(57)【要約】  一組のダイオードのセクションを作るため分子環構造の間に化学結合されている少なくとも１つの障壁の絶縁基と、ダイオードのセクションの前記組の一方に化学結合されている少なくとも１つのドーパントの基と、前記少なくとも１つのドーパントの基により形成された固有バイアスに影響を与えるため前記１つのダイオードのセクションに化学結合されている分子のゲート構造とを有する分子ダイオードを含む単分子デバイスが提供されている。このように作られた前記デバイスはスイッチングと電力利得の両方を示す分子の電子トランジスタとして動作する。更に他の絶縁基を前記ダイオードのセクションの他のセクションに加えることにより、電気抵抗が形成されインバーター又はＮＯＴゲート機能をあらわす。前記ＮＯＴゲートは複雑なブール関数と電力利得を示す単一分子を形成するよう分子のダイオード−ダイオードの論理構造に化学結合されている。【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともひとつの絶縁基と化学的に結合した複数の分子導電性配線を有し、該分子導電性配線の少なくともひとつはドーパントの置換基に化学的に結合して前記絶縁基の両端に固有バイアスを形成し、前記少なくともひとつの分子導電性配線に化学的に結合する第２の絶縁基を有し、電流を通す錯体が前記第２の絶縁基に化学的に結合して電力利得をしめす単一分子を形成し、前記第２の絶縁基は前記ドーパントの置換基の十分近くにあって前記電流を通す錯体に印加される電位により前記固有バイアスに影響を与えることを特徴とする単分子電子デバイス。
【請求項２】
前記第２の多数の導電性配線に化学結合されている第３の絶縁基と、インバーター回路出力を形成するため前記第３の絶縁基に化学結合されている結合の芳香族環構造を更に備えていることを特徴とする請求項１に記載の単分子電子デバイス。
【請求項３】
多数の結合されているほぼ同じ芳香族環構造を有する少なくとも１つの分子の導電性配線と；
前記分子の導電性配線に２つのセクションを作り、第１の前記セクションは第１の電気接触に連結され、第２の前記セクションは第２の電気接触に連結されており、前記芳香族環構造のそれぞれのペアの間に結合されている少なくとも１つの絶縁基と；
少なくとも１つの電子の供与サイトと電子の受容サイトをそれぞれ形成するため少なくとも１つの前記第１と第２のセクションをドーピングするための手段と；
前記分子のゲート手段に加えられた電位で前記ドーピング手段により前記第１と第２のセクションの間に形成された固有バイアスに影響を与えるため前記ドーピング手段に十分近くにあり前記第１と第２のセクションの１つに化学結合されている前記分子のゲート手段と；
を備え、電力利得を有する単分子電子デバイス。
【請求項４】
前記ドーピング手段が、前記第１と第２のセクションの前記１つに化学結合されている電子供与基と電子受容基からなる集合から選択された少なくとも１つの基を含むことを特徴とする請求項３に記載の単分子電子デバイス。
【請求項５】
前記ドーピング手段が、前記第１のセクションに化学結合されている少なくとも１つの電子供与基と、前記第２のセクションに化学結合されている少なくとも１つの電子受容基を含むことを特徴とする請求項３に記載の単分子電子デバイス。
【請求項６】
前記ドーピング手段が、電子供与基と電子受容基からなる前記集合から選択された多数の基を含み、前記多数の基は少なくとも１つの前記第１と第２のセクションに化学結合されていることを特徴とする請求項３に記載の単分子電子デバイス。
【請求項７】
前記絶縁基が、飽和脂肪族の架橋基又は電子伝達に関して最も重要な脂肪族の特性を有する基からなる前記集合から選択されていることを特徴とする請求項３に記載の単分子電子デバイス。
【請求項８】
前記飽和脂肪族の架橋基が、メチレン基−ＣＨ２−、シグマ結合ジメチレン基−ＣＨ２ＣＨ２−及びこれらの長い連鎖からなる前記集合から選択されていることを特徴とする請求項７に記載の単分子電子デバイス。
【請求項９】
前記分子の導電性配線が、ある芳香族環構造を隣接している異なる芳香族構造に連結するため前記芳香族環構造の間にそれぞれ配置された多数のエチレンのスペーサーを含むことを特徴とする請求項３に記載の単分子電子デバイス。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの分子の導電性配線が、ポリフェニレンをベースにした分子の導電性配線であることを特徴とする請求項３に記載の単分子電子デバイス。
【請求項１１】
前記絶縁基が、少なくとも１つの分子の導電性配線内で電子伝達に対するポテンシャル障壁を形成する基から選択されることを特徴とする請求項３に記載の単分子電子デバイス。
【請求項１２】
前記分子のゲート手段が、前記ドーピング手段の近くで前記少なくとも１つの前記第１と第２のセクションに化学結合されている第２の絶縁基と、前記第２の絶縁基と前記第３の接触の間に化学結合されている電流を通す錯体を含むことを特徴とする請求項３に記載の単分子電子デバイス。
【請求項１３】
前記第２の絶縁基が、飽和脂肪族の架橋基、又は電子伝達に関し主要な脂肪族の特性を有する基から構成される前記集合から選択されていることを特徴とする請求項１２に記載の単分子電子デバイス。
【請求項１４】
前記ゲート手段が、前記第１と第２のセクションの一方に化学結合されている絶縁基と、前記第２の絶縁基と前記第３の接触の間に化学結合されている導電性ポリマーの錯体を含むことを特徴とする請求項４に記載の単分子電子デバイス。
【請求項１５】
前記第１と第２のセクションの他方に化学結合されている第３の絶縁基と、ブール論理関数を形成するため前記第３の絶縁基と第４の接触との間に化学結合されている多数の結合の芳香族環構造とを更に備えていることを特徴とする請求項１４に記載の単分子電子デバイス。
【請求項１６】
前記ブール論理関数がＮＯＴ関数であることを特徴とする請求項１５に記載の単分子電子デバイス。
【請求項１７】
多数の結合の分子環構造を有するポリフェニレンをベースにした導電性配線と；
前記導電性配線の２つのセクションを作るため前記分子環構造のそれぞれのペアの間に結合されている少なくとも１つの絶縁基と；
電子のそれぞれの供与サイトを形成するため前記第１のセクションの少なくとも１つの分子環構造に結合されている第１のドーパントの基と；
電子の受容サイトを形成するため前記第２のセクションの少なくとも１つの分子環構造に結合されている第２のドーパントの基と；
前記第１と第２のドーパントの基の１つの近くで化学結合されている第２の絶縁基と；
前記第１と第２のドーパントの基により形成された固有バイアスを変更するように電荷を結合するため前記第２の絶縁基に結合されている電流を通す錯体と；
を備えている単分子トランジスタ。
【請求項１８】
化学式：
【化１】
2005510060.tif 000002
を有し、αが芳香族基の環であり、Ｒが飽和脂肪族基の一員であり、βが電流を通す錯体であり、ｚが少なくとも１つのドーパントの置換基であることを特徴とする単分子トランジスタ。
【請求項１９】
前記少なくとも１つのドーパントの置換基が、電子供与基の一員と電子受容基の一員からなる集合から選択されることを特徴とする請求項１８に記載の単分子トランジスタ。
【請求項２０】
化学式：
【化２】
2005510060.tif 000003
を有し、αが芳香族基の環であり、Ｒが飽和脂肪族基の一員であり、Ｒ′が飽和脂肪族基の一員であり、βが電流を通す錯体であり、ｚが少なくとも１つのドーパントの置換基であることを特徴とする単分子トランジスタ。
【請求項２１】
前記少なくとも１つのドーパントの置換基が、電子供与基の一員と電子受容基の一員からなる集合から選択されることを特徴とする請求項２０に記載の単分子トランジスタ。
【請求項２２】
化学式：
【化３】
2005510060.tif 000004
を有し、αが芳香族基の環であり、Ｒ、Ｒ′及びＲ″が飽和脂肪族基であり、βが電流を通す錯体であり、ωが電気接触に化学結合されている置換基であり、Ａが入力を示し、Ｃが出力を示し、Ｖ＋とＶ−が電力供給の電位であることを特徴とする単分子トランジスタ。
【請求項２３】
化学式：
【化４】
2005510060.tif 000005
の分子により更に定められ、Ａが入力を示し、Ｃが出力を示し、Ｖ＋とＶ−が電力供給の電位であることを特徴とする請求項２２に記載の単分子論理インバーター。
【請求項２４】
化学式：
【化５】
2005510060.tif 000006
を有し、αが芳香族基の環であり、Ｒ、Ｒ′及びＲ″が飽和脂肪族基であり、ｚが少なくとも１つのドーパントの置換基であり、βが導電性ポリマーの錯体であり、ωが電気接触に化学結合されている置換基であり、Ａが入力を示し、Ｃが出力を示し、Ｖ＋とＶ−が電力供給の電位であることを特徴とする単分子トランジスタ。
【請求項２５】
化学式：
【化６】
2005510060.tif 000007
の分子により更に定められ、Ａが入力を示し、Ｃが出力を示し、Ｖ＋とＶ−が電力供給の電位であることを特徴とする請求項２４に記載の単分子論理インバーター。
【請求項２６】
多数の導電性ポリマーの連鎖であって、前記ポリマーの連鎖のそれぞれが多数の化学結合のほぼ同じ芳香族環構造を含む前記ポリマーの連鎖と；
前記多数のポリマーの連鎖のそれぞれのペアの間で結合されている少なくとも１つの第１の絶縁基と；
前記第１の絶縁基に固有バイアスを形成するため少なくとも１つの前記ポリマー基に結合されている少なくとも１つのドーパントの置換基と；
前記少なくとも１つのドーパントの置換基の近くで前記多数のポリマーの連鎖の前記ペアの１つに結合されている第２の絶縁基と；
前記固有バイアスに影響を与えるため加えられた電圧を伝導するため前記第２の絶縁基に結合されている電流を通す錯体と；
を備えた単一分子内に形成されたトランジスタ。
【請求項２７】
多数の導電性ポリマーの連鎖であって、前記ポリマーの連鎖のそれぞれが多数の化学結合されているほぼ同じ芳香族環構造を含む前記ポリマーの連鎖と；
前記多数のポリマーの連鎖のそれぞれのペアの間で結合されている少なくとも１つの第１の絶縁基と；
前記第１の絶縁基に固有バイアスを形成するため少なくとも１つの前記ポリマー基に結合されている少なくとも１つのドーパントの置換基と；
前記少なくとも１つのドーパントの置換基に結合されている第２の絶縁基と；
インバーター回路の入力を作るため前記第２の絶縁基に結合されている電流を通す錯体と；
前記多数のポリマーの連鎖の他の連鎖に結合されている第３の絶縁基と；
前記デバイスの出力を作るため前記第３の絶縁基に化学結合されている多数の結合の芳香族環構造と；
を備えた単分子電子デバイス。
【請求項２８】
化学式：
【化７】
2005510060.tif 000008
を有し、αが芳香族基の環であり、Ｒが飽和脂肪族基の一員であり、Ｒ′が飽和脂肪族基の一員であり、βが電流を通す錯体であり、ｚが少なくとも１つのドーパントの置換基であることを特徴とする単分子トランジスタ。
【請求項２９】
化学式：
【化８】
2005510060.tif 000009
を有し、αが芳香族基の環であり、Ｒが飽和脂肪族基の一員であり、Ｒ′が飽和脂肪族基の一員であり、βが電流を通す錯体であり、ｚが少なくとも１つのドーパントの置換基であることを特徴とする単分子トランジスタ。
【請求項３０】
１つのペアである分子の環構造の間に化学結合されている少なくとも１つの障壁の絶縁基を有する分子ダイオードと；
前記分子ダイオードの前記ペアの分子の環構造の１つに化学結合されている少なくとも１つのドーパントの基と；
前記少なくとも１つのドーパントの基により形成された固有バイアスに影響を与えるため、前記少なくとも１つのドーパントの基に化学結合されている分子のゲート手段と；
を備えた単分子トランジスタ。
【請求項３１】
電子供与基が前記分子ダイオードの前記分子環構造の前記ペアの１つに化学結合されており、電子受容基が前記分子ダイオードの前記分子環構造の前記ペアの他に化学結合されていることを特徴とする請求項３０に記載の単分子トランジスタ。
【請求項３２】
前記分子のゲート手段が、前記少なくとも１つのドーパントの基に化学結合されている第２の絶縁基と、前記第２の絶縁基に化学結合されている導電性ポリマーの錯体を含むことを特徴とする請求項３０に記載の単分子トランジスタ。
【請求項３３】
化学式：
【化９】
2005510060.tif 000010
を有し、ＡとＢがそれぞれ入力を示し、Ｃが出力を示し、Ｖ＋とＶ−が電源供給の電位であることを特徴とし分子により定められるＮＡＮＤゲートを実現する電子論理デバイス。
【請求項３４】
化学式：
【化１０】
2005510060.tif 000011
を有し、ＡとＢがそれぞれ入力を示し、Ｃが出力を示し、Ｖ＋とＶ−が電源供給の電位であることを特徴とし分子により定められるＸＮＯＲゲートを実現する電子論理デバイス。
【請求項３５】
化学式：
【化１１】
2005510060.tif 000012
を有し、ＡとＢがそれぞれ入力を示し、Ｓがサム出力を示し、Ｃがキャリー出力を示し、Ｖ＋とＶ−が電源供給の電位であることを特徴とし分子により定められる半加算器を実現する電子論理デバイス。
【請求項３６】
ダイオードのセクションのペアを形成するため分子の環構造のペアの間に化学結合されている少なくとも１つの障壁の絶縁基を有する分子ダイオードと；
前記ダイオードのセクションの前記ペアの１つに化学結合されている少なくとも１つのドーパントの基と；
前記少なくとも１つのドーパントの基により形成された固有バイアスに影響を与えるため前記少なくとも１つのダイオードのセクションに化学結合されている分子のゲート手段と；
を備えている単分子電子デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単分子電子デバイスに関する。詳しくは、本発明はスイッチングと電力利得を与えるため分子トランジスタを利用した単分子トランジスタと単分子デジタル論理構造に関する。より詳細には、本発明は分子のゲート構造を分子ダイードに加えることに関し、前記ダイオードも化学的にドーピングされていることを特徴としている。前記分子のゲート構造は、前記ゲート構造に外部から加えられる電位により影響を受けるそれぞれのドーパントの基の近くで前記分子ダイオードに結合された異なる絶縁基により形成されている。電流を通す錯体は、前記ダイオードの固有バイアスに影響を与える外部電圧により帯電され、前記デバイスの“オン”と“オフ”のスイッチングを行うように前記第２の絶縁基に接合されている。更に、本発明は前記スイッチングの制御に必要な電力がスイッチングされる電力よりかなり少なく、分子トランジスタが電力利得を示すことを特徴とする前記トランジスタに関する。本発明は、更に単分子のダイオード−ダイオード論理の組合せから構成される単分子論理ゲートと電力利得を有する単分子のインバーターにも関する。
【背景技術】
【０００２】
過去４０年間、電子コンピュータはその基本となるサブユニット(sub-unit)であるトランジスタが小さくなるので、高性能化している。しかし、量子力学の法則と製造技術の制約により今日行われている従来からの電界効果トランジスタの大きさを小さくすることがまもなく不可能になる。これからの１０年から１５年の間に、大量生産されるトランジスタに関する最小の特性は現在のおおよその幅から１００ナノメートルないし２５０ナノメートルの範囲に小さくされるので、多くの研究者はデバイスを製造することがより困難になり高価になると計画している。更に、超高密度集積電子回路ではもはやデバイスは有効に作用しなくなる。ナノメートルの大きさまで、又は分子の大きさまで回路素子の小型化を続けるため、研究者達は超高密度回路用半導体トランジスタに対し幾つかの異なった方法を調査している。しかし、大きさの問題で多量の電子の動きに基づいて動作する今日のＦＥＴと異なり、新しいデバイスはナノメートルのスケールで現れる量子力学現象の利点を有している。
【０００３】
ナノ電子スイッチと増幅器に関して２つの概括的な分類がある。
（ａ）固体量子効果と単一電子デバイスと、
（ｂ）分子の電子デバイス。
【０００４】
両方の分類のデバイスは、ナノメートルの大きさで電子の力学を支配し始める種々の量子効果の利点を有している。固体量子効果と単一電子デバイスの設計の新規性にも拘わらず、バルク半導体に関する５０年の産業上の経験に基づき作ることにより研究者達は既に回路内に幾つかの有望な新しいデバイスのタイプを開発し、製造し、更に使用することができている。この種の固体量子効果デバイスにより、超小型スイッチに対する動作原理が変えられるが、アモルファス又は結晶固体を“彫る”ことが不可欠なナノメートルの大きさの構造に依存する困難な重荷をまだ背負っている。
【０００５】
分子エレクトロニクスは、電子デバイスに使用される動作原理と材料の両方を変える比較的新しいアプローチである。バルク固体から作られたナノ構造と異なり、分子は超高密度のコンピュータに対し工業規模の生産に必要なように、同一で、安価で更に容易に作ることができる。問題を解決するための２つの重要なチャレンジは、（１）利得を有する電子スイッチのように動作する分子構造を考え出すこと、（２）この様に製造したデバイスが使用可能な“ファンアウト(fan-out)”を有するようにするため、コンピュータの使用と制御の応用分野で利得を与えるとともに、これらの応用分野に必要なより複雑な回路構造にこれらの分子を組合せることである。
【０００６】
周知のように、ダイオードは電流を“オン”又は“オフ”に変える２端子スイッチである。最近開発された分子の大きさの２種類の電子ダイオードは次の通りである：
（ａ）整流ダイオードと、
（ｂ）共鳴トンネルダイオード。
【０００７】
両方のタイプのダイオードは、外部に加えた電位が所定の大きさに達した時、１つ又はそれを越えるエネルギー障壁を通して電子を動かすため外部バイアス電圧を加えることによっている。
【０００８】
分子の共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）は既に開発されており、前記ダイオードは前記ダイオードのソースとドレイン接触においてある量の電圧バイアスによりソースからドレインに進む電子の流れに“オン”と“オフ”のスイッチングを行う方法にエネルギーの量子化をうまく利点している。図１Ａにはジェームス  Ｍ．ツアー(James M. Tour)により合成され、１９９７年マーク  Ａ．リード(Mark A. Reed)により実証された分子共鳴トンネルダイオードが示されている。構造的及び機能的に、前記デバイスは多数のIII−Ｖ半導体内に過去１０年間製造されているより一層大きな半導体ＲＴＤの分子に類似している。図１Ａに示すように、分子の導電性配線のバックボーン(backbone)に基づき、リード(Reed)とツアー(Tour)のポリフェニレン分子ＲＴＤ１１′は単一ベンゼン環１３′のいずれかの側の上にある分子の導電性配線１２の中に２つの芳香族メチレン基を入れることにより作られる。芳香族基１６′は、その絶縁基の特性のために、図１Ｂと図１Ｃのエネルギー図に示すように電子の流れに対しポテンシャルエネルギー障壁３０及び３２として作用する。これらの芳香族基によりこれらの間に狭くほぼ０．５ナノメートルの“島”としてベンゼン環１３′が定められ、前記島を経て電子は必ず通り前記分子の配線の長さを通過する。
【０００９】
図１Ｂに示すように、前記分子の前記バイアスが運動エネルギーにより入る電子を作り、前記運動エネルギーが前記島の上にポテンシャル井戸内で利用できる未占有量子準位のエネルギーと異なるならば、電流は流れない。前記ＲＴＤは“オフ”にスイッチされている。しかし、入る電子の運動エネルギーが図１Ｃに示すように内部エネルギー準位の１つと並ぶように前記バイアス電位が調整されるならば、前記井戸の外にある電子のエネルギーは前記井戸の中にある許容エネルギーと共鳴していると言われる。このような状態のもとでは、電流は前記デバイスを通して流れ“オン”にスイッチされていると言われている。
【００１０】
特許文献１において、増幅のため使用できる分子スイッチングデバイスが開発されている。導電体が前記環の間の隣接した二重連結又は結合の連鎖により形成されており、２つの散逸領域内で終わっている。しかし、前記引用文献のデバイスは個々の分子内に実現が限定される効果でなく、一般にバルク効果半導体に類似した原理を有しており、例えば少なくとも１つのドーパントの効果は外部から加えられた電位により逆になることを特徴としている。
【００１１】
特許文献２においては、デバイスの入力と出力の間を流れるトンネル電流を制御するため制御電極を使用するトンネルデバイスが開示されている。前記デバイスは制御可能で相関を有した電子トンネリングの原理に基づいている。前記引用文献は更に単一論理回路を作るためのデバイスのようなデバイスを使用することも提案している。
【００１２】
【特許文献１】仏国特許第２３０６５３１号公報
【特許文献２】国際公開第９７／３６３３３号パンフレット
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
少なくとも１つの絶縁基とともに化学結合されている多数の分子の導電性配線を含む単分子電子デバイスが提案されている。多数の分子の導電性配線の少なくとも１つは、前記絶縁基に固有バイアスを形成するためドーパントの置換基に化学結合されている前記分子の導電性配線に化学結合されている。電流を流す錯体は、電流利得を示す単一分子を形成するため前記第２の絶縁基に化学結合されている。前記第２の絶縁基は、前記電流を通す錯体に加えられた電位により前記固有バイアスに影響を与えるため前記ドーパントの置換基に十分近く配置されている。本発明の単分子電子デバイスはインバーター回路の形で提供されており、前記インバーター回路において第３の絶縁基が第２の多数の導電性配線に化学結合され、多数の結合されている芳香族環構造が前記第３の絶縁基に化学結合されていることを特徴としている。
【００１４】
本発明を異なる観点から見ると、電力利得を有する単分子デバイスの種類に関している。前記単分子電子デバイスは、多数の結合されているほぼ同じ芳香族環構造を有する少なくとも１つの分子の導電性配線を含んでいる。それぞれのペア(pair)の前記芳香族環構造の間に結合されている少なくとも１つの第１の絶縁基により、２つのセクション(section)の分子の導電性配線が設定され、前記第１のセクションは第１の電気接触に結合され、第２のセクションは第２の接触に結合されている。２つのセクションの少なくとも１つは、少なくとも１つの電子の供与サイトと電子の受容サイトを形成するためドーピングされている。分子のゲート構造は、前記ドーパントにより前記第１と第２のセクションの間に形成された固有バイアスを前記ゲート構造に加える電位により影響を与えるため前記ドーパントに十分近くにある前記第１と第２のセクションの一方に化学結合されている。前記分子のゲート構造は前記加えられた電位のソースに結合するため第３の接触に結合されている。
【００１５】
更に異なる観点から、本発明は結合されている多数の分子環構造を有するポリフェニレンをベースにした導電性配線と、前記導電性配線の２つのセクションを作るためにそれぞれのペアの分子環構造の間に結合されている少なくとも１つの絶縁基を含む単分子トランジスタに関する。前記単分子トランジスタは、更にそれぞれ電子の供与サイトを形成するため前記導電性配線の１つのセクションが少なくとも１つの分子環構造に結合されている第１のドーパントの基も含む。異なるセクションの少なくとも１つの分子環構造に結合されている第２のドーパントの基は電子の受容サイトを形成する。第２の絶縁基は前記第１と第２のドーパントの基の１つの近くに化学結合され、電流を通す錯体は前記第１と第２のドーパントの基により形成された固有バイアスを変えるため電荷を結合するための前記第２の絶縁基に結合されている。
【００１６】
更に異なる観点から、本発明は１つのペアのダイオードのセクションを形成するため１つのペアの分子環構造の間に化学結合されている少なくとも１つの障壁の絶縁基を有する分子ダイオードにより形成された単分子電子デバイスに関する。少なくとも１つのドーパントの基は、前記ペアのダイオードのセクションの１つに化学結合されている。分子のゲート構造は、前記１つのダイオードのセクションに化学結合され、前記１つのダイオードのセクションに対し少なくとも１つのドーパントの基は前記少なくとも１つのドーパントの基により形成された固有バイアスに影響を与えるため化学結合されている。
【００１７】
従って本発明の目的は、電力利得を示す単分子のスイッチングデバイスを提供することにある。
【００１８】
本発明の他の目的は、トランジスタとして機能する単一分子を形成するためドーピングされた分子ダイオードにゲート構造を加えることにより電力利得を有して電子スイッチングデバイスを提供することにある。
【００１９】
本発明の更に他の目的は、インバーターとして機能する単分子トランジスタ回路を提供することにある。
【００２０】
更に、本発明の他の目的は特にブール関数を与え、同時に電力利得を与えるため分子インバーターを分子ダイオード−ダイオード論理構造とともに結合することによりブール論理関数を提供することにある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以上述べた本発明の利点及び新規の特徴は添付の図面に関連して考察した場合、以下の詳細な記載から明らかになる。
【００２２】
図２Ａに関して、多数の連続して結合されているほぼ同じ芳香族環構造１３を備えているポリ芳香族の導電性配線に基づく整流ダイオードの分子構造１１を示している。前記構造を適用する時、分子の導電性配線は互いに連続して及び／又は並列に結合されている多数のほぼ同じ環構造を有しており、前記環構造は導電性の分子連鎖又はメッシュ(mesh)を形成している。“結合されている”芳香族環により、前記環は相互に、又は介在する炭素原子と、又は炭化水素基と単一又は多数に結合されていることを意味している。芳香族環の用語を使用することにより、異種原子が前記環内に挿入又は結合されている環のように、ほぼ芳香族の特性を有する環分子構造を含むことを意味している。このような異種原子は炭素以外の原子であり、例えばホウ素、ケイ素又は窒素のような周期表のII基、IV基及びＶ基の要素から選択された原子である。前記導電性の分子の配線は、ベンゼン、シクロペンタジエン、シクロプロペン及びこれらの結合のような環から形成される。
【００２３】
前記単一分子１１はＲで表す絶縁基１６により分けられた２つのセクション１４と１５を有している。前記分子１１の前記セクション１４はＹで表される少なくとも１つの電子吸引基によりドーピングされている。前記分子１１のセクション１５はＸにより表され、それに結合する少なくとも１つの電子供与基１８でドーピングされている。実際には、１つのセクション１４又は１５のみをドーピングする必要がある。芳香族環は、前記導電性配線のそれぞれのセクションの１つ以上のサイトに結合されているそれぞれのＸ基及びＹ基のドーパントの１つとともに結合されている。前記導電性配線に対する絶縁体とドーパントの結合は、走査トンネル電子顕微鏡又はその他のナノプローブを使用した操作技術のみ又は組合せのいずれかの周知の技術である従来の挿入及び置換反応により行うことができる。更に前記絶縁基１６は、２つの導電性の配線を一緒に“結合する”ため使用され、前記配線は前記セクション１４と１５のそれぞれの一方を示している。
【００２４】
図に示す様に、前記分子構造１１はポリフェニレンをベースにした導電性配線１２の中に一体的に組み込まれている整流ダイードを示している。ここでは、前記ベンゼン環は、三重結合のエチレン連結１９により結合されている。前記三重結合のエチレン連結１９は、前記隣接の環１３に結合されている水素原子間の立体干渉を除くため、前記環１３間のスペーサー(spacer)として挿入されている。絶縁体１６は、飽和脂肪基又は主要な脂肪族の特性を有する基を電子移送（π軌道ではない）に対して結合することにより導電性配線内に組み込まれている。前記絶縁体の追加により前記絶縁体配線は２つのセクション１４と１５に分けられている。前記セクション１４は、電子の受容サイトを形成するようにドーピグされていることを示し、前記セクション１５は電子の供与サイトを形成するようにドーピングされている。１つの前記電子の供与サイトと導電性の電子受容基のみを示しているが、前記絶縁体１６の電圧低下を調整するために、前記構造の中で前記多数のサイトは同じ環の中又は隣接の環の中に組み込まれている。十分な電圧低下が、それぞれのドーパント１７又は１８により単一セクション１４又は１５をドーピングすることにより得られることに注意する必要がある。前記導電性配線のそれぞれの末端は、接触するように結合されている。前記接触の導電性は、前記導電性配線の前記末端にあるそれぞれの置換基ωにより改善されており、電気接触するように化学結合されている。
【００２５】
図２Ａに示す前記分子構造１１を図２Ｂから図２Ｄに示すポテンシャルエネルギー図と比較すると、前記分子構造１１のほぼ中央にある前記絶縁基１６は、ポテンシャルエネルギー障壁２０に関連していることが観察される。更に、前記導電性接触２３、２４の特に原子又は分子構造内に選択して付着するための特性を有する置換基ωにより形成された前記分子１１の両端には、前記分子１１の間の障壁２１、２２及び導電性接触２３がある。前記障壁２０は、前記構造の異なる部分間の電気的絶縁の度合いを十分に保ち、前記セクション１４、１５のエネルギー準位２６、２６′及び２５、２５′が平衡状態になるのを防ぐ。しかし、これらの障壁のどれも、バイアス電圧のもとでの電子をトンネリングから完全に防ぐほどには、十分な幅又は十分な高さがない。前記接触２３、２４の材料は、金属又はバッキー管のような導電性の非金属とすることができる。前記絶縁基Ｒは、ポリ芳香族連鎖１２により絶縁性のあるあらゆる基とすることができる。このような役割に対する幾つかの候補に、シグマ結合メチレン基（−ＣＨ２−）又はジメチレン基（−ＣＨ２ＣＨ２−）のような脂肪族基が含まれる。
【００２６】
図２Ｄに示すように、前記中央の障壁２０の左側に対して、π型原子価エネルギー準位２５の全ては、前記分子１１に対する前記図中でＸで示す電子の供与基１８があることによりエネルギーが高められる。前記エネルギー準位には、最高占有分子軌道（ＨＯＭＯ）と最低占有分子軌道（ＬＵＭＯ）が含まれる。前記の電子の可能な供与の置換基の中で、前記整流ダイオードを形成するために使用される適当な置換基の幾つかの例は次の通りである：−ＮＨ２、−ＯＨ、−ＣＨ３、−ＣＨ２ＣＨ３、及び同種のもの。
【００２７】
分子量子力学の今日の状況下で、芳香族環に結合されている供与基により、更に大きな電子密度が芳香族環に置かれる傾向にあるか、幾つかの共役芳香族環に結合されている場所の多数のＸ基によりゼロバイアスのもとで、更に大きな電子密度が多数の環に置かれる傾向にあることを理解する必要がある。これにより前記環構造又は共役環構造に関連した分子軌道内の電子の相互反発の量が増加する。前記共役環であるこのケースにおいて、中央の障壁２０の右側では、構成の軌道エネルギーと同様に、追加された反発の相互作用により全体のエネルギーが上昇する。
【００２８】
前記中央の障壁の右側では、分子の図においてＹで示す電子吸引基１７があるため、全てのπ型原子価エネルギー準位はエネルギーが低くなる。これには、前記受容サイトにＨＯＭＯとＬＵＭＯの両方を含んでいる受容ドーパントを作るのに適した前記電子吸引置換基の幾つかの例として次のものが含まれる：−ＮＯ２、−ＣＮ、−ＣＨＯ、−ＣＯＲ′及び同種のものであり、Ｒ′は芳香族連鎖である。前記電子吸引基１７は連鎖１３に結合され、又は多くの基１７は幾つかの共役芳香族連鎖１３にそれぞれ結合されている。これらの基は、それぞれ単数又は複数の基１３から電子密度が移動する傾向を有しており、これにより環構造又は共役構造に関連した前記電子の間の電子反発の量が少なくなる。これらの弱められた反発の相互作用により、ゼロバイアス状態のもとで前記構造の全てのエネルギーと構成の軌道エネルギーが前記中央の障壁２０の右側で低くなる。
【００２９】
１つ以上のドーパントの置換基の追加により、ある意味では前記障壁２０に“プリバイアス(pre-bias)”を与えている。前記分子１１の２つのセクション上の前記軌道エネルギー準位に差を誘発するこのプリバイアス又はドーパントは、図２Ｄに示すようにゼロの外部印加バイアスである場合でも存在する。前記プリバイアスは前記電子の受容基のドーピングのセクションから前記電子の供与のドーピングセクションに障壁２０のトンネリングにより流すように電子が乗り越える必要がある。前記供与（ドナー）ＬＵＭＯの前記軌道エネルギー（ＥＤ−ＬＵＭＯ）と前記導電性配線のセクションのドーピングにより生ずる前記受容基（アクセプタ）の最低エネルギー軌道の軌道エネルギー（ＥＡ−ＬＵＭＯ）の間のエネルギーの差（ΔＥＬＵＭＯ）により、前記分子の整流ダイオード操作が可能になる。導電性配線のセクションのそれぞれに結合されている電子供与基と電子吸引基の両方を使用することにより、前記固有バイアスは高くなり、前記供与基のセクションのπ軌道２５が上昇し、前記受容基のセクションのπ軌道２６は下降する。既に述べたように、十分なエネルギー準位の差も、整流ダイオード操作に十分な電子の供与基又は電子の受容基のいずれかである単一ドーパントを利用することにより得ることもできる。
【００３０】
外部に加えられたゼロの電位バイアスで前記分子１１における前記供与基のセクション１５の原子価π軌道２５と前記受容基のセクション１４の原始価π軌道２６の相対的なエネルギー位置に誘導される前記差により、分子の導電性配線に組み込まれた単分子整流ダイオードの動作原理に対する前記バイアスが与えられる。この種の整流ダイオードの前記動作原理を、以下のパラグラフに記載している。
【００３１】
図２Ｂにおいて、順方向電圧バイアスが前記接触２４（左手の接触）には高電圧を、前記接触（右手の接触）には低電圧を有して図２Ａの前記分子１１の上に置かれている。このバイアス状態のもとで、低電圧の右手の接触１４の占有量子準位内の電子は、高電圧の左手の接触１５に達するように、前記分子１１を通り右から左に流れるように誘導される。電子の前記流れは、加えられたバイアス電圧により形成されるエネルギーの差の結果であり、前記電子はそれに加えられた正の電圧を有する前記セクションに引き込まれることを特徴としている。
【００３２】
それぞれの接触内での前記占有量子準位は、図２Ｂ、図２Ｃ及び図２Ｄのはるか左及びはるか右において、接近した間隔を有する水平の準位２７により表されている。これらの占有準位の最高のエネルギーであるフェルミ(Fermi)準位は、前記金属接触ではフェルミエネルギー（ＥＦ）として知られている。順方向バイアス電圧を加えることは、前記低電圧接触のフェルミ準位のエネルギーを上昇させ、他方の電圧のフェルミ準位のエネルギーを下降させる傾向にある。従って、順方向バイアスで電子のこの右から左への流れに対し、前記差の電圧バイアスは、前記分子１１の受容基のセクション１４内のＬＵＭＯπ軌道のエネルギーと少なくとも同じ程度高く前記接触２３の占有準位にある電子のフェルミエネルギーを上昇させるように十分でなければならない。これは、パウリ(Pauli)の排他律に従っており、多くの電子は既に二重に占有され前記電子が左側まで通り抜けることができないので、より低いエネルギーＨＯＭＯπ軌道が前記分子の受容基の半分の中に入ることを防ぐことを特徴としている。
【００３３】
しかし、前記接触２３のフェルミエネルギーが順方向バイアス電位により前記受容基のセクション上のＬＵＭＯのエネルギーまで、又はそれを越えて上昇するならば、前記電子は前記左側のすぐ近くの空のＬＵＭＯ内に接触２３から通り抜けることができる。従って、前記電子は左側に通り抜け、もう一度中央の絶縁性障壁２０を通り分子１１の供与基のセクション１５内の分子の軌道の非占有のマニフォールドまで通ることができる。前記分子の整流ダイオードに対する閾値又は“ターンオン(turn on)”電圧を越えると、供与のセクション１５内の分子の軌道は、図２Ｂに示すように、１つ以上の前記分子軌道が分子１１の受容基１４内でＬＵＭＯに対応するように順方向バイアス電圧によりエネルギーが十分に低くなる。
【００３４】
当業者に評価されているように、順方向バイアスの場合加える必要のある電圧の量は、前記分子１１の受容基のセクション１４のＬＵＭＯエネルギーを十分越えるように前記接触２３のフェルミ準位を上昇させて電子の流れを開始するために非常に大きくなることはないであろう。これは、受容基のセクション１４の全てのエネルギー準位がセクション１４に結合されている置換体の電子吸引基１７があることにより前もって低くなっているからである。
【００３５】
他方、図２Ｃに概略を示すように逆方向バイアス電圧が前記分子１１に置かれていると、電子の流れを開始することは簡単でない。前記接触２３には高い電圧を有し前記接触２４には低い電圧を有する逆方向バイアスの場合、通常は右手の接触２４内の電子は前記分子１１を通し左から右に流れる傾向がない。この電子の流れを実際に始めるためには、前記分子１１の供与基のセクション１５内でＬＵＭＯπ軌道のエネルギーと少なくとも同じ高さになるように前記逆方向バイアス電圧は前記接触２４のフェルミ準位を上昇させるように十分である必要がある。しかし、前記逆方向バイアスの場合、前記分子１１の結合部分のＬＵＭＯエネルギーを越えるように前記接触のフェルミエネルギーを十分に上昇させるため、加えなければならない電圧の量は順方向バイアスの場合よりかなり大きい。これは、前記分子１１の供与基のセクション１５に結合された置換体の供与基１８があることにより、前記セクション１５の全てのエネルギー準位は前もって上昇しているからである。このような高電圧の準位は従来の半導体デバイスの逆方向降伏電圧に類似している。
【００３６】
図２Ｃに示すように、順方向で使用されたのと（図２Ｂ）同じ電圧の量が、逆方向で加えられ、これは前記接触２４から分子１１のＬＵＭＯエネルギー準位に電子がトンネルするには不十分である。分子１１に対する異なる順方向バイアス特性と逆方向バイアス特性により整流ダイオードの古典的な動作が定まる。
【００３７】
図１Ａの共鳴トンネルダイオードのような上述の整流ダイオードは、ナノスケールのデジタル回路に使用されるブール論理関数を構成するのに役立つ。しかし、このような電子スイッチングデバイスは同じ大きな欠陥を受けており、電力利得を与える能力が不足している。
【００３８】
電力利得を与えるため、三端子デバイスが必要とされ、小電圧及び／又は電流が制御電極に加えられ、前記デバイスの制御電極と異なる２つの電極の間を流れる大きな電圧及び／又は電流のスイッチングに影響を与える。特に、電気的に動作するスイッチ又は増幅器として働く新しい単一分子を作るためゲート構造を整流又は共鳴トンネリングのいずれかである分子ダイオード構造に結合することにより分子共鳴トンネルトランジスタが作られる。このようなデバイスの例を図３Ａと図３Ｃに示しており、前記の分子構造１１１に前記分子ゲート構造１０２を化学結合して形成する分子共鳴トンネルトランジスタ１００を示している。単独の場合、前記分子構造１１１により整流ダイオードが定められ、前記のような構造と動作は前に述べている。トランジスタ１００の分子構造は、バルク半導体のｎチャネルエンハンスメントモードのトランジスタと機能的に類似している。固体電子デバイスと同様に、分子トランジスタ１００は供与基１１７及び１１８であるそれぞれ電子の供与基と電子の吸引基（“ホール(hole)”）を作る化学供与基を頼りにしている。分子１１２の他の部分に共有結合されている前記供与基の化学置換基１１７、１１８はＸとＹで示している。有機化学の基礎に基づき、置換基Ｘ又は（前述したような）多数の置換基Ｘは、電子の供与基として理解することができる。この種の基には、例えば次のもの：−ＮＨ２、−ＯＨ、−ＯＣＨ３、−ＣＨ３、−ＣＨ２ＣＨ３及び同種の基が含まれる。供与基の置換基Ｙ又はその多数の置換基は電子吸引基（又は受容基）と理解することができる。このような置換基の例として次のものが含まれる：−ＮＯ２、−ＣＮ、−ＣＨＯ、−ＣＯＲ′及び同種のものであり、Ｒ′は脂肪族連鎖である。
【００３９】
以下のパラグラフで判るように、前記分子トランジスタには半導体の電界効果トランジスタで見られる身近なソース−ドレイン−ゲートの三端子構造がある。更に、前記分子トランジスタにより従来の技術で良く理解されている共鳴スイッチング効果が使用されている。トランジスタ１００は、分子トランジスタの前記ソースと前記ドレインを形成するため分子整流ダイオードの分子構造を利用している。前記分子整流ダイオードの“バックボーン”から分子共鳴トンネルトランジスタを製造するため、第３の“ゲート”端子は前記ダイオードに化学結合され、前記ゲートバイアス電圧の極性の関数として供与基の置換基により誘導された固有バイアスの影響を打ち消すか又は強化するかのいずれかである小さな外部バイアス電圧を加えることができる。このような構成により、前記構造のソース領域とドレイン領域内の量子化された分子エネルギー準位は制御された方法で共鳴状態になったりならなかったりし、更に前記ソースからドレインに電流が通過することを特徴としている。更に、前記ゲート構造を通って流れる前記電流は前記ソースとドレイン間を流れる電流よりかなり小さいので電力利得が実現される。
【００４０】
トランジスタ１００には、電子のソース接触１２４が含まれており、前記接触と導電性配線１１２の末端である前記セクション１１５の末端の環１１３との間の接続を改善するため、前記接触１２４の材料により化学結合されている置換基ωを通して前記接触が分子構造１１１に結合されている。同様に電子のドレイン接触１２３は、置換基ωを通して導電性配線１１２の向い合った端末の環１１３に結合されている。例として、前記接触１２３と１２４が金で作られていれば、前記置換基ωは硫黄原子により作ることができる。前記整流ダイオードに対し多く記載したように、導電性配線１１２の２つのセクション１１４と１１５は前記セクションを分離する絶縁基１１６により定められる。ここでも再度、各セクションが固有バイアスを誘導するようにそれぞれドーピングされていることが示されるが、絶縁体１１６で異なるエネルギーも単一供与基１１７、１１８のみを利用して作ることができる。Ｘ供与基のドーパント又はＹ受容基のドーパントのどちらかが重要である。前記ドーパント１１７、１１８は１つ以上の環を絶縁体１１６から離れて間隔をあけている環のように、前記置換基は分子の他の部分に付けることができる。更に、ドーパントの置換基はソース−ドレインのチャネルに関連するように分子のゲート構造に化学結合され、又は前記ドーパントの置換基は導電性のソース、ドレイン及びゲートに関連するように絶縁性障壁の基が置換される。分子トランジスタ１００において、前記ゲート構造にはＸドーパント基１１８に化学結合されるように示してありＲ′で識別するゲート絶縁体１０４を含んでいる。以下のパラグラフで述べるように、前記ゲート絶縁体１０４はドーパントの基が結合されている前記と同じ環１１３の異なる部分に結合されるか、又は前記ゲート絶縁体１０４は前記と同じセクション１１５、１１４の異なる環１１３に結合される。前記ゲート絶縁体１０４に対し、電流を通す錯体１０６が化学結合されており、前記錯体１０６を通してゲート電流が流れ、更に前記錯体１０６の上で前記分子のソース−ドレインの構成に対し電界効果を及ぼすようにゲートに電荷が蓄積される。前記の電流を通すゲートの錯体は、導電性を改善する電気接触材料に化学結合されている置換基ωを通してゲート接触１０８に結合されている。
【００４１】
分子トランジスタ１００の動作を理解するため、更に図３Ｂ及び図３Ｄに関して述べる。図１Ａ及び図２Ａのダイオード構造の場合、端子１２３と１２４に類似した端子に加わる電圧は、スイッチング効果を誘導するため変化する。分子トタンジスタ１００の場合、ソース対ドレイン電圧は一定で、前記ゲートに加えられる電位は変化して、ドーパントの置換基により誘導される固有バイアスを少なく又は多くするようにし、更に前記ソース−ドレイン電流を切替える。従って、図３Ａでは端子１０８に加えられるゲート電圧がないが、図３Ｂにはセクション１１４と１５のそれぞれのエネルギー準位を示している。前記ダイオード構造の場合と同じように、前記絶縁体１１６はエネルギー図内に障壁１２０を形成している。図示のように、前記中央の障壁１２０に加え障壁１２１と１２２は分子構造１１１と導電性接触１２３及び１２４との間の障壁をそれぞれ表している。
【００４２】
図３Ｂに示すように、加えられた外部電圧により占有量子エネルギー準位１２７は逆方向バイアスの分子整流ダイオードの占有量子エネルギー準位と同様である。加えられたバイアスにより、前記接触１２４のフェルミエネルギーは上昇し、前記接触１２３のフェルミエネルギーは下降する。前記逆方向バイアスの状態で、供与基のセクション１１５のπ軌道１２５、１２５′のエネルギーは受容基のセクション１１４の対応するπ軌道１２６、１２６′のエネルギーより大きい。即ち、前記供与基の錯体のエネルギー準位は前記ソースとドレイン接触の間の電子の流れを妨げる受容基の錯体と一致しない。しかし、図３Ｃと図３Ｄに示すように、電圧をゲート接触に加えることによりドーパントの置換基により得られる固有バイアスが打ち消される。前記の打ち消しにより、原子価π軌道１２５、１２５′及び１２６、１２６′は電子を前記ソース接触から前記ドレイン接触に流れるようにするため共鳴状態に置かれる。前記ドーパントの基１１８の供与基の効果に影響を与えるように前記ゲートの電圧は前記ソースとドレインに加えられる電圧よりかなり小さく取られるので、前記ソースとドレイン接触間でスイッチングが行われる前記ゲートを通る電流もかなり小さい。従って、固体半導体のように、分子トランジスタ１００に電力利得を与えることができる。
【００４３】
図４Ａから図４Ｄに関しては、ｎチャネル−デプレッションモード半導体のトランジスタに類似している分子共鳴トンネルトランジスタ１００′を示している。前記トランジスタ１００′には、ポリ芳香族の連鎖１１２の受容基のセクション１１４に化学結合されているゲート構造１０２が含まれている。図４に示すこのデプレッションモードの分子トランジスタ１００′と、図３に示すエンハンスメントモードの分子トランジスタ１００との間の第１の構造の違いは、前者は受容基の錯体１１４に結合されているゲート構造１０２を有しているが、一方後者は供与基の錯体１１５に結合されているゲート構造１０２を有していることである。
【００４４】
前記ゲート構造１０２には、ポリ芳香族の連鎖１１２よりも絶縁性のある化学基で形成されＲ′で示している絶縁体１０４が含まれている。この役目のための幾つかの候補には、シグマ結合メチレン基（−ＣＨ２−）又はジメチレン基（−ＣＨ２ＣＨ２−）、更にはこれらより長い連鎖のような脂肪族基が含まれている。前記ゲート絶縁体１０４は、図４Ａと図４Ｃでは供与基１１７に結合されているように示されているが、前記供与基１１７が結合されている前記環１１３又は隣接している環の異なるサイトにも結合されている。ゲート制御電圧は前記電気接触１０８に加えられ、電流は電流を通す錯体１０６を通り、更に前記電気接触１０８に化学結合されている導電性を改善する置換基ωを通して流れる。前記電流を流す錯体１０６は、電荷により供与基−受容基の錯体への電界効果が強化されるように作るため十分な長さ又は静電容量を有したポリ芳香族導電性配線により作られる。従って、図示している二重環ナフタレン基のようにメッシュ状の分子構造を使用することにより、静電容量が増加し、これにより分子の電子デバイスの“スイッチング”に影響を与えるように前記ゲート構造に加える必要のある電位の大きさが減少する。
【００４５】
図４Ｂのエネルギー図に示すように、セクション１１４と１１５のエネルギー準位は逆方向のソース−ドレインのバイアスであるが、ゲート接触への電圧の印加がない場合の共鳴状態にあるように、前記分子デバイス１００′はドーピングされている。ゲート接触１０８に加えられた適当な負極性により、前記デバイスはオフに切り替わるが、これは図４Ｄのエネルギー図に示す通り受容基の錯体の未占有エネルギー準位１２６′が供与体の錯体の未占有エネルギー準位１２５′と一致しないようにされているからである。前記ゲートが荷電していない場合、前記トランジスタは順方向バイアスの整流ダイオードと全く同じように動作する。
【００４６】
負の少ない電荷を前記ゲートに加えることにより電子吸引ドーパントの効果が弱められるので、スイッチングが起こる。外部に加えたゲートバイアスの効果により受容基又はソース領域の伝導帯における未占有エネルギー準位１２５′、１２６′のエネルギーが上昇し、そのエネルギー準位は前記デバイスの供与基またはドレインのエネルギー帯の未占有エネルギー準位と一致しないようにさせられる。供与基と受容基の錯体における未占有である導電エネルギー準位１２５′と１２６′の間の不釣合いな組合せにより、前記中央の絶縁障壁を通りソースからドレインに電子のトンネリングが発生することがそれぞれ防止され、この防止により前記デバイスがオフに切替えられる。前記デバイス１００と同じく、前記ドレインとソースのセクションである１１５と１１４を通り流れる、又は加えられるより大きな電流又は電圧を制御するため前記ゲート構造１０２に加えられる小さな電流又は電圧を前記トランジスタ１００′が利用している。このように、空乏モードの分子トランジスタ１００′は電力利得を示している。
【００４７】
次に図５Ａから図５Ｄに関しては、ドーパントの置換基の化学結合とゲート構造１０２の化学結合の幾つかの変形例を示す分子トランジスタ１００、１００′の概略図を示している。図５Ａにおいて、前記トランジスタは新しい単一分子を形成するようにポリ芳香族の分子構造１１１をゲート分子構造１０２と結合することにより形成されている。前記分子構造１１１には、多数の連なって結合されほぼ同じ芳香族の構造１１３が含まれ、前記の芳香族の構造１１３には記号αで示す中間連結基を含んでいる。前記環１１３はシンクロペンタジエン、シンクロプロパン又は組合せのようなその他のベンゼン環とすることができるので、前記記号αは前述のようにほぼ芳香族の特性を有したあらゆる分子の環構造を表すために利用される。記号Ｒで表される絶縁体１１６の両端に固有バイアスを作るため、記号Ｚで表されるドーパントの置換基１１７、１１８が前記絶縁体１１６の近くの環１１３に結合されている。絶縁体１１６の他の側の分子構造体１１１の前記セクションの上には、記号Ｚ′で示す反対のドーパントの基１１８、１１７が前記環１１３ａに結合されている。前記ドーパントの基Ｚ′は、Ｚの特性と反対の特性を有している；即ち、Ｚが供与のドーパントの基ならばＺ′は受容のドーパントの基であり、更にその逆の場合もある。前記ゲート構造１０２は、ドーパントの基Ｚに結合されている。このゲート構造には、記号βで示す電流を通す錯体１０６が結合され記号Ｒ′で示す絶縁基１０４が含まれている。
【００４８】
図５Ｂは、ゲート構造１０２が前記ドーパントの置換基１１７、１１８に直接には結合されていない分子トランジスタを示している。前記ドーパントの置換基Ｚは前記絶縁体１１６の一方の側にある分子構造体１１１の一方のセクションの環１１３に結合されている電子供与基又は電子受容基のどちらかである。もし前記絶縁体１１６のいずれかの側で未占有エネルギー準位の間により大きな分離ΔＥＬＵＭＯが必要ならば、電子供与基又はＺと異なるタイプの電子吸収基Ｚ′が図５Ａに示す場合と同じように環１１３ａに結合できる。図５Ｂでは、前記ゲート構造１０２はドーパントの基が結合されている前記環１１３に隣接している環である環１１３′に化学結合されている。前記ゲート構造１０２には、Ｒ′の記号で示したゲート絶縁体１０４に、βの記号で示した電流を通す錯体１０６をプラスしたものが含まれている。
【００４９】
更に他の変化として、図５Ｃは前記ドーパントＺと同じ環１１３に直接結合されているゲート構造１０２を示している。前の場合のように、Ｚと反対のタイプのドーパントの基が絶縁基Ｒにおけるエネルギー差ΔＥＬＵＭＯを大きくするため、前記環１１３ａに結合されている。前記ドーパントの基Ｚは前記環１１３の一方のサイトに結合されている電子吸引基１１７か又は電子供与基１１８のどちからである。前記環１１３の他方のサイトには前記絶縁体１０４が結合され、前記絶縁体１０４も前記電流を通す錯体１０６に結合されている。
【００５０】
図５Ｄに示す更に他の変形例では、前記分子構造１１１はそれぞれのドーパントが結合されている環に近くない前記環に前記ゲート構造１０２が結合されている場合を示している。電子吸引基１１７又は電子供与基１１８である前記ドーパントＺは、前記絶縁基１１６により定められるあるセクション内で前記環１１３に結合されている。他の場合と同様に、反対のタイプのドーパント１１８、１１７が前記絶縁基Ｒのどちらかの側の上で前記未占有エネルギー準位の間のエネルギー差ΔＥＬＵＭＯを増加させるため、前記環１１３ａに結合されてもよい。前記ドーパントの基が結合されている環１１３と同じセクション内の環１１３″に前記ゲート構造１０２は結合されている。しかし、環１１３′は１つ以上の環の位置だけ環１１３から離して置き換えられている（単一の環の位置の置き換えの場合を図５Ｂに示している）。
【００５１】
他の実施例を図６に示してあり、図中、多数のドーパントの基が前記中央の絶縁体１２の一方の側の上で利用されており、前記ゲート構造１０２はドーパントの基への結合のない前記環１１３に結合されている。この場合、ポリ芳香族の分子を通す配線１１２が記号Ｒで表す絶縁基１１６により２つのセクション１１４、１１５に分けられている。受容基のセクション１１４には、絶縁体１１６に隣接した環１１３ｅが含まれており、前記絶縁体１１６には記号Ｙで表す第１の受容のドーパントの基１１７′は結合の環１１３ｄに結合されている。前記環１１３ｄは導電率を改善する置換基ωを通してドレイン接触１２３に結合されている。他方、セクション１１５は記号Ｘで表しており、前記環１１３ｂに結合されている第１の電子供与基１１８と、記号Ｘ′で表しており、更に同じ環１１３ｂに結合される第２の電子供与基１１８′で示している。前記環１１３ｂと前記絶縁体１１６の間には前記環１１３が配置され、前記環１１３に前記ゲート構造１０２が結合されている。前記セクション１１４内と同じく、前記２つの電子供与基１１８と１１８′は相互に前記２つの異なる環１１３と１１３ｂに結合されている。逆に、２つの電子吸収基１１７と１１７′は単一環１１３ｃ、１１３ｄに結合されている。これらの位置とドーパント基の数を変化することにより、前記絶縁体１１６のエネルギー差ΔＥＬＵＭＯに対する精密な制御が行われる。前記ゲート構造１０２にはゲート絶縁体としてジメチレン基１０４と電流を通す錯体としてポリ芳香族の導電性配線１０６が含まれ、前記電流を通す錯体は前記ジメチレン基と前記置換基ωを通して前記ゲート接触１０８に結合される。例えば、前記ポリ芳香族の導電性配線１０６はナフタレン基として示してあり、前記のナフタレン基の二重環構造により単一環構造の静電容量を越えて増加した静電容量が与えられる。
【００５２】
ドーピングされた分子ダイオードにゲート構造を加えることにより分子トランジスタを作る概念は、分子整流ダイードのみに適用範囲が制限されない。分子共鳴トンネルダイオード２０２にドーパントの基１１７、１１８と前記ゲート構造１０２を加えることにより、分子共鳴トンネルトランジスタ２００は図７Ａに示すように形成される。
【００５３】
（図１Ａに示すように）前記分子共鳴トンネルダイオード２０２の従来の構造である受容基１１７は、セクション２３２と２３４のそれぞれの環２１０ｂと２１０ｃに結合されており、前記環２１０ｂと２１０ｃは前記共鳴トンネルダイオードの“島”を構成する環２３５の向い合った側に位置している。従来と同じく、前記島である環２３５は障壁として作用する絶縁基２３６により前記セクション２３２から離れており、前記障壁を通して電子は導通が生ずるためトンネリングを行う必要がある。前記島２３５は他の絶縁基２３８を通して前記セクション２３４に結合されており、前記絶縁基２３８は電子が導通を生ずるようにトンネリングを行うため通る第２の障壁として作用する。前記島である環２３５に対し、供与のドーパントの基１１８は固有バイアスが障壁の基２３６と２３８の両方に作られるように結合され、従って前記障壁の基２３６と２３８の固有バイアスはゲート構造１０２に加えられた外部の電位の影響を受ける。前記ゲート構造１０２には電子供与のドーパントの基に結合されている絶縁基１０４が含まれる。前記電流を通す錯体１０６は、連結された芳香族環２１３ａと２１３ｂを有する分子の導電性配線と同じポリ芳香族の導電性構造により形成される。明らかに、芳香族環のより長い連鎖又はメッシュ(mesh)、又はほぼ芳香族の特性を有する分子構造は、電流を通す錯体１０６を形成するため使用される。前記電流を通す錯体の末端は置換基ωを通りゲート電極１０８に結合されている。この配置により、前記電極２３０と２４０の間の導通は前記ゲート電極１０８に予め決められた電極の電位を加えることにより影響を受ける。特に、前記ゲート電極１０８に加えられる正の電圧により前記島２３５の結合されているドーパントのＸの１１８の効果が妨げられる傾向にある。これにより、正のゲート電圧は前記島の導通エネルギー準位を低くする傾向と、左右の前記領域２３２と２３４の対応する未占有の導通エネルギー準位により近く一致する傾向にある。前記ゲートに加えられた十分な正の電圧により２３５、２３２及び２３４の３つのエネルギー準位の組が一致し、前記分子トランジスタがオンに切り替わる。このゲート電圧は前記ソースから前記ドレイン電極に電流を流すため加えられる電圧よりまだかなり小さい。従って、このデバイスの中の電力利得が得られる。
【００５４】
図７Ｂは図７Ａに示す構造に対する他の構造を表している。図７Ｂの変形例は、ドーパントの基が前記構造に化学結合されている３カ所の位置のそれぞれで、ドーパントの基の種類が入れ換えられている点のみが図７Ａと構造的に異なっている。即ち、図７Ｂにおいて、電子吸引基１１７は島である環とゲート絶縁体に結合され、ドーパント１１８の電子供与基の種類が図７Ａの対応する位置で結合されている。同様に、図７Ｂの島の左右にあるポリ芳香族の導電性配線上の電子供与基１１８は図７Ａの対応する位置にあるドーパントの置換基と反対の種類である。
【００５５】
図７Ａから図７Ｂの共鳴トンネルトランジスタ構造を作るため全てのドーパント基の種類を取り換えることは、操作上正の極性の電圧がデバイスをオンに切り替えるように図７Ｂのゲート電極に加えられることも意味している。即ち、ドーピングの効果を中和し、分子２３２、２３５、２３４の３つの部分の伝導エネルギー準位を全て一致させるように小さな負の電圧を図７Ｂのゲート電極に加える必要があり、これによりソースからドレインに電流が流れる。図７Ａのように、電流を通す錯体は、例えばポリ芳香族の導電性の配線のような芳香族の特性を有する多数の環構造により形成される。
【００５６】
単一分子の形で共鳴トンネルトランジスタが作られるので、ＮＯＴゲートの機能を得るように前記単一分子を更に変形することが現在可能である。図８Ａに概略を示すように、前記ＮＯＴ関数はソース３０６間の抵抗３０４と出力端子をつなぐことにより容易に得られる。更に前記トランジスタ３０１の一方の端につなぐように、前記ソース３０６は正の極性の電源につながれている。ドレイン３０８は電力供給の負の極性側につながれ、前記電力供給の負の極性側は接地基準電位である。入力端子Ａはトランジスタ３０３のゲート３０４につながれている。周知のように、このような回路の配置により端子Ａに加えられた入力信号の反転が端子Ｃに出力信号として与えられ、伝統的なインバーターとして動作する。
【００５７】
図８Ｂに示す図は前記インバーターの機能を行う単一分子を表しており、図８Ａに示す一般的な回路の分子的な実現である。ポリ芳香族の導電性配線の分子構造３１２に対し、絶縁基Ｒの３１６が挿入されており、少なくとも１つのドーパント基Ｚの１１７、１１８が環３１３ａにつながれている。前記ゲート構造１０２にはゲート絶縁基Ｒ′の１０４が含まれており、電流を通す錯体βの１０６は前記絶縁基１０４と１以上の芳香族の環３１０につながれている。前記錯体１０６は、前記環が静電容量効果を増加させるようにつながれている点で前記環３１０と異なっている。図８Ａの抵抗３０４に相当する抵抗には環３１３′により形成された分子の導電性配線との間に結合された前記絶縁基Ｒ″の３１８が与えられている。
【００５８】
次に図８Ｃに関し、ポリフェニレンをベースにした分子の電子ＮＯＴゲート又はインバーター３００に対する分子構造を例示している。バックボーンとなる分子のダイオード構造３１１は分子の導電性配線３１２により形成され、前記導電性配線３１２内に前記絶縁基３１６が置換され、これにより２つのセクション３２４と３２６が定められる。少なくとも１つの電子の供与ドーパント１１８又は電子の受容ドーパント１１７が前記ドーパントＺとして前記セクション３２６に結合され、前記ドーパントＺはポリ芳香族の構造の環３１３ａに化学結合されている。前述のように、ドーパント１１８、１１７の反対の種類は、絶縁体３１６のいずれかの側に関する伝導帯の間のエネルギー差ΔＥＬＵＭＯを増加するように前記セクション３２４の環３１３、３１３′に結合されている。この例では、前記ゲート構造１０２はトランジスタ構造を形成するためドーパント基Ｚに結合されている。前記ゲート構造１０２にはジメチレン基により形成されたゲート絶縁基１０２と、二重環ナフタレン基の分子構造も前記トランジスタを切り替えるための電界効果を強めるよう少量の電荷を保つことができる。前記二重環ナフタレン基により形成された電流を通す錯体１０６が含まれている。前記電流を通す錯体１０６は外部電圧が加えられている物理的な接触の材料に結合している前記置換基ωを通して、前記ゲート構造１０２の全てが入力端子Ａに結合されているように、前記電流を通す錯体１０６は三重結合エチレン連結３１９を通して１つ以上の芳香族の基に結合されている。前記図において、図示の特別なＨＳ、即ちチオール(thiol)基である。実際には、前記基が金の金属接触に結合している時、前記水素原子が置き換えられ、前記有機分子と前記金属接触の間のＳ原子のみが残る。図８Ａに示す回路の抵抗３０４は、前記セクション３２４の環３１３′に結合されているメチレン絶縁基３１８により作られている。エチレンの連結３１９を間に有している多数のポリ芳香族の環３２０により形成されている分子の導電性配線により、前記絶縁基３１８と前記出力端子Ｃの間に伝導性の結合が与えられている。ポリ芳香族環構造はチオール置換基ωにより前記出力端子に結合されており、前記置換基ωは前述のように金のような接触材料に結合している。前記絶縁基３１８により形成された抵抗の値は、ポリ芳香族分子構造の導電率より小さい導電率を有する種々の基を利用することと、例えばメカノ合成体と化学合成体である置換基又は技術のような従来の有機化学技術を使用し、多数の絶縁基を分子の導電配線に挿入することにより調整できる。前記ダイオード分子のバックボーン構造３１１は、所要のバイアスをソースとドレイン領域の間に与えるため、反対の極性であるＶ＋とＶ−の電源供給端子に結合されている。
【００５９】
図８Ａに示す前記インバーターの他の分子の実現を図９Ａに示す構造に表している。インバーター３００′は図５Ｂに示すような分子トランジスタ構造を利用しており、電子吸引基１１７又は電子供与基１１８のいずれかであるドーパントＺが環３１３ａに結合され、前記ゲート構造１０２は前記環と異なるが隣接している環３１３ｂに結合している。ゲート絶縁体１０４と電流を通す錯体１０６の他に、前記ゲート構造１０２は入力Ａを与える端子に導電通路を与えるため追加の芳香族環３１０を含んでいる。このような分子トランジスタ構造に対し、絶縁体基３１８により定められ記号Ｒ″を有する抵抗は、前記ゲート構造１０２の一部ではない分子構造３１２のセクションの芳香族環３１３′に結合されている。抵抗の機能を行う前記絶縁体基３１８は、出力Ｃを表す端子により導電性結合を与えるため１つ以上の芳香族の環３２０に結合されている。
【００６０】
図９Ａに対応する分子構造の例を図９Ｂに示している。図中、ポリ芳香族の構造はエチレン連結を有したベンゼン環により形成されており、前記ゲート構造１０２は前記環３１３ｂに結合されているが、前記ドーパントＺは前記環３１３ｂに結合されている。ジメチレン基１０４はゲート絶縁体を形成し、ナフタレン基は電流を通す錯体１０６を形成しており、前記錯体１０６はチオールの置換基が親和力を有するように接触するための１つ以上の追加されたベンゼン環に更に結合されている。このように前記ゲート接触は環３１３′に対する入力Ａを形成し、メチレン絶縁基３１８は前記環３１３′に結合されている。前記メチレン基３１８は抵抗として働き、多数の芳香族の環２０を通し電子を出力Ｃに流す。
【００６１】
図８と図９に示す前述の例から、図３から図７に関連して前述した他の分子トランジスタ構造のどれも単分子ＮＯＴゲートを形成するため利用でき、回路は単一分子の形であるインバーターとして機能することが明らかである。
【００６２】
更なる置換基に関する置換と化学結合により更に大きな分子を形成するため、より大きな分子を構成する多数の分子を結合することは、有機化学とナノ製造技術の分野で良く知られている手順を含む。これらの技術を利用して、整流型又は共鳴トンネル型の分子ダイオードは、より大きな分子を作るためゲート構造を追加することにより変更される。この変更により前記ダイオードスイッチは電力利得を示すスイッチである分子トランジスタに変えられる。このようにして作られた分子トランジスタはインバーター機能が論理的なＮＯＴゲートである前記インバーター機能を形成するため、抵抗回路素子として働く分子の基を加えることにより更に変更される。
【００６３】
更に前記の基本的な分子ＮＯＴゲート回路をより一層基本的な論理関数（例えばＡＮＤ、ＯＲ及びＸＯＲ）の働きをする分子回路と組合せることにより、より複雑な分子の電子論理関数を作ることができる。これらの論理関数はより一層大きな単一分子により実現される。このように、複雑なブール関数を示す単一分子を組み立てることが可能になる。このようなブール関数の例は、ＮＡＮＤゲート、ＸＮＯＲゲート、半加算器及びこれらの組合せのブール関数である。
【００６４】
図１０Ａに関して、二値の入力信号Ａ、Ｂと、Ｃに論理結果を出力するための二値の出力信号を有したＮＡＮＤゲート４００を示す一般的な回路図の概要を示している。前記入力Ａ、Ｂはダイオード−ダイオードのＡＮＤ論理ゲート４１０に加えられている。前記ＡＮＤゲートの出力は、ＮＡＮＤ出力を生ずるＮＯＴ機能を与えるためインバーター４２０に更に結合されている。前記手順において、ＮＯＴ関数により前記の出力の結果に対する利得又は増幅も更に与えられている。ＡＮＤゲート４１０は２つの整流ダイオード４１２、４１４と抵抗４１６により形成されている。前記インバーター４２０は、前記ゲートのリード線がＡＮＤ論理ゲートの出力に結合されているトランジスタ４２２を含んでいる。従って、トランジスタ４２２のソースにより抵抗４２４を通った反転出力が与えられる。
【００６５】
ＮＡＮＤ機能を行う分子構造の例を図１０Ｂに示す。前記ＮＡＮＤゲート４００は、結合されているアノード端を有する分子ダイオード４１２と４１４により形成されているように示してあり、絶縁基４１６により作られる抵抗が前記アノード端につながれ、前記抵抗の反対の端は正極性の電力供給入力につながれている。前記２つのダイオード４１２と４１４をつなぐノードは前記トランジスタ４２２につながれ、前記トランジスタは絶縁基４２４により抵抗が定められるソースのセクションを有しており、電子が出力Ｃに流れる。適当なドーピングと絶縁基を有したポリフェニレンの導電性配線を利用しているので、単一分子は特別なブール機能を行う分子回路、即ちＮＡＮＤゲートを作り、前記分子は電力利得も生ずる。前記電力利得により前記論理４００が連続した論理の段階で“ファンアウト(fan-out)”として知られているものをサポートしており、多数の論理回路をＮＡＮＤゲートの出力Ｃからドライブすることができる。
【００６６】
図１１Ａには、二値の入力信号ＡとＢを有したＸＮＯＲゲート５００を表す回路図の一般的な概略と、Ｃにおける論理結果出力の二値信号を示している。入力ＡとＢは、ダイオード−ダイオードＸＯＲ論理ゲート５１０に加えられる。ＸＯＲの出力は、ＸＮＯＲ出力を作るＮＯＴ関数を与えるため、インバーター４２０に更につながれている。前記ＮＡＮＤゲートの場合のように、ＮＯＴ関数は更に出力結果に対し利得又は増幅を与えている。ＸＯＲゲート５１０は２つの整流ダイオード５１２と５１４により形成され、前記２つの整流ダイオードはそれぞれの抵抗Ｒ０を通してそれぞれのカソードにつながれている。前記２つの抵抗Ｒ０をつなぐノードは、共鳴トンネルダイオード５１６の一端につながれ、前記ダイオードの反対の端は負荷抵抗５１８につながれ、更に前記ダイオードの反対の端はＸＯＲゲートの出力も与えている。前記ＸＯＲ論理ゲート５１０からの前記出力はトランジスタ４２２のゲートのリード線につながれている。前記インバーター４２０の抵抗４２４により前記トランジスタのソースが出力Ｃにつながれている。
【００６７】
次に、図１１Ｂに進みＸＮＯＲ機能を果たす分子構造の例を示している。ＸＮＯＲゲート５００は分子のＸＯＲ５１０の論理ゲートに分子ダイオード５１２と５１４が含まれており、前記分子ダイオード５１２と５１４はそれぞれ内部抵抗により定まる抵抗を通りつながれているカソード端子をそれぞれ有している。２つの整流ダイオードをつないだ前記ノードから、一方の端に分子の共鳴トンネルダイオードがつながれ、抵抗５１８を作るため分子を通す導電性配線内に挿入された絶縁体を有する前記分子導電性配線につながれた前記分子の共鳴トンネルダイオードがある。抵抗５１８につながれている前記分子の共鳴トンネルダイオードの端は、更に例示のＮＡＮＤゲート内の分子のＮＯＴゲートのような分子のＮＯＴゲート４２０にもつながれている。ＮＡＮＤゲートのように、例示のＸＯＲゲートは特別なブール関数を行う単一分子を作るため適当なドーパントと絶縁基を有したポリフェニレンの導電性配線を利用している。更にブール論理関数を行うため、前記分子は電力利得を生じ、それ故ＸＮＯＲゲートの出力Ｃから多くの論理回路を駆動することができる。
【００６８】
半加算器を示す一般的な概略の回路図を図１２Ａに示している。前記半加算器６００において、ＸＮＯＲゲート５００は正極性の出力Ｓを与えるようにインバーター４２０と組合され、前記ＮＡＮＤ４００の出力は追加されたインバーター４２０につながれている。入力信号は、論理的ＳＵＭである出力Ｓと論理的ＣＡＲＲＹ出力である出力Ｃを有して、入力ＡとＢに与えられている。
【００６９】
半加算器（ＨＡＬＦ  ＡＤＤＥＲ）機能を行う分子構造の一例を図１２Ｂに示す。図示のように、前記半加算器６００は単一のポリフェニレンをベースにした分子により形成されている。前記分子構造により、ＸＯＲゲート５１０を第１のインバーター（ＮＯＴゲート）４２０と組合せ、ＡＮＤゲート４１０を第２のインバーター（ＮＯＴゲート）４２０と組合せることにより、それぞれＸＮＯＲゲート５００の機能をＮＡＮＤゲート４００の機能が組合されている。これらのゲートのそれぞれの出力は所要の出力極性を与えるためそれぞれのインバーター４２０につながれている。同様に、より複雑なブール論理関数は複雑な論理関数を行うことができるより一層大きな単一分子を作るため、特別な機能を示す分子を更に組合せることにより作ることができる。
【００７０】
本発明は特別な形と実施例に関連して記載したが、本発明の精神と範囲から外れることなく、今までに述べたこと以外の種々の変更を主張することができることが分る。申請の特許請求の範囲に記載した通り本発明の精神と範囲から外れることなく、例えば等価な要素を前記特別に示して記載したものと入れ換えることができ、ある特定な特徴は他の特徴と関係なく使用することができ、更にある場合には要素の特別な位置は逆にすることができ、又は間に置くことができる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１Ａ】リード(Reed)とツアー(Tour)により実証された分子共鳴トンネルダイオードの構造と動作の概要を示す図である。
【図１Ｂ】リード(Reed)とツアー(Tour)により実証された分子共鳴トンネルダイオードの構造と動作の概要を示す図である。
【図１Ｃ】リード(Reed)とツアー(Tour)により実証された分子共鳴トンネルダイオードの構造と動作の概要を示す図である。
【図２Ａ】分子整流ダイオードを示す概要図である。
【図２Ｂ】図２Ａに示すポリフェニレンをベースにした単分子整流ダイオードに関連した軌道エネルギー図の概要であり、分子が“順方向”のバイアスを有する時である。
【図２Ｃ】図２Ａに示すポリフェニレンをベースにした単分子整流ダイオードに関連した軌道エネルギー図の概要であり、分子が“逆方向”のバイアスを有する時である。
【図２Ｄ】図２Ａに示すポリフェニレンをベースにした単分子整流ダイオードに関連した軌道エネルギー図の概要であり、分子が“ゼロ”のバイアスの時である。
【図３Ａ】ゲートが帯電されていない状態の３端子分子スイッチングデバイスを示す本発明の一例の概要図である。
【図３Ｂ】図３Ａの前記３端子デバイスに関連した軌道エネルギー図の概要である。
【図３Ｃ】ゲートが帯電された状態の３端子分子スイッチングデバイスを示す本発明の一例の概要図である。
【図３Ｄ】図３Ｃの前記３端子デバイスに関連した軌道エネルギー図の概要である。
【図４Ａ】本発明の他の構成例を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ａの前記３端子デバイスに関連した軌道エネルギー図の概要である。
【図４Ｃ】帯電したゲート構造を有する図４Ａの分子スイッチングデバイスの概要図を示している。
【図４Ｄ】図４Ｃの３端子スイッチングデバイスに関連した軌道エネルギーの概要図である。
【図５Ａ】本発明の３端子スイッチングデバイスに対する分子構造を示す概要図である。
【図５Ｂ】本発明の３端子スイッチングデバイスに対する代表的な分子構造を示す概要図である。
【図５Ｃ】本発明の３端子スイッチングデバイスに対する代表的な分子構造を示す概要図である。
【図５Ｄ】本発明の３端子スイッチングデバイスに対する代表的な分子構造を示す概要図である。
【図６】本発明の３端子分子スイッチングデバイスに関する他の実施例を示している。
【図７Ａ】ドーパントの基と分子のゲート構造が結合されている分子共鳴トンネルダイオードを利用した本発明の３端子スイッチングデバイスの例を示している。
【図７Ｂ】ドーパントの基と分子のゲート構造が結合されている分子共鳴トンネルダイオードを利用した本発明の３端子スイッチングデバイスの他の例を示している。
【図８Ａ】インバーターに対する回路図の概要を示している。
【図８Ｂ】本発明のインバーターに対する代表的な分子構造の概略を示している。
【図８Ｃ】本発明のポリフェニレンをベースにした分子インバーターの例の概略を示している。
【図９Ａ】本発明のインバーターに対する他の代表的な分子構造の概略図である。
【図９Ｂ】図９Ａのインバーターに対するポリフェニレンをベースにした分子構造の例の概略図である。
【図１０Ａ】ＮＡＮＤゲートに対する概略の電子回路図を示している。
【図１０Ｂ】本発明のポリフェニレンをベースにした分子ＮＡＮＤゲートの例の概略図である。
【図１１Ａ】ＸＮＯＲゲートに対する概略の電子回路図を示している。
【図１１Ｂ】本発明のポリフェニレンをベースにした分子ＸＮＯＲゲートの例の概略図である。
【図１２Ａ】半加算器に対する概略の電子回路図を示している。
【図１２Ｂ】本発明のポリフェニレンをベースにした分子半加算器の例の概略図である。
【符号の説明】
【００７２】
１１    整流ダイオードの分子構造
１２    ポリ芳香族連鎖
１３    芳香族環構造
１４、１５    セクション
１６    絶縁基
１７    電子吸引基
１８    電子供与基
１９    エチレン連結
２０    中央の障壁
２１、２２    障壁
２３、２４    導電性接触
２５、２５′、２６、２６′    エネルギー準位
２７    水平の準位
１００、１００′    分子共鳴トンネルトランジスタ
１０２    分子ゲート構造
１０４    ゲート絶縁体
１０６    電流を通す錯体
１０８    ゲート接触
１１１    分子構造
１１２    導電性配線
１１３、１１３′、１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃ、１１３ｄ    環
１１４、１１５    セクション
１１６    絶縁体
１１７、１１７′    供与基
１１８、１１８′    供与基
１２０    中央の障壁
１２１、１２２    障壁
１２３、１２４    導電性接触
１２５、１２５′    π軌道
１２６、１２６′    π軌道
１２７    占有量子エネルギー準位
２００    分子共鳴トンネルトランジスタ
２０２    分子共鳴トンネルダイオード
２１０ｂ、２１０ｃ    環
２３２、２３４    セクション
２３５    島
２３６、２３８    絶縁基
３００    インバーター
３０２    トランジスタ
３０４    抵抗
３０８    ドレイン
３１１、３１２    分子構造
３１３′、３１３ａ、３１３ｂ    環
３１０    芳香族環
３１６、３１８    絶縁基
３２０    ポリ芳香族環
３２４、３２６    セクション
４００    ＮＡＮＤゲート
４１０    ＡＮＤ論理ゲート
４１２、４１４    整流ダイオード
４１６    抵抗
４２０    インバーター
４２２    トランジスタ
４２４    抵抗
５００    ＸＮＯＲゲート
５１０    ＸＯＲ論理ゲート
５１２、５１４    整流ダイオード
５１６    共鳴トンネルダイオード
５１８    負荷抵抗
６００    半加算器
【図１Ａ】
2005510060.tif 000013
【図１Ｂ】
2005510060.tif 000014
【図１Ｃ】
2005510060.tif 000015
【図２Ａ】
2005510060.tif 000016
【図２Ｂ】
2005510060.tif 000017
【図２Ｃ】
2005510060.tif 000018
【図２Ｄ】
2005510060.tif 000019
【図３Ａ】
2005510060.tif 000020
【図３Ｂ】
2005510060.tif 000021
【図３Ｃ】
2005510060.tif 000022
【図３Ｄ】
2005510060.tif 000023
【図４Ａ】
2005510060.tif 000024
【図４Ｂ】
2005510060.tif 000025
【図４Ｃ】
2005510060.tif 000026
【図４Ｄ】
2005510060.tif 000027
【図５Ａ】
2005510060.tif 000028
【図５Ｂ】
2005510060.tif 000029
【図５Ｃ】
2005510060.tif 000030
【図５Ｄ】
2005510060.tif 000031
【図６】
2005510060.tif 000032
【図７Ａ】
2005510060.tif 000033
【図７Ｂ】
2005510060.tif 000034
【図８Ａ】
2005510060.tif 000035
【図８Ｂ】
2005510060.tif 000036
【図８Ｃ】
2005510060.tif 000037
【図９Ａ】
2005510060.tif 000038
【図９Ｂ】
2005510060.tif 000039
【図１０Ａ】
2005510060.tif 000040
【図１０Ｂ】
2005510060.tif 000041
【図１１Ａ】
2005510060.tif 000042
【図１１Ｂ】
2005510060.tif 000043
【図１２Ａ】
2005510060.tif 000044
【図１２Ｂ】
2005510060.tif 000045
【国際調査報告】
2005510060.tif 000046
2005510060.tif 000047
2005510060.tif 000048