(57)【要約】  【課題】試験試料の完全な状態密度を比較的容易に得ることのできる共鳴型のトンネル分光計を提供する  【解決手段】共鳴トンネル・センサ装置（１００）は、平面基板と、その表面上にある第１の電極（１０３）と、該第１の電極から間隔をあけて平面基板の表面上にある第２の電極（１０５）と、第１の電極及び第２の電極に対して相対的に試料を移動させる移動手段（１０７他）とを備える。第１及び第２の電極は例えば、約１〜約８ｎｍのナノ寸法ギャップ（１０６）により隔てられる。【選択図】図３
2006292751.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面基板と、
該平面基板の表面上にある第１の電極と、
該第１の電極から間隔をあけて前記平面基板の前記表面上にある第２の電極と、
前記第１の電極及び前記第２の電極に対して相対的に試料を移動させる移動手段とを備えることを特徴とする共鳴トンネル・センサ装置。
【請求項２】
前記第１及び第２の電極は、ナノ寸法ギャップによって互いに隔てられていることを特徴とする、請求項１に記載の共鳴トンネル・センサ装置。
【請求項３】
前記移動手段は、前記試料が配置される原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）先端を含むことを特徴とする、請求項１に記載の共鳴トンネル・センサ装置。
【請求項４】
前記ナノ寸法ギャップの幅は、約１〜約８ｎｍの長さにわたることを特徴とする、請求項２に記載の共鳴トンネル・センサ装置。
【請求項５】
前記移動手段は、試料を保持し、該試料を、約０．１ｎｍ〜約１００ｎｍの距離をあけて、前記表面の上方に配置する部材を有することを特徴とする、請求項１に記載の共鳴トンネル・センサ装置。
【請求項６】
前記ナノ寸法ギャップには、絶縁材料が含まれることを特徴とする、請求項２に記載の共鳴トンネル・センサ装置。
【請求項７】
（ａ）平面基板の上に第１の絶縁層を設けるステップと、
（ｂ）前記第１の絶縁層の第１の部分の上に第１の導電層を付着させるステップと、
（ｃ）前記第１の導電層、及び、前記第１の絶縁層の表面の第２の部分の上にスペーサ素子層を付着させるステップと、
（ｄ）前記スペーサ素子層の一部の上に第２の導電層を付着させるステップと、
（ｅ）少なくとも前記第２の導電層及び前記スペーサ素子層の一部を除去して、前記第１の導電層及び前記第２の導電層により、前記平面基板の表面上にあってナノ寸法ギャップによって互いに隔てられた第１と第２の電極を含む構造を形成するステップ
とを有するセンサを製造するステップ、を含むことを特徴とする共鳴トンネル・センサ装置の製造方法。
【請求項８】
前記除去ステップ（ｅ）には、前記表面を研磨して、フラットな表面を形成するステップが含まれることを特徴とする、請求項７に記載の製造方法。
【請求項９】
前記センサを製造するステップに加えて、さらに、試料を保持するための第１の部材と、該第１の部材及び前記センサの製造方法により製造されたセンサを相対的に変位させるよう移動可能にする第２の部材とを配置するステップを含むことを特徴とする、請求項７に記載の製造方法。
【請求項１０】
（ａ）平面基板と、該平面基板の表面上にある第１の電極と、前記平面基板の前記表面上で前記第１の電極からナノ寸法ギャップの間隔をあけて配置される第２の電極と、前記第１の電極及び前記第２の電極に対して試料を移動させる移動手段とを含む装置について、前記移動手段に試料を配置するステップと、
（ｂ）前記第１及び第２の電極に対して、配置された前記試料を移動させるステップとを有することを特徴とする共鳴トンネル・センサ装置の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子力学的装置である、共鳴トンネル効果を用いたトンネル・センサ装置の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
「共鳴トンネル効果」の量子力学的現象は、１９６９年に江崎及びＴｓｕによって始めて分析された（非特許文献１参照）。「共鳴トンネル効果」の概念は、その後、例えば量子ドットのような、ある中心部分を含む中心領域が２つの量子力学トンネル障壁間に配置される「共鳴トンネル・ダイオード」（ＲＴＤ）へと発展した。従って、２つの量子力学トンネル障壁と接触した２つの導通電極によって、第１の電極から注入した電流が、第１の障壁を横切って中心部分に達し、中心部分から第２の障壁を横切って第２の電極に到達することが可能になる。
【０００３】
中心部分のエネルギー準位が第１の電極における電子エネルギーと整合すると、ＲＴＤを通る電流に多少の増大が生じる。この現象は、整合準位共鳴とよぶことが可能である。
【０００４】
整合準位共鳴状態が存在し、さらに、２つの量子力学トンネル障壁の大きさが等しい場合には、ＲＴＤを通る電流のさらなる増大が大きな規模で生じることになる。２つの量子力学トンネル障壁の大きさが等しい場合の、この第２の現象は、整合障壁共鳴と呼ぶことが可能である。
【０００５】
共鳴トンネル・ダイオードの一変型が、「シェル・トンネル分光法」と呼ばれる方法に精緻化されることになった（非特許文献２参照）、「共鳴トンネル分光法」と呼ばれる方法において走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）に利用されている。関連する他の従来の技術について、以下の非特許文献３乃至８に説明される。
【非特許文献１】江崎他、「ＩＢＭ  Ｊ．Ｒｅｓ  ａｎｄ  Ｄｅｖｅｌｏｐ．」、１９７０年、第１４巻、ｐ．６１〜６９
【非特許文献２】Ｂａｋｋｅｒｓ他、「Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔｒｅｓ」、２００１年、第１巻、第１０号、ｐ．５５１〜５５６
【非特許文献３】Ｂａｋｋｅｒｓ他、「Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔｒｅｓ」、２００２年、第１巻、第１０号、ｐ．５５１〜５５６
【非特許文献４】Ｃｈａｎｇ他、「Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔ．」、１９７４年、第２４巻、第１２号、ｐ．５９３〜５９５
【非特許文献５】Ｇｏｏｄｈｕｅ他、「Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔ．」、１９８６年、第４９巻、第１７号、ｐ．１０８６〜１０８８、
【非特許文献６】Ｓｏｌｌｎｅｒ他、「Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔ．」、１９８３年、第４３巻、第６号、ｐ．５８８〜５９０、
【非特許文献７】江崎他、「ＩＢＭ  Ｊ．Ｒｅｓ  ａｎｄ  Ｄｅｖ．」、１９７０年、第１４巻、ｐ．６１〜６５
【非特許文献８】Ｓｏｌｌｎｅｒ他、「Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔ．」、１９８４年、第４５巻、第１２号、ｐ．１３１９〜１３２１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のシェル・トンネル分光法の研究には、試験体が一定厚さの絶縁体上部の単一の所定の場所に固定される必要があるため、制限があった。こうした装置で望ましい整合障壁共鳴を用いるには、ＳＴＭの先端を試験体から分離することによる上部量子力学トンネル障壁の大きさと、試験体と導電性基板との間に絶縁体が存在することによる下部量子力学トンネル障壁の大きさが整合しなければならないが、実際には、これを実現するのは困難である。
【０００７】
従って、本発明の目的は、試験試料の完全な状態密度を得るため、整合障壁共鳴現象を有効に用いることが可能であり、同時に、比較的簡易な操作により、整合エネルギー共鳴現象を生じさせることが可能なトンネル分光計、その製造方法及びその使用方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、新規のプレーナ型共鳴トンネル・センサ装置、及びその製造方法、利用方法が提供される。本センサには、平面基板の表面上に存在し、ナノ寸法のギャップで互いに隔てられた第１及び第２の電極が含まれている。この装置には、さらに、試料を保持するための第１の部材と、当該第１の部材とプレーナ型共鳴トンネル電極を互いに対して移動させるための第２の部材が含まれている。こうした装置を製作する方法、及び、こうした装置を利用して、試料の検出及び特性解明を改良する方法も提供される。
【０００９】
本発明の特徴の１つによれば、平面基板の表面上に存在し、ナノ寸法のギャップで互いに隔てられた第１及び第２の電極、試料を保持するための第１の部材、及び、当該第１の部材とプレーナ型共鳴トンネル電極を互いに対して移動させるための第２の部材を含むプレーナ型共鳴トンネル・センサを取り入れた装置が得られる。実施態様によっては、第１及び第２の部材に、一体化構造が含まれても良い。さらに、一体化構造が、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）先端とした実施態様とされても良い。他の実施態様では、ナノ寸法のギャップの幅が、長さ約１〜約８ｎｍのものもある。実施態様によっては、第２の部材によって、第１の部材が、約０．１ｎｍ〜約１０ｎｍにわたる距離をあけた、第１の電極、ナノ寸法のギャップ、及び、第２の電極を順次横切って移動するようにしても良い。
【００１０】
実施態様の１つでは、ナノ寸法のギャップに絶縁材料が含まれる。こうした実施態様の場合、絶縁材料は二酸化珪素とすることが可能である。実施態様によっては、第１及び第２の電極に、プラチナまたは多結晶シリコンを含むものもある。さらには、平面基板に単結晶シリコンを含む実施態様としても良い。
【００１１】
本発明のもう１つの特徴によれば、プレーナ型共鳴トンネル・センサの製造方法が得られるが、この方法には、平面基板の上に第１の絶縁層を設けるステップと、第１の絶縁層の表面の第１の部分に第１の導電層を付着させるステップと、第１の導電層及び第１の絶縁層の表面の第２の部分の上にスペーサ層を付着させるステップと、第２の絶縁層の表面の一部に第２の導電層を付着させるステップと、付着した第２の導電層及び絶縁層の一部を除去して、平面基板の表面上に存在しナノ寸法のギャップによって互いに分離された第１及び第２の電極を含むプレーナ型共鳴トンネル電極センサを形成するステップが含まれている。引き続き、例えば、化学エッチングによって、ナノ寸法ギャップ内にあってナノ寸法ギャップの上限から第１の絶縁層まで下方に延びるスペーサ層の一部を取り除くことが可能である。スペーサ層に絶縁材料が含まれている場合、所定位置の部分はそのままにしておくことが可能である。
【００１２】
本発明のさらなる特徴によれば、例えば、ダイオード、トランジスタ等を含むナノスケール・デバイスに対する電気的接点の働きをするといった、さまざまな目的に適したナノ寸法ギャップを形成する方法が得られる。
【００１３】
実施態様によっては、付着した第２の導電層の一部の除去に、表面を研磨して、フラットな表面を形成するステップが含まれるものもある。さらに、研磨ステップに、化学機械的研磨プロトコルの利用が含まれる実施態様もある。実施態様によっては、この方法に、さらに、試料を保持するための第１の部材、及び、第１の部材とプレーナ型共鳴トンネル・センサを互いに対して移動させるための第２の部材を含んでいる装置内において、センサの位置決めを行うステップを含んでも良い。
【００１４】
本発明のさらにもう１つの特徴によれば、平面基板の表面上に存在し、ナノ寸法のギャップで互いに隔てられた第１及び第２の電極、試料を保持するための第１の部材、及び、当該第１の部材とプレーナ型共鳴トンネル電極を互いに対して移動させるための第２の部材を含むプレーナ型共鳴トンネル・センサを取り入れた装置の第１の部材上に試料を配置するステップと、配置された試料をプレーナ型共鳴トンネル・センサに対して移動させ、同時に、第１と第２の電極間における電流をモニタするステップを含む方法が得られる。
【００１５】
実施態様によっては、この方法に、試料が当該センサに対して移動させられている間、センサに印加される第１の定電圧を維持するステップが含まれるものもある。実施態様によっては、さらに、第１と第２の電極間の電圧のモニタ中、第１の電圧とは異なる第２の電圧において、配置された試料をプレーナ型共鳴トンネル・センサに対して移動させるステップを少なくとも１回繰り返すステップが含まれるものもある。実施態様によっては、この方法は、量子ドット、巨大分子、または、ナノ結晶の特性を解明するための方法であっても良い。
【００１６】
即ち、本発明は、平面基板と、当該平面基板の表面上にある第１の電極と、当該第１の電極から間隔をあけて平面基板の表面上にある第２の電極と、第１の電極及び第２の電極に対して相対的に試料を移動させる移動手段とを備えることを特徴とする共鳴トンネル・センサ装置を提供する。
【００１７】
好ましくは、第１及び第２の電極は、ナノ寸法ギャップによって互いに隔てられる。
【００１８】
好ましくは、移動手段は、試料が配置される原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）先端とされ得る。
【００１９】
好ましくは、ナノ寸法ギャップの幅は、約１〜約８ｎｍの範囲とされる。
【００２０】
好ましくは、移動手段は、試料を保持し、約０．１ｎｍ〜約１００ｎｍ程度の距離をあけて、表面の上方に位置する部材を有する。
【００２１】
好ましくは、ナノ寸法ギャップには、絶縁材料が含まれる。
【００２２】
さらに、本発明は、（ａ）平面基板の上に第１の絶縁層を設けるステップと、（ｂ）第１の絶縁層の第１の部分の上に第１の導電層を付着させるステップと、（ｃ）第１の導電層、及び、第１の絶縁層の表面の第２の部分の上にスペーサ素子層を付着させるステップと、（ｄ）スペーサ素子層の一部の上に第２の導電層を付着させるステップと、（ｅ）第２の導電層及びスペーサ素子層の一部を除去して、平面基板の表面上にあってナノ寸法ギャップによって互いに隔てられた第１と第２の電極を含む構造を形成するステップとを有するセンサを製造するステップ、を含むことを特徴とする共鳴トンネル・センサ装置の製造方法を提供する。
【００２３】
好ましくは、ステップ（ｅ）には、表面を研磨して、フラットな表面を形成するステップが含まれる。
【００２４】
好ましくは、センサを製造するステップに加えて、さらに、試料を保持するための第１の部材と、第１の部材及びセンサの製造方法により製造されたセンサを相対的に変位させるよう移動可能にする第２の部材とを配置するステップを含む。
【００２５】
さらに、本発明は、（ａ）平面基板と、当該平面基板の表面上にある第１の電極と、平面基板の表面上で第１の電極からナノ寸法ギャップの間隔をあけて配置される第２の電極と、第１の電極及び第２の電極に対して試料を移動させる移動手段とを含む装置について、移動手段に試料を配置するステップと、（ｂ）第１及び第２の電極に対して配置された試料を移動させるステップとを有することを特徴とする、共鳴トンネル・センサ装置の使用方法を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明については、添付の図面と併せ読むことにより、以下の詳細な説明によって深い理解が得られるであろう。強調しておきたいのは、一般的な手法として行われるように、図面に表される種々の特徴的な構成は一定の比率ではないという点である。これらの特徴的な各構成の寸法は、分りやすくするため、任意に拡大または縮小されている。
【００２７】
［定義］
「生体高分子」は、その源に関係なく（例えば、生物学的（例えば、天然の、細胞ベースの組換え発現系から得られる等の）かまたは合成による）、１つ以上の型の反復単位による高分子である。生体高分子は、生体系に見出すことが可能であり、とりわけ、アミノ酸、ヌクレオチド、または、その混合物を含有する化合物を含む、ポリペプチド、ポリヌクレオチド、プロテオグリカン等を含んでいる。
【００２８】
「ポリペプチド」及び「蛋白質」という用語は、本願明細書及び特許請求の範囲全体を通じて同義的に用いられており、蛋白質、ポリペプチド、オリゴペプチド、及び、ペプチドを含む、少なくとも２つの共有結合しているアミノ酸を表わしている。ポリペプチドは、天然アミノ酸、及び、ペプチド結合、合成ペプチド様構造、または、それらの混合物から構成することが可能である。従って、本明細書において用いられる「アミノ酸」または「ペプチド残基」には、天然アミノ酸と合成アミノ酸の両方が含まれている。例えば、ホモフェニルアラニン、シトルリン、及び、ノルエレウシンは、本発明の目的上、アミノ酸とみなされる。「アミノ酸」には、プロリン及びヒドロキシプロリンのようなイミノ酸残基も含まれる。側鎖は、右旋性または左旋性立体配置をなす可能性がある。
【００２９】
一般に、例えば、ポリペプチドまたはポリヌクレオチドのような生体高分子は、例えば、単量体２個分を超える長さ、単量体４個分を超える長さ、単量体約１０個分を超える長さ、単量体約２０個分を超える長さ、単量体約５０個分を超える長さ、単量体約１００個分を超える長さ、または、単量体約３００個分を超える長さから、通常、単量体約５００個分、１，０００個分、または、１０，０００個分以上までの長さといった、任意の長さを備えることが可能である。「ペプチド」及び「オリゴヌクレオチド」は、一般に、単量体２個分を超える長さ、単量体４個分を超える長さ、単量体約１０個分を超える長さ、または、単量体約２０個分を超える長さから、通常、単量体約１０個分、２０個分、３０個分、４０個分、５０個分、または、１００個分までの長さである。いくつかの実施態様では、ペプチド及びオリゴヌクレオチドは、アミノ酸５〜３０個分の長さである。
【００３０】
「ポリペプチド」及び「蛋白質」という用語は、本明細書において同義的に用いられる。「ポリペプチド」という用語には、従来のバックボーンが、非天然または合成バックボーンに置換されたポリペプチド、及び、従来のアミノ酸の１つ以上が、１つ以上の非天然または合成アミノ酸に置換されたペプチドが含まれる。「融合蛋白質」またはその同等物は、一般に、その天然の状態では結合しないが、一般に、ペプチド結合を通じてそれぞれのアミノ末端及びカルボキシル末端で結合されて、単一の連続ポリペプチドを形成する、複数のポリペプチド成分から構成される蛋白質を表わしている。融合蛋白質は、２つまたは３つの異なる蛋白質の組み合わせとするか、または、４つ以上の異なる蛋白質の組み合わせとすることさえが可能である。ポリペプチドという用語には、限定するわけではないが、異種アミノ酸配列を備えた融合蛋白質、異種及び同種リーダー配列を備え、Ｎ末端メチオニン残基を備えるかまたは備えていない融合物、免疫学的標識蛋白質、例えば融合パートナとして、蛍光蛋白質、βガラクトシダーゼ、ルシフェラーゼ等を含む融合蛋白質といった、検出可能な融合パートナを備える融合蛋白質が含まれている。
【００３１】
生体高分子の「単量体残基」は、生体高分子のサブユニット、すなわち単量体単位である。ヌクレオチドはポリヌクレオチドの単量体残基であり、アミノ酸はポリペプチドの単量体残基である。
【００３２】
「基板」は、固体であってもなくてもよく、保持、埋め込み、付着が可能か、または、励起性分子の全体または一部を含むことが可能な、任意の表面を表わしている。
【００３３】
「ナノ寸法の」または「ナノ寸法〜」という用語は、直径約０．５ｎｍ〜約３００ｎｍのサイズの特徴を表わしている。
【００３４】
「トンネル効果」という用語は、量子力学的効果がなければ、粒子が通過するのを阻止するであろうエネルギー障壁を通って、１つの位置からもう１つの位置へ粒子が移動することを含む、量子力学トンネル効果を表わしている。
【００３５】
「共鳴トンネル効果」という用語は、粒子、一般には電子が、２つの位置間にある１つ以上の量子井戸状態を包囲する２つ以上のエネルギー障壁を、一方の位置からもう一方の位置へ通過するトンネル効果を表わしている。一方の位置ともう一方の位置は、一般に、電極を含んでいる。
【００３６】
本発明における共鳴トンネル効果には２つの効果が含まれる。一つは「整合準位共鳴」と呼ばれ、もう一つは、「整合障壁共鳴」と呼ばれる。
【００３７】
整合準位共鳴は、印加電圧と対比して作図される場合に、電圧に対する電流の微分のプロットにおいて見受けられる２つの電極間における導通の増大、すなわち、ｄＩ／ｄＶ対Ｖのピークとして検出することが可能であり、ここで、Ｉは電流であり、Ｖは印加電圧であり、ｄＩ／ｄＶは、電圧に対する電流の微分である。
【００３８】
整合障壁共鳴は、整合準位共鳴の状態も存在する場合、印加電圧と対比して作図される場合に電圧に対する電流のプロットにおいて見受けられる、２つの電極間における導通の大幅な増大、すなわち、Ｉ対Ｖのピークとして検出可能である。
【００３９】
「ランプ電位」または「バイアス電位」という用語は、時間経過につれてさまざまな異なる電圧を生じる能力を備えることを表わしている。いくつかの実施態様では、これは、「走査電圧」、「ランプ電圧」、または、時変電圧と呼ばれる場合もある。ランプ電位は、「ランプ電位給与素子」または「電位給与素子」によって加えることが可能である。
【００４０】
ポリヌクレオチドに関連した「ハイブリッド形成」、「アニーリング」、及び、「結合」は、同義的に用いられる。「結合効率」は、ある特定の時間量内において、ある特定の１組の条件下で形成される結合生成物の絶対または相対収率として測定される、結合反応の生産性を表わしている。「ハイブリッド形成効率」は、ある特定のサブクラスの結合効率であり、結合成分がポリヌクレオチドである場合の結合効率を表わしている。
【００４１】
本願明細書及び特許請求の範囲全体を通じ、「第１の」、「第２の」といった語が相対的意味合いにおいてのみ用いられていることも明らかになるであろう。「組」は、１つのタイプの要素または複数の異なるタイプの要素を含んでいる可能性がある。本書では、液体を表わすのに「流体」の語が用いられる。
【００４２】
「対称的」及び「対称をなす」という用語は、各電極から生体高分子へのトンネル障壁の大きさがほぼ等しい状況を表わしている。
【００４３】
「一部」及び「生体高分子の一部」という用語は、一部分、サブユニット、単量体単位、単量体単位の一部、原子、原子クラスタ、電荷、または、荷電単位を表わしている。
【００４４】
多くの実施態様において、この方法は、コンピュータ可読媒体に「プログラミング」の形で符号化されるが、この場合、本明細書において「コンピュータ可読媒体」という用語は、コンピュータに命令及び／またはデータを与えて、実行及び／または処理させることに関与する、任意の記憶または伝送媒体を表わしている。記憶媒体の例には、そうしたデバイスが、コンピュータ内部にあるか、コンピュータ外部にあるかにかかわらず、フロッピ・ディスク、磁気テープ、ＣＤ−ＲＯＭ、ハードディスク・ドライブ、ＲＯＭまたは集積回路、磁気光ディスク、または、ＰＣＭＣＩＡカード等のようなコンピュータ可読カードが含まれる。情報を含むファイルは、コンピュータ可読媒体に「記憶」することが可能であるが、ここで、「記憶」は、後日、コンピュータによってアクセス及び検索可能なように、情報を記録することを表わしている。
【００４５】
コンピュータ可読媒体に関連して、「固定記憶装置」は、永久的なメモリを表している。固定記憶装置は、コンピュータまたはプロセッサに対する給電の中止によって消去されない。コンピュータ・ハード・ドライブＲＯＭ（すなわち、仮想メモリとして利用されないＲＯＭ）、ＣＤ−ＲＯＭ、フロッピ・ディスク、及び、ＤＶＤは、全て、固定記憶装置の例である。ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）は、非固定記憶装置の一例である。固定記憶装置内のファイルは、編集可能及び書き換え可能にすることができる。
【００４６】
「コンピュータ・ベース・システム」は、本発明の情報の分析に用いられるハードウェア手段、ソフトウェア手段、及び、データ記憶手段を表わしている。本発明のコンピュータ・ベース・システムの最小限のハードウェアには、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、入力手段、出力手段、及び、データ記憶手段が含まれる。当該技術者には容易に明らかになるように、現在入手可能なコンピュータ・ベース・システムのどれであっても、本発明に用いるのに適している。データ記憶手段には、上述の本情報の記録を含む製品、または、こうした製品にアクセス可能なメモリ・アクセス手段を含むことが可能である。
【００４７】
データ、プログラミング、または、他の情報をコンピュータ可読媒体に「記録」することは、当該技術において既知の任意の方法を用いて、情報を記憶するためのプロセスを表わしている。記憶情報にアクセスするために用いられる手段に基づいて、任意の都合の良いデータ記憶構造を選択することが可能である。例えば、ワード・プロセッシング・テキスト・ファイル、データベース・フォーマット等の、さまざまなデータ・プロセッサ・プログラム及びフォーマットを利用して、記憶することが可能である。
【００４８】
「プロセッサ」は、それに要求される機能を実施することになる任意のハードウェア及び／またはソフトウェアの組み合わせを表わしている。例えば、本明細書におけるプロセッサは、いずれも、電子コントローラ、メインフレーム、サーバ、または、パーソナル・コンピュータ（デスクトップまたは携帯用）の形態で入手可能な、プログラマブル・ディジタル・マイクロプロセッサとすることが可能である。プロセッサがプログラム可能である場合、適合するプログラミングは、遠隔位置からプロセッサに伝達することもできるし、あるいは、あらかじめコンピュータ・プログラム製品（磁気、光、または、固体デバイスのいずれをベースにしたものであるかにかかわらず、携帯用または固定式コンピュータ可読記憶媒体のような）に保管しておくことも可能である。例えば、磁気媒体または光ディスクは、プログラミングを保有することができるし、その対応するステーションの各プロセッサと通じている適合するリーダによって読み取ることが可能である。
【００４９】
情報の「伝達」は、適合する通信チャネル（例えば、私設網または公衆網）によって電気信号としてその情報を表わすデータを伝送することを表わしている。ある品目の「転送」は、その品目を物理的に移送するか、別様に移送するか（それが可能であれば）にかかわらず、１つの場所から次の場所にその品目を到達させる任意の方法を表わしており、少なくともデータの場合には、データを保有する媒体を物理的に移送するか、または、そのデータを伝達することを含んでいる。データは、後続の評価及び／または利用に備えて、遠隔場所に伝送することが可能である。例えば、ファクシミリ、モデム、インターネット等の、任意の好都合な遠隔通信手段を用いて、データを伝送することが可能である。
【００５０】
「隣接」という用語は、何であれ、近くにある、隣にある、または、隣接しているものを表わす。例えば、「励起可能分子に隣接する」と称されるナノポアは、励起可能分子の近くに位置する場合もあれば隣に位置する場合もあり、励起可能分子を貫通している場合もあれば、励起可能分子に隣接している場合もあり得る。「隣接」は、一次元、二次元、及び、三次元空間における間隔を表わすこともあり得る。一般に、失活可能な励起可能分子がナノポアに隣接している場合、その分子は、ナノポアを通過する生体高分子によって失活されるほど十分にナノポアの開口部エッジに接近している。同様に、ナノポアに隣接して配置された電極は、生体高分子がナノポアを通過すると、共鳴トンネル効果が生じるように配置されている。隣接する組成物は、直接接触している場合もあれば、接触していない場合もある。
【００５１】
１つの組成物がもう１つの組成物に「結合」されている場合、その組成物間の結合は、互いに直接接触している必要はない。換言すれば、結合は、直接であっても間接であってもかまわず、従って２つの組成物（例えば、基板とナノ構造層）が互いに結合される場合、それらの組成物間に少なくとも１つの他の任意の組成物（例えば、もう１つの層）が存在することもあり得る。本明細書に解説の任意の２つの組成物間の結合は、共有結合であっても、非共有結合であってもかまわない。
【００５２】
「査定」という用語には、任意の形態の測定が含まれており、ある要素の有無の判定が含まれている。「判定」「測定」、「評価」、「査定」、及び、「検定」といった用語は、同義的に用いられ、定量的及び／または定性的判定を含むことが可能である。査定は、相対的な場合もあれば、絶対的な場合もある。「〜の存在の査定」には、存在するものの量の決定及び／またはその有無の判定が含まれる。
【００５３】
別段の規定がない限り、本明細書において用いられるすべての技術及び科学用語は、本発明が属する技術の通常の技術者によって一般に理解されているのと同じ意味を有している。本発明の実施またはテストに、本明細書に解説のものと同様または同等の任意の方法及び材料を利用することが可能であるが、望ましい方法及び材料について次に述べることにする。本明細書において言及されている全ての刊行物は、その刊行物の引用に関連した方法及び／または材料の開示及び解説のため、参考までに本明細書において援用されている。
【００５４】
プレーナ型共鳴トンネル・センサ及びその利用方法が提供される。本センサには、平面基板表面上にあって、ナノ寸法ギャップによって互いに隔てられた第１及び第２の電極と、試料を保持するための第１の部材と、当該第１の部材及び平面基板を互いに対して移動させるための第２の部材が含まれている。また、こうした装置の製造方法、及び、こうした装置を利用して、生体高分子のようなナノスケール成分の検出及び特性解明が改良されるようにするための方法も提供される。
【００５５】
本発明について述べる前に、言うまでもないが、本発明は、解説の特定の実施態様に限定されるものではなく、従って、さまざまな可能性があるのはもちろんのことである。やはり言うまでもないが、本発明の範囲は特許請求の範囲の請求項によってのみ限定されるので、本明細書において用いられる用語は、特定の実施態様の説明だけを目的としたものであり、限定を意図したものではない。
【００５６】
ある値域が規定されている場合には、もちろん、文脈において別段の明確な指示がない限り、その値域の上限と下限の間に介在する下限の単位の１／１０までの各値が、やはり、明確に開示される。規定の値域内における任意の規定値または介在値とその規定の値域内における任意の他の規定値または介在値との間のより小さい各値域は、本発明内に包含される。これらより小さい値域の上限及び下限は、個別に、値域内に含めることもできるし、あるいは、値域から除外することも可能であり、規定の値域内における任意の限界が特に除外されることを条件として、上限及び下限のいずれかが含まれる、どちらも含まれない、または、両方とも含まれる各値域は、やはり、本発明内に含まれる。規定の値域に、上限及び下限の一方または両方が含まれる場合、それら含まれる限界のいずれかまたは両方を除外する値域は、やはり、本発明に含まれる。
【００５７】
別段の規定がない限り、本明細書において用いられる全ての技術及び科学用語は、本発明が属する技術の通常の技術者によって一般に理解されているのと同じ意味を有している。本発明の実施またはテストに、本明細書に解説のものと同様または同等の任意の方法及び材料を利用することが可能であるが、望ましい方法及び材料について次に述べることにする。本明細書において言及されている全ての刊行物は、その刊行物の引用に関連した方法及び／または材料の開示及び解説のため、参考のために本明細書で援用されている。
【００５８】
本明細書及び付属の請求項で用いられる限りにおいて、「ある」、「１つの」、「その」といった単数形には、文脈において別段の明確な指示がない限り、複数の指示対象が含まれるという点に留意しなければならない。例えば、「ある生体高分子」への言及には、複数のこうした生体高分子が含まれ、「その電極」への言及には、１つ以上の電極、及び、当該技術者には既知のその同等物が含まれる。さらに、請求項は、任意のオプションの要素を除外するように作成される可能性がある点にも留意されたい。従って、この記述は、請求要素の列挙に関連した「のみ」、「だけ」等といった排除的用語の使用、または、「消極的な」限定の使用のための根拠として役立つことを意図したものである。
【００５９】
本明細書において論考される刊行物は、本発明の提出日に先行して開示されているという理由だけで提示されている。先行発明に照らして、本発明に、こうした刊行物に先行する資格がないことを認めていると解釈されるべき点は、本明細書のどこにもない。さらに、提示の刊行日は、実際の刊行日と異なる可能性があり、これについて、別個に確認を取る必要があるかもしれない。
【００６０】
本開示を読めば、当該技術者には明らかになるように、本明細書に解説及び例示される個々の実施態様は、それぞれ、本発明の範囲または精神から逸脱することなく、他のいくつかの実施態様の任意の１つの特徴から容易に分離することが可能な、または、その特徴と組み合わせることが可能な個別コンポーネント及び特徴を備えている。
【００６１】
［本装置］
本発明によれば、プレーナ型共鳴トンネル・センサを含む装置が得られる。図１及び図２及び図３には、本発明の実施態様１００の断面図が例示され、図４には、平面図が例示されており、その説明がよどみなく行われるように利用される。一般に、本発明の装置には、平面基板１０１の表面に存在するプレーナ型共鳴トンネル・センサと、試料を保持するための第１の部材１０７、及び、第１の部材１０７とプレーナ型共鳴トンネル・センサを互いに対して移動させるための第２の部材１０８が含まれている。プレーナ型共鳴トンネル・センサには、ナノ寸法ギャップ１０６によって隔てられた第１の電極素子１０３と第２の電極素子１０５が含まれている。
【００６２】
平面基板１０１は、基板及びナノポアの設計技術において既知の各種材料から構成することが可能である。本装置に用いるのに適した基板には、限定するわけではないが、単結晶シリコン、窒化珪素、二酸化珪素、プラチナまたは他の金属、酸窒化珪素、シリコン・リッチ窒化物、有機ポリマ、及び、他の絶縁層、炭素ベースの材料、プラスチック、金属、または、半導体または導電性材料のエッチングまたは製作技術において既知の他の材料を含む、１つ以上の材料による１つ以上の層を含むことが可能である。適合する基板は、均一な厚さを備える必要はない。基板は、固体材料であっても、なくてもかまわず、例えば、部分的に、または、全体が、メッシュ、ワイヤ、または、プレーナ型共鳴トンネル・センサを製作することが可能な他の材料とすることも可能である。基板には、さまざまな形状及びサイズを含むことが可能である。しかし、プレーナ型共鳴トンネル・センサを支持することが可能なほどに十分な大きさと幅を備えていなければならない。典型的な実施態様の場合、基板の幅は、約３ｍｍ〜約５ｍｍといったように、約１ｍｍ〜約１０ｍｍにわたる。典型的な実施態様の場合、基板の厚さは、約２００μｍ〜約６００μｍといったように、約５０μｍ〜約２．５ｍｍにわたる。さらに、基板は、剛性またはたわみ性といった、さまざまな構造特性からなる可能性がある。しかし、基板は、プレーナ型共鳴トンネル・センサの構成要素を支持するのに十分な剛性を備えていなければならない。
【００６３】
さらに、本発明の装置１００には、プレーナ型共鳴トンネル・センサが含まれる。「共鳴トンネル効果」という用語は、ある粒子、一般には電子が、２つの位置間にある１つ以上の量子井戸状態を包囲する２つ以上のエネルギー障壁を通過して、その一方の位置からもう一方の位置に達するトンネル効果を表わしている。その一方の位置及びもう一方の位置は、一般に、電極である。
【００６４】
共鳴トンネル効果には、２つの効果が含まれており、一方は「整合準位共鳴」と呼ばれ、もう一方は、「整合障壁共鳴」と呼ばれる。
【００６５】
整合準位共鳴は、印加電圧と対比して作図される場合に、電圧に対する電流の微分のプロットにおいて見受けられる２つの電極間における導通の増大、すなわち、ｄＩ／ｄＶ対Ｖのピークとして検出することが可能であり、ここで、Ｉは電流であり、Ｖは印加電圧であり、ｄＩ／ｄＶは、電圧に対する電流の微分である。
【００６６】
整合障壁共鳴は、整合準位共鳴の状態も存在する場合、印加電圧と対比して作図される場合に電圧に対する電流のプロットにおいて見受けられる、２つの電極間における導通の大幅な増大、すなわち、Ｉ対Ｖのピークとして検出可能である。
【００６７】
本発明に用いるのに適したプレーナ型共鳴トンネル・センサには、ナノ寸法のギャップ１０６によって隔てられた第１の電極１０３と第２の電極１０５が含まれている。実施態様によっては、ナノ寸法のギャップ１０６に、スペーサ素子１０４が含まれる場合もある。実施態様によっては、スペーサ素子１０４に絶縁体を含むことが可能なものもある。
【００６８】
実施態様によっては、第１の電極１０３及び第２の電極１０５の厚さが、約０．５μｍ〜約１μｍを含めて、約０．１μｍ〜約５μｍになるものもある。いくつかの実施態様では、スペーサ素子１０４の厚さが、約１ｎｍ〜約９ｎｍ、約２ｎｍ〜約７ｎｍ、約３ｎｍ〜約６ｎｍ、約４ｎｍ〜約５ｎｍを含めて、約０．５ｎｍ〜約１０ｎｍのものもある。いくつかの実施態様では、ナノ寸法ギャップ１０６の幅が、約１ｎｍ〜約９ｎｍ、約２ｎｍ〜約７ｎｍ、約３ｎｍ〜約６ｎｍ、約４ｎｍ〜約５ｎｍを含めて、約０．５ｎｍ〜約１０ｎｍのものもある。
【００６９】
第１の電極１０３及び第２の電極１０５は、さまざまな導電性材料から製作することが可能である。こうした材料には、限定するわけではないが、金属、ケイ化物、多結晶シリコン、有機導体及び超電導体、導電性金属、及び、錫、銅、亜鉛、鉄、マグネシウム、コバルト、ニッケル、プラチナ、及び、バナジウムの合金が含まれる。当該技術において周知の電気伝導を可能にする他の材料を用いることも可能である。スペーサ素子１０４は、第１の電極１０３と第２の電極１０５との間の絶縁を可能にするさまざまな材料から製作することが可能である。さまざま適合材料が、当該技術において周知のところであり、本装置に用いることが可能である。典型的な材料には、例えば、二酸化珪素、窒化珪素、酸窒化珪素、シリコン・リッチ窒化物、有機ポリマ、及び、プラスチック等が含まれる。スペーサ素子１０４は、また、さまざまな導電性材料から製作することも可能である。こうした材料には、制限するわけではないが、金属、ケイ化物、多結晶シリコン、有機導体及び超電導体、導電性金属、及び、錫、銅、亜鉛、鉄、マグネシウム、コバルト、ニッケル、プラチナ、及び、バナジウムの合金が含まれる。ナノ寸法ギャップ１０６の領域内にあって第１の絶縁層１０２まで下方に延びるスペーサ素子１０４は、例えば、化学エッチングを含む方法によって除去することが可能である。
【００７０】
図１及び図２を参照すると、本装置１００には、さらに、プレーナ型共鳴トンネル・センサの上方に試料を保持するための第１の部材１０７と、第１の部材１０７とプレーナ型共鳴トンネル・センサを互いに対して移動させるための第２の部材１０８が含まれている。第１の部材１０７は、プレーナ型共鳴トンネル・センサの上方の位置に試料を保持することが可能なさまざまな材料から製作することが可能である。実施態様の中には、第１の部材１０７が、非導電性であって、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）先端というものもある。他の実施態様には、第１の部材１０７が、導電性であって、走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）先端というものもある。典型的な実施態様の場合、第１の部材１０７は、第１の電極１０３、ナノ寸法のギャップ１０６、及び、第２の電極１０５の上方に、例えば約１ｎｍ〜約２ｎｍといった、約０．５ｎｍ〜約１０ｎｍを含めて、約０．１ｎｍ〜約１００ｎｍの距離をあけて、試料を保持する。第２の部材１０８は、第１の部材１０７及びプレーナ型共鳴トンネル・センサを互いに対して移動させることが可能な素子をもたらすさまざまな材料から製作することが可能である。実施態様によっては、第１の部材１０７及び第２の部材１０８が単一の一体化構造を構成しない個別部品の場合もある。いくつかの実施態様では、第１の部材１０７及び第２の部材１０８は単一の一体化構造である。実施態様によっては、第１の部材１０７及び第２の部材１０８は、第１の部材１０７がＡＦＭ先端で、第２の部材が、ＡＦＭ装置において見受けられる、先端に関連したＡＦＭ装置の移動機構という、一体化構造の場合もある。他の実施態様には、第１の部材１０７及び第２の部材１０８は、第１の部材１０７がＳＴＭ先端で、第２の部材が、ＳＴＭ装置において見受けられる、先端に関連したＳＴＭ装置の移動機構という、一体化構造の場合もある。さらなる実施態様には、第１の部材１０７に、さらに、オプションの絶縁材料１１７を含むことが可能なものもある。
【００７１】
図４を参照すると、実施態様によっては、本装置１００に、さらに、第１の電極１０３と第２の電極１０５の間に電圧を印加するための素子１１４が含まれるものもある。電圧発生素子１１４は、基板１０１、ナノ寸法ギャップ１０６、第１の電極１０３、及び、第２の電極１０５に対してどこにでも配置することが可能である。電圧発生素子１１４は、単調に変化させて、第１の電極１０３と第２の電極１０５の間に時変電圧を加えることができるのが望ましい。本発明には、さまざまな電圧発生素子１１４を用いることが可能である。いくつかのこうした電圧発生素子１１４は、当該技術において既知のところである。電圧発生素子１１４は、単調に変化させて、第１の電極１０３と第２の電極１０５の間に時変電圧を加える能力を備えている。
【００７２】
いくつかの実施態様では、本装置１００に、さらに、第１の電極１０３と第２の電極１０５の間の電流を測定するための素子１１５が含まれることになる。電流測定素子１１５は、当該技術において周知のところであり、本発明の１つ以上のコンポーネントに電気的に接続（１１３参照）することが可能な任意の構造、コンポーネント、または、装置とすることが可能である。本装置には、さらに、データ収集ソフトウェア、電子記憶媒体等を含む、出力発生システムの他の構成要素を含むことも可能である。
【００７３】
図３を参照すると、実施態様によっては、本装置１００には、さらに、第１の電極１０３と、試料を保持するための第１の部材１０７との間に電圧を印加するための素子１１９が含まれるものもある。電圧発生素子１１９は、基板１０１、ナノ寸法ギャップ１０６、第１の電極１０３、及び、試料を保持するための第１の部材１０７に対してどこにでも配置することが可能である。電圧発生素子１１９は、単調に変化させて、第１の電極１０３と試料を保持するための第１の部材１０７の間に時変電圧を加えることができるのが望ましい。本発明には、さまざまな電圧発生素子１１９を用いることが可能である。いくつかのこうした電圧発生素子１１９は、当該技術において既知のところである。電圧発生素子１１９は、単調に変化させて、第１の電極１０３と試料を保持するための第１の部材１０７の間に時変電圧を加える能力を備えている。
【００７４】
いくつかの実施態様では、本装置１００に、さらに、第１の電極１０３と試料を保持するための第１の部材１０７の間の電流を測定するための素子１１８が含まれることになる。電流測定素子１１８は、当該技術において周知のところであり、本発明の１つ以上のコンポーネントに電気的に接続（１２０参照）することが可能な任意の構造、コンポーネント、または、装置とすることが可能である。本装置には、さらに、データ収集ソフトウェア、電子記憶媒体等を含む、出力発生システムの他の構成要素を含むことも可能である。
【００７５】
［本装置の製造］
本発明の装置の代表的な実施態様について解説してきたが、次に、本発明の製造方法の代表的な実施態様について解説することにする。本装置１００の実施態様を製作する、非限定の典型的な方法が、図５（ａ）〜（ｃ）、図６（ａ）〜（ｃ）、図７（ａ）及び（ｂ）、及び、図８（ａ）及び（ｂ）に提示されている。これらの図は、必ずしも一定の比率で描かれているわけではない。例えば、ナノ寸法のギャップの幅は、図面のスケールで見えるようにするため、誇張されている。一般に、本装置１００の製造には、まず、プレーナ型共鳴トンネル・センサを製作するステップと、次に、さらに、試料を保持するための第１の部材１０７と、第１の部材１０７とプレーナ型共鳴トンネル・センサを互いに対して移動させるための第２の部材１０８を含んでいる装置に、プレーナ型共鳴トンネル・センサを配置するステップが含まれる。
【００７６】
典型的な実施態様の場合、プレーナ型共鳴トンネル・センサの製作は、図５（ａ）及び（ｂ）に例示のように、基板１０１を設けて、基板１０１の上に第１の絶縁層１０２を形成するステップから開始される。第１の絶縁層１０２は、例えば、ＴＥＯＳ酸化物付着のような、当該技術において既知のさまざまな付着方法によって、基板１０１の上に形成することが可能である。絶縁層１０２には、制限するわけではないが、ポリマ、フォトレジスト、ＳＵ８フォトレジスト、エポキシ、ポリイミド、パリレン（登録商標）、シリコーン・ポリマ、二酸化珪素、窒化珪素、酸窒化珪素、シリコン・リッチ窒化物、ＴＥＯＳ酸化物、及び、窒化プラズマを含むグループのうちの１つ以上を含むことが可能である。実施態様の中には、絶縁層１０２に二酸化珪素が含まれるものがある。
【００７７】
第１の絶縁層１０２は、当該技術において既知のさまざまな付着方法によって、基板１０１の上に形成することが可能である。例えば、真空蒸着源または分子線エピタキシ源またはスパッタリング源のような付着源を用いて、基板１０１の上に第１の絶縁層１０２が付着させられる。次に、リソグラフィ・ステップが実施され、塩酸と硝酸の混合物を含む王水の希薄溶液によってエッチングが施されて、第１の絶縁層１０２の側方範囲が画定する。あるいはまた、付着ステップの前に、フォトリソグラフィ・ステップを実施し、剥離プロセスによって、第１の絶縁層１０２を形成することも可能である。
【００７８】
絶縁層１０２は、さまざまな形状及びサイズを含むことが可能である。しかし、絶縁層は、プレーナ型共鳴トンネル・センサを支持できるほど十分な大きさと幅を備えていなければならない。典型的な実施態様の場合、絶縁層１０２は、基板１０１の上部表面全体を被覆する。典型的な実施態様の場合、絶縁層１０２の厚さは、例えば、約２μｍ〜約３μｍといった、約０．５μｍ〜約４μｍを含む、約０．１μｍ〜約５μｍにわたる。典型的な実施態様の場合、絶縁層１０２の厚さは、約１μｍである。
【００７９】
プレーナ型共鳴トンネル・センサの典型的な製造方法では、図５（ｃ）に示すように、引き続き、絶縁層１０２の第１の部分の上に第１の電極１０３が形成される。第１の電極１０３は、さまざまな導電性材料から構成することが可能である。こうした材料には、制限するわけではないが、金属、ケイ化物、例えば、多結晶シリコンなど、有機導体、及び、超電導体、導電性材料、及び、錫、銅、亜鉛、鉄、マグネシウム、コバルト、ニッケル、プラチナ、及び、バナジウムの合金が含まれる。当該技術において周知の電気伝導を可能にする他の材料を用いることも可能である。いくつかの実施態様では、第１の電極１０３は、多結晶シリコンから製作される。他の実施態様には、第１の電極１０３がプラチナから製作されるものもある。
【００８０】
第１の電極１０３は、当該技術において既知のさまざまな付着方法によって絶縁層１０２の第１の部分の上に形成することが可能である。例えば、真空蒸着源または分子線エピタキシ源またはスパッタリング源のような付着源を用いて、絶縁層１０２の第１の部分の上に第１の電極１０３が付着させられる。次に、リソグラフィ・ステップが実施され、塩酸と硝酸の混合物を含む王水の希薄溶液によってエッチングが施されて、第１の電極１０３の側方範囲が画定する。あるいはまた、付着ステップの前に、フォトリソグラフィ・ステップを実施し、剥離プロセスによって、第１の電極１０３を形成することも可能である。
【００８１】
第１の電極１０３は、さまざまな形状及びサイズを含むことが可能である。しかし、第１の電極は、プレーナ型共鳴トンネル・センサを形成できるほど十分な大きさと幅を備えていなければならない。典型的な実施態様の場合、第１の電極１０３の幅は、例えば、約１μｍ〜約５μｍといった、約０．５μｍ〜約２５μｍにわたる。典型的な実施態様の場合、第１の電極１０３の厚さは、例えば、約０．７５μｍ〜約２μｍといった、約０．５μｍ〜約３μｍを含む、約０．１μｍ〜約５μｍにわたる。いくつかの実施態様では、第１の電極１０３の厚さは、約１μｍである。
【００８２】
典型的な製造方法では、図６（ａ）に示すように、第１の電極１０３及び第１の絶縁層１０２の上にスペーサ素子１０４が引き続いて形成される。スペーサ素子１０４は、第１の電極１０３と第２の電極１０５の間に絶縁を施すことが可能なさまざまな材料から製作することが可能である。こうした材料には、制限するわけではないが、ポリマ、フォトレジスト、ＳＵ８フォトレジスト、エポキシ、ポリイミド、パリレン（登録商標）、シリコーン・ポリマ、二酸化珪素、窒化珪素、酸窒化珪素、シリコン・リッチ窒化物、ＴＥＯＳ酸化物、及び、窒化プラズマが含まれる。いくつかの実施態様では、第２の絶縁層１０４は、二酸化珪素から製作される。スペーサ素子１０４は、さまざまな導電性材料から構成することも可能である。こうした材料には、制限するわけではないが、金属、ケイ化物、多結晶シリコン、有機導体及び超電導体、導電性金属、及び、錫、銅、亜鉛、鉄、マグネシウム、コバルト、ニッケル、プラチナ、及び、バナジウムの合金が含まれる。ナノ寸法ギャップ１０６の領域内にあって第１の絶縁層１０２まで下方に延びるスペーサ素子１０４は、例えば、化学エッチングを含む方法によって除去することが可能である。
【００８３】
スペーサ素子１０４は、当該技術において既知のさまざまな付着方法によって、第１の電極１０３及び第１の絶縁層１０２の上に形成することが可能である。例えば、真空蒸着源または分子線エピタキシ源またはスパッタリング源のような付着源を利用して、第１の電極１０３及び第１の絶縁層１０２の上にスペーサ素子１０４が付着させられる。
【００８４】
スペーサ素子１０４は、さまざまな形状及びサイズを含むことが可能である。しかし、スペーサ素子は、後でナノ寸法ギャップ１０６を構成することになる領域に、第１の電極１０３の側壁に対する被覆層を形成しなければならない。典型的な実施態様では、スペーサ素子１０４によって、第１の電極１０３及び第１の絶縁層１０２の露出表面全体が被覆される。典型的な実施態様では、スペーサ素子１０４の厚さは、例えば、約２ｎｍ〜約８ｎｍ、約３ｎｍ〜約７ｎｍ、約４ｎｍ〜約６ｎｍといった、約１ｎｍ〜約９ｎｍを含む、約０．５ｎｍ〜約１０ｎｍにわたる。いくつかの実施態様では、スペーサ素子１０４の厚さは、約２ｎｍである。
【００８５】
典型的な製造方法では、図６（ｂ）に示すように、引き続き、スペーサ層１０４の上に第２の電極１０５が形成される。典型的な実施態様では、図７（ａ）に例示のように、第２の電極１０５が、第１の電極１０３を覆わないスペーサ１０４の一部と、第１の電極１０３を覆うスペーサ１０４の一部（第１の電極１０３を覆う領域は点線で表わされている）の上に付着させられる。第２の電極１０５は、さまざまな導電性材料から構成することが可能である。こうした材料には、制限するわけではないが、金属、ケイ化物、多結晶シリコン、有機導体及び超電導体、導電性金属、及び、錫、銅、亜鉛、鉄、マグネシウム、コバルト、ニッケル、プラチナ、及び、バナジウムの合金が含まれる。当該技術において周知の電気伝導を可能にする他の材料を用いることも可能である。
【００８６】
いくつかの実施態様では、第２の電極１０５は、多結晶シリコンから製作される。他の実施態様には、第２の電極１０５がプラチナから製作されるものもある。実施態様によっては、第１の電極１０３及び第２の電極１０５が同じ材料から製作される場合もある。他の実施態様には、第１の電極１０３及び第２の電極１０５が異なる材料から製作される場合もある。第２の電極１０５は、さまざまな形状及びサイズを含むことが可能である。しかし第２の電極は、図７（ａ）に例示のように、後でナノ寸法のギャップ１０６を構成することになる領域において第１の電極１０３のエッジを被覆するスペーサ素子１０４の一部を覆うために、十分な大きさ及び幅を備えていなければならない。
【００８７】
第２の電極１０５は、当該技術において既知のさまざまな付着法によって、スペーサ素子１０４の上に形成することが可能である。例えば、真空蒸着源または分子線エピタキシ源またはスパッタリング源のような付着源を利用して、スペーサ素子１０４の上に第２の電極１０５が付着させられる。次に、リソグラフィ・ステップが実施され、塩酸と硝酸の混合物を含む王水の希薄溶液によってエッチングが施されて、第２の電極１０５の側方範囲が画定する。あるいはまた、付着ステップの前に、フォトリソグラフィ・ステップを実施し、剥離プロセスによって、第２の電極１０５を形成することも可能である。
【００８８】
典型的な製造方法では、引き続いて図６（ｃ）に示すように、平面を形成するために第２の電極１０５の一部及びスペーサ素子１０４の一部が除去される。典型的な実施態様では、このステップによって、図７（ｂ）に示すように、第１の電極１０３と、ナノ寸法のギャップ１０６によって隔てられた第２の電極を含む平面が形成され、ナノ寸法のギャップ１０６は、スペーサ素子１０４によってふさがれる。装置表面の平面化は、素子の表面の一部を除去して平面を形成することが可能な、当該技術において周知のさまざまな方法によって実施可能である。実施態様によっては、表面の平面化が、研磨または化学機械研磨（ＣＭＰ）を利用して行われるものもある。実施態様によっては、ナノ寸法ギャップ１０６の領域内にあるスペーサ素子１０４が、制限するわけではないが、化学エッチング、プラズマ・エッチング、及び、反応性イオン・エッチングを含む方法によって除去されるものもある。実施態様によっては、ナノ寸法ギャップ１０６の領域内にあるスペーサ素子１０４の除去が、下方の第１の絶縁層１０２に及ぶものもある。
【００８９】
次に、ソーイングによって基板１０１にダイシングを施して、不図示の個別チップを形成し、これらのチップと電気回路を電気的に接続することが可能である。
【００９０】
本装置の作製における最終ステップは、試料を保持するための第１の部材１０７と、第１の部材１０７とプレーナ型共鳴トンネル・センサを互いに対して移動させるための第２の部材１０８を含む装置に、プレーナ型共鳴トンネル・センサを配置することである。第１の部材１０７は、プレーナ型共鳴トンネル・センサの上方位置に試料を保持することが可能なさまざまな材料から製作することが可能である。実施態様によっては、第１の部材１０７が、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）先端というものもある。他の実施態様には第１の部材１０７が、走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）先端というものもある。典型的な実施態様では、第１の部材１０７によって、試料が、例えば、約１ｎｍ〜約５ｎｍといった、約０．５ｎｍ〜約１０ｎｍを含む、約０．１ｎｍ〜約１００ｎｍの距離をあけて、第１の電極１０３、ナノ寸法ギャップ１０６、及び、第２の電極１０５の上方に保持される。第２の部材１０８は、第１の部材１０７とプレーナ型共鳴トンネル・センサを互いに対して移動させることが可能な素子をもたらす、さまざまな材料から製作することが可能である。実施態様によっては、第１の部材１０７及び第２の部材１０８は、単一の一体化構造を構成しない個別部品という場合もある。いくつかの実施態様では、第１の部材１０７及び第２の部材１０８は、単一の一体化構造である。典型的な実施態様では、第１の部材１０７及び第２の部材１０８は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）等に見受けられるような一体化構造である。さらなる実施態様では、第１の部材１０７に、さらに、オプションの絶縁材料１１７が含まれる場合もある。
【００９１】
上述の製作シーケンスは、単なる例証のためのものであって、同じ最終構造に到達するために利用可能な、当該技術の技術者にとって周知の他の技法が存在することは明らかである。また、各層間に既知の接着促進技法を利用することによって、製作プロセスの収率、及び、完成ナノポア・チップの品質が向上することも明らかであり、こうした接着促進技法は、明示的に解説されていなくても、製作プロセス中に利用されるものと想定されている。例えば、実施態様によっては、図８（ａ）、（ｂ）に例示のように、接着促進層１２０は、第１の電極層１０３及び第２の電極層１０５の付着前に、第１の絶縁層１０２及びスペーサ層１０４の上に付着させることが可能である。こうした実施態様の場合、接着促進層１２０は、クロムのようなさまざまな接着促進材料から構成することが可能である。接着促進層１２０の付着に用いられる角度付き付着技法によって、ナノ寸法ギャップ１０６の領域に材料が付着するのを回避することが可能になるのは明らかである。
【００９２】
本発明は、プレーナ型共鳴トンネル・センサを含む装置の製作に役立つことを目的としているが、既知及び未知の両方の他の装置の製作にも役立つことが判明する可能性があるのは明らかである。こうした装置には、マイクロスケール及びナノスケール寸法の装置が含まれる。マイクロスケール寸法は、１００ｎｍ〜１ｍｍの寸法を含むものと定義され、ナノスケール寸法は、０．１ｎｍ〜１μｍの寸法を含むものと定義される。
【００９３】
［本装置の利用］
一般に、本発明の本装置１００を利用する方法には、装置の第１の電極１０３と第２の電極１０５の間に電圧を印加して、第１の電極１０３と第２の電極１０５の間の電流をモニタするステップが含まれる。本装置は、ナノ結晶、量子ドット、及び、巨大分子の特性解明に有効であり、試料調製と測定との間をある程度分離するのが好都合である。いくつかの実施態様では、第１の電極１０３と第２の電極１０５との間を流れる電流が、ある時間期間にわたってモニタされ、記録される。従って、モニタすることによって、第１の電極１０３と第２の電極１０５との間を流れる電流の変動を表わすある値域が得られる。他の実施態様には、異なる固定電圧を印加している間に、試料の反復走査が実施され、試料１１６の特性を解明するため、第１の電極１０３と第２の電極１０５の間を流れる電流が測定される。
【００９４】
試料１１６には、さまざまな形状、サイズ、及び、材料を含むことが可能である。分子の形状またはサイズは、重要ではないが、試料を保持するための第１の部材１０７の所定位置に保持されることが可能でなければならない。典型的な試料には、制限するわけではないが、ナノ結晶、量子ドット、巨大分子等が含まれる。試料１１６は、図２及び図３に、試料を保持するための第１の部材１０７の所定位置に保持された四角として略示されている。典型的な実施態様では、試料１１６は、水性溶媒のない、空気または真空中にある。実施態様によっては、溶媒が存在する場合もあり、実施態様によっては、その溶媒が、水性溶媒である場合もある。
【００９５】
いくつかの実施態様では、試料を保持するための第１の部材１０７の所定位置に保持された試料１１６は、第１の電極１０３と第２の電極１０５の間に時変電気バイアスがかかっている間に、２つの電極間におけるナノ寸法ギャップ１０６の上方の領域が走査される。試料１１６が、ナノ寸法ギャップの上方空間において移動させられ、共鳴トンネル分光計構造の形状寸法が変化する際に（すなわち、試料と第２の電極１０５との間隔は、試料と第１の電極１０３との間隔が増すにつれて狭まる）、電流が測定され、記録される。図９〜図１３に例示のように、特定の電圧において、入射エネルギーが、試料の内部電子バンド構造を表わす信号と整合することになる。
【００９６】
もう１つの実施態様の場合、装置１００には、共鳴トンネル・センサを含む三極構造が含まれるが、ここで、試料を保持するための第１の部材１０７は、ＳＴＭ先端のような導電材料から製作される。こうした実施態様の場合、共鳴トンネル効果の現象に起因するトンネル電流が生じ、１つの電極から、試験体に、さらに、もう１つの電極に達する。トンネル電流の大きさ及び位相は、試験体の空間位置及び配向、試験体の内部電子バンド構造、及び、三極構造における３つの電極に印加される電圧によって決まる。結果生じる共鳴トンネル・スペクトルによって、試験体の構成に関する情報が得られる。好都合なことには、スペクトル・データを得るのに必要な印加電圧は最小限に抑えることが可能である。実施態様によっては、ＳＴＭ先端には、ＳＴＭ先端の導電性部分と試験体の間に位置する絶縁体によるコーティングを施すことも可能である。
【００９７】
整合障壁共鳴によって、試験体の容積内においてナノメートル・スケールの分解能が可能になる。さらに、整合障壁共鳴によって、試験体の内部電子バンド構造を表わす信号として用いられる、共鳴トンネル電流が増大する。さらなる実施態様において、本装置は、その開示が、本明細書において、そっくりそのまま援用されている、米国特許第６，３８０，７４７号明細書及び米国特許出願公開第２００２−０７５００６号明細書において、さらなる解説のある、誘電測定センサのような誘電測定モードにおいて用いることも可能である。
【００９８】
本明細書に解説の構造及びプロセスの効用について、共鳴トンネル効果の理論に関連して解説してきたが、これらの構造及びプロセスの効用は、決して共鳴トンネル効果に限定されるものではなく、非共鳴トンネル効果、静電引力及び反発力、流体電界効果トランジスタ、電気分解等を限定することなく含む、生体高分子を含む小物体の測定及び操作に役立つ他の物理的現象にも当てはまることは明らかである。電極１０３及び１０５のいずれか一方または両方、あるいは、電極１０３と電極１０５の間の絶縁素子１０４は、問題となる生体高分子との結合またはそれらの検出に役立つ分子の単層でコーティングすることも可能である。
【００９９】
いくつかの実施態様では、本方法には、上述のモニタ・ステップからのデータまたは結果を遠隔場所に伝送するステップも含まれる。「遠隔場所」の意味するところは、トランスロケーションが行われる場所以外の場所である。例えば、遠隔場所は、同じ都市の別の場所（例えば、オフィス、実験室等）、異なる都市の別の場所、異なる州の別の場所、異なる国の別の場所等とすることが可能である。従って、ある品目が、別の品目から「遠隔」であると表示される場合、その意味するところは、２つの品目が、少なくとも異なる建物内にあり、長い距離（例えば、２ｋｍ。或いは、それ以上で、例えば、１００ｋｍ。）だけ離れている可能性があるということである。
【０１００】
以上は、ただ単に本発明の原理を例証したものにすぎない。当該技術者であれば、本明細書において明示的に解説されていないかまたは示されていないが、本発明を具現化するものであって、その精神及び範囲内に含まれる各種構成を考案することができるのは明らかである。さらに、本明細書において言及されている全ての例及び条件付き用語は、主として、本発明の原理、及び、本発明者が当該技術の進展に寄与する概念を理解する上において読者の助けとなることを意図したものであり、こうした詳細に言及された例及び条件に制限を加えるものではないと解釈されるべきである。さらに、本発明の原理、態様、及び、実施態様、並びに、その特定の例に言及した全ての記述は、その構造的同等物と機能的同等物の両方を包含することを意図したものである。さらに、こうした同等物には、現在既知の同等物と今後開発される同等物、すなわち、構造に関係なく同じ機能を実施する、開発される任意の要素の両方が含まれるように意図されている。従って、本発明の範囲は、本明細書に示され解説された典型的な実施態様に限定されることを意図したものではない。それどころか、本発明の範囲及び精神は、付属の請求項によって具現化されることになる。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明の実施態様（参照番号１００）となるセンサ装置に関する、図４中の線１ａ−１ａに沿う位置の概略断面図である。
【図２】試料を保持させた状態での、図１類似の概略断面図である。
【図３】試料を保持させた状態で、追加構成要素を合わせて示した図１類似の概略断面図であって、矢印により、ナノ寸法ギャップ上における試料の移動方向を示す図である。
【図４】図１に示す実施態様であるセンサ装置の概略平面図である。
【図５】図１に示す実施態様であるセンサ装置の製造方法の前半の順次ステップを例示した図である。
【図６】図１に示す実施態様であるセンサ装置の製造方法の後半の順次ステップを例示した図である。
【図７】（ａ）は、図６（ｂ）のステップにおける平面図であり、図６（ｂ）に示す断面の位置を線１ａ−１ａで示す図である。（ｂ）は、図６（ｃ）のステップにおける平面図であり、図６（ｃ）に示す断面の位置を線１ａ−１ａで示す図である。
【図８】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、接着促進層（参照番号１２０）を備えた、それぞれ図６（ｂ）及び図６（ｃ）に類似の概略断面図である。
【図９】可変形状寸法の共鳴トンネル分光計に関する共鳴トンネル条件の概略図であり、電場が提供されない状態を示す図である。
【図１０】可変形状寸法の共鳴トンネル分光計に関する共鳴トンネル条件の概略図であり、電場を提供した第１の状態を示す図である。
【図１１】可変形状寸法の共鳴トンネル分光計に関する共鳴トンネル条件の概略図であり、電場を提供した第２の状態を示す図である。
【図１２】可変形状寸法の共鳴トンネル分光計に関する共鳴トンネル条件の概略図であり、電場を提供した第３の状態を示す図である。
【図１３】可変形状寸法の共鳴トンネル分光計に関する共鳴トンネル条件の概略図であり、電場を提供した第４の状態を示す図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１００  装置
１０１  平面基板
１０３  第１の電極
１０４  スペーサ素子
１０５  第２の電極
１０６  ナノ寸法ギャップ
１０７  第１の部材
１０８  第２の部材
１１６  試料
【図１】
2006292751.tif 000003
【図２】
2006292751.tif 000004
【図３】
2006292751.tif 000005
【図４】
2006292751.tif 000006
【図５】
2006292751.tif 000007
【図６】
2006292751.tif 000008
【図７】
2006292751.tif 000009
【図８】
2006292751.tif 000010
【図９】
2006292751.tif 000011
【図１０】
2006292751.tif 000012
【図１１】
2006292751.tif 000013
【図１２】
2006292751.tif 000014
【図１３】
2006292751.tif 000015