(57)【要約】【課題】  内包された粒子を有するカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を用いる分子スケールでのスイッチの装置及び方法を提供する。【解決手段】  分子スケールでの電子的スイッチの開示されたシステム、装置及び方法は、一般的にカーボンナノチューブ、アノード、カソード及びカーボンナノチューブ内の２つの導電性を有する粒子を含み、粒子は、高抵抗状態及び低抵抗状態の間を移動するように構成される。開示された特徴及び明細書は、改良されたスイッチ機能を実現するために種々に制御され、適応され、随意的に変更されることができる。【選択図】    図１
2009527102.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンナノチューブと、
前記カーボンナノチューブ上の第１の位置に動作可能に接続されたアノードと、
前記カーボンナノチューブ上の第２の位置に動作可能に接続されたカソードと、
前記カーボンナノチューブ内に内包された少なくとも部分的に導電性を有する少なくとも２つの粒子であって、前記粒子が互いに近接する位置に移動するように適切に構成され、前記近接する位置が電気回路の完成するように適切に構成される粒子と、
を具備する分子スケールにおける電子的スイッチ装置。
【請求項２】
前記内包された粒子の少なくとも１つがコバルト、ニッケル、Ｃ６０、磁性材料、半導体材料及び強磁性材料の少なくとも１つからなる請求項１の装置。
【請求項３】
前記カーボンナノチューブが単層壁カーボンナノチューブ、２層壁カーボンナノチューブ及び多層壁ナノチューブからなる請求項１の装置。
【請求項４】
前記アノード及び前記カソードの少なくとも１つが少なくとも部分的に導電性を有する分子の一部を介してカーボンナノチューブに結合される請求項１の装置。
【請求項５】
前記アノード及び前記カソードの少なくとも１つが少なくとも部分的に導電性を有する分子の一部からなる請求項４の装置。
【請求項６】
前記アノード及び前記カソードが電子の伝導のために適切に配置される互いに近接する位置に前記粒子の移動を生じさせるように配置され、
前記粒子の前記移動が前記アノード及び前記カソードにまたがる電圧のポテンシャルの利用で行われるように適切に配置される請求項１の装置。
【請求項７】
前記電圧源が約６００ＧＨｚまでの振動数で少なくとも１つの低抵抗状態及び少なくとも１つの高抵抗状態の相互間での前記スイッチの振動動作のために適切に適応される請求項６の装置。
【請求項８】
前記カーボンナノチューブが金属性及び半導体性のうち少なくとも１つを有する請求項１のスイッチ装置。
【請求項９】
カーボンナノチューブを用意する工程と、
前記カーボンナノチューブの第１の位置に動作可能に接続されるアノードを用意する工程と、
前記カーボンナノチューブの第２の位置に動作可能に接続されるカソードを用意する工程と、
前記カーボンナノチューブ内に内包された少なくとも部分的に導電性を有する少なくとも２つの粒子であって、前記粒子が互いに近接する位置に移動するように適切に構成され、前記近接する位置が電気回路の完成するように適切に構成される粒子を用意する工程と、
から構成される分子スケールでの電子的スイッチング方法。
【請求項１０】
前記内包された粒子の少なくとも１つがコバルト、ニッケル、Ｃ６０、磁性材料、半導体材料、強磁性材料及びこれらの組み合わせからなるグループから選択される請求項９の電子的スイッチング方法。
【請求項１１】
前記カーボンナノチューブが単層壁カーボンナノチューブ、２層壁カーボンナノチューブ及び多層壁ナノチューブからなる請求項９の電子的スイッチング方法。
【請求項１２】
前記アノード及び前記カソードの少なくとも１つが少なくとも部分的に導電性を有する分子の一部を介してカーボンナノチューブに結合される請求項９の電子的スイッチング方法。
【請求項１３】
前記アノード及び前記カソードの少なくとも１つが少なくとも部分的に導電性を有する分子の一部からなる請求項１２の電子的スイッチング方法。
【請求項１４】
前記アノード及び前記カソードが電子の伝導のために適切に配置される互いに近接する位置に前記粒子の移動を生じさせるように配置され、
前記粒子の前記移動が前記アノード及び前記カソードにまたがる電圧のポテンシャルの利用で行われるように適切に配置される請求項９の電子的スイッチング方法。
【請求項１５】
前記電圧源が約６００ＧＨｚまでの振動数で少なくとも１つの低抵抗状態及び少なくとも１つの高抵抗状態の相互間での前記スイッチの振動動作のために適切に適応される請求項１４の電子的スイッチング方法。
【請求項１６】
前記カーボンナノチューブが金属性及び半導体性のうち少なくとも１つを有する請求項９の電子的スイッチング方法。
【請求項１７】
前記スイッチが少なくとも２次元配列及び３次元配列の少なくとも１つからなる請求項１による複数の電子的スイッチ。
【請求項１８】
前記２次元配列が粒子内包カーボンナノチューブの編み込まれたような構造からなる請求項１８の複数の電子的スイッチ。
【請求項１９】
前記構造が製織及びフォトリソグラフィプロセスの少なくとも１つによって実現される多数の論理接合からなる請求項１８の多数の電子的スイッチ。
【請求項２０】
論理構造が大規模にデータの並行プロセスに適切に適応される請求項１９の複数の電子的スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に電子的スイッチングシステム、装置及び方法に関し、特に、本発明の代表的かつ典型的な実施の形態は、一般的に分子スケールでの電子的スイッチング及び論理回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在のデジタル処理装置は、２００５年の第４四半期に予想された６５ｎｍのチップを用いて９０〜１３０ｎｍのスケールで製造される。１０年前には、デジタル処理装置は、約５００ｎｍのスケールで製造された。加工寸法の縮小が継続することが予想されるが、少なくとも今後短期間に半導体チップを生産するための慣例的な方法は、最終的には様々な物理的な制約によって制限されるであろう。これらの制約は、とりわけ、微細な半導体の特徴のスケール、高分子スケールより小さなトランジスタを製造する従来のフォトリソグラフィプロセスの不能及びさらに小さなトランジスタの製造のための材料の潜在的なコストを含んでいる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従って、従来技術を典型的に制限する制約に本質的に敏感でないデジタル電子的スイッチを製造して動作する方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
様々な代表的な面において、本発明は、内包された粒子を有するカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を用いる分子スケールでのスイッチの装置及び方法を提供する。
【発明の効果】
【０００５】
本発明の効果は、以下の詳細な説明に記述され、この詳細な説明から明白にされてもよく、或いは、本発明の代表的な実施の形態の実行によって理解されてもよい。さらに、本発明の他の利点は、特許請求の範囲において特に指摘されたいかなる手段、方法又はその組合せによる手段によって実現されてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
典型的な実施の形態の詳細な説明
本発明の以下の代表的な記述は、一般的に典型的な実施の形態及び最良の形態の発明者の概念に関し、決して本発明の範囲、適用、或いは構成を制限するものではない。より正確には言えば、以下の記述は、本発明の種々の実施の形態を実施するための簡便な実例を提供するように意図されている。明らかになるように、本発明の意図及び範囲から逸脱することなく典型的な実施の形態に開示されるいくつかの要素の機能及び配置の少なくとも１方において変更がなされてよい。
【０００７】
本発明の種々の代表的な実施は、粒子内包ナノチューブを採用するいかなるシステム及び電子的スイッチングの分野におけるそのような装置の使用に適用されてもよい。特定の代表的な実施は、例えば電圧源に連結されたカーボンナノチューブ（例えば、荷電粒子、内包フラーレン、または磁化された粒子、例えば、鉄、コバルト及びニッケルのクラスターを内包する。）を含んでもよい。このような代表的な実施は、本発明の種々の実施の形態によって分子スケールでの電子的スイッチの開示されたシステム、装置及び方法のいかなる応用に一般化されることができる明確な特権を与える開示として提供される。
【０００８】
ここで使用されるように、用語“ナノチューブ”（いかなる変形または組み合わせの相当語句を含む）は、一般的に１０−９メートルのオーダーの大きさを有するどんな超分子の構造、例えばカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、カーボンナノファンネル、カーボンナノディスク及び同種のものを含むよう意図されている。
【０００９】
ここで使用されるように、用語“管壁”（いかなる変形または組み合わせの相当語句を含む）は、一般的にナノチューブのトポロジーによって一般的に輪郭を示されるいかなる表面特徴、例えばナノチューブによって規定される実質的に円筒形状の外面、ナノチューブで規定される実質的に円筒形状の内面及び同種のものを含むよう意図されている。
【００１０】
ここで使用されるように、用語“粒子”（いかなる変形または組み合わせの相当語句を含む）は、一般的にナノチューブ内に配置されることができるいかなるもの、例えば、例えばＣ６０といったフラーレン、金属性の原子並びに強磁性の原子またはそのようなコバルト、鉄及びニッケルを含む原子のクラスター及び同種のものを含むよう意図されている。
【００１１】
ここで使用されるように、用語“内包”及び“配置”（いかなる変形または組み合わせの相当語句を含む）は、一般的に第１の粒子の位置（例えば確率関数の自乗であって、一般的には第１の粒子の空間的位置に相当する）、例えば第２の本体の内部に内側に局在化される位置、第２の粒子と実効的に接触する位置、第２の粒子と実効的ではなく接触する位置、第２の本体の外部に外側に局在化される位置及び同種のものを参照するように意図されている。
【００１２】
ここで使用されるように、用語“動作させる”（いかなる変形または組み合わせの相当語句を含む）は、一般的に少なくとも第１の位置（位置及びスピン状態の少なくとも１つ）から第２の位置（位置及びスピン状態の少なくとも１つ）へ少なくとも１つの粒子の運動（運動及びスピンの少なくとも１つ）を引き起こすように構成されるいかなる種類の原動力、例えば電圧、電流、磁場、及び同種のものの応用物の使用を参照するよう意図されている。
【００１３】
ここで使用されるように、用語“連結された”（いかなる変形または組み合わせの相当語句を含む）は、一般的に、例えば電子伝導、磁気誘導、及び同種のものを介して、第２の本体の空間的位置（位置及びスピン状態の少なくとも１つ）を動作よって修正されるべき第１の位置（位置及びスピン状態の少なくとも１つ）の能力を参照するように意図されている。
【００１４】
ここで使用されるように、用語“振動”（いかなる変形または組み合わせの相当語句を含む）は、一般的に第１の位置（位置及びスピン状態の少なくとも１つ）から第２の位置（位置及びスピン状態の少なくとも１つ）へ、粒子の空間的位置（位置及びスピン状態の少なくとも１つ）の定格時間での周期的変化、その後第１の位置（位置及びスピン状態の少なくとも１つ）に戻ること及び同種のものを参照するように意図されている。
【００１５】
ここで使用されるように、用語“ナノスイッチ”（いかなる変形または組み合わせの相当語句を含む）は、一般的にサイズが約１０−９メートルのオーダーのいかなるスイッチを含むよう意図されている。
【００１６】
ここで使用されるように、用語“論理回路”（いかなる変形または組み合わせの相当語句を含む）は、一般的にプログラム化した機能を実行するための機能的な２ビット回路または機能的な２ビット回路の配置を利用したいかなるもの、例えばＡＮＤゲート、ＯＲゲート、及び同種のものを含むよう意図されている。
【００１７】
ここで使用されるように、用語“トンネル”（いかなる変形または組み合わせの相当語句を含む）は、一般的に量子トンネル（即ち、一般的に古典的に禁止されるエネルギー状態を介して遷移する量子力学的な効果）の現象を含むよう意図されている。
【００１８】
ボールが傾斜を上昇することを考察する場合、ボールが充分な圧力（即ち運動エネルギー）が与えられないならば、ボールは、丘の反対側へ到達しないであろう。しかしながら、量子トンネルの場合には、これは、必ずしも事実ではない。
【００１９】
量子力学のスケールでは、粒子は、古典的な物体の物理的な特性を有していない。より正確に言えば、量子力学のスケールでは、粒子の位置は、即時の環境の観測または相互作用を介して不連続の位置にただ局在化されうる確率の波動関数で最も良く記述される。この言外の意味は、粒子が丘（即ち、ポテンシャルエネルギーの障壁）を上方へ（又は逆らって）移動する量子力学のスケールのシナリオでは、波動関数の密度のいくつかが実質的に障壁の反対側にまで浸み込み、広がってもよいということである。
【００２０】
丘の他方側においていくつかの波動関数を有することは、粒子がその間のいかなる位置（またはエネルギー状態）に存在することなく、障壁の他方側に局在化されるゼロでない確率を有することを意味する。この種の遷移は、古典的な運動において類似を有さず、一般的にトンネル（粒子がポテンシャル障壁を掘削していると示唆するように）と言及される。
【００２１】
ポテンシャル障壁Ｖ（ｘ）における電子の運動は、下記式のような時間に依存しないシュレディンガー方程式で与えられる。
【数１】
2009527102.tif 000003
【００２２】
ここで、ｍは、粒子の質量、Ψ（ｘ）は、粒子の波動関数、そして、Ｅは、粒子のエネルギーである。
【００２３】
この波動関数Ψ（ｘ）を下記式のように指数関数で書き直し、
【数２】
2009527102.tif 000004
【００２４】
シュレディンガー方程式として以下の演算子表現を得る。
【数３】
2009527102.tif 000005
【００２５】
Φ´（ｘ）を実部及び虚部に分離すると、下記式を得る。
【数４】
2009527102.tif 000006
【００２６】
シュレディンガー方程式に代入すると、この式は、下記式をもたらす。
【数５】
2009527102.tif 000007
【００２７】
ここで、
【数６】
2009527102.tif 000008
【数７】
2009527102.tif 000009
【００２８】
最低の次数の項における物理的な制約は次式のようになる。
【数８】
2009527102.tif 000010
【００２９】
振幅が位相と比較してゆっくり変化すると仮定すると、Ａ０（ｘ）＝０とすることができて下記式が得られる。
【数９】
2009527102.tif 000011
【００３０】
この式は、運動エネルギーＥがポテンシャルエネルギーＶ（ｘ）より大きい場合（即ち、古典的な運動）に、唯一有効である。
【００３１】
展開の次の次数までについて同じ手順を踏むと、波動関数として次式のような近似表現が得られる。
【数１０】
2009527102.tif 000012
【００３２】
ここで振幅と比較して位相がゆっくり変化すると仮定すると、Ｂ０（ｘ）とすることができて次式が得られる。
【数１１】
2009527102.tif 000013
【００３３】
この式は、ポテンシャルエネルギーＶ（ｘ）が運動エネルギーＥより大きい場合（即ち、トンネル運動）に、唯一有効である。
【００３４】
展開の次の次数は、波動関数として次式の近似表現をもたらす。
【数１２】
2009527102.tif 000014
【００３５】
これらの近似解の双方が古典的回帰点Ｅ＝Ｖ（ｘ）（即ち、運動エネルギー及びポテンシャルエネルギーが等しい）付近において振舞いが良くないのは、分母から明白である。ポテンシャルエネルギー障壁から離れると、粒子は、自由波（即ち、位相が振動している）と同様に振舞う。ポテンシャルエネルギー障壁の支配下においては、粒子は、振幅の指数関数的な変化を受ける。
【００３６】
具体的なトンネルの問題においては、遷移振幅は、一般的に、
【数１３】
2009527102.tif 000015
【００３７】
に比例する。従って、トンネルは、古典的に許容される運動から大きく逸脱することによって指数関数的に減衰される。
【００３８】
完成なものにするには、至るところで近似解を特徴づけ、大域解を導くために係数を決定しなければならない。古典的回帰点Ｅ＝Ｖ（ｘ）付近において解を近似し、
【数１４】
2009527102.tif 000016
【００３９】
を次式のようにべき級数で展開できる。
【数１５】
2009527102.tif 000017
【００４０】
次式のように線形のオーダーで近似すると、
【数１６】
2009527102.tif 000018
【００４１】
次式が得られる。
【数１７】
2009527102.tif 000019
【００４２】
この微分方程式をベッセル関数に変形することは、次式をもたらす。
【数１８】
2009527102.tif 000020
【００４３】
古典的回帰点の片側において２つの係数が与えられ、この局所解を用いて他方側においてこの２つの係数を決定することができる。
【００４４】
ベッセル関数は、適切な極限において正弦関数、余弦関数及び指数関数を推進する。この関係は、次のようになる。
【数１９】
2009527102.tif 000021
【数２０】
2009527102.tif 000022
【００４５】
典型的な応用、即ち高速に電流のオン及びオフを切り替えるように適切に構成されるナノスケールの装置の詳細な説明は、本発明の種々の実施の形態による開示されたシステム、装置及び方法のいかなる応用に一般化されることができる明確な特権を与える開示として提供される。
【００４６】
高速に電流のオン及びオフを切り替えるように適応されたナノスケールの装置は、機能的なナノ電子回路を実現するための必須の基礎的要素であろう。魅力ある特徴を示すナノメカニカルスイッチを有する種々の分子レベルのスイッチが研究されている。本発明は、１００ＧＨｚまたはそれ以上の速さでスイッチを切り替える超分子の構成の基礎を形成する新しいカーボンナノチューブを記述する。装置は、自己集合技術を使用して製造されてもよい。装置は、陽極及び陰極の接触、或いは、ワイヤレスの手段を介して低電界または低電流を作動させて容易に駆動されてもよい。
【００４７】
装置レベルでは、トンネル接合、負性微分抵抗、及び電気機械のスイッチを含む様々な種類の分子の電子機器が慣例的に研究されている。しかしながら、スイッチを切り替えるスピード、製造可能性、及び駆動機構を含む実用的なナノメカニカルのメモリ及び論理素子を実現する以前に扱われるべきいくつかの困難な課題がある。実際に、１ＧＨｚより高速なマクロスケールまたはナノスケールの電気機械は、従来技術においていまだ明示されていない。
【００４８】
本発明は、例えば単層壁カーボンナノチューブ及びナノチューブ内に磁性粒子を内包するための効率的な自己集合工程といったユニークな電子の輸送特性を利用する高速なスイッチ装置の基礎を形成する革新的なカーボンナノチューブを一般的に含んでいる。
【００４９】
カーボンナノチューブ（ＣＮＴ’ｓ）は、本質的に自己集合のナノ構造であって、六角形に配置した炭素原子のシートが１０−９メートルのオーダーの直径を有する円筒形状に巻かれるように構成されていると見做されるナノ構造である。１枚または複数のシートから構成されるチューブは、単層壁ＣＮＴまたは複層壁ＣＮＴ（ＳＷＮＴまたはＭＷＮＴ）とそれぞれ称される。ＳＷＮＴは、ＳＷＮＴを構成するシートの巻かれ方に特徴づけられるような他の原子または分子の配置及び局所的な相互作用に依存して金属性または半導体性を有するようになりえる。
【００５０】
ＳＷＮＴに内包された２つのナノ粒子の存在は、一般的にナノチューブ内に配置されるナノ粒子の分離距離に応じて変化する半導体性のナノチューブの局所的な電子の構造（例えば、バンドギャップ）の変化を生じる。この局所的な電子の構造は、分離距離、特に分離距離の変化によって低下、或いは上昇されうる伝導の閾値電圧の変更によって調整されてもよい。所定の分離距離にある２つのナノ粒子によって境界を定められたナノチューブの部分にまたがり、伝導の閾値より低いバイアス電圧を設定することは、ナノスケールのスイッチをＯＦＦ状態にする。所定の分離距離で電圧が満足する、或いは所定の導電の閾値より高くなるようなバイアスを設定することは、スイッチをＯＮ状態にする。分離距離を変化することは、ＯＦＦ状態をＯＮ状態へ、この逆もまた同様に、変えることができる。ナノ粒子は、数百ＧＨｚという高い周波数で振動することができ、電気機械のナノスケールのスイッチをもたらす。
【００５１】
実用的原則を説明するために、Ｃ６０／ＣＮＴのシステムを内包される粒子がＣ６０分子であるようなモデルシステムとして考察する。開示された装置内に封入された粒子は、Ｃ６０分子に限定されないことを注意しておく。Ｃ６０分子は、３重に縮退した占有ｔｌｕ軌道からおよそ２ｅＶのギャップで隔てられた５重に縮退した最高占有ｈｕ軌道を有する。半導体性のＣＮＴの一次元の状態は、方位量子数ｍでインデックスを付けられる占有及び非占有のエネルギーサブバンドの系を形成する。これらのサブバンドは、Ｃ６０分子の占有ｈｕ起動及び非占有のｔｌｕ軌道の期待されるエネルギーの範囲の付近で、数ボルトの化学ポテンシャルを有するｍ＝０；±１のサブバンドを含み、化学ポテンシャルのエネルギーにおいて対称的に配置される。ＣＮＴの状態及びＣ６０の軌道の混成は、Ｃ６０−ＣＮＴピーポッドと純粋なＣＮＴとの間の電子遷移の性質の違いにつながり、さらに、電子のトンネルを強める。
【００５２】
定性的に述べると、ＣＮＴの内部に密集して一次元に配列するようにＣ６０分子を収納することは、以下のことから生じるＣ６０由来のバンドの離散を生じる。（１）Ｃ６０分子に最も近接する軌道間の直接の重なり。（２）電子がＣ６０分子からＣＮＴへ、そして隣接するＣ６０分子へトンネルするような間接的なプロセス。この超分子構造の代表的かつ典型的な構成において、２つの隣接するＣ６０分子間での間接的なトンネルは、軌道間の直接の重なりよりも支配的である。この構成において、ＣＮＴは、Ｃ６０分子間の結合を強めるような管路として機能する。さらに、電子状態の相互作用は、Ｃ６０分子及びＣＮＴの双方の電子状態の強い対称性により制限されている。同じ方位量子数の対称を有する状態のＣＮＴ状態及びＣ６０軌道の混成は、最も強力であり、Ｃ６０の非占有ｔｌｕ軌道と相互作用するＣＮＴのｍ＝＋１のサブバンドの混成が支配的になる。
【００５３】
Ｃ６０−ＣＮＴのピーポッドの電子構造の定量計算において、第１項がＣＮＴのｍ＝＋１のサブバンドの摂動をうけない電子状態を記述する項、第２項がＣ６０配列の非占有ｔｌｕ軌道の軌道エネルギーをモデル化する項、最後の項がこれらの状態間でのトンネルを得る項といった３つの項を有するモデルハミルトニアンで近似してもよい。
【００５４】
半導体性のナノチューブ内の配列した多数の粒子を内包することは、このトランジスタの一次元配列をもたらす。この構造の２次元及び３次元配置は、スイッチの２次元及び３次元配置をもたらす。この超分子スイッチの構成は、メモリ及び論理素子といった次世代のナノ電子回路を可能にする。そのようにして構成される開示されたカーボンナノチューブ装置は、現行のまたは次世代の進歩的な半導体プロセスに統合されてもよい。
【００５５】
図１に一般的に示されるように、本発明の典型的な実施の形態は、粒子１０５／１１０を内包した単層壁カーボンナノチューブを提供する。特に、要素１０５及び１１０は、内包された粒子の電子の確率分布を表わしている。矢印は、それぞれ開始位置１１５／１２０及び終了位置１２５／１３０間を内包された粒子の１次元の自由度を表わしている。開始位置１１５／１２０及び終了位置１２５／１３０は、内包された粒子の電子の確率分布１０５／１１０のトンネル振動を生じさせるのに充分なエネルギー状態での配置にそれぞれ相当する。内包された粒子１０５／１１０の存在が局所的な電子の環境（例えば、ナノチューブ１００のバンドギャップ）における変化を引き起こすので、トンネルの性質が引き起こされる。この変化は、粒子１０５／１１０の分離距離に応じて変化する。この局所的な電子の環境は、分離距離、特に、閾値の伝導電圧の変化によって調節されてもよい。例えば、この電圧は、電子１０５／１１０の距離の変化によって降下されてもよいし上昇されてもよい。この粒子の分離距離は、一般的に約１ｎｍのオーダーである。
【００５６】
このシステムは、対称な振動（例えば、内包された粒子１０５／１１０が粒子間の地点に対して反対方向に移動するような振動）及び非対称な振動（例えば、内包された粒子１０５／１１０が粒子１０５／１１０間の地点に対して同一方向に移動するような振動）の双方を経験してもよい。対称な振動は、一般的に約５２０ＧＨｚまでの周波数で生じ、一方、非対称な振動は、一般的に約１１０ＧＨｚまでの周波数で生じる。
【００５７】
高周波振動に加えて、粒子の移動は、開始位置１１５／１２０及び終了位置１２５／１３０間の中間の位置を介しての遷移というよりはむしろトンネルによるため、この振動は、ほとんど熱を生成しない。熱発生の低レベルは、内包された粒子の振動に起因する非常に小さなエネルギー損失をもたらす。
【００５８】
図２に一般的に描かれるように、本発明の典型的な実施の形態は、単層壁ＣＮＴ１００と、ＣＮＴ１００内に内包された粒子２０５／２１０と、ＣＮＴ１００に連結された（或いは、動作的に係合された）電圧源２００と、から構成されるナノスイッチを提供する。さらに、要素２０５及び２１０は、一般的に内包されたＣ６０分子の電子の確率分布を表わしている。スイッチがオフの場合、内包された粒子２０５／２１０の電子の確率分布は、それぞれＣＬＯＳＥＤ位置１２５／１３０ではなくＯＰＥＮ位置１１５／１２０にある。ＣＬＯＳＥＤ位置では、回路は、電圧源２００、ＣＮＴ１００、及び内包された粒子２０５／２１０の間に係合される。ＯＰＥＮ位置では、回路は、電圧源２００、ＣＮＴ１００、及び内包された粒子２０５／２１０の間に形成されない。電圧源２００は、導電性の分子鎖２１５／２２０経由でＣＮＴ１００の外面に連結されている（または、動作的に係合されている）。両矢印は、それぞれ開始位置１１５／１２０及び終了位置１２５／１３０間での内包された粒子の運動の１次元の自由度を一般的に表わしている。開始位置１１５／１２０及び終了位置１２５／１３０は、それぞれ、回路との接続を断たれるように互いに離れる向きへの少なくとも部分的に導電性のある粒子の移動を後に引き起こすトンネル振動を生じさせるのに充分なエネルギー状態での構成に一般的に相当する。
【００５９】
図３に一般的に描かれるように、本発明の代表的な実施の形態は、単層壁ＣＮＴ１００と、ＣＮＴ１００に内包された粒子２０５／２１０と、ＣＮＴ１００に連結された（または、少なくとも動作的に係合された）電圧源２００から構成されたナノスイッチを提供する。内包された粒子２０５／２１０は、ＯＰＥＮ位置１１５／１２０ではなくＣＬＯＳＥＤ位置１２５／１３０にそれぞれある。電圧源２００は、例えば導電性の分子鎖２１５／２２０経由でＣＮＴ１００の外面に連結されている（または、少なくとも動作的に係合されている）。両矢印は、ＯＰＥＮ位置及びＣＬＯＳＥＤ位置間での内包された粒子の運動の１次元の自由度を一般に表わしている。開始位置１１５／１２０及び終了位置１２５／１３０は、それぞれ、回路を完成するように互いの方向への少なくとも部分的に導電性のある粒子の移動を後に引き起こすトンネル振動を生じさせるのに充分なエネルギー状態での構成に一般的に相当する。
【００６０】
システムは、対称な振動（即ち、内包された粒子が粒子２０５／２１０間の地点に対して反対方向に一般的に移動するような分離）を経験してもよい。対称な振動は、約５２０ＧＨｚまでの周波数で典型的に生じる。システムは、さらに非対称な振動（即ち、内包された粒子が粒子２０５／２１０間の地点に対して同一方向に一般的に移動するような分離）を経験してもよい。非対称な振動は、約１１０ＧＨｚまでの周波数で典型的に生じる。
【００６１】
隣接する内包された２つの粒子２０５／２１０間での電子のトンネルは、一般的に隣接する内包された粒子の軌道間の直接の重なりより支配的である。一般的に、ＣＮＴ１００は、隣接する内包された粒子間の連結を強化する管路の機能を果たす。
【００６２】
熱発生の低レベルは、システムからの非常に小さなエネルギー損失をもたらす。従って、ＣＮＴスイッチを使用する装置及び回路の温度管理は、非常に簡単化される。
【００６３】
上述の明細書では、発明は、参照および具体的かつ典型的な実施の形態で記述されている。しかしながら、以下に特許請求の範囲で説明されるような本発明の範囲を逸脱することなく種々の変更及び変形がなされてもよいことは、充分良く理解される。明細書及び図は、限定的なもの及び前記変更の全てが本発明の範囲内に含まれるように意図されるのではなく、説明に役立つ様式と見なされなければならない。従って、発明の範囲は、単に上述された実例によってではなく、この文書に添付され特許請求の範囲及び法的な等価物によって確定されるべきである。
【００６４】
例えば、いかなる方法のまたは処理工程の特許請求の範囲において列挙される工程は、任意の順序で実行されてもよく、特許請求の範囲において提示される特定の順序に限定されない。さらに、いかなる装置の特許請求の範囲に列挙される構成要素及び要素の少なくとも１つは、本発明と同じ効果を実質的に実現するような順列の変化において組み立てられ、或いは、動作的に構成されてもよく、特許請求の範囲に列挙される特定の構成に結果的に限定されない。
【００６５】
利点、他の有利な点及び問題の解決策は、特定の実施の形態に関して上記に記述されている。しかしながら、いかなる利点、有利な点、問題の解決策、或いはいかなる特有の利点、有利な点または解決策を生じる或いはより明白になるようないかなる要素も、決定的な、必須の、或いは、本質的ないかなる構成要素または全ての特許請求の範囲と解釈されるべきではない。
【００６６】
ここで使用されるように、用語“構成する”、“有する”、“含む”またはこれらのいかなる変形は、非排他的な包括を参照するように意図され、要素のリストを構成する処理、方法、品物、構成または装置が列挙されたそれらの要素だけを含むのではなく、明確に記載されない、或いは、処理工程、方法、商品、構成または装置に内在する他の要素を含んでもよい。本発明の実施において用いられた、さらに明確に列挙されていない上述した構造、配置、用途、均整、要素、材料または構成要素の他の組み合わせ及び変更、または他の組み合わせ若しくは変更は、一般的な同一の本質から逸脱することなく明確な環境、製造、明細書、設計パラメータ、または他の動作する要件に変更されても、或いは実質的に適応されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
本発明の代表的な要素、動作的な特徴、応用、及び利点の少なくとも１つは、とりわけ、後にさらに充分に描かれ、記述され、及び請求されるように構造及び動作の詳細な記述の中にある。この一部を形成する添付の図面を参照全ての図面を通して同じ数字は、同じ部分を参照する。他の要素、動作的な特徴、応用及び利点は、詳細な説明で述べられるある典型的な実施の形態と照らし合わせて明らかになるだろう。
【図１】図１は、ナノチューブ装置内に配置された少なくとも部分的に導電性のある粒子のペアを有するナノチューブ装置を代表的に示し、ナノチューブに内包された粒子の運動と関連する一次元の自由度が本発明の典型的な実施の形態に従って一般的に描かれている。
【図２】図２は、本発明の典型的な実施の形態に従って‘ＯＦＦ’構成における粒子の電子の確率密度によってナノチューブスイッチを代表的に示している。
【図３】図３は、本発明の典型的な実施の形態に従って‘ＯＮ’構成における粒子の電子の確率密度によってナノチューブスイッチを代表的に示している。
【００６８】
図中の要素は、簡単かつ明確にするために示され、必ずしも縮尺比に従って縮小されて描かれてない。例えば、図中の要素のいくつかの寸法は、本発明の種々の実施の形態の理解を深めるために他の要素と比較して強調されている。さらに、用語「第１」、「第２」及びもしあれば同種のものは、とりわけ、同様の要素を識別するために用いられ、必ずしも連続的または年代順の順序を記述するためのものでない。さらに、説明及び特許請求の範囲における用語「前」、「後」、「頂上」、「底」、「上方に」、「下方に」、及び同種のものは、もしあれば、一般的に説明的な意図で使用され、必ずしも排他的な相対位置を包括的に記述するためのものでない。いかなる前出の用語も、ここで記述される本発明の種々の実施の形態が明示的に示される、或いは、他の方法で記述されるよりも他の構成及び幾何学的配置、又は他の構成若しくは幾何学的配置において実施できるような適切な状況下で置き換えられることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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