(57)【要約】電気双極子を有する有機物質を含む分極依存性デバイスを提供する。当該分極依存性デバイスは、（ａ）基材上に形成された、長さＬのチャネル領域によって隔てられているソース領域及びドレイン領域、（ｂ）チャネル領域の少なくとも一部の上の絶縁体層、（ｃ）絶縁体層上の分子層、を含んで成り、前記分子層は、切り替え可能な双極子部分を有する。前記分子層上にゲートを付加することで、トランジスタを製造することができ、一方、ゲートを省略し且つ種々の環境変化に応答する適切な分子を利用することで、種々のセンサを製造することができる。分子トランジスタ及びセンサは、高密度ナノスケール回路に適しており、従来技術の手法ほど高価ではない。
2005533371.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）基材上に形成された、長さＬのチャネル領域によって隔てられているソース領域及びドレイン領域；及び
（ｂ）前記チャネル領域上の分子層であって、切り換え可能な双極子部分を有する分子を含む、分子層、
を含んで成る、分極依存性分子デバイス。
【請求項２】
前記分子層上に、厚さｗのゲート電極をさらに含む、請求項１に記載の分極依存性分子デバイス。
【請求項３】
ｗが、約１〜１００ｎｍの範囲内の値を有する、請求項２の分極依存性分子デバイス。
【請求項４】
Ｌが、約１〜１００ｎｍの範囲内の値を有する、請求項１の分極依存性分子デバイス。
【請求項５】
前記チャネル領域が、半導体材料を含む、請求項１の分極依存性分子デバイス。
【請求項６】
前記半導体材料が、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＮ、ＡｌＮ及びＧａＮ、並びにそれらの混合合金から成る群から選択される、請求項５に記載の分極依存性分子デバイス。
【請求項７】
前記チャネル領域の少なくとも一部の上に絶縁体層をさらに含み、前記分子層が前記絶縁体層上に形成される、請求項１に記載の分極依存性分子デバイス。
【請求項８】
前記絶縁体層が、酸化物を含む、請求項７に記載の分極依存性分子デバイス。
【請求項９】
前記酸化物が、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＺｒＳｉＯ４、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＨｆＳｉＯ４、Ｙ２Ｏ３、ＨｆＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｒＯ、Ｌａ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ３、ＢａＯ、及びＴｉＯ２から成る群から選択される、請求項８に記載の分極依存性分子デバイス。
【請求項１０】
前記分子が、
【化１】
2005533371.tif 000015
式中、化学式（１）の文字は以下のように定義される：
Ａ＝ＣＨ；Ｎ；Ｃ−アルキル；Ｃ−ハロゲン；Ｃ−ＯＨ；Ｃ−ＯＲ（エーテル）；Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）；Ｃ−アミド；Ｃ−エステル又はチオエステル；
Ｂ＝ＣＨ；Ｎ；Ｃ−アルキル；Ｃ−ハロゲン；；Ｃ−ＯＨ；Ｃ−ＯＲ（エーテル）；Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）；Ｃ−アミド；Ｃ−エステル又はチオエステル；
Ｄ，Ｇ＝Ｃ；
Ｅ＝ＣＨ；Ｎ；Ｃ−アルキル；Ｃ−ハロゲン；Ｃ−ＯＨ；Ｃ−ＯＲ（エーテル）；Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）；Ｃ−アミド；Ｃ−エステル又はチオエステル；
Ｆ＝ＣＨ；Ｎ；Ｃ−アルキル；Ｃ−ハロゲン；Ｃ−ＯＨ；Ｃ−ＯＲ（エーテル）；Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）；Ｃ−アミド；Ｃ−エステル又はチオエステル；
Ｊ＝ＣＨ；Ｎ；Ｃ−アルキル；Ｃ−ハロゲン；Ｃ−ＯＨ；Ｃ−ＯＲ（エーテル）；Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）；Ｃ−アミド；Ｃ−エステル又はチオエステル；
Ｋ＝ＣＨ；Ｎ；Ｃ−アルキル；Ｃ−ハロゲン；Ｃ−ＯＨ；Ｃ−ＯＲ（エーテル）；Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）；Ｃ−アミド；Ｃ−エステル又はチオエステル；
Ｍ＝ＣＨ２；ＣＦ２；ＣＣｌ２；ＣＨＯＣＨ３；ＣＨＯＨ；ＣＨＦ；ＣＯ；ＣＨ＝ＣＨ；ＣＨ２−ＣＨ２；Ｓ；Ｏ；ＮＨ；ＮＲ；ＮＣＯＲ；又はＮＣＯＡｒ；
Ｑ＝ＣＨ；窒素；リン；又はホウ素；
Ｙ＝Ｏ又はＳ；及び
Ｚ＝Ｒ（Ｈ；アルキル）；ＮＨＲ；ＯＲ；ＳＲ；ＣＨＲ−ＮＨＲ；ＣＨＲ−ＯＲ；ＣＨＲ−ＳＲ；ＣＨＲ−Ｘ（ハロゲン）；ＮＲ−ＮＨＲ；ＮＲ−ＯＲ；又はＮＲ−ＳＲ
を含む、請求項１に記載の分極依存性分子デバイス。
【請求項１１】
前記分子が、
【化２】
2005533371.tif 000016
式中、Ａ及びＢは同一又は同一でない導電性又は非導電性部分であり、ＩはＡとＢとの間の絶縁ブリッジであり、ＣＬ及びＣＲはそれぞれ左側電極及び右側電極とのコネクタであり、「＋」及び「−」は双極子部分を表す、
を含む、請求項１に記載の分極依存性分子デバイス。
【請求項１２】
前記切り換え可能な双極子部分が、双安定である、請求項１に記載の分極依存性分子デバイス。
【請求項１３】
（ａ）基材上に形成された、約１〜１００ｎｍの範囲内の長さＬを有するチャネル領域によって隔てられているソース領域及びドレイン領域であって、前記チャネル領域が半導体材料を含む、ソース領域及びドレイン領域；
（ｂ）前記チャネル領域上の分子層であって、切り換え可能な双極子部分を有する分子を含む、分子層；及び（ｃ）前記分子層上の、約１〜１００ｎｍの範囲の厚さｗを有するゲート電極；
を含んで成る、トランジスタ。
【請求項１４】
前記半導体材料が、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＮ、ＡｌＮ及びＧａＮ、並びにそれらの混合合金から成る群から選択される、請求項１３に記載のトランジスタ。
【請求項１５】
前記チャネル領域の少なくとも一部の上に絶縁体層をさらに含み、前記分子層が前記絶縁体層上に形成される、請求項１３に記載のトランジスタ。
【請求項１６】
前記絶縁体層が、酸化物を含む、請求項１５に記載のトランジスタ。
【請求項１７】
前記酸化物が、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＺｒＳｉＯ４、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＨｆＳｉＯ４、Ｙ２Ｏ３、ＨｆＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｒＯ、Ｌａ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ３、ＢａＯ、及びＴｉＯ２から成る群から選択される、請求項１６に記載のトランジスタ。
【請求項１８】
前記分子が：
【化３】
2005533371.tif 000017
式中、化学式（１）内の文字は以下のように定義される；
Ａ＝ＣＨ；Ｎ；Ｃ−アルキル；Ｃ−ハロゲン；Ｃ−ＯＨ；Ｃ−ＯＲ（エーテル）；Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）；Ｃ−アミド；Ｃ−エステル又はチオエステル；
Ｂ＝ＣＨ；Ｎ；Ｃ−アルキル；Ｃ−ハロゲン；；Ｃ−ＯＨ；Ｃ−ＯＲ（エーテル）；Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）；Ｃ−アミド；Ｃ−エステル又はチオエステル；
Ｄ，Ｇ＝Ｃ；
Ｅ＝ＣＨ；Ｎ；Ｃ−アルキル；Ｃ−ハロゲン；Ｃ−ＯＨ；Ｃ−ＯＲ（エーテル）；Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）；Ｃ−アミド；Ｃ−エステル又はチオエステル；
Ｆ＝ＣＨ；Ｎ；Ｃ−アルキル；Ｃ−ハロゲン；Ｃ−ＯＨ；Ｃ−ＯＲ（エーテル）；Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）；Ｃ−アミド；Ｃ−エステル又はチオエステル；
Ｊ＝ＣＨ；Ｎ；Ｃ−アルキル；Ｃ−ハロゲン；Ｃ−ＯＨ；Ｃ−ＯＲ（エーテル）；Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）；Ｃ−アミド；Ｃ−エステル又はチオエステル；
Ｋ＝ＣＨ；Ｎ；Ｃ−アルキル；Ｃ−ハロゲン；Ｃ−ＯＨ；Ｃ−ＯＲ（エーテル）；Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）；Ｃ−アミド；Ｃ−エステル又はチオエステル；
Ｍ＝ＣＨ２；ＣＦ２；ＣＣｌ２；ＣＨＯＣＨ３；ＣＨＯＨ；ＣＨＦ；ＣＯ；ＣＨ＝ＣＨ；ＣＨ２−ＣＨ２；Ｓ；Ｏ；ＮＨ；ＮＲ；ＮＣＯＲ；又はＮＣＯＡｒ；
Ｑ＝ＣＨ；窒素；リン；又はホウ素；
Ｙ＝Ｏ又はＳ；及び
Ｚ＝Ｒ（Ｈ；アルキル）；ＮＨＲ；ＯＲ；ＳＲ；ＣＨＲ−ＮＨＲ；ＣＨＲ−ＯＲ；ＣＨＲ−ＳＲ；ＣＨＲ−Ｘ（ハロゲン）；ＮＲ−ＮＨＲ；ＮＲ−ＯＲ；又はＮＲ−ＳＲ
を含む、請求項１３に記載のトランジスタ。
【請求項１９】
前記分子が
【化４】
2005533371.tif 000018
式中、Ａ及びＢは同一又は同一でない導電性又は非導電性部分であり、ＩはＡとＢとの間の絶縁ブリッジであり、ＣＬ及びＣＲはそれぞれ左側電極及び右側電極とのコネクタであり、「＋」及び「−」は双極子部分を表す、
を含む、請求項１３に記載のトランジスタ。
【請求項２０】
前記切り換え可能な双極子部分が、双安定である、請求項１３に記載のトランジスタ。
【請求項２１】
前記分子層が、不揮発性メモリ用途のための強誘電性の双極子モーメント（ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｄｉｐｏｌｅ  ｍｏｍｅｎｔ）を有する分子を含む、請求項１３に記載のトランジスタ。
【請求項２２】
（ａ）基材上に形成された、約１〜１００ｎｍの範囲内の長さＬを有するチャネル領域によって隔てられているソース領域及びドレイン領域；及び
（ｂ）前記チャネル領域上の分子層であって、切り換え可能な双極子部分を有する分子を含む、分子層
を含んで成る、センサ。
【請求項２３】
前記チャネル領域が、半導体材料を含む、請求項２２に記載のセンサ。
【請求項２４】
前記半導体材料が、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＮ、ＡｌＮ及びＧａＮ、並びにそれらの混合合金から成る群から選択される、請求項２３に記載のセンサ。
【請求項２５】
前記チャネル領域の少なくとも一部の上に絶縁体層をさらに含み、前記分子層が前記絶縁体層の上に形成される、請求項２２に記載のセンサ。
【請求項２６】
前記絶縁体層が、酸化物を含む、請求項２５に記載のセンサ。
【請求項２７】
前記酸化物が、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＺｒＳｉＯ４、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＨｆＳｉＯ４、Ｙ２Ｏ３、ＨｆＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｒＯ、Ｌａ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ３、ＢａＯ、及びＴｉＯ２から成る群から選択される、請求項２６に記載のセンサ。
【請求項２８】
前記分子が：
【化５】
2005533371.tif 000019
式中、化学式（１）内の文字は以下のように定義される；
Ａ＝ＣＨ；Ｎ；Ｃ−アルキル；Ｃ−ハロゲン；Ｃ−ＯＨ；Ｃ−ＯＲ（エーテル）；Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）；Ｃ−アミド；Ｃ−エステル又はチオエステル；
Ｂ＝ＣＨ；Ｎ；Ｃ−アルキル；Ｃ−ハロゲン；；Ｃ−ＯＨ；Ｃ−ＯＲ（エーテル）；Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）；Ｃ−アミド；Ｃ−エステル又はチオエステル；
Ｄ、Ｇ＝Ｃ；
Ｅ＝ＣＨ；Ｎ；Ｃ−アルキル；Ｃ−ハロゲン；Ｃ−ＯＨ；Ｃ−ＯＲ（エーテル）；Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）；Ｃ−アミド；Ｃ−エステル又はチオエステル；
Ｆ＝ＣＨ；Ｎ；Ｃ−アルキル；Ｃ−ハロゲン；Ｃ−ＯＨ；Ｃ−ＯＲ（エーテル）；Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）；Ｃ−アミド；Ｃ−エステル又はチオエステル；
Ｊ＝ＣＨ；Ｎ；Ｃ−アルキル；Ｃ−ハロゲン；Ｃ−ＯＨ；Ｃ−ＯＲ（エーテル）；Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）；Ｃ−アミド；Ｃ−エステル又はチオエステル；
Ｋ＝ＣＨ；Ｎ；Ｃ−アルキル；Ｃ−ハロゲン；Ｃ−ＯＨ；Ｃ−ＯＲ（エーテル）；Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）；Ｃ−アミド；Ｃ−エステル又はチオエステル；
Ｍ＝ＣＨ２；ＣＦ２；ＣＣｌ２；ＣＨＯＣＨ３；ＣＨＯＨ；ＣＨＦ；ＣＯ；ＣＨ＝ＣＨ；ＣＨ２−ＣＨ２；Ｓ；Ｏ；ＮＨ；ＮＲ；ＮＣＯＲ；又はＮＣＯＡｒ；
Ｑ＝ＣＨ；窒素；リン；又はホウ素；
Ｙ＝Ｏ又はＳ；及び
Ｚ＝Ｒ（Ｈ；アルキル）；ＮＨＲ；ＯＲ；ＳＲ；ＣＨＲ−ＮＨＲ；ＣＨＲ−ＯＲ；ＣＨＲ−ＳＲ；ＣＨＲ−Ｘ（ハロゲン）；ＮＲ−ＮＨＲ；ＮＲ−ＯＲ；又はＮＲ−ＳＲ
を含む、請求項２２に記載のセンサ。
【請求項２９】
前記分子が、
【化６】
2005533371.tif 000020
式中、Ａ及びＢは同一又は同一でない導電性又は非導電性部分であり、ＩはＡとＢとの間の絶縁ブリッジであり、ＣＬ及びＣＲはそれぞれ左側電極及び右側電極とのコネクタであり、「＋」及び「−」は双極子部分を表す、
を含む、請求項２２に記載のセンサ。
【請求項３０】
前記切り換え可能な双極子部分が、双安定である、請求項２２に記載のセンサ。
【請求項３１】
前記ソースと前記ドレインとの間の電流が、前記分子の分極により影響を及ぼされる、請求項２２に記載のセンサ。
【請求項３２】
前記分極が、（ａ）前記センサを光センサとして作動させる光子、（ｂ）前記センサを化学的又は生物学的センサとして作動させるｐＨ、水分、化学種、及び生物学的因子、（ｃ）前記センサを温度センサとして作動させる温度、（ｄ）前記センサを圧力センサとして作動させる圧力、から成る群から選択される少なくとも１つの環境パラメータによって影響を及ぼされる、請求項３１に記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、機能長スケールがナノメートルである電子デバイスを対象とし、より詳細には、スイッチング双極子基（ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  ｄｉｐｏｌｅ  ｇｒｏｕｐ）を有する分子を利用したトランジスタ及びセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、従来の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）は、主に半導体材料からなり（図１ａ参照）、ソースとドレインとの間にある半導体領域の電気キャリアは、ゲートに適用される電圧の影響を受ける。換言すると、ソースとドレインとの間のコンダクタンスは、ゲート電圧によって制御される。
【０００３】
トランジスタの寸法（図１ａのＬ）をナノメートル規模（＜１５ｎｍ）にまで縮小すると、ソースとドレインとの分離が小さくなりすぎて、ゲートはキャリア密度に効果的に作用することができない。その結果、ナノスケールＦＥＴは、半導体ＦＥＴと同じようには機能しなくなる。
【０００４】
従来技術の有機系複合トランジスタは、図１ｂに示すような構造を有し、ソースとドレインとの間にある有機物層のコンダクタンスは、図１ａの半導体トランジスタにおいてソースとドレインとの間のコンダクタンスがゲート電圧によって制御されるのと同じように、ゲートに適用される電圧によって制御される。「複合」とは、チャネルは有機化合物であるが、他は全て従来のＳｉ技術レイアウトであるという意味であり、例えば、Ｃ．  Ｒ．  ＫａｇａｎらによるＳｃｉｅｎｃｅ，Ｖｏｌ．２８６，  ｐｐ．９４５−９４７  （１９９９年１０月２９日）を参照されたい。通常、有機物層のコンダクタンスを変化させるためには、比較的高いゲート電圧が必要である。有機物層のコンダクタンス及び移動度は低く、通常は１ｃｍ２／（Ｖ・ｓ）よりも小さく、ゲート電圧は大きい（３０〜５０Ｖ）ため、トランジスタのスイッチング速度は遅い。この設計では、電流チャネルは有機物であり、ゲート酸化物及びゲートは従来のシリコン技術で使用されているものであることに留意されたい。これとは対照的に、ここに開示する実施形態では、有機物層は、分極した絶縁体であり、これは適用される外部電界によって制御される。半導体チャネルのゲート制御作用は、有機系の強誘電性絶縁体によって作り出される静電位によって実現され、有機系の強誘電性絶縁体は、チャネルと直接接触していても、絶縁体層で分離されていてもよい。
【０００５】
従来技術の強誘電体トランジスタは、図１ｃに示すような構造を有し、下にある強誘電体層の分極が、ソースとドレインとの間にある下層半導体層のコンダクタンスに影響を及ぼす。このようなトランジスタは、不揮発性メモリ用途に使用することができ、通常、強誘電体メモリ電界効果トランジスタ（ＦＥＭＦＥＴ）と呼ばれる。短距離ゲート素子（Ｌ＜１００ｎｍ）の作製及びそれに関連する問題は、寸法が小さいほど強誘電体素子のスイッチング特性が見かけ上、低下することである。
【０００６】
従来技術の化学的ＦＥＴ（ｃｈｅｍＦＥＴ）センサは、図１ｄに示され、特定の化学種を検出するために使用される。ｃｈｅｍＦＥＴは、チャネル領域、ソース電極、及びドレイン電極を含み、これらは全て絶縁体層上で成長させる  。チャネルは、周囲環境の分子にさらされており、それらはチャネル領域上に直接化学吸着することができる。この化学吸着によって、チャネル内のキャリア密度が変化し、従ってそのコンダクタンスが変化する。コンダクタンスの変化を使用して分子種を検出する（こういうわけで、用語「ｃｈｅｍＦＥＴ」）。ｃｈｅｍＦＥＴ装置は、例えば、Ａ．  ＢａｒｂａｒｏらによるＡｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｖｏｌ．４，  ｐｐ．４０２−４０８（１９９２）に記載されている。
【０００７】
分子材料をベースとするトランジスタ及び／又はセンサ素子に関しては、その動作に関して、非常に大きな技術的可能性がある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書に開示する第１の実施形態によれば、電気双極子を有する有機材料を含む分極依存性分子デバイス（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  ｄｅｖｉｃｅ）が提供される。この分極依存性分子デバイスは、
（ａ）基材上に形成された、長さＬのチャネル領域によって隔てられているソース領域及びドレイン領域；及び
（ｂ）チャネル領域上の分子層であって、切り換え可能な双極子部分を有する分子を含む、分子層
を含んで成る。
【０００９】
チャネル領域の少なくとも一部の上に、絶縁体層があってもなくてもよい。絶縁体層がある場合は、分子層は絶縁体層上に形成される。絶縁体層がない場合、分子層はチャネル領域上に形成される。
【００１０】
本明細書に開示する第２の実施形態によれば、やはり電気双極子を有する有機材料を含むトランジスタが提供される。このトランジスタは、
（ａ）基材上に形成された、約１〜１００ｎｍの範囲内の長さＬを有する半導体又は有機材料から作製されたチャネル領域によって隔てられているソース領域及びドレイン領域であって、この場合、チャネル領域は半導体材料を含み；
（ｂ）チャネル領域上の分子層であって、切り換え可能な双極子部分を有する分子を含む、分子層；
（ｃ）分子層上の、約１〜１００ｎｍの範囲内の幅ｗを有するゲート電極
を含んで成る。
【００１１】
先と同様に、チャネル領域の少なくとも一部の上に、絶縁体層があってもなくてもよい。絶縁体層がある場合、分子層は絶縁体層上に形成される。絶縁体層がない場合、分子層はチャネル領域上に直接形成される。
【００１２】
本明細書に開示するような、電気双極子を有する有機材料を含む分子トランジスタは、これまでの半導体及び有機物トランジスタよりも優れたいくつかの利点を有する：高密度ナノスケール回路に適している；トランジスタのゲートは、ソースとドレインとの間のコンダクタンスに効果的に影響する；並びに、従来技術の手法よりも高価でない。同様に、類似の構成要素で構成されるセンサは、従来技術のセンサよりも優れた類似の長所を有する。
【００１３】
本明細書に開示する第３の実施形態によれば、やはり電気双極子を有する有機分子を含むセンサが提供される。このセンサは、
（ａ）基材上に形成された、約１〜１００ｎｍの範囲内の長さＬを有するチャネル領域によって隔てられているソース領域及びドレイン領域；及び
（ｂ）チャネル領域上の分子層であって、切り換え可能な双極子部分を有する分子を含む、分子層
を含んで成る。
【００１４】
先と同様に、チャネル領域の少なくとも一部の上に、絶縁体層があってもなくてもよい。絶縁体層がある場合、分子層は絶縁体層上に形成される。絶縁体層がない場合、分子層はチャネル領域上に直接形成される。
【００１５】
当該センサは、限定はしないが、（ａ）当該センサを光センサとして動作させる光子、（ｂ）当該センサを化学的又は生物学的センサとして動作させるｐＨ、水分、化学種、及び生物学的因子、（ｃ）当該センサを温度センサとして動作させる温度、（ｄ）当該センサを圧力センサとして動作させる圧力、をはじめとする様々な環境パラメータに対して、目的に応じて応答する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
定義
本明細書で用いるとき、用語「自己組織化（ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｅｄ）」とは、当該系を構成する要素の素性に応じて、必然的に何らかの幾何学パターンをとる系を意味する。当該系は、その構成をとることで、そのエネルギーが少なくとも極小となる。
【００１７】
用語「１回だけ構成可能（ｓｉｎｇｌｙ  ｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ）」とは、スイッチが、酸化反応や還元反応などの不可逆プロセスによって、その状態を１度だけ変化させることができることを意味する。そのようなスイッチは、例えばプログラム可能読み出し専用メモリ（ＰＲＯＭ）の基礎とすることができる。
【００１８】
用語「再構成可能（ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ）」とは、スイッチが、酸化や還元などの可逆的プロセスによって又は電界で誘起される機械的な動きによって、その状態を複数回変化させることができることを意味する。換言すると、当該スイッチは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）のメモリビットのように、複数回開閉することができる。
【００１９】
分子に適用されるとき、用語「双安定」とは、エネルギー（又は活性化）障壁によって隔てられている、比較的低い２つのエネルギー状態を有する分子を意味する。当該分子は、ある状態から他の状態へと不可逆的に切り換わる場合も（１回だけ構成可能）、又は、ある状態から他の状態へと可逆的に切り換わる場合もある（再構成可能）。
【００２０】
ミクロンスケールの大きさとは、寸法が１マイクロメートル〜数マイクロメートルの範囲の大きさを意味する。
【００２１】
サブミクロンスケールの大きさとは、１マイクロメートル〜０．０５マイクロメートルの範囲の大きさを意味する。
【００２２】
ナノメートルスケールの大きさとは、０．１ナノメートル〜５０ナノメートル（０．０５マイクロメートル）の範囲の大きさを意味する。
【００２３】
ミクロンスケール及びサブミクロンスケールのワイヤは、幅又は直径が０．０５〜１０マイクロメートルの大きさであり、高さが数十ナノメートル〜１マイクロメートルの範囲であり、長さが数マイクロメートル以上である、ロッド又はリボン型の導体あるいは半導体を意味する。
【００２４】
「ＨＯＭＯ」は、「最高被占分子軌道」の一般的化学頭字語であり、「ＬＵＭＯ」は、「最低空分子軌道」の一般的化学頭字語である。ＨＯＭＯ及びＬＵＭＯは、分子内での電子の伝導に寄与する。
【００２５】
従来技術の構造体
図１ａに示すように、従来技術の半導体ＦＥＴ１０は、半導体基材１８内に形成されたチャネル領域１６によって隔てられているソース領域１２及びドレイン領域１４を含む。ソース領域１２及びドレイン領域１４は、チャネル領域１６と反対のドーパント電導性を有する。ソース領域１２とドレイン領域１４との間には、基材１８表面上に絶縁体層２０が形成されており、当該絶縁体層上には金属ゲート２２が形成されている。ソース領域１２及びドレイン領域１４には、接点（図示せず）を作製することができる。ゲート２２に電圧を適用することにより、ソース領域１２とドレイン領域１４との間に流れるキャリア（電子−正孔）が制御される。
【００２６】
図１ｂに示すように、従来技術の有機物ＦＥＴ１１０は、ソース領域１１２とドレイン領域１１４を含み、これらは両方とも絶縁体層１２０上に形成されている。絶縁体層は、ゲート１２２上に形成されている。有機物層１１６が、ソース領域１１２とドレイン領域１１４を分離しており、チャネル領域として機能する。この場合もまた、ゲート１２２に電圧を適用することにより、ソース領域１１２とドレイン領域１１４との間にある有機物層１１６のコンダクタンスが制御される。
【００２７】
図１ｃに示すように、従来技術の強誘電体ＦＥＴ２１０は、半導体基材２１８内に形成されたソース領域２１２、ドレイン領域２１４、及びそれらの間にあるチャネル領域２１６を含む。チャネル領域２１６とゲート２２２とを分離するために、半導体ＦＥＴの絶縁体層２０の代わりに、強誘電体層２２０が使用される。
【００２８】
図１ｄに示すように、従来技術のｃｈｅｍＦＥＴ３１０は、絶縁基材３１８上に形成されたソース領域３１２、ドレイン領域３１４、及びその間にあるチャネル領域３１６を含む。吸着した分子３２４は、チャネル領域３１６に直接化学吸着しており、その存在によって、チャネル内のキャリア密度が変化し、従ってそのコンダクタンスが変化する。
【００２９】
本実施形態の素子の構造
次に図２に移ると、本発明のトランジスタ構造４１０の一実施形態は、チャネル領域４１６によって隔てられている、ソース領域４１２とドレイン領域４１４を含む。チャネル領域４１６は、半導体を含むことが好ましい。ソース領域４１２とドレイン領域４１４の間には、チャネル領域４１６上に絶縁体層４２０が形成されており、当該絶縁体層４２０上にゲート４２２が形成されている。しかしながら、従来のトランジスタ構造（図１ａ）と比較して、ゲート４２２と絶縁体層４２０との間に、さらに他の有機物層４２４が挿入されている。絶縁体層４２０は、半導体（チャネル領域４１６）と有機物層４２４との間の界面電荷をなくすために必要となり得る。一方、表面電荷を分子と半導体との間の直接結合などの他の何らかの方法でなくすことができる場合は、絶縁体層４２０を省略することができる。その場合は、図２ａに示すように、分子層４２４がチャネル領域４１６上に直接形成される。
【００３０】
従来技術のトランジスタ構造との以上の違いの他に、もう１つの大きな違いは、本明細書に開示し特許請求するトランジスタがナノメートルスケールであることであり、したがって、ゲートの長さＬ及び厚さｗは、それぞれ１〜１００ｎｍの範囲である。
【００３１】
本明細書に開示する種々の実施形態を実施するのに使用される適切な絶縁体材料の例として、限定はしないが、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＺｒＳｉＯ４、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＨｆＳｉＯ４、Ｙ２Ｏ３、ＨｆＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｒＯ、Ｌａ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ３、ＢａＯ、及びＴｉＯ２が挙げられる。
【００３２】
理論
ゲート４２２とドレイン４１４との間に電圧Ｖｇを適用すると、ゲート下の双極子モーメントを有する分子を分極させることができる。ゲート電圧Ｖｇ及び半導体の表面電位φｓは、次のように関係する。
【００３３】
Ｖｇ−φｓ＝−σｓ／Ｃ−Ｐｄｍ／（ε０εｍ）       （１）
【００３４】
式中、Ｃは、下式で与えられるキャパシタンスである。
【００３５】
Ｃ＝（１／Ｃｍ＋１／Ｃｉ）−１
【００３６】
式中、
Ｃｍ＝ε０εｍ／ｄｍ
及び、
Ｃｉ＝ε０εｉ／ｄｉ
である。
【００３７】
式中、εｍは分子層４２４の誘電率、ｄｍは分子層の厚さ、εｉは絶縁体層４２０の誘電率、ｄｉは絶縁体層の厚さである。分子層４２４の分極はＰであり、これは電界及び／又は電界Ｅの履歴の関数であり、電界によって切り換え可能である。記号σｓは、半導体層４１６の単位面積当たりの電荷密度を表す。金属（ゲート４２２）と分子層４２４が直接接触しているので、分子層内の実効電荷はゼロであると仮定することができる。
【００３８】
分子内の正電荷及び負電荷の変位は大きいため、分子は、強誘電体固体材料よりも大きな双極子モーメントを有することができる。通常、分子は、小さい分子容積（〜１０−２９ｍ３）内に数デバイ（〜３．３ｘ１０−３クーロン−メートル）の双極子モーメントを有することができる。適切に整列した場合、極性分子アレイを含む分子結晶の分極は、約〜０．１Ｃ／ｍ２に達することができ、これは、報告された最良の強誘電体固体材料に匹敵する。式１から計算されるように、そのような分極と１ｎｍ以下の厚さを有する分子薄膜は、半導体上に１Ｖを超える表面電位φｓを生成し、これは、ゲート下の半導体の導電性に影響を及ぼのに十分に大きいものである（デバイス分析に関しては下記を参照）。
【００３９】
強誘電体固体層は、一般に、ドメインと呼ばれる領域からなり、各ドメイン内で分極は同一方向にある。ドメインは、通常、強誘電体表面の分極自体によって作り出される拘束電荷が上面又は下面の高導電性電極によって完全に遮蔽されない場合に現れる。電気的遮蔽がきわめて良好な場合には、ドメインは、強誘電体薄膜と基材との異なる格子定数によって生じるミスフィット歪み（ｍｉｓｆｉｔ  ｓｔｒａｉｎ）のために、強誘電体エピタキシャルフィルム内に現れることもある。既知の分子強誘電体は、「柔軟」な材料であり、分子鎖が緩く詰まっているため応力を緩和することができる。この場合、大きさがナノメートルスケールまで縮小されると、分子は、単一ドメインの状態のままでいることができ且つ切り換え可能である。
【００４０】
応用例
１．ナノスケール不揮発性メモリトランジスタ
ゲート４２２と半導体層４１６との間に電界を異なる方向に適用することによって、分子層４２４の分極の方向及び／又は大きさをある方向又は別の方向に切り換えることができる。電界が除去された後、分子層４２４の強誘電体分極は、そのままになり、半導体層４１６内のキャリアの密度とタイプに影響を及ぼし、これによりソース４１２とドレイン４１４との間に電流が生じる。この電流から、ゲート４２２によって書き込まれた分子分極が検出され読み出される。これは、分子層４２４を有すること以外ＦＥＭＦＥＴと類似しているが、装置の大きさが、はるかに小さく、したがって高密度ナノスケール回路に適している。
【００４１】
２．ロジック用途のためのゲインを有するナノスケールトランジスタ
従来のトランジスタ１０をナノメートルスケールまで縮小すると、しきい値以下の電流は同じままであるが、表面電位は弱い反転が始まるため減少しない。したがって、トランジスタ１０はそれ以上動作しなくなり、ロジック用途に極めて重要な電圧ゲインを失う。ゲート４２２と半導体層４１６との間にある、強誘電体双極子モーメントを有する分子層４２４は、式１に基づいて、電圧しきい値をＰｄｍ／（ε０εｍ）以下に低下させる。自発分極が＞１０−２Ｃ／ｍ２と大きく、且つ誘電率が例えばεｍ＝約１〜１００と比較的小さい場合は、大きいゲインが生じる。分子層４２４によって、絶縁体層４２０の厚さを小さくするか又はなくすことができる場合は、分子電気双極子モーメントが電界の関数として増大し、その結果、εｉと比べて誘電率εｍの値が高くなり、式１のキャパシタンスＣの値が大きくなり、したがってφｓとゲインが大きくなる。したがって、大きな電気分極Ｐを有する分子４２４は、ナノメートルサイズに縮小されると、トランジスタ４１０のゲインを高める。
【００４２】
３．センサ
ゲート４２２がない場合（図３）、ソース４１２とドレイン４１４との間の電流は、環境による影響を受ける分子４２４の分極によって影響を及ぼされ得る。分極を光子とその強さによって変化させることができ、その結果、装置５１０は光センサとして機能する。分極は、ｐＨ値、水分、化学種、生物的要素などの化学的環境によって変化することができ、その結果、装置５１０は、化学的又は生物学的センサとして機能する。分極を温度によって変化させることができ、その結果、装置は、温度センサとして機能する。分極を環境圧力によって変化させることができ、従って、装置は圧力センサとして機能する。同様に、環境を変化させて分子４２４の分極に影響を与えるとにより、そのような変化を検出し場合によっては変化を測定するために使用し得るセンサ５１０が製造される。
【００４３】
製造
トランジスタ４１０又はセンサ５１０を製造する際に採用する半導体材料は、限定はしないが、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮなどをはじめとする、任意の一般的な半導体材料とし得る。炭素は、カーボンナノチューブが半導体特性を示すという事実に基づいて、このリストに含めている。
【００４４】
ナノスケール半導体構造４１０、５１０は、カーボンナノチューブ（例えば、Ｃ．Ｚｈｏｕ  らによる、「Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｄｏｐｉｎｇ  ｏｆ  Ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ」，Ｓｃｉｅｎｃｅ，  ２９０，１５５２  （２０００）参照）や、化学的及び物理的方法により成長させたＳｉナノワイヤ（例えば、Ａ．  Ｍ．  Ｍｏｒａｌｅｓらによる、「Ａ  Ｌａｓｅｒ  Ａｂｌａｔｉｏｎ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｎａｎｏｗｉｒｅｓ」，Ｓｃｉｅｎｃｅ，  Ｖｏｌ．  ２７９，  ｐｐ．２０８−２１１（９  Ｊａｎ  １９９８）参照）などの、自己組織化法によって製造することができる。
【００４５】
ナノスケール半導体構造４１０、５１０は、最初に２次元半導体層４１６を成長させ、次に電子ビーム又はインプリンティングリソグラフィなどのナノ製造プロセスを使用してナノスケール構造を画定することで製造することができる（例えば、Ｓｔｅｐｈｅｎ  Ｙ．  Ｃｈｏｕらによる、「Ｕｌｔｒａｆａｓｔ  ａｎｄ  ｄｉｒｅｃｔ  ｉｍｐｒｉｎｔ  ｏｆ  ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｉｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ」，Ｎａｔｕｒｅ，  Ｖｏｌ．４１７，  ｐｐ．８３５−８３７  （２０  Ｊｕｎｅ  ２００２）参照）。
【００４６】
分子層４２４は、自己組織化法によって形成することができ、ここでは、分子が、絶縁体層４２０又は半導体面４１６に安定な結合により付着することで充填分子層が形成される。
【００４７】
分子層４２４は、ラングミュア−ブロジェット法によって形成することができ、ここでは、分子が、最初に充填層を形成し、次に絶縁体層４２０又は半導体面４１６へと移動する。
【００４８】
分子層４２４は、熱蒸着法によって形成することができる。
【００４９】
分子層４２４は、スピンオン技術によって形成することができる。
【００５０】
ソース４１２、ドレイン４１４及びゲート４２２は、従来の半導体プロセスにより、電子ビームやインプリンティングリソグラフィなどのナノ製造プロセスを使用してナノスケール構造（例えば、前記Ｃｈｏｕの参考文献を参照）を画定することにより作製することができる。
【００５１】
分子
分子層４２４に使用される分子は、切り換え可能な双極子部分を含まなければならない。分子は、双安定な切り換え可能双極子部分を含むことが好ましい。双安定性は、ロジックやセンサなどの非メモリ用途には必須ではないが、メモリ用途には必要である。
【００５２】
切り換え可能な双極子部分を有する分子の１つの実施形態は、周知の分子強誘電体ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン、（（ＣＨ２−ＣＦ２）ｎ−（ＣＨＦ−ＣＦ２））ｍ）分子ランダムコポリマーであり、これは、ラングミュア‐ブロジェット膜を形成することができる。ＰＶＤＦは、図４ａ〜図４ｂに示すように、間隔２．６Åを有する（ＣＨ２−ＣＦ２）単位で構成された線形フッ素化炭化水素である。ＰＶＤＦ鎖は、陰電性のフッ素から陽電性の水素を向く正味の双極子モーメントを有しており、高分子鎖に対してほとんど垂直に正味の双極子モーメントが生成される。これらの鎖は、分極Ｐ＝０．１３ｃｍ−２を生成する平行な双極子を有する、擬似六方最密充填の「ベータ相（ｂｅｔａ−ｐｈａｓｅ）」構造状に結晶化することができる。極性調整及び切り換えは、鎖に対して垂直な大きい電界を適用して分極の方向を反転させることによって行われる。ＰＶＤＦの常誘電体−強誘電体相転移温度は、その融点よりも高い。したがって、強誘電体特性に関する研究はほとんど、構造（ＣＨ２−ＣＦ２）ｎ−（ＣＨＦ−ＣＦ２）ｍを有するフッ化ビニリデンと三フッ化エチレンモノマーとのランダムコポリマーであるコポリマーＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）について行われてきた。ＴｒＦＥを５０％以下にて含むコポリマーは強誘電体であるが、分極及び転移温度が低い状態では、水素原子の一部がフッ素と置き換えられるため、高分子鎖の正味の双極子モーメントが低下する。スパン（ｓｐｕｎ）高分子フィルムは、素早い（約１ミリ秒）強誘電体スイッチングを示し、これは、電界と膜の厚さに依存する。
【００５３】
Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ ７０：３０）は、最も研究されてきたコポリマーであり、Ｐ＝０．１Ｃｍ−２の最大自発分極と、Ｔｃ＝１００℃の一次強誘電体−常誘電体相転移と、大きい温度ヒステリシスとを有する。相転移において、構造は、双極子整列構造（図４ａ）状に配列したオールトランス型（ａｌｌ−ｔｒａｎｓ）（ＴＴＴＴ）構成から、無極性構造（図４ｂ）状に配列した交番トランスゴーシュ型（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  ｔｒａｎｓ−ｇａｕｃｈｅ）（ＴＧＴＧ）構成へと変化する。コポリマーはまた、鎖の一方の側のいくつかの水素原子がそれよりも大きいフッ素原子と交換されるので、純粋なＰＶＤＦよりも少し大きい単位格子を有する。強誘電体Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ７０：３０）の高品質フィルムは、ラングミュア‐ブロジェット単分子膜転写法の水平シェーファー変形（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ  Ｓｃｈａｅｆｅｒ  ｖａｒｉａｔｉｏｎ）によって製造される。強誘電体ＬＢ薄膜は、平行鎖結晶のランダム配向領域を有する多結晶である。強誘電体ＬＢ薄膜は、強い一次バルク強誘電体相転移と、Ｔｃ＝８０℃未満で完全に可逆的な分極スイッチングとを有する。［以上の説明は、Ｌ．  Ｍ．Ｂｌｉｎｏｖらによる、「Ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ」，Ｕｓｐｅｃｋｈｉ  Ｆｉｚｉｃｈｅｓｋｉｋｈ  Ｎａｕｋ  （Ｐｈｙｓｉｃｓ−Ｕｓｐｅｋｈｉ），  Ｖｏｌ．４３，  ｐｐ．２４３−２５７（２０００）による］
【００５４】
切り換え可能な双極子部分を有する他の分子の例として、以下に示す分子が挙げられる。そのような極性分子は、適用外部電界によって整列させ得る双安定極性群（ｂｉｓｔａｂｌｅ  ｐｏｌａｒ  ｇｒｏｕｐ）を有する。当該分子は、本実施形態を実現するために望ましい特性を有しており、当該実施形態を生成するために使用される設計の例示として示し、且つ対象分子を生成するために使用される設計の例示として示している。エネルギー障壁は、双極子回転子を固定子（分子の骨格部分）に拘束している水素結合を破壊し作成するエネルギーによって与えられる。障壁は、０．２〜０．６ｅＶの範囲であると推測できるが、分子の様々な組成によって異なり得る。強誘電体タイプの種々の分子上の双極子間に相互作用がある場合、障壁が小さいほど、これに対応して、分子の特定の配座状態の寿命が短くなり、双極子基の配列温度（ｏｒｄｅｒｉｎｇ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）が低くなる。分子は外部電界によって配列させることができるが、そのように決まっているのではなく、特定のシステムの例外的な場合には、自発的な強誘電体配列が見られるはずである。それらのパラメータに応じて、様々な分子システムの揮発性応用形態並びに不揮発性応用形態を開発することができる。
【００５５】
【化７】
2005533371.tif 000003
【００５６】
式中、化学式（１）内の文字は以下のように定義される：
Ａ＝ＣＨ；Ｎ；Ｃ−アルキル；Ｃ−ハロゲン；Ｃ−ＯＨ；Ｃ−ＯＲ（エーテル）；Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）；Ｃ−アミド；Ｃ−エステル又はチオエステル；
Ｂ＝ＣＨ；Ｎ；Ｃ−アルキル；Ｃ−ハロゲン；；Ｃ−ＯＨ；Ｃ−ＯＲ（エーテル）；Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）；Ｃ−アミド；Ｃ−エステル又はチオエステル；
Ｄ，Ｇ＝Ｃ；
Ｅ＝ＣＨ；Ｎ；Ｃ−アルキル；Ｃ−ハロゲン；Ｃ−ＯＨ；Ｃ−ＯＲ（エーテル）；Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）；Ｃ−アミド；Ｃ−エステル又はチオエステル；
Ｆ＝ＣＨ；Ｎ；Ｃ−アルキル；Ｃ−ハロゲン；Ｃ−ＯＨ；Ｃ−ＯＲ（エーテル）；Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）；Ｃ−アミド；Ｃ−エステル又はチオエステル；
Ｊ＝ＣＨ；Ｎ；Ｃ−アルキル；Ｃ−ハロゲン；Ｃ−ＯＨ；Ｃ−ＯＲ（エーテル）；Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）；Ｃ−アミド；Ｃ−エステル又はチオエステル；
Ｋ＝ＣＨ；Ｎ；Ｃ−アルキル；Ｃ−ハロゲン；Ｃ−ＯＨ；Ｃ−ＯＲ（エーテル）；Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）；Ｃ−アミド；Ｃ−エステル又はチオエステル；
Ｍ＝ＣＨ２；ＣＦ２；ＣＣｌ２；ＣＨＯＣＨ３；ＣＨＯＨ；ＣＨＦ；ＣＯ；ＣＨ＝ＣＨ；ＣＨ２−ＣＨ２；Ｓ；Ｏ；ＮＨ；ＮＲ；ＮＣＯＲ；又はＮＣＯＡｒ；
Ｑ＝ＣＨ；窒素；リン；又はホウ素；
Ｙ＝Ｏ又はＳ；及び
Ｚ＝Ｒ（Ｈ；アルキル）；ＮＨＲ；ＯＲ；ＳＲ；ＣＨＲ−ＮＨＲ；ＣＨＲ−ＯＲ；ＣＨＲ−ＳＲ；ＣＨＲ−Ｘ（ハロゲン）；ＮＲ−ＮＨＲ；ＮＲ−ＯＲ；あるいはＮＲ−ＳＲのように定義される。
【００５７】
上記分子は、２００１年１月１２日付けの、Ａｌｅｘａｎｄｒｅ  Ｍ．  Ｂｒａｔｋｏｖｓｋｉらによる、「Ｂｉｓｔａｂｌｅ  Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｄｅｖｉｃｅ  ｗｉｔｈ  ａｎ  Ａｐｅｎｄｅｄ  Ｒｏｔｏｒ  Ａｃｔｉｖａｔｅｄ  ｂｙ  ａｎ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｆｉｅｌｄ  ｆｏｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ，  Ｇａｔｉｎｇ  ａｎｄ  Ｍｅｍｏｒｙ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」と題を付された出願番号０９／７５９，４３８に開示されている。当該特許出願では、メモリ、ロジック及び通信の機能を実現するクロスバー回路を製造するために組み合わせることができるナノメートルスケールの可逆電子スイッチが提供されている。当該電子スイッチ、即ちクロスワイヤデバイス（ｃｒｏｓｓｅｄ−ｗｉｒｅ  ｄｅｖｉｃｅ）は、あるワイヤが他のワイヤと０度以外の角度で交差するところの接合部を構成する１対の交差したワイヤと、当該接合部において前記１対の交差したワイヤを接続する少なくとも１つのコネクタ種（ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ  ｓｐｅｃｉｅｓ）とを含んで成る。接合部は、ナノメートルの機能寸法を有し、少なくとも１つのコネクタ種
【００５８】
適切な分子のさらに他の実施形態として、双極子基を支持し且つ／又は分子骨格の一部を構成するところの、（ａ）４つ以上の縮合ベンゼン環、（ｂ）５員環、（ｃ）７員環、（ｄ）飽和環、及び（ｅ）他の飽和及び不飽和基、がその骨格に含まれ得る分子が挙げられる。
【００５９】
本発明に好ましく採用される分子のさらに他の例として、ダイオード及びスイッチ機能の両方を備える単一分子種が挙げられる。当該分子種は、以下の式で表される。
【００６０】
【化８】
2005533371.tif 000004
【００６１】
式中、Ａ及びＢは同一又は同一でない導電性又は非導電部分であり、ＩはＡとＢとの間の絶縁ブリッジであり、ＣＬ及びＣＲはそれぞれ左側電極及び右側電極とのコネクタであり、「＋」及び「−」は、双極子部分を示す。
【００６２】
このような構造を有する分子種の具体的な例は、例えば、以下の構造（状態１及び２）で示される。
【００６３】
【化９】
2005533371.tif 000005
【００６４】
別の例は、以下である。
【００６５】
【化１０】
2005533371.tif 000006
【００６６】
さらに、別の例は、構造１ａ（状態１）及び構造１ｂ（状態２）という２つの状態を示す。
【００６７】
【化１１】
2005533371.tif 000007
【００６８】
構造１ａは、状態１の分子の例を示す。双極子は、アミド基−ＣＯＮＨ２によって表され、酸素カルボニル（＝Ｏ）が「−」、アミド（−ＮＨ２）が「＋」である。基Ａ及びＢはそれぞれ、ナフタレンとベンゼンによって表されている。（金）電極（式１ａには図示せず）への接続は、ＣＨ２ＳＨ基（連結基ＣＬ、ＣＲ）によって提供される。
【００６９】
【化１２】
2005533371.tif 000008
【００７０】
構造１ｂは、状態２の連結分子を示し、ここでは、双極子が、状態１の位置に対して１８０度回転していることがみてとれる。
【００７１】
そのような双極子を含む分子のさらに他の例を以下に示す。
【００７２】
【化１３】
2005533371.tif 000009
【００７３】
一実施形態では、Ａ部分及びＢ部分は非導電性である。非導電性のＡ部分及びＢ部分の例は、双極子基を支持するための飽和炭化水素鎖又は環である。絶縁基（ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ  ｇｒｏｕｐ）は、共役基（ｃｏｎｊｕｇａｔｅｄ  ｇｒｏｕｐ）よりも分極し難く、双極子から生じる電界を共役基ほどには遮蔽しないと予想される。双極子電界は、分子の他の部分によって遮蔽されないことが好ましい。
【００７４】
別の実施形態では、Ａ部分及びＢ部分は、導電性であり、またＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが比較的小さく（約２〜６ｅＶ）、ＨＯＭＯとＬＵＭＯ及び隣接する分子軌道が非局在化し、実質的に基の長さ全体にわたって延在しているという特性によって特徴づけられる。導電性基（ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｇｒｏｕｐ）Ａ、Ｂとして、共役炭化水素及び芳香族ホモ及びヘテロ炭素環が挙げられる。導電性ユニットの例を以下に示す。
【００７５】
【化１４】
2005533371.tif 000010
【化１５】
2005533371.tif 000011
【００７６】
さらに、基Ａ、Ｂは、例えば−ＣＨ３などのアルカンや、例えば−ＮＨ２、−ＮＯ２、−ＣＮ、−ＯＨ、−ＣＯＯＨ、−ＮＯなどの他の官能基のような種々の側鎖を付けることによって変性させることができる。当該設計の重要な特微は、導電性基ＡとＢとが同じではないことである。具体的には、導電性基ＡとＢは、それぞれ、異なるエネルギーのＬＵＭＯを持たなければならない。導電性基Ａ及びＢの、ＬＵＭＯ間の最小エネルギー差は、０．１ｅＶであることが好ましい。
【００７７】
絶縁基Ｉは、ＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが比較的大きい（約６〜１０ｅＶ）という特徴を有する。絶縁基Ｉは、環式又は非環式何れかの飽和炭化水素を含むことができる。絶縁基Ｉの例を以下に示す。
【００７８】
【化１６】
2005533371.tif 000012
【００７９】
絶縁部分Ｉはさらに、例えば−ＣＨ３などのアルカン、あるいはＮＨ２、ＮＯ２、ＣＮ、−ＯＨ、−ＣＯＯＨ、−ＮＯなどの他の官能基のような様々な側鎖を付けることによって変性することができる。絶縁ブリッジＩの重要な特性は、接続する２つの導電性部分ＡとＢとの間に十分な電気絶縁性を提供することである。「十分な電気絶縁性」とは、２つの導電性部分Ａ、Ｂの分子軌道間の混成が１％未満と小さいことを意味する。これにより、軌道のエネルギーが双極子基の電界の影響下で独立に変化するようになる。必要な絶縁は、絶縁ブリッジＩの長さを適切に選択することによって実現され、そのような適切な選択は、過度の実験を要することなく、十分、当業者の能力の範囲内であると考えられる。
【００８０】
双極子は、４デバイを超える大きい双極子モーメントを有する。これは、電子供与体、及びその反対側に付けられた電子受容体を有する部分を用いることで実現し得る。代替的に、双極子は、双極性イオンの形態とし得る。また、ダイオード‐スイッチ分子の固定部分との水素結合を形成すべく、双極子は、通常は１つ又は複数の酸素原子に起因する、強く局在化した陰性極を有さねばならない。双極子の最後の重要な特性は、双極子の回転に対する低いエネルギー障壁を保証する単一結合又は三重結合による他の分子への接続である。当該双極子基の例を、以下に示す。
【００８１】
【化１７】
2005533371.tif 000013
【００８２】
側鎖又はコネクタ基ＣＬ、ＣＲは、電極との接続をもたらす。したがって、その選択は、電極の材料並びにデバイス製造方法と無関係ではなく、調和させねばならない。金、銀、又は他の貴金属上での自己組織化の場合には、例えば、側鎖ＣＬ、ＣＲは、チオール又は末端がチオールのアルケンである。ラングミュア‐ブロジェットアセンブリの場合、側鎖ＣＬ、ＣＲは、末端が−ＣＯＯＨの鎖又は基とし得る。例を以下に示す。
【００８３】
【化１８】
2005533371.tif 000014
【００８４】
双極性分子を付ける電極は、金属でも半導体でもよい。材料の選択は、デバイス製造方法、分子種との化学的適合性、及び仕事関数の値によって決定される。仕事関数は、分子のＬＵＭＯに関する電極フェルミ準位の位置を決定する。また、分子の両側に異なる２つの電極を使用することは、本明細書に開示した実施形態の範囲内であると意図される。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本明細書に開示したトランジスタ及びセンサは、ナノスケールデバイスにおいて用途を見い出すものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１ａ】従来技術の半導体電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）
【図１ｂ】従来技術の有機物ＦＥＴ
【図１ｃ】従来技術の強誘電体トランジスタ
【図１ｄ】従来技術の化学的ＦＥＴセンサ
【図２】ナノメートルスケールの分子ＦＥＴの一実施形態（図２）、及びその代替実施形態（図２ａ）
【図３】ナノメートルスケールの分子センサの一実施形態
【図４】オールトランス型（ＴＴＴＴ）構成（図４ａ）と、交番トランス−ゴーシュ型（ＴＧＴＧ）構成（図４ｂ）という、既知の２つの異なる様相のフッ化ビニリデンと三フッ化エチレンとのコポリマー
【図１ａ】
2005533371.tif 000021
【図１ｂ】
2005533371.tif 000022
【図１ｃ】
2005533371.tif 000023
【図１ｄ】
2005533371.tif 000024
【図２】
2005533371.tif 000025
【図３】
2005533371.tif 000026
【図４ａ】
2005533371.tif 000027
【図４ｂ】
2005533371.tif 000028
【国際調査報告】
2005533371.tif 000029
2005533371.tif 000030
2005533371.tif 000031
2005533371.tif 000032
2005533371.tif 000033
2005533371.tif 000034