(57)【要約】【課題】非線形応答特性を有し、同時に雑音生成効果も発揮する極小サイズの非線形応答系を、二端子間に多数並列接続することにより、コンパクトな素子構造を実現した二端子多経路確率共鳴素子を提供する。【解決手段】ギャップ（４）を挟んで対向配置された一対の端子電極（２、３）と、一対の端子電極間を架橋する複数の電気伝導路（５）と、電気伝導路の各々の両端部と端子電極間を接続する有機金属錯体からなる単分子接合部（６）とを備え、有機金属錯体は、その電荷移動特性が電界内における酸化還元反応に基づく非線形応答を示すとともに、室温下での分子の構造揺らぎに基づく雑音生成効果を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ギャップを挟んで対向配置された一対の端子電極と、
前記一対の前記端子電極間を架橋する複数の電気伝導路と、
前記電気伝導路の各々の両端部と前記端子電極間を接続する有機金属錯体からなる単分子接合部とを備え、
前記有機金属錯体は、その電荷移動特性が電界内における酸化還元反応に基づく非線形応答を示すとともに、室温下での分子の構造揺らぎに基づく雑音生成効果を有することを特徴とする二端子多経路確率共鳴素子。
【請求項２】
前記電気伝導路は、単層カーボンナノチューブにより形成されている請求項１に記載の二端子多経路確率共鳴素子。
【請求項３】
前記単層カーボンナノチューブは金属性である請求項２に記載の二端子多経路確率共鳴素子。
【請求項４】
前記単分子接合部に印加される電界の強さは、前記有機金属錯体の酸化還元反応の発生に十分な範囲となるように、前記ギャップの長さ、前記電気伝導路の電気伝導度に基づき、前記端子電極間に印加される電圧の関係が設定されている請求項１〜４のいずれか１項に記載の二端子多経路確率共鳴素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、確率共鳴現象により微弱信号電流を検出する確率共鳴素子に関し、特に、二端子間に多数の電気伝導路が設けられて、多数並列の非線形応答系が形成された二端子多経路確率共鳴素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
確率共鳴とは、ある入力閾値をもった非線形応答系に雑音が加わることで、本来ならば検出できない微弱な信号が検知可能となる現象である。雑音の存在は測定システムにとって好ましくないものとされ、従来はできるだけ除去する努力が行われてきた。しかし、確率共鳴現象によれば、雑音の存在が有用な役割を果たすことになる。
【０００３】
さらに、J. J. Collinsらは、確率共鳴を機能させる非線形応答系を多数並列接続した多経路システムにより、微弱信号をより効率よく検出できることをシミュレーションにより示した。単一経路の非線形応答系による確率共鳴のシステムでは、信号を検出するための最適な雑音強度が存在し、それ以上の雑音を加えると検出感度は低下してしまう。一方、多経路システムでは、素子数を増加させるにつれて、最適値以上の雑音においても入力信号と出力信号の相関係数は減少しない。
【０００４】
このような非線形応答系を多数並列接続したシステムを、実際に微弱信号電流を検出するための確率共鳴素子として実現するために、ＦＥＴやダイオード等を閾値をもった非線形素子として用い、それらを並列に接続したシステムを構成する提案がなされている。
【０００５】
例えば、特許文献１には、複数個のＦＥＴを並列に接続し、確率共鳴を利用して微弱信号を増幅するように構成された信号再生装置が開示されている。複数のＦＥＴは、共通の入力信号をゲート端子に受け、ドレイン端子にバイアス電圧が印加される。ゲート端子にはさらに、入力信号に雑音を付加するための各々独立した雑音源が接続される。バイアス電圧は、共通の入力信号が印加されたゲート端子の電圧が、ＦＥＴの閾値電圧よりも小さいサブスレショルド領域となるように設定される。複数のＦＥＴのソース端子に加算回路が接続されて、複数のＦＥＴのドレイン端子とソース端子との間の電流を合成して出力する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２１２５５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、ＦＥＴやダイオード等の非線形素子を多数並列接続したシステムにより、実用可能な確率共鳴装置を構成しようとすると、複数個のＦＥＴやダイオードの集合体のサイズを有する装置となり、系全体のサイズの肥大化が避けられない。すなわち、１つの非線形素子が相当の大きさを持つため、多数個の素子を並列配置するための面積は大きくならざるを得ない。
【０００８】
更に、各非線形素子に対して異なる雑音を独立に加える必要があるため、雑音源を多数設け、それぞれの出力を非線形素子に対して伝達するための配線が必要である。従って、そのために必要な面積の増大は勿論、雑音源に係る消費電力も大きなものとなる。
【０００９】
このような従来の問題点を考慮して、本発明は、非線形応答特性を有し、同時に雑音生成効果も発揮する極小サイズの非線形応答系を、二端子間に多数並列接続することにより、コンパクトな素子構造を実現した二端子多経路確率共鳴素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の二端子多経路確率共鳴素子は、ギャップを挟んで対向配置された一対の端子電極と、前記一対の前記端子電極間を架橋する複数の電気伝導路と、前記電気伝導路の各々の両端部と前記端子電極間を接続する有機金属錯体からなる単分子接合部とを備え、前記有機金属錯体は、その電荷移動特性が電界内における酸化還元反応に基づく非線形応答を示すとともに、室温近傍温度下での分子の構造揺らぎに基づく雑音生成効果を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
上記構成の確率共鳴素子によれば、電気伝導路の各々に対して設けられた単分子接合部が、高い非線形応答特性とともに、雑音生成効果を発揮する機能を有する。これにより、電気伝導路の各々は、微弱信号を検出可能とする確率共鳴現象の基本単位としての機能を有する。さらに、二端子間に多数の電気伝導路が形成され、多経路素子がコンパクトに構成されており、しかも、単分子接合部が発生する雑音は、室温下での分子の構造揺らぎに基づくものであるため、各経路における雑音は独立し、多経路における多相の独立雑音の発生が簡素な構成で実現される。従って、極めてコンパクトな素子構造が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施の形態における二端子多経路確率共鳴素子の構成を模式的に示す斜視図
【図２】同多経路確率共鳴素子における単分子接合部の近傍を詳細に示す斜視図
【図３】同多経路確率共鳴素子の特徴を機能モデルによって示した斜視図
【図４】同多経路確率共鳴素子の特性を計測するための構成を示す回路図
【図５】同多経路確率共鳴素子の室温における電圧−電流特性の計測結果を示す図
【図６】同多経路確率共鳴素子と単経路抵抗器について、相関係数の比較結果を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の二端子多経路確率共鳴素子は、上記構成を基本として、以下のような態様をとることができる。
【００１４】
すなわち、前記電気伝導路は、単層カーボンナノチューブにより形成する。この場合、前記単層カーボンナノチューブは金属性であることが好ましい。
【００１５】
前記単分子接合部のギャップの長さは、ｎｍオーダーとなる。
【００１６】
また、前記単分子接合部に印加される電界の強さは、前記有機金属錯体の酸化還元反応の発生に十分な範囲である１Ｖ／ｎｍ以上となるように、前記ギャップの長さ、前記電気伝導路の電気伝導度に基づき、前記端子電極間に印加される電圧の関係が設定される。
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１８】
＜実施の形態＞
［１．素子の構成］
図１に、本発明の一実施の形態における二端子多経路確率共鳴素子１の構成を、斜視図で示す。この素子１は、適当な絶縁体基板（不図示）上に設けられた、入出力端子としての一対の端子電極２、３を有する。両端子電極２、３間のギャップ４は、約１００−２００ｎｍに設定されている。両端子電極２、３は、ギャップ４に架橋させて設けられた電気伝導路５により接続されている。電気伝導路５は、一対の端子電極２、３の間に多数設けられ、二端子間多経路の素子が構成されている。
【００１９】
電気伝導路５の端部と端子電極２、３の各々の間は、有機金属錯体からなる単分子接合部６を介して接合されている。単分子接合部６の一例の詳細な構造を、図２に示す。この図には、多数の電気伝導路５のうち、一経路のみを抽出して示す。また、この例では、電気伝導路５は、単層カーボンナノチューブ（Single Walled Nanotube : SWNT）により形成されている。
【００２０】
電気伝導路５を形成するＳＷＮＴの両端部と端子電極２、３の間には、単分子接合部６として機能する有機金属錯体の単分子のみが示されているが、これは、素子構造を機能面からモデル的に表わしたものであり、実際の構造とは相違する。すなわち実際には、ＳＷＮＴと電極間に有機金属錯体の分子が多数介在するが、そのうち、最も低抵抗の状態にある単分子が、電気信号伝達経路のための単分子接合部６として機能する。図２は、その状態を機能モデル的に表したものである。
【００２１】
電気伝導路５は、ＳＷＮＴに限らず、高伝導性を有する他の素材を用いて形成することができる。単分子接合部６を形成する有機金属錯体としては、その電荷移動特性において、電界内における酸化還元反応に起因する非線形応答特性を有し、併せて、室温下での分子の構造揺らぎに基づく雑音生成効果を有するものを用いる。そのような有機金属錯体の一例として、フェロセン（6-(Ferrocenyl)hexanethiol）を用いることができる。
【００２２】
また、有機金属錯体に酸化還元反応を起こさせるためには、有機金属錯体の分子に、少なくとも１Ｖ／ｎｍ程度以上の強い電界が印加されることが望ましい。そのためには、電気伝導路５と端子電極２、３間に介在させる有機金属錯体が単分子であること、すなわち、単分子接合部６を形成することは効果的である。有機金属錯体の単分子のサイズは数ｎｍ以下であり、強い電界の印加が容易だからである。また、強い電界を発生させるためには、電気伝導路５は、高い導電性を有することが望ましい。電気伝導路５が高伝導性を有することにより、単分子接合部６には強い電界が集中し、酸化還元反応の発生に効果的である。従って電気伝導路５には、金属性単層カーボンナノチューブを用いることが望ましい。両端子電極２、３間のギャップ４は、使用する電気伝導路５が架橋可能な長さに設定される。カーボンナノチューブを使用する場合は１００−２００ｎｍ程度の距離に設定することで、個々のカーボンナノチューブ架橋が非常に高い確率で実現する。
【００２３】
さらに、以上の構成を有する確率共鳴素子においては、電気伝導路５の各々に対して設けられた有機金属錯体からなる単分子接合部６が、高い非線形応答特性とともに、図１に雑音７、８の発生する様子が示されるように、雑音生成を兼ねた機能を有する。これにより、電気伝導路５の各々は、確率共鳴現象の基本単位としての、入力信号が閾値を超えたときのみに検出（応答）出来る非線形応答系（単安定系）を、簡潔な構造によって容易に構成できる。しかも、単分子接合部６が発生する雑音は、室温下での分子の構造揺らぎに基づくものであるため、各経路における雑音は独立し、多経路における多相の独立雑音の発生が簡単な構成で実現される。
【００２４】
このような多経路確率共鳴素子において、一方の端子電極２に到達した微少電圧信号ＳINは、多数の単分子接合部６を電荷として通りぬけて、他方の端子電極３に到達する。各単分子接合部に発生する雑音効果によって通り抜ける電荷のパターンは各々異なるが、端子電極３において全て積算される。即ち、端子電極３には、確率共鳴効果によって増幅された微弱電圧信号ＳINに対応する出力電荷信号ＳOUTが得られる。このように、信号を検出するための端子数は、対向する二端子で済むので、信号の入出力構造も簡潔になる。
【００２５】
図１に示した二端子多経路確率共鳴素子１は、図３に示すような機能モデルに対応させることができる。すなわち、複数の電気伝導路５の各々に、非線形応答特性及び雑音生成効果を発揮する要素（単分子接合部６）が設けられた構成となっている。
【００２６】
一方、特許文献１に開示された構成では、複数個のＦＥＴを用いて確率共鳴装置が構成されているので、ＦＥＴの半導体チャネルが電気伝導路５に相当し、ＦＥＴのゲートが単分子接合部６の機能に相当する。但し、ゲートには、それぞれ独立の雑音源の出力を印加する必要があるため、複数個のＦＥＴの集合体のサイズを有する装置となり、しかも、対応する個数の雑音源が必要である。
【００２７】
これに対して、図３の確率共鳴素子１では、二端子間に小さなサイズの電気伝導路５を多数形成することが可能である。また、電気伝導路５と同レベルのサイズで、素子中に雑音源が含まれている。従って、ＦＥＴを用いた場合と比べて、はるかにコンパクトにすることが可能である。
【００２８】
また、電気伝導路５をカーボンナノチューブ等の一次元材料によって形成することにより、素子の心臓部分はナノメートルサイズの分子集合体のみによって形成することができる。その結果、全体的な素子サイズはマイクロメートルオーダーまで小さくすることが可能である。また、端子形状やサイズによっては、多数の電気伝導路本数（原理的にはアボガドロ数に近い数）を架橋させることも可能である。また、室温程度という有機分子にとっては比較的高温の温度を雑音源として積極的に利用することにより、人体への応用といった、現実的な雰囲気下での利用が可能である。
【００２９】
［２．素子の製造方法］
本実施の形態の二端子多経路確率共鳴素子は、例えば、以下に説明する実施例の製造方法により作製することができる。下記の実施例では、電気伝導路５にＳＷＮＴを用い、単分子接合部６にフェロセン（6-(Ferrocenyl)hexanethiol）を用いた作製方法について説明する。
【００３０】
ＳＷＮＴは溶液内で単離するために有機分子に修飾される。単離のための修飾分子に機能分子を混合することで、ＳＷＮＴ/電極間には高い確率で有機分子接合が形成される。
【００３１】
ＳＷＮＴとして、金属的性質をもった粉末ＳＷＮＴ（オプトサイエンス社製）を使用した。Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド溶媒中に０．２ｍｇ／ｍｌの濃度でＳＷＮＴを添加し、３００分間ソニケーションを行いＳＷＮＴの拡散を行った。ＳＷＮＴは凝集しやすい性質を持っており、すぐに束を形成してしまうため、端子電極間に架橋させた際に電気伝導路数が減少してしまう。そこで溶液にプロトポルフィリンＩＸ亜鉛（II）を混ぜることで、よく拡散されたＳＷＮＴ溶液を作製することができる。また、分子接合を形成させる有機金属錯体として採用したフェロセンを、０．１ｍｇ／ｍｌの濃度でＳＷＮＴとプロトポルフィリンＩＸ亜鉛（II）の混合溶液に添加し、拡散を行った。
【００３２】
端子電極２、３を金電極により形成した。一例として、電極のギャップ長は２００ｎｍ、ギャップ幅は１０μｍである。作製した電極間に、用意したＳＷＮＴ溶液を用いて、キャスト法によりＳＷＮＴを架橋させることにより、図１に示したような二端子多経路確率共鳴素子が作製された。
【００３３】
［３．素子の特性］
一般的に確率共鳴は相関係数（correlation coefficient : C.C.）と呼ばれる２つの確率変数の間の相関（類似性の度合い）を示す値を用いて評価する。相関係数は−１から１の間の実数値をとり、絶対数が１に近づくほど相関がよいとされる。この相関係数値が雑音付加によって増加することを示すことで、確率共鳴の発現を確認することができる。しかし、本発明では常在する分子の構造揺らぎを雑音として利用するため、上記の評価を行うことができない。
【００３４】
そこで、多経路効果によって相関係数が上昇したことを確認することにより、素子内での多経路確率共鳴の発現を実証した。そのために、同程度の電気伝導度を持つ既知の抵抗器、すなわち線形性の単経路素子と比較を行った。非線形性を示す素子であれば、入力信号のオフセット電圧を変化させることで１素子内に複数の抵抗値がある状態が得られ、各抵抗値における相関係数値を単純抵抗のものと比較することができる。
【００３５】
図４に示すような動作計測用の回路により、本実施の形態の二端子多経路確率共鳴素子１の計測を行った。なお、図における確率共鳴素子１は、図示の便宜上、端子電極２、３のみを示し、電気伝導路５及び単分子接合部６の図示は省略されている。室温大気下で片側の端子電極２に、信号源９から２０ｍＶP―Pという微弱な矩形波信号を入力し、対向する端子電極３から得られた出力電流をＩ-Ｖアンプ１０によって電圧に変換して増幅させた。これによって得られた信号を出力信号とし、入力電圧と出力電圧の波形をオシロスコープ１１で計測した。オフセット電圧は０Ｖ〜１Ｖの範囲で変化させた。抵抗器についても同条件で計測を行い、確率共鳴素子１の相関係数値との比較を行った。
【００３６】
計測結果により得られた確率共鳴素子１の室温における電圧−電流特性を、図５に示す。これによれば、非線形性を示す電圧電流特性が得られたことが判る。また、確率共鳴素子１と抵抗器について、相関係数の比較を行ったグラフを図６に示す。
【００３７】
抵抗器の場合の計測結果に着目すると、抵抗値が増加するにつれて相関係数値が減少していることがわかる。本来、相関係数は波形の相似性を示す数値であり、振幅の増減には影響されず一定の値となるはずであるが、測定系の増幅器によるＳＮ比の影響により、抵抗値が増加するにつれて相関係数値が減少している。また、単経路抵抗器は単経路線形応答系と言い換えることが出来る。この単経路線形応答の特性線から単経路非線形応答特性線を算出することが出来る。図６の点線は図５の非線形応答が単経路であり、かつ雑音が存在しない場合に期待される応答特性線である。即ち、図６の点線は確率共鳴現象のない非線形信号伝達経路における相関係数値となる。この線より上方に相関係数値が逸脱した場合、多経路確率共鳴によって信号検出力が高まったことの証明となる。
【００３８】
図６の確率共鳴素子１の場合の計測結果に着目すると、抵抗値１００ＭΩ付近での相関係数値は、単経路非線形応答特性が表す基本線から上方に逸脱していることがわかる。この逸脱は、オフセット電圧を０．３Ｖかけた時に発生した値であり、図５より、電圧−電流特性が大きく変化する範囲であって、非線形性が大きく現れる範囲に一致する。これは本実施の形態の確率共鳴素子１が、多経路確率共鳴によって信号検出力が高められていることを示すものと考えられる。より具体的には、単一経路の線形素子と比較して、最高約３．２倍の増幅効果を、単一経路の非線形素子と比較して約２．５倍の増幅効果を確認できた。この２．５倍の多経路効果は、１０経路程度の多経路の形成に起因すると考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明によれば、簡潔な構成により、非線形応答特性と独立雑音生成の効果を有する非線形応答要素が得られ、非線形応答系を多数並列化した二端子多経路の素子をコンパクトに構成することができる。従って、微弱な脳波電圧信号を検出可能な脳波計、生体内の電気信号を検出する電位計等の作製に有用である。
【符号の説明】
【００４０】
１  二端子多経路確率共鳴素子
２、３  端子電極
４  ギャップ
５  電気伝導路
６  単分子接合部
７、８  雑音
９  信号源
１０  Ｉ−Ｖアンプ
１１  オシロスコープ
【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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