(57)【要約】ナノワイヤーのようなナノ構造を使用した人工誘電体を開示する。いくつかの実施態様では、ナノロッド、ナノチューブ、ナノリボンなどのような他のナノ構造を使用した人工誘電体を開示する。人工誘電体は、誘電体材料内に埋め込まれた複数のナノワイヤー（または他のナノ構造）を有する誘電体材料を含む。ナノ構造を使用した人工誘電体によって、非常に高い誘電率を達成することができる。ナノ構造の長さ、直径、キャリア密度、形状、アスペクト比、配向性、および密度を変化させることによって、誘電率を調整することができる。加えて、制御可能な人工誘電体に電界を印加することによって、誘電率を動的に調整することができる、ナノワイヤーのようなナノ構造を使用した制御可能な人工誘電体を開示する。様々な電子デバイスが、ナノ構造を有する人工誘電体を使用して性能を向上させることができる。
2008514000.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人工誘電体であって、
（ａ）誘電体と、
（ｂ）該誘電体に埋め込まれる複数のナノ構造とを含む、人工誘電体。
【請求項２】
前記ナノ構造は、ナノワイヤーを含む、請求項１に記載の人工誘電体。
【請求項３】
前記ナノ構造は、シリコンナノワイヤーを含む、請求項１に記載の人工誘電体。
【請求項４】
前記ナノワイヤーは、酸化物、炭化物、または窒化物コーティングを備える絶縁シェルを含む、請求項３に記載の人工誘電体。
【請求項５】
前記ナノワイヤーは、前記誘電体内に等方性配向で配置される、請求項２に記載の人工誘電体。
【請求項６】
前記ナノワイヤーは、前記誘電体内に異方性配向で配置される、請求項２に記載の人工誘電体。
【請求項７】
前記誘電体は、液体を含む、請求項１に記載の人工誘電体。
【請求項８】
前記誘電体は、固体を含む、請求項１に記載の人工誘電体。
【請求項９】
前記誘電体は、ポリエチレンを含む、請求項８に記載の人工誘電体。
【請求項１０】
前記誘電体は、ポリプロピレンを含む、請求項８に記載の人工誘電体。
【請求項１１】
前記誘電体は、アルミナを含む、請求項８に記載の人工誘電体。
【請求項１２】
前記誘電体は、酸化マグネシウムを含む、請求項８に記載の人工誘電体。
【請求項１３】
前記誘電体は、有機または無機マトリクスを含む、請求項１に記載の人工誘電体。
【請求項１４】
前記誘電体は、薄膜を含む、請求項１に記載の人工誘電体。
【請求項１５】
前記人工誘電体の誘電率は、印加された電界の関数である、請求項１に記載の人工誘電体。
【請求項１６】
前記人工誘電体の誘電率は、前記ナノ構造の密度の関数である、請求項１に記載の人工誘電体。
【請求項１７】
前記人工誘電体の誘電率は、前記ナノ構造の導電率の関数である、請求項１に記載の人工誘電体。
【請求項１８】
前記人工誘電体の誘電率は、前記ナノ構造の長さ、形状、またはアスペクト比の関数である、請求項１に記載の人工誘電体。
【請求項１９】
前記人工誘電体の誘電率は、前記ナノ構造の配向の関数である、請求項１に記載の人工誘電体。
【請求項２０】
コンデンサであって、
第１のコンデンサプレートと、
該第１のコンデンサプレートから分離された第２のコンデンサプレートと、
該第１および第２のコンデンサプレートとの間に位置する人工誘電体とを含み、
該人工誘電体は、
誘電体と、
該誘電体内に埋め込まれた複数のナノ構造とを含む、
コンデンサ。
【請求項２１】
前記ナノ構造は、前記第１および第２のコンデンサプレートに対してほぼ垂直である少なくとも１つの構成要素を有する、請求項２０に記載のコンデンサ。
【請求項２２】
人工誘電体を含む薄膜電子デバイスであって、該人工誘電体は、誘電体と、該誘電体内に埋め込まれたナノワイヤーとを含む、薄膜電子デバイス。
【請求項２３】
薄膜トランジスタであって、
基板と、
ゲート電極と、
誘電体膜と該誘電体膜内に埋め込まれた複数のナノ構造とを含む人工誘電体と、
半導体膜と、
ソース電極と、
ドレイン電極とを含む
薄膜トランジスタ。
【請求項２４】
前記基板は、ポリエチレンナフタレートを含む、請求項２３に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項２５】
前記ゲート電極、ソース電極、およびドレイン電極は、ポリアニリンを含む、請求項２３に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項２６】
前記誘電体膜は、ポリイミドを含む、請求項２３の薄膜トランジスタ。
【請求項２７】
前記ナノ構造は、ドープされている、請求項２３に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項２８】
前記ナノ構造は、シリコンであり、かつ前記ドーパントがヒ素、リン、またはホウ素を有するナノワイヤーを含む、請求項２３に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項２９】
前記ナノワイヤーは、半導体である、請求項２８に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項３０】
電磁波を吸収するための材料であって、
誘電体材料と、複数の埋め込まれたナノ構造と、を含む複数層の人工誘電体と、
該複数層の人工誘電体を支持するための金属基板と、を含む材料。
【請求項３１】
輸送手段であって、
該輸送手段の一部を覆う、レーダー吸収材（ＲＡＭ）のコーティングと、
該輸送手段の一部を覆う、ナノ構造を含む制御可能な人工誘電体材料と、を含み、該制御可能な人工誘電体材料の反射率は、該人工誘電体に電界を印可することによって調整される、輸送手段。
【請求項３２】
前記輸送手段は、航空機または船舶である、請求項３１に記載の輸送手段。
【請求項３３】
ナノワイヤーを使用した人工誘電体を有する電子デバイスを製造するための方法であって、
（ａ）ポリマーに複数のナノ構造を混合して、該ナノ構造を使用した該人工誘電体を製造する工程と、
（ｂ）工程（ａ）で製造したナノ構造を使用した該人工誘電体を薄膜に押出成形するする工程と、
（ｃ）該薄膜の上部および下部を金属でコーティングする工程と、
（ｄ）電子デバイスのタイプに基づいて該金属コーティングをパターン化する工程と、を包含する方法。
【請求項３４】
回路基板上に、ナノワイヤーを使用した人工誘電体を有する電子デバイスを製造するための方法であって、
（ａ）ポリマーに複数のナノワイヤーを混合してナノワイヤーを使用した該人工誘電体を製造する工程と、
（ｂ）工程（ａ）で製造したナノワイヤーを使用した該人工誘電体を薄膜に押出成形する工程と、
（ｃ）該電子デバイスが求められる該回路基板の選択された領域に、該薄膜を適用する工程と、
（ｄ）該薄膜を適用した該選択された領域の上に、接地面を提供する工程と、を包含する方法。
【請求項３５】
人工誘電体を形成するための方法であって、
（ａ）誘電体を形成する工程と、
（ｂ）該誘電体にナノ構造を追加する工程と、を含む方法。
【請求項３６】
ナノ構造の数を変化させることによって、前記人工誘電体の誘電率を調整する工程をさらに含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記ナノ構造をドープすることによって、前記人工誘電体の誘電率を調整する工程をさらに含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
前記ナノ構造のサイズ、形状、または長さを変化させることによって、前記人工誘電体の誘電率または周波数応答を調整する工程をさらに含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３９】
前記ナノ構造の配向を変化させることによって、前記人工誘電体の誘電率を調整する工程をさらに含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項４０】
薄膜に前記ナノ構造を有する誘電体を形成する工程をさらに含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項４１】
基板に前記薄膜を適用する工程をさらに含む、請求項４０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の背景）
（発明の分野）
本発明は、ナノワイヤーに関し、特にナノワイヤーを使用した制御可能な人工誘電体に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘電体は、主に構成要素を互いに電気的に分離させるために使用するか、またはデバイス、回路、およびシステムにおいて容量素子としての機能を果たすように使用される物質である。誘電体の固有の特性は、電界が取り除かれたときに、誘電体の変化に必要な外部の電界からのエネルギのほぼすべて、または一部を回復することができることである。誘電体は、これに限定されないが、レーダー吸収材（ＲＡＭ）への通信に使用される電気部品を含む、非常に広い適用範囲を有する。
【０００３】
誘電体材料には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、架橋ポリスチレン、溶融シリカ、溶融石英、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ホウ素（ＢＮ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、および酸化マグネシウム（ＭｇＯ）が挙げられる。ポリエチレンは最も一般的な固体誘電体のうちの１つであり、電力および通信ケーブルに固体の誘電体を押出成形した絶縁材として幅広く使用されている。ポリプロピレンも、押出成形した絶縁におけるバルク形態、およびテープ状にしたコンデンサ、変圧器、およびケーブルの絶縁における縛の形態の両方での、多数の電気的な用途を有する。アルミナは、超小型回路の用途における誘電体基板に使用される。酸化マグネシウムは、オーブン内の加熱要素を絶縁するために用いられる、一般的な無機絶縁材料である。様々な誘電体材料が、様々な用途を有する。誘電体材料およびそれらの使用に関する更なる説明は、非特許文献１（この全体が、参考として本願明細書に援用される）に見出すことができる。
【０００４】
２つの基本パラメータが誘電体材料を特徴づけている。それらは、導電率（σ）と、現実の誘電率または誘電率（εｒ）の値である。導電率は、誘電体の漏れ電流密度Ｊ１と印加された電界Ｅとの比率に等しい。この関係は、式（１）によって与えられる：
σ＝Ｊ１／Ｅ  （１）。
【０００５】
誘電率（εｒ）は、次式の比によって決定される：
εｒ＝Ｃ／Ｃ０  （２）
ここで、Ｃはファラド（Ｆ）で測定された静電容量を表し、Ｃ０は、真空における等価静電容量であるが、Ｃ０＝ε０Ａ／ｄより、同一の試料形状に対して計算される。ε０は、真空における誘電体の誘電率を示し、８．８５４×１０−１４  Ｆｃｍ−１に等しい。Ａは、誘電体の表面積であり、ｄは、誘電体の厚さである。液体および固体の誘電体材料は、一般に、ほぼ２乃至１０の誘電率を有する。１のＭＨｚ信号の２０℃での一般的な誘電体の近似誘電率の例を以下に示す。
【０００６】
【化１】
2008514000.tif 000003
重要な誘電体特性は、誘電損または散逸率である。交流（ＡＣ）の条件下では、誘電損は、主に自由電荷キャリア（電子およびイオン）、空間電荷分極、および双極子配向の動きによって生じる。イオン空間電荷、および双極子損失は、温度および周波数に依存し、依存関係は、σおよびεｒの測定値に反映される。これは、次式で定義される複合誘電率の導入を必要とする。
【０００７】
ε＝εｒ−ｊεｉ  （３）
ここで、εｉは、誘電率の虚の値である。
【０００８】
複合誘電率（εｉ）は、次式のように、誘電体変位ベクトルＤと電界ベクトルＥとの比に等しい
εｉ＝Ｄ／Ｅ  （４）。
【０００９】
ＡＣの条件下では、損失または漏れ電流の様子は、ＤとＥのベクトルとの間の位相角差として明らかである。ＤおよびＥは、次式のように表される：
Ｄ＝Ｄ０ｅｘｐ［ｊ（ωｔ−δ）］  （５）
Ｅ＝Ｅ０ｅｘｐ［ｊωｔ］  （６）
ここで、ωは、半径方向の周波数間隔、ｔは、時間、δは、ＤとＥとの間の位相差であり、Ｄ０およびＥ０は、２つのそれぞれのベクトルの大きさである。これらの関係から、次式に従う
εｒ＝Ｄ０／Ｅ０＊ｃｏｓδ  （７）
εｉ＝Ｄ０／Ｅ０＊ｓｉｎδ  （８）。
【００１０】
ＡＣの条件下では、所与の材料の損失の大きさは、その散逸率（ｔａｎδ）として定義される。式（７）および（８）から、散逸率は、次式で表すことができる
ｔａｎδ＝εｉ／εｒ＝σ／ωεｒ  （９）。
【００１１】
これらの基本的な特性および例示的な誘電体材料は、多様な誘電体、用途、および特性を示す。それでもなお、誘電体材料の物理的な制限と併せて用途を絶えず増加させるための、より堅牢なオペレーティング特性を有する誘電体を永久に用いたいという要求によって、様々な誘電体構造物が開発され、人工誘電体が製造された。
【００１２】
電磁エネルギを遮蔽するために開発された誘電体構造物の例は、Ｐｏｗｅｌｌに１９９６年１２月１０日に発行された、特許文献１（以下、特許’３１８）、「Ｍｕｌｔｉ−Ｌａｙｅｒ  Ｓｈｉｅｌｄ  ｆｏｒ  Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｅｎｅｒｇｙ」で提供されている。特許’３１８には、データ処理装置のエンクロージャにおいて電磁エネルギを遮蔽するための多層構造物が示されている。多層構造物は、電磁エネルギを吸収して、その電磁エネルギを熱として多層構造物内に放散させることによって、データ処理装置のエンクロージャ内のソースからの疑似伝送を実質的に減じるようにデザインされている。多層構造物は、誘電体、導電性、および／またはポリマー材料の種々の層を互いに積層することによって形成される。多層構造物の有効インピーダンスは、遮蔽構造物の有効な特性を変化させるために、材料の異なる組み合わせを選択することによって、多層構造物の有効インピーダンスが変化する。
【００１３】
誘電体構造物および当該の構造物を製造するためのプロセスの別の例は、Ｂａｏ他に２００３年７月８日に発行された、特許文献２（以下、特許’６２９）、「Ｐｒｏｃｅｓｓ  ｆｏｒ  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ  Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ，  Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚｅｄ  Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ  ａｎｄ  Ａｒｔｉｃｌｅ  Ｆｏｒｍｅｄ  ｆｒｏｍ  Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ」で提供されている。特許’６２９には、当該の粒子が周期構造に容易に形成される、機能性粒子を形成するための技術が示されている。この機能性粒子は、基板上に、または他の粒子上に適切な相補的機能化エージェントを選択することによって、秩序構造に形成することができる。このプロセスは、フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）材料を開発するために使用することができる。ＰＢＧ材料は、レーザー、フィルタ、偏波器、および平面アンテナ基板のための導波管および微小空洞として潜在的に有用である。ＰＢＧ材料は、概して、３次元のブラッグ格子を形成するために、高屈折率の誘電体材料と、低屈折率の別の材料の三次元格子とを組み合わせることによって形成することができる。したがって、ＰＢＧ構造物における光の伝搬は、光子の特定のエネルギに依存する。
【００１４】
ポリマーマトリクスへの高アスペクト比の導電性フィラメントの封入による、人工誘電体複合物の形成に対する考察が行われた。非特許文献２。Ｓｔｏｃｋｅｔｏｎは、直径がほぼ１０μｍの市販の繊維と、その直径が約１／２０である、有機界面活性剤由来の自己組織化微細構造との２つのサイズ範囲を考察した（Ｓｔｏｃｋｅｔｏｎ、４６７９にて）。Ｓｔｏｃｋｅｔｏｎは、高および低誘電損の複合物は、どちらもフィラメントの導電率に基づいて可能であることに着目した（同文献）。Ｓｔｏｃｋｅｔｏｎはさらに、繊維／ポリマーのような複合材料には、複合物の誘電率に大きく影響する、粒子の直径、長さの分布、アスペクト比、金属化の厚さ、導電率、粒子の分散、クラスタ化、アラインメント、ポリマーマトリクス誘電体の特性、および密度のような、多数の実験値があることに着目した（同文献）。Ｓｔｏｃｋｅｔｏｎは、金属膜（例、ニッケル、銅、鉄、またはパーマロイ）を用いて、誘電体材料内に埋め込まれるフィラメントとして使用するための金属化細管を製造した（同文献、４６８１にて）。
【００１５】
同様に、絶縁ポリマーへの金属化細管の付加に対する影響は、Ｂｒｏｗｎｉｎｇ他、非特許文献３によって考察した。Ｂｒｏｗｎｉｎｇは、十分な粒子を挿入した場合、細管の複合物およびポリマーが、顕微鏡的な距離で導通し始めることを観察した。この遷移の始まりをパーコレーションと呼び、この時点での導通粒子の挿入量をパーコレーション閾値と呼ぶ。Ｂｒｏｗｎｉｎｇは、パーコレーションが、誘電体の特性の実質的な変化を伴うことに着目した（Ｂｒｏｗｎｉｎｇ、６１０９にて）。Ｂｒｏｗｎｉｎｇは、細管の挿入量の関数としての誘電率を考察した（同文献、６１１１にて）。
【００１６】
既存の人工誘電体は、一般に誘電率が比較的低く、特定の周波数での誘電率が一定であるため、それらの用途および使用が制限されている。Ｓｔｏｃｋｔｏｎが述べているように、これらの制限は、繊維の密度が高くなったときに、金属化繊維が凝集することによるものと考えられた。金属化繊維は、凝集すると絶縁特性を失って導通するようになるので、既存の人工誘電体において高誘電率を達成する能力が制限される。さらに、既存の誘電体および誘電体構造物に基づく誘電体構造物は、用途が制限される。
【特許文献１】米国特許第５，５８３，３１８号明細書
【特許文献２】米国特許第６，５８９，６２９号明細書
【非特許文献１】Ｒ．Ｂａｒｔｎｉｋａｓ、“Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ  ａｎｄ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒｓ”Ｔｈｅ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ（Ｍｉｃｈａｅｌ  Ｃ．Ｄｏｒｆ編  ＣＲＣ  Ｐｒｅｓｓ）１９９３年  １１４３−１１５０
【非特許文献２】Ｗ．Ｓｔｏｃｋｔｏｎら、「Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ  Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ  Ｍｅｔａｌｉｚｅｄ  Ｆｉｌａｍｅｎｔｓ  ｉｎ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ」、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．（１９９１）７０（９）４６７９
【非特許文献３】Ｓ．Ｌ．Ｂｒｏｗｎｉｎｇら、「Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｈｉｇｈ  Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｌｏｓｓ  Ｔｕｂｕｌｅ−Ｂａｓｅｄ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ  ｎｅａｒ  Ｐｅｒｃｏｌａｔｉｏｎ」、Ｊ．Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．（１９９８）８４（１１）６１０９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
したがって、様々な潜在的用途に基づいて静的または動的に調整することができる、非常に高い誘電率の人工誘電体が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
（発明の要旨）
ナノワイヤーのようなナノ構造を使用した人工誘電体を開示する。いくつかの実施態様では、ナノロッド、ナノテトラポッドおよび／またはナノリボン、または他のナノ構造を使用した人工誘電体を開示する。人工誘電体は、誘電体材料内に埋め込まれた、ナノワイヤーのような複数のナノ構造を有する材料（一般に誘電体）を含む。ナノ構造を使用した人工誘電体によって、非常に高い誘電率を達成することができる。製造時には、ナノ構造（例、ナノワイヤー）の長さ、形状、直径、キャリア密度、アスペクト比、配向、および密度を変化させることによって、誘電率を調整することができる。加えて、制御可能な人工誘電体に電界を印加することによって、誘電率を動的に調整することができる、ナノワイヤーのようなナノ構造を使用した制御可能な人工誘電体を開示する。
【００１９】
様々な電子デバイスが、ナノ構造を有する人工誘電体を使用して性能を向上させることができる。電子デバイスには、これに限定されないが、コンデンサ、薄膜トランジスタ、他のタイプの薄膜電子デバイス、マイクロストリップデバイス、表面弾性波（ＳＡＷ）フィルタ、他のタイプのフィルタ、およびレーダー減衰材料（ＲＡＭ）が挙げられる。
【００２０】
電子デバイス内にナノ構造を使用した人工誘電体を使用して、携帯電話、無線携帯情報端末、８０２．１１のＰＣカード、グローバルポジショニング衛星（ＧＰＳ）の受信器、および電波を送受信する本質的に他の装置の性能を向上させることができる。さらに、人工誘電体、特に他の構造を使用した制御可能な誘電体材料を使用して、ステルス動作のためのＲＡＭおよび他のコーティングを著しく改善することができる。
【００２１】
本発明の更なる実施態様、特徴、および利点、ならびに本発明の様々な実施態様の構造およびオペレーションを、添付図面を参照して以下に詳述する。
【００２２】
本願明細書に組み込まれ、明細書の一部を形成する添付図面は、本発明を示し、記述とともに本発明の原理を説明し、当業者が本発明を使用できるようにするために用いる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明を添付図面を参照して説明する。図において、同一または機能的に類似する要素は同じ参照番号で示す。また、参照番号の最左の数字は、その参照番号が最初に現れた図面を特定するものである。
【００２４】
（発明の詳細な説明）
本願明細書に図とともに記載された特定の実施態様は、本発明を例証するものであり、いずれにせよ特に本発明の範囲を制限することを意図したものではないと理解されたい。実際に、簡潔にするために、従来の電子機器、製造、半導体デバイス、およびナノワイヤー（ＮＷ）、ナノロッド、ナノチューブ、およびナノリボン技術、ならびにシステムの他の機能的側面（およびシステムの個々のオペレーティングコンポーネントの構成要素）は、本願明細書では詳述しない場合がある。さらに、簡潔にするために、本発明は、本願明細書において、ナノワイヤーおよび半導体ダイオードデバイスに関連するものとしてしばしば記述される。
【００２５】
さらに、説明される特定の実施態様に対して単一のナノワイヤーが示されるが、該実施態様はそれを制限することを意図したものではなく、幅広い数のナノワイヤーおよびスペーシングを使用することもできる。しばしばナノワイヤーに言及しているが、本願明細書に開示される技術は、ナノロッド、ナノチューブ、ナノテトラポッド、ナノリボン、および／またはそれらを組み合わせたものなどの、他のナノ構造にも適用可能であると理解されたい。さらに、本願明細書に開示される製造方法を使用して、あらゆるタイプの半導体デバイス、および他のタイプの電子部品を製造することが可能であると理解されたい。さらに、該技術は、電気システム、光学システム、一般電子機器、工業エレクトロニクス、ワイヤレスシステムにおける用途、宇宙用途、または他の用途に好適である。
【００２６】
本願明細書で使用される「アスペクト比」とは、ナノ構造の第１の軸の長さを、ナノ構造の第２および第３の軸の長さの平均で割ったものであり、第２および第３の軸は、その長さが互いにほぼ等しい２つの軸のことである。例えば、完全なロッドに対するアスペクト比は、その長軸の長さを、長軸に垂直な（長軸の法線）断面の直径で割ったものである。
【００２７】
「ヘテロ構造」という用語は、ナノ構造に関して使用される場合は、少なくとも２つの異なる、および／または識別可能な材料タイプを特徴とするナノ構造のことである。一般に、ナノ構造の１つの領域が第１の材料タイプを含み、ナノ構造の第２の領域が第２の材料タイプを含む。特定の実施態様では、ナノ構造は、第１の材料のコアと、少なくとも１つの第２（または第３など）の材料のシェルとを有し、異なる材料タイプが、例えばナノワイヤーの長軸、分岐ナノ結晶のアームの長軸、またはナノ結晶の中心の周囲に放射状に分配される。シェルは、シェルとみなされる隣接する材料、またはヘテロ構造とみなされるナノ構造を完全に覆う必要はない。例えば、第２の材料の小さいアイランドで覆われる１つの材料のコアを特徴とするナノ結晶は、ヘテロ構造である。他の実施態様では、異なる材料タイプは、例えば、ナノワイヤーの主要な（長）軸に沿うか、または分岐ナノ結晶のアームの長軸に沿って、ナノ構造内の異なる位置に配置される。ヘテロ構造内の異なる領域は、完全に異なる材料を有するか、またはベース材料を含むことができる。
【００２８】
本願明細書で使用される「ナノ構造」とは、少なくとも１つの領域、すなわち、約５００ｎｍ未満（例、約２００ｎｍ未満、約１００ｎｍ未満、約５０ｎｍ未満、または約２０ｎｍ未満）の特徴的な寸法を有する構造のことである。一般に、領域または特徴的な寸法は、構造のうちの最も小さい軸に沿う。当該の構造には、ナノワイヤー、ナノチューブ、分岐ナノ結晶、ナノテトラポッド、トライポッド、バイポッド、ナノ結晶、ナノドット、量子ドット、ナノ粒子、分岐テトラポッド（例、無機デンドリマー）などが挙げられる。ナノ構造は、材料特性において実質的に均質とするか、または特定の実施態様では異質（例、ヘテロ構造）とすることができる。ナノ構造は、例えば、実質的に結晶、実質的に単結晶、多結晶、アモルファス、またはそれらを組み合わせたものとすることができる。一側面では、ナノ構造の３つの寸法のそれぞれは、約５００ｎｍ未満（例、約２００ｎｍ未満、約１００ｎｍ未満、約５０ｎｍ未満、または約２０ｎｍ未満）の寸法を有する。
【００２９】
本願明細書で使用される「ナノワイヤー」とは、概して、あらゆる細長い導電性または半導性の材料（または本願明細書に記述された他の材料）のことであり、少なくとも５００ｎｍ未満、好ましくは１００ｎｍ未満の少なくとも１つの断面寸法を含み、アスペクト比（長さ：幅）が１０を超える、好ましくは５０を超える、さらに好ましくは１００を超えるもののことである。
【００３０】
本発明のナノワイヤーは、材料特性において実質的に均質とするか、または特定の実施態様では異質（例、ナノワイヤーのヘテロ構造）とすることができる。ナノワイヤーは、本質的にあらゆる好都合なひとつまたは複数の材料から製造することができ、例えば、実質的に結晶、実質的に単結晶、多結晶、またはアモルファスとすることができる。ナノワイヤーは、可変の直径とするか、または実質的に均一の直径とすることができる。すなわち、最も大きな変動の領域にわたって、また、少なくとも５ｎｍ（例、少なくとも１０ｎｍ、少なくとも２０ｎｍ、または少なくとも５０ｎｍ）の線寸法にわたって、約２０％未満（例、約１０％未満、約５％未満、または１％未満）の変動を示す直径である。一般に、直径は、ナノワイヤーの端部を避けて（例えば、ナノワイヤーの中央の２０％、４０％、５０％、または８０％にわたって）測定される。ナノワイヤーは、直線とするか、または、例えば、長軸の全長またはその一部分にわたって、湾曲したもの、または折れ曲がったものとすることができる。特定の実施態様では、ナノワイヤーまたはその一部は、二次元または三次元の量子閉じ込めを呈することができる。本発明によるナノワイヤーは、カーボンナノチューブを明白に除外することができ、特定の実施態様では、「ウィスカー」または「ナノウィスカー」、特に１００ｎｍを超えるか、または約２００ｎｍを超える直径のウィスカーを除外することができる。
【００３１】
当該のナノワイヤーには、国際特許出願ＷＯ  ０２／１７３６２、ＷＯ  ０２／４８７０１およびＷＯ  ０１／０３２０８に開示されているような半導体ナノワイヤー、カーボンナノチューブ、および類似した寸法の他の細長い導電性または半導性構造が挙げられ、それらは参照することにより本願明細書に組み込まれる。
【００３２】
本願明細書で使用される「ナノロッド」は、概して、ナノワイヤーに類似した細長い導電性または半導性材料（または本願明細書に記述された他の材料）のことであるが、ナノワイヤー未満のアスペクト比（長さ：幅）を有する。結合させたナノロッドが電極間全体にまたがるように、２つ以上のナノロッドを、それらの長手方向軸に沿って互いに結合させることができることに留意されたい。別様には、２つ以上のナノロッドの端部間に小さなギャップが存在するように、２つ以上のナノロッドは、互いに結合させずに、それらの長手方向軸に沿って実質的に整列配置することができる。この場合、電子は、一方のナノロッドから他方へこの小さなギャップをホッピングして横断することによって、一方のナノロッドから他方へ流れることができる。２つ以上のナノロッドは、電子が電極間を移動できる経路を形成するように、実質的に整列配置することができる。
【００３３】
ナノワイヤー、ナノロッド、ナノチューブ、およびナノリボンには、次の例から選択される半導体を含む、様々なタイプの材料を使用することができる：Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｂ、Ｃ（ダイヤモンドを含む）、Ｐ、Ｂ−Ｃ、Ｂ−Ｐ（ＢＰ６）、Ｂ−Ｓｉ、Ｓｉ−Ｃ、Ｓｉ−Ｇｅ、Ｓｉ−ＳｎおよびＧｅ−Ｓｎ、ＳｉＣ、ＢＮ／ＢＰ／ＢＡｓ、ＡｌＮ／ＡｌＰ／ＡｌＡｓ／ＡｌＳｂ、ＧａＮ／ＧａＰ／ＧａＡｓ／ＧａＳｂ、ＩｎＮ／ＩｎＰ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ、ＢＮ／ＢＰ／ＢＡｓ、ＡｌＮ／ＡｌＰ／ＡｌＡｓ／ＡｌＳｂ、ＧａＮ／ＧａＰ／ＧａＡｓ／ＧａＳｂ、ＩｎＮ／ＩｎＰ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ、ＺｎＯ／ＺｎＳ／ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ、ＣｄＳ／ＣｄＳｅ／ＣｄＴｅ、ＨｇＳ／ＨｇＳｅ／ＨｇＴｅ、ＢｅＳ／ＢｅＳｅ／ＢｅＴｅ／ＭｇＳ／ＭｇＳｅ、ＧｅＳ、ＧｅＳｅ、ＧｅＴｅ、ＳｎＳ、ＳｎＳｅ、ＳｎＴｅ、ＰｂＯ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＣｕＦ、ＣｕＣｌ、ＣｕＢｒ、ＣｕＩ、ＡｇＦ、ＡｇＣｌ、ＡｇＢｒ、ＡｇＩ、ＢｅＳｉＮ２、ＣａＣＮ２、ＺｎＧｅＰ２、ＣｄＳｎＡｓ２、ＺｎＳｎＳｂ２、ＣｕＧｅＰ３、ＣｕＳｉ２Ｐ３、（Ｃｕ、Ａｇ）（Ａｌ、Ｇａ、Ｔｌ、Ｆｅ）（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）２、Ｓｉ３Ｎ４、Ｇｅ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）２（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）３、Ａｌ２ＣＯ、および２つ以上の当該の半導体を適切に組み合わせたもの。
【００３４】
ナノワイヤーはまた、金、ニッケル、パラジウム、イリジウム、コバルト、クロム、アルミニウム、チタン、スズなどのような金属類や、合金、ポリマー、導電性ポリマー、セラミック、および／またはそれらを組み合わせたものなどの他の材料から形成することもできる。他の現在公知の、または後に開発される導電または半導体材料を用いることができる。
【００３５】
特定の側面では、半導体は、次からなるグループから選択されるドーパントを含むことが可能である：周期表のＩＩＩ族からのｐ型ドーパント；周期表のＶ族からのｎ型ドーパント；次からなるグループから選択されるｐ型ドーパント：Ｂ、Ａｌ、およびＩｎ；Ｐ、Ａｓ、およびＳｂからなるグループから選択されるｎ型ドーパント；周期表のＩＩ族からのｐ型ドーパント；Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、およびＨｇからなるグループから選択されるｐ型ドーパント；周期表のＩＶ族からのｐ型ドーパント；ＣおよびＳｉからなるグループから選択されるｐ型ドーパント；または、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅからなるグループから選択されるｎ型ドーパント。他の現在公知の、または後に開発されるドーパント材料を用いることができる。
【００３６】
加えて、ナノワイヤーまたはナノリボンは、カーボンナノチューブ、または導電性または半導性有機ポリマー材料（例、ペンタセンおよび遷移金属酸化物）を形成するナノチューブを含むことができる。
【００３７】
したがって、「ナノワイヤー」という用語は、例示目的で本願明細書の記述全体で引用されているが、本願明細書の記述が、ナノチューブ（例、軸方向を通じて形成された中空の管を有するナノワイヤー状の構造）の使用も包含することを意図するものである。ナノチューブは、本願明細書に記述された特性および利点を提供するために、単独で、またはナノワイヤーと組み合わせて、本願明細書に記述されているように、ナノチューブの組み合わせ／薄膜によって形成することができる。
【００３８】
本願明細書にける空間的記述（例、「上」、「下」、「上がる」、「下がる」、「上部」、「下部」など）は、例示を目的としたものであり、本発明のデバイスは、あらゆる方向または様態で空間的に構成することができるものと理解されたい。
【００３９】
従来の半導体と比較した、ナノワイヤーの多数の利点には、絶縁基板、フレキシブル基板、または低損失基板の使用、コスト、およびナノワイヤーを大型構造物に統合するための能力が挙げられる。本発明は、ナノワイヤーを使用した人工誘電体にこれらの利点を適用する方法を対象とする。記載された例および説明はナノワイヤーに着目しているが、ナノチューブ、ナノロッド、およびナノリボンにも使用することができる。
【００４０】
（人工誘電体を使用したナノワイヤーの実施態様）
図１Ａは、単結晶半導体ナノワイヤーコア（以下、「ナノワイヤー」）１００を示す。図１Ａは、一様にドープされた単結晶ナノワイヤーである、ナノワイヤー１００を示す。当該の単結晶ナノワイヤーは、適正に制御された方法で、ｐ型またはＮ型の半導体にドープすることができる。ナノワイヤー１００のようなドープされたナノワイヤーは、電子特性の改善を示す。例えば、当該のナノワイヤーは、バルクの単結晶材料に相当するキャリアモビリティレベルを有するようにドープすることができる。
【００４１】
図１Ｂは、コア−シェル構造に基づいてドープしたナノワイヤー１１０を示す。図１Ｂに示されるように、ナノワイヤー１１０は、ドープされた表層１１２を有し、ナノワイヤー１１０の面上に分子単層だけがあることを含む、様々な厚さレベルとすることができる。
【００４２】
絶縁シェルの価電子帯を、ｐ型のドープされたワイヤーのコアの価電子帯よりも低くするか、またはシェルの伝導帯を、ｎ型のドープされたワイヤーのコアよりも高くすることができる。一般に、コアナノ構造は、あらゆる金属または半導体材料から製造することができ、シェルは、同一または異なる材料から製造することができる。例えば、第１のコア材料は、ＩＩ−ＶＩ族の半導体、ＩＩＩ−Ｖ族の半導体、ＩＶ族の半導体、およびそれらの合金からなるグループから選択される第１の半導体を含むことができる。同様に、シェルの第２の材料は、第１の半導体と同じか、または例えばＩＩ−ＶＩ族の半導体、ＩＩＩ−Ｖ族の半導体、ＩＶ族の半導体、およびそれらの合金からなるグループから選択される、第１の半導体とは異なる第２の半導体を含むことができる。半導体には、これに限定されないが、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＣｄＳ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＨｇＴｅ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＰｂＳｅ、ＰｂＳ、およびＰｂＴｅが挙げられる。上述のように、金、クロム、スズ、ニッケル、アルミニウムなどのような金属材料、およびそれらの合金を、コア材料として使用することができる。金属コアは、二酸化ケイ素または他の絶縁材料のような適切なシェル材料によってオーバーコートすることができる。
【００４３】
ナノ構造は、異なる材料に適合させることができる複数の好都合な方法のうちのいずれかによって製造することができ、またそれらのサイズを制御することができる。例えば、種々の組成物のナノ結晶の合成は、例えば、Ｐｅｎｇ他、（２０００年）「Ｓｈａｐｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ＣｄＳｅ  Ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ」、Ｎａｔｕｒｅ  ４０４、５９−６１；Ｐｕｎｔｅｓ他（２００１）「Ｃｏｌｌｏｉｄａｌ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ  ｓｈａｐｅ  ａｎｄ  ｓｉｚｅ  ｃｏｎｔｒｏｌ：  Ｔｈｅ  ｃａｓｅ  ｏｆ  ｃｏｂａｌｔ」、Ｓｃｉｅｎｃｅ  ２９１、２１１５−２１１７；米国特許第６，３０６，７３６号、Ａｌｉｖｉｓａｔｏｓ他（２００１年１０月２３日）、名称「Ｐｒｏｃｅｓｓ  ｆｏｒ  ｆｏｒｍｉｎｇ  ｓｈａｐｅｄ  ｇｒｏｕｐ  ＩＩＩ−Ｖ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ、ａｎｄ  ｐｒｏｄｕｃｔ  ｆｏｒｍｅｄ  ｕｓｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ」；米国特許第６，２２５，１９８号、Ａｌｉｖｉｓａｔｏｓ他（２００１年５月１日）、名称「Ｐｒｏｃｅｓｓ  ｆｏｒ  ｆｏｒｍｉｎｇ  ｓｈａｐｅｄ  ｇｒｏｕｐ  ＩＩ−ＶＩ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ、ａｎｄ  ｐｒｏｄｕｃｔ  ｆｏｒｍｅｄ  ｕｓｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ」；米国特許第５，５０５，９２８号、Ａｌｉｖｉｓａｔｏｓ他（１９９６年４月９日）、名称「Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ＩＩＩ−Ｖ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ」；米国特許第５，７５１，０１８号、Ａｌｉｖｉｓａｔｏｓ他（１９９８年５月１２日）、名称「Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ  ｃｏｖａｌｅｎｔｌｙ  ｂｏｕｎｄ  ｔｏ  ｓｏｌｉｄ  ｉｎｏｒｇａｎｉｃ  ｓｕｒｆａｃｅｓ  ｕｓｉｎｇ  ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｅｄ  ｍｏｎｏｌａｙｅｒｓ」；米国特許第６，０４８，６１６号、Ｇａｌｌａｇｈｅｒ他（２０００年４月１１日）、名称「Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｓｉｚｅｄ  ｄｏｐｅｄ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｐａｒｔｉｃｌｅｓ  ａｎｄ  ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  ｓａｍｅ」；、および、米国特許第５，９９０，４７９号、Ｗｅｉｓｓ他（１９９９年１１月２３日）、名称「Ｏｒｇａｎｏ  ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ  ｐｒｏｂｅｓ  ｆｏｒ  ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ａｎｄ  ｐｒｏｃｅｓｓ  ｆｏｒ  ｍａｋｉｎｇ  ａｎｄ  ｕｓｉｎｇ  ｓｕｃｈ  ｐｒｏｂｅｓ」などの文献に記載されている。
【００４４】
制御された直径を有するナノワイヤーを含む、様々なアスペクト比を有するナノワイヤーの成長は、例えば、Ｇｕｄｉｋｓｅｎ他（２０００年）、「Ｄｉａｍｅｔｅｒ−ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｎａｎｏｗｉｒｅｓ」、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１２２、８８０１−８８０２；Ｃｕｉ他（２００１年）「Ｄｉａｍｅｔｅｒ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  ｓｉｎｇｌｅ−ｃｒｙｓｔａｌ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｎａｎｏｗｉｒｅｓ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７８、２２１４−２２１６；Ｇｕｄｉｋｓｅｎ他（２００１年）「Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｄｉａｍｅｔｅｒ  ａｎｄ  ｌｅｎｇｔｈ  ｏｆ  ｓｉｎｇｌｅ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｎａｎｏｗｉｒｅｓ」、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ  １０５、４０６２−４０６４；Ｍｏｒａｌｅｓ他（１９９８年）「Ａ  ｌａｓｅｒ  ａｂｌａｔｉｏｎ  ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｎａｎｏｗｉｒｅｓ」、Ｓｃｉｅｎｃｅ  ２７９、２０８−２１１；Ｄｕａｎ他（２０００年）「Ｇｅｎｅｒａｌ  ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  ｃｏｍｐｏｕｎｄ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｎａｎｏｗｉｒｅｓ」、Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．１２、２９８−３０２；Ｃｕｉ他（２０００年）「Ｄｏｐｉｎｇ  ａｎｄ  ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｔｒａｎｓｐｏｒｔ  ｉｎ  ｓｉｌｌｉｃｏｎ  ｎａｎｏｗｉｒｅｓ」、Ｊ．  Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ  １０４、５２１３−５２１６；Ｐｅｎｇ他（２０００年）「Ｓｈａｐｅ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ＣｄＳｅ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ」、Ｎａｔｕｒｅ  ４０４、５９−６１；Ｐｕｎｔｅｓ他（２００１年）「Ｃｏｌｌｏｉｄａｌ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ  ｓｈａｐｅ  ａｎｄ  ｓｉｚｅ  ｃｏｎｔｒｏｌ：Ｔｈｅ  ｃａｓｅ  ｏｆ  ｃｏｂａｌｔ」、Ｓｃｉｅｎｃｅ  ２９１、２１１５−２１１７；米国特許第６，３０６，７３６号、Ａｌｉｖｉｓａｔｏｓ他（２００１年１０月２３日）、名称「Ｐｒｏｃｅｓｓ  ｆｏｒ  ｆｏｒｍｉｎｇ  ｓｈａｐｅｄ  ｇｒｏｕｐ  ＩＩＩ−Ｖ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ，  ａｎｄ  ｐｒｏｄｕｃｔ  ｆｏｒｍｅｄ  ｕｓｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ」；米国特許第６，２２５，１９８号、Ａｌｉｖｉｓａｔｏｓ他（２００１年５月１日）、名称「Ｐｒｏｃｅｓｓ  ｆｏｒ  ｆｏｒｍｉｎｇ  ｓｈａｐｅｄ  ｇｒｏｕｐ  ＩＩ−ＶＩ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ，  ａｎｄ  ｐｒｏｄｕｃｔ  ｆｏｒｍｅｄ  ｕｓｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ」；米国特許第６，０３６，７７４号、Ｌｉｅｂｅｒ他（２０００年３月１４日）、名称「Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ  ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅ  ｎａｎｏｒｏｄｓ」；米国特許第５，８９７，９４５号、Ｌｉｅｂｅｒ他（１９９９年４月２７日）、名称「Ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅ  ｎａｎｏｒｏｄｓ」；米国特許第５，９９７，８３２号、Ｌｉｅｂｅｒ他（１９９９年１２月７日）、名称「Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｃａｒｂｉｄｅ  ｎａｎｏｒｏｄｓ」；Ｕｒｂａｕ他（２００２年）、「Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  ｓｉｎ��ｌｅ−ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ  ｎａｎｏｗｉｒｅｓ  ｃｏｍｐｏｓｅｄ  ｏｆ  ｂａｒｉｕｍ  ｔｉｔａｎａｔｅ  ａｎｄ  ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｔｉｔａｎａｔｅ」Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．  １２４、１１８６；、および、Ｙｕｎ他（２００２年）「Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ  Ｂａｒｉｕｍ  Ｔｉｔａｎａｔｅ  Ｎａｎｏｗｉｒｅｓ  Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ  ｂｙ  Ｓｃａｎｎｅｄ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ」、Ｎａｎｏｌｅｔｔｅｒｓ  ２、４４７などの文献に記載されている。
【００４５】
分岐ナノワイヤー（例、テトラナノポッド、トライポッド、バイポッド、および分岐トライポッド）の成長は、例えば、Ｊｕｎ他（２００１年）「Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  ｍｕｌｔｉ−ａｒｍｅｄ  ＣｄＳ  ｎａｎｏｒｏｄ  ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｓ  ｕｓｉｎｇ  ｍｏｎｏｓｕｒｆａｃｔａｎｔ  ｓｙｓｔｅｍ」、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１２３、５１５０−５１５１；、および、Ｍａｎｎａ他（２０００年）「Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  Ｓｏｌｕｂｌｅ  ａｎｄ  Ｐｒｏｃｅｓｓａｂｌｅ  Ｒｏｄ−、Ａｒｒｏｗ−、Ｔｅａｒｄｒｏｐ−、ａｎｄ  Ｔｅｔｒａｐｏｄ−  Ｓｈａｐｅｄ  ＣｄＳｅ  Ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ」、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１２２、１２７００−１２７０６などの文献に記載されている。
【００４６】
ナノ粒子の合成は、例えば、米国特許第５，６９０，８０７号、Ｃｌａｒｋ  Ｊｒ．他（１９９７年１１月２５日）、名称「Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｐａｒｔｉｃｌｅｓ」；米国特許第６，１３６，１５６号、Ｅｌ−Ｓｈａｌｌ他（２０００年１０月２４日）、名称「Ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ  ｏｆ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｘｉｄｅ  ａｌｌｏｙｓ」；米国特許第６，４１３，４８９号、Ｙｉｎｇ他（２００２年７月２日）、名称「Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  ｎａｎｏｍｅｔｅｒ−ｓｉｚｅｄ  ｐａｒｔｉｃｌｅｓ  ｂｙ  ｒｅｖｅｒｓｅ  ｍｉｃｅｌｌｅ  ｍｅｄｉａｔｅｄ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」；、および、Ｌｉｕ他（２００１年）、「Ｓｏｌ−Ｇｅｌ  Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  Ｆｒｅｅ−Ｓｔａｎｄｉｎｇ  Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｌｅａｄ  Ｚｉｒｃｏｎａｔｅ  Ｔｉｔａｎａｔｅ  Ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ」、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１２３、４３４４などの文献に記載されている。ナノ粒子の合成は、ナノ結晶、ナノワイヤー、および分岐ナノワイヤーの成長に関する上述の引用文献にも記述されており、得られるナノ構造は、約１．５未満のアスペクト比を有する。
【００４７】
コア−シェルナノ構造、ヘテロ構造の合成、すなわち、ナノ結晶およびナノワイヤー（例、ナノロッド）のコア−シェルヘテロ構造の合成は、例えば、Ｐｅｎｇ他（１９９７年）、「Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  ｈｉｇｈｌｙ  ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ  ＣｄＳｅ／ＣｄＳ  ｃｏｒｅ／ｓｈｅｌｌ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ  ｗｉｔｈ  ｐｈｏｔｏｓｔａｂｉｌｉｔｙ  ａｎｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ａｃｃｅｓｓｉｂｉｌｉｔｙ」、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１１９、７０１９−７０２９；Ｄａｂｂｏｕｓｉ他（１９９７年）、「（ＣｄＳｅ）ＺｎＳ  ｃｏｒｅ−ｓｈｅｌｌ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｄｏｔｓ：Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ａｎｄ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  ｓｉｚｅ  ｓｅｒｉｅｓ  ｏｆ  ｈｉｇｈｌｙ  ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｔｅｓ」、Ｊ．Ｐｈｖｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ  １０１、９４６３−９４７５；Ｍａｎｎａ他（２００２年）、「Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  ｇｒｏｗｔｈ  ａｎｄ  ｐｈｏｔｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ａｎｎｅａｌｉｎｇ  ｏｆ  ｇｒａｄｅｄ  ＣｄＳ／ＺｎＳ  ｓｈｅｌｌｓ  ｏｎ  ｃｏｌｌｉｄａｌ  ＣｄＳｅ  ｎａｎｏｒｏｄｓ」、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１２４、７１３６−７１４５；、および、Ｃａｏ他（２０００年）、「Ｇｒｏｗｔｈ  ａｎｄ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｃｏｒｅ／ｓｈｅｌｌ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ  ｗｉｔｈ  ＩｎＡｓ  ｃｏｒｅｓ」、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１２２、９６９２−９７０２などの文献に記載されている。類似した手法を、他のコア−シェルナノ構造の成長に適用することができる。
【００４８】
異なる材料がナノワイヤーの長軸に沿って異なる位置に配置されるナノワイヤーヘテロ構造の成長は、例えば、Ｇｕｄｉｋｓｅｎ他（２００２年）、「Ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  ｎａｎｏｗｉｒｅ  ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｆｏｒ  ｎａｎｏｓｃａｌｅ  ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  ａｎｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ」、Ｎａｔｕｒｅ  ４１５、６１７−６２０；Ｂｊｏｒｋ他（２００２年）、「Ｏｎｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｓｔｅｅｐｌｅｃｈａｓｅ  ｆｏｒ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ  ｒｅａｌｉｚｅｄ」、Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ２、８６−９０；Ｗｕ他（２００２年）、「Ｂｌｏｃｋ−ｂｙ−ｂｌｏｃｋ  ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  ｓｉｎｇｌｅ−ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｓｉ／ＳｉＧｅ  ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ  ｎａｎｏｗｉｒｅｓ」、Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ２、８３−８６；、および、米国特許出願第６０／３７０，０９５号、Ｅｍｐｅｄｏｃｌｅｓ（２００２年４月２日）、名称「Ｎａｎｏｗｉｒｅ  ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｆｏｒ  ｅｎｃｏｄｉｎｇ  ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ」などの文献に記載されている。類似した手法を、他のヘテロ構造の成長に適用することができる。
【００４９】
特定の実施態様では、人工誘電体に用いられるナノ構造のコレクションまたは母集団は、サイズおよび／または形状において実質的に単分散である。例として、米国特許出願第２００２００７１９５２号、Ｂａｗｅｎｄｉ他、名称「Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｔｅｓ」を参照のこと。
【００５０】
図１Ｃは、図１Ｂに示されるコア−シェル構造に基づいて、ドープした表層１１２によってドープされ、また絶縁層１１４でコーティングされた、ナノワイヤー１２０を示す。
【００５１】
人工誘電体は、誘電体材料のような材料において、ナノワイヤー（および／または他のナノ構造）のようなナノ構造を埋め込むことによって製造することができる。図２Ａは、本発明の一実施態様による、人工誘電体２００を示す。人工誘電体２００は、誘電体材料２０５と、ナノワイヤー（例、ナノワイヤー２１０）と、を含む。図２Ｂは、本発明の一実施態様による、人工誘電体２００の側面斜視図を示す。この側面斜視図は、誘電体材料全体に埋め込まれたナノワイヤーの性質を示す。ナノワイヤーは、これに限定されないが、プラスチック、金属酸化物、ガラス類、半導体（例、シリコン）、および純粋な単結晶（例、ダイヤモンド、サファイヤ、石英）、ならびに上述したもの、およびＲ．ＢａｒｔｎｉｋａｓのＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ  １１４３−１１５０（Ｍｉｃｈａｅｌ  Ｃ．Ｄｏｒｆ編、ＣＲＣ  Ｐｒｅｓｓ  １９９３年）のＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ  ａｎｄ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒｓに記載されているものなど、様々な誘電体材料に埋め込むことができる。誘電体材料には、液体および固体の誘電体材料が含まれる。誘電体材料には、物理的特性を改善するために、微粒子化した粉末状の材料（例、マイカ、シリカ、ガラスおよび木粉）のような、１つ以上の充填物を含むか、または、例えば特定の誘電率または損失正接に対して調整した材料の複合物または混合物から製造することが可能である。
【００５２】
いくつかの実施態様では、ナノワイヤーは、金属、シリコン、半導体、または他の材料、およびナノワイヤー、ナノロッド、ナノチューブ、ナノテトラポッドまたはナノリボンに対して上述したような材料の組み合わせとすることができる。ナノワイヤーは、マトリクス状で誘電体に埋め込むか、または薄膜に埋め込むことができる。ナノワイヤーは、人工誘電体内に等方的または異方的に配置することができる。
【００５３】
人工誘電体２００の誘電率は、ナノワイヤー２１０のようなナノワイヤーの長さ、直径、キャリア密度、形状、アスペクト比、配向、および密度を変化させることによって調整することができる。シリコンナノワイヤーを使用する場合は、シリコン酸化物の絶縁体をナノワイヤーの周辺に製造することができる。これによって、金属化繊維を使用する人工誘電体のパーコレーションの問題が回避される。
【００５４】
得られた人工誘電体は、極めて大きな誘電率を有することができ、また面上にコーティングして、膜に形成するか、または様々な他の形状に形成することができる。人工誘電体はまた、動的に制御可能な誘電率を有することができる。人工誘電体の膜に電界を印加することによって、ナノワイヤーにおける蓄積または逆転による人工誘電体内のワイヤーのキャリア密度を調整することが可能である。したがって、電界は、インターフェースでの誘電率および反射率を調整する。実際に、配向されたナノワイヤーを使用することによって、電気ベクトルがナノワイヤーによって整列配置された場合に、人工誘電体が作用し始めるという点において、誘電率は偏光の関数とすることができる。これは、同様に、反射率における偏光依存の変化をもたらす。すなわち、人工誘電体は、それが適切な偏光によってプローブされる場合に、反射率だけを変化させる。
【００５５】
電界は、ＤＣ、ＡＣ、またはパルス変調を行って情報を伝達することができる。パルス変調は、ノイズを発生させるために受信ビームを逆拡散しなければならないように、疑似ランダムシーケンスとすることが可能である。電界は、フィルムまたはフィルムの上部または下部の他の電極によって印加するか、または、例えば一方の電極からフリンジングフィールドを使用することによって印加することができる。
【００５６】
（人工誘電体を使用したナノワイヤー構成要素の用途）
ナノワイヤーを有する人工誘電体の使用には、様々な潜在的用途が存在する。例示的なデバイスには、これに限定されないが、コンデンサ、薄膜トランジスタ、他のタイプの薄膜電子デバイス、マイクロストリップデバイス、表面弾性波（ＳＡＷ）フィルタ、他のタイプのフィルタ、およびレーダー減衰材料（ＲＡＭ）が挙げられる。いくつかの例示的な実施態様を本願明細書に記載する。これらは、本発明の範囲を制限することを意図するものではなく、むしろ、様々なデバイスへの本発明の幅広い適用性を実証するための様々な例を示すものである。
【００５７】
図３は、本発明の一実施態様による、ナノワイヤーを使用した人工誘電体を有するコンデンサ３００を示す。コンデンサ３００は、２つのコンデンサプレート３１０および３２０を含む。コンデンサプレートの特性および材料は、当業者に公知のものである。２つのコンデンサプレートの間には、誘電体材料３３０およびナノワイヤー３４０のようなナノワイヤーを含む人工誘電体が挟まれる。使用時には、コンデンサプレート３１０および３２０全体に、従来の態様で電圧が印加される。特定の材料に制限されないが、当業者に公知のように、誘電体材料３３０は、コンデンサに使用される代表的な材料とすることができる。この用途では、誘電率を最大化するために、ナノワイヤーは、コンデンサプレート３１０および３１０に対して垂直でなければならず、プレートは互いにほぼ並行である。誘電率が減少するが、他のナノワイヤー配向およびコンデンサプレートを使用することができる。コンデンサ内に人工誘電体を使用することによって、誘電率は、既存のコンデンサで使用される誘電体上で１００倍に高められうる。その結果、電子機器内のコンデンサに必要なスペースを著しく減じることができる。
【００５８】
図４は、本発明の一実施態様による、ナノワイヤーを使用した人工誘電体を有する薄膜トランジスタ４００の図である。薄膜トランジスタ４００は、基板４１０と、ゲート電極４２０と、誘電体膜４３０と、半導体膜４４０と、ソース電極４６０と、ドレイン電極４５０と、を含む。人工誘電体は、誘電体膜４３０に、ナノロッド４７０のようなナノロッドを埋め込むことによって製造される。出願中の、共有の米国特許出願第１０／６７４，０６０号、名称「Ｌａｒｇｅ  Ａｒｅａ  Ｎａｎｏｅｎａｂｌｅｄ  Ｍａｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ  ａｎｄ  Ｕｓｅｓ  Ｔｈｅｒｅｏｆ」（２００３年９月３０日出願）は、参照することによってその全体が本願明細書に組み込まれ、例えば半導体膜４４０として使用するための薄膜を提供している。
【００５９】
薄膜トランジスタのゲート誘電体としての高誘電率の人工誘電体の使用は、トランジスタの性能を著しく向上させることができる。プラスチックまたは基板４１０のような無機基板上の薄膜トランジスタは、ゲート誘電体のための誘電体薄膜を必要とする。図４では、ゲート誘電体は、誘電体膜４３０およびナノワイヤー４７０を含む領域で表される。当業者に公知のように、ゲート電極４２０のようなゲート電極から、半導体膜４４０を含む領域で図４に表される半導体チャネルへの容量結合の増加により、トランジスタの性能が向上する。容量結合を増加させるための１つの標準的な技術は、半導体チャネルとゲート電極との間の半導体膜の厚さを減じることである。
【００６０】
しかし、薄膜トランジスタ製造に想定される多数のタイプの処理（例えばコーティングまたは印刷プロセス）に対しては、特定の点を超えて膜厚を減じることは不可能である。本発明は、半導体膜４３０にナノロッド４７０を埋め込んだときに製造されたように、人工誘電体膜を導入することによって、この問題に対処している。
【００６１】
人工誘電体膜は、ポリマーマトリクス内に半導体または金属ナノロッドを埋め込むことによって誘電率を強化した、絶縁ポリマー膜を使用する。埋め込まれたナノワイヤーの効果は、膜の実効誘電率を増加させることによって、従来の誘電体材料のより薄い膜と同じ容量結合を提供することである。したがって、ナノワイヤーを有する人工誘電体を使用することによって、従来の誘電体と比較して、より厚い膜を有する高性能トランジスタの構築が可能になり、プラスチック基板に望ましい、大量かつ低コストの製造プロセスを可能にする。
【００６２】
図４を参照して、一実施態様では、基板４１０は、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）製とすることができる。ゲート電極４２０、ドレイン電極４５０、およびソース電極４６０は、ポリアニリンのような導電ポリマーから製造するか、または金属製とすることができる。ナノロッド４７０のようなナノロッドは、シリコンまたは他の半導体材料から製造することができる。金属ナノロッドも、誘電率の増加に有効である。シリコンナノロッドを使用する場合、それらはヒ素、リン、ホウ素または他のドーパントでドープして、導電率を増加させることが可能である。異なるタイプの半導体材料を使用する場合は、他のドーパントを使用することが可能である。
【００６３】
人工誘電体４８０を良好な絶縁体とするために、酸化物のような絶縁膜にナノロッド４７０のようなナノロッドをカプセル化することが必要な場合がある。絶縁体は、ナノロッドが誘電体膜４３０を介して導電経路として機能しないようにする。誘電体膜４３０は、ポリイミド製とすることができる。半導体膜４４０は、ペンタセン製とすることができる。薄膜トランジスタの要素のそれぞれのための材料は、例示的目的のために提供されたものであり、本発明の範囲を制限することを意図するものではない。本願明細書の原理に基づいて、薄膜トランジスタ５００に使用する他の材料は、当業者に公知のものである。
【００６４】
人工誘電体の使用を実証するために薄膜トランジスタ４００を使用するが、多くの他のデバイスの構成が、人工誘電体４８０のより高い誘電率によって利益を受けることができる。薄膜トランジスタ４００の構造は、例示的なものであり、本発明の範囲を制限することを意図するものではない。
【００６５】
図５は、本発明のいくつかの実施態様による、適切な散逸率でεｒ＝３００を達成するために必要な、シリコンナノワイヤーの長さを示す線図である。図５に示されるパラメータの範囲は、マイクロストリップデバイス、ＳＡＷフィルタ、コンデンサ、薄膜デバイスのような、電子部品でのナノワイヤーを有する人工誘電体の使用に適用可能である。チャートは、ワイヤーの長さと、散逸率を０．０５以下に保ちながら、その特定の長さのナノワイヤーを使用した人工誘電体を使用することが可能な、最大周波数とをプロットしたものである。ナノワイヤーの導電率は、１ｅ５である。したがって、例えば、図５を参照すると、点５１０および５１２によって示されるように、１ｅ１６ナノワイヤー／ｃｍ３のナノワイヤー密度の場合、０．０５の散逸率でεｒ＝３００を達成するためには、ナノワイヤーの長さを約４７．３μｍとする必要がある。これらのパラメータを使用することが可能な最大周波数は、散逸率が０．０５を超える前では、１ＧＨｚ未満である。
【００６６】
同様に、点５２０および５２２によって示されるように、１ｅ１７ナノワイヤー／ｃｍ３のナノワイヤー密度の場合、０．０５の散逸率でεｒ＝３００を達成するためには、ナノワイヤーの長さを約２０．７μｍとする必要がある。これらのパラメータを使用することが可能な最大周波数は、１ＧＨｚ未満である。点５３０および５３２によって示されるように、１ｅ１８ナノワイヤー／ｃｍ３のナノワイヤー密度の場合、０．０５の散逸率でεｒ＝３００を達成するためには、ナノワイヤーの長さを約８．９７μｍとする必要がある。これらのパラメータを使用することが可能な最大周波数は、約３ＧＨｚである。点５４０および５４２によって示されるように、１ｅ１９ナノワイヤー／ｃｍ３のナノワイヤー密度の場合、０．０５の散逸率でεｒ＝３００を達成するためには、ナノワイヤーの長さを約３．７９５μｍとする必要がある。これらのパラメータを使用することが可能な最大周波数は、約１０ＧＨｚである。
【００６７】
図６乃至９は、本発明のいくつかの実施態様による、上述の組み合わせのナノワイヤーの密度および長さに対するεｒおよび散逸率（損失正接と称することもできる）のチャートを示す。
【００６８】
図６Ａおよび６Ｂは、導電率（σ）が１ｅ５、ナノワイヤー長が４７．３μｍ、および密度が１ｅ１５ナノワイヤー／ｃｍ３である場合の、εｒおよび散逸率のそれぞれのチャートを示す。チャートは、周波数の範囲にわたるεｒおよび散逸率の値を示す。図６Ｂは、周波数が約１０ＭＨｚのときに散逸率が著しく上昇し始め、約１００ＭＨｚで、０．０５の散逸率値に達していることを示す。これは、この一連の因子の場合に、適切な散逸率によって約１００ＭＨｚまで３００のεｒを達成できることを意味する。
【００６９】
図７Ａおよび７Ｂは、σが１ｅ５、ナノワイヤー長が２０．７μｍ、および密度が１ｅ１７ナノワイヤー／ｃｍ３である場合の、εｒおよび散逸率のそれぞれのチャートを示す。チャートは、周波数の範囲にわたるεｒおよび散逸率の値を示す。図７Ｂは、周波数が約５０ＭＨｚのときに散逸率が著しく上昇し始め、約５００ＭＨｚで、０．０５の散逸率値に達していることを示す。これは、この一連の因子の場合に、適切な散逸率によって約５００ＭＨｚまで３００のεｒを達成できることを意味する。
【００７０】
図８Ａおよび８Ｂは、σが１ｅ５、ナノワイヤー長が８．９７μｍ、および密度が１ｅ１８ナノワイヤー／ｃｍ３である場合の、εｒおよび散逸率のそれぞれのチャートを示す。チャートは、周波数の範囲にわたるεｒおよび散逸率の値を示す。図８Ｂは、周波数が約１００ＭＨｚのときに散逸率が著しく上昇し始め、約１ＧＨｚで、０．０５の散逸率値に達していることを示す。これは、この組の因子の場合に、適切な散逸率によって約１ＧＨｚまで３００のεｒを達成できることを意味する。
【００７１】
図９Ａおよび９Ｂは、σが１ｅ５、ナノワイヤー長が３．７９５μｍ、および密度が１ｅ１９ナノワイヤー／ｃｍ３である場合の、εｒおよび散逸率のそれぞれのチャートを示す。チャートは、周波数の範囲にわたるεｒおよび散逸率の値を示す。図９Ｂは、周波数が約５００ＭＨｚのときに散逸率が著しく上昇し始め、約１０ＧＨｚで、０．０５の散逸率値に達していることを示す。これは、この一連の因子の場合に、適切な散逸率によって約１０ＧＨｚまで３００のεｒを達成できることを意味する。
【００７２】
集合的に、図６乃至９に示されるチャートは、１０ＧＨｚ、εｒ＝３００のときに、低損失動作には、比較的短いナノワイヤー、および高密度のナノワイヤーが必要であることを示す。さらに、チャートは、誘電体材料に埋め込まれた、より高密度かつより短いナノワイヤーの混合物に対して、低損失領域が高い周波数に広がっていることも示す。図６乃至９は、構成要素の用途（例、コンデンサ、薄膜トランジスタ、マイクロストリップ、ＳＡＷフィルタなど）を有する可能性の高い、人工誘電体の考慮すべき問題に着目している。
【００７３】
図１０は、本発明の一実施態様による、電極を含む人工誘電体１０００を示す。人工誘電体は、誘電体材料２０５と、ナノワイヤー２１０のようなナノワイヤーと、電極１０１０Ａおよび１０１０Ｂと、を含む。上述のように、電極１０１０Ａおよび１０１０Ｂに電圧を印加して、誘電率を動的に調整することができる。電極を有する人工誘電体の多数の異なる構成が可能である。例えば、プレートは、人工誘電体の反対側の端部の一部または全体に沿って、プレートを配置することができる。プレートは、図３に示されたものに類似する態様で配置することが可能である。当業者には、本願明細書に基づく他の構成が明らかとなろう。
【００７４】
ナノワイヤーを有する人工誘電体は、遮蔽用途またはレーダー吸収材（ＲＡＭ）に使用することもできる。これらの用途では、人工誘電体内で高損失であることが望ましい。人工誘電体の他の特性に基づいて、人工誘電体の膜の損失特性を制御することができる。例えば、ある人工誘電体の組成物は、光波長で透過的となりうるので、材料は透明であり、地表面に広げたときに十分にカムフラージュされる。この同一材料は、周波数が光波長でない場合（例、ＲＦ周波数）にプローブされる周波数に対して透過的にすることも可能である。
【００７５】
別の例では、人工誘電体のコーティングを行って、プローブ波長を吸収させるようにすることも可能である。別様には、人工誘電体のコーティングは、人工誘電体材料が所与の波長または一連の波長を反射する時点で、電界が印加されるまで、低視認性レーダー材料であるように調整することができる。
【００７６】
さらに、それぞれ５０％および１００％の反射率の２つの層の間にその材料を埋め込むことによって、材料の反射係数を大きく増加させることが可能である。人工誘電体を介した位相が９０°である場合は、その前後の反射を相殺する。位相が９０°でなければ、不完全な相殺を行う。１０パーセント変調度の達成は、容易なことであろう。また、これらはコーナーキューブの面として使用することができるので、その反射は、エミッタへの逆流だけが生じ、強度がより高くなる。ナノワイヤーは、コーナーキューブの側面にコーティングするか、反射層または部分的に反射層の間に埋め込むことができる。それらは、光学系の一部とすることができる（例えば、４分の１波長または２分の１波長プレートと反射器を組み合わせたものの間に円偏光反射器を製造する）。
【００７７】
図１１は、本発明の一実施態様による、遮蔽およびＲＡＭ用途に使用するための、ナノワイヤーを使用した人工誘電体の誘電率および損失特性を示す。上述のように、非常に高い誘電体係数を達成することができる。図１１は、ステルスコーティングおよび他のＲＡＭ材料として、当該の用途で使用される可能性の高い人工誘電体のデータを示す。また、図１１は、導電率およびナノワイヤー長の範囲にわたり１０１６ナノワイヤー／ｍ３である、人工誘電体のεｒおよびεｉの線図を示す。ナノワイヤーは、直径１００ｎｍである。
【００７８】
チャートは、様々なナノワイヤー長および導電率にわたるεｒおよびεｉを示す。ナノワイヤー長さをｘ軸に沿ってプロットし、導電率をｙ軸に沿ってプロットし、εｒおよびεｉをｚ軸に沿ってプロットした。チャートは、１０５Ｓ／ｍの比較的高い導電率で高濃度にドープし、短波長の特定の周波数でεｒが２５００およびεｉが１４００であり、約１００μの長さを有するナノワイヤーの場合を示す。これらは、短波長で非常に高い損失の非常に高い誘電率を示す。したがって、例えば、レーダー波を吸収する航空機用の低視認性レーダーコーティングを製造しようとした場合、その材料は、非常に高い損失を有することになり、同じく高損失の磁性体と混合することが可能である。入力電磁波は、人工誘電体および金属のインピーダンスをほぼ一致させることが可能であるため、当該の材料において迅速に減衰させることが可能である。加えて、μ／εｒの比率の二乗根が自由空間のそれに近づくように、不可逆人工誘電体を不可逆磁性体と混合することによって、コーティングと空気との間の境界での反射を取り除いてステルス動作を支援することができる。
【００７９】
ＲＡＭ材料内にナノワイヤーを使用した人工誘電体の使用を実証するためにシミュレーションを行った。シミュレーションでは、３層スタック、すなわち合計１２ｍｍの厚さのナノワイヤーを使用した人工誘電体とした。人工誘電体の製造に使用した誘電体マトリクスは、εｒ＝２．８で、低損失材料である。また、誘電体マトリクスは、透磁率が３０のものとした。人工誘電体を製造するために誘電体マトリクス内に埋め込まれたナノワイヤーは、長さ２０μｍ、直径１００ｎｍのシリコンドープしたナノワイヤーとした。人工誘電体内のナノワイヤーの容積比率は、１％未満である。使用した基板は、金属である。
【００８０】
図１２は、上述の３層スタック機構を使用したεｒ、εｉ、および反射係数の線図である。留意すべき主な決定要因は、約１ＧＨｚを超える周波数に対する反射係数がほぼ０にとどまることである。εｒおよびεｉの線図では、３つの曲線が、スタック内の３つの層のそれぞれに対応する。
【００８１】
図１３は、上述のものと同じパラメータの６層スタック機構を使用したεｒ、εｉ、および反射係数の類似した線図である。この場合、総厚さは、ほぼ２４ｍｍである。図１３において観察すべきキーポイントは、３層のシミュレーションのときよりも０の近くにとどまり、上述の約１ＭＨｚを超える周波数に対する反射係数がほぼ０であることである。εｒおよびεｉの線図では、６つの曲線が、スタック内の６つの層のそれぞれに対応する。
【００８２】
図１４は、本発明の一実施態様による、ナノワイヤーを使用した制御可能な人工誘電体を含むＲＡＭを一部にコーティングした航空機１４００を示す。航空機１４００は、主にＲＡＭコーティング１４１０によって覆われる。ＲＡＭコーティング１４１０は、従来のＲＡＭ材料、または図１２および１３を参照して説明した、ナノワイヤーを使用した人工誘電体を含むＲＡＭ材料とすることができる。ＲＡＭコーティング１４２０は、ナノワイヤーを使用した制御可能な人工誘電体を使用したＲＡＭ材料である。ＲＡＭコーティング１４２０の反射率は、人工誘電体を使用したナノワイヤーに電界を印加することによって調整することができる。ＲＡＭコーティング１４２０は、一般に、航空機１４００が信号の送信および／または受信装置を有する範囲にわたるコーティングとして使用される。図１４は、航空機１４００の側面に沿ったＲＡＭコーティング１４２０を示す。この位置は、本発明を制限することを意図するものではない。ＲＡＭコーティング１４２０は、航空機の尾部または機首に限らず、様々な位置に配置することが可能である。
【００８３】
航空機１４００が、特定のタイプの、または複数のタイプの信号を送受信する必要がない場合、ＲＡＭコーティング１４２０にはいかなる電界も印加されない。航空機１４００が、当該の単一または複数の信号を送受信する必要がある場合、ＲＡＭコーティング１４２０内にナノワイヤーを使用した人工誘電体に電界を印加して、送受信される単一または複数の信号を一時的に許可するように、ＲＡＭコーティング１４２０の反射率を変更することが可能である。これによって、航空機１４２０は、１つ以上の周波数で単一または複数の信号を送受信することが可能になり（例えば、信号がランダムな周波数で伝送されるように、電界を調整することが可能である）、一方で、検出される可能性を最小限に抑えて、ステルス動作を保持することが可能になる。ナノワイヤーを使用した制御可能な人工誘電体を使用したＲＡＭコーティングは、様々な輸送手段（例、航空機、船舶、トラック、タンクなど）、またはエンクロージャ（例、安全な地下壕、レーダーサイトなど）に適用することが可能である。
【００８４】
（ナノワイヤーを使用した人工誘電体を有するデバイスを製造するための方法）
本発明の範囲は、ナノワイヤーを使用した人工誘電体を使用したデバイスを製造するための、多数の方法をカバーする。例証の簡略化のために、２つの方法だけを本願明細書に記述する。これらは出願の範囲を制限するものではなく、むしろ本発明の幅広い範囲を実証するものである。
【００８５】
ナノワイヤーを使用した人工誘電体を使用したデバイスを製造するための多数の方法がある。図１５は、本発明の一実施態様による、ナノワイヤーを使用した人工誘電体を有する電子デバイスを製造するための方法１５００を示す。方法１５００は、携帯電話、無線通信カードなどのような様々な用途での使用に対して、回路基板上に、マイクロストリップフィルタ、ＳＡＷフィルタ、コンデンサなどのようなデバイスを製造するために使用することが可能である。
【００８６】
方法１５００は、工程１５１０で開始する。工程１５１０で、ナノワイヤーをポリマーに混合して、ナノワイヤーを有する人工誘電体を製造する。密度、直径、ドーピング、および他の特性とともに、特定のタイプのナノワイヤーは、例えば図６に示されるものに類似する特定の用途およびチャートに基づいて決定される。工程１５２０で、人工誘電体を薄膜に押出成形する。工程１５３０で、薄膜の上部および下部に銅（または他の導体）を印加する。工程１５４０で、生成される所望のデバイスの特性に基づいて、銅をパターン化する。工程１５５０で、方法１５００は終了する。
【００８７】
図１６は、本発明の一実施態様による、既存の回路基板上にナノワイヤーを使用した人工誘電体を有する電子デバイスを製造するための方法１６００のフローチャートである。方法１６００は、携帯電話、無線通信カードなどのような様々な用途での使用に対して、回路基板上に、マイクロストリップフィルタ、ＳＡＷフィルタ、コンデンサなどのようなデバイスを製造するために使用することが可能である。
【００８８】
方法１６００は、工程１６１０で開始する。工程１６１０で、ナノワイヤーをポリマーに混合して、ナノワイヤーを有する人工誘電体を製造する。密度、直径、ドーピング、および他の特性とともに、特定のタイプのナノワイヤーは、例えば図６に示されるものに類似する特定の用途およびチャートに基づいて決定される。工程１６２０で、人工誘電体を薄膜に押出成形する。工程１６３０で、ナノワイヤーを有する人工誘電体の薄膜を、人工誘電体の使用が望ましい、既存の回路基板の選択された領域に適用する。工程１６４０で、必要に応じて、人工誘電体が印加された領域に電気的接続を適用する。工程１６５０で、人工誘電体の上に任意の接地面を設ける。いくつかの実施態様では、この接地面は、単純に、例えば携帯電話のエンクロージャのための、デバイスのケーシングとすることが可能である。工程１６６０で、方法１６００は終了する。
【００８９】
（結論）
本発明の様々な実施態様を述べてきたが、それらは一例として示されたものであり、これに限定されるものではないと理解されたい。本発明の精神と範囲から逸脱することなく、形態および細部の様々な変更を行うことができることは、当業者には明らかである。したがって、本発明の広さおよび範囲は、上述の例示的な実施態様のいずれかに限定されるものではなく、以下の請求項およびそれらの同等物によってのみ定義されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】図１Ａは、単結晶半導体ナノワイヤーの図である。図１Ｂは、コア−シェル構造に基づいてドープしたナノワイヤーの図である。図１Ｃは、ドープした表層および絶縁コーティングを有するナノワイヤーの図である。
【図２】図２Ａは、本発明の一実施態様による、ナノワイヤーを使用した人工誘電体の図である。図２Ｂは、本発明の一実施態様による、人工誘電体の側面斜視図である。
【図３】図３は、本発明の一実施態様による、ナノワイヤーを使用した人工誘電体を有するコンデンサの図である。
【図４】図４は、本発明の一実施態様による、ナノワイヤーを有する人工誘電体を使用した薄膜トランジスタの図である。
【図５】図５は、本発明のいくつかの実施態様による、適切な散逸率でεｒ＝３００を達成するために必要なシリコンナノワイヤー長を示す線図である。
【図６】図６Ａは、σが１ｅ５、ナノワイヤー長が４７．３μｍ、密度が１ｅ１５ナノワイヤー／ｃｍ３のときの、ナノワイヤーを有する人工誘電体のεｒのチャートを示す図である。図６Ｂは、σが１ｅ５、ナノワイヤー長が４７．３μｍ、密度が１ｅ１５ナノワイヤー／ｃｍ３のときの、ナノワイヤーを有する人工誘電体の散逸率のチャートを示す図である。
【図７】図７Ａは、σが１ｅ５、ナノワイヤー長が２０．７μｍ、密度が１ｅ１７ナノワイヤー／ｃｍ３のときの、ナノワイヤーを有する人工誘電体のεｒのチャートを示す図である。図７Ｂは、σが１ｅ５、ナノワイヤー長が２０．７μｍ、密度が１ｅ１７ナノワイヤー／ｃｍ３のときの、ナノワイヤーを有する人工誘電体の散逸率のチャートを示す図である。
【図８】図８Ａは、σが１ｅ５、ナノワイヤー長が８．９７μｍ、密度が１ｅ１８ナノワイヤー／ｃｍ３のときの、ナノワイヤーを有する人工誘電体のεｒのチャートを示す図である。図８Ｂは、σが１ｅ５、ナノワイヤー長が８．９７μｍ、密度が１ｅ１８ナノワイヤー／ｃｍ３のときの、ナノワイヤーを有する人工誘電体の散逸率のチャートを示す図である。
【図９】図９Ａは、σが１ｅ５、ナノワイヤー長が３．７９５μｍ、密度が１ｅ１９ナノワイヤー／ｃｍ３のときの、ナノワイヤーを有する人工誘電体のεｒのチャートを示す図である。図９Ｂは、σが１ｅ５、ナノワイヤー長が３．７９５μｍ、密度が１ｅ１９ナノワイヤー／ｃｍ３のときの、ナノワイヤーを有する人工誘電体の散逸率のチャートを示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の一実施態様による、電極を含むナノワイヤーを使用した人工誘電体の図である。
【図１１】図１１は、本発明の一実施態様による、遮蔽およびＲＡＭ用途に使用するための、ナノワイヤーを使用した人工誘電体の誘電率および損失特性を示すチャートの図である。
【図１２】図１２は、本発明の一実施態様による、ナノワイヤーを有する３層スタックの人工誘電体を使用したεｒ、εｉ、および反射係数の線図である。
【図１３】図１３は、本発明の一実施態様による、ナノワイヤーを有する６層スタックの人工誘電体を使用したεｒ、εｉ、および反射係数の線図である。
【図１４】図１４は、本発明の一実施態様による、ナノワイヤーを使用した制御可能な人工誘電体を含むＲＡＭを一部にコーティングした航空機の図である。
【図１５】図１５は、本発明の一実施態様による、ナノワイヤーを使用した人工誘電体を有する電子デバイスを製造するための方法のフローチャートである。
【図１６】図１６は、本発明の一実施態様による、既存の回路基板上にナノワイヤーを使用した人工誘電体を有する電子デバイスを製造するための方法のフローチャートである。
【図１Ａ】
2008514000.tif 000004
【図１Ｂ】
2008514000.tif 000005
【図１Ｃ】
2008514000.tif 000006
【図２Ａ】
2008514000.tif 000007
【図２Ｂ】
2008514000.tif 000008
【図３】
2008514000.tif 000009
【図４】
2008514000.tif 000010
【図５】
2008514000.tif 000011
【図６】
2008514000.tif 000012
【図７】
2008514000.tif 000013
【図８】
2008514000.tif 000014
【図９】
2008514000.tif 000015
【図１０】
2008514000.tif 000016
【図１１】
2008514000.tif 000017
【図１２】
2008514000.tif 000018
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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