(57)【要約】  組成物であって、分子内電荷移動もしくは分子間電荷移動または分子（１２）と電極（１４、１６；１４’、１６’）との間での、電界によって引き起こされる電荷移動によって、電気的特性に変化をもたらす組成物を提供する。
2007538409.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分子内電荷移動もしくは分子間電荷移動または分子（１２）と電極（１４、１６；１４’、１６’）との間の、電界によって引き起こされる電荷移動により、デバイスの電気的特性に変化をもたらす組成物。
【請求項２】
（ａ）バンド局在化を増減することに伴って生じる電荷の分離または局在化（もしくは再結合）によって引き起こされる電界誘起のバンドギャップ変化、
（ｂ）π結合の破壊もしくは形成を伴ってもしくは伴うことなく、電荷の分離、移動または再結合による拡張共役の変化によって引き起こされる電界誘起の分子双極子の切替、
（ｃ）分子間電荷移動による電界誘起の二分子電荷錯体生成および電荷分離、あるいは
（ｄ）酸化還元機構による前記分子（１２）内の電界誘起の電荷密度変化
を明らかに示す、請求項１に記載の組成物。
【請求項３】
少なくとも２つの電極（１４、１６；１４’、１６’）と、該少なくとも２つの電極に電気的に関連づけられている活性材料（１２）とを有するデバイス（１０；２０）であって、該活性材料が、請求項１に記載の組成物を含む、デバイス。
【請求項４】
前記デバイス（１０）が二電極デバイスであり、２つの電極（１４、１６）と、該電極間に配置されかつ該電極に電気的に関連づけられている前記活性材料（１２）とを備える、請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
（ａ）前記電極（１４、１６）がいずれも、同じであっても異なっていてもよい金属を含むか、
（ｂ）前記電極（１４、１６）のうちの一方が金属を含み、前記電極（１６、１４）のうちの他方は半導体を含むか、または
（ｃ）前記電極（１４、１６）がいずれも、同じであっても異なっていてもよい半導体を含む、請求項４に記載のデバイス。
【請求項６】
前記デバイス（２０）が、三電極デバイスであり、ゲート電極（１４’）と、チャネル領域（２６）によって分離されるソース領域（２２）およびドレイン領域（２４）を備える半導体電極（１６’）とを備えており、該チャネル（２６）の電気的特性が、分子内電荷移動もしくは分子間電荷移動または前記活性材料（１２）と前記ゲート電極（１４’）との間の電荷移動によって変化することができ、該電荷移動が前記電界によって引き起こされる、請求項３に記載のデバイス。
【請求項７】
（ａ）前記ゲート電極（１４’）が金属を含むか、または
（ｂ）前記ゲート電極（１４’）が半導体を含む、請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
２つの電極（１４、１６）、および該２つの電極間に電気的に配置されかつ該２つの電極に電気的に関連づけられた活性材料（１２）を有する少なくとも１つの第１のデバイス（１０）と、ゲート電極（１４’）、ならびにチャネル領域（２６）によって分離されるソース（２２）領域およびドレイン（２４）領域を含む半導体電極（１６’）を含む、３つの電極を有する少なくとも１つの第２のデバイス（２０）との組み合わせであって、前記チャネル（２６）の電気的特性が、分子内電荷移動もしくは分子間電荷移動または前記活性材料（１２）と前記ゲート電極（１４’）との間の電荷移動によって変化することができ、該電荷移動が前記電界によって引き起こされ、各デバイス（１０、２０）内の前記活性材料（１２）が請求項１に記載の組成物を含む、組み合わせ。
【請求項９】
（ａ）前記電気的接続が直列であるか、または
（ｂ）前記電気的接続が並列である、請求項８に記載の組み合わせ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノメートルスケールでの、スイッチ、センサ、トランジスタ等における電子的および光学的な切替のために有用な分子および分子系（分子システム）に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、分子トランジスタを形成するために分子がデバイスに組み込まれており、そのようなトランジスタでは、分子に外部から電界を印加すると、電荷および電気的特性が変化する。しかし、これらの分子では、電界が除去された後には、分子内の電荷および電気的特性の変化は消失するであろう。したがって、そのような分子構造またはデバイス構造を用いて、不揮発性デバイスを形成することはできない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
外部からの電界が除去されても、電荷および電気的特性の変化を保持する不揮発性デバイスを形成するための手法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本明細書において開示される一実施形態によれば、分子内電荷移動もしくは分子間電荷移動または分子と電極との間での、電界によって引き起こされる電荷移動によって電気的特性に変化をもたらす組成物が提供される。
【０００５】
本明細書において開示される別の実施形態によれば、少なくとも２つの電極と、電極に電気的に関連付けられた（電気的に結合している）活性材料（活性物質）とを有するデバイスが開示される。その活性材料は、分子内電荷移動もしくは分子間電荷移動または分子と電極との間での電荷移動によって電子的な切替が可能である。その電荷移動は電界によって引き起こされる。
【０００６】
さらに別の実施形態によれば、２つの電極、およびその電極間に電気的に配置されかつそれらの電極に電気的に関連付けられた活性材料を有する少なくとも１つの第１のデバイスと、ゲート電極、ならびにチャネル領域によって分離されるソース領域およびドレイン領域を含む半導体電極を含む３つの電極を有する少なくとも１つの第２のデバイスとを含む組み合わせが提供される。各デバイス内の活性材料は、分子内電荷移動もしくは分子間電荷移動または活性材料の分子と電極との間の電荷移動によって電子的な切替ができるものである。電荷移動は電界によって引き起こされ、また、第１のデバイスは第２のデバイスに電気的に接続されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
ここで、本発明を実施するために発明者によって現時点で考えられる最良の形態を示す具体的な実施形態を詳細に参照する。必要に応じて、代替の実施形態も簡単に説明する。
【０００８】
本明細書の教示によれば、電界によって引き起こされる分子内電荷移動もしくは分子間電荷移動または分子と電極との間での電荷移動によって、電子的な切替をもたらす組成物が提供される。その目標は、分子／分子錯体を低導電率状態と高導電率状態との間で切り替えることである。その概念は、外部から電界を印加することによって分子への／分子からの電荷移動を開始し、これにより、その分子が余分な電荷を獲得するかまたは電荷を失い、その結果、その導電率が変化するというものである。上記組成物によって、外部からの電界が除去されても電荷および電気的特性の変化を保持する不揮発性デバイスの製造が可能となる。
【０００９】
能動素子として分子を利用するメモリデバイスまたは論理分子デバイスでは、分子に電圧（または電界）を印加し、分子内もしくは分子間の機構によってまたは分子と電極との間で、電荷移動を引き起こすことができる（あるいは解消または低減される）。例えば、よく知られているように、分子内の正および負の電荷は、外部からの電界（Ｅ）が０に等しい平衡位置において、所定の距離だけ分離されていてよい。その分子に外部から電界を印加すると、その方向に応じて、正／負の電荷が押し込まれて合わせられ（push together）、それにより電荷が再結合して、外部からの電界が除去された後にもその分子が中性化されているか、または外部からの電界を逆方向に印加する場合には、過程が逆になり、分子内の電荷双極子の動きが大きくなり、正および負の電荷がさらに大きく分離され得る。
【００１０】
同様によく知られているように、外部から電界を印加すると、同様に、隣接する分子間で電荷移動が起こることもある。したがって、外部からの電界が０に等しい場合には、正に帯電している分子は、負に帯電している分子から所定の距離だけ分離されていてよい。上記のように、隣接する分子に外部から電界を印加すると、正／負の電荷が押されて合わせられ、それにより電荷が再結合して、外部からの電界が除去された後にもその分子対が中性化されているか、または外部からの電界が逆方向に印加される場合には、その過程が逆になり、分子内の電荷双極子の動きが大きくなり、正および負の電荷がさらに大きく分離されることになる。
【００１１】
その間に分子が挟まれて配置されている電極の対の間に、外部から電界を印加すると、電荷移動は電極と分子との間でも起こることがある。よく知られているように、その方向に応じて、電界は、分子内の電荷を相殺することができるかまたは分子内に電荷を誘起することができる。
【００１２】
電荷移動により、分子内の電荷占有率（charge occupancy）または分子のエネルギー準位が変化し、その結果、分子の電気的特性を変化させる。この機構を、メモリ／論理デバイスにおいて用いることができる。
【００１３】
図１に示す二電極メモリデバイス１０は当該技術分野において知られており、通常、２つの電極１４と１６との間に配置される分子１２を備えている。そのようなデバイス１０の場合、電気的特性の変化は、電荷移動を引き起こす電界の値よりも小さな値を有する電界を印加することによって、検出することができる。分子１２内の電荷状態が異なる時、電気的特性（例えば、トンネル電流）の差を検出することができる。それゆえ、分子１２に格納されるＩ／Ｏ（入力／出力）ビットを判定することができる。
【００１４】
同じく当該技術分野において知られている三電極デバイス２０を図２に示す。このデバイス２０は、ゲート電極１４’と、ソース２２およびドレイン２４を備える電極１６’との間に配置される分子１２を備え、ソースおよびドレインはチャネル領域２６によって分離されている。この三電極デバイス２０の場合、分子１２内の異なる電荷が、電極１６’内のソース／ドレイン、すなわち半導体内に電界を誘起することができる。電極１６’内のソース２２とドレイン２４との間の電流は、電界により影響が与えられ得る。それゆえ、その電流は、分子１２内の電荷によって決定され、その電荷は、ゲート電極１４’において印加される電圧によって変更することができる。この構成は、メモリ／論理デバイスの応用形態のためのトランジスタ２０を形成し得る。
【００１５】
Ａ．分子内および／もしくは分子と金属／半導体との間での電荷移動を生じる分子／半導体ならびに／または分子／金属接合によって形成される論理デバイスおよびメモリデバイス
分子１２は、そのＨＯＭＯ／ＬＵＭＯ（最高被占分子軌道／最低空分子軌道）エネルギー準位を有し、その間には、フェルミエネルギー準位が存在する。半導体も、その半導体の伝導帯と価電子帯との間にフェルミエネルギー準位を有する。よく知られているように、分子１２の層が半導体／金属電極との接合部を形成する時、分子と半導体／金属との間のフェルミ準位は平衡状態になり、種々のエネルギー準位が調整される。その結果、分子１２を酸化／還元することができる（すなわち、その分子から電子を除去する／その分子に電子を付加することができる）。
【００１６】
具体的には、上記のデバイス１０、２０のいずれかにおいて、分子を電極と接触させる前の場合について考える。その場合、電極のうちの一方が半導体材料を含み、他方が金属を含む。半導体電極は、その間にフェルミ準位が存在する伝導帯（ＣＢ）および価電子帯（ＶＢ）によって特徴付けられる。その分子（ドーパントを有する）のフェルミ準位は、ＨＯＭＯ準位とＬＵＭＯ準位との間に位置するが、半導体のフェルミ準位と同じエネルギー準位にはない。
【００１７】
分子が半導体との接合部を形成すると、半導体および分子のフェルミ準位が１つになり（merge）、すなわち平衡状態に達し、よく知られているように、バンドの曲がり（bending of the bands）が生じる。
【００１８】
一般的に、分子上の電子の仕事関数ｑΦｍと、電極上の電子の仕事関数ｑΦｅｌとは異なる。分子と電極とを接触させることによって仕事関数が接触すると、それらの間には電荷移動が生じ、平衡状態において電荷密度ρ（ｘ）が現われ、両方の実体上で確立される静電位は異なるであろう、すなわち、φｍ≠φｅｌである。平衡の条件は、以下の通りである。
ｑ（φｅｌ−φｍ）＝ｑΦｅｌ−ｑΦｍ
【００１９】
または、電荷密度を用いて、上式を以下のように書き直すことができる。
【００２０】
【数１】
2007538409.tif 000003
【００２１】
上式で、ｘｍは分子の位置であり、ｘｅｌは電極内の電気的に中性な領域内の点である。
【００２２】
異なる分子の場合、分子内の電荷分布は、例えば、ρＭ１（ｘ）⇔ρＭ２（ｘ）またはその逆に変化することができる。しかし、電荷分布ρＭ１（ｘ）が式１を満たし、それに応じて半導体／金属側の電荷分布が変化するのであれば、安定した状態であろう。言い換えると、同じ分子であるが、異なる電荷分布を有するものに対し実現可能な異なる双安定または多安定状態が存在する。さらに、これらの分子は、その分子内の電荷移動によって、１つの状態から他の状態に移行することができる。
【００２３】
分子の一例は、分子内を動き回ることができる帯電した環を有する分子である。そのような分子のよく知られている例は、ロタキサンおよびカテナンを含む。
【００２４】
別の例は、１つの位置から異なる位置まで移動する電荷（電子またはイオン）を有する分子である。
【００２５】
さらに別の例は、１つの方向から別の方向に切り替わる双極子モーメントを有する分子である。
【００２６】
さらに別の例は、分子内の電荷密度を変更することができる分子である。
【００２７】
言い換えると、分子１２の全ての異なる状態が、半導体／金属との平衡状態を有していてよく、これらの異なる状態は、１つの状態から別の状態に変化可能である。
【００２８】
上記の一応用形態は、図１に示した上述の二電極メモリデバイス１０である。
【００２９】
電極１４と１６との間に電界を印加することによって、分子１２内の電荷分布が第１の状態（状態Ａ）から第２の状態（状態Ｂ）に移行することができる場合には、それらの分子状態の差を、より低い電界／電流で検出することができ、それをメモリデバイス１０のために用いることができる。
【００３０】
上記の事項の別の応用形態は、上述の論理デバイスおよびメモリデバイスのためのトランジスタ２０であり、これは図２に示したものであり、また上述した通りである。分子１２内の電荷分布が状態Ａから状態Ｂに移行する時、ソース２２とドレイン２４との間での半導体電極１６’内の電荷分布を変化させることができ、それにより、ソースとドレインとの間の電流をオン／オフすることができる。電荷移動を、分子１２上にあるゲート電極２０によって制御することができれば、三端子トランジスタ２０が形成される。
【００３１】
Ｂ．分子の例
以下の例は、外部からの電界によって引き起こされる分子内電荷移動もしくは分子間電荷移動または分子と電極との間の電荷移動によって、電子的な切替をもたらす組成物を対象とする。
【００３２】
メモリデバイスまたは論理デバイスでは、分子薄膜（単層または多層）内に電圧（または電界）を印加して、分子内もしくは分子間を介してまたは分子と電極との間で、電荷移動を引き起こす（あるいは解消または低減する）ことができる。例えば、以下のモデル１およびモデル２について図示し説明するように、正および負の電荷は、外部からの電界が０に等しい平衡位置において所定の距離だけ分離されてよい。分子に外部から電界が印加されると、正／負の電荷が押されて付き合わされ、それにより電荷が再結合して、外部からの電界が除去されても分子の中性化がされうるか、または外部からの電界が逆方向に印加される場合には、その過程が逆になり、分子内の電荷双極子の動きが増すことになる。
【００３３】
以下のモデル３について図示し説明するように、上述のように電界が印加されると、同様に、隣接する分子間でも電荷移動が生じる場合がある。
【００３４】
以下のモデル４について図示し説明するように、電荷移動は、電極と分子との間でも生じることがある。２つの電極間に電界が印加されると、分子内に電荷が注入されるかまたは分子から電荷が抽出されうる。
【００３５】
電荷移動は、分子内の電荷占有率または分子のエネルギー準位を変化させ、結果として分子の電気的特性を変化させ、それをメモリ／論理デバイスにおいて用いることができる。
【００３６】
図３Ａ、図４Ａ、図５Ａおよび図６Ａは、分子を切り替えるいくつかの一般的なモデル（モデル１〜４）を示しており、それらのモデルでは、外部から印加される電界の影響下で分子バンドギャップ、双極子または電荷分布が変化する。図３Ｂ、図３Ｃ、図４Ｂ、図５Ｂおよび図６Ｂは、これらの一般的なモデルがいかに動作するかを説明する具体的な例を示す。
【００３７】
モデル１：バンド局在化を増減することに伴って生じる電荷の分離または局在化（もしくは再結合）によって引き起こされる、電界誘起のバンドギャップ変化
図３Ａは、バンド局在化を増減することに伴って生じる電荷の分離または再結合（もしくは局在化）によって引き起こされる、電界誘起のバンドギャップ変化を含むモデルの概略図である。図３Ｂおよび図３Ｃは、このモデルがいかに動作するかを示す２つの具体的な分子の例である。以下に記述される具体的な例は全て、まずは、好ましい分子状態としてイオン対を用いていることに注目されたい。しかし、本明細書において明示されていなくとも、他の電荷対または隠された電荷対であってよい。全ての例は、好ましい実施形態を例示するだけであり、本発明の制限を意図したものではない。
【００３８】
図３Ａに示すように、分子１１２は、３つのユニット、すなわち成分Ａ、ＢおよびＣを含む。ユニットもしくは部分Ａは、正負両方の電荷を含む成分を含む。分子１１２は、形成されたものとしては（図３Ａ−１）、より大きなバンドギャップ状態およびより小さなπ非局在化を明らかに示すものである。電界を印加することによって、分子１１２内の電荷が分離し（図３Ａ−２）、これにより、バンドギャップ状態が小さくなり、π非局在化が大きくなる。電荷が再結合（または再局在化）すれば、分子は元の状態（図３Ａ−１）に戻る。
【００３９】
このモデルでは、以下の要件が満たされなければならない。
【００４０】
（１）ユニットＡ、ＢおよびＣは、各成分内に少なくとも１つのπ結合を有する、共役した成分でなければならない。
【００４１】
（２）ユニットＣは、ユニットＡおよびＢの両方と結合し、ＡからＢまでの完全に共役した分子系を形成する。
【００４２】
（３）上記ユニットのうちの１つは、その成分の中に局在化した電荷対（またはイオン対）または隠された電荷対を有することが好ましい。
【００４３】
（４）分子１１２は、外部から電界を印加されていない時は、電子的に中性であり、局在化した電荷対を持つ場合も持たない場合もある。
【００４４】
（５）しかし、電荷対を外部から印加される電界の方向に揃える（整列させる）ことによって、外部から印加される電界の影響下で、電荷対は分離または再結合される（非局在化もしくは局在化する）。
【００４５】
（６）ユニットＡ、ＢおよびＣは、同じユニット分子構造であっても異なるユニット分子構造であってもよい。ユニットＡ、ＢおよびＣは、限定はしないが、不飽和炭化水素または置換炭化水素、複素環系またはその誘導体のうちのいずれか１つであってもよい。
【００４６】
図３Ｂおよび図３Ｃは、外部から印加される電界の影響下で電荷の分離または局在化がいかに生じるかの２つの具体的な例を示す。
【００４７】
応用する形態に応じて、電荷対（イオン対）は単分子または二分子から生じることができることに注目されたい。図３Ｂは、単分子を利用する電荷対（またはイオン対）の具体的な例であり、一方、以下の図３Ｃは、二分子を利用するイオン対の具体的な例である。
【００４８】
図３Ｂに示す具体的な例では、分子１１２は３つの部分またはユニット、Ａ、ＢおよびＣを備える。その分子は、外部から電界が印加されていない時には、電子的に中性であり、局在化した電荷対を持つ（図３Ｂ−１）。元の状態のユニットＡ内には、単分子イオン対が存在する。しかし、その分子の電荷（または不均等な電子分布）は、この完全に共役した分子系内の極めて移動性の高いｐ電子雲およびπ電子雲に起因して、非常に移動しやすい。分子１０に外部から電界が印加されると（図３Ｂ−２）、分子の電荷密度は再分布し始め、電荷対はそれに応じて、外部から印加される電界の方向に揃えられることにより、外部から印加される電界の影響下で分離または再結合される（非局在化もしくは局在化する）。
【００４９】
図３Ｂ−１に示すような分子１１２は、局在化した電荷対に起因して、より大きなバンドギャップおよびより小さな（弱い）分子双極子状態をはっきりと示すものである。電界を印加すると、分子１１２内の移動性の高いπ系を通して、正の電荷がユニットＡからＢに再配置され、電荷分離が最大になることに起因して、結果として、図３Ｂ−２に示すように、バンドギャップが小さくなりかつより大きな分子双極子状態になる。電界を反転することによって、正の電荷が負の電荷領域に向かって移動し、分子１１２は元の状態に戻る（図３Ｂ−１）。
【００５０】
図３Ｂでは、ユニットＡ、ＢおよびＣは３つの共役したユニットである。ユニットＡは、環内に電荷対が存在するＮ置換ピリジン環であり、ユニットＢはＮ，Ｎ−ジ置換アニリン環である。ユニットＣは、ユニットＡおよびＢの両方と結合して、ＡからＣを介してＢまで完全に共役した分子系を形成する共役した直鎖である。
【００５１】
ＡおよびＢユニットは、それぞれ置換ピリジン環およびアニリン環である必要はないことを指摘しておきたい。ＡおよびＢユニットは、任意の置換芳香族炭化水素または複素環系（置換インドール、置換ナフタレン、アントラセン等）であってもよい。
【００５２】
Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４、Ｚ５およびＺ６は、同じサブユニットであっても異なるサブユニットであってもよい。これらのサブユニットは、単純な炭化水素サブユニット（例えば、−ＣＨ＝、−ＣＲ＝もしくは−Ｃ＝等）、またはヘテロ原子の原子団（例えば、−Ｎ＝もしくは−Ｐ＝等）であってよい。
【００５３】
Ｒ１およびＲ２は同じサブユニットであっても異なるサブユニットであってもよく、水素原子、アルキル、アリール基または置換炭化水素であってもよい。
【００５４】
図３Ｃでは、分子は３つの部分、ユニットＡ、ＢおよびＣから構成される。その元の状態において、ＣｌＯ４−アニオンおよびＮ−アルキル化カチオンから生じるユニットＡの領域付近に二分子イオン対（電荷対）が存在する。しかし、分子１１２のユニットＡの領域内の正の電荷は、その分子内の移動性の高い共役π電子系によって、外部から印加される電界の影響下で分子の異なる領域（ＢまたはＣ）に容易に移動することができる。その結果、電子対は、外部から印加される電界の方向に整列させることによって、外部から印加される電界の影響下でのｐ電子密度再分布、π電子密度再分布によって、その電荷対は分離または再結合する（非局在化もしくは局在化する）。その分子は、局在化した電荷対に起因して、図３Ｃ−１において、より小さな分子双極子状態を明らかに示すものである。電界を印加することによって、分子内の移動性の高いπ系によって、正の電荷がユニットＡからＢに移動し、結果として、電荷分離が最大になることに起因して、図３Ｃ−２において、より大きな分子双極子状態になる。電界を反転すると、正の電荷は負の電荷領域に向かって移動し、分子１１２が元の状態に戻る（図３Ｃ−１）。
【００５５】
ユニットＡ、ＢおよびＣは、上述の例の通りである必要はないことを指摘しておきたい。Ａ、ＢおよびＣユニットは、任意の置換芳香族炭化水素または複素環系（置換インドール、置換ナフタレン、アントラセン等）であってよい。
【００５６】
モデル２：π結合の破壊もしくは形成を伴ってまたは伴うことなく、電荷の分離、移動または再結合によって拡張共役の変化により引き起こされる、電界誘起の分子双極子切替
図４Ａは、このモデルの概略図であり、それは、π結合の破壊もしくは形成を伴ってまたは伴うことなく、電荷の分離、移動または再結合によって拡張共役の変化により引き起こされる、電界誘起のバンドギャップ変化および分子双極子切替を示す。図４Ｂは、このモデルがいかに動作するかを示す具体的な分子の例である。以下に記述される具体的な例は、手始めに、好ましい分子状態として電荷対を用いることに注目されたい。しかし、本明細書において明示されていなくとも、他のタイプの隠された電荷対を用いてもよい。全ての例は、好ましい実施形態を例示するだけであり、本発明を制限することを意図したものではない。
【００５７】
図４Ａに示すように、分子２１２は、３つの部分Ａ、ＢおよびＣを含む。図４Ａ−１の分子は、電荷局在化および／または電荷結合、ならびに分子の中央部分（ユニットＣ）におけるσ結合形成に起因して、より大きなバンドギャップ状態を明らかに示すものである。電界を印加すると（図４Ａ−２）、分子２１２内の電荷は分離し、その分子は、中央の分子内のσ結合の破壊を伴ってまたは伴うことなく、外部から印加される電界に合わせて揃えられ、誘起された双極子２４０として大きく分極し、これにより、より小さなバンドギャップ状態となる。電界を反転すると（図４Ａ−３）、誘起された分子双極子２４０が切り替わり、逆方向に変化する。外部からの電界を除去すると（図４Ａ−１’）、誘起された逆の電荷が、移動性の高いπ鎖を通して互いに向かって移動し、共存または電荷再結合して、分子２１２の中央部分内にσ結合を形成し、これにより、分子は、元のより大きなバンドギャップ状態に戻る。
【００５８】
このモデルでは、以下の要件が満たされなければならない。
【００５９】
（１）分子は適度な誘電率（ε＞３）を有し、外部からの電界によって分極されなければならない。
【００６０】
（２）分子の少なくとも１つの部分は、分子全体または分子の一部にわたって移動することができるπ電子およびｐ電子を持たなければならない。
【００６１】
（３）分子２１２は、対称であっても非対称であってもよい。
【００６２】
（４）分子２１２の誘起可能な双極子（複数可）２４０は、少なくとも１つの方向に向けることができる。
【００６３】
（５）電界誘起の分極中、電荷は、部分的にまたは完全に分離することができる。
【００６４】
（６）電荷の分離または再結合の状態は、電界に依存するかまたは双安定であり、共有結合形成、水素結合、電子求引力、クーロン力、金属錯体またはルイス酸（塩基）錯体等の分子間力または分子内力により安定することができる。
【００６５】
（７）分子２１２の電荷分離の過程は、σ結合およびπ結合の破壊または形成を伴っても伴わなくてもよい。
【００６６】
（８）電界によって開始される電荷の分離過程または再結合過程において、分子２１２のバンドギャップは、分子内のｐ電子およびπ電子の非局在化の度合いに応じて変化する。分子２１２の光学的特性および電子的特性はいずれも、それに応じて変更される。
【００６７】
図４Ｂは、外部から印加される電界が、電荷の分離または再結合、およびπ結合の破壊または形成によって拡張共役（extended conjugation）の変化によって引き起こされるバンドギャップ変化をいかに引き起こすかの具体的な例である。
【００６８】
図４Ｂ−１に示すように、分子２１２は、３つの部分またはユニットＡ、ＢおよびＣを備える。分子２１２は、分子の２つの末端部（ユニットＡおよびＢ）間の共役したｐ鎖の破壊および分子の中央部（ユニットＣ）内のσ結合形成に起因して、より大きなバンドギャップ状態を明らかに示すものである。電界を印加することによって、中央分子内のσ結合が破壊されて、これにより、分子２１２の上側部分全体を通して（ＡからＢへの）完全なπ伝導が再び確立される。
【００６９】
分子２１２の上側部分内に新たに確立された、大きく局在化したπ系を通して電荷が分離する結果として、バンドギャップが小さな状態になる。この状態では、その分子は、誘起された双極子２４０を有するよう大きく分極し、外部から印加される電界の方向に揃えられる（図４Ｂ−２）。電界を反転すると（図４Ｂ−３）、誘起された分子双極子２４０が逆方向に切り替わる。外部からの電界が除去されると、誘起された逆の電荷が、移動性を高められたπ鎖を通して互いに向かって移動し、共存または電荷再結合して、分子２１２の中央部（Ｃ）内にσ結合を形成し、これにより、分子は、元のより大きなバンドギャップ状態（図４Ｂ−１）に戻る。
【００７０】
図４Ｂには、改質ローダミン−ラクトンタイプ（modified rhodamine-lactone type）の分子を示す。この分子では、ラクトンのＣ−Ｏ結合は十分に不安定であり、印加された電界の影響下で結合破壊および結合形成し得る（図４Ｂに示す例を参照されたい）。しかし、別態様で、他の結合の破壊および形成の機構を利用することもできる。
【００７１】
Ｃ−Ｏ結合破壊過程において、正および負の電荷が生成される。結果として生成される電荷は、図４Ｂ−２に示すように、分離され、外部から印加された電界に対して平行の互いに逆の方向に移動するか（分子２１２の上側部分）、または結合回転する（分子の下側部分）であろう。分子２１２の拡張双極子２４０（上側部分および下側部分）を有する芳香族系の上部分は完全に共役する。
【００７２】
図４Ｂ−３に示すように、逆方向の電界が印加されると、両方の電荷が、その逆方向の外部からの電界の方向に再び揃う傾向がある。分子２１２の上側部分にある正の電荷は、π電子系により、分子の上端部分の他端に移動するであろう。同様に、分子２１２の負に帯電した下側部分は、Ｃ−Ｃ結合回転を通して、外部からの電界の近くに移動する傾向がある。その設計分子の特徴は、分子の中央部（ユニットＣ）の下側部分内の芳香環上に少なくとも１つの強い電子吸引基（Ｗ）が存在することであり、この電子吸引基（Ｗ）は、ラクトンのＣ−Ｏ結合を、印加された電界の影響下でまたは電界を除去することによって、結合の破壊および形成（上述の通り）が起こり得るほど十分に不安定にする。外部からの電界が除去されると、分子２１２の上側部分の正の電荷は、移動性の高いπ鎖を通して分子の中心に向かって移動し、分子の下側部分の負に帯電した部分は、その中心に向かって９０°だけ回転する。さらに、この９０°の向きは、Ｃ−Ｏ結合形成および電荷再結合によって安定化する。この過程では、正四面体炭素（隔離体（isolator））がトリアリールメタン位置で形成される。分子の共役は破壊され、ＨＯＭＯおよびＬＵＭＯはもはや、分子２１２の上側部分全体にわたって非局在化しない。これにより、電子によって占有される体積の大きさを縮小する効果がもたらされ、それによりＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが大きくなる。
【００７３】
文字Ｗは電子吸引基である。この電子吸引基の機能は、この分子のラクトン基の反応を調整することであり、これにより、分子の、外部から印加される電界の影響下で円滑な電荷の分離または再結合（結合の破壊または形成等）が可能となる。電子吸引基は、カルボン酸またはその誘導体（例えば、エステルまたはアミド等）、ニトロ、ニトリル、ケトン、アルデヒド、スルホン、硫酸またはその誘導体、ヘテロ原子（例えば、Ｆ、Ｃｌ等）または少なくとも１つのヘテロ原子（例えば、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｎ、Ｏ、Ｓ等）を有する官能基、炭化水素（飽和、不飽和のいずれか）または置換炭化水素のうちのいずれか１つであってよい。
【００７４】
本明細書において用いられる文字Ｚ１、Ｚ２およびＺ３は、２つのフェニル環の間にある連結基を示すために用いられる。その連結基は、Ｓ、Ｏ、ＮＨ、ＮＲ、炭化水素または置換炭化水素のいずれか１つであってもよい。
【００７５】
文字Ｚ４、Ｚ５、Ｚ６およびＺ７は、分子の芳香族部分の間にある連結基である。その連結基は、ヘテロ原子（すなわち、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ等）または上記のヘテロ原子のうちの少なくとも１つを有する官能基（例えば、ＮＨ、ＰＨ等）、炭化水素（飽和、不飽和のいずれか）または置換炭化水素のうちのいずれか１つであってもよい。
【００７６】
文字Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３およびＲ４は、その分子に形成されている末端基または結合基を表す。これらの特性基の機能は、適当な原子（または基）で窒素原子を保護し、化学的な組立過程において、分子を固体基板または電極に接続できるようにすることである。これらの基は、水素、炭化水素（飽和、不飽和のいずれか）または置換炭化水素のうちのいずれか１つであってよい。
【００７７】
モデル３：分子間電荷移動による電界誘起の二分子電荷錯体生成および電荷分離
図５Ａはこのモデルの概略図であり、電界誘起の分子間電荷移動ならびに電荷錯体生成および分離による双極子生成を示し、一方、図５Ｂは、このモデルがいかに動作するかを示す具体的な分子の例である。以下に説明するこの具体的な例は、好ましい例としてまず、隣接する分子による二分子電荷移動を用いることに注目されたい。しかし、本明細書において明示しないものであっても、３つ以上の隣接する分子を含む他のタイプの電荷移動を用いることもできる。この例は、好ましい実施形態を例示するにだけであり、本発明を制限することを意図したものではない。
【００７８】
図５Ａに示すように、図５Ａ−１の有機固体薄膜３１２は、２つ（またはそれよりも多くの）タイプの中性分子の組み合わせ（ＡおよびＤ、またはそれに加えて他のもの（複数可））によって形成される。それらの成分のうちの一方は電子供与体もしくはドナー（Ｄ）であり（すなわち、低いイオン化ポテンシャルを有し、容易に酸化することができる、＜１０．９ｅＶ）、他方は電子受容体もしくはアクセプター（Ａ）であり（すなわち、高い電子親和力を有し、容易に還元することができる、＞０．４６ｅＶ）。この有機固体薄膜（図５Ａ−１）は、絶縁体であり、室温導電率値はσｒｔ≦１０−１２Ｓｃｍ−１であるが、これは、外部からの電界の影響なしに供与体分子と受容体分子との間で直に電荷移動しないからである。
【００７９】
しかし、外部から電界が薄膜３１２に印加されると（図５Ａ−２、図５Ａ−３）、外部から印加される電界の特定の方向の影響下で、電子が供与体分子（Ｄ）から受容体分子（Ａ）に移動する（図５Ａ−３に示す）。これは、「自由」電子、すなわち結合に強く関与しない電子を有する有機ラジカルカチオンを残す。その結果として、必然的に、受容体分子（Ａ）は電子を獲得し、アニオンラジカルになる。ラジカル電荷対は、有機固体薄膜３１２内に確立される局所的な電界で、供与体分子と受容体分子との間の電界誘起の電荷移動から生じる。これにより、有機固体薄膜３１２の電子伝導度は大幅に高まる（図５Ａ−３）。よく知られているように、ラジカルカチオンは通常、分子間の電子移動により生成され、一方、カチオンは分子間または分子内の帯電した原子または原子団の移動（すなわちＨ＋）によって生成される。ラジカルアニオンも同様に生成される。
【００８０】
外部から印加される電界が反転すると、逆方向の電荷移動が促進される（図５Ａ−２）。供与体分子（Ｄ）は低いイオン化ポテンシャルを有するので、外部からの電界を切り替える反転過程において、その対応するラジカルカチオンは１つの電子だけを取り戻し、中性の分子になることができるが（図５Ａ−２に示す）、２つ以上の電子を受け取ってラジカルアニオンになることはできない。一方、必然的に、受容体分子（Ａ）のラジカルアニオンは１つの電子だけを手放して中性分子になるが、その高い電子親和力特性に起因して、２つ以上の電子を失ってラジカルカチオンになることはできない。その結果、有機薄膜３１２は、その元の無電荷状態および絶縁状態に戻る（図５Ａ−２）。このタイプの電界誘起の電荷移動特性は、例えば、二端子または三端子の分子スイッチとして用いることができる。
【００８１】
上記モデルでは、以下の要件が満たされなければならない。
【００８２】
（１）有機固体薄膜は、少なくとも２つのタイプの中性分子を含まなければならない。
【００８３】
（２）上記中性分子のうちの１つは、低いイオン化ポテンシャルを有する電子供与体（Ｄ）であり、容易に酸化されなければならない。
【００８４】
（３）他方の中性分子は、高い電子親和力を有する電子受容体（Ａ）であり、容易に還元されなければならない。
【００８５】
（４）供与体および受容体分子はいずれも、外部からの電界の影響なしに、互いに対して化学的に安定していなければならない。
【００８６】
（５）電子供与体分子は、外部から印加される順方向の電界の影響下では、１つまたは複数の電子を失い、ラジカルカチオンまたはカチオンになることができる。
【００８７】
（６）その対応する供与体分子から生成されるラジカルカチオンまたはカチオンは、外部からの逆方向の電界の影響下では、その不足している電子（複数可）だけを取り戻し、中性分子になることができる。
【００８８】
（７）ここで、中性の供与体分子は、外部からの電界が存在するか否かに関係なく、中性の受容体分子から電子を受け取って、ラジカルアニオンまたはアニオンになることはできない。
【００８９】
（８）電子受容体分子は、外部から印加される順方向電界の影響下で、１つまたは複数の電子を獲得し、ラジカルアニオンまたはアニオンになることができる。
【００９０】
（９）その対応する受容体分子から生じるラジカルアニオンまたはアニオンは、外部からの逆方向の電界の影響下で、その余分な電子（複数可）だけを手放して、中性分子になることができる。
【００９１】
（１０）ここで、中性の受容体分子は、外部からの電界が存在するか否かに関係なく、供与体分子への電子を失い、ラジカルカチオンまたはカチオンになることはできない。
【００９２】
（１１）供与体分子および受容体分子はいずれも、固体薄膜内で、隙間なく詰め込まれることができるかまたは所定の距離だけ分離されていてよい。
【００９３】
（１２）供与体および受容体が、所定の距離だけ分離されている場合には、固体薄膜内の供与体と受容体との間に、少なくとも１つの電子的に中性の分子を用いることができる。
【００９４】
（１３）供与体と受容体との間の間隔は、供与体分子および受容体分子からの電荷移動錯体の双安定性を保証するように選択される。
【００９５】
図５Ｂに、外部から印加される電界が、２つの隣接する分子間（供与体と受容体との間）の分子間電荷移動をいかに引き起こすかの具体的な例を示す。
【００９６】
図５Ｂに示すように、分子３１２は、受容体および供与体に分類される２つの部分を備える。図示の受容体分子は、高い電子親和力を有する、７，７，８，８−テトラ置換キノジメタン誘導体であり、図示の供与体分子は、低いイオン化ポテンシャルを有するテトラ置換フルバレン誘導体である。
【００９７】
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３およびＲ４は同じであっても異なっていてもよく、水素原子、アルキル基、アリール基、少なくとも１つのヘテロ原子を内部に有する置換炭化水素（例えば、−Ｏ−アルキル、−Ｏ−アリール、−ＮＨ−アルキル、−ＮＨ−アリール、−Ｓ−アルキル、−Ｓ−アリール等）、またはＳＡＭ（自己組織化単分子膜）またはＬＢ（ラングミュア−ブロジェット）薄膜作製に適しているいくつかの末端官能基を有する置換炭化水素（例えば、−ＣＯＯＨ、−ＯＨ、−ＮＨ２、−ＳＨ、−Ｓ−ＣＯ−アルキル、−Ｓ−Ｓ−アルキル、−ピリジン等）からなるグループから選択される。Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３およびＲ４基は、供与体部分と受容体部分との間に十分な間隔を与え、電荷移動状態および非電荷移動状態の両方において分子薄膜の双安定性を改善するために、置換アルキル鎖であることが好ましい。言い換えると、外部から電界が印加されない場合には、固体薄膜内の供与体分子と受容体分子との間で順方向または逆方向の電荷移動は生じない。電荷移動は、外部から印加される電界の影響下でのみ進行する。外部から印加される順方向電界の影響下で、供与体分子と受容体分子との間の空間を電子が突き抜ける（tunnel）ことによって、供与体分子から受容体分子に電子が移動し、これにより、ラジカルカチオンおよびラジカルアニオンの電荷錯体が生成される（図５Ｂ−３を参照）。この状態では、有機薄膜３１２は、さらにより高い導電性を有している。外部から逆方向の電界を印加すると、ラジカルアニオンからラジカルカチオンに逆方向に電荷が移動することにより、図５Ｂ−２に示すように、薄膜内に２つのタイプの中性分子が生成される。この結果として、電子的に絶縁性の高い状態になる。
【００９８】
供与体分子では、Ｙ１およびＹ２は、同じヘテロ原子であっても異なるヘテロ原子であってもよい。それらのヘテロ原子は、Ｓ、Ｏ、Ｓｅ、ＮＨ、Ｎ−アルキル、Ｎ−アリール、Ｐ−アルキル、Ｐ−アリール等のうちのいずれか１つであってよい。
【００９９】
受容体分子では、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３およびＸ４は、同じ官能基であっても異なる官能基であってもよい。その官能基は、水素原子、アルキル基、アリール基、その中に少なくとも１つのヘテロ原子を有する置換炭化水素（例えば、−Ｏ−アルキル、−Ｏ−アリール、−ＮＨ−アルキル、−ＮＨ−アリール、−Ｓ−アルキル、−Ｓ−アリール、−Ｓｅ−アルキル、−Ｓｅ−アリール等）、またはいくつかの末端官能基を有する置換炭化水素（例えば、−ＣＯＯＨ、−ＯＨ、−ＮＨ２、−ＳＨ、−Ｓ−ＣＯ−アルキル、−Ｓ−Ｓ−アルキル、−ピリジン等）であってよい。
【０１００】
モデル４：酸化還元（レドックス）機構による分子内の電界誘起の電荷密度変化
総括的な概念は、（ａ）容易に酸化されることができる材料の層（「ＯＸ」）と、（ｂ）固体または高い粘度の電解質と、（ｃ）容易に還元されることができる材料からなる任意の層（「ＲＥＤ」）とを含む薄膜構造４１２を形成するということである。酸化または還元の過程において、材料（ａ）および（ｃ）の一方または両方が、電荷密度変化を伴う、大きなバンドギャップ変化することが望ましい。この３層系４１２は、２つの電極１４と１６との間に配置される。印加される電位の影響下で、電子は、容易に酸化される材料から除去され、外部回路を通って、還元され得る材料に移動する。これらの材料のうちの少なくとも１つで、その電化密度変化とともに、バンドギャップが大きく変化するので、その結果、デバイスの導電性状態が切り替わる。しかし、逆方向の電位が印加されると、酸化される材料および還元される材料はいずれも再び変換され、その元のレドックス状態（または色状態）に戻ることができる。
【０１０１】
図６Ａはこのモデルの概略図であり、電気化学レドックス反応による、分子系の電界誘起の電荷密度変化を示す。一方、図６Ｂおよび図６Ｃは、このモデルがいかに動作するかを示す２つの具体的な分子の例である。以下に説明する具体的な例は、まず好ましい例として置換フタロシアニンおよび置換テトラジンを用いることに注目されたい。しかし、本明細書において明示していなくとも、他のタイプのレドックスタイプの分子を用いることができる。この例は好ましい実施形態を例示するだけであり、本発明を制限することを意図したものではない。
【０１０２】
図６Ａ−１に示すように、その間にある固体または粘性の電解質の層とともに、中性分子からなる２つ（またはそれ以上）の層（ＯＸおよびＲＥＤ、または他の層（複数可））の組み合わせによって、有機固体薄膜４１２が形成される。それらの層の一方は、低いイオン化ポテンシャルを有する酸化可能な材料（ＯＸ）であり、他方は、高い電子親和力を有する容易に還元可能な分子材料（ＲＥＤ）である。この３層有機薄膜４１２を２つの電極１４と１６との間に配置することによってデバイスが構成される。印加される順方向電位を高めると、その影響下で、１つまたは複数の電子が、容易に酸化される材料（ＯＸ）から除去され、外部回路を通って、還元されうる材料（ＲＥＤ）へと移動する（図６Ａ−２および図６Ａ−３に図示）。その結果、分子材料（複数可）のバンドギャップ変化とともに、固体薄膜内に、種々の電荷密度および局所的な電界が生成する。酸化可能な材料の酸化状態は、電圧差によって設定することができる。分子の特定の電荷状態は、分子と、それを酸化または還元する電極との間の電圧差を設定する印加電圧に依存する。その最小電圧差は、分子をイオン化または還元するために必要とされるエネルギーによって与えられることが望ましい。外部電位の影響下での分子の特性の変化のうちのいくつかまたは全てを用いて、論理デバイスおよびメモリデバイスを形成することができる。しかし、逆方向の電位を印加すると、酸化される材料および還元される材料はいずれも再変換され、その元のレドックス状態（または色状態）に戻ることができる。
【０１０３】
このモデルでは、以下の要件が満たされなければならない。
【０１０４】
（１）そのデバイスは、２つの電極１４と１６との間に配置される固体デバイス媒体４１２から形成されていなければならない。
【０１０５】
（２）固体デバイス媒体４１２は、限定はしないが、共有結合（直に、またはリンカーによって間接的に）、イオン結合または物理的な結合（例えば、水素結合、ファンデルワールス力等）を含む多数の従来の方法によって、電極（複数可）１４、１６に電気的に結合されなければならない。これにより、電子（複数可）が、外部電位の影響下で、デバイス媒体から電極に、または電極からデバイス媒体に移動することができる。
【０１０６】
（３）固体デバイス媒体４１２は、低いイオン化ポテンシャル（＜１０．９ｅＶ）を有する、容易に酸化可能な分子材料（ＯＸ）の少なくとも１つの層を持たなければならない。
【０１０７】
（４）酸化可能な分子材料は、純粋な有機物、無機物または有機金属、あるいは上記の物質のうちのいずれか２つ以上の組み合わせであってもよい。
【０１０８】
（５）酸化可能な分子材料は、単分子層の分子であっても多分子層の分子であってもよい。
【０１０９】
（６）容易に酸化可能な分子材料は、その中性状態とは別の少なくとも１つの区別可能な酸化状態を持たなければならず、外部電位の影響下で１つまたは複数の電子を容易に失うことができる。
【０１１０】
（７）好ましい容易に酸化可能な分子材料は、２つ以上の異なった区別可能な酸化状態を有することが望ましい。
【０１１１】
（８）酸化可能な分子材料の層は、電極１４、１６のうちの一方に隣接していなければならない。
【０１１２】
（９）固体デバイス媒体４１２は、酸化可能な分子材料に隣接する電解質の層を持たなければならない。
【０１１３】
（１０）電解質の層は、固体材料であっても粘性材料であってもよい。
【０１１４】
（１１）電解質の層は、１つまたは複数の誘電体材料であってよく、対イオン（counter ion）が埋め込まれている場合も埋め込まれない場合もある（例えば、Alfa社（Ward Hill, MA）から市販されているＮａｆｉｏｎ（登録商標）フルオロポリマーであり、それは低級脂肪族アルコールおよび水の混合物内のペルフルオロイオン交換粉末の５ｗｔ％溶液のポリマーである）。
【０１１５】
（１２）そのデバイス材料内に、容易に還元可能な分子材料（ＲＥＤ）の任意の層を用いることができる。
【０１１６】
（１３）容易に還元可能な分子材料は、高い電子親和力（＞０．４６ｅＶ）を持たなければならない。
【０１１７】
（１４）容易に還元可能な分子材料は、その中性または元の酸化状態とは別の少なくとも１つの区別可能な酸化状態を持たなければならず、外部電位の影響下で１つまたは複数の電子を容易に獲得することができる。
【０１１８】
（１５）容易に還元可能な分子材料は、有機物、無機物（例えば、金属、金属イオン、金属酸化物またはハロゲン化金属等）または有機金属、あるいは上記の物質のうちのいずれか２つ以上の組み合わせであってよい。
【０１１９】
（１６）対イオンを含む電解質の場合には、還元可能な分子材料のオプション層を省くことができる。
【０１２０】
（１７）そのデバイスにおいて用いられる２つの電極１４、１６は、同じまたは異なる材料（複数可）を含むことができる。
【０１２１】
（１８）電極材料は、任意の導電性または半導電性材料であってもよく、それらの材料には、純粋な金属、合金、金属酸化物、有機導体等が含まれる。
【０１２２】
図６Ｂは、レドックス機構による分子内の電界誘起の電荷密度変化の具体的な例である。
【０１２３】
図６Ｂに示す通り、図６Ｂ−１に示す分子は４つの部分、すなわち置換金属フタロシアニンの層、その中に対イオンを埋め込まれた固体電解質、および２つの作用電極１４、１６を備えている。フタロシアニンおよび固体電解質は合わせて、固体デバイス媒体４１２を構成する。まず、金属フタロシアニンは、図６Ｂ−１に示すように、全体として０の酸化状態を有し、順方向の外部電位の影響下で、プラス１（＋１）またはプラス２（＋２）状態（複数可）になる（図６Ｂ−２に図示）。金属フタロシアニンのこれら２つの酸化状態は、順方向（図６Ｂ−２）または逆方向（図６Ｂ−１）の電位を印加することにより、変換されるかまたは元に戻ることが可能となっている。
【０１２４】
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７およびＲ８は同じであっても異なっていてもよく、水素原子、アルキル基、アリール基、その中に少なくとも１つのヘテロ原子を有する置換炭化水素（例えば、−Ｏ−アルキル、−Ｏ−アリール、−ＮＨ−アルキル、−ＮＨ−アリール、−Ｓ−アルキル、−Ｓ−アリール等）、またはＳＡＭまたはＬＢ薄膜調製に適しているいくつかの末端官能基を有する置換炭化水素（例えば、−ＣＯＯＨ、−ＯＨ、−ＮＨ２、−ＳＨ、−Ｓ−ＣＯ−アルキル、−Ｓ−Ｓ−アルキル、−ピリジン等）からなるグループから選択される。
【０１２５】
Ｍ２＋は金属イオンを表しており、限定はしないが、Ｂｅ２＋、Ｍｇ２＋、Ｃａ２＋、Ｓｒ２＋、Ｂａ２＋、Ｍｎ２＋、Ｆｅ２＋、Ｃｏ２＋、Ｎｉ２＋およびＣｕ２＋等のうちの１つであってもよい。
【０１２６】
以下の反応系列は、レドックス機構による分子内の電界誘起の電荷密度変化の別の具体的な例を与える。
【０１２７】
以下の反応系列に示されるように、固体デバイス材料は、酸化可能なテトラジン（化学式（Ｉ）の層および還元可能なキノン（ＩＩ）の層を含む。テトラジン分子（Ｉ）は、その対応する酸化状態（Ｉ’）に酸化され、それに伴い、キノンが種々の順方向外部電位（複数可）下で還元され、色が青（ＩＩ）からマゼンタ（ＩＩ’）に、さらに透明（ＩＩ’’）に変化する。酸化されたテトラジン（Ｉ’）は、逆方向の電位が印加されると、再び変換されて、その元の酸化状態（複数可）に戻ることができ、それに伴い、キノンの色も元の状態に戻る。
【０１２８】
【化１】
2007538409.tif 000004
【０１２９】
２つの電極を備えているメモリデバイスの場合、電荷移動を引き起こす電界よりも小さな電界を印加することによって、分子薄膜の電気的特性の変化を検出することができる。分子薄膜内の電荷状態が異なる時、その電気的特性（例えば、トンネル電流等）の差を検出することができる。それゆえ、これにより、分子内に格納される入力／出力（Ｉ／Ｏ）ビットを判定できるようになる。
【０１３０】
三電極デバイスの場合、分子内部の電荷状態の変化は、ソースとドレインとの間の半導体チャネル内の電気的特性に影響を及ぼす。それゆえ、それらの分子を用いて、メモリデバイスおよび論理デバイスの応用形態のためのトランジスタの電気的特性（例えば、ターンオン電圧等）を設計することができる。
【０１３１】
二電極デバイスおよび三電極デバイスは、電気的に接続することができる。図７Ａにその並列接続を示し、図７Ｂに直列接続を示す。並列接続および／または直列接続の種々の組み合わせを、二電極デバイスと三電極デバイスとを接続するために形成することができる。
【０１３２】
本明細書に開示の組成物は、限定はしないが、２０００年１０月３日に発行された米国特許第６，１２８，２１４号に開示されるような分子クロスバーメモリ、２００１年７月３日に特許された米国特許第６，２５６，７６７号に開示されるような、分子クロスバーネットワークのためのデマルチプレクサ、１９９９年３月２９日に出願された特許出願第０９／２８０，０４５号に開示されるような分子論理回路を含む、種々の応用形態において用いることができる。上記文献の内容は、参照により本明細書に援用される。
【産業上の利用の可能性】
【０１３３】
本明細書に開示される活性材料は、限定はしないが、スイッチングデバイス、メモリデバイス、論理デバイス、ディスプレイ等の応用形態を含む、種々の電子デバイスおよび光学デバイスにおいて使用されることが期待される。
【図面の簡単な説明】
【０１３４】
【図１】２つの電極間に配置される分子を備える、従来の二電極メモリデバイスの一例を示す概略図である。
【図２】ゲート、ソースおよびドレインを備え、ゲートとソース／ドレインとの間に分子が存在する、従来の三電極デバイスの一例を示す概略図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態による、外部からの電界の影響下での電荷の分離または局在化の一般的な例を示す図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態による、外部からの電界の影響下での単分子電荷の分離または局在化を示す、図３Ａの一般的な例の具体的な分子の例を示す図である。
【図３Ｃ】本発明の一実施形態による、外部からの電界の影響下での二分子電荷の分離または局在化を示す、図３Ａの一般的な例の具体的な分子の例を示す図である。
【図４Ａ】本発明の一実施形態による、外部からの電界の影響下での分子双極子の動きの切替方向の一般的な例を示す図である。
【図４Ｂ】本発明の一実施形態による、外部からの電界の影響下での分子双極子の動きの切替方向を示す、図４Ａの一般的な例の具体的な分子の例を示す図である。
【図５Ａ】本発明の一実施形態による、外部からの電界の影響下での分子間電荷移動、および分子薄膜双極子の生成または消去の一般的な例を示す図である。
【図５Ｂ】本発明の一実施形態による、外部からの電界の影響下での分子間電荷移動、および分子薄膜双極子の生成または消去を示す、図５Ａの一般的な例の具体的な分子の例を示す図である。
【図６Ａ】本発明の一実施形態による、外部からの電界の影響下での分子内の電荷密度変化の一般的な例を示す図である。
【図６Ｂ】本発明の一実施形態による、外部からの電界の影響下での分子内の電荷密度変化を示す、図６の一般的な例の具体的な分子の例を示す図である。
【図７Ａ】本発明の一実施形態による、本明細書の教示を用いて、二電極デバイスと三電極デバイスとを電気的に接続するための構成（並列）の例を示す図である。
【図７Ｂ】本発明の一実施形態による、本明細書の教示を用いて、二電極デバイスと三電極デバイスとを電気的に接続するための構成（直列）の例を示す図である。
【図１】
2007538409.tif 000005
【図２】
2007538409.tif 000006
【図３Ａ】
2007538409.tif 000007
【図３Ｂ】
2007538409.tif 000008
【図３Ｃ】
2007538409.tif 000009
【図４Ａ】
2007538409.tif 000010
【図４Ｂ】
2007538409.tif 000011
【図５Ａ】
2007538409.tif 000012
【図５Ｂ】
2007538409.tif 000013
【図６Ａ】
2007538409.tif 000014
【図６Ｂ】
2007538409.tif 000015
【図７Ａ】
2007538409.tif 000016
【図７Ｂ】
2007538409.tif 000017
【国際調査報告】
2007538409.tif 000018
2007538409.tif 000019
2007538409.tif 000020
2007538409.tif 000021