることを示すプロセスの図解である。FIG. 4 is a diagram of a process showing that the process has been modified for embedded individual (discrete) feeders or tips with embedded continuous feeders. プロセスが1D、2D、または3Dパターン先端用に変更されていることを示すプロセスの図解である。FIG. 4 is a graphical illustration of the process showing that the process has been modified for a 1D, 2D, or 3D pattern tip. 1D、2D、または3Dパターンの先端の動きを制御するために、プロセスが1D、2Dまたは3D、およびロボット位置／動作の制御機構を提供するように変更されていることを示すプロセスの図解である。FIG. 4 is a process diagram showing that the process has been modified to provide a 1D, 2D or 3D, and robot position / motion control mechanism to control the tip movement of a 1D, 2D, or 3D pattern. . 1D、2D、または3Dパターンの先端の動きを制御するために、プロセスが1D、2Dまたは3D、およびロボット位置／動作の制御機構を提供するように変更されていることを示すプロセスの図解である。FIG. 4 is a process diagram showing that the process has been modified to provide a 1D, 2D or 3D, and robot position / motion control mechanism to control the tip movement of a 1D, 2D, or 3D pattern. . プロセスが層状粒子／粉末用に変更されているか、またはプロセスが連続層状粒子／粉末用に変更されていることを示すプロセスの図解である。FIG. 4 is a process diagram showing that the process has been modified for layered particles / powder or that the process has been modified for continuous layered particles / powder. プロセスが1D、2D、または3Dパターンの粒子／粉末用に変更されているか、または粒子／粉末の動きを制御するために、1D、2Dまたは3Dおよびロボット位置／動作の制御機構を提供するように変更されていることを示すプロセスの図解である。The process is modified for 1D, 2D, or 3D pattern particles / powder, or to provide 1D, 2D or 3D and robot position / motion control mechanisms to control particle / powder movement It is an illustration of the process showing that it has changed. 焼結領域が1D、2D、または3Dの押出機構または部品であることを示すプロセスの図解である。FIG. 5 is a process illustration showing that a sintered region is a 1D, 2D, or 3D extrusion mechanism or part. プロセスが連続粒子／粉末フィーダー用に変更されていることを示すプロセスの図解である。FIG. 5 is a process diagram showing that the process has been modified for a continuous particle / powder feeder. プロセスが個別粒子／粉末フィーダー用に変更されていることを示すプロセスの図解である。FIG. 4 is a process diagram showing that the process has been modified for individual particle / powder feeders. ナノワイヤーの図解である。It is an illustration of nanowire. ナノワイヤーステントの図解である。1 is an illustration of a nanowire stent. 二重らせん形状の分子ワイヤーの図解である。It is an illustration of a double helix-shaped molecular wire. ナノワイヤー膜の図解である。It is an illustration of a nanowire film. ナノチューブの図解である。It is an illustration of a nanotube. 球体量子ドットの図解である。It is an illustration of a spherical quantum dot.

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

以下の定義は、本発明の詳細説明を理解する手助けとして提供されるものである。   The following definitions are provided as an aid to understanding the detailed description of the invention.

当技術分野で定義されているように、サブミクロンの粉末は平均粒子サイズが1マイクロメートル未満の材料である。本発明の重要な関心事項は、1D、2D、または3D部品を加工するためのナノスケールの粉末およびセラミックのナノ構造層である。ナノスケールの粉末（ナノ粉末）は、平均粒子サイズが100ナノメートル未満（好ましくは標準偏差が25 nm未満）で、界面原子がかなりの割合を占めるサブミクロン粉末である。したがって、本開示中のナノスケール粉末への言及は、これらの特性を持つ粉末を指すことを意図するが、当然ながら材料の任意の性質に対する臨界長は、このような長さは常にサブミクロンであるものの、対象の性質によってはより小さい場合やより大きい場合がある。   As defined in the art, submicron powders are materials with an average particle size of less than 1 micrometer. An important concern of the present invention is nanoscale powder and ceramic nanostructured layers for processing 1D, 2D, or 3D parts. Nanoscale powders (nanopowders) are submicron powders with an average particle size of less than 100 nanometers (preferably with a standard deviation of less than 25 nm) and a significant proportion of interfacial atoms. Thus, references to nanoscale powders in this disclosure are intended to refer to powders with these properties, but of course the critical length for any property of the material is always such that the length is submicron. However, depending on the nature of the object, it may be smaller or larger.

サブミクロンの層は、1マイクロメートル未満の厚さを持つ層である。本発明で特に注目すべきことは、閉じ込め特性サイズより小さいサイズ（当然1ミクロン未満、好ましくは100 nm未満）に閉じ込められた、厚さを持つ層または微小構造、またはその両方として具体的に定義されるナノ構造層である。したがって、本開示中のナノ構造への言及は、これらの特性を持つ層を指すことを意図する。   A submicron layer is a layer having a thickness of less than 1 micrometer. Of particular note in the present invention is specifically defined as a thick layer or microstructure, or both, confined to a size smaller than the confinement feature size (naturally less than 1 micron, preferably less than 100 nm). A nanostructured layer. Accordingly, references to nanostructures in this disclosure are intended to refer to layers with these properties.

電流を使ったナノ粉末の焼結、すなわち、放電プラズマ焼結（SPS）は、現在精力的な研究および世界的な関心の対象となっている。現在SPSは、ナノ粉末およびカーボンナノチューブ複合材料を含む多数のバルク材料粉末系を成功裏に圧密するための主要なプロセスと考えられている。しかし、場合によって本プロセスは、大きな標本を加工する時、大きな直流電流（数千アンプ）を必要とし、通常、大量でシンプルな形状（すなわち、円盤／短い円筒）の製造に限定されている。   Sintering of nanopowders using electric current, ie, spark plasma sintering (SPS), is currently the subject of intense research and worldwide interest. Currently, SPS is considered the primary process for the successful consolidation of many bulk material powder systems, including nanopowder and carbon nanotube composites. However, in some cases, the process requires large direct currents (thousands of amplifiers) when processing large specimens and is usually limited to producing large quantities and simple shapes (ie, disks / short cylinders).

ナノサイズまたはマイクロサイズの粉末から層状1D、2D、または3D部品（例えば、マイクロ部品およびナノ部品）を加工するために電流を使用することは、まだ効果的に対処されていない。したがって、本発明は、先行技術の1つ以上の問題に対処する複数のマイクロサイズおよびナノサイズのデバイスを提供する。このアイデアは、各焼結経路に沿ってその場でナノサイズまたはマイクロサイズの粉末の連続層が堆積される時、3D層状加工に拡大され得る。このプロセスで物理的対象（すなわち、ID、2Dおよび3Dのマイクロ部品およびナノ部品）を、CADデータソースから直接加工できる。   The use of current to process layered 1D, 2D, or 3D parts (eg, microparts and nanoparts) from nano- or micro-size powders has not yet been effectively addressed. Thus, the present invention provides a plurality of micro-sized and nano-sized devices that address one or more problems of the prior art. This idea can be extended to 3D layering as a continuous layer of nano-sized or micro-sized powder is deposited in situ along each sintering path. This process allows physical objects (ie ID, 2D and 3D microparts and nanoparts) to be processed directly from CAD data sources.

マイクロ／ナノスケール上のSPS条件を強化するために、マイクロ／ナノスケール電極先端を通して粉末に圧力を加えることができる。さらに、ナノ加工の目的で、ナノサイズの部品を加工する場合には、焼結のために必要な電流密度を生成するために必要な電流量は比較的小さい。   To enhance the SPS conditions on the micro / nanoscale, pressure can be applied to the powder through the micro / nanoscale electrode tip. Furthermore, when processing nano-sized parts for nano-processing purposes, the amount of current required to generate the current density required for sintering is relatively small.

本プロセスは、金属、合金、セラミック、カーボンナノチューブなどを含む幅広い材料に適用され得る。ナノおよびマイクロセラミック部品の焼結では、電極材料の選択によって、電極材料のジュール加熱を起こすことができ、これは次に熱を焼結されるセラミックの層に伝導して、局所的SPS条件を強化する。（5）本プロセスはまた、粉体を使用するメリットも有し、これによって制御された空隙率を持ち得るナノ部品およびマイクロ部品の製造が可能となり、1つ以上の材料から均一な複合ナノ部品およびマイクロ部品を製造し得る。   The process can be applied to a wide range of materials including metals, alloys, ceramics, carbon nanotubes and the like. In the sintering of nano- and micro-ceramic parts, the choice of electrode material can cause Joule heating of the electrode material, which then conducts heat to the ceramic layer to be sintered, resulting in local SPS conditions. Strengthen. (5) This process also has the advantage of using powders, which allows the production of nanoparts and microparts that can have controlled porosity, making uniform composite nanoparts from one or more materials And micro parts can be manufactured.

本発明は以下を含むさまざまな焼結製品を含む：（1）ラピッドプロトタイピング（ラピッドプロトタイピングのレーザー焼結方法に似ているが、より高い密度で行う）、（2）量子ドット、ナノワイヤー、ナノチューブ、ナノ膜、RFIDマーカー、ナノツール等を含むマイクロ／ナノスケール合金およびセラミック製品。   The present invention includes a variety of sintered products including: (1) Rapid prototyping (similar to rapid prototyping laser sintering method but at higher density), (2) Quantum dots, nanowires Micro / nanoscale alloys and ceramic products, including nanotubes, nanofilms, RFID markers, nanotools, etc.

本明細書に開示された焼結プロセスの1つ以上を使用して製品が作られる場合、本発明の範囲内として考えられる製品には、コンデンサ、バリスタ、抵抗器、誘導器、およびEMIフィルターなどの電子機器、および圧力センサー、加速度計、圧電器、画像表示、光スイッチ、バイオセンサー、化学センサー、および同類のものなどのMEMSデバイスを含む。   Where a product is made using one or more of the sintering processes disclosed herein, products considered within the scope of the present invention include capacitors, varistors, resistors, inductors, and EMI filters, etc. Electronic devices, and MEMS devices such as pressure sensors, accelerometers, piezoelectrics, image displays, optical switches, biosensors, chemical sensors, and the like.

SPSプロセスには、粉末に圧力がかけられている間に、粉末／ダイス配置を通したパルス高電流の通過を伴う。電流は、主にジュール加熱によって配置物を加熱する。本プロセスの優れた利点には、従来の加熱速度よりもはるかに高い加熱速度を使用しながら、かなり短い時間内に、非常に低い温度でナノ粉末を焼結する（およびナノ構造を維持する）能力が含まれる。相転移速度も、電流の本質的性質のために、同じ温度で従来の加熱方法を使用した場合よりも40倍速いことが報告されている。   The SPS process involves the passage of a pulsed high current through the powder / die arrangement while the powder is under pressure. The electric current heats the arrangement mainly by Joule heating. The excellent advantage of this process is that it sinters nanopowder (and maintains the nanostructure) at a very low temperature in a fairly short time while using a much higher heating rate than conventional heating rates. Includes abilities. The phase transition rate has also been reported to be 40 times faster than using conventional heating methods at the same temperature due to the intrinsic nature of the current.

本発明は、以下を含むプロセスを使用して加工した、1D、2D、または3D形状を持つ複数のマクロ、マイクロ、またはナノ機構または部品である：単一または複数の先端を持つ電極を提供し、単一、複数の粒子または粉末の存在下で電流および／または電圧を電極に加え、前述の粉末を先端の下または周りで焼結して機構または部品の形状を形成し、これらはすべて環境制御の有無にかかわらず実施される。   The present invention provides a plurality of macro, micro, or nano features or parts having a 1D, 2D, or 3D shape, fabricated using a process that includes: electrodes having single or multiple tips Apply current and / or voltage to the electrodes in the presence of single, multiple particles or powders and sinter the aforementioned powders under or around the tip to form a mechanism or part shape, all of which are environmental Implemented with or without control.

先端は、マクロスケール、マイクロスケールまたはナノスケールであり得る。これは柔軟または剛性、中身が詰まっているかまたは中空または有孔である。さらに、先端は任意の形状であり得、静止位置で使用したり、または無制限の幾何学的動きに沿って任意の方向に動かすことができる。圧力は加えても加えなくてもよく、これは先端上に加えるか、または気圧制御を使用し得る。先端およびシステムは、X-Y-Zの動きおよびロボットマニピュレーター型の動きを含む多くの動きの程度、および位置決め制御を有する。焼結プロセスを活性化するために、電流または電圧を加えることができる。強度／電圧制御を行いながら、電流（交流（AC）、直流（DC）、パルスDCおよび界磁電流および／または電圧）を加えることができる。プロセスアプローチの一例として、堆積したナノ粉末の層を考える場合、電極の先端（例えば、ナノスケールの先端）（図1）を通して電流と圧力の両方を粉末に加えて、局所的SPS条件を強化し、その結果、焼結を強化することができる。粉末の焼結領域の形状とサイズ両方を、例えば、電極先端の位置および経路を制御することによって制御することができる。したがって、（マクロスケールからナノスケールまでの）非常に明確で複雑な形状および機構を加工することができる。例えば、複数のスケールにおける異なる材料の機能マトリクスの製造である。焼結は、層状または非層状粉末に対して行うことができる。粉末は1D、2Dおよび3D構造にパターン化するか、または非パターンとすることができる。本発明者は、このプロセスを「電流活性化先端基焼結（CATS）」と名づけた。本アイデアは、例えば、3D焼結ナノ部品（先端のタイプおよび使用される粉末のサイズによっては、マイクロ部品またはマクロ部品でもあり得る）を作るために、粉末の連続層を各焼結経路に沿ってその場で堆積させ、その後焼結する時、3D加工に拡大することができる。さらに、システムデザインによっては（例えば、基板および先端材料）、必要に応じてSPSに比べて非常に高い圧力を加えることができ、これは、超高速の焼結、ひいては超高速の製造を可能にする効果を持つ。   The tip can be macroscale, microscale or nanoscale. It is flexible or rigid, packed or hollow or perforated. Furthermore, the tip can be any shape and can be used in a stationary position or moved in any direction along an unlimited geometrical motion. Pressure may or may not be applied, which can be applied on the tip, or atmospheric pressure control can be used. The tip and system have many degrees of movement, including X-Y-Z movement and robotic manipulator type movement, and positioning control. Current or voltage can be applied to activate the sintering process. Current (alternating current (AC), direct current (DC), pulsed DC and field current and / or voltage) can be applied while performing intensity / voltage control. As an example of a process approach, when considering a deposited nanopowder layer, both current and pressure are applied to the powder through the electrode tip (eg, nanoscale tip) (Figure 1) to enhance local SPS conditions. As a result, sintering can be strengthened. Both the shape and size of the sintered area of the powder can be controlled, for example, by controlling the position and path of the electrode tip. Thus, very clear and complex shapes and mechanisms (from macroscale to nanoscale) can be processed. For example, the production of a functional matrix of different materials at multiple scales. Sintering can be performed on layered or non-layered powders. The powder can be patterned into 1D, 2D and 3D structures, or non-patterned. The inventor has termed this process “current activated advanced group sintering (CATS)”. The idea is to use a continuous layer of powder along each sintering path, for example to make 3D sintered nanoparts (which can be microparts or macroparts depending on the type of tip and the size of the powder used) When deposited in situ and then sintered, it can be expanded to 3D processing. In addition, depending on the system design (eg, substrates and advanced materials), very high pressures can be applied as needed compared to SPS, which allows for ultra-fast sintering and thus ultra-fast manufacturing. Has the effect of

例えば堆積したナノ粉末の層を考える場合、電極の先端（例えば、ナノチップ）（図1）を通して電流と圧力の両方を粉末に加えて、局所的SPS条件を強化し、その結果、焼結を強化することができる。   For example, when considering a layer of deposited nanopowder, both current and pressure are applied to the powder through the electrode tip (eg, nanotip) (Figure 1) to enhance local SPS conditions and, consequently, enhance sintering. can do.

必要とされる焼結によって、環境は重要な役割を果たす場合も、そうでない場合もある。環境温度は制御することができ（先端から生成される熱だけではなく、粉末または粉末層の加熱も含む）、圧力も制御できる。   Depending on the sintering required, the environment may or may not play an important role. The ambient temperature can be controlled (including not only the heat generated from the tip, but also the heating of the powder or powder layer), and the pressure can also be controlled.

一部のシステムでは、環境制御は使用されない。しかし、他の場合は、（真空、気体または液体を使用した）環境制御が使用される。環境制御の一例は、先端およびシステムを酸化または他の反応から守るために不活性ガス雰囲気を使用することである。他の場合では、気体混合物を、組成（液体混合物でも可能）、圧力および温度に関して制御し、焼結中または離れている間の先端の下または周りの反応を促進し得る。もちろん、先端の選択は、作業中の先端の損傷を避けるために重要となる。一例は、焼結作業中に気体が先端の下で粉末と反応して特定の化合物を形成する時である。非反応性の気体または液体を使用することもできる。例えば、CATSプロセスの特定の段階では、例えばより良好な焼結を促進するために、不活性ガス圧も使用または変化し得る。代わりに真空を使用することができ、真空中の焼結は高密度の製品を促進することがよく知られていることから、その利点の2つの例には先端の保護と焼結の強化が含まれる。他の例では、多孔質のマクロ、マイクロ、またはナノ機能および部品を作る必要があり得る。この場合、多孔質材料を作る戦略が用いられ、例えば、焼結プロセスが完了する前に停止する、または犠牲的プレースホルダーとなってあとに多孔質形状を残す粒子または繊維または他の形状物を粉末混合物に追加するなどである。   In some systems, environmental control is not used. However, in other cases, environmental control (using vacuum, gas or liquid) is used. One example of environmental control is the use of an inert gas atmosphere to protect the tip and system from oxidation or other reactions. In other cases, the gas mixture may be controlled with respect to composition (possibly a liquid mixture), pressure and temperature to facilitate reactions below or around the tip during or during sintering. Of course, the choice of tip is important to avoid tip damage during operation. One example is when the gas reacts with the powder under the tip during the sintering operation to form a particular compound. Non-reactive gases or liquids can also be used. For example, at certain stages of the CATS process, the inert gas pressure may also be used or changed, for example, to promote better sintering. Instead, vacuum can be used, and sintering in vacuum is well known to promote high-density products, so two examples of its benefits include tip protection and enhanced sintering. included. In other examples, it may be necessary to create porous macro, micro, or nano functions and components. In this case, a strategy to make a porous material is used, for example, particles or fibers or other shapes that stop before the sintering process is complete, or become a sacrificial placeholder and leave behind a porous shape. Such as adding to the powder mixture.

また先端の形状も可変で、例えば、先端はアルファベットのC（彫刻または型押し）などの形状を持つことがあり、粉末に押し付けられた時、対応する類似の焼結形状を生成するはずである。先端の機能はもう一つの重要点である。先端は単に粉末に接触させるか、または圧力を加えることができる。この例では、焼結中に加圧作業が行われる。当然ながら、先端は鍛造、押出、ロール、打刻、引き込み、接合するように作用し得る。例えば、中空デザインの先端は、電流と熱をその下の粉末に加え、その後加圧によって粉末は間接型押出作業で穴に押出される。このアイデアの他の置換およびバリエーションが、複数穴、異なる形状の穴、中空押出を可能にするマンドレル型デザイン等で、本明細書で検討されている。同様に、ローラー付きの先端は、電流およびローリング圧密作用を通して加熱／焼結の両方を提供することができる。接合に加えて、打刻も適用できる。   The shape of the tip is also variable, for example, the tip may have a shape such as the letter C (engraving or embossing) and should produce a corresponding similar sintered shape when pressed against the powder. . The function of the tip is another important point. The tip can simply contact the powder or apply pressure. In this example, a pressing operation is performed during sintering. Of course, the tip can act to forge, extrude, roll, stamp, retract, and join. For example, the tip of a hollow design applies current and heat to the powder under it, and then pressurizes the powder into the hole in an indirect extrusion operation. Other permutations and variations of this idea are discussed herein with multiple holes, different shaped holes, mandrel-type designs that allow hollow extrusion, and the like. Similarly, a roller tip can provide both heating / sintering through current and rolling compaction. In addition to joining, stamping can also be applied.

先端は、粉末（間欠的または連続的に）、気体または液体を例えば先端内の中空の空洞を通して放出する別の機能も持ち得る。生産速度の向上または別の機能の提供のために、複数の先端を使用することもできる。穴または割れ目／隙間を粉末で塞ぐことも、先端焼結の後に可能である。このプロセスは、その後の先端焼結に続いて、材料の穴または欠けを塞ぐために使用できる。これは修理作業のために重要である。粉末は、修理されている材料と同じ場合もそうでない場合もある。   The tip may also have another function of releasing powder (intermittently or continuously), gas or liquid, for example through a hollow cavity in the tip. Multiple tips can also be used to increase production speed or provide another function. It is also possible after the tip sintering to close the holes or cracks / crevices with powder. This process can be used to plug holes or chips in the material following subsequent tip sintering. This is important for repair work. The powder may or may not be the same as the material being repaired.

プロセスは、金属、合金、複合材料、セラミック、炭素材料、半導体、超電導体、反応システム、ポリマー、金属間化合物、ガラス、金属ガラス、多孔質材料、スマート材料、傾斜機能材料、階層的材料、生体適合性材料およびその組み合わせを含む広範囲の材料に適用できると考えられる。これらの一部は、気体または液体との反応を通して形成される。   Process, metal, alloy, composite material, ceramic, carbon material, semiconductor, superconductor, reaction system, polymer, intermetallic compound, glass, metallic glass, porous material, smart material, functionally gradient material, hierarchical material, biological It may be applicable to a wide range of materials including compatible materials and combinations thereof. Some of these are formed through reaction with gases or liquids.

焼結プロセスに使用されるセラミックおよび金属粉末には、銀、銅、金、青銅、真ちゅう、鉄、タングステン、ジルコニア、窒化ケイ素、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、アルミナ、チタン・ニッケル合金、炭化ケイ素、酸化チタン、酸化亜鉛および窒化チタンが含まれるがこれに限定されない。   Ceramic and metal powders used in the sintering process include silver, copper, gold, bronze, brass, iron, tungsten, zirconia, silicon nitride, yttrium oxide, aluminum oxide, alumina, titanium / nickel alloy, silicon carbide, oxidation Including, but not limited to, titanium, zinc oxide and titanium nitride.

粉末の焼結領域の形状とサイズ両方を、電極先端の位置および経路を制御することによって、制御することができる。したがって、マクロスケールからナノスケールまでの非常に明確で複雑な形状および機構を加工することができ、コンピューター支援設計（CAD）ソースから直接、物理的対象を加工することができる。さらに、模様が接触面の上にある時、またはない時、先端は静止モードで使用することもできる。これにより、模様／先端の下の機構の焼結が可能になる（すなわち、インプリント焼結機構）。また、先端に通り穴を配置した場合、先端が表面に接触し、圧力を加えた時に先端穴への逆押出が可能になるため、穴のデザインによっては、マイクロまたはナノワイヤーのどちらかおよびマイクロ／ナノチューブを作るために使用され得る。当然ながら、生産速度を向上させるために、複数の先端を同時に（静止または移動モードのどちらかで）使用することもできる。また重要な特徴は、焼結機構を特徴付け、標本を取り除くことなく視覚映像および空間特性マップを作成するために、先端はその場で使用され得るということである。一旦、機構が焼結されると、そのままにしておくか、または必要に応じて除去することができる。除去プロセスには、粒子が磁性の場合は、オン／オフ磁性機能を使用して、焼結およびその後の機構のリリースを可能にすることが含まれ得る。   Both the shape and size of the sintered area of the powder can be controlled by controlling the position and path of the electrode tip. Thus, very clear and complex shapes and mechanisms from macroscale to nanoscale can be processed, and physical objects can be processed directly from computer aided design (CAD) sources. Furthermore, the tip can also be used in static mode when the pattern is on the contact surface or not. This allows the mechanism under the pattern / tip to be sintered (ie, an imprint sintering mechanism). In addition, when a hole is placed at the tip, the tip contacts the surface, and when pressure is applied, reverse extrusion into the tip hole is possible, so depending on the hole design, either micro or nanowire and micro / Can be used to make nanotubes. Of course, multiple tips can be used simultaneously (in either stationary or moving mode) to increase production speed. An important feature is also that the tip can be used in-situ to characterize the sintering mechanism and create visual images and spatial property maps without removing the specimen. Once the mechanism is sintered, it can be left as it is or removed as needed. The removal process can include using an on / off magnetic function to allow sintering and subsequent release of the mechanism if the particles are magnetic.

開示のプロセスを使用して、従来より非常に低い温度で非常に短時間に、高密度または低密度の物理的対象を形成することができる。焼結プロセスは、例えば多孔質ナノワイヤーなど、制御された空隙率レベルの多孔質物を形成するように制御することもできる。多数のセラミック、金属、形状記憶合金などを含む幅広い粉末材料を本開示のプロセスで使用できる。出願者はこのプロセスに対して「電流活性化先端基焼結」（CATS）という用語を作った。このCATSプロセスは、はんだ材料を使用せずに電子部品を接合することによって、従来のはんだ付け作業の代わりに使用され得る。   Using the disclosed process, high density or low density physical objects can be formed in a very short time at a much lower temperature than before. The sintering process can also be controlled to form a porous material with a controlled porosity level, eg, porous nanowires. A wide range of powder materials, including numerous ceramics, metals, shape memory alloys, etc. can be used in the process of the present disclosure. Applicant has created the term “current activated advanced group sintering” (CATS) for this process. This CATS process can be used in place of conventional soldering operations by joining electronic components without the use of solder materials.

本アイデアは、例えば、ナノ粉末の連続層が各焼結経路に沿ってその場で堆積し、その後焼結される時、3Dナノ加工に拡大され得る。3D焼結ナノ部品、マイクロ部品、またはマクロ部品を作るために、ユーザーは先端のタイプおよび使用する粉末のサイズを変えるだけでよい。   The idea can be extended to 3D nanofabrication, for example, when a continuous layer of nanopowder is deposited in situ along each sintering path and then sintered. To make 3D sintered nanoparts, microparts, or macroparts, the user only needs to change the tip type and the size of the powder used.

さらに、システムデザインによっては、（例えば、基板および先端材料）、SPSに比べて非常に高い圧力を、先端を通して加えることができ、これは、超高速の焼結、ひいては超高速の製造を可能にする効果を持つ。   In addition, depending on the system design (eg, substrates and tip materials), very high pressures can be applied through the tip compared to SPS, which allows for ultra-fast sintering and thus ultra-fast manufacturing. Has the effect of

前述のように、注意のほとんどは、ダイス／抜き型配置を使った、バルクおよび比較的大きな粉末塊のSPSに向けられている。位置および経路制御付きのSPS自動化を必要とする、1D、2D、または3D層状粉末を使用して作られるデバイスへのシフトは期待されていない。というのもこれは電極先端デザインおよび材料選択の考慮と知識に加えて、マイクロおよびナノチップデザインの知識、および電流の通過、必要に応じた高レベルの圧力、およびナノまたはマイクロ電極先端の経路と位置の正確な制御を可能とする変更の知識を必要とするからである。したがって、これは学際的発明である。   As noted above, most of the attention is directed to bulk and relatively large powder mass SPS using a die / punch configuration. A shift to devices made using 1D, 2D, or 3D layered powders that require SPS automation with position and routing is not expected. This is because, in addition to electrode tip design and material selection considerations and knowledge, knowledge of micro and nanotip designs, and current passing, high levels of pressure as needed, and the path and location of nano or micro electrode tips This is because it requires knowledge of changes that enable precise control of the above. This is therefore an interdisciplinary invention.

開示のプロセスは、コンピューター支援設計（CAD）データソースから直接、物理的対象を加工することもできる。繰り返しになるが、CADプロセスは、電極先端および高電流で先端の位置と経路を制御して層内のナノまたはマイクロ粉末焼結プロセスを活性化し1D、2D、または3D物体を形成する手段を使用する。   The disclosed process can also process physical objects directly from computer aided design (CAD) data sources. To reiterate, the CAD process uses a means to activate the nano- or micro-powder sintering process in the layer to form a 1D, 2D, or 3D object by controlling the position and path of the tip at the electrode tip and high current. To do.

開示の焼結プロセスで製造される可能性のある物体またはデバイスの中で、好ましい実施形態における、内径が1ナノメートルから10マイクロメートルの間の円筒状ナノワイヤーがある。   Among the objects or devices that may be manufactured with the disclosed sintering process, in preferred embodiments, there are cylindrical nanowires with an inner diameter of between 1 nanometer and 10 micrometers.

別の好ましい実施形態では、外科用ステントがニッケルチタンまたは形状記憶特性を持つ類似の物質で加工され、ここで、ステントはチューブ、コイル、リング、メッシュまたは外科用ステントで一般的に見られる他の形状を含むグループからの形状に作られたナノワイヤーメッシュから成る。このようなステントは血管手術において特に有用である。   In another preferred embodiment, the surgical stent is fabricated from nickel titanium or similar material with shape memory properties, where the stent is a tube, coil, ring, mesh or other commonly found in surgical stents. Consists of nanowire mesh made into shapes from groups that include shapes. Such stents are particularly useful in vascular surgery.

別の好ましい実施形態では、本明細書に開示された焼結プロセスは、有機または無機焼結粉末材料を使用した分子ワイヤーを加工するために使用され、次にワイヤーは以下を含むグループからの形状に作られる：単一らせん、二重らせん、鎖、四面体、球体、円筒、円錐または、有機または無機分子で一般的に見られる他の形状。   In another preferred embodiment, the sintering process disclosed herein is used to fabricate molecular wires using organic or inorganic sintered powder materials, and then the wires are shaped from the group comprising: Made into: single helix, double helix, chain, tetrahedron, sphere, cylinder, cone, or other shapes commonly found in organic or inorganic molecules.

別の好ましい実施形態では、格子またはダイヤモンド型のいずれかのパターンの織りナノワイヤーから成るシートで、ここでこのようなシートはフィルターまたは膜として機能する。このようなシートデバイスは、焼結粉末の組成によっては可変サイズの穿孔を持ち、伝導性およびイオン化など、他の有用な膜関連特性のために加工され得る。   In another preferred embodiment, a sheet of woven nanowires in either a lattice or diamond pattern, where such sheet functions as a filter or membrane. Such sheet devices have variable size perforations depending on the composition of the sintered powder and can be processed for other useful membrane related properties such as conductivity and ionization.

別の好ましい実施形態では、本明細書に開示された焼結プロセスは内径が1ナノメートルから10マイクロメートルの間のチューブ状デバイスを加工するために使用され、ここでこのようなチューブの壁は中空ではなく、このようなナノチューブの長さは可変である。   In another preferred embodiment, the sintering process disclosed herein is used to fabricate tubular devices having an inner diameter between 1 nanometer and 10 micrometers, where the wall of such a tube is Instead of being hollow, the length of such nanotubes is variable.

さらに好ましい実施形態では、チューブ状デバイスは1つ以上の壁を含み、それぞれは一連の格子状三角形、四角形、五角形、六角形または八角形を含む。   In a further preferred embodiment, the tubular device comprises one or more walls, each comprising a series of lattice triangles, squares, pentagons, hexagons or octagons.

本発明主題は、溶液堆積、蒸着などの既存のナノテクノロジー製造技術と組み合わせることができることも検討されている。   It is also contemplated that the present subject matter can be combined with existing nanotechnology manufacturing techniques such as solution deposition, vapor deposition, and the like.

（参考文献）
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K. Morsi et al., Scripta Mater. (2009), doi: 10.1016 / j.scriptamat.2008.12.049

当業者のレベルの教示に関連し、特許請求された発明の主題を一般人が理解するために必要な任意の開示を含むため、本明細書に引用された参考文献、特に K. Morsi et al., Scripta Mater. (2009), doi:10.1016/j.scriptamat.2008.12.049、テキストおよび図、および任意のその他は、その全体が本明細書に組み込まれる。上述の実施形態は、本発明の範囲から逸脱することなく改変され得ること、またはわずかな変更を行うことができることは当業者には明確である。したがって、本発明の範囲は以下の請求項の範囲およびその公平な同等物によって決定される。
References cited herein, particularly K. Morsi et al., Include any disclosure necessary for the general public to understand the subject matter of the claimed invention in connection with the teachings of the level of ordinary skill in the art. , Scripta Mater. (2009), doi: 10.1016 / j.scriptamat.2008.12.049, text and figures, and any others, are incorporated herein in their entirety. It will be apparent to those skilled in the art that the above described embodiments can be modified or slight changes can be made without departing from the scope of the invention. Accordingly, the scope of the invention should be determined by the following claims and their fair equivalents.

Claims (9)

円筒形を特徴とする、本明細書に開示された焼結プロセスで加工されたナノワイヤー。   Nanowires processed by the sintering process disclosed herein, characterized by a cylindrical shape. さらに、ワイヤーの内径が１ナノメートルから１０マイクロメートルの間であることを含む、請求項１記載のナノワイヤー。   The nanowire of claim 1 further comprising an inner diameter of the wire between 1 nanometer and 10 micrometers. 本明細書に開示された焼結プロセスで加工された、ニッケルチタンまたは形状記憶特性を持つ類似の物質の粉末を使用したナノワイヤー外科用ステントで、チューブ、コイル、リング、メッシュまたは外科用ステントで一般的に見られる他の形状を含むグループの形状を特徴とするナノワイヤーメッシュから成る、ステント。   Nanowire surgical stents using nickel titanium or similar material powders with shape memory properties, processed by the sintering process disclosed herein, in tubes, coils, rings, meshes or surgical stents A stent consisting of a nanowire mesh characterized by a group of shapes including other commonly found shapes. 本明細書に開示された焼結プロセスで加工された、有機または無機焼結粉末材料を使用した分子ワイヤーデバイスで、単一らせん、二重らせん、鎖、四面体、球体、円筒、円錐または、有機または無機分子で一般的に見られる他の形状を含むグループの形状を特徴とする分子ワイヤーから成る、デバイス。   A molecular wire device using organic or inorganic sintered powder material processed by the sintering process disclosed herein, single helix, double helix, chain, tetrahedron, sphere, cylinder, cone or A device consisting of molecular wires characterized by the shape of a group including other shapes commonly found in organic or inorganic molecules. 織りナノワイヤーから成るシートで、格子またはダイヤモンド型のいずれかのメッシュパターンを特徴とし、フィルターまたは膜として機能するシート。   A sheet of woven nanowires that features either a lattice or diamond mesh pattern and functions as a filter or membrane. さらにデバイスが、伝導性およびイオン化を含むがこれに限定されない膜関連特性を持つ焼結粉末材料を使用して加工される、請求項５記載のシート。   6. The sheet of claim 5, further wherein the device is processed using a sintered powder material having membrane related properties including but not limited to conductivity and ionization. 本明細書に開示された焼結プロセスで加工され、内径が1ナノメートルから10マイクロメートルの間であり、このようなチューブの壁は中空ではなく、このようなナノチューブの長さは可変である、チューブ状デバイス。   Processed with the sintering process disclosed herein, the inner diameter is between 1 nanometer and 10 micrometers, the walls of such tubes are not hollow, and the length of such nanotubes is variable , Tubular devices. さらにチューブ状デバイスが1つ以上の壁を含み、それぞれが一連の格子状三角形、四角形、五角形、六角形または八角形を含む、請求項７記載のチューブ状デバイス。   The tubular device of claim 7, further comprising one or more walls, each comprising a series of lattice triangles, squares, pentagons, hexagons or octagons. 本明細書に開示された焼結プロセスで加工された量子ドット。
Quantum dots processed by the sintering process disclosed herein.