(57)【要約】  【課題】  ボトムアップ系とトップダウン系との利点を最大限活かすことができる高機能の機能素子の製造に用いて好適な薄膜積層構造体およびその製造方法を提供する。  【解決手段】  円柱状または多角柱状の基体５３を回転させながらノンレシプロカルな工程で薄膜を累積することにより、一体化した薄膜積層構造体を製造する。薄膜の厚さは例えば１０００ｎｍ以下とする。薄膜の累積はＬＢ法または交互吸着法により行う。ＬＢ法では薄膜として単分子膜を累積する。この薄膜積層構造体を用いて記憶素子や太陽電池などの機能素子を構成する。【選択図】        図２４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
楕円断面を有する柱状または多角柱状の基体を回転させながらノンレシプロカルな工程で薄膜を累積することにより一体化した薄膜積層構造体を製造することを特徴とする薄膜積層構造体の製造方法。
【請求項２】
上記薄膜積層構造体を上記基体の回転軸に垂直な方向から切断して薄片化することを特徴とする請求項１記載の薄膜積層構造体の製造方法。
【請求項３】
ＬＢ法により上記薄膜として単分子膜を累積することを特徴とする請求項１または２記載の薄膜積層構造体の製造方法。
【請求項４】
交互吸着法により上記薄膜を累積することを特徴とする請求項１記載の薄膜積層構造体の製造方法。
【請求項５】
表面圧を一定にして上記薄膜として単分子膜を形成する工程とこの単分子膜を上記基体上に移し取る工程とがノンレシプロカルな工程であることを特徴とする請求項１記載の薄膜積層構造体の製造方法。
【請求項６】
楕円断面を有する柱状または多角柱状の基体を回転させながらノンレシプロカルな工程で薄膜を累積して一体的に形成したことを特徴とする薄膜積層構造体。
【請求項７】
上記薄膜積層構造体を上記基体の回転軸に垂直な方向から切断して薄片化したことを特徴とする請求項６記載の薄膜積層構造体。
【請求項８】
楕円断面を有する柱状または多角柱状の基体を回転させながらノンレシプロカルな工程で薄膜を累積することにより一体化した薄膜積層構造体を製造する工程を有することを特徴とする機能素子の製造方法。
【請求項９】
楕円断面を有する柱状または多角柱状の基体を回転させながらノンレシプロカルな工程で薄膜を累積して一体的に形成した薄膜積層構造体を用いたことを特徴とする機能素子。
【請求項１０】
楕円断面を有する柱状または多角柱状の基体を部分的に液体中に沈めた状態で回転させながら薄膜を累積することを特徴とする薄膜積層構造体の製造方法。
【請求項１１】
ＬＢ法により上記薄膜として単分子膜を累積し、この際、この単分子膜に加わる構造破壊的な力を分子間力以内に抑えるようにしたことを特徴とする請求項１０記載の薄膜積層構造体の製造方法。
【請求項１２】
ナノスケールまたはメゾスコピックスケールの径の楕円断面を有する柱状または多角柱状の基体を回転させながら薄膜を累積することを特徴とする薄膜積層構造体の製造方法。
【請求項１３】
ナノスケールまたはメゾスコピックスケールの径の楕円断面を有する柱状または多角柱状の基体を回転させながら薄膜を累積したことを特徴とする薄膜積層構造体。
【請求項１４】
ナノスケールまたはメゾスコピックスケールの径の楕円断面を有する柱状または多角柱状の基体を回転させながら薄膜を累積することにより薄膜積層構造体を製造する工程を有することを特徴とする機能素子の製造方法。
【請求項１５】
ナノスケールまたはメゾスコピックスケールの径の楕円断面を有する柱状または多角柱状の基体を回転させながら薄膜を累積した薄膜積層構造体を用いたことを特徴とする機能素子。
【請求項１６】
楕円断面を有する柱状または多角柱状の基体を回転させながら単分子膜を累積する際に液体流とこの単分子膜との間に生じる相互作用を利用することを特徴とする薄膜積層構造体の製造方法。
【請求項１７】
液体を収容した容器の上に、回転部材に複数のバリア部材をその一端を中心として回転自在に設け、上記回転部材を回転させることにより上記複数のバリア部材のうちの少なくとも二つのバリア部材が上記液体に同時に漬かるようにし、これらのバリア部材の間の部分の上記液体に膜形成液を滴下して単分子膜を形成することを特徴とする薄膜積層構造体の製造方法。
【請求項１８】
楕円断面を有する柱状または多角柱状の基体を回転させながら上記単分子膜を累積することを特徴とする請求項１７記載の薄膜積層構造体の製造方法。
【請求項１９】
上記基体を部分的に上記液体中に沈めた状態で回転させながら上記単分子膜を累積することを特徴とする請求項１７または１８記載の薄膜積層構造体の製造方法。
【請求項２０】
上記薄膜の厚さが１０００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜１９のいずれか一項記載の薄膜積層構造体の製造方法。
【請求項２１】
液体を収容した容器の上に、回転部材に複数のバリア部材がその一端を中心として回転自在に設けられ、上記回転部材を回転させることにより上記複数のバリア部材のうちの少なくとも二つのバリア部材が上記液体に同時に漬かり、これらのバリア部材の間の部分の上記液体に膜形成液を滴下するように構成されていることを特徴とする薄膜積層構造体の製造装置。
【請求項２２】
断面が同心円状超格子構造体であることを特徴とするヘテロ構造体。
【請求項２３】
断面が破断円弧状構造体であることを特徴とするヘテロ構造体。
【請求項２４】
断面が渦巻状超格子構造体であることを特徴とするヘテロ構造体。
【請求項２５】
断面が破断渦巻状構造体であることを特徴とするヘテロ構造体。
【請求項２６】
断面が多角柱状超格子構造体であることを特徴とするヘテロ構造体。
【請求項２７】
断面が破断多角柱状構造体であることを特徴とするヘテロ構造体。
【請求項２８】
断面が同心円状ヘテロ物質交互積層体であることを特徴とするヘテロ構造体。
【請求項２９】
断面が破断円弧状ヘテロ物質構造体であることを特徴とするヘテロ構造体。
【請求項３０】
断面が渦巻状ヘテロ物質交互積層体であることを特徴とするヘテロ構造体。
【請求項３１】
断面が破断渦巻状ヘテロ物質構造体であることを特徴とするヘテロ構造体。
【請求項３２】
断面が多角柱状ヘテロ物質交互積層体であることを特徴とするヘテロ構造体。
【請求項３３】
断面が破断多角柱状ヘテロ物質構造体であることを特徴とするヘテロ構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、薄膜積層構造体の製造方法、薄膜積層構造体、機能素子、機能素子の製造方法、薄膜積層構造体の製造装置およびヘテロ構造体に関し、例えば、ボトムアップ系のシステムとトップダウン系のシステムとの統合に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の機能素子は、半導体集積回路に代表されるように、微細加工に基づくトップダウンのアプローチで製造されたものが主流である。そして、特に半導体素子に関しては、バーディーン（Bardeen)らによるトランジスタの発明や、ノイス（Noyce)らによる半導体集積回路の発明を経て現在、このトップダウンのアプローチに基づく巨大な半導体エレクトロニクス産業が興っている。
一方、トップダウンのアプローチは様々な点で限界が見え始めているため、この限界を打破する手法として、自己組織化などによるボトムアップのアプローチが近年注目され、盛んに研究されている。
なお、細胞系も神経系も各場所において自律分散的に時間とともに連続的に拡大・成長することが報告されており（非特許文献１）、これはボトムアップの範疇に属する。
【非特許文献１】R.R.Llinas, The Biology of the Brain, p.94, W.H.Freeman & Company, NY,1989
【０００３】
また、ボトムアップでは、自律分散局所性により各部が局所ルールに従って勝手に構造形成していくが、この構造形成には四つのタイプ（一定、周期的［入れ子的］、機能構造的、ランダム）があることがセルラーオートマトンを使って示されている（非特許文献２）。
【非特許文献２】S.Wolfram, A New Kind of Science, pp.51-81, Wolfram Media Inc., IL, USA, 2002
【０００４】
また、ドリフト速度の一定性に基づき、時間とともに連続的に移動する２次電子（素粒子の飛跡に沿って生成する電子）を利用した素粒子検出器としてタイムプロジェクションチェンバー（Time Projection Chamber,ＴＰＣ）の改良が本発明者らにより報告されている（非特許文献３）。
【非特許文献３】P.Nemethy, P.Oddone, N.Toge, and A.Ishibashi, Nuclear Instruments andMethods 212 (1983)273-280
【０００５】
また、金属界面により形成されるナノ空間、特に、２次元試料平面とこれに対向する探針との局所空間に観測されているプラズモン励起による表面増強効果など、有用で興味深い物理現象が観測されている（非特許文献４）。
【非特許文献４】二又等、日本分光学会、平成１４年度春季講演会シンポジウム「顕微振動分光法の最前線」講演要旨集、pp.20-23
【０００６】
また、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いた半導体成長において成長方向に１原子層の分解能が得られることが本発明者により報告されている（非特許文献５）。
【非特許文献５】A.Ishibashi, MOCVD-grown Atomic Layer Superlattices, Spectroscopy of Semiconductor Microstructures, eds.G. Fasol, A. Fasolino, P. Lugli, Plenum Press, NY, 1989
【０００７】
また、電気化学的成長においても、その機構の詳細が知られている（非特許文献６）。
【非特許文献６】春山志郎、表面技術者のための電気化学  p.112,  丸善、東京、２００１
【０００８】
また、電気化学分野において、中和した高分子電解質を水中に分散させた溶液に被塗物と対極とを浸漬し、被塗物と対極との間に直流電流を印加して被塗物に高分子電解質を析出させることができることが知られている（非特許文献７）。
【非特許文献７】山岡亜夫監修「実用高分子レジスト材料の新展開−フォトポリマーとしての応用展開−」、第６章、シーエムシー出版、１９９６年
【０００９】
また、幅約４０ｎｍの金属ワイヤーの十字配置の交差部に分子エレメントをはさんだ構造が報告されている（非特許文献８）。
【非特許文献８】Y. Chen, D. A. A. Ohlberg, X. Li, D. R. Stewart, R. S. Williams, J. O. Jeppesen, K. A. Nielsen, J. F. Stoddart, D. L. Olynick, and E. Anderson, Nanoscale molecular switch devices fabricated by imprint lithography, Appl. Phys. Lett. 82 (2003)1610
【００１０】
また、ボトムアップの範疇の他の例として自己組織前進自律的階層獲得（self-organized progressive hierarchical acquisition,ＳＯＰＨＩＡ）化による構造形成の方法やニューロンの成長方法が提案されている（非特許文献９、１０）ほか、一般に生命・生体系に遍く見られる遺伝子支配による形態発現（遺伝子由来構造）がある。他方、トップダウンの範疇の他の例としてはＭＥＭＳ（micro electromechanical systems)系やマイクロケミカルリアクターがあるほか、一般的にはホモ・ファベルとしての人間の脳による構造物形成（脳由来構造）が挙げられる（非特許文献１１）。
【非特許文献９】特開２０００−２１６４９９号公報
【非特許文献１０】国際公開第０２／３５６１６号パンフレット
【非特許文献１１】養老  猛、「唯脳論」、青土社、１９８９年
【００１１】
また、固体電解質における金属原子移動に基づいた、金属微細架橋を利用したナノブリッジ（NanoBridge) 構造と呼ばれるものが知られている（非特許文献１２）。
【非特許文献１２】［平成１６年２月１８日検索］、インターネット〈ＵＲＬ：http://www.nec.co.jp/press/ja/0402/1801-01.htm〉
【００１２】
また、スピントンネル接合の磁気インピーダンスの周波数依存性について報告されている（非特許文献１３）。
【非特許文献１３】Jpn. J. Appl. Phys. Vol.42 (2003)pp.1246-1249
【００１３】
また、トランジスタおよびＬＣ回路からなる発振回路におけるトランジスタとＬＣ回路との帰還ループの一部にスピントンネル接合素子を接続するとともに、スイッチング手段を設け、このスイッチング手段のスイッチング周波数によって磁気データの読み取り速度を規定するようにした磁気センサを再生用磁気ヘッドとして用いる磁気記録装置が提案されている（特許文献１）。
【特許文献１】特許第３５５７４４２号明細書
【００１４】
また、ラングミュア−ブロジェット法（ＬＢ法）による累積膜（ＬＢ膜）の形成方法として、垂直浸漬法（非特許文献１４〜１６）や円筒回転法（非特許文献１７、特許文献２）が知られている。
【非特許文献１４】「よいＬＢ膜をつくる実践的技術」石井淑夫著  東京：共立出版（１９８９）（表面・薄膜分子設計シリーズ／日本表面科学会編；９）ｐ１〜１６
【非特許文献１５】「界面ハンドブック」岩沢康裕ほか監修  東京：エヌ・ティー・エス（２００１）ｐ２９〜３５
【非特許文献１６】「薄膜作製応用ハンドブック」権田俊一監修：多賀康訓、塚田俊久、平尾孝編  東京：エヌ・ティー・エス（１９９５）ｐ５０８〜５１４
【非特許文献１７】Thin Solid Films,115(1984)pp.85-88
【特許文献２】英国特許出願公開第２１４４６５３号明細書
【００１５】
また、ＬＢ膜を連続的に累積する方法として、一定の表面圧で単分子膜を基板に押し付ける過程に空気流や水流あるいは傾斜を利用するなど、非交互的（ノンレシプロカル）な方法を用いることが知られている（特許文献３〜５）。
【特許文献３】特許第３２６２４７２号明細書
【特許文献４】特開平１１−４２４５５号公報
【特許文献５】特開平８−１０３７１８号公報
【００１６】
また、ＬＢ膜は耐熱性と力学的強度とが不足しているため、ＬＢ膜積層体として大きなものを作ることができないという問題が指摘されている（非特許文献１８、１９）。
【非特許文献１８】「界面ハンドブック」岩沢康裕ほか監修  東京：エヌ・ティー・エス（２００１）ｐ７９０
【非特許文献１９】［平成１６年８月５日検索］、インターネット〈ＵＲＬ：http://www.appi.keio.ac.jp/shiratori/seimei/research/selfasmbly/selfasmbly.html 〉
【００１７】
また、累積膜の形成方法として交互吸着法も知られている（非特許文献２０、２１）。
【非特許文献２０】「界面ハンドブック」岩沢康裕ほか監修  東京：エヌ・ティー・エス（２００１）ｐ３３〜３５
【非特許文献２１】「薄膜作製応用ハンドブック」権田俊一監修：多賀康訓、塚田俊久、平尾孝編  東京：エヌ・ティー・エス（１９９５）ｐ５２０〜５２４
【００１８】
また、ＬＢ膜の原料については種々のものが知られている（例えば、特許文献６、７）。
【特許文献６】特許第２７３１１７１号明細書
【特許文献７】特開平６−１３２５１７号公報
【００１９】
また、摩擦転写法による配向した薄膜形成が報告されている（非特許文献２２）。
【非特許文献２２】Nature 352(1991)pp.414-417
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
上述のトップダウン系とボトムアップ系とを統合することができれば、両者の利点を最大限活かすことができ、従来にない新たな機能素子の実現が可能になると考えられるが、本発明者らの知る限り、これまで、そのための有効な具体的手法は何ら提案されていなかった。
そこで、この発明が解決しようとする課題は、ボトムアップ系とシリコンＬＳＩに代表されるトップダウン系との利点を最大限活かすことができる高機能の機能素子およびその製造方法を提供することである。
この発明が解決しようとする他の課題は、上記の機能素子の製造に用いて好適な薄膜積層構造体ならびにその製造方法および製造装置を提供することである。
この発明が解決しようとするさらに他の課題は、各種の機能素子に用いて好適なヘテロ構造体を提供することである。
上記課題およびその他の課題は、添付図面を参照した本明細書の以下の記述により明らかとなるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明者らは、従来技術が有する上記の課題を解決すべく、鋭意考察を行った。以下にその概要について説明する。
周知のように、トップダウンのアプローチによる半導体デバイスの製造においては、フォトリソグラフィーを用いた２次元のパターニングが多用される。図１Ａに半導体デバイスの一例としてＭＯＳＬＳＩ（例えば、メモリ）を示す。図１Ａに示すように、２次元のパターニングは通常、ＵＶ（紫外線）、ＥＵＶ（極紫外線）フォトリソグラフィーや、電子線リソグラフィーを用いて、半導体基板において空間的に横方向の情報の交換を行うことなく、各時点で一気に（一括露光、現像、エッチングなど各要素プロセスが行われる時刻、時刻において瞬間的につまり、時間軸上の一点一点で）行われている。すなわち、２次元のパターニングの大きな特徴は時間が非連続、散発的（sporadic）に織り込まれていることである。
【００２２】
２次元のパターニングでは、フォトレジストに対する、フォトマスクを使った一括露光により構造が決まるので、構造形成においては構造間の横方向の情報の交換はない。すなわち、因果律は主に、面内ではなく面と垂直方向の相互作用の中に存在する（out-of-plane causality) 。２次元のパターニングでは、図１Ｂに示すように、大局的ルールの存在のもと、ブロック構造をとり、また各ブロック毎にある特別な方位が存在するため、空間構造は一般に、微視的にも巨視的にも非等方的になる。言い換えれば、構造は外在的要因から決まっており、回路設計図の実空間表現にすぎないと言える。また、基板上の構造の変化量は、時間に対してδ関数状のパルス列となる。
このように、トップダウン系は、いわば非連続的に時間が投影された非等方的な（方向性のある) 構造である。今、系が時間連続投影性あるいは空間等方性を有するときそれぞれ↑と記し、時間非連続投影性あるいは空間非等方性を有するときそれぞれ↓と記し、例えば、系が時間連続投影性と空間等方性とを有するとき、（時間投影性、空間方位性）＝（↑、↑）のように記すことにすると、トップダウン系は時間非連続投影性と空間非等方性とを有するため、（時間投影性、空間方位性）＝（↓、↓）と表される。
【００２３】
一方、すでに述べたように、最近その重要性が認識されてきたもうひとつの流れはボトムアップ系である。そのシステムとしては、例えば半導体量子ドットに代表される無機物系の自己組織化系がある。また、生物系の細胞の培養では、図２Ａに示すような細胞および神経系の成長が挙げられる。図２Ａにおいて、符号１１は生体組織体、１２は神経、１３は細胞を示す。細胞系も神経系も各場所において自律分散的に時間とともに連続的に拡大・成長することは、すでに述べたとおりである（非特許文献１）。
図２Ｂに示すように、ボトムアップでは、自律分散局所性により各部が局所ルールに従って勝手に構造を形成していくため、時間が連続的に投影されている。このとき、例えば、図１Ａの場合と同様の２次元的広がりを持つボトムアップ構造（例えば、膀胱上皮細胞（図２Ｃ）など）では、因果律は面内に存在する（in-plane causality) 。S. Wolframがセルラーオートマトンを使って示しているように、この構造形成には四つのタイプＩ〜ＩＶ（一定、周期的［入れ子的] 、機能構造的、ランダム）がある（非特許文献２）。また、ボトムアップ系では、局所ルールに従うことから、大局的にはこれといった特別な方向が存在しないため、空間構造は一般に等方的になる。この場合、全体構造は、生成則に則って内在的要因から決まる。構造の変化量は、時間に対してスムーズな連続線となる。
このように、ボトムアップ系は、時間が連続的に投影された等方的な（方向性のない）構造であるので、上記の記法に従うと（時間投影性、空間方位性）＝（↑、↑）と表される。
さて、生物は、遺伝子により支配される体組織性に基づくボトムアップ性と脳による統御性に基づくトップダウン性とをうまく絡み合わせて、総体としてそれらの統合を具現化している。より具体的には、体組織形成におけるボトムアップ性と脳によるトップダウン性との統合を、長い進化の過程を経て、受精卵からの個体の成長に際し、細胞に神経系を付随させることにより行っている。
すなわち、図２Ｂに示すように、ボトムアップの起こった細胞の集合体では、神経系という連絡網を随伴することで各場所へのアクセスが可能となり、この神経系を介して脳からの指令・制御・情報抽出などが行われる。自己組織化体としての生物にはこの随伴神経系があることが本質的である。
【００２４】
一方、系を有効に運用するには、制御系は被制御系よりはるかに少ない「体積」で情報伝達・制御を行わなければならない。生体系は、そのために、３次元の細胞系に対し神経系という１＋α（ただし、０＜α＜１）のフラクタル次元のひもをつけていると言える。伝達・制御系の次元は常に細胞系の次元より小さいことが必要である。この神経系は生体内に３次元的に張り巡らされている。
生体は、このように、受精卵の発生からの経過時間が連続的に投影された神経系というボトムアップの自己相似的な低次元性構造物を通じて、いわば最小限のセットアップによって、細胞系という３次元性を持つ別種のボトムアップ系を制御・統合している。
【００２５】
他方、上述のような生体そのもののシステム以外にも、人工のシステムにおいて、リジッドな固体系ではないが、ドラム缶様の容器中に充填されたガスという最小限のセットアップにおいて、経過時間の空間座標への連続的投影を利用し、フルに３次元的に空間アドレスを認知するシステムとして第３図に示すようなＴＰＣがあり、本発明者らによりその開発および優れた性能が報告されている（非特許文献３）。
このＴＰＣについて少し詳しく説明すると、図３に示すように、ガスの入った円筒形状のＴＰＣ２１の両端から入射した電子ビーム２２と陽電子ビーム２３とが衝突して新たな素粒子２４がジェット状に生成する。この素粒子２４の飛跡に沿って生成した電子２５は、軸方向に一定のドリフト速度で、ＴＰＣ２１の両端にあるセクター２６と呼ばれる２次元検出器へ到達するので、上記の衝突時刻を起点としたときのセクター２６への到達までの経過時間で軸方向、すなわちｚ方向の位置が分かる。図４はセクター２６の部分の拡大図であり、符号２６ａはセンスワイヤー、２６ｂはグリッド、２６ｃはパッド、２６ｄは電気力線を示す。図４に示すように、セクター２６のセンスワイヤー２６ａの部分で電子がアバランシェを引き起こし、それによって電気信号をセンスワイヤー２６ａとその下部に存在するパッド２６ｃとに与えることでｘ、ｙ方向の位置が求まる。こうして３次元位置が求まるが、ｚ方向の位置は、電子のドリフト速度が一定であることに起因して上述のように時間情報が空間に投影されている。この特徴からそのシステムはタイムプロジェクション（時間投影）チェンバーと呼ばれ、この空間への時間投影のコンセプトの有用性を実証するひとつの例となっている。
【００２６】
セクター２６では、いわばセンスワイヤー２６ａとパッド２６ｃとの間の状態が読み出されている。つまり、一種の情報読み出しが行われており、局所アドレシングを行っているとみなすことができる。パッド２６ｃの代わりに例えばワイヤーとワイヤーとを近接させて交差させても同様の作用が生じる。図４では、センスワイヤー２６ａという微小電極の近傍の電場集中の様子が端的に示されている。強い電場を生じるにはなるべく細いセンスワイヤー２６ａが望ましいが、このようにＴＰＣは時間の空間への投影と、細い構造体の交差部における電場集中（およびそれに伴なう信号増幅）という２つの重要な特徴を有している。
【００２７】
さて、ムーア（Moore)の法則に代表されるロードマップに沿った展開を示すシリコンＬＳＩは、いわゆるトップダウン型のデバイスおよびシステムの代表格であるが、そのサイズ上、動作パワー上（環境温度上）、ならびに製造設備投資上の限界が言われているけれども、根本的な解決策は見出されておらず、早晩、限界を迎えると危惧されて久しい。
トップダウン型に対するアンチテーゼとしてボトムアップが叫ばれて注目されているが、その最大の難点は、個別アドレスができないという点である。
ナノスケールでは、生物由来の機能と非生物由来の機能とが、同じ相互作用機構（究極的には電磁相互作用）にまで還元できるので、進展の著しいナノテクノロジーは、非生物と生物とを統合する潜在的重要性を秘めているが、依然として本格的実用化に至っていない。
【００２８】
すなわち、従来技術の延長線上にある微細構造の作製方法は、ＥＵＶや電子線リソグラフィーなどを使うものか、分子などを用いるいわゆるボトムアップのものがあるが、両者をつなぎ、さらには結合によりシナジーを見出そうとするデバイス・システムはない。これは、上述の時間連続投影性と空間等方性とに関する記法に従うと、ボトムアップという（時間投影性、空間方位性）＝（↑、↑）のシステムとトップダウンという（時間投影性、空間方位性）＝( ↓、↓) のシステムとの両者がまったく正反対の、すなわち↑対↓という性格を持つため、水と油とが相容れないのとまったく同様に、両者の間に接点を見出すことが難しいことによる。
【００２９】
ナノスケールの世界と巨視的スケールの世界とをつなぐことは、ナノテクノロジー分野で今後得られる新しい効果や機能を既存のシリコンベースのＩＴインフラ構造と接続し、相乗効果を引き出そうとする際に避けて通れない関門である。しかし、未だ嘗て誰もその接続に十分に成功していないと考えられる。
ナノテクノロジーを通じてその高度な効能が期待されるボトムアップ物質系はこのようにナノスケールで個別アドレシング可能な仕組みがないため、本格的な実用化に至っていない。
【００３０】
これはすなわち、人工のボトムアップ系では、生体の脳と体組織とを結ぶ神経に相当するボトムアップの主体に随伴する制御ラインを設けることに成功していないため、これがトップダウン・ボトムアップ両系統の接続をこれまで困難にしてきたといえる。
時間とともに成長して３次元的に構造を張り巡らしアクセスするという生体の神経系の備える特徴を部分的に満たす、似て非なるシステムとして上述のＴＰＣがある。これは、電子の一定ドリフト速度に基づく時間連続投影性と、細い導電構造体の交差部における信号増幅に基づくシステム全体への３次元的なアクセスという２つの重要な特徴を有しているが、このＴＰＣはその内部にガスを含むので、完全な固体デバイスとしては成立していない。
【００３１】
すでに述べたように、従来、トップダウン系をなす半導体集積回路（例えば、メモリー）などの２次元構造体の製造には、図１Ａに示すような一括露光によるパターニングが用いられる。この場合、分解能はｘ、ｙの２方向に要求されるが、その精度は現在の最高の分解能でも、生産レベルで７０ｎｍ程度、研究室のチャンピオンデータでも数ｎｍ程度であり、しかもこれはバルクサイズ全体に亘っては実現されていない。
また、２次元試料平面とこれに対向する探針との局所空間で観測されているプラズモン励起による表面増強効果など、有用で興味深い物理現象が観測されているが（非特許文献４）。このような物理現象を担いうるナノ構造体を例えばｍｍ〜ｃｍのバルクサイズに亘って並列多重化したシステムは存在しない。すなわち、ナノスケールで稠密な構造を有し、しかも個別アクセスが可能な、ナノ離散化バルクサイズ構造体をなす物質は存在しない。
【００３２】
上記の課題の解決は、いわば、水と油とを結ぶところの石鹸の性質（両親媒性）あるいは細胞系と脳系との間を結ぶところの神経系に相当する資質を備えた接続中間層あるいは接続プラットフォームを用意することにより達成することができ、特に、人工神経系によりボトムアップ系とトップダウン系とをつないだ配置を取ることにより達成することができる。
より詳細には、（時間投影性、空間方位性）＝（↑、↑）のボトムアップ系と（時間投影性、空間方位性）＝（↓、↓）のトップダウン系との間に、第３の構造として（時間投影性、空間方位性）＝（↑、↓）の性質を持つ系を挿入することにより達成することができる。このために、人工のボトムアップ系で神経に相当する随伴ラインを設ける。あるいは、あらかじめ設けておいた随伴系のそばに自己組織化系を成長させる。
【００３３】
図５に示すように、１次元超格子３１の成長を、時間が投影されたものとして起こさせる。ここで、１次元超格子３１の成長方向の空間座標は時間の流れをそのまま表しているため、これは時間が連続的に空間構造へ投影された系と言える。制御された成長速度、望ましくは一定の成長速度を用いることにより、時間（座標）による空間構造の連続的な制御を行う。また、成長方向という特別な方位を存在させることにより、空間構造を一般に非等方的とすることができる。
また、１次元超格子３１は、同心円状超格子、あるいは一般に同心円状ヘテロ物質交互積層体の一部を切り取った構造としても得られることはいうまでもない。
【００３４】
さらに、上記のようにして成長させた１次元超格子３１の薄片化を行う。その意義は次の点にある。図６Ａは１次元超格子３１、図６Ｂは１次元超格子３１をワイヤー化した超格子ワイヤー３２、図６Ｃは１次元超格子３１を薄片化した超格子薄片３３を示す。図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｃに示すように、１次元超格子３１は確かに成長方向に時間ｔが織込まれている構造であるが、時間（＝成長方向の軸上の一点）にアクセスする際、距離ｒを指定しても面内座標は無限にあること（図６Ａ）、１次元超格子３１をワイヤー化してしまうと、時間（＝成長方向の軸上の一点）を指定した時、その部分は量子ドットであるため他所からアクセスができない（図６Ｂ）、といった問題があるのに対し、１次元超格子３１を薄片化した時には、一義的に位置を決定することができ、かつ、ｒだけ離れた異なる別の一点（地点）も一義的に定まり、そこから横ラインを通じてアクセスもできる（図６Ｃ）。このように、１次元超格子３１の薄片化により、上述の（↑、↓）の性質を有する系を実現することができる。
【００３５】
さらに、図７に示すように、上記の２次元の超格子薄片３３をもうひとつの同様な超格子薄片３４と互いに９０度方位がずれた状態で重ね合わせる。この超格子薄片の２枚重ねで擬似的（離散的）な等方性を回復すると同時に、この２枚重ねで２次元格子を形成することにより、ナノサイズにおいて離散的しかし稠密に空間にアクセスする仕組みができ、これを以って全体で連続的な任意のボトムアップ系に対し個別にアドレスする神経系に相当するものを人工的に付与することができる。
【００３６】
図７に示す構造は、図２Ａおよび図２Ｂに示すボトムアップ系が、時間が連続的に投影された等方的な（方向性のない）構造（これを今第１の構造とする) であり、図１Ａおよび図１Ｂに示すトップダウン系が、時間が非連続的に投影された非等方的な（方向性のある）構造（これを今第２の構造とする）であるのと対照的に、丁度それらの中間の性質を有する、時間が連続的に投影された非等方的な（方向性のある）構造（これを今第３の構造とする）であり、ボトムアップ系とその連続時間性を、またトップダウン系とその空間非等方性を共有する。このため、この第３の構造は、ボトムアップ系とトップダウン系との双方に良い親和性を有しており、時間連続投影性および空間等方性具有、つまり（↑、↑）なる性質と時間非連続投影性および空間非等方性具有、つまり（↓、↓）なる性質というまったくの両極端の構造（だからこそそれらの結合がこれまでなされなかった）を結びつけることができる。
しかも、図７に示すように、第３の構造は、上記の超格子薄片を２枚重ね合わせることで離散的な等方性（擬似等方性）を回復させ、ボトムアップ系に２次元的に完全にアクセスすることができる。
【００３７】
さらに、すでに述べたように、従来、トップダウン系をなす半導体集積回路などの２次元構造体では一括露光によるパターニングが用いられ、分解能はｘ、ｙの２方向に要求され、しかもその精度は現在の最高の分解能でも、数ｎｍ程度であるのと対照的に、上記の第３の構造の部分は、時間を空間に投影する手法で形成するため原子層の分解能を持つことができる。このため、たとえボトムアップ部分が分子程度の大きさのユニットからなっていても、そこへ個別アクセスすることが可能となる。
従来のリソグラフィーの分解能限界を乗り越える手法そのものとして、自己組織化を用いる試みがなされている。実際、例えば、自己組織化でできた量子ドットや単一分子を使った２次元メモリでは、数Åオーダーの精度での配列が可能である。しかし、これらの自己組織化微細構造への独立アクセスに関しては方法がない。金属配線などで外からアクセスしようとしても、金属配線をリソグラフィーにより形成するのでは、すでに述べたように、分解能が十分ではない。
【００３８】
すなわち、トップダウン系で用いられる従来のリソグラフィーでは１原子層オーダーの分解能はまったく得られておらず、また、ボトムアップのみを用いたのでは（分解能はまだしも) 独立アクセスが不可能であったものが、上記の超格子薄片３３のように、１次元超格子の成長速度を制御して時間を空間に投影するとともに、これを薄片化して方向性の自由度を最小に絞った構造を用いることにより、トップダウン系とボトムアップ系とを相補的につなぐことができ、１原子層オーダーの分解能と独立アクセスとの両方を達成することができる。すでに述べたように、分解能に関しては、図８に示すように、本発明者により、ＭＯＣＶＤ法によるＡｌＡｓ／ＧａＡｓ２原子層超格子の成長において成長方向に１原子層の分解能が得られることが示されている（非特許文献５）。ここで、図８Ａ、図８Ｂおよび図８Ｃはそれぞれ、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による暗視野像、格子像および回折パターンを示す。
【００３９】
すでに述べたように、ＭＯＣＶＤの成長機構は本質的に表面拡散とキンク成長とからなり、図９に示す電気化学的成長機構と同じである（非特許文献６）。従って、１次元超格子の成長は電気化学的手法を用いても時間の関数として行うことができる。つまり、電気化学的手法を用いて図６Ａに示すような時間の連続的な流れをそのまま表している１次元超格子を成長させることができ、連続的時間座標による空間構造の制御を行うことができる。図１Ａおよび図１Ｂに示す一括露光、現像、エッチングという時間軸上の離散的な点での空間構造の制御に比べ、一桁以上の分解能の向上が可能である。
このため、上記の方法によれば、微細で離散的かつ稠密な繰り返し構造、例えば、金属などの導電体ストリップ／誘電体の繰り返し構造を原子層の精度で形成することができる。
【００４０】
上記の第３の構造をこのような導電体ストリップ／誘電体の繰り返し構造で形成する場合、図１０Ｃに示すような、導電体ストリップ４１、４２がそれらの面同士が対向するように交差していてその交差部の面積が大きい配置ではなく、図１０Ｂに示すように、導電体ストリップ４１、４２がそれらのナイフエッジ同士が対向するように交差していて、その交差部の面積が非常に小さい配置とするのが望ましい。図１０Ｂの場合、導電体ストリップ４１、４２の厚さ、すなわちエッジ幅は例えば１〜１０ｎｍオーダーであり、このとき導電体ストリップ４１あるいは導電体ストリップ４２を隔てる誘電体の厚さは例えば１０〜１００ｎｍオーダーである。図１０Ｂにおいて、符号４５は１辺のサイズが例えば１〜１０ｎｍオーダーの擬０次元スペースを示す。
【００４１】
図１０Ｂに示す配置が望ましい理由を以下に示す。
図１０Ａは局所的な電磁場による表面増強効果が確認されているＳＰＭ（表面プローブ顕微鏡）の配置を示し、探針４３の先端が試料の表面４４（２次元面）に近接している。以下、図１０Ａに示す場合と図１０Ｂに示す場合とについてナノ空間での電位の空間分布を計算する。
【００４２】
図１０Ａの場合は、鏡映効果を勘案して探針同士が対向している場合として計算することができる。この時の探針の先端間の距離と、図１０Ｂの交差部の導電体ストリップ４１と導電体ストリップ４２との間隔は、比較のため同じとする。今、真空中に金属性の構造物があり、金属部の電位は外から設定しているとすると、空間電荷はゼロであるので、この場合に解くべきポアッソン方程式は簡単になってラプラス方程式
（∂2/∂x2＋∂2/∂y2＋∂2/∂z2）φ(x,y,z) ＝０            （１）
となる。空間をメッシュ（間隔Δ）に切り差分方程式化すると
φ(i,j,k) に対して、
∂φ(i,j,k)/∂x ＝ (φ(i,j,k)-φ(i-1,j,k))/ Δ
∂φ(i,j,k)/∂y ＝ (φ(i,j,k)-φ(i,j-1,k))/ Δ
∂φ(i,j,k)/∂z ＝ (φ(i,j,k)-φ(i,j,k-1))/ Δ
となる。例えば、x については、
∂2 φ/ ∂x2＝ (φ'(i+1,j,k)- φ'(i,j,k))/Δ
= ((φ(i+1,j,k)-φ(i,j,k))/ Δ-(φ(i,j,k)-φ(i-1,j,k))/ Δ)/Δ
= ((φ(i+1,j,k)+φ(i-1,j,k)- 2φ(i,j,k))/ Δ2 
となる。同様にして∂2 φ/ ∂y2、∂2 φ/ ∂z2を求めて（１）式に代入すると結局
０＝((φ(i+1,j,k)+φ(i-1,j,k)- 2φ(i,j,k))/ Δ2 
+ ((φ(i,j+1,k)+φ(i,j-1,k)- 2φ(i,j,k))/ Δ2 + ((φ(i,j,k+1) + φ(i,j,k-1)- 2φ(i,j,k))/ Δ2 
となる。以上をまとめると
φ(i,j,k) ＝（φ(i+1,j,k)+φ(i-1,j,k) ＋ (φ(i,j+1,k)+φ(i,j-1,k)
＋ (φ(i,j,k+1)+φ(i,j,k-1))/ ６                    （２）
という漸化式を回すことによってラプラス方程式の解が求まる。
【００４３】
図１０Ａの配置における境界条件を入れて（２）式を用いて計算すると図１１〜図１４に示す電位分布が得られる。ここで、図１１〜図１４の各番号（１〜１２）は探針の先端間の空間座標を表し、０と１２が探針の先端の位置である。図１１〜図１４の各ａ図においては、ｚ軸はフルスケール１０００（任意単位）で固定であり、各ｂ図においては、電位の大きさによってスケーリングを行って縦軸を描いてある。
同様にして図１０Ｂの場合、すなわち導電体ストリップ４１、４２のナイフエッジ同士が対向している場合について計算すると、図１５〜図１８に示す電位分布が得られる。図１５〜図１８でも上記と同じく、各番号は導電体ストリップ４１、４２のナイフエッジ間の空間座標を表し、０と１２がナイフエッジの先端の位置である。また、上記と同じく、図１５〜図１８の各ａ図においては、ｚ軸はフルスケール１０００（任意単位）で固定であり、各ｂ図においては、電位の大きさによってスケーリングを行って縦軸を描いてある。
【００４４】
図１１〜図１４と図１５〜図１８とを比較すると、図１０Ａに示す場合および図１０Ｂに示す場合ともに、交差部の断面積は０次元であることを反映して、中間地点付近では似たような電位変化、すなわち急峻な電場変化をしていることが分かるが、図１２の番号５から図１３の番号７への変化量と、図１６の番号５から図１７の番号７への変化量とを比較すると、同じ電位を与えた場合でも、探針の先端同士が対向している場合よりもむしろ、導電体ストリップ４１、４２のナイフエッジ同士が十字状に交差して対向している場合の方が、単位長さあたりの電場変化が大きく、強い量子効果を引き出すことができることを示唆している。
【００４５】
図１１〜図１４に見られるように、対向探針間のポテンシャルは両探針の先端を結ぶ軸の方向（図中、上下方向）に対称であり、また、その軸の周りに回転対称であるのに対し、ナイフエッジの十字交差配置では、図１６および図１７に見られるように、中間点付近でポテンシャルが鞍点状の特異な形状となる。すなわち、上下非対称であり、２回回転対称性と、π／４回転＋上下反転の対称操作に対する不変性とを有する。すなわち、Ｄ2d対称性を持つ。これらは、十字交差部にはさまれる分子の配置・荷電対称性を制御して新しい量子機能を引き出すための良いツールとすることができる。また、交差角を９０度からずらすことにより、Ｄ2 、Ｃ2v、Ｃ2 などの対称性へとブレークダウンすることもできる。
【００４６】
また、図６Ｃあるいは図７に示す構造において、１次元超格子３１を導電体層と誘電体層との周期構造体とし、その導電体層の厚さを十分に小さくすることにより、図１０Ｂに示す構造および図１５〜図１８に示す電位分布を実現することができることが分かる。
これにより、上記の第３の構造において、表面増強効果を引き起こすようなサイトを超多重並列に並べることができる。この場合、表面プローブ顕微鏡のヘッドを多数並べた構造の多重並列表面プローブの場合とまったく異なり、稼動部がない点が大きなメリットである。また、超格子薄片として例えば厚さが１〜１００μｍのものを用いることにより、導電体ストリップ４１、４２を極めて細くすることができ、かつ、導電体ストリップ４１、４２の高い導電性と薄片面の平坦性とを維持することができる。
【００４７】
例えば、図１０Ｂに示す導電体ストリップ４１、４２の交差部の擬０次元スペース４５にボトムアップ物質を設けると、この第３の構造におけるｘ、ｙ交差系をなす導電体ストリップ４１、４２を人工神経ラインとして、例えばこの第３の構造の外側に設けた従来のシリコンＬＳＩ系とそのボトムアップ物質とをつないで新規の機能を得ることも可能となる（例えば、特許文献９、１０）。
導電体ストリップ４１、４２、より一般的には導電ラインは、電子を媒体としているので、相互作用が伝わる速さが極めて速い。他方、ボトムアップ領域の変化、特に原子の配置（コンフィグレーション）の変化（官能基の位置変化など）は慣性質量が大きいため、速さはかなり遅い。通常、両者の速さの間には一桁以上（一般には数桁）の差がある。従って、図７に概念的に示した配置を実物質を用いて実現した一例である図１９に示す構造はナノスケールで離散化されたバルクサイズ時空間系であり、各導電ラインの交差部にはさまれた原子・分子とラインを流れる電子（または正孔）とを断熱近似的に扱うことができる。すなわち、図１９は金属と誘電体との周期構造体からなる２枚の超格子薄片を互いに９０度方位がずれた状態で重ね合わせたものであり、金属からなる導電体ストリップ４１、４２の交差部の擬０次元スペース４５にボトムアップ物質が設けられる。導電体ストリップ４１は誘電体層４６で分離され、導電体ストリップ４２は誘電体層４７で分離されている。図１９には、この系がメモリであるとした場合に記憶密度１Ｔｂ／ｉｎ2 に相当する各部の寸法の例を記載した。
【００４８】
通常、原子団・分子団の相互作用は最近接のものを通じて漣が立つように、いわば近接場的に伝わる。しかし、図１９に示す系では、導電ラインを通じて原子・分子にとっては瞬時に、いわば遠隔作用的にやり取りが起こる。系が隅々までを「知っている」ことが臨界状態の本質のひとつであるので、この図１９に示す系は、従来の物質にない（例えば、連続系に対し離散系であるセルラーオートマトン（例えば、非特許文献２参照のこと）がそうであるように）「臨界状態」に親しい新物質ということができる。そして、この系に現れると期待される変調された自己組織化臨界現象や自発的対称性の破れを通じてナノ構造物理の新側面を現出させることができる。すなわち、局所的かつ個別的にアドレスすることの可能なナノ構造体を大局的サイズで得ることによって微視的世界と巨視的世界とをつなぐとともに新しい量子機能を創出することができる。
【００４９】
一方、薄膜積層構造体の形成技術として、従来よりＬＢ法が知られている。従来の一般的なＬＢ法では、トラフ（trough）に水を張り、静止した水面上に単分子膜を展開しておき、水と基板との水平方向（水面に平行な方向）の相対速度成分がゼロの条件のもとで、その単分子膜を一定の表面圧で押しやりつつ、基板上に繰り返しすくい取っていく。この方法では、基板へのすくい取り過程の繰り返しと、一定の表面圧での単分子膜の基板への押し付け過程との繰り返し、という意味で２重の交互的（レシプロカル）な過程が付随している。
【００５０】
ＬＢ法の代表的な例として垂直浸漬法がある（非特許文献１４〜１６）。この垂直浸漬法は、水面に単分子膜が展開された水に対して基板を垂直に上下しながら、単分子膜を一層ずつ基板上に累積していく方法である。親水性の基板を使用する場合の例を図２０に示す。この方法では、図２０Ａに示すように、あらかじめ基板３０１を水中に沈めておいた状態で、水面に単分子膜３０２を展開し、バリア（図示せず）で圧縮した後、表面圧を一定に保ちながら基板３０１を矢印で示すようにゆっくり上昇させていく。このとき、基板３０１の表面に単分子膜３０２の親水基３０２ａが結合することで、基板３０１上に一層目の単分子膜３０２が移し取られる。次に、図２０Ｂに示すように、こうして一層目の単分子膜３０２が形成された基板３０１を矢印で示すようにゆっくり下降させていくと、一層目の単分子膜３０２の疎水基３０２ｂと水面に展開された単分子膜３０２の疎水基３０２ｂとが相互に結合し、一層目の単分子膜３０２上に二層目の単分子膜３０２が累積される。この過程を繰り返すことにより多層累積膜が形成される。このように下降・上昇両工程で膜が累積されることをＹ累積といい、この工程で作られた膜をＹ膜という。
ここで、基板と膜物質との組み合わせによって膜の移し取り方は、一般的に、三通りに考えられる。一つは上で述べたＹ累積であり、残りの二つは、膜が下降時にのみ累積されるＸ累積と、膜が上昇時にのみ累積されるＺ累積である。Ｘ累積で作られた膜をＸ膜、Ｚ累積で作られた膜をＺ膜という。これらのＸ累積、Ｙ累積およびＺ累積を図２１Ａ〜Ｃに示す。
【００５１】
ＬＢ法の例として円筒回転法もある（非特許文献１７、特許文献２）。この円筒回転法では、回転の向きによって単分子膜の累積の仕方が異なる。一般的に、基板の回転方法と基板や単分子の性質とによって、垂直浸漬法と同じように、大きく分けて三種類の累積が行われる。これらを図２２Ａ〜Ｃに示す。図２２Ａは図２１Ｃに、図２２Ｂは図２１Ａに、図２２Ｃは図２１Ｂに対応する。
以上のことから分かるように、上述の従来の垂直浸漬法は、一定の表面圧で単分子膜を基板に押し付ける過程や単分子膜を基板上へ繰り返し累積していく過程が基板の上下動を伴うレシプロカルな過程であるため、連続的にＬＢ膜を累積することが難しい。
【００５２】
この点を改良し、ＬＢ膜を連続的に累積する方法として、一定の表面圧で単分子膜を基板に押し付ける過程に空気流や水流を用いたり、傾斜を利用したりする非交互的（ノンレシプロカル）な方法がある（特許文献３〜５）。しかしながら、これらの方法でも、
単分子膜を基板上へ繰り返し累積していく過程がレシプロカルな過程であるために、ＬＢ膜を厚く累積することができない。
上述の円筒回転法では、単分子膜を基板上へ繰り返し累積していく過程がノンレシプロカルであるが、従来の方法では、そもそもＬＢ膜を厚く累積することを意識していないばかりでなく、次に述べるように、他のＬＢ法と同様に、厚く累積すること自体、極めて困難である。
【００５３】
すなわち、ＬＢ膜を構成する有機分子の集合化および組織化は分子間力（ファン・デル・ワールス力（van der Waals force)）によっているが、この分子間力は非常に弱いために、ＬＢ膜は力学的強度や耐熱性が低い欠点がある。力学的強度が低いことにより、ＬＢ膜を厚く累積しようとすると、自身に働く重力により、累積中にＬＢ膜が基板から剥がれたり、破壊したりしてしまう。このような理由により、ＬＢ膜の累積により大きな薄膜積層構造体を作ることはできなかった（非特許文献１８、１９）。
【００５４】
一方、薄膜積層構造体を形成する方法としては、ＬＢ法のほかに、交互吸着法も知られている（非特許文献２０、２１）。この交互吸着法とは、親水処理または疎水処理した基板を、ポリカチオンの希薄溶液とポリアニオンの希薄溶液とに交互に浸すことにより、基板上に電解質ポリマーを自発的に吸着させ、自己組織化させることで、有機超薄膜を形成する方法である。交互吸着膜を構成する有機分子の集合化および組織化は静電気力（クーロン力）による。しかしながら、この方法では、ポリカチオンの希薄溶液とポリアニオンの希薄溶液とに交互に浸すために基板の出し入れが必要であることから、連続的な累積に時間がかかるという欠点がある。
【００５５】
以上のような従来のＬＢ法や交互吸着法の欠点は、膜の累積に際し、基板の上下運動あるいは出し入れ、表面圧一定での単分子膜の基板への供給などのレシプロカルな過程をなくし、あるいはさらに、浮力の利用により重力の影響を緩和ないし解消することにより、一挙に解決することができる。
特に、膜の累積に際し、浮力を利用して重力の影響を緩和ないし解消することにより、従来に比べて膜をはるかに多層に厚く累積することが可能となる。すなわち、円筒状の基板とそれが部分的に沈んでいる水系との間に有限の相対速度を存在させた円筒回転法によりＬＢ膜を累積する場合における累積可能な最大膜厚、すなわち臨界膜厚ｌc を計算してみる。回転円筒法を用いた場合において、ＬＢ膜と基板とが剥がれるのではなく、図２３Ａに示すように、基板３０１上に累積されたＬＢ膜３０２の分子同士の結合が切断されてＬＢ膜３０２が破断するときの臨界膜厚ｌc を計算する。全厚ｌに累積されたＬＢ膜３０２の質量をＭ、重力加速度をｇ、ＬＢ膜３０２の面内方向に働く力をｆとすると、各部に働く力は図２３Ａに示すようになる。モーメントのつり合いを考えれば、ｆは次の関係を満たす。
ｆ＞Ｍｇ／２                      （１）
したがって、ｆがＭｇ／２より大きければ、累積されたＬＢ膜３０２は破断することがない。
【００５６】
図２３Ｂに示すように、ＬＢ膜３０２の比重を勘案して、回転円筒である基板３０１を水中に沈めることにより、水没部分に掛かる浮力ｆb と気中部分に掛かる重力ｆt とが相殺するように設定することができる。これにより、式（１）の右辺の量をほぼゼロにまで減ずることができる。つまり、ｆはある正定値を持つことにより、
ｆ＞０                        （２）
が常に成り立つので、この場合には臨界膜厚ｌc は∞となる。これは、任意に厚いＬＢ膜を形成することができることを意味する。
【００５７】
この発明は上記の考察に基づいて案出されたものであり、上記の考察、後に記述する発明の実施の形態などにより裏付けられるものである。
すなわち、上記課題を解決するために、第１の発明は、
楕円断面を有する柱状または多角柱状の基体を回転させながらノンレシプロカルな工程で薄膜を累積することにより一体化した薄膜積層構造体を製造することを特徴とする薄膜積層構造体の製造方法である。
【００５８】
第２の発明は、
楕円断面を有する柱状または多角柱状の基体を回転させながらノンレシプロカルな工程で薄膜を累積して一体的に形成したことを特徴とする薄膜積層構造体である。
第３の発明は、
楕円断面を有する柱状または多角柱状の基体を回転させながらノンレシプロカルな工程で薄膜を累積することにより一体化した薄膜積層構造体を製造する工程を有することを特徴とする機能素子の製造方法である。
【００５９】
第４の発明は、
楕円断面を有する柱状または多角柱状の基体を回転させながらノンレシプロカルな工程で薄膜を累積して一体的に形成した薄膜積層構造体を用いたことを特徴とする機能素子である。
第１〜第４の発明において、楕円断面を有する柱状の基体としては、好適には円柱状の基体が用いられる。製造された薄膜積層構造体はそのまま用いてもよいが、典型的には、基体の回転軸に垂直な方向から所望の厚さに切断して薄片化する。また、薄膜の累積は、ＬＢ法や交互吸着法により行うことができる。ＬＢ法を用いる場合には、薄膜として単分子膜を累積する。典型的には、表面圧を一定にして薄膜として単分子膜を形成する工程とこの単分子膜を基体上に移し取る工程とがノンレシプロカルな工程である。
第５の発明は、
楕円断面を有する柱状または多角柱状の基体を部分的に液体中に沈めた状態で回転させながら薄膜を累積することを特徴とする薄膜積層構造体の製造方法である。
ここで、液体としては典型的には水が用いられる。ＬＢ法により薄膜として単分子膜を累積する場合、好適には、液体中に没した部分と空中に存在する部分との重力の差から、この単分子膜に加わる構造破壊的な力、特に引き裂き力を分子間力以内に抑えるようにする。あるいは、基体を部分的に液体中に沈めているために発生する浮力と水面から出ている基体および基体に累積した薄膜に働く重力とのつり合いを利用することで薄膜を任意に厚く累積することができる。
【００６０】
第６の発明は、
ナノスケールまたはメゾスコピックスケールの径の楕円断面を有する柱状または多角柱状の基体を回転させながら薄膜を累積することを特徴とする薄膜積層構造体の製造方法である。
第７の発明は、
ナノスケールまたはメゾスコピックスケールの径の楕円断面を有する柱状または多角柱状の基体を回転させながら薄膜を累積したことを特徴とする薄膜積層構造体である。
第８の発明は、
ナノスケールまたはメゾスコピックスケールの径の楕円断面を有する柱状または多角柱状の基体を回転させながら薄膜を累積することにより薄膜積層構造体を製造する工程を有することを特徴とする機能素子の製造方法である。
第９の発明は、
ナノスケールまたはメゾスコピックスケールの径の楕円断面を有する柱状または多角柱状の基体を回転させながら薄膜を累積した薄膜積層構造体を用いたことを特徴とする機能素子である。
第６〜第９の発明において、楕円断面を有する柱状または多角柱状の基体の径は、好適には分子サイズである。
【００６１】
第１０の発明は、
楕円断面を有する柱状または多角柱状の基体を回転させながら単分子膜を累積する際に液体流とこの単分子膜との間に生じる相互作用を利用することを特徴とする薄膜積層構造体の製造方法である。
ここで、楕円断面を有する柱状の基体としては、好適には円柱状の基体が用いられる。液体流は、例えば、単なる水流や電解質を含む水流である。
第１１の発明は、
液体を収容した容器の上に、回転部材に複数のバリア部材をその一端を中心として回転自在に設け、回転部材を回転させることにより複数のバリア部材のうちの少なくとも二つのバリア部材が液体に同時に漬かるようにし、これらのバリア部材の間の部分の液体に膜形成液を滴下して単分子膜を形成することを特徴とする薄膜積層構造体の製造方法である。
ここで、典型的には、楕円断面を有する柱状または多角柱状の基体を回転させながら単分子膜を累積する。また、好適には、基体を部分的に液体中に沈めた状態で回転させながら単分子膜を累積する。液体としては典型的には水が用いられる。
第１〜第１１の発明において、薄膜積層構造体としてヘテロ物質積層構造体を形成するに際しては、各薄膜の厚さが１０００ｎｍより薄くなっていることが望ましい。これにより、例えば金属／絶縁体多層薄膜積層構造体を薄片化したものをこれらの層が互いに直交するように２枚重ね合わせてメモリを構成する応用においては、その金属リボン十字構造体の交差部が縮小し、量子効果が期待できるとともに、記録密度の向上を図ることができる。また、半導体／絶縁体多層薄膜積層構造体を太陽電池に応用する場合においては、その有効面積の増大を図ることができる。
【００６２】
第１２の発明は、
液体を収容した容器の上に、回転部材に複数のバリア部材がその一端を中心として回転自在に設けられ、回転部材を回転させることにより複数のバリア部材のうちの少なくとも二つのバリア部材が液体に同時に漬かり、これらのバリア部材の間の部分の液体に膜形成液を滴下するように構成されていることを特徴とする薄膜積層構造体の製造装置である。
第１１および第１２の発明において、回転部材は、例えば、円環状のもののほか、キャタピラのような帯状のものも含む。
第１３の発明は、
断面が同心円状超格子構造体であることを特徴とするヘテロ構造体である。
第１４の発明は、
断面が破断円弧状構造体であることを特徴とするヘテロ構造体である。
第１５の発明は、
断面が渦巻状超格子構造体であることを特徴とするヘテロ構造体である。
第１６の発明は、
断面が破断渦巻状構造体であることを特徴とするヘテロ構造体である。
第１７の発明は、
断面が多角柱状超格子構造体であることを特徴とするヘテロ構造体である。
第１８の発明は、
断面が破断多角柱状構造体であることを特徴とするヘテロ構造体である。
第１９の発明は、
断面が同心円状ヘテロ物質交互積層体であることを特徴とするヘテロ構造体である。
第２０の発明は、
断面が破断円弧状ヘテロ物質構造体であることを特徴とするヘテロ構造体である。
第２１の発明は、
断面が渦巻状ヘテロ物質交互積層体であることを特徴とするヘテロ構造体である。
第２２の発明は、
断面が破断渦巻状ヘテロ物質構造体であることを特徴とするヘテロ構造体である。
第２３の発明は、
断面が多角柱状ヘテロ物質交互積層体であることを特徴とするヘテロ構造体である。
第２４の発明は、
断面が破断多角柱状ヘテロ物質構造体であることを特徴とするヘテロ構造体である。
【００６３】
上記課題は、より一般的には、以下のようにして解決することが可能である。
すなわち、第２５の発明は、
局所的な相互作用により形成される第１の構造と予め設定された大局的な規則により形成された第２の構造とが、非等方的な構造を有する第３の構造を介して結合されてなることを特徴とする機能素子である。
【００６４】
第２６の発明は、
第１の構造と第２の構造とが第３の構造を介して結合されてなる機能素子の製造方法であって、
第３の構造を非等方的な構造を有するように形成する工程と、
第２の構造を予め設定された大局的な規則により形成する工程と、
第１の構造を局所的な相互作用により形成する工程とを有することを特徴とするものである。
【００６５】
第２７の発明は、
局所的な相互作用により形成される第１の構造と予め設定された大局的な規則により形成された第２の構造とが、非等方的な構造を有する第３の構造を介して結合されてなる機能素子を用いたことを特徴とする機能システムである。
【００６６】
第２５、第２６および第２７の発明においては、例えば、第１の構造が自律分散型相互作用により形成されたものであり、第２の構造が予め設定された大局的な設計ルールにより形成されたものであり、第３の構造が非等方的な周期構造を有する平面または曲面からなるものである。あるいは、第１の構造が自律分散型相互作用により形成されたものであり、第２の構造が予め設定された大局的な設計ルールにより形成されたものであり、第３の構造が非等方的な周期構造を有する面を複数交差させて重ねたものである。
【００６７】
第２８の発明は、
時間が連続的に投影された等方的な第１の構造と時間が不連続的に投影された非等方的な第２の構造とが、非等方的な周期構造を有する第３の構造により結合されてなることを特徴とする機能素子である。
【００６８】
第２９の発明は、
第１の構造と第２の構造とが第３の構造を介して結合されてなる機能素子の製造方法であって、
第３の構造を非等方的な構造を有するように形成する工程と、
第２の構造を時間が不連続的に投影された非等方的なものとして形成する工程と、
第１の構造を時間が連続的に投影された等方的なものとして形成する工程とを有することを特徴とするものである。
【００６９】
第３０の発明は、
時間が連続的に投影された等方的な第１の構造と時間が不連続的に投影された非等方的な第２の構造とが、非等方的な周期構造を有する第３の構造により結合されてなる機能素子を用いたことを特徴とする機能システムである。
第２８、第２９および第３０の発明においては、例えば、第３の構造が非等方的な周期構造を有する面を複数交差させて重ねたものである。
【００７０】
第３１の発明は、
時間が連続的に投影された等方的な第１の構造と時間が不連続的に投影された非等方的な第２の構造とが、時間が連続的に投影された非等方的な第３の構造により結合されてなることを特徴とする機能素子である。
【００７１】
第３２の発明は、
第１の構造と第２の構造とが第３の構造を介して結合されてなる機能素子の製造方法であって、
第３の構造を時間が連続的に投影された非等方的なものとして形成する工程と、
第２の構造を時間が不連続的に投影された非等方的なものとして形成する工程と、
第１の構造を時間が連続的に投影された等方的なものとして形成する工程とを有することを特徴とするものである。
【００７２】
第３３の発明は、
時間が連続的に投影された等方的な第１の構造と時間が不連続的に投影された非等方的な第２の構造とが、時間が連続的に投影された非等方的な第３の構造により結合されてなる機能素子を用いたことを特徴とする機能システムである。
第３１、第３２および第３３の発明においては、例えば、第３の構造が、時間が連続的に投影された非等方的な２次元構造をその方向性をずらして少なくとも二つ重ねて擬似的に等方性を回復したものである。
【００７３】
第３４の発明は、
ボトムアップで形成された第１の構造とトップダウンで形成された第２の構造とが、非等方的な周期的な第３の構造を介して結合されてなることを特徴とする機能素子である。
【００７４】
第３５の発明は、
第１の構造と第２の構造とが第３の構造を介して結合されてなる機能素子の製造方法であって、
第３の構造を非等方的な周期的なものとして形成する工程と、
第２の構造をトップダウンで形成する工程と、
第１の構造をボトムアップで形成する工程とを有することを特徴とするものである。
【００７５】
第３６の発明は、
ボトムアップで形成された第１の構造とトップダウンで形成された第２の構造とが、非等方的な周期的な第３の構造を介して結合されてなる機能素子を用いたことを特徴とする機能システムである。
第３４、第３５および第３６の発明においては、例えば、第１の構造が自己組織化によるボトムアップで形成されたものであり、第２の構造がトップダウンで形成された集積回路（半導体集積回路など）であり、第３の構造が、時間が連続的に投影された非等方的な２次元構造を複数交差させて重ねて擬似的に等方性を回復したものである。
【００７６】
第３７の発明は、
自己相似性またはフラクタル構造を有する第１の構造とトップダウンで形成された集積回路からなる第２の構造とが、非等方的な周期構造を有する第３の構造により結合されてなることを特徴とする機能素子である。
【００７７】
第３８の発明は、
第１の構造と第２の構造とが第３の構造を介して結合されてなる機能素子の製造方法であって、
第３の構造を非等方的な周期構造を有するように形成する工程と、
第２の構造をトップダウンで集積回路として形成する工程と、
第１の構造を自己相似性またはフラクタル構造を有するものとして形成する工程とを有することを特徴とするものである。
【００７８】
第３９の発明は、
自己相似性またはフラクタル構造を有する第１の構造とトップダウンで形成された集積回路からなる第２の構造とが、非等方的な周期構造を有する第３の構造により結合されてなる機能素子を用いたことを特徴とする機能システムである。
第３７、第３８および第３９の発明においては、例えば、第３の構造が、非等方的な周期構造を有する面を複数交差させて重ねたものであり、また、集積回路は半導体集積回路などである。
【００７９】
第２５〜第４０の発明において、第３の構造は、例えば、厚さが０．２ｎｍ以上６０ｎｍ以下、好適には０．２ｎｍ以上３０ｎｍ以下、典型的には１〜１０ｎｍオーダーの導電体層と厚さが０．２ｎｍ以上５０μｍ以下、典型的には０．２ｎｍ以上６００ｎｍ以下、より典型的には１０〜１００ｎｍオーダーの誘電体層との周期構造体からなる薄片をその層が互いに交差するように少なくとも２枚重ねた構造を有する。
また、非等方的な構造は、単一の空間周波数を有するものであっても、複数の空間周波数を有するものであってもよい。さらに、非等方的な構造は、例えば、相互作用が伝わる特徴的な時間に１桁以上の差がある互いに異なる性質を有する複数種の相互作用または物理現象の担体を有し、注目している相互作用または物理現象についてそのホストとなる物質の系において、速い相互作用時間または物理現象時間で特徴付けられる担体（例えば、電子）に対応する第１のホスト物質により、遅い相互作用または物理現象で特徴付けられる担体（例えば、原子または分子）に対応する第２のホスト物質が、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下のスケールのオーダー（例えば、０．２ｎｍ以上６００ｎｍ以下）で離散化されたものである。また、この場合、例えば、第１のホスト物質について、全体システムの内部の任意の位置に対して、これと連結しているこの第１のホスト物質が、少なくとも１箇所、このシステムを囲む１次元ラインまたは曲線上に存在するか、露出している。
【００８０】
第３の構造に導電体層と誘電体層との繰り返し構造を用いる場合、導電体層に接触する両側の誘電体層の性質は互いに同一であっても異なっていてもよい。
典型的な一つの例では、トップダウンで製造された集積回路（半導体集積回路など）からなる第２の構造と第１の構造および第３の構造の結合体とがこの結合体の辺縁に存在する直線または曲線状の一次元構造をインターフェース領域として結合する。
【００８１】
第４０の発明は、
第２５、第２８、第３１、第３４、第３７の発明における第３の構造が３層以上積層されてなることを特徴とする機能材料である。
【００８２】
第４１の発明は、
第２５、第２９、第３１、第３４、第３７の発明における第１の構造および第３の構造からなる積層体が２層以上積層されてなることを特徴とする機能材料である。
【００８３】
第４２の発明は、
ストリップ状またはリボン状の導電体層と誘電体層との周期構造体からなる薄片をその層が互いに交差するように、かつ、導電体層のエッジ同士が対向するように少なくとも２枚重ねた構造を含むことを特徴とする機能素子である。
【００８４】
第４３の発明は、
ストリップ状またはリボン状の導電体層と誘電体層との周期構造体からなる薄片をその層が互いに交差し、かつ、導電体層のエッジ同士が対向するように少なくとも２枚重ねた構造を含むことを特徴とする機能材料である。
【００８５】
第４４の発明は、
厚さが０．２ｎｍ以上６０ｎｍ以下のストリップ状またはリボン状の導電体層とこの導電体層の厚さ以上の厚さを有する誘電体層との周期構造体からなる薄片をその層が互いに交差し、かつ、導電体層のエッジ同士が対向するように少なくとも２枚重ねた構造を含むことを特徴とする機能素子である。
【００８６】
第４５の発明は、
厚さが０．２ｎｍ以上６０ｎｍ以下のストリップ状またはリボン状の導電体層とこの導電体層の厚さ以上の厚さを有する誘電体層との周期構造体からなる薄片をその層が互いに交差し、かつ、導電体層のエッジ同士が対向するように少なくとも２枚重ねた構造を含むことを特徴とする機能材料である。
第４６および第４５の発明において、導電体層の厚さは好適には０．２ｎｍ以上３０ｎｍ以下、誘電体層の厚さは一般的には０．２ｎｍ以上２００μｍ以下、典型的には０．２ｎｍ以上５０μｍ以下である。
【００８７】
第４６の発明は、
非等方的な構造が、相互作用が伝わる特徴的な時間に１桁以上の差がある互いに異なる性質を有する複数種の相互作用または物理現象の担体を有し、注目している相互作用または物理現象についてそのホストとなる物質の系において、速い相互作用時間または物理現象時間で特徴付けられる担体に対応する第１のホスト物質により、遅い相互作用または物理現象で特徴付けられる担体に対応する第２のホスト物質が、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下のスケールのオーダーで離散化されていることを特徴とする機能素子である。
【００８８】
第４７の発明は、
非等方的な構造が、相互作用が伝わる特徴的な時間に１桁以上の差がある互いに異なる性質を有する複数種の相互作用または物理現象の担体を有し、注目している相互作用または物理現象についてそのホストとなる物質の系において、速い相互作用時間または物理現象時間で特徴付けられる担体に対応する第１のホスト物質により、遅い相互作用または物理現象で特徴付けられる担体に対応する第２のホスト物質を、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下のスケールのオーダーで離散化することを特徴とする機能素子の製造方法である。
【００８９】
第４８の発明は、
非等方的な構造が、相互作用が伝わる特徴的な時間に１桁以上の差がある互いに異なる性質を有する複数種の相互作用または物理現象の担体を有し、注目している相互作用または物理現象についてそのホストとなる物質の系において、速い相互作用時間または物理現象時間で特徴付けられる担体に対応する第１のホスト物質により、遅い相互作用または物理現象で特徴付けられる担体に対応する第２のホスト物質が、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下のスケールのオーダーで離散化された機能素子を用いたことを特徴とする機能システムである。
第４０〜第４８の発明においては、その性質に反しない限り、第２５〜第３９の発明に関連して述べたことが成立する。
さらに、第２５〜第４８の発明においては、その性質に反しない限り、第１〜第２４の発明に関連して述べたことが成立する。
上述のように構成されたこの発明においては、局所的な相互作用により形成される第１の構造と予め設定された大局的な規則により形成された第２の構造とを、非等方的な構造を有する第３の構造を介して結合することにより、従来困難であったトップダウン系とボトムアップ系との統合を容易に行うことができる。
【発明の効果】
【００９０】
この発明によれば、例えば分子サイズで制御されたバルクサイズのバームクーヘン状、渦巻状、多角形状複合多層薄膜積層構造体を形成することができる。また、この薄膜積層構造体の形成に用いるＬＢ膜累積装置などは小型化することができるので、クリーンボックスなどの中に入れて作業することができる。また、この薄膜積層構造体は、ヘテロ構造体，超格子構造体、絶縁体／導電体積層構造体などに応用することができる。さらに、破断を生じることなく、１０００層以上あるいは１００００層以上もの薄膜を積層することができ、任意の厚さのＬＢ膜を形成することができる。そして、これから切り出したバームクーヘン様金属／絶縁体多層構造により、例えば１０〜１６０Ｇbits／cm 2（０．１〜１Ｔｂ／inch2 ）のフレキシブルな薄膜高密度ＲＯＭあるいはＲＡＭなどのメモリーを実現することができる。この場合、メモリーのコア部分はリソグラフィーフリーで形成することができるので，安価に、使い捨て可能なメモリー、物質表面がそのまま記憶素子となるようなユビキタス情報装置を実現することができる。また、この薄膜積層方法は、高効率の太陽電池にも応用できる。
さらに、この発明によれば、ボトムアップ系とトップダウン系との利点を最大限活かすことができ、新規な超高集積密度の記憶素子、磁気記録素子、太陽電池、触媒反応装置などを実現することができる。
より一般的には、この発明によれば、生命体に代表されるボトムアップ系とシリコンＬＳＩに代表されるトップダウン系との利点を最大限活かすことができる高機能の機能素子を実現することができる。すなわち、細胞に相当するボトムアップ系とトップダウン系との間に随伴神経系に相当する人工情報伝達・制御系を設けた高機能の機能素子を実現することができる。
また、時間が連続的に投影された構造を用いることで、究極の分解能（原子層オーダの制御）を持った人工神経系相当物を形成することができる。これによって、例えば、表面増強効果を担いうるナノ構造／ゼロ次元構造をバルクサイズに亘って超並列多重に配列させることも可能になる。
【００９１】
また、ナノスケールで離散化されたバルクサイズの系を創出し、例えばシリコン基板上に形成されたＬＳＩシステムと、それと近接して配された自律分散システムとを結合することにより、ボトムアップ系とトップダウン系とをつなぐプラットフォームを実現することができる。
また、ナノスケールで離散化されたバルクサイズ系を創出し、そこに現れる局所的かつ個別的にアドレスすることが可能な２〜３次元のナノ構造体を大局的サイズで得ることによって、微視的世界と巨視的世界とをつなぐ高機能のプラットフォームを実現することができる。さらに、現在では形がないが将来現れてくると考えられるほとんどのナノスケールの並列新機能要素と既存のＵＬＳＩシステムとをシナジェティックに結合し、シリコンベースの世界と炭素系の有機物の世界との止揚をとることにより、飛躍的な機能の増大が可能となる。
【００９２】
また、この発明によれば、例えば、１０〜１６０Ｇｂｉｔｓ／ｃｍ2 （０．１〜１Ｔｂ／ｉｎｃｈ2 ）の集積度のフレキシブルな機能素子を実現することができる。例えば、物質表面がそのまま機能素子となるようなユビキタス情報装置を実現することができる。この場合、機能素子の中核部分はリソグラフィーフリーで形成することができるので、機能素子を安価に製造することができる。また、要素の数をＮとすると、従来はＮ2 の位置合わせが必要となるが、この発明では４Ｎの位置合わせで済み、従来に比べ１/ Ｎで位置合わせの困難さが減少する。しかも、記録容量が大きくなるほどこの効果が増大する。
また、特に記憶素子において、交差部に記憶される情報（データ）の読み出しを、対角線上の複数個の交差部に亘る並列読み出しにより行うことにより、高速の読み出しが可能である。
【００９３】
また、この発明によれば、微分方程式系に支配される物質系ではなく、セルラーオートマトンに代表される離散的な、差分方程式に支配されるような物質系を提供することができる。この物質系によれば、例えば、注目する性質に関して、変調された次元、連結性、自発的対称性の破れ、あるいは自己組織化臨界現象を示すことが可能となる。
ナノテクノロジーの発展は際限がないほどと期待されるが、それを支える母体の構造は原子間隔というカットオフがある以上（際限なく小さくなることはないので）その「収束先」をあらかじめ（ある精度を以って）見定めておき、その極限値と既存のＵＬＳＩシステムとの結合を、現時点から正面の目標に据え、攻略し始めることは、単に時代に先行するという観点からのみならず、今は形なき、将来のナノテクノロジーの成果を先取りする上でも重要である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００９４】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
まず、この発明の第１の実施形態について説明する。
図２４および図２５はこの第１の実施形態によるＬＢ膜の累積方法を示す。ここで、図２４および図２５はそれぞれＬＢ膜累積装置の平面図およびトラフに沿う方向の断面図である。
【００９５】
図２４および図２５に示すように、この第１の実施形態においては、円環状のトラフ５１に水５２が張られている。トラフ５１の断面形状に特に制限はなく、必要に応じて選択し得るものであるが、例えば四角形である。トラフ５１の半径、幅、深さも特に制限はなく、必要に応じて選択し得るものであるが、例えば半径は５〜２０ｃｍ、幅は１〜１０ｃｍ、深さは２〜１０ｃｍである。トラフ５１には円柱状の基体５３が、トラフ５１の半径方向に沿って取り付けられている。この基体５３は、図示省略した駆動機構により、その中心軸の回りに回転可能かつ上下動可能に構成されている。トラフ５１の上には、基体５３と別の部位に、膜形成液滴下装置５４が取り付けられており、この膜形成液滴下装置５４から、トラフ５１に張られた水５２の表面に、膜形成液を滴下することができるようになっている。
図２５に示すように、トラフ５１の底面５１ａは、図示省略した駆動機構により、トラフ５１の機密性を保持しつつ、トラフ５１の他の部分に対して、中心軸の周りに回転可能に構成されている。
【００９６】
次に、このＬＢ膜累積装置を用いてＬＢ膜を累積する方法について説明する。
水５２が張られたトラフ５１の底面５１ａを所定の回転速度ｖで回転させる。トラフ５１の底面５１ａと水５２との間には摩擦が存在するため、トラフ５１の底面５１ａの回転に伴い、この底面５１ａに引きずられる形で水５２も回転し、水流が生じる。このとき、水５２の流速には水面からの深さ方向に分布が生じ、浅いほど流速が小さくなるため、水面付近では十分に小さな流速となり、穏やかな水流とすることができる。このため、膜形成液滴下装置５４から水面に膜形成液を滴下すると、展開した膜形成液の分子は、水面付近の穏やかな水流により徐々に整列していき、単分子膜５５が形成されるとともに、この単分子膜５５が適度に圧縮され、一定の表面圧となる。一方、円柱状の基体５３は、例えばその下半分が水５２の中に沈むように位置決めしておく。そして、上記のようにして形成された単分子膜５５を、図２６に示すように、基体５３を回転させながらその表面に付着させてすくい取る。これを所望の回数繰り返すことにより、単分子膜５５を所望の層数だけ基体５３上に積層することができる。
【００９７】
ＬＢ膜の原料としては、例えば、直鎖脂肪酸Ｃn Ｈ2n+1ＣＯＯＨのように親水基と疎水基とを有する物質やアラキン酸などを用いる。特に、Ｚ型ＬＢ膜を形成するときはＣ15・ＴＣＮＱ（２−ｐｅｎｔａｄｅｃｙｌ−７，７’，８，８’−ｔｅｔｒａｃｙ−ａｎｏｑｕｉｎｏｄｉｍｅｔｈａｎｅ，ＴＣＮＱ）のＬＢ膜，プロトポルフィリン（ｐｒｏｔｏｐｏｒｐｈｙｒｉｎ  ｄｉｍｅｔｈｙｌｅｓｔｅｒ，ＰＰＤＭ）のＬＢ膜，メソポルフィリン（ｍｅｓｏｐｏｒｐｈｙｒｉｎ  ｄｉｍｅｔｈｙｌｅｓｔｅｒ，ＭＰＤＭ），ポリアミド（ｐｏｌｙａｍｉｃ  ａｃｉｄ  ａｌｋｙｌａｍｉｎｅ  ｓａｌｔ，ＰＡＡＳ）のＬＢ膜などを用いる（特許文献１８、１９）。
【００９８】
以上のように、この第１の実施形態によれば、従来のＬＢ法のようにバリアを動かすのではなく、トラフ５１の底面５１ａを回転させることにより、水５２との摩擦で水面付近に穏やかな水流を起こし、その状態で水面に膜形成液を滴下することで単分子膜５５に一定の表面圧を生じさせ、この単分子膜５５を基体５３を回転させながらその表面に付着させているので、完全にノンレシプロカルな過程で基体５３上に単分子膜５５を連続的に累積することができる。また、基体５３の下半分を水５２の中に沈めた状態で単分子膜５５を累積しているので、既に述べたように、浮力の効果により、破断を生じることなく、単分子膜５５を任意の数だけ多層に累積することができる。このため、従来のＬＢ法では到底不可能であった例えば１０００層以上あるいは１００００層以上の単分子膜５５を累積することが可能となり、十分に厚いＬＢ膜積層構造体を得ることができる。
【００９９】
次に、この発明の第２の実施形態について説明する。
図２７はこの第２の実施形態において用いるＬＢ膜累積装置の平面図である。このＬＢ膜累積装置のトラフに沿う方向の断面図は図２５と同様である。
図２７に示すように、この第２の実施形態によるＬＢ膜累積装置においては、直線部分と円弧状の曲線部分とを組み合わせた環状のトラフ５１を用いる。トラフ５１の幅、直線部分の長さ、曲線部分の半径、深さは特に制限はなく、必要に応じて選択し得るものであるが、例えば幅は１〜１０ｃｍ、直線部分の長さは３０〜６０ｃｍ、曲線部分の半径は５〜２０ｃｍ、深さは２〜１０ｃｍである。トラフ５１の一方の直線部分の途中、例えば中央部付近に円柱状の基体５３が取り付けられている。また、トラフ５１の一方の曲線部分の途中、例えば中央部付近に膜形成液滴下装置５４が取り付けられている。さらに、トラフ５１の他方の直線部分の途中にポンプ５６が取り付けられており、このポンプ５６を使って水５２を循環させることにより所望の流速の水流を生じさせることができるようになっている。
【０１００】
次に、このＬＢ膜累積装置を用いてＬＢ膜を累積する方法について説明する。
ポンプ５６を使って水５２を循環させることにより水面付近の流速を十分に小さくし、穏やかな水流とした状態で、膜形成液滴下装置５４から水面に膜形成液を滴下する。すると、展開した膜形成液の分子は、水面付近の穏やかな水流により徐々に整列していき、単分子膜５５が形成されるとともに、この単分子膜５５が適度に圧縮され、基体５３の手前で一定の表面圧となる。一方、基体５３は、例えばその下半分が水５２の中に沈むように位置決めしておく。そして、上記のようにして形成された単分子膜５５を、図２６に示すと同様に、基体５３を回転させながらその表面に付着させてすくい取る。これを所望の回数繰り返すことにより、単分子膜５５を所望の層数だけ基体５３上に積層することができる。
【０１０１】
以上のように、この第２の実施形態によれば、従来のＬＢ法のようにバリアを動かすのではなく、トラフ５１の水５２をポンプ５６を使って循環させ、水面付近に穏やかな水流を起こし、その状態で水面に膜形成液を滴下することで単分子膜５５に一定の表面圧を生じさせ、この単分子膜５５を基体５３を回転させながらその表面に付着させているので、完全にノンレシプロカルな過程で基体５３上に単分子膜５５を連続的に累積することができる。また、基体５３の下半分を水５２の中に沈めた状態で単分子膜５５を累積しているので、既に述べたように、浮力の効果により、破断を生じることなく、単分子膜５５を任意の数だけ多層に累積することができる。このため、従来のＬＢ法では到底不可能であった例えば１０００層以上あるいは１００００層以上の単分子膜５５を累積することが可能となり、十分に厚いＬＢ膜積層構造体を得ることができる。
【０１０２】
次に、この発明の第３の実施形態について説明する。
図２８はこの第３の実施形態において用いるＬＢ膜累積装置の平面図である。このＬＢ膜累積装置のトラフに沿う方向の断面図は図２５と同様である。
図２８に示すように、この第３の実施形態においては、円環状のトラフ５１に水５２が張られている。トラフ５１の断面形状、半径、幅、深さなどについては、第１の実施形態と同様である。トラフ５１には円柱状の基体５３が、トラフ５１の半径方向に沿って取り付けられている。この基体５３は、図示省略した駆動機構により、その中心軸の回りに回転可能かつ上下動可能に構成されている。トラフ５１の上には、基体５３と別の部位に、膜形成液滴下装置５４が取り付けられており、この膜形成液滴下装置５４から、トラフ５１に張られた水５２の表面に、膜形成液を滴下することができるようになっている。トラフ５１にはさらに、基体５３および膜形成液滴下装置５４と別の部位に、水５２内に位置するように設置されたスクリュー５７が付いた水流発生装置５８およびダンパー５９が取り付けられている。
【０１０３】
次に、このＬＢ膜累積装置を用いてＬＢ膜を累積する方法について説明する。
水流発生装置５８のスクリュー５７を回転させてトラフ５１内の水５２を循環させる。こうして生じた水流はダンパー５９により減衰を受け、穏やかな水流となる。この状態で膜形成液滴下装置５４から水面に膜形成液を滴下する。すると、展開した膜形成液の分子は、水面付近の穏やかな水流により徐々に整列していき、単分子膜５５が形成されるとともに、この単分子膜５５が適度に圧縮され、基体５３の手前で一定の表面圧となる。一方、基体５３は、例えばその下半分が水５２の中に沈むように位置決めしておく。そして、上記のようにして形成された単分子膜５５を、図２６に示すと同様に、基体５３を回転させながらその表面に付着させてすくい取る。これを所望の回数繰り返すことにより、単分子膜５５を所望の層数だけ基体５３上に積層することができる。
【０１０４】
以上のように、この第３の実施形態によれば、従来のＬＢ法のようにバリアを動かすのではなく、トラフ５１の水５２をスクリュー５７を使って循環させ、さらにダンパー５９を介して水面付近に穏やかな水流を起こし、その状態で水面に膜形成液を滴下することで単分子膜５５に一定の表面圧を生じさせ、この単分子膜５５を基体５３を回転させながらその表面に付着させているので、完全にノンレシプロカルな過程で基体５３上に単分子膜５５を連続的に累積することができる。また、基体５３の下半分を水５２の中に沈めた状態で単分子膜５５を累積しているので、既に述べたように、浮力の効果により、破断を生じることなく、単分子膜５５を任意の数だけ多層に累積することができる。このため、従来のＬＢ法では到底不可能であった例えば１０００層以上あるいは１００００層以上の単分子膜５５を累積することが可能となり、十分に厚いＬＢ膜積層構造体を得ることができる。
【０１０５】
次に、この発明の第４の実施形態について説明する。
この第４の実施形態においては、互いに異なる複数種類の単分子膜を累積することにより複合累積構造体を形成する場合について説明する。
すなわち、第１〜第３の実施形態によるＬＢ膜の累積方法において、互いに異なる複数種類の膜形成液を交互に滴下し、その間にバリアで仕切りを入れて各単分子膜を一定表面圧とする。そして、これらの単分子膜を基体５３を回転させながらその表面に付着させてすくい取る。これを各単分子膜について所望の回数繰り返すことにより、複数種類の単分子膜を所望の順序かつ所望の層数だけ基体５３上に積層することができる。
【０１０６】
図２９Ａに、一例として２種類の単分子膜６０、６１を累積する様子を示す。また、図２９Ｂに、これらの単分子膜６０、６１を基体５３上に累積したバームクーヘン状の複合累積構造体の一例を示す。
この第４の実施形態によれば、完全にノンレシプロカルな過程で基体５３上に複数種類の単分子膜を任意の順序および任意の長さで連続的に累積することができる。また、基体５３の下半分を水５２の中に沈めた状態で単分子膜を累積しているので、既に述べたように、浮力の効果により、破断を生じることなく、これらの単分子膜を任意の数だけ多層に累積することができる。このため、従来のＬＢ法では到底不可能であった例えば１０００層以上あるいは１００００層以上の単分子膜を累積することが可能となり、十分に厚いＬＢ膜複合累積構造体を得ることができる。
【０１０７】
次に、この発明の第５の実施形態について説明する。
図３０はこの第５の実施形態において用いるＬＢ膜累積装置の側面図である。また、図３１はこのＬＢ膜累積装置の膜形成液滴下装置がトラフに接近した状態を示す正面図である。
図３０および図３１に示すように、この第５の実施形態においては、所定幅の直線状のトラフ５１に水５２が張られている。トラフ５１の断面形状、幅、深さなどについては、第１の実施形態と同様である。トラフ５１の上方には、中心軸６２の両端にスポークなどの中継部材（図示せず）により二枚の円環６３、６４を固定し、これらの円環６３、６４に複数のバリア片６５をその一端の周りに回転自在に設けた、全体として観覧車状のものが設置されている。各バリア片６５には膜形成液滴下装置５４が取り付けられている。これらのバリア片６５は等間隔に設けてもよいし、そうでなくてもよい。この場合、バリア片６５が最下部に来たとき、その前後のバリア片６５を含めて、それらの下側の部分が水５２の中に沈むようになっている。各バリア片６５は、単分子膜との相互作用が小さくなるように、所定の表面加工あるいは表面処理をしておくのが望ましい。
なお、図３０においては、手前の円環６４の図示を省略してある。
【０１０８】
次に、このＬＢ膜累積装置を用いてＬＢ膜を累積する方法について説明する。
中心軸６２を回転させて円環６３、６４を回転させ、それによってバリア片６５を回転させる。この場合、バリア片６５はその一端の周りに回転自在であるので、常に重力の方向に平行になっている。回転により、あるバリア片６５が水５２の中に入り始めたら、回転方向で見て直ぐその手前にある膜形成液滴下装置５４から水面に膜形成液を滴下する。すると、展開した膜形成液の分子は、次に水５２の中に入り始めるバリア片６５により押される形で徐々に整列していき、単分子膜５５が形成されるとともに、この単分子膜５５が適度に圧縮され、一定の表面圧となり、これが前方の水面上に送り出される。ここで、バリア片６５は常に重力の方向に平行になっているため、水５２の中に入り始めるときには水面と直角になっており、したがって水面上に展開した膜形成液の分子はこのバリア片６５により水面の方向に圧縮され、理想的な形となっている。次に、例えば単分子膜５５に続いて、同様な方法により同一または異なる膜形成液を用いて次の単分子膜６１が形成されて前方の水面上に送り出される。一方、図３０においては図示を省略してあるが、基体５３は、例えばその下半分が水５２の中に沈むように位置決めしておく。そして、上記のようにして形成された単分子膜を、図２６に示すと同様に、基体５３を回転させながらその表面に付着させてすくい取る。これを膜形成液を必要に応じて適宜変えて所望の回数繰り返すことにより、所望の種類の単分子膜を所望の順序かつ所望の層数だけ基体５３上に積層することができる。
【０１０９】
以上のように、この第５の実施形態によれば、中心軸６２に固定された円環６３、６４に複数のバリア片６５をその一端の周りに回転自在に設け、円環６３、６４を中心軸６２の周りに回転させ、所定のタイミングで膜形成液滴下装置５４から滴下された膜形成液の分子をバリア片６５で圧縮することで単分子膜に一定の表面圧を生じさせ、この単分子膜を基体５３を回転させながらその表面に付着させているので、完全にノンレシプロカルな過程で基体５３上に単分子膜を連続的に累積することができる。そして、必要に応じて、各膜形成液滴下装置５４の膜形成液として互いに異なる複数種類のものを用い、これらの膜形成液の滴下順序を選ぶとともに、バリア片６５相互の間隔を任意に設定することにより、任意の種類の単分子膜が任意の長さおよび任意の順序で任意の層数積層された複合累積構造体を形成することができる。例えば、図２９Ｂに示すものと同様な複合累積構造体を形成することができる。また、基体５３の下半分を水５２の中に沈めた状態で単分子膜を累積しているので、既に述べたように、浮力の効果により、破断を生じることなく、単分子膜を任意の数だけ多層に累積することができる。このため、従来のＬＢ法では到底不可能であった例えば１０００層以上あるいは１００００層以上の単分子膜を累積することが可能となり、十分に厚い複合ＬＢ膜積層構造体を得ることができる。
【０１１０】
次に、この発明の第６の実施形態について説明する。
この第６の実施形態においては、第５の実施形態によるＬＢ膜累積装置において、トラフ５１の上方に、円環６３、６４に複数のバリア片６５を設けた観覧車状のものを所定の間隔で複数、直列および／または並列に設置し、これらを用いて所望の種類の単分子膜の累積を所望の配列パターンで二次元的または三次元的に順次行う。
この第６の実施形態によれば、単分子膜の累積により、二次元または三次元の超格子を任意の繰り返し数および任意の厚さに容易に形成することができる。
【０１１１】
次に、この発明の第７の実施形態について説明する。
この第７の実施形態においては、第１〜第６の実施形態における円柱状の基体５３として、直径が十分に小さい、例えば一単分子の大きさ程度のものを用いる。具体的には、例えば、基体５３としてカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を用いる。そして、この直径が十分に小さい基体５３を用いて単分子膜を累積する。
この第７の実施形態によれば、例えば図３２に示すように、基体５３上に単分子膜５５を渦巻状に累積することができる。すなわち、渦巻状ＬＢ膜積層構造体を得ることができる。
【０１１２】
次に、この発明の第８の実施形態について説明する。
この第８の実施形態においては、第１〜第６の実施形態における円柱状の基体５３の代わりに、多角柱状（例えば、正四角柱状、正三角形状、正六角形状など）の基体５３を用い、この基体５３上に単分子膜を累積する。
この第８の実施形態によれば、例えば、図３３Ａ〜Ｃに示すように、それぞれ正四角柱状、正三角形状、正六角形状のＬＢ膜積層構造体を得ることができる。そして、図３３Ａに示す正四角柱状のＬＢ膜積層構造体を複数配列することにより、図３４Ａに示すように隙間なく平面を埋め尽くすことができる。同様に、図３３Ｂに示す正三角柱状のＬＢ膜積層構造体を複数配列することにより、図３４Ｂ〜Ｄに示すように隙間なく平面を埋め尽くすことができる。同様に、図３３Ｃに示す正六角柱状のＬＢ膜積層構造体を複数配列することにより、図３４Ｅに示すように隙間なく平面を埋め尽くすことができる。さらに、図３３Ｂに示す、任意の一辺の長さの正三角柱状のＬＢ膜積層構造体と図３３Ｃに示す、任意の一辺の長さの正六角柱状のＬＢ膜積層構造体とを所定の配列パターンで複数配列することによっても、図３５に示すように隙間なく平面を埋め尽くすことができる。
【０１１３】
次に、この発明の第９の実施形態について説明する。
この第９の実施形態においては、円柱状の基体５３と水流とを用い、水流とＬＢ膜との間に生じる相互作用を利用してＬＢ膜積層構造体を形成する。すなわち、図３６Ａに示すように、トラフ５１内の水５２の流速が基体５３の下部付近の深さでもある程度大きくなるようにし、基体５３を回転させながらその表面に単分子膜５５を累積する。このとき、基体５３上に累積した単分子膜５５は水５２の中で水のフローによる力が加わることにより、摩擦転写法(Mechanical Deposition／Friction-Transfer Technique)に類似して、面内異方性を与えることができる（なお、トラフ５１中に電解質を含む水溶液を入れる場合は水のフローによる力に加えて荷電体・イオンのフローによる電磁相互作用も加わる）。特に、フローが強力な場合には、水５２の外部では基体５３の法線方向に向いていた単分子膜５５の分子がその法線方向から傾斜した方向に向くようになる。このため、図３６Ｂに示すように、各分子が基体５３の法線方向から傾斜した方向を向いた状態で単分子膜５５が累積する。続いて、図３６Ｃに示すように、二層目の単分子膜５５が累積する。この際、一層目の単分子膜５５の分子の疎水基であるアルキル基の側面に二層目の単分子膜５５の分子の親水基が結合する可能性もある。
以上のように、この第９の実施形態によれば、各分子が基体５３の法線方向から傾斜した方向を向いた状態で単分子膜５５を累積することができる。特に、摩擦転写法に比べ格段に優れた膜厚制御性をもって面内配向した積層膜や異方性のあるＬＢ膜を得ることができる。
【０１１４】
次に、この発明の第１０の実施形態について説明する。
この第１０の実施形態においては、第１〜第９の実施形態により形成されたＬＢ膜積層構造体の表面をめっきすることにより金属膜を形成する。
この第１０の実施形態によれば、金属膜とＬＢ膜積層構造体とが交互に積層された金属／絶縁体多層構造を形成することができる。
【０１１５】
次に、この発明の第１１の実施形態について説明する。
この第１１の実施形態においては、第１〜第９の実施形態によるＬＢ膜積層構造体の形成方法において、単分子膜として絶縁性のものと導電性のもの（例えば、金属）とを基体５３上に交互に累積することにより、ＬＢ膜積層構造体を形成する。
この第１１の実施形態によれば、ＬＢ膜だけで導電体（例えば、金属）／絶縁体多層構造を形成することができる。
【０１１６】
次に、この発明の第１２の実施形態について説明する。
この第１２の実施形態においては、第２の実施形態において、ポンプ５６の代わりに、水５２の中にモーターで駆動される水車を設け、この水車を回すことで水５２を循環させることにより所望の流速の水流を生じさせる。
上記以外のことは第２の実施形態と同様である。
この第１２の実施形態によれば、第２の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【０１１７】
次に、この発明の第１３の実施形態について説明する。
この第１３の実施形態においては、第１の実施形態において、トラフ５１の底面を回転させる代わりに、トラフ５１の側面を回転させることで水５２を循環させることにより所望の流速の水流を生じさせる。
上記以外のことは第１の実施形態と同様である。
この第１３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【０１１８】
次に、この発明の第１４の実施形態について説明する。
この第１４の実施形態においては、第１の実施形態において、トラフ５１の底面を回転させる代わりに、トラフ５１の水５２の中に鉄の玉を入れ、この鉄の玉をトラフ５１の外部に設けた磁石による磁界で動かすことで水５２を循環させることにより所望の流速の水流を生じさせる。
上記以外のことは第１の実施形態と同様である。
この第１４の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【０１１９】
次に、この発明の第１５の実施形態について説明する。
この第１５の実施形態においては、第１または第２の実施形態によるトラフ５１と、第１〜第６または第８の実施形態による円柱状または多角柱状の基体５３と、第１、第２、第１２〜第１４の実施形態による水流の発生方法とを組み合わせる。
この第１５の実施形態によれば、バームクーヘン状多層ＬＢ膜積層構造体、渦巻状多層ＬＢ膜積層構造体あるいは多角柱状多層ＬＢ膜積層構造体を形成することができる。
【０１２０】
次に、この発明の第１６の実施形態について説明する。
この第１６の実施形態においては、第１または第２の実施形態によるトラフ５１と、第１〜第６または第８の実施形態による円柱状または多角柱状の基体５３と、第５の実施形態による観覧車方式とを組み合わせる。
この第１６の実施形態によれば、バームクーヘン状複合多層ＬＢ膜積層構造体、渦巻状複合多層ＬＢ膜積層構造体あるいは多角柱状複合多層ＬＢ膜積層構造体を形成することができる。
【０１２１】
次に、この発明の第１７の実施形態について説明する。
この第１７の実施形態においては、交互吸着法により有機超薄膜を形成することで多層薄膜積層構造体を形成する場合について説明する。
図３７はこの第１７の実施形態による有機超薄膜の累積に用いる有機超薄膜累積装置の平面図である。
図３７に示すように、この第１７の実施形態においては、トラフ６６の中心に円柱状の基体５３が回転可能に設けられている。筒型容器６６の内部は分断壁６７により四つの部分に分けられており、その一つの部分にポリカチオン希薄溶液６８が入れられ、これと対向する部分にポリアニオン希薄溶液６９が入れられている。その他の二つの部分には水５２が入れられている。この水５２は、ポリカチオン希薄溶液６８とポリアニオン希薄溶液６９とが混ざらないようにするためのものである。分断壁６７は、分断壁制御装置７０により制御することができるようになっている。すなわち、この分断壁６７は、基体５３に膜が積層して大きくなるに従って、膜が成長するのを妨げないように半径方向に向かって動く。また、このとき分断壁６７は、ポリカチオン希薄溶液６８とポリアニオン希薄溶液６９とが混ざらないような微小な隙間を維持しながら動く。
【０１２２】
次に、この有機超薄膜累積装置を用いて有機超薄膜を累積する方法について説明する。
基体５３の表面をあらかじめ親水処理または疎水処理しておく。この基体５３を回転させながら、この基体５３の表面を交互にポリカチオン希薄溶液６８およびポリアニオン希薄溶液６９に浸すことにより、電解質ポリマーを自発的に吸着させ、自己組織化させることにより有機超薄膜を形成する。これを所望の回数繰り返すことにより、有機超薄膜を所望の層数だけ基体５３上に積層することができる。
ポリカチオンとしては、例えばポリアリルアミン（ＰＡＨ）、ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）、ポリジメチルジアリルアンモニウムクロリド（ＰＤＤＡ）などを用いる。また、ポリアニオンとしては、例えばポリスチレンスルホン酸（ＰＳＳ）、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）などを用いる。
以上のように、この第１７の実施形態によれば、交互吸着法により、基体５３を回転させながらその表面に有機超薄膜を付着させるので、完全にノンレシプロカルな過程で基体５３上に有機超薄膜を連続的に累積することができる。
【０１２３】
次に、この発明の第１８の実施形態について説明する。
この第１８の実施形態においては、第１７の実施形態による超薄膜累積装置において、筒型容器６６の内部にポリカチオン希薄溶液６８が入れられた部分と、ポリアニオン希薄溶液６９が入れられた部分と、水５２が入れられた部分とに加えて、めっき液が入れられた部分が設けられている。
次に、この有機超薄膜累積装置を用いて有機超薄膜を累積する方法について説明する。
基体５３の表面をあらかじめ親水処理または疎水処理しておく。この基体５３を回転させながら、この基体５３の表面を交互にポリカチオン希薄溶液６８およびポリアニオン希薄溶液６９に浸すことにより、電解質ポリマーを自発的に吸着させ、自己組織化させることにより有機超薄膜を形成する。また、基体５３の表面をめっき液に接触させることにより、無電解めっきにより金属膜を形成する。
この第１８の実施形態によれば、交互吸着法により、基体５３を回転させながらその表面に有機超薄膜および金属膜を交互に付着させるので、完全にノンレシプロカルな過程で基体５３上に有機超薄膜および金属膜を連続的に累積することができ、多層金属／絶縁体積層構造体を形成することができる。
【０１２４】
次に、この発明の第１９の実施形態について説明する。
図３８はこの第１９の実施形態による有機超薄膜の累積に用いる有機超薄膜累積装置の側面図である。
図３８に示すように、この第１９の実施形態においては、トラフ６６の内部は水平方向に向いた基体５３および分断壁６７により二つの部分に分けられており、その一つの部分にポリカチオン希薄溶液６８が入れられ、他の部分にポリアニオン希薄溶液６９が入れられている。分断壁６７は分断壁制御装置（図示せず）により制御することができるようになっている。
【０１２５】
次に、この有機超薄膜累積装置を用いて有機超薄膜を累積する方法について説明する。
基体５３の表面をあらかじめ親水処理または疎水処理しておく。この基体５３を回転させながら、この基体５３の表面を交互にポリカチオン希薄溶液６８およびポリアニオン希薄溶液６９に浸すことにより、電解質ポリマーを自発的に吸着させ、自己組織化させることにより有機超薄膜を形成する。これを所望の回数繰り返すことにより、有機超薄膜を所望の層数だけ基体５３上に積層することができる。
以上のように、この第１９の実施形態によれば、交互吸着法により、基体５３を回転させながらその表面に有機超薄膜を付着させるので、完全にノンレシプロカルな過程で基体５３上に有機超薄膜を連続的に累積することができる。
【０１２６】
次に、この発明の第２０の実施形態について説明する。
この第２０の実施形態においては、第１９の実施形態による超薄膜累積装置において、トラフ６６の内部にポリカチオン希薄溶液６８が入れられた部分と、ポリアニオン希薄溶液６９が入れられた部分とに加えて、めっき液が入れられた部分が設けられている。
次に、この有機超薄膜累積装置を用いて有機超薄膜を累積する方法について説明する。
基体５３の表面をあらかじめ親水処理または疎水処理しておく。この基体５３を回転させながら、この基体５３の表面を交互にポリカチオン希薄溶液６８およびポリアニオン希薄溶液６９に浸すことにより、電解質ポリマーを自発的に吸着させ、自己組織化させることにより有機超薄膜を形成する。また、基体５３の表面をめっき液に接触させることにより、無電解めっきにより金属膜を形成する。
この第２０の実施形態によれば、交互吸着法により、基体５３を回転させながらその表面に有機超薄膜および金属膜を交互に付着させるので、完全にノンレシプロカルな過程で基体５３上に有機超薄膜および金属膜を連続的に累積することができ、多層金属／絶縁体積層構造体を形成することができる。
【０１２７】
次に、この発明の第２１の実施形態について説明する。
この第２１の実施形態においては、第１１の実施形態による方法により、ＬＢ膜だけで金属／絶縁体多層構造を形成する。より詳細には、図３９に示すように、各層が分子サイズのオーダーの厚さ精度を有する絶縁体膜７１および金属膜７２の周期構造体からなる円板状の超格子薄片を得る。絶縁体膜７１の厚さは例えば１０〜１００ｎｍ、金属膜の厚さは例えば１〜１０ｎｍである。
【０１２８】
次に、この円板状の超格子薄片の一部を図３９の実線の四角形で示されるように切り出したものを２枚用意する。図４０Ａおよび図４０Ｂにこのようにして切り出された四角形状の超格子薄片７３、７４を示す。そして、図４０Ａ、図４０Ｂおよび図４０Ｃに示すように、超格子薄片７３に対して超格子薄片７４の方位を９０度回転して重ね合わせる。このようにして、２次元のパターンの最小単位として、人工神経系として信号・情報がアクセスすることができる格子（lattice)が完成する。この格子の精度は原子層オーダとすることができる。ここで、各超格子薄片７３、７４の絶縁体膜７１および金属膜７２は厳密には円弧状であるが、金属膜７２の周期は例えば１０ｎｍ前後と極めて小さいため、これらの絶縁体膜７１および金属膜７２は直線状に延在しているとみなすことができる。従って、この格子は、図１９に示すものと実質的に同様な構造を有する。
【０１２９】
超格子薄片７３、７４の金属膜７２の本数をそれぞれＮ本とすると、超格子薄片７３の金属膜７２と超格子薄片７４の金属膜７２との交差点は合計Ｎ2 個ある。この場合、これらの交差点（アドレス）へのアクセスは、超格子薄片７３、７４の各金属膜７２を通じて容易に行うことができる。例えば、図４０Ｃに示すように、超格子薄片７３、７４の縁の金属膜７２にそれぞれリレー回路７５、７６を接続することで、どのアドレスにアクセスするかを制御することができる。具体的には、例えば、超格子薄片７３、７４の一辺を１ｃｍとし、金属膜７２の間隔を１０ｎｍとすると、１ｃｍ／１０ｎｍ＝１０-2ｍ／１０-8ｍ＝１０6 〜２20であるが、例えば２０段のリレー回路７３、７４で２20〜１０6 本の電析金属膜６２を選択することができるので、例えば（ｘｙ平面の一自由度あたり）約２０ビットの情報でアドレスへのアクセスを制御することができる。
【０１３０】
超格子薄片７３の金属膜７２と超格子薄片７４の金属膜７２とのＮ2 個の交差点には、ボトムアップにより生成される所望の機能を有する構造を設ける。このためには、例えば、超格子薄片７３を基板としてその上に自己組織化により量子ドットを成長させ、その上に超格子薄片７４を上記と同様に重ね合わせればよい。あるいは、超格子薄片７３、７４の間に機能材料層（例えば、無機分子や有機分子など）をはさみ込み、互いに交差しかつ対向している金属膜７２間に例えば電流通電を行ってエネルギーを注入することにより生じる自己組織化臨界現象を用いて、結果として、ボトムアップ構造が超格子薄片７３、７４の間に設けられた構造を作製することができる。
【０１３１】
超格子薄片７３、７４のＮ2 個の交差点に設けるボトムアップ構造をエネルギー注入と散逸とにより最後に形成する場合は、これらのボトムアップ構造を、何ら位置合わせの必要もなく、自己整合的に各交差点に自動的に形成することができる。この場合、超格子薄片７３、７４の金属膜７２同士は必ずしも互いに直交している必要はなく、縁とつながっていることのみが要件である。各ボトムアップ構造は例えば、単純なメモリー素子でもよいし、上述の自己組織化により高度の機能を有するボトムアップ素子でもよい。超格子薄片７３、７４の金属膜７２によるメッシュ構造の次元は１とボトムアップ系（今の場合、平面系である）の次元２との間であり、生体の神経系の次元が細胞系の次元より小さいことと同等の関係が成立している。上記のボトムアップ構造を形成する元になる材料物質は例えばインタカレーションにより導入することもできる。また、インタカレーションに先立って、電解エッチングにより金属膜７２のナイフエッジを先鋭化させておくこともでき、これによって表面増強効果をより強化し、超格子薄片７３、７４の金属膜７２の交差部に配置するボトムアップ構造をより少数の原子団（分子団）とすることも可能である。
【０１３２】
超格子薄片７３、７４の各交差点にボトムアップ構造がはさまれた上記の２次元構造体をシリコンＬＳＩと接続して機能素子を作る。すなわち、図４１Ａに示すように、基板８１上に上記の２次元構造体８２をマウントし、超格子薄片７４の金属膜７２を接続パッド８３を介して配線接続部８４と接続するとともに、超格子薄片７３の金属膜７２を配線接続部８５と接続する。接続パッド８３は枕木状の形状を有し、その厚さは配線接続部８４の上面と超格子薄片７４の下面との高さの差にほぼ等しい。図４１Ｂは、超格子薄片７４の金属膜７２と接続パッド８３との接続部を拡大して示したものであり、接続パッド８３に幅の狭い絶縁体８３ａを介して形成された、絶縁体膜７１の幅（厚さ）と等しい幅の電極部８３ｂと金属膜７２とが接続されている。また、図４１Ｃは、超格子薄片７３の金属膜７２と配線接続部８５との接続部を拡大して示したものであり、配線接続部８５に幅の狭い絶縁体８５ａを介して形成された、絶縁体膜７１とほぼ等しい幅の電極部８５ｂと金属膜７２とが接続されている。配線接続部８４、８５は配線８６を介して所望の機能を有するトップダウン系のＬＳＩ８７と接続されており、結果として２次元構造体８２とＬＳＩ８７とが接続されている。こうして機能素子が得られる。ＬＳＩ８７は典型的にはシリコンＬＳＩであるが、他の半導体、例えばＧａＡｓなどの化合物半導体を用いたＬＳＩでもよい。また、ＬＳＩ８７はチップ状のものを基板８１上にマウントしたものであっても、基板８１としてシリコン基板などの半導体基板を用い、これにＬＳＩプロセスで回路を形成したものでもよい。
【０１３３】
超格子薄片７３、７４の金属膜７２と外部の接続パッド８３または配線接続部８５との接続は、一辺あたりＮ個の接続でよい。この接続数と超格子薄片７３、７４の、ボトムアップ構造が設けられる交差点の数との比は１／Ｎでスケールする。このため、Ｎ2 の位置合わせ誤差を生ずる従来法と比べ、Ｎが大きくなるほど、言い換えれば集積度が上がるほど位置合わせ誤差が減少し、従って従来法に比べて素子の製造歩留まりの向上を図ることができる。特に、図４１Ｂおよび図４１Ｃに示すように、接続パッド８３の電極部８３ｂの幅は超格子薄片７４の誘電体である絶縁体膜７１の幅（厚さ）とほぼ等しく、また、配線接続部８５の電極部８５ｂの幅は超格子薄片７４の誘電体である絶縁体膜７１の幅（厚さ）とほぼ等しく設定することができるので、超格子薄片７３、７４の金属膜７２と電極部８３ｂ、８５ｂとの位置合わせのマージンを大きくすることができ、これも素子の製造歩留まりの向上に寄与する。
【０１３４】
シリコンＬＳＩなどに代表されるＬＳＩ８７からなるトップダウン系は、すでに述べたように、時間が非連続に投影され、かつ空間的に非等方的な構造、先の記法に従えば（時間投影性、空間方位性）＝（↓、↓）の構造を有している。また、超格子薄片７３、７４の間にはさまれたボトムアップ構造は、自律分散的生成則により形成されたものであるため、時間が連続的に投影され、局所ルールには大局性が存在しないので、特別な方向は特になく等方的な構造、すなわち（時間投影性、空間方位性）＝（↑、↑) の構造を有している。両構造を直接隣り合わせて並べてみても、（↑、↑) （↓、↓）となって矢印がフリップするので、直ちにつながらない。これに対し、上記の２次元構造体８２は、すでに述べたように、時間を成長方向に連続的に投影してできた空間座標の一方向に向いた非等方性を有する構造、すなわち（時間投影性、空間方位性）＝（↑、↓）の構造を有している。図４１Ａ、図４１Ｂおよび図４１Ｃに示す機能素子においては、この２次元構造体８２、すなわち（↑、↓）構造をボトムアップ構造、すなわち（↑、↑）構造とトップダウン構造のＬＳＩ８７、すなわち（↓、↓) 構造との間に介在させていることにより、（↑、↑）（↑、↓）（↓、↓）となり、矢印が構造間でフリップすることなくつながっていくので、結局（↑、↑）構造と（↓、↓）構造とを、すなわちボトムアップ系とトップダウン系とを、個別アクセス性を失うことなく、うまくつなげることができる。
このように、この第２１の実施形態によれば、ボトムアップ系とシリコンＬＳＩに代表されるトップダウン系との利点を最大限活かすことができる高機能の機能素子を容易に実現することができる。この機能素子は、ボトムアップ系に持たせる機能とシリコンＬＳＩに持たせる機能との組み合わせにより、多彩な機能を発現することができる。
【０１３５】
次に、この発明の第２２の実施形態について説明する。この第２２の実施形態は、ボトムアップ構造として特に量子ドットを用いたものである。
図４２に示すように、この第２２の実施形態においては、基板８１の中央部に２次元構造体８２がマウントされているが、この場合、この２次元構造体８２の超格子薄片７３、７４の金属膜７２の十字交差点にボトムアップ構造として量子ドット９１がはさまれている。ここで、超格子薄片７３、７４の金属膜７２の周期および厚さは量子ドット９１のサイズより十分小さくすることができるので、超格子薄片７３、７４の金属膜７２の十字交差点と量子ドット９１とは必ずしも１対１に対応している必要はない。つまり、全ての十字交差点に量子ドット９１が付随している必要はないが、各量子ドット９１には必ず十字交差点が付随している。この冗長性は、量子ドット素子の歩留まりを向上させるとともに、量子ドットを活性部とする十字交差よりなるダイオードへのサイドゲートの役割を果たさせることもでき、従来極めて困難であった量子ドット素子の３端子素子化も可能となる。特にその際、超格子薄片７３、７４として、極めて薄い誘電体を間にはさんだ導電層２層構造とやや厚めの誘電体との積層繰り返し構造、すなわち、空間周波数として大小二つの周波数を有する構造のものを用いることが有効である。
【０１３６】
また、図４２に示す構造は平面ディスプレイとしても適用することができる。この場合、量子ドット９１として発光性量子ドットを用いるが、発光性有機分子モノマー、オリゴマー、ポリマーであってもよい。また、この場合、すでに述べたように、超格子薄片７３、７４の厚さの設定に自由度があるので、金属膜７２を、高い導電性を持ち、かつ、極めて細い導電ラインとして構成することができるという長所を有する。この平面ディスプレイによれば、十字交差部の面積が小さいので、陰になることが少なく、明るい画面を低消費電力で実現することができる。また、図示は省略するが、図４２の縦横の各金属膜７２、すなわち各導電ラインに関して、上述のような極めて薄い誘電体を間にはさんだ導電層２層構造とやや厚めの誘電体との積層繰り返し構造、すなわち、空間周波数として大小二つの周波数を有する構造を用いることで導入される冗長性によって、例えば活性部の不良による画素落ちなどのリスクを低減することができ、製造歩留まりを向上させることができる。
【０１３７】
さらに、図４２の配置は、十字交差部にはさまれるπ電子系有機分子の官能基の配置や荷電状態を制御することで、光素子のみならず電子素子としても利用することができ、従って集積分子エレクトロニクス素子として利用することもできるが、空間周波数として大小二つの周波数を有する超格子薄片構造を用いることで得られる上述の冗長性は、分子エレクトロニクス素子に求められているフォルトトレランス（欠陥許容性）を高める上で極めて効果が大きい。
【０１３８】
基板８１の外周部８１ａはトップダウン型のＬＳＩが配置される領域であるが、必ずしも四方八方全てに配置する必要はなく、一部に配置するだけでもよい。
なお、場合によっては、多層構造にして、基板８１の中央部を含む全面の上下にトップダウン型ＬＳＩを配置することも可能である。
２次元構造体８２の周囲の額縁部８１ｂは、図４１Ｂおよび図４１Ｃと同様な配置で、２次元構造体８２のＮ2 個の交差点にアクセスするｘ、ｙ方向の平行な金属膜７２と接続する。
上記以外のことは、その性質に反しない限り第２１の実施形態と同様である。
この第２２の実施形態によっても、第２１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【０１３９】
次に、この発明の第２３の実施形態について説明する。
図４３に示すように、この第２３の実施形態においては、第２２の実施形態においてボトムアップ構造として用いた量子ドット配列の代わりに、自己相似性を有する階層的な構造を有する面、すなわちフラクタル構造を有する面９２をボトムアップ構造として用いる。この場合も、空間周波数として大小二つの周波数を有する超格子薄片構造を用いることで得られる上述の冗長性は、系のロバストネスを高める上で極めて大きな効力を発揮する。
上記以外のことは、その性質に反しない限り第２１および第２２の実施形態と同様である。
この第２３の実施形態によっても、第２１および第２２の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【０１４０】
次に、この発明の第２４の実施形態について説明する。
この第２４の実施形態においては、図４１に示す、第２１の実施形態による機能素子を特にＲＯＭに特化したものについて説明する。ここで、例えば、絶縁体膜の厚さは１０〜１００ｎｍ、金属膜の厚さは１〜１０ｎｍである。また、超格子薄片７３、７４の金属膜と接続されるＬＳＩ８７としてはインバータ群を含むもの（デコーダ）を用いる。
【０１４１】
図４４にこのＲＯＭの回路を模式的に示す。このＲＯＭにおいては、超格子薄片７３、７４の金属膜の本数をそれぞれＮ本とすると、超格子薄片７３の金属膜と超格子薄片７４の金属膜との交差点は合計Ｎ2 個あるため、このＲＯＭの容量はＮ2 ビットである。超格子薄片７４のＮ本の金属膜にｊ＝１〜Ｎの番号を付け、超格子薄片７３のＮ本の金属膜にｉ＝１〜Ｎの番号を付ける。超格子薄片７３、７４の互いに対向する主面上に露出した金属膜の表面には薄い自然酸化膜（図示せず）（例えば、金属膜がＡｌからなる場合にはＡｌ2 Ｏ3 膜）が形成されており、従って、各交差点では、超格子薄片７３の金属膜と超格子薄片７４の金属膜とはこの自然酸化膜を介して互いに対向している。超格子薄片７３のＮ本の金属膜の一端はそれぞれｎチャネルＦＥＴからなるインバータＩj （ｊ＝１〜Ｎ）の一端と接続されている。インバータＩj の他端は接地されている。超格子薄片７３のＮ本の金属膜の一端は負荷抵抗ＲL を介して所定の電源に接続されている。
【０１４２】
次に、このＲＯＭの動作原理について説明する。
まず、情報の書き込み方法について説明する。今、アドレス（ｉ，ｊ）にあるメモリセルＡijに情報を書き込む場合を考える。超格子薄片７４のｊ番目の金属膜と接続されているインバータＩj を構成するｎチャネルＦＥＴのゲートＧj にハイレベルの信号を入力して導通させ、この状態で電源により、超格子薄片７３の金属膜と超格子薄片７４の金属膜との間に十分に高い電圧を印加することにより、これらの金属膜の間の自然酸化膜を絶縁破壊し、導通させる。こうして導通した部位に例えば情報「１」が書き込まれたとすると、自然酸化膜が絶縁破壊しておらず、導通していない部位には情報「０」が書き込まれていると考えることができる。選択されたアドレスのメモリセルの全てに対してこの操作を行うことにより、情報が書き込まれる。
【０１４３】
次に、情報の読み出し方法について説明する。今、アドレス（ｉ，ｊ）にあるメモリセルＡijの情報を読み出す場合を考える。まず、超格子薄片７４のｊ番目の金属膜と接続されているインバータＩj を構成するｎチャネルＦＥＴのゲートＧj にハイレベルの信号を入力して導通させるとともに、超格子薄片７３のｉ番目の金属膜の一端に接続されている電源によりハイレベルの電圧を印加する。このとき、メモリセルＡijに情報「１」が書き込まれている場合、すなわちこのメモリセルＡijの交差点において自然酸化膜が導通している場合には、負荷抵抗ＲL を通って超格子薄片７３のｉ番目の金属膜に電流が流れ、その結果、この金属膜の他端Ａi ’の電位はローレベルになる。インバータＩj を構成するｎチャネルＦＥＴのゲートＧj にローレベルの信号が入力される場合には導通しないため、負荷抵抗ＲL を通って超格子薄片７３のｉ番目の金属膜に電流が流れず、その結果、この金属膜の他端Ａi ’の電位はハイレベルに保持される。一方、メモリセルＡijに情報「０」が書き込まれている場合、すなわちこのメモリセルＡijの交差点において自然酸化膜が導通していない場合には、インバータＩj を構成するｎチャネルＦＥＴが導通しているか否かにかかわらず、負荷抵抗ＲL を通って超格子薄片７３のｉ番目の金属膜に電流が流れず、その結果、この金属膜の他端Ａi ’の電位はハイレベルに保持される。
【０１４４】
以上のように、この第２４の実施形態によれば、メモリセル部に超格子薄片７３、７４を用いた新規なＲＯＭを実現することができる。このＲＯＭは例えば１０〜１６０Ｇビット／ｃｍ2 と大容量化が可能である。また、フレキシブルに構成することができるので、様々な電子機器への搭載が可能である。さらに、このＲＯＭでは、超格子薄片７３、７４はリソグラフィーフリーで形成することができるので、製造コストを安価に抑えることができ、例えば使い捨て可能なメモリとして用いることができ、ユビキタス情報装置などに用いて好適なものである。
【０１４５】
次に、この発明の第２５の実施形態について説明する。
この第２５の実施形態においては、第２４の実施形態によるＲＯＭにおいて、超格子薄片７３の金属膜と超格子薄片７４の金属膜との交差点に、いわゆるナノブリッジ構造（非特許文献１２）を用いる。また、超格子薄片７３の金属膜としてＣｕ膜を用い、超格子薄片７４の金属膜としてＴｉ膜を用いるとともに、それらの交差点に挿入する物質としてＣｕ2 Ｓ膜を用いる。
【０１４６】
図４５Ａに、これらの金属膜の交差点の構造を示す。図４５Ａにおいて、符号１４１は超格子薄片７１の金属膜としてのＣｕ膜、１４２は超格子薄片７２の金属膜としてのＴｉ膜、１４３はそれらの間に挿入されたＣｕ2 Ｓ膜を示す。この場合、Ｔｉ膜１４２に負電圧を印加すると、Ｃｕ膜１４１の表面で酸化反応が起こり、Ｃｕ原子がＣｕ+ となってＣｕ2 Ｓ膜１４３内に溶け込む。Ｔｉ膜１４２の表面では還元反応が起こり、Ｃｕ2 Ｓ膜１４３内のＣｕ+ がＣｕとなって析出する。符号１４４はこのＣｕ析出領域を示す。図４５Ｂに示すように、析出したＣｕがＣｕ膜１４１まで達してＣｕ析出領域１４４からなる金属架橋を形成すると、ナノブリッジはオン状態になる。Ｔｉ膜１４２に正電圧を印加すると逆反応が起こり、図４５Ｃに示すように、金属架橋が消滅し、オフ状態になる。以上の現象を利用することにより、メモリセルに情報を書き込むことができる。
上記以外のことについては、第２４の実施形態とほぼ同様である。
この第２５の実施形態によれば、第２４の実施形態と同様な利点に加えて、メモリセルへの情報の書き込みを非破壊的に行うことができるという利点を得ることができる。
【０１４７】
次に、この発明の第２６の実施形態について説明する。
この第２６の実施形態は、時間が連続的に折織り込まれた構造において、織り込まれた方向に直交する方向から、この構造にアクセスすることを特徴とする機能素子である。この機能素子は、ストリップ状またはリボン状の金属層などの導電体層と、この導電体層の厚さ以上の厚さを有する非金属層との周期構造体からなる薄片を有し、この薄片に交差する方向、好ましくは直交する方向から、光（太陽光など）をアクセスさせる。
具体的には、図４６Ａ、ＢおよびＣはこの第２６の実施形態による有機太陽電池を示す。ここで、図４６Ａは表面図、図４６Ｂは裏面図、図４６Ｃは側面図である。図４６Ａ、ＢおよびＣに示すように、この有機太陽電池は、アノード電極１５１とカソード電極１５２とが間に有機半導体層１５３をはさんで渦巻き（スパイラル）状に形成されたもので、全体として薄い円板の形状を有する。この有機太陽電池の裏面には、中心から半径方向に沿って線状の取り出し電極１５４、１５５が形成されている。ここで、取り出し電極１５４はアノード電極１５１とコンタクトしており、取り出し電極１５５はカソード電極１５２とコンタクトしている。
【０１４８】
有機半導体層１５３はヘテロジャンクション型あるいはバルクヘテロジャンクション型の構造を有する。ヘテロジャンクション型構造の有機半導体層１５３においては、ｐ型有機半導体膜およびｎ型有機半導体膜とを、それぞれアノード電極１５１およびカソード電極１５２と接触するように接合する。バルクヘテロジャンクション型構造の有機半導体層１５３は、ｐ型有機半導体分子とｎ型有機半導体分子との混合物からなり、ｐ型有機半導体とｎ型有機半導体とが互いに入り組んで互いに接触した微細構造を有する。有機半導体層１５３の材料としては、有機太陽電池の材料として一般的に報告されているものは全て用いることができるが、具体的には、ポリアセチレン（好ましくは二置換型ポリアセチレン）、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）、ポリ（２，５−チエニレンビニレン）、ポリピロール、ポリ（３−メチルチオフェン）、ポリアニリン、ポリ（９，９−ジアルキルフルオレン）（ＰＤＡＦ）、ポリ（９，９−ジオクチルフルオレン−co−ビチオフェン）（Ｆ８Ｔ２）、ポリ（１−ヘキシル−２−フェニルアセチレン）（ＰＨX ＰＡ）、ポリ（ジフェニルアセチレン）誘導体（ＰＤＰＡ−n Ｂｕ）、ポリ（ピリジン）（ＰＰｙ）、ポリ（ピリジルビニレン）（ＰＰｙＶ）、シアノ置換型ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）（ＣＮＰＰＶ）、ポリ（３，９−ジ−tert−ブチルインデノ［１，２−ｂ］フルオレン（ＰＩＦ）などを用いることができる。これらの有機半導体のドーパントについては、ドナーとしてはアルカリ金属（Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃｓ）を用いることができ、アクセプタとしてはハロゲン類（Ｂｒ2 、Ｉ2 、ＣＩ2 ）、ルイス酸（ＢＦ3 、ＰＦ5 、ＡｓＦ5 、ＳｂＦ5 、ＳＯ3 ）、遷移金属ハロゲン化物（ＦｅＣｌ3 、ＭｏＣｌ5 、ＷＣｌ5 、ＳｎＣｌ4 ）、有機アクセプタ分子としてはＴＣＮＥ、ＴＣＮＱを用いることができる。また、電気化学ドーピングに用いられるドーパントイオンは、陽イオンとしてはテトラエチルアンモニウムイオン（ＴＥＡ+ ）、テトラブチルアンモニウムイオン（ＴＢＡ+ ）、Ｌｉ+ 、Ｎａ+ 、Ｋ+ 、陰イオンとしてはＣｌＯ4 - 、ＢＦ4 - 、ＰＦ6 - 、ＡｓＦ6 - 、ＳｂＦ6 - などを用いることができる。
【０１４９】
有機半導体層１５３としてはさらに、高分子電解質を用いることもできる。この高分子電解質の具体例を挙げると、ポリアニオンとしては、サルフォネートポリアニリン、ポリ（チオフェン−３−酢酸）、サルフォネートポリスチレン、ポリ（３−チオフェンアルカンサルフォネート）など、ポリカチオンとしては、ポリアリルアミン、ポリ（ｐ−フェニレン−ビニレン）前躯体高分子、ポリ（ｐ−メチルピリジニウムビニレン）、プロトン化ポリ（ｐ−ピリジルビニレン）、ポロトン（２−Ｎ−メチルピリジニウムアセチレン）などを用いることができる。
【０１５０】
アノード電極１５１およびカソード電極１５２は好適には互いに仕事関数が異なる金属からなり、具体的には、例えば、アノード電極１５１はＡｕやＮｉからなり、電極１５２はＡｌからなる。
この有機太陽電池の各部の寸法の例を挙げると、有機半導体層１５３の厚さは７０〜１００ｎｍ、アノード電極１５１およびカソード電極１５２の厚さはそれぞれ１００ｎｍ程度である。この有機太陽電池の高さ（厚さ）、従って有機半導体層１５３の高さは、この有機太陽電池の面に垂直な方向から入射する光のほぼ全部または完全に吸収されて光電変換されるのに十分な高さに選ばれ、具体的には数μｍ〜１ｍｍ程度に選ばれる。
【０１５１】
次に、この有機太陽電池の製造方法の一例について説明する。ここでは、有機半導体層１５３が、ｐ型有機半導体膜とｎ型有機半導体膜とを接合したヘテロジャンクション型構造を有する場合について説明する。
すなわち、円柱状の基体５３を用い、この基体５３を回転させながら、ＬＢ法または交互吸着法により、まずカソード電極１５２を形成し、次にｎ型有機半導体膜を形成し、次にｐ型有機半導体膜を形成し、次にアノード電極１５１を形成する。
【０１５２】
この第２６の実施形態によれば、アノード電極１５１とカソード電極１５２とが間に有機半導体層１５３をはさんで渦巻き状に形成されて薄い円板状に有機太陽電池が構成されているので、有機太陽電池の単位面積当たりのｐｎ接合の面積は極めて大きくなり、この有機太陽電池の面に垂直方向に光を入射させたとき、有機半導体層１５３の光吸収領域を増大させることができる。また、有機半導体層１５３は一般に電気抵抗が高いが、この有機半導体層１５３の厚さを十分に小さくすることができるため、その電気抵抗を十分に低く抑えることができる。このため、光電変換効率が高く、しかもフレキシブルな有機太陽電池を実現することができる。
【０１５３】
次に、この発明の第２７の実施形態について説明する。
図４７Ａ、ＢおよびＣはこの第２７の実施形態による有機太陽電池を示す。ここで、図４７Ａは表面図、図４７Ｂは裏面図、図４７Ｃは側面図である。図４７Ａ、ＢおよびＣに示すように、この有機太陽電池は、アノード電極１５１とカソード電極１５２とが間に有機半導体層１５３をはさんで六角形の渦巻き状に形成されたもので、全体として薄い六角形板の形状を有する。その他の構成は第２６の実施形態と同様である。
【０１５４】
次に、この有機太陽電池の製造方法の一例について説明する。ここでは、有機半導体層１５３が、ｐ型有機半導体膜とｎ型有機半導体膜とを接合したヘテロジャンクション型構造を有する場合について説明する。
すなわち、六角柱状の基体５３を用い、この基体５３を回転させながら、ＬＢ法または交互吸着法により、まずカソード電極１５２を形成し、次にｎ型有機半導体膜を形成し、次にｐ型有機半導体膜を形成し、次にアノード電極１５１を形成する。
【０１５５】
この第２７の実施形態によれば、第２６の実施形態と同様な利点を得ることができるほか、次のような利点を得ることもできる。すなわち、この第２７の実施形態による有機太陽電池は六角形の形状を有するため、図４８に示すように、この有機太陽電池を隙間なく一面に敷き詰めることができる。このため、単位面積当たりの発電量を大幅に増すことができる。
【０１５６】
次に、この発明の第２８の実施形態について説明する。
この第２８の実施形態においては、スピントンネル接合（例えば、非特許文献１３、特許文献１参照）を用いた磁気記録装置について説明する。
この磁気記録装置においては、第２４の実施形態によるＲＯＭと同様な構成において、超格子薄片７３、７４の金属膜としてＣｏ膜を、これらの超格子薄片７３、７４間にはさまれる物質としてＡｌ2 Ｏ3 膜を用いる。ここで、例えば、Ａｌ2 Ｏ3 膜の厚さは２ｎｍ、Ｃｏ膜の厚さは１０〜５０ｎｍである。この場合、強磁性金属である二層のストリップ状またはリボン状Ｃｏ膜のエッジがＡｌ2 Ｏ3 膜を介して十字対向する構造がスピントンネル接合である。このとき、活性部位である交差部をまたいでストリップ状またはリボン状の構造の幅方向に沿う方向に電子が移動するようになっている。
この第２８の実施形態によれば、超高密度の新規な磁気記録装置を実現することができる。
【０１５７】
次に、この発明の第２９の実施形態について説明する。
この第２９の実施形態においては、触媒反応プラットフォームについて説明する。
図４９に示すように、この触媒反応プラットフォームは、複数の超格子薄片７３を所定の間隔をあけて互いに平行に積層した構造を有する。図４５Ａに一つの超格子薄片７３を示す。この超格子薄片７３の絶縁体膜および金属膜としては、それぞれＴｉＯ2 膜やＳｉＯ2 膜などの酸化膜１８１およびＡｕ膜、Ｐｄ膜、Ｐｔ膜などの金属膜１８２を用いる。ここで、例えば、酸化膜１８１の厚さは１０〜１００ｎｍ、金属膜１８２の厚さは０．５〜１０ｎｍである。図５０Ｂに、超格子薄片７１の一主面に露出した金属膜１８２の端部近傍の拡大図を示す。図５０Ｂに示すように、この金属膜１８２の端部は凸面からなり、その曲率半径はその厚さと同程度、すなわち０．５〜１０ｎｍ程度である。
【０１５８】
この触媒反応プラットフォームの使用方法は次のとおりである。
図５１Ａに示すように、所定の反応装置内にこの触媒反応プラットフォームを入れておき、その一方の側から超格子薄片７３に平行に反応ガスを流入させ、他方の側から流出させる。このとき、反応ガスは超格子薄片７３の一主面に露出した金属膜１８２の端部の表面と接触するが、この端部の曲率半径は０．５〜１０ｎｍ程度と極めて小さいため、この端部の表面の触媒活性は極めて高くなっている。この結果、図５１Ｂに示すように、ガス分子１８３は、この金属膜１８２の端部の表面の触媒作用を受けることにより、反応速度が大幅に速くなる。
以上のように、この第２９の実施形態によれば、一主面に露出した金属膜１８２の端部が曲率半径が０．５〜１０ｎｍ程度と小さい凸面からな超格子薄片７１を用いることにより、高効率の触媒反応プラットフォームを実現することができる。
【０１５９】
以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施形態において挙げた数値、材料、形状、配置などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、材料、形状、配置などを用いてもよい。
また、第５の実施形態においては、一体化された一対の円環６３、６４に複数のバリア片６５を取り付けているが、円環６３、６４の代わりに、例えば自転車のチェーンあるいはブルドーザーなどのキャタピラのように複数の円環に外接してベルトコンベア状に運動する、閉じた帯にバリア片６５を取り付けてもよい。
また、例えば、超格子薄片にはさまれる層として、π電子共役有機分子系材料や生体分子系材料のほかに、強誘電体材料系やＰｒＣａＭｎＯ系の巨大磁気抵抗材料を用いてもよい。
【０１６０】
なお、（↑、↑）と（↓、↓）とを結びつけるに際し、目的に応じて、既に述べた（↑、↓）の性質を持つものの代わりに（↓、↑）の性質を持つもの、すなわち、時間的には不連続な投影をされた構造でかつ空間的には等方的な構造を有するものを用いてもよい。
また、上に述べたトップダウン構造の範疇の１つである脳由来構造には有形のものと無形のものとがある。前者は３次元的実在を伴ったハードウェアなど、物的アーキテクチャーであり、後者には知的学問体系、データベース、ソフトウェアなど、知的アーキテクチャーが含まれる。また、ボトムアップ構造の範疇の１つである遺伝子由来構造には単に細胞・組織レベルの構造のみならず、骨格や臓器などの器官も含まれる。
【０１６１】
さらに、ボトムアップとトップダウンとの接続・統合は、狭い意味のハードウェアのみに適用されるものではなく、直接結合しようとしても相容れない２系統の流れがぶつかる種々の局面に適用することができる。一例を挙げると、両系統の持つ属性を精査し、各々において（↑、↑）のものと（↓、↓）のものという相反する性質の組を同定・抽出し、その上で（↑、↓）の性質を持つ中間層（緩衝材となる方策）を間にはさむ（さらに必要なら、この作業を漸化式的にイテレイティブ（iterative)に繰り返す）ことにより、市場形成や消費動向など、ユーザーやマスを形成する消費者などの（ヒエラルキー末端の）層に内在して下から湧き上がってくる動きと、企業運営や行政などの（ヒエラルキートップの）、あらかじめ設定された計画に基づいて上から下ろされてくるルールやプランニングとを整合させる際などにも、ソフトウェア的な（ビジネスモデルやサービスモデル上の）仕組みとしても機能させることができる。
【０１６２】
また、（ｘ1 ，ｘ2 ，…，ｘN ）とＮ成分系へと拡張することができ、ｘi ，ｘj などの複数成分間で結合することができること、さらにｘi も↑、↓の２値のみならず、多値（離散的）変数であってもよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【０１６３】
【図１】この発明を説明するための略線図である。
【図２】この発明を説明するための略線図である。
【図３】ＴＰＣを説明するための略線図である。
【図４】ＴＰＣを説明するための略線図である。
【図５】この発明を説明するための略線図である。
【図６】この発明を説明するための略線図である。
【図７】この発明を説明するための略線図である。
【図８】ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ２原子層超格子の成長を説明するための透過型電子顕微鏡による暗視野像、格子像および回折パターンを示す図面代用写真である。
【図９】電気化学的成長機構を説明するための略線図である。
【図１０】この発明を説明するための略線図である。
【図１１】図１０Ａに示す場合の交差部の電場分布の計算結果を示す略線図である。
【図１２】図１０Ａに示す場合の交差部の電場分布の計算結果を示す略線図である。
【図１３】図１０Ａに示す場合の交差部の電場分布の計算結果を示す略線図である。
【図１４】図１０Ａに示す場合の交差部の電場分布の計算結果を示す略線図である。
【図１５】図１０Ｂに示す場合の交差部の電場分布の計算結果を示す略線図である。
【図１６】図１０Ｂに示す場合の交差部の電場分布の計算結果を示す略線図である。
【図１７】図１０Ｂに示す場合の交差部の電場分布の計算結果を示す略線図である。
【図１８】図１０Ｂに示す場合の交差部の電場分布の計算結果を示す略線図である。
【図１９】この発明を説明するための略線図である。
【図２０】従来のＬＢ法を説明するための略線図である。
【図２１】従来のＬＢ法を説明するための略線図である。
【図２２】従来のＬＢ法を説明するための略線図である。
【図２３】この発明によるＬＢ法を説明するための略線図である。
【図２４】この発明の第１の実施形態を説明するための略線図である。
【図２５】この発明の第１の実施形態を説明するための略線図である。
【図２６】この発明の第１の実施形態を説明するための略線図である。
【図２７】この発明の第２の実施形態を説明するための略線図である。
【図２８】この発明の第３の実施形態を説明するための略線図である。
【図２９】この発明の第４の実施形態を説明するための略線図である。
【図３０】この発明の第５の実施形態を説明するための略線図である。
【図３１】この発明の第５の実施形態を説明するための略線図である。
【図３２】この発明の第７の実施形態を説明するための略線図である。
【図３３】この発明の第８の実施形態を説明するための略線図である。
【図３４】この発明の第８の実施形態を説明するための略線図である。
【図３５】この発明の第８の実施形態を説明するための略線図である。
【図３６】この発明の第９の実施形態を説明するための略線図である。
【図３７】この発明の第１７の実施形態を説明するための略線図である。
【図３８】この発明の第１９の実施形態を説明するための略線図である。
【図３９】この発明の第２１の実施形態を説明するための略線図である。
【図４０】この発明の第２１の実施形態を説明するための略線図である。
【図４１】この発明の第２１の実施形態を説明するための略線図である。
【図４２】この発明の第２２の実施形態を説明するための略線図である。
【図４３】この発明の第２３の実施形態を説明するための略線図である。
【図４４】この発明の第２４の実施形態を説明するための略線図である。
【図４５】この発明の第２５の実施形態を説明するための略線図である。
【図４６】この発明の第２６の実施形態を説明するための略線図である。
【図４７】この発明の第２７の実施形態を説明するための略線図である。
【図４８】この発明の第２７の実施形態を説明するための略線図である。
【図４９】この発明の第２９の実施形態を説明するための略線図である。
【図５０】この発明の第２９の実施形態を説明するための略線図である。
【図５１】この発明の第２９の実施形態を説明するための略線図である。
【符号の説明】
【０１６４】
３１…１次元超格子、３３、３４…超格子薄片、７１、７２…超格子薄片、１１５、１１６…超格子薄片、４１、４２…導電体ストリップ、４６、４７…誘電体層、５１、６９…トラフ、５２…水、５３…基体、５４…膜形成液滴下装置、５５、６０、６１…単分子膜、６３、６４…円環、６５…バリア片、６７、６８…分断壁、７１…絶縁体膜、７２…金属膜、７３、７4 …リレー回路、８２…２次元構造体、８３…接続パッド、８４、８５…配線接続部、８７…ＬＳＩ、９１…量子ドット、９２…フラクタル構造を有する面、１３１…樹脂基板、１３２…ナノ構造金型、１３３…金属膜、１４１…Ｃｕ膜、１４２…Ｔｉ膜、１４３…Ｃｕ2 Ｓ膜、１５１…アノード電極、１５２…カソード電極、１５３…有機半導体膜、１６２…樹脂製ベースフィルム、１８１…酸化膜、１８２…金属膜
【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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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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