(57)【要約】　【課題】　従来の分子エレクトロニクス素子と全く異なる新規な動作原理による整流素子、この整流素子を用いたセンサ素子およびスイッチ素子を提供する。　【解決手段】　２つ以上の分子または分子組織体１１をある接合点において結合して整流素子を構成する。１つの分子または分子組織体から、結合している別の分子または分子組織体への励起状態または励起子の移動が、接合点での空間的非対称性を要因として非対称的に進行することを利用して、励起状態または励起子の移動に関する整流機能を得る。また、この整流機能に加えてその整流特性を制御することにより、イオンセンサ素子またはスイッチ素子を構成する。整流素子の途中に抵抗素子を挿入してもよい。【選択図】　　　　図１
2004123720.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　励起状態または励起子の移動を非対称的に進行させる整流機能を有する
　ことを特徴とする分子素子。
【請求項２】
　上記励起状態または励起子は光によって形成されることを特徴とする請求項１記載の分子素子。
【請求項３】
　上記励起状態または励起子は素子外部から注入されることを特徴とする請求項１記載の分子素子。
【請求項４】
　少なくとも２つ以上の分子または分子組織体を構成要素として有することを特徴とする請求項１記載の分子素子。
【請求項５】
　上記少なくとも２つ以上の分子または分子組織体は、直線または直線状の形状を有する分子または分子組織体であって、光によって直接励起することができるか、または、隣接する分子または分子組織体からの励起エネルギーの移動によって励起状態を形成することができるものであることを特徴とする請求項４記載の分子素子。
【請求項６】
　上記直線または直線状の形状を有する分子または分子組織体は、直鎖状共役高分子、直線状非共役高分子または同種もしくは異種の分子で構成された直線状の分子集合体であることを特徴とする請求項５記載の分子素子。
【請求項７】
　上記少なくとも２つ以上の分子または分子組織体は、環状または楕円状の形状を有する分子または分子組織体であって、光によって直接励起することができるか、または、隣接する分子または分子組織体からの励起エネルギーの移動によって励起状態を形成することができるものであることを特徴とする請求項４記載の分子素子。
【請求項８】
　上記環状または楕円状の形状を有する分子または分子組織体は、環状共役高分子、環状非共役高分子または同種もしくは異種の分子で構成された環状の分子集合体であることを特徴とする請求項７記載の分子素子。
【請求項９】
　１つの上記分子または分子組織体が少なくとも１つ以上の別の上記分子または分子組織体と、共役結合、非共役共有結合、電荷移動的結合、イオン結合、水素結合、π電子の相互作用によるスタッキング、ファン・デア・ワールス力またはそれらの中間的な力によって物理的または化学的に結合していることを特徴とする請求項４記載の分子素子。
【請求項１０】
　上記物理的または化学的に結合している少なくとも２つ以上の上記分子または分子組織体間で上記励起状態または励起子の移動が非可逆的に進行することを利用して整流機能を得ることを特徴とする請求項９記載の分子素子。
【請求項１１】
　上記物理的または化学的に結合している少なくとも２つ以上の上記分子または分子組織体同士がそれらの結合点において互いに非平行であることにより、上記励起状態または励起子の移動が非対称的に進行することを特徴とする請求項１０記載の分子素子。
【請求項１２】
　少なくとも２つ以上の上記分子または分子組織体が互いに結合して接合を形成しており、その結合部位において上記接合が空間的非対称性を有することにより、上記励起状態または励起子の移動が非対称的に進行することを特徴とする請求項９記載の分子素子。
【請求項１３】
　隣接する上記分子または分子組織体間に抵抗素子が挿入されて結合している部分を有することを特徴とする請求項４記載の分子素子。
【請求項１４】
　上記抵抗素子は分子または分子組織体からなり、上記分子素子を構成する上記分子または分子組織体と共有結合していることを特徴とする請求項１３記載の分子素子。
【請求項１５】
　上記抵抗素子を構成する上記分子または分子組織体は電磁波の照射により構造が変化するものであることを特徴とする請求項１３記載の分子素子。
【請求項１６】
　上記抵抗素子を構成する上記分子または分子組織体は温度により構造が変化するものであることを特徴とする請求項１３記載の分子素子。
【請求項１７】
　少なくとも１つの上記分子または分子組織体に少なくとも１つの入力端子が設けられていることを特徴とする請求項１記載の分子素子。
【請求項１８】
　上記入力端子は光により表面プラズモン励起を起こさせて上記励起状態または励起子を入力するものであることを特徴とする請求項１７記載の分子素子。
【請求項１９】
　所定の分子軌道エネルギーを有する色素分子で上記分子または分子組織体の末端を修飾してそれを上記入力端子とし、そこでの光励起により励起状態または励起子を入力することを特徴とする請求項１７記載の分子素子。
【請求項２０】
　励起状態または励起子の移動を非対称的に進行させる整流機能を有する
　ことを特徴とする分子組織体。
【請求項２１】
　励起状態または励起子の移動を非対称的に進行させる整流機能を有する
　ことを特徴とする整流素子。
【請求項２２】
　励起状態または励起子の移動を非対称的に進行させる
　ことを特徴とする整流方法。
【請求項２３】
　励起状態または励起子の移動を非対称的に進行させる整流機能およびその整流特性を制御する機能を有する
　ことを特徴とするセンサ素子。
【請求項２４】
少なくとも２つ以上の分子または分子組織体を構成要素として有することを特徴とする請求項２３記載のセンサ素子。
【請求項２５】
　上記少なくとも２つ以上の分子または分子組織体の少なくとも１つがイオン認識能を有することを特徴とする請求項２４記載のセンサ素子。
【請求項２６】
　上記イオン認識能を有する部位にイオンが付着しているか否かによって整流特性が変化することを特徴とする請求項２５記載のセンサ素子。
【請求項２７】
　励起状態または励起子の移動を非対称的に進行させる整流機能およびその整流特性を制御する機能を有する
　ことを特徴とするスイッチ素子。
【請求項２８】
　少なくとも２つ以上の分子または分子組織体を構成要素として有することを特徴とする請求項２７記載のスイッチ素子。
【請求項２９】
　上記少なくとも２つ以上の分子または分子組織体の少なくとも１つがイオン認識能を有することを特徴とする請求項２８記載のスイッチ素子。
【請求項３０】
　上記イオン認識能を有する部位にイオンが付着しているか否かによって整流特性が変化することを特徴とする請求項２９記載のスイッチ素子。
【請求項３１】
　励起状態または励起子の移動を非対称的に進行させる整流機能およびその整流特性を制御する機能を有するスイッチ素子を構成要素として有する
　ことを特徴とする回路素子。
【請求項３２】
　励起状態または励起子の移動を非対称的に進行させる整流機能およびその整流特性を制御する機能を有するスイッチ素子を構成要素として有する
　ことを特徴とする論理回路素子。
【請求項３３】
　励起状態または励起子の移動を非対称的に進行させる整流機能およびその整流特性を制御する機能を有するスイッチ素子を構成要素として有する
　ことを特徴とする演算素子。
【請求項３４】
　励起状態または励起子の移動を非対称的に進行させる整流機能およびその整流特性を制御する機能を有するスイッチ素子を構成要素として有する
　ことを特徴とする情報処理素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　この発明は分子素子、分子組織体、整流素子、整流方法、センサ素子、スイッチ素子、回路素子、論理回路素子、演算素子および情報処理素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
　分子電子素子（Molecular Electronic Devices）を構成要素として必要な機能を有するデバイスを構築する分子エレクトロニクスは、１９７４年のA.Aviram, M.A.Ratnerらによる提案（非特許文献１）以来、従来の電子デバイスとは全く異なった概念に基づく高機能・高集積化デバイスへの期待から多くの関心を集めてきた（非特許文献２）。分子エレクトロニクスは、さらに最近は、ナノスケールのサイエンスやテクノロジーの中心的課題の一つとして取り上げられている。
【非特許文献１】A.Aviram and M.A.Ratner,Chemical Physics Letter,vol.29,277(1974)
【非特許文献２】Y.Wada,M.Tsukada,M.Fujihira,K.Matsushige,T.Ogawa,M.Haga,and S.Tanaka,　　　　　Japanese Journal of Applied Physics,vol.39,p.3835(2000)
【０００３】
　これまでに提案されてきた分子電子素子（もしくは分子ナノエレクトロニクス素子）としては、例えば無機半導体におけるｐｎ接合の類推から、ドナーとアクセプターとを結合した分子による分子スイッチ、あるいは直鎖状共役分子による分子伝導体などが挙げられる（非特許文献３）。
【非特許文献３】和田恭雄、山田啓文、松重和美、応用物理、vol.70,p.1396(2001)
【０００４】
　なお、非特許文献４，５には、メソ結合イミダゾリルポルフィリン２量体について報告されている。非特許文献４には、ポルフィリン組織体による光電流増強効果についてもコメントがある。
【非特許文献４】小夫家芳明、「超分子ポルフィリン機能体」マテリアルインテグレーション、　　　　　Vol.14 No.5 p.59(2001)
【非特許文献５】K.Ogawa and Y.Kobuke,Angewandte Chemie International Edition,Vol.39,　　　　　p.4070(2000)
【０００５】
　また、特許文献１には、正確な長さと構造の単分散系高分子ロッドを構成する、特に極めて長い例えば１０６ｎｍまでのオリゴ（５，１５−ジアリール置換Ｚｎ（II）−ポルフィリニレン）化合物類が開示されている。特許文献２には、新規なメルカプト置換イミダゾリルポルフィリン金属錯体単量体、これを繰り返し単位として有する重合体およびこれらの製造方法が開示されている。特許文献３には、イミダゾリルポルフィリン金属錯体を単量体とするポルフィリン２量体が開示されている。特許文献４には、イミダゾリルポルフィリン金属錯体を構成単位とするポリ（ポルフィリン）が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−２１３９４５号公報
【特許文献２】特開２００１−２５３８８３号公報
【特許文献３】特許第３２５６７４２号明細書
【特許文献４】特開２００１−２１３８８３号公報
【０００６】
　非特許文献６には、分子間のエネルギー移動が１０ピコ秒程度であることが報告されている。非特許文献７には、ポルフィリン組織体の分子エレクトロニクスへの応用についての概略の説明がある。
【非特許文献６】I.V.Rubtsov,Y.Kobuke,H.Miyaji,K.Yoshihara"Energy Transfer in a porphyr　　　　　in chelete assembly"Chemical Physics Letters vol.308,323(1999)
【非特許文献７】［平成１４年５月２０日検索］、小夫家研究室ホームページ、インターネット　　　　　〈ＵＲＬ：mswebs.aist-nara.ac.jp/LABs/kobuke/index-j.html 〉
【０００７】
　また、非特許文献８，９には、金・チオール・Ｃ60の組み合わせによる光電変換について報告されている。
【非特許文献８】Imahori et al."Photoactive three dimensional monolayers:Porphyrin-Alka　　　　　nthiolate-stabilized gold cluster"(imahori-jacs2001.pdf)
【非特許文献９】今堀博、福住俊一、「分子太陽電池の展望」化学工業、２００１年７月号、　　　　　ｐ．４１
【０００８】
　非特許文献１０には、共有結合型ポルフィリン組織体の合成および吸収スペクトルについて報告されている。合成は、ＡｇI に促進される５，１５−ジアリルポルフィリン（中心金属としてＺｎを有する）のmeso-meso-カップリング反応を用いる。
【非特許文献１０】N.Aratani,A.Osuka,Y.H.Kim,D.H.Jeong,D.Kim"Extremely Long,Discrete　　　　　meso-meso-Coupled Porphyrin Arrays"Angewandte Chemie International　　　　　Edition,39,No.8,p.1458(2000)
【０００９】
　非特許文献１１には、共有結合型ポルフィリン組織体におけるエネルギー移動（励起子）に関する測定について報告されている。整流素子で重要な分子長軸に平行および垂直な励起子の性質を測定している。
【非特許文献１１】N.Ohta,Y.Iwaki,T.Ito,I.Yamazaki,A.Osuka"Photoinduced Charge Transfer　　　　　along a meso,meso-Linked Porphyrin Array"Journal of Physical Chemistry　　　　　,B.Vol.103,p.11242(1999)
【００１０】
　非特許文献１２，１３には、ポルフィリン高分子の変形で、平面化したものが報告されている。
【非特許文献１２】A.Tsuda,H.Furuta,and A.Osuka"Completely Fused Diporphyrins and Triporp　　　　　hyrin"Angewandte Chemie,International Edition,39,No.14,p.2549(2000)
【非特許文献１３】石田昭人「電子とエネルギーの流れで分子の姿を見る」www.jst.go.jp/pr/ann　　　　　ounce/20000301/bessi3/kadai2.html
【００１１】
　非特許文献１４には、中心金属を変えた場合のポルフィリン分子の電子状態変化が詳細に記述されている。
【非特許文献１４】山下和男「ポルフィリンによる光エネルギー変換」、表面、Vol.21,No.7,　　　　　p.406(1983)
【００１２】
　非特許文献１５には、１３章に単一分子デバイスの設計と合成について解説があり、１０章にナノ連結系によるエネルギー・電子移動デバイスについて解説があり、１７章に分子コンピュータの構築について解説がある。
【非特許文献１５】松重和美・田中一義編「分子ナノテクノロジー」、化学同人、１９９２年
【００１３】
　非特許文献１６には、ポルフィリン多量体の例が非常に多数記述されている。
【非特許文献１６】A.K.Burrell,D.L.Officer,P.G.Plieger,and D.C.W.Reid,"Synthetic Routs to　　　　　Multiporphyrin Arrays"Chemical Review,101,p.2751(2001)
【００１４】
　非特許文献１７には、メソ結合イミダゾリルポルフィリン２量体の合成方法が記載されている。
【非特許文献１７】Tetrahedron,Vol.50,No.39,p.11427(1994)
【００１５】
　非特許文献１８には、ポルフィリンの表面プラズモン励起に関して報告されている。
【非特許文献１８】A.Ishida and T.Majima"Surface Plasmon Exitation of Porphyrin self-asse　　　　　mbly monolayers on an Au surface"Nanotechnology 10,p.308(1999)
【００１６】
　非特許文献１９には、ポルフィリン組織体の末端を修飾し、そこでの光励起を入力として用いる方法が報告されている。
【非特許文献１９】R.W.Wagner and J.S.Lindsey"A Molecular Photonic Wire"J.Am.Chem.Soc.　　　　　1994,116,9759-9760
【００１７】
　非特許文献２０，２１には、単一分子イメージング法について報告されている。
【非特許文献２０】［平成１４年５月２０日検索］、大阪大学の柳田俊雄教授のグループの成果、　　　　〈ＵＲＬ：http://www.jst.go.jp/erato/project/ysu P/syn/index.html 〉
【非特許文献２１】［平成１４年５月２０日検索］、浜松ホトニクスの商品カタログ、〈ＵＲＬ：ht　　　　　tp://www.hpk.co.jp/jpn/products/SYS/C8600J.htm〉
【００１８】
　非特許文献２２には、ポルフィリンからの蛍光は６００±２０ｎｍ程度の波長であると記載されている。
【非特許文献２２】Y.Kobuke and H.Miyaji,Journal of American Chemical Society 116,p.4111　　　　　(1994)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
　しかし、分子電子素子の実用化には、分子素子の合成、素子機能の確認、分子素子の配向制御、分子素子間や分子素子と外部回路との間の配線による回路の作製、高集積化に伴う分子間相互作用の制御、信頼性、動作速度・発熱・耐環境性・素子寿命などの問題があり、分子エレクトロニクスは実用化からほど遠い段階に留まっている。現時点では、むしろ、マクロな有機材料（例えば、有機薄膜）を構成要素としてデバイス（例えば、有機ＥＬ（Electroluminescence)素子）を構築する有機エレクトロニクスの方が、分子エレクトロニクスよりも実用化に近い段階にあると考えられる。
【００２０】
　この発明は、従来の分子エレクトロニクスが置かれている上記の状況を新たな発想で打開し、分子エレクトロニクスの潜在的可能性を顕在化させることを意図するものである。より具体的には、この発明は、光合成などの生体系で特徴的な３つの原理、すなわちエネルギー移動（Energy Transfer)、励起子相互作用（Exciton Coupling) および自己組織化（Self Assembly)に着目し、これらを積極的に取り入れることにより、従来の分子エレクトロニクスを超えた、ナノスケールのエレクトロニクスの新たな実現方法を提案するものである。
【００２１】
　すなわち、この発明が解決しようとする課題は、従来の分子エレクトロニクス素子と全く異なる新規な動作原理による分子素子、分子組織体、整流素子、整流方法、センサ素子、スイッチ素子、回路素子、論理回路素子、演算素子および情報処理素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
　本発明者らは、種々検討を行った結果、２つ以上あるいは２種類以上の分子または分子組織体（特に、有機分子または有機分子組織体）をある接合点において結合した系において、１つの分子もしくは分子組織体から、結合している別の分子または組織体への励起状態または励起子の移動が、接合点での空間的非対称性を要因として非対称的に進行するという新たな現象を見出した。そして、この現象を応用した素子として、励起状態または励起子の移動に関する整流機能を有する素子を案出し、さらにその整流機能あるいは整流特性を制御することができる利用したスイッチ素子やセンサ素子や論理回路素子などの種々の素子を案出するに至ったものである。
【００２３】
　すなわち、上記課題を解決するために、この発明の第１の発明は、
　励起状態または励起子の移動を非対称的に進行させる整流機能を有する
　ことを特徴とする分子素子である。
【００２４】
　励起状態または励起子は、素子に外部から刺激を与えることによって形成あるいは発生させてもよいし、素子外部で発生させたものを注入してもよく、さらにはそれらを併用してもよい。外部刺激としては、典型的には、光、例えば可視光が用いられる。
【００２５】
　この分子素子は、一般的には、少なくとも２つ以上（１種類のものでも２種類以上のものでもよい）の分子または分子組織体（特に、有機分子または有機分子組織体）を構成要素として有する。この分子または分子組織体の数、種類、配置などは、この分子素子に持たせる機能などに応じて決められる。具体的には、少なくとも２つ以上の分子または分子組織体は、例えば、直線または直線状の形状を有する分子または分子組織体であって、光によって直接励起することができるか、または、隣接する分子または分子組織体からの励起エネルギーの移動などによって励起状態を形成することができるものである。上記の直線または直線状の形状を有する分子または分子組織体は、例えば、直鎖状共役高分子、直線状非共役高分子または、シアニン系色素の集合体（Aggregate)に代表されるような同種もしくは異種の分子で構成された直線状の分子集合体である。あるいは、少なくとも２つ以上の分子または分子組織体は、環状または楕円状の形状を有する分子または分子組織体であって、光によって直接励起することができるか、または、隣接する分子または分子組織体からの励起エネルギーの移動などによって励起状態を形成することができるものであってもよい。上記の環状または楕円状の形状を有する分子または分子組織体は、例えば、環状共役高分子、環状非共役高分子または、光合成の光捕集構造に代表されるような同種もしくは異種の分子で構成された環状の分子集合体である。分子または分子組織体の具体例を挙げると、ポルフィリン分子やフタロシアニン分子などである。
【００２６】
　この分子素子においては、典型的には、１つの分子または分子組織体が、少なくとも１つ以上の別の分子または分子組織体と、共役結合、非共役共有結合（飽和結合）、電荷移動的結合、イオン結合、水素結合、π電子の相互作用によるスタッキング（Stacking）、ファン・デア・ワールス（van der Waals)力またはそれらの中間的な力によって物理的または化学的に結合している。そして、典型的には、この物理的または化学的に結合している少なくとも２つ以上の分子または分子組織体間で励起状態または励起子の移動が非対称的あるいは非可逆的に進行することを利用して整流機能を得る。最も典型的には、この物理的または化学的に結合している少なくとも２つ以上の分子または分子組織体同士がそれらの結合点において互いに非平行であることにより、励起状態または励起子の移動が非対称的に進行する。あるいは、言い換えると、この分子素子においては、少なくとも２つ以上の分子または分子組織体が互いに結合して接合を形成しており、その結合部位において接合が空間的非対称性を有することにより、励起状態または励起子の移動が非対称的に進行する。
【００２７】
　この分子素子においては、その構成要素として少なくとも２つ以上の分子または分子組織体（特に、有機分子または有機分子組織体）を用いる場合、隣接する分子または分子組織体間に抵抗素子を挿入して結合させるようにしてもよい。この抵抗素子としては、分子または分子組織体、特に有機分子または有機分子組織体（通常、分子素子を構成する分子または分子組織体とは異なるもの）を用いることができ、これらは典型的には、分子素子を構成する分子または分子組織体と共有結合する。この抵抗素子としての分子または分子組織体としては、必要に応じて、電磁波の照射により構造が変化するもの（光応答性分子など）や温度により構造が変化するもの（熱応答性分子など）を用いることもできる。この抵抗素子として使用する分子または分子組織体は目的に応じて選ばれるが、具体例をいくつか挙げると、ベンゼン、アゾベンゼン、アルキン、シクロアルカン（シクロヘキサンなど）、ビシクロ［２．２．２］アルカン（ビシクロ［２．２．２］ヘキサンなど）などである。抵抗素子は、場合によっては、例えば、ペプチド結合などの各種の結合やアゾ基などの各種の基であってもよい。この抵抗素子として使用する分子または分子組織体の大きさや、この分子または分子組織体とその両端に結合している、分子素子を構成する分子または分子組織体との結合方向の相対角度などを変えることにより、抵抗素子の両端の分子または分子組織体間の距離を変えることができる。２つの遷移双極子モーメント間の遷移双極子相互作用はそれらの間の距離の６乗に反比例するので、このように分子または分子組織体間の距離を制御することにより、遷移双極子相互作用を制御することができ、それによって励起状態または励起子の移動を制御することが可能となる。
【００２８】
　この分子素子に外部から励起状態または励起子を入力するためには、典型的には、この分子素子を構成する少なくとも１つの分子または分子組織体に少なくとも１つの入力端子が設けられる。この入力端子の数および位置は、この分子素子に持たせる機能などに応じて決められる。入力方法の例を挙げると、入力端子において光により表面プラズモン励起を起こさせて励起状態または励起子を入力する方法や、所定の分子軌道エネルギーを有する色素分子で分子または分子組織体の末端を修飾してそれを入力端子とし、そこでの光励起により励起状態または励起子を入力する方法などがある。
【００２９】
　この発明の第２の発明は、
　励起状態または励起子の移動を非対称的に進行させる整流機能を有する
　ことを特徴とする分子組織体である。
【００３０】
　この発明の第３の発明は、
　励起状態または励起子の移動を非対称的に進行させる整流機能を有する
　ことを特徴とする整流素子である。
【００３１】
　この発明の第４の発明は、
　励起状態または励起子の移動を非対称的に進行させる
　ことを特徴とする整流方法である。
【００３２】
　この発明の第５の発明は、
　励起状態または励起子の移動を非対称的に進行させる整流機能およびその整流特性を制御する機能を有する
　ことを特徴とするセンサ素子である。
【００３３】
　このセンサ素子は、一般的には、少なくとも２つ以上の分子または分子組織体を構成要素として有する。典型的には、これらの分子または分子組織体の少なくとも１つがイオン認識能を有し、このイオン認識能を有する部位にイオンが付着しているか否かによって整流特性が変化することを利用してイオンセンシングを行う。
【００３４】
　この発明の第６の発明は、
　励起状態または励起子の移動を非対称的に進行させる整流機能およびその整流特性を制御する機能を有する
　ことを特徴とするスイッチ素子である。
【００３５】
　このスイッチ素子は、一般的には、少なくとも２つ以上の分子または分子組織体を構成要素として有する。典型的には、これらの分子または分子組織体の少なくとも１つがイオン認識能を有し、このイオン認識能を有する部位にイオンが付着しているか否かによって整流特性が変化することを利用してスイッチングを行う。
【００３６】
　この発明の第７の発明は、
　励起状態または励起子の移動を非対称的に進行させる整流機能およびその整流特性を制御する機能を有するスイッチ素子を構成要素として有する
　ことを特徴とする回路素子である。
【００３７】
　この回路素子は、種々の用途に用いることが可能であり、その用途またはそれに持たせる機能に応じて、１つまたは２つ以上のスイッチ素子が用いられる。この回路素子は、具体的には、例えば論理回路素子である。
【００３８】
　この発明の第８の発明は、
　励起状態または励起子の移動を非対称的に進行させる整流機能およびその整流特性を制御する機能を有するスイッチ素子を構成要素として有する
　ことを特徴とする論理回路素子である。
　この論理回路素子においては、それに持たせる機能に応じて１つまたは２つ以上のスイッチ素子が用いられる。
【００３９】
　この発明の第９の発明は、
　励起状態または励起子の移動を非対称的に進行させる整流機能およびその整流特性を制御する機能を有するスイッチ素子を構成要素として有する
　ことを特徴とする演算素子である。
　この演算素子においては、それに持たせる演算機能に応じて１つまたは２つ以上のスイッチ素子が用いられる。
【００４０】
　この発明の第１０の発明は、
　励起状態または励起子の移動を非対称的に進行させる整流機能およびその整流特性を制御する機能を有するスイッチ素子を構成要素として有する
　ことを特徴とする情報処理素子である。
　この情報処理素子においては、それに持たせる情報処理機能に応じて１つまたは２つ以上のスイッチ素子が用いられる。
【００４１】
　この発明の第２〜第１０の発明においては、その性質に反しない限り、この発明の第１の発明に関連して述べたことが成立する。
　また、この発明の第７〜第１０の発明においては、その性質に反しない限り、この発明の第６の発明に関連して述べたことが成立する。
【００４２】
　上述のように構成されたこの発明によれば、分子または分子組織体をベースとして、励起状態または励起子の移動を非対称的に進行させる整流機能を得ることができる。
【発明の効果】
【００４３】
　この発明によれば、新規な動作原理に基づいた、分子素子、分子組織体、整流素子、整流方法、センサ素子、スイッチ素子、回路素子、論理回路素子、演算素子および情報処理素子を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
　以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
　図１Ａ、図１Ｂおよび図１Ｃはこの発明の第１の実施形態を示す。この第１の実施形態においては、２つの直線または直線状の分子または分子組織体が互いに直角に接合している場合に生じる整流効果について説明する。
【００４５】
　図１Ａおよび図１Ｂにそれぞれ示すように、直線または直線状の分子または分子組織体１１の長軸に対して垂直方向（図１Ａ）および平行方向（図１Ｂ）の遷移双極子モーメントを有する１つ以上の電子遷移によって構成される励起子１２（両矢印は偏極方向を示す）について考える。これらの２つの状態の励起子１２のエネルギー準位は、遷移双極子モーメント同士の相互作用の大きさや配置によって決まる。
【００４６】
　図１Ｃは、２つの同じ直線または直線状の分子または分子組織体１１をそれぞれの末端で互いに直角に接合して整流素子を構成した場合を示す。この場合、もしも、分子または分子組織体１１の長軸に対して垂直方向に偏極した励起子１２（図１Ａ）の方が高エネルギー準位の場合には、励起子１２は矢印Ａ、Ｂの方向に移動する確率が高い。すなわち、励起子１２の移動に非対称性が生じ、励起子１２の移動に関して整流効果が得られる。
【００４７】
　一方、もしも、分子または分子組織体１１の長軸に対して平行に偏極した励起子１２（図１Ｂ）の方が高エネルギー準位の場合には、励起子１２は、矢印Ａ、Ｂとは逆方向に移動する確率が高い。この場合も、励起子１２の移動に非対称性が生じ、励起子１２の移動に関して整流効果が得られる。
【００４８】
　上記の励起子１２の移動の非対称性、すなわち励起子１２の移動に関する整流効果は、２つの直線状の分子または分子組織体１１の結合部位における接合の空間的非対称性によって導かれるものである。
【００４９】
　次に、この整流素子の具体的な構造例について説明する。
　図２Ａは、メソ結合イミダゾリルポルフィリン２量体を示す（非特許文献４）。このメソ結合イミダゾリルポルフィリン２量体は、図２Ｂに示すような相補的な配位結合（点線で示す）によって直線状分子組織体を形成する（非特許文献５）。
【００５０】
　図２Ｂに示す直線状分子組織体においては、分子長軸に対して垂直方向および平行方向に遷移双極子モーメントを有する電子遷移で構成された２種類の励起子（それぞれ図２Ｃおよび図２Ｄに示す）が存在し、このうち、分子長軸に平行方向に偏極したもの（図２Ｄ）の方が、エネルギー準位が低い。
【００５１】
　図３Ａはメソ結合非直線型イミダゾリルポルフィリン３量体を示す。このメソ結合非直線型イミダゾリルポルフィリン３量体を起点とすることにより、図３Ｂに示すように、互いに直角な２つの方向にそれぞれ配位結合によって直線状分子組織体を形成することができ、図１Ｃに示す整流素子を構成することができる。この場合、直線状部位のビルディングブロックとしては、図３Ｃに示すメソ結合直線型イミダゾリルポルフィリン３量体あるいは図２Ａに示すメソ結合イミダゾリルポルフィリン２量体を用いることができるが、図３Ｂにおいては後者のメソ結合イミダゾリルポルフィリン２量体を用いた例が示されている。
【００５２】
　なお、ポルフィリン系物質に関する研究やその応用研究は多く行われている（特許文献１〜４、非特許文献４〜２２）。
　非特許文献１４には、中心金属を変えた場合のポルフィリン分子の電子状態変化が詳細に記述されているが、この文献の表４（p.414)の第一還元電位（Ｅ（Ｐ／Ｐ- ））および図１１（p.412)を参照すると、Ｈ2 の場合よりも小さなＥ（Ｐ／Ｐ- ）を有している中心金属はＰｄのみである。その他の中心金属を有するポルフィリンが励起子整流素子の分岐点として用いられる場合、その位置で励起子がトラップされることになり、それがイオンによるセンシングやスイッチングに対応することになる。
【００５３】
　整流素子の基本構造となる分子の合成例としては、非特許文献１６のScheme17,Scheme19,Scheme21を用いる。特に、整流素子の分岐点を合成する際には、Scheme21の分子５３から５４を形成する反応に際して、分子５３だけでなく、分子５３に類似な、図４に示す分子を、分子５３に対して半分の割合で混ぜることにより、直角に曲がった３量体を形成することができる。図４において、ＢＰは、アリル基（後述のようなドナー性もしくはアクセプター性置換基を有する）、もしくはアルキル基である。
【００５４】
　配位結合型分子組織体の基本構成要素であるメソ結合イミダゾリルポルフィリン２量体は、例えば、図５に示す反応により合成することができる（非特許文献１７）。さらに、この合成の最終反応（２量体形成）を変形（Modify）し、図６に示す分子を０．５倍加えて反応させることにより、図３Ａに示すような曲がったメソ結合非直線型イミダゾリルポルフィリン３量体を合成することができる。図５における置換基はＣ7 Ｈ15である必要はなく、アルキルアミノ基（アルキルとしては分岐もしくは直鎖アルキル）、ニトロ基、シアノ基なども用いられる。
【００５５】
　配位結合型ポルフィリン組織体（小夫家タイプ）に置換基を導入した場合について説明する（図７）。
　置換基Ｘａｉ，Ｘｂｉ，Ｙａ（１，２，３，・・，ｎ，・・，Ｎ），Ｙｂ（１，２，３，・・，ｎ，・・，Ｎ），Ｚａ（１，２，３，・・，ｎ，・・，Ｎ），Ｚｂ（１，２，３，・・，ｎ，・・，Ｎ）としては、以下のドナー性、もしくはアクセプター性置換基を有する。
【００５６】
ドナー性置換基
　−ＮＲ2 ，ＲはＣとＨとＯとで構成される、分岐もしくは直鎖状の置換基（アルキル基、アルコキシ基）
アクセプター性置換基
　−ＣＮ（シアノ基）、ＮＯ2 （ニトロ基）、ＳＯ3 Ｈ（スルホ基）を有する。
【００５７】
　共有結合型ポルフィリン組織体（大須賀タイプ）に置換基を導入し、中心金属は有さない場合について説明する（図８）。
　置換基Ｘａｉ，Ｘｂｉ，Ｙａ（１，２，３，・・，ｎ，・・，Ｎ），Ｙｂ（１，２，３，・・，ｎ，・・，Ｎ），Ｚａ（１，２，３，・・，ｎ，・・，Ｎ），Ｚｂ（１，２，３，・・・，ｎ，・・・，Ｎ）としては、以下のドナー性、もしくはアクセプター性置換基を有するベンゼン環（アリル基）を導入する。
【００５８】
ドナー性置換基が付いたアリル基
　−ＮＲ2 ，ＲはＣとＨとＯとで構成される、分岐もしくは直鎖状の置換基（アルキル基、アルコキシ基）
アクセプター性置換基が付いたアリル基
　−ＣＮ（シアノ基）、ＮＯ2 （ニトロ基）、ＳＯ3 Ｈ（スルホ基）を有する
【００５９】
　共有結合型ポルフィリン組織体（大須賀タイプ）に置換基を導入し、中心金属は有する場合について説明する（図９）。
　置換基Ｘａｉ，Ｘｂｉ，Ｙａ（１，２，３，・・，ｎ，・・，Ｎ），Ｙｂ（１，２，３，・・，ｎ，・・，Ｎ），Ｚａ（１，２，３，・・，ｎ，・・，Ｎ），Ｚｂ（１，２，３，・・，ｎ，・・，Ｎ）としては、以下のドナー性、もしくはアクセプター性置換基を有するベンゼン環（アリル基）を導入する。
【００６０】
ドナー性置換基が付いたアリル基
　−ＮＲ2 ，ＲはＣとＨとＯとで構成される、分岐もしくは直鎖状の置換基（アルキル基、アルコキシ基）
アクセプター性置換基が付いたアリル基
　−ＣＮ（シアノ基）、ＮＯ2 （ニトロ基）、ＳＯ3 Ｈ（スルホ基）を有する
【００６１】
　この整流素子への励起状態または励起子の入力は、例えば次のようにして行うことができる。
　図１０にその一例を示す。図１０に示すように、この例では、分子または分子組織体１１の末端をチオールを用いてＡｕ、Ａｇ、Ｐｔなどからなる金属薄膜１３の一方の面と接続する。この金属薄膜１３の他方の面は直角プリズム１４の斜面と密着させておく。分子または分子組織体１１の具体的な構造例を図１１に示す。
【００６２】
　このように構成された入力端子の直角プリズム１４の互いに直交する二つの面のうちの一方に外部から光１５を入射させると、金属薄膜１３において表面プラズモンが励起され、それによって分子または分子組織体１１の末端に励起子１２が発生する。
　なお、表面プラズモン励起は、光だけでなく、電子のような荷電粒子によっても起こさせることが可能である。
　なお、ポルフィリンの表面プラズモン励起に関する報告例がある（非特許文献１８）。
【００６３】
　励起状態または励起子の入力方法としては、上記の表面プラズモン励起の方法以外に、適当な分子軌道エネルギーを持つ色素分子（boron-dipyrromethene）で分子または分子組織体１１、例えばポルフィリン組織体の末端を修飾し、そこでの光励起を入力として用いる方法も挙げられる（非特許文献１９）。
【００６４】
　この整流素子の出力方法としては、この整流素子を構成する分子または分子組織体１１から信号を取り出す位置を、蛍光を発する適当な分子で修飾する方法が挙げられる。具体的には、例えば次のとおりである。すなわち、整流素子を構成する分子または分子組織体１１の末端を蛍光色素で修飾する。分子または分子組織体１１に入力された励起状態または励起子は最終的にこの蛍光色素に到達し、この蛍光色素から蛍光が発する。そして、単一分子イメージング法（例えば、非特許文献２０，２１）を用いて、この単一蛍光色素からの蛍光をＣＣＤカメラでイメージングする。また、分子または分子組織体１１の末端を修飾する蛍光色素の具体例を挙げると、例えば分子または分子組織体１１がポルフィリン組織体である場合、最低限としてポルフィリン組織体自身からのものを利用するのが容易であると考えられる。ポルフィリンからの蛍光については、非特許文献２２に６００±２０ｎｍ程度の波長であると記されている。ポルフィリン以外の蛍光色素を分子または分子組織体１１の末端に修飾する場合には、ポルフィリンからエネルギーが生じるような低い最低非占分子軌道（ＬＵＭＯ）を有する分子である必要があると考えられる。なお、蛍光は発しないが、Ｃ60はポルフィリンからのエネルギー移動が生じる分子である。
【００６５】
　次に、この整流素子について行ったシミュレーション結果について説明する。その結果を図１２および図１３に示す。ここで、図１２は、互いに直交する２つの直線または直線状の分子または分子組織体１１上を励起子１２が移動する様子を示し、ｘ，ｙは分岐点を原点にとったときのそれぞれの分子または分子組織体１１の長軸方向の座標を表す。また、図１３は励起状態の番号と励起エネルギーとの関係を示す。
【００６６】
　図１２および図１３からわかるように、一方の分子または分子組織体１１上を移動する励起子１２の偏極が高エネルギー準位（励起エネルギー）の状態、すなわち状態１であるとき、中間のエネルギー準位の状態、すなわち状態２を経て、他方の分子または分子組織体１１上を励起子１２が低エネルギー準位の状態、すなわち状態３となる偏極で移動する。
【００６７】
　ここで、配位結合型ポルフィリン組織体の光物性に関する考察の結果について説明する。予備的考察として、互いに平行に配置された１次元遷移双極子系の励起エネルギー（エネルギー準位）に関して議論し、系の方向と遷移双極子の向きとが平行か垂直かで励起エネルギーのシフトの符号が変わることをみる。これは既に述べたように、分子または分子組織体１１の長軸に対して励起子１２が垂直方向に偏極しているか水平方向に偏極しているかでエネルギー準位、すなわち励起エネルギーが異なることに対応する。この考察を踏まえ、配位結合型ポルフィリン組織体の光吸収スペクトルを計算し、その特性について議論する。
【００６８】
　複数の遷移双極子が配置された系の光学吸収に関し、まず簡単な場合についてみる。１次元方向に格子間隔ａでサイトが並ぶ電子系を考える。各サイトは、基底状態および励起状態の２状態を持つ。以下では、一重項励起のみを考える。よって、スピンの効果はあらわには現れない。系のサイズは、各サイトで励起を生じさせるのに必要なエネルギーを持った光の波長よりも十分短いとする。この場合、系の内部の位置による光電場の大きさの違いは無視できる。系の電子と光電場（Ｅ（ｔ）とする）との相互作用は、次式のハミルトニアンで与えられる。
【数１】
2004123720.tif 000003
ここに、
【数２】
2004123720.tif 000004
は遷移双極子演算子であり、位置演算子
【数３】
2004123720.tif 000005
を用いて、次式で定義される。
【数４】
2004123720.tif 000006
ここに（−ｅ）は電子の電荷である。一般に、状態｜ｋ〉から｜ｊ〉への遷移に関する遷移双極子モーメントは、次式で与えられる。
【数５】
2004123720.tif 000007
また、対応する光電場との相互作用の大きさは、次式で与えられる。
【数６】
2004123720.tif 000008
【００６９】
　以下では簡単のため、各サイトの励起エネルギーが等しい（この励起エネルギーをＥg とする）場合を扱うが、拡張は容易である。１励起状態のみに着目すると、系全体の励起状態はサイトの個数（Ｎとする）と同数存在する。遷移双極子間の相互作用を無視することができるとき、これらの励起エネルギーはＥg に縮退している。遷移双極子相互作用が有限のとき、この縮退がとけ、各励起状態は様々な遷移双極子モーメントを持つようになる。相互作用によるエネルギーの分裂の大きさがＥg に比べて小さい場合には、Ｅg 近傍の励起エネルギーを持つのはこれらＮ個の励起状態のみである。以下、励起状態をこれらに限定して議論するが、２励起状態以上を含める拡張は端的に行うことができる。
【００７０】
　全系の状態を以下のように表す。
【数７】
2004123720.tif 000009
ここに、ｓj はサイトｊでの状態を表し、基底状態のときｇj 、励起状態のときｅj と表記する。全系の基底状態｜Ψ0 〉は次式で与えられる。
【数８】
2004123720.tif 000010
全系の励起状態
【数９】
2004123720.tif 000011
は、各サイトでの励起状態の線形結合で次式のように表される。
【数１０】
2004123720.tif 000012
ここに、
【数１１】
2004123720.tif 000013
は、ｊ番目のサイトにおける励起状態であり、
【数１２】
2004123720.tif 000014
は係数である。
【数１３】
2004123720.tif 000015
は、次のシュレーディンガー方程式にしたがう。
【数１４】
2004123720.tif 000016
ここに、
【数１５】
2004123720.tif 000017
は
【数１６】
2004123720.tif 000018
の固有エネルギーである。ハミルトニアン
【数１７】
2004123720.tif 000019
の行列要素は、基底状態と励起状態とでブロック化され、それぞれ次式のように与えられる。
【数１８】
2004123720.tif 000020
ここに、
【数１９】
2004123720.tif 000021
はサイトｉ，ｊにそれぞれ位置する遷移双極子
【数２０】
2004123720.tif 000022
間の相互作用であり、次式で与えられる。
【数２１】
2004123720.tif 000023
ここにεは誘電率である。また、ｒi ，ｒj はサイトｉ，ｊの座標、ｒij＝ｒi −ｒj である。
【００７１】
　状態
【数２２】
2004123720.tif 000024
から
【数２３】
2004123720.tif 000025
への遷移に関する遷移双極子モーメントの大きさは、一般に次式で与えられる。
【数２４】
2004123720.tif 000026
ここに、
【数２５】
2004123720.tif 000027
を次式で定義した。
【数２６】
2004123720.tif 000028
【００７２】
　式（10）よりわかるとおり、遷移双極子間の相互作用は、それらの配置に大きく依存し、それによって全系の励起状態、ひいては系の光学応答も異なってくる。以下では例として、各サイトの遷移双極子が系の方向に平行な場合および垂直な（かつ同一平面内にある）場合のそれぞれについて、励起状態の遷移双極子モーメント、そして光学吸収を計算する。
【００７３】
平行な場合
　便宜のため、ｒj ＝（ｊａ，０，０）となるように座標原点をとる。このことで一般性は失われない。以下では簡単な場合として、各サイトでの遷移双極子が同一である状況を考え、サイトｊの遷移双極子を
【数２７】
2004123720.tif 000029
とする。この場合、式（10）より、式（９）に現れる遷移双極子相互作用は、次のように与えられる。
【数２８】
2004123720.tif 000030
ここに、Ｖd （ｊ，ｋ）は、
【数２９】
2004123720.tif 000031
で与えられる。
【００７４】
　Ｎ＝２のとき、式（８）を解くと、系は次の二つの励起状態を持つことがわかる。
【数３０】
2004123720.tif 000032
各々の励起エネルギーは次のとおりである。
【数３１】
2004123720.tif 000033
各状態間の遷移双極子モーメントを式（11）にしたがって計算する。例として、｜Ψ0 〉から｜Ψ1 〉への遷移に対応するｄ10は、以下のように計算される。
【数３２】
2004123720.tif 000034
ほぼ同様にして、以下が得られる。
【数３３】
2004123720.tif 000035
したがって、光学活性な状態の励起エネルギーはＥg より低エネルギー側にシフトする。直感的には、軸に平行な２本の遷移双極子を並べるとき、同じ符号の電荷を向かい合わせるよりも、逆の電荷を向かい合わせる方がクーロン相互作用エネルギーが低くなる。前者の配置では有限の遷移双極子モーメントが残るが、後者の配置では遷移双極子モーメントが打ち消しあってゼロとなるのである。
【００７５】
垂直な場合
　遷移双極子が互いに平行であり、したがって同一平面内にある場合を考える。この場合、一般性を失うことなく、ｄj ＝（０，ｄ，０）（ｊ＝１，・・，Ｎ）とおける。式（９）の遷移双極子相互作用は、次式で与えられる。
【数３４】
2004123720.tif 000036
ここに、Ｖd は式（14）と同じである。Ｎ＝２のとき、系は式（15）の励起状態を持ち、各々の励起エネルギーおよび遷移双極子は、次のとおりである。
【数３５】
2004123720.tif 000037
したがって、光学活性な状態の励起エネルギーはＥg より高エネルギー側にシフトする。高エネルギー状態の方が光学活性である。この場合も、上記の平行な場合と同様、直感的に理解できる。すなわち、遷移双極子が逆向きに並び、遷移双極子モーメントが打ち消しあってゼロとなる配置の方が、電荷間の反発が小さくなるために、エネルギーが低くなる。
【００７６】
光学吸収
　入射光の電場をＥ、これにより誘起される分極をＰとする。光学感受率χは、次式で定義される。
【数３６】
2004123720.tif 000038
電場が強くない場合、光学感受率χは線形応答の範囲で記述することができる。入射光のエネルギーをω、偏光方向をα（＝ｘ，ｙ，ｚ）としたとき、χは次式で与えられる。
【数３７】
2004123720.tif 000039
ここに、
【数３８】
2004123720.tif 000040
はそれぞれ基底状態０から励起状態νへの遷移双極子モーメントのα成分および励起エネルギーを、
【数３９】
2004123720.tif 000041
は励起状態νの緩和時間を表す。Ｎは状態の総数である。光吸収はＩｍχ（ω）で与えられる。
【００７７】
　一般に、軸の方向に平行な遷移双極子を配置した系では、光学活性な励起状態のエネルギーは低エネルギー側にシフトし（図１４）、軸の方向に垂直な遷移双極子を配置した系では、光学活性な励起状態のエネルギーは高エネルギー側にシフトする（図１５）。
　以上のように、この第１の実施形態によれば、従来にない新規な動作原理に基づく、励起子の整流素子を実現することができる。
【００７８】
　次に、この発明の第２の実施形態について説明する。
　この第２の実施形態においては、第１の実施形態による整流素子を用いてイオンセンサ素子を構成する場合について説明する。
　図１６Ａは第１の実施形態の図３Ｂと同じ図であるが、この整流素子の接合部位に相当するメソ結合非直線型イミダゾリルポルフィリン３量体の中央部のポルフィリン環がＺｎを中心金属として有するか否かにより、励起子の整流効果が変化する。すなわち、図１６Ａに示す状態においては、メソ結合非直線型イミダゾリルポルフィリン３量体の中央部のポルフィリン環がＺｎを中心金属として有するが、図１６Ｂに示すようにメソ結合非直線型イミダゾリルポルフィリン３量体の中央部のポルフィリン環がＺｎを中心金属として有さないと、これらの二つの状態間では励起子の整流効果が異なる。この原理を用いてイオンセンサ機能を実現することができる。
　その他のことは第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
　この第２の実施形態によれば、従来にない新規な動作原理に基づくイオンセンサ素子を実現することができる。
【００７９】
　次に、この発明の第３の実施形態について説明する。
　この第３の実施形態においては、第１の実施形態による整流素子を用いてスイッチ素子を構成する場合について説明する。
　第２の実施形態においては、第１の実施形態による整流素子の接合部位に相当するメソ結合非直線型イミダゾリルポルフィリン３量体の中央部のポルフィリン環がＺｎを中心金属として有するか否かにより励起子の整流効果が変化することを利用してイオンセンサ素子を実現することができることを述べたが、この第３の実施形態においては、この原理を利用して、イオンによる整流制御が可能なスイッチ素子を構成する。すなわち、図１６Ａに示す状態においては、メソ結合非直線型イミダゾリルポルフィリン３量体の中央部のポルフィリン環がＺｎを中心金属として有するが、図１６Ｂに示すようにメソ結合非直線型イミダゾリルポルフィリン３量体の中央部のポルフィリン環がＺｎを中心金属として有さないと、これらの二つの状態間では励起子の整流効果が異なることから、その中央部のポルフィリン環へのＺｎ2+の出入りを制御することにより、励起子の整流効果を制御することができ、これによりスイッチ機能を得ることができる。
　その他のことは第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
　この第３の実施形態によれば、従来にない新規な動作原理に基づくスイッチ素子を実現することができる。
【００８０】
　図１７はこの発明の第４の実施形態を示す。この第４の実施形態においては、３つの直線状の分子または組織体が接合している場合に生じる整流効果について説明する。
　図１７に示すように、この第４の実施形態においては、３つの同じ直線状の分子または分子組織体１１を、全体としてＴ字形状をなすように接合して整流素子を構成している。
【００８１】
　この場合、もしも、分子または分子組織体１１の長軸に対して垂直方向に偏極した励起子１２の方が、平行方向に偏極した励起子１２よりも高エネルギー準位の場合には、矢印Ａのように移動して接合点に入った励起子１２は、矢印Ｂおよび矢印Ｃのように分かれる確率が高くなる。この場合、もしも矢印Ｂ方向および矢印Ｃ方向について、分子または分子組織体１１の構成要素の励起状態または励起子が同じエネルギー準位を有するのであれば、励起子１２が矢印Ｂ方向と矢印Ｃ方向とに分岐する確率は等しい。これは、矢印Ａ方向の分子または分子組織体１１から、３つの分子または分子組織体１１の矢印Ｂ方向および矢印Ｃ方向の結合部位を見た場合、その結合部位における接合が空間的に対称性を有するためである。
【００８２】
　一方、図１８に示すように、もしも、分子または分子組織体１１の長軸に対して垂直方向に偏極した励起子１２の方が、平行方向に偏極した励起子１２よりも高エネルギー準位の場合に、矢印Ａの方向に移動して接合点に入った励起子１２は、矢印Ｂおよび矢印Ｃのように分かれる確率が高くなる。ただし、この場合、矢印Ｂ方向および矢印Ｃ方向に分かれる確率は互いに等しくない。これは、矢印Ａ方向の分子または分子組織体１１から、３つの分子または分子組織体１１の矢印Ｂ方向および矢印Ｃ方向の結合部位を見た場合、その結合部位における接合が空間的に非対称性を有するためである。
【００８３】
　次に、この整流素子の具体的な構造例について説明する。
　図１９はメソ結合非直線型イミダゾリルポルフィリン４量体を示す。このメソ結合非直線型イミダゾリルポルフィリン４量体を起点とすることにより、全体としてＴ字形状をなすように３つの方向にそれぞれ配位結合によって直線状分子組織体を形成することができ、図１７または図１８に示す整流素子を構成することができる。直線状部位のビルディングブロックとして、図３Ｃに示すメソ結合直線型イミダゾリルポルフィリン３量体あるいは図２Ａに示すメソ結合イミダゾリルポルフィリン２量体を用いることができることは、第１の実施形態と同様である。
　その他のことは第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
　この第４の実施形態によれば、従来にない新規な動作原理に基づく整流素子を実現することができる。
【００８４】
　次に、この発明の第５の実施形態について説明する。
　この第５の実施形態においては、第４の実施形態による整流素子を用いてイオンセンサ素子を構成する場合について説明する。
　図１９に示す整流素子の接合部位に相当するメソ結合非直線型イミダゾリルポルフィリン４量体の中央部のポルフィリン環がＺｎを中心金属として有するか否かにより、励起子の整流効果が変化する。すなわち、図１９に示す状態においては、メソ結合非直線型イミダゾリルポルフィリン４量体の中央部のポルフィリン環がＺｎを中心金属として有するが、このメソ結合非直線型イミダゾリルポルフィリン４量体の中央部のポルフィリン環がＺｎを中心金属として有さないと、これらの二つの状態間では励起子の整流効果が異なる。この原理を用いてイオンセンサ機能を実現することができる。
　その他のことは第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
　この第５の実施形態によれば、従来にない新規な動作原理に基づくイオンセンサ素子を実現することができる。
【００８５】
　次に、この発明の第６の実施形態について説明する。
　この第６の実施形態においては、第４の実施形態による整流素子を用いてスイッチ素子を構成する場合について説明する。
　第５の実施形態においては、第４の実施形態による整流素子の接合部位に相当するメソ結合非直線型イミダゾリルポルフィリン４量体の中央部のポルフィリン環がＺｎを中心金属として有するか否かにより励起子の整流効果が変化することを利用してイオンセンサ素子を実現することができることを述べたが、この第６の実施形態においては、この原理を利用して、イオンによる整流制御が可能なスイッチ素子を構成する。すなわち、図１９に示す状態においては、メソ結合非直線型イミダゾリルポルフィリン４量体の中央部のポルフィリン環がＺｎを中心金属として有するが、このメソ結合非直線型イミダゾリルポルフィリン４量体の中央部のポルフィリン環がＺｎを中心金属として有さないと、これらの二つの状態間では励起子の整流効果が異なることから、その中央部のポルフィリン環へのＺｎ2+の出入りを制御することにより、励起子の整流効果を制御することができ、これによりスイッチ機能を得ることができる。
　その他のことは第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
　この第６の実施形態によれば、従来にない新規な動作原理に基づくスイッチ素子を実現することができる。
【００８６】
　図２０はこの発明の第７の実施形態を示す。この第７の実施形態においては、４つの直線状の分子または組織体が互いに直角に接合している場合に生じる整流効果について説明する。
　図２０に示すように、この第７の実施形態においては、４つの同じ直線状の分子または分子組織体１１を、全体として十字形状をなすように接合して整流素子を構成している。
【００８７】
　この場合、もしも、分子または分子組織体１１の長軸に対して垂直方向に偏極した励起子１２の方が、平行方向に偏極した励起子１２よりも高エネルギー準位の場合には、矢印Ａのように接合点に入った励起子は、矢印Ｂ、Ｃ、Ｄのように分かれる。この場合、矢印Ｃ方向と矢印Ｄ方向とがエネルギー的に対称である場合には、矢印Ｃ方向と矢印Ｄ方向とに励起子１２が分岐する確率は互いに等しい可能性が高く、励起子１２が矢印Ｂ方向に分岐する確率は、これらとは等しくない可能性が高い。
【００８８】
　次に、この整流素子の具体的な構造例について説明する。
　図２１はメソ結合非直線型イミダゾリルポルフィリン５量体を示す。このメソ結合非直線型イミダゾリルポルフィリン５量体を起点とすることにより、全体として十字形状をなすように４つの方向にそれぞれ配位結合によって直線状分子組織体を形成することができ、図２０に示す整流素子を構成することができる。直線状部位のビルディングブロックとして、図３Ｃに示すメソ結合直線型イミダゾリルポルフィリン３量体あるいは図２Ａに示すメソ結合イミダゾリルポルフィリン２量体を用いることができることは、第１の実施形態と同様である。
　その他のことは第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
　この第７の実施形態によれば、従来にない新規な動作原理に基づく整流素子を実現することができる。
【００８９】
　次に、この発明の第８の実施形態について説明する。
　この第８の実施形態においては、第７の実施形態による整流素子を用いてイオンセンサ素子を構成する場合について説明する。
　図２１に示す整流素子の接合部位に相当するメソ結合非直線型イミダゾリルポルフィリン５量体の中央部のポルフィリン環がＺｎを中心金属として有するか否かにより、励起子の整流効果が変化する。すなわち、図２１に示す状態においては、メソ結合非直線型イミダゾリルポルフィリン５量体の中央部のポルフィリン環がＺｎを中心金属として有するが、このメソ結合非直線型イミダゾリルポルフィリン５量体の中央部のポルフィリン環がＺｎを中心金属として有さないと、これらの二つの状態間では励起子の整流効果が異なる。この原理を用いてイオンセンサ機能を実現することができる。
　その他のことは第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
　この第８の実施形態によれば、従来にない新規な動作原理に基づくイオンセンサ素子を実現することができる。
【００９０】
　次に、この発明の第９の実施形態について説明する。
　この第９の実施形態においては、第７の実施形態による整流素子を用いてスイッチ素子を構成する場合について説明する。
　第８の実施形態においては、第７の実施形態による整流素子の接合部位に相当するメソ結合非直線型イミダゾリルポルフィリン５量体の中央部のポルフィリン環がＺｎを中心金属として有するか否かにより励起子の整流効果が変化することを利用してイオンセンサ素子を実現することができることを述べたが、この第９の実施形態においては、この原理を利用して、イオンによる整流制御が可能なスイッチ素子を構成する。すなわち、図２１に示す状態においては、メソ結合非直線型イミダゾリルポルフィリン５量体の中央部のポルフィリン環がＺｎを中心金属として有するが、このメソ結合非直線型イミダゾリルポルフィリン５量体の中央部のポルフィリン環がＺｎを中心金属として有さないと、これらの二つの状態間では励起子の整流効果が異なることから、その中央部のポルフィリン環へのＺｎ2+の出入りを制御することにより、励起子の整流効果を制御することができ、これによりスイッチ機能を得ることができる。
　その他のことは第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
　この第９の実施形態によれば、従来にない新規な動作原理に基づくスイッチ素子を実現することができる。
【００９１】
　次に、この発明の第１０の実施形態について説明する。
　この第１０の実施形態においては、第１〜第９の実施形態において、整流素子を構成する分子または分子組織体間に抵抗素子を挿入する場合について説明する。
　すなわち、この第１０の実施形態においては、図２２Ａに示すように隣接する分子または分子組織体１１同士を直接結合するのではなく、図２２Ｂに示すように隣接する分子または分子組織体１１間に抵抗素子１６を挿入して結合することにより、この抵抗素子１６の両端の分子または分子組織体１１間の間隔を静的に変化（この場合は増加）させる。図２２Ａおよび図２２Ｂにおいて、分子または分子組織体１１に記載された矢印は遷移双極子モーメントを示す（以下の図２４Ａおよび図２４Ｂにおいても同様）。抵抗素子１６としては、例えば、両端の分子または分子組織体１１と共有結合可能な別の分子または分子組織体、特に有機分子または有機分子組織体が用いられる。
【００９２】
　抵抗素子１６の両端の分子または分子組織体１１間の間隔の変化により、励起子状態における抵抗素子１６の近傍の遷移双極子モーメントの振幅が変化し、励起移動に対して抵抗として作用する。また、励起子状態全体の遷移双極子モーメントも変化するため、電磁波（例えば、光、特に可視光）の照射により励起可能な励起子状態の数が変化する。
　図２３に、整流素子に抵抗素子１６を挿入した構造の具体例を示す。この例では、整流素子を構成する分子または分子組織体１１としてポルフィリン分子を用い、抵抗素子１６としてベンゼンを用いている。
【００９３】
　この第１０の実施形態によれば、例えば同一の分子または分子組織体１１、例えば有機分子を複数結合して整流素子を構成する場合には、それらの結合距離は一定であり、したがって隣接する分子または分子組織体１１間の遷移双極子相互作用は同じ大きさであるのに対し、整流素子に抵抗素子１６を挿入して結合しているので、この抵抗素子１６の両端の分子または分子組織体１１間の距離を変化させることができ、それによって励起子状態の形成、ひいては励起移動の制御が可能となる。
【００９４】
　次に、この発明の第１１の実施形態について説明する。
　この第１１の実施形態においても、第１０の実施形態と同様に、整流素子を構成する分子または分子組織体間に抵抗素子を挿入する場合について説明する。
　すなわち、この第１１の実施形態においては、図２４Ａに示すように、隣接する分子または分子組織体１１間に抵抗素子１６を挿入して結合する。この場合、この抵抗素子１６としては、例えば、両端の分子または分子組織体１１と共有結合可能で、かつ、電磁波、例えば光の照射により立体構造が変化する別の分子または分子組織体、特に有機分子または有機分子組織体が用いられる。そして、電磁波の照射により、図２４Ａに示すように分子または分子組織体１１および抵抗素子１６が直線状に配置している状態から、図２４Ｂに示すように抵抗素子１６とその一端に結合した分子または分子組織体１１との結合方向が抵抗素子１６とその他端に結合した分子または分子組織体１１との結合方向に対して折れ曲がった状態になることで、抵抗素子１６の両端の分子または分子組織体１１間の間隔が動的に変化（この場合は減少）する。
【００９５】
　抵抗素子１６の両端の分子または分子組織体１１間の間隔の変化により、励起子状態における抵抗素子１６の近傍の遷移双極子モーメントの振幅が変化し、励起移動に対して抵抗として作用する。また、励起子状態全体の遷移双極子モーメントも変化するため、電磁波の照射により励起可能な励起子状態の数が変化する。
　図２５に、整流素子に抵抗素子１６を挿入した構造の具体例を示す。この例では、整流素子を構成する分子または分子組織体１１としてポルフィリン分子を用い、抵抗素子１６としてシス、トランスの立体異性体があるアゾベンゼンを用いている。この場合、図２４Ａに示す状態から図２４Ｂに示す状態への転移を起こさせるために照射する電磁波としては紫外光を用いることができ、逆の転移は可視光の照射または熱的に行うことができる。このアゾベンゼンのようにシス−トランス転移を起こす結合を有する分子を用いる場合には、ある種の指示薬（メチルオレンジ、メチルイエロー、メチルレッドなど）のように、ｐＨの値によって共役長を変化させるという手段を用いてもよい。
【００９６】
　この第１１の実施形態によれば、例えば同一の分子または分子組織体１１、例えば有機分子を複数結合して整流素子を構成する場合には、それらの結合距離は一定であり、したがって隣接する分子または分子組織体１１間の遷移双極子相互作用は同じ大きさであるのに対し、整流素子に抵抗素子１６を挿入して結合し、電磁波の照射などにより構造の変化を起こさせることでこの抵抗素子１６の両端の分子または分子組織体１１間の距離を変化させることができ、それによって励起子状態の形成、ひいては励起移動の制御が可能となる。
【００９７】
　以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
　例えば、上述の実施形態において挙げた数値、構造、物質、原料、反応などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、構造、物質、原料、反応などを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】この発明の第１の実施形態による整流素子を示す略線図である。
【図２】この発明の第１の実施形態による整流素子の具体的な構造例を説明するための略線図である。
【図３】この発明の第１の実施形態による整流素子の具体的な構造例を説明するための略線図である。
【図４】この発明の第１の実施形態による整流素子の具体的な構造例を説明するための略線図である。
【図５】この発明の第１の実施形態による整流素子の作製に用いるポルフィリン系物質の合成例を説明するための略線図である。
【図６】この発明の第１の実施形態による整流素子の作製に用いるポルフィリン系物質の合成例を説明するための略線図である。
【図７】この発明の第１の実施形態による整流素子の具体的な構造例を説明するための略線図である。
【図８】この発明の第１の実施形態による整流素子の具体的な構造例を説明するための略線図である。
【図９】この発明の第１の実施形態による整流素子の具体的な構造例を説明するための略線図である。
【図１０】この発明の第１の実施形態による整流素子の入力端子の一例を説明するための略線図である。
【図１１】この発明の第１の実施形態による整流素子の入力端子の一例を説明するための略線図である。
【図１２】この発明の第１の実施形態による整流素子について行ったシミュレーションの結果を示す略線図である。
【図１３】この発明の第１の実施形態による整流素子について行ったシミュレーションの結果を示す略線図である。
【図１４】軸の方向に平行な遷移双極子を配置した系のエネルギー準位図を示す略線図である。
【図１５】軸の方向に垂直な遷移双極子を配置した系のエネルギー準位図を示す略線図である。
【図１６】この発明の第２の実施形態によるイオンセンサ素子の動作を説明するための略線図である。
【図１７】この発明の第４の実施形態による整流素子を示す略線図である。
【図１８】この発明の第４の実施形態による整流素子を示す略線図である。
【図１９】この発明の第４の実施形態による整流素子の具体的な構造例を説明するための略線図である。
【図２０】この発明の第７の実施形態による整流素子を示す略線図である。
【図２１】この発明の第７の実施形態による整流素子の具体的な構造例を説明するための略線図である。
【図２２】この発明の第１０の実施形態による整流素子を説明するための略線図である。
【図２３】この発明の第１０の実施形態による整流素子の具体的な構造例を示す略線図である。
【図２４】この発明の第１１の実施形態による整流素子を説明するための略線図である。
【図２５】この発明の第１１の実施形態による整流素子の具体的な構造例を示す略線図である。
【符号の説明】
【００９９】
　１１…分子または分子組織体、１２…励起子、１３…金属薄膜、１４…直角プリズム、１５…光、１６…抵抗素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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