(57)【要約】【課題】生命体に代表されるボトムアップ系とシリコンＬＳＩに代表されるトップダウン系との利点を最大限活かすことができる高機能の機能素子、その製造方法およびそのような機能素子を用いた機能システムを提供する。【解決手段】局所的な相互作用により形成される第１の構造と予め設定された大局的な規則により形成された第２の構造とを、非等方的な構造を有する第３の構造を介して結合することにより機能素子を構成する。第３の構造としては、例えば、導電体層と誘電体層との周期構造体からなる１次元超格子を薄片化した２枚の超格子薄片を９０度方位をずらして重ねたものを用いる。【選択図】        図２４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
局所的な相互作用により形成される第１の構造と予め設定された大局的な規則により形成された第２の構造とが、非等方的な構造を有する第３の構造を介して結合されてなることを特徴とする機能素子。
【請求項２】
上記第１の構造が自律分散型相互作用により形成されたものであり、上記第２の構造が予め設定された大局的な設計ルールにより形成されたものであり、上記第３の構造が非等方的な周期構造を有する平面または曲面からなることを特徴とする請求項１記載の機能素子。
【請求項３】
上記第１の構造が自律分散型相互作用により形成されたものであり、上記第２の構造が予め設定された大局的な設計ルールにより形成されたものであり、上記第３の構造が非等方的な周期構造を有する面を複数交差させて重ねたものであることを特徴とする請求項１記載の機能素子。
【請求項４】
第１の構造と第２の構造とが第３の構造を介して結合されてなる機能素子の製造方法であって、
上記第３の構造を非等方的な構造を有するように形成する工程と、
上記第２の構造を予め設定された大局的な規則により形成する工程と、
上記第１の構造を局所的な相互作用により形成する工程とを有することを特徴とする機能素子の製造方法。
【請求項５】
局所的な相互作用により形成される第１の構造と予め設定された大局的な規則により形成された第２の構造とが、非等方的な構造を有する第３の構造を介して結合されてなる機能素子を用いたことを特徴とする機能システム。
【請求項６】
時間が連続的に投影された等方的な第１の構造と時間が不連続的に投影された非等方的な第２の構造とが、非等方的な周期構造を有する第３の構造により結合されてなることを特徴とする機能素子。
【請求項７】
上記第３の構造が非等方的な周期構造を有する面を複数交差させて重ねたものであることを特徴とする請求項６記載の機能素子。
【請求項８】
第１の構造と第２の構造とが第３の構造を介して結合されてなる機能素子の製造方法であって、
上記第３の構造を非等方的な周期構造を有するように形成する工程と、
上記第２の構造を時間が不連続的に投影された非等方的なものとして形成する工程と、
上記第１の構造を時間が連続的に投影された等方的なものとして形成する工程とを有することを特徴とする機能素子の製造方法。
【請求項９】
時間が連続的に投影された等方的な第１の構造と時間が不連続的に投影された非等方的な第２の構造とが、非等方的な周期構造を有する第３の構造により結合されてなる機能素子を用いたことを特徴とする機能システム。
【請求項１０】
時間が連続的に投影された等方的な第１の構造と時間が不連続的に投影された非等方的な第２の構造とが、時間が連続的に投影された非等方的な第３の構造により結合されてなることを特徴とする機能素子。
【請求項１１】
上記第３の構造が、時間が連続的に投影された非等方的な２次元構造をその方向性をずらして少なくとも二つ重ねて擬似的に等方性を回復したものであることを特徴とする請求項１０記載の機能素子。
【請求項１２】
第１の構造と第２の構造とが第３の構造を介して結合されてなる機能素子の製造方法であって、
上記第３の構造を時間が連続的に投影された非等方的なものとして形成する工程と、
上記第２の構造を時間が不連続的に投影された非等方的なものとして形成する工程と、
上記第１の構造を時間が連続的に投影された等方的なものとして形成する工程とを有することを特徴とする機能素子の製造方法。
【請求項１３】
時間が連続的に投影された等方的な第１の構造と時間が不連続的に投影された非等方的な第２の構造とが、時間が連続的に投影された非等方的な第３の構造により結合されてなる機能素子を用いたことを特徴とする機能システム。
【請求項１４】
ボトムアップで形成された第１の構造とトップダウンで形成された第２の構造とが、非等方的な周期的な第３の構造を介して結合されてなることを特徴とする機能素子。
【請求項１５】
上記第１の構造が自己組織化によるボトムアップで形成されたものであり、上記第２の構造がトップダウンで形成された集積回路であり、上記第３の構造が、時間が連続的に投影された非等方的な２次元構造を複数交差させて重ねて擬似的に等方性を回復したものであることを特徴とする請求項１４記載の機能素子。
【請求項１６】
第１の構造と第２の構造とが第３の構造を介して結合されてなる機能素子の製造方法であって、
上記第３の構造を非等方的な周期的なものとして形成する工程と、
上記第２の構造をトップダウンで形成する工程と、
上記第１の構造をボトムアップで形成する工程とを有することを特徴とする機能素子の製造方法。
【請求項１７】
ボトムアップで形成された第１の構造とトップダウンで形成された第２の構造とが、非等方的な周期的な第３の構造を介して結合されてなる機能素子を用いたことを特徴とする機能システム。
【請求項１８】
自己相似性またはフラクタル構造を有する第１の構造とトップダウンで形成された集積回路からなる第２の構造とが、非等方的な周期構造を有する第３の構造により結合されてなることを特徴とする機能素子。
【請求項１９】
上記第３の構造が、非等方的な周期構造を有する面を複数交差させて重ねたものであることを特徴とする請求項１８記載の機能素子。
【請求項２０】
第１の構造と第２の構造とが第３の構造を介して結合されてなる機能素子の製造方法であって、
上記第３の構造を非等方的な周期構造を有するように形成する工程と、
上記第２の構造をトップダウンで集積回路として形成する工程と、
上記第１の構造を自己相似性またはフラクタル構造を有するものとして形成する工程とを有することを特徴とする機能素子の製造方法。
【請求項２１】
自己相似性またはフラクタル構造を有する第１の構造とトップダウンで形成された集積回路からなる第２の構造とが、非等方的な周期構造を有する第３の構造により結合されてなる機能素子を用いたことを特徴とする機能システム。
【請求項２２】
上記第３の構造が、厚さが０．２ｎｍ以上６０ｎｍ以下の導電体層と厚さが０．２ｎｍ以上５０μｍ以下の誘電体層との周期構造体からなる薄片をその層が互いに交差するように少なくとも２枚重ねた構造を有することを特徴とする請求項１、２、３、６、７、１０、１１、１４、１５、１８または１９記載の機能素子。
【請求項２３】
上記第３の構造が、厚さが０．２ｎｍ以上６０ｎｍ以下の導電体層と厚さが０．２ｎｍ以上５０μｍ以下の誘電体層との周期構造体からなる薄片をその層が互いに交差するように少なくとも２枚重ねた構造を有することを特徴とする請求項４、８、１２、１６または２０記載の機能素子の製造方法。
【請求項２４】
上記第３の構造が、厚さが０．２ｎｍ以上６０ｎｍ以下の導電体層と厚さが０．２ｎｍ以上５０μｍ以下の誘電体層との周期構造体からなる薄片をその層が互いに交差するように少なくとも２枚重ねた構造を有することを特徴とする請求項５、９、１３、１７または２１記載の機能システム。
【請求項２５】
上記非等方的な構造が複数の空間周波数を有することを特徴とする請求項１、２、３、６、７、１０、１１、１４、１５、１８または１９記載の機能素子。
【請求項２６】
上記非等方的な構造が複数の空間周波数を有することを特徴とする請求項４、８、１２、１６または２０記載の機能素子の製造方法。
【請求項２７】
上記非等方的な構造が複数の空間周波数を有することを特徴とする請求項５、９、１３、１７または２１記載の機能システム。
【請求項２８】
非等方的な構造が、相互作用が伝わる特徴的な時間に１桁以上の差がある互いに異なる性質を有する複数種の相互作用または物理現象の担体を有し、注目している相互作用または物理現象についてそのホストとなる物質の系において、速い相互作用時間または物理現象時間で特徴付けられる担体に対応する第１のホスト物質により、遅い相互作用または物理現象で特徴付けられる担体に対応する第２のホスト物質が、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下のスケールのオーダーで離散化されていることを特徴とする請求項１、２、３、６、７、１０、１１、１４、１５、１８または１９記載の機能素子。
【請求項２９】
非等方的な構造が、相互作用が伝わる特徴的な時間に１桁以上の差がある互いに異なる性質を有する複数種の相互作用または物理現象の担体を有し、注目している相互作用または物理現象についてそのホストとなる物質の系において、速い相互作用時間または物理現象時間で特徴付けられる担体に対応する第１のホスト物質により、遅い相互作用または物理現象で特徴付けられる担体に対応する第２のホスト物質を、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下のスケールのオーダーで離散化することを特徴とする請求項４、８、１２、１６または２０記載の機能素子の製造方法。
【請求項３０】
非等方的な構造が、相互作用が伝わる特徴的な時間に１桁以上の差がある互いに異なる性質を有する複数種の相互作用または物理現象の担体を有し、注目している相互作用または物理現象についてそのホストとなる物質の系において、速い相互作用時間または物理現象時間で特徴付けられる担体に対応する第１のホスト物質により、遅い相互作用または物理現象で特徴付けられる担体に対応する第２のホスト物質が、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下のスケールのオーダーで離散化された機能素子を用いたことを特徴とする請求項５、９、１３、１７または２１記載の機能システム。
【請求項３１】
上記第１のホスト物質について、全体システムの内部の任意の位置に対して、これと連結しているこの第１のホスト物質が、少なくとも１箇所、このシステムを囲む１次元ラインまたは曲線上に存在するか、露出していることを特徴とする請求項２８記載の機能素子。
【請求項３２】
上記第１のホスト物質について、全体システムの内部の任意の位置に対して、これと連結しているこの第１のホスト物質が、少なくとも１箇所、このシステムを囲む１次元ラインまたは曲線上に存在するか、露出していることを特徴とする請求項２９記載の機能素子の製造方法。
【請求項３３】
上記第１のホスト物質について、全体システムの内部の任意の位置に対して、これと連結しているこの第１のホスト物質が、少なくとも１箇所、このシステムを囲む１次元ラインまたは曲線上に存在するか、露出していることを特徴とする請求項３０記載の機能システム。
【請求項３４】
上記導電体層に接触する両側の上記誘電体層の性質が互いに異なることを特徴とする請求項２２記載の機能素子。
【請求項３５】
上記導電体層に接触する両側の上記誘電体層の性質が互いに異なることを特徴とする請求項２３記載の機能素子の製造方法。
【請求項３６】
上記導電体層に接触する両側の上記誘電体層の性質が互いに異なることを特徴とする請求項２４記載の機能システム。
【請求項３７】
トップダウンで製造された集積回路からなる上記第２の構造と上記第１の構造および上記第３の構造の結合体とがこの結合体の辺縁に存在する直線または曲線状の一次元構造をインターフェース領域として結合していることを特徴とする請求項１、２、３、６、７、１０、１１、１４、１５、１８または１９記載の機能素子。
【請求項３８】
トップダウンで製造された集積回路からなる上記第２の構造と上記第１の構造および上記第３の構造の結合体とがこの結合体の辺縁に存在する直線または曲線状の一次元構造をインターフェース領域として結合していることを特徴とする請求項４、８、１２、１６または２０記載の機能素子の製造方法。
【請求項３９】
トップダウンで製造された集積回路からなる上記第２の構造と上記第１の構造および上記第３の構造の結合体とがこの結合体の辺縁に存在する直線または曲線状の一次元構造をインターフェース領域として結合していることを特徴とする請求項５、９、１３、１７または２１記載の機能システム。
【請求項４０】
請求項１、２、３、６、７、１０、１１、１４、１５、１８または１９記載の第３の構造が３層以上積層されてなることを特徴とする機能材料。
【請求項４１】
請求項１、２、３、６、７、１０、１１、１４、１５、１８または１９記載の第１の構造および第３の構造からなる積層体が２層以上積層されてなることを特徴とする機能材料。
【請求項４２】
ストリップ状の導電体層と誘電体層との周期構造体からなる薄片をその層が互いに交差するように、かつ、当該導電体層のエッジ同士が対向するように少なくとも２枚重ねた構造を含むことを特徴とする機能素子。
【請求項４３】
ストリップ状の導電体層と誘電体層との周期構造体からなる薄片をその層が互いに交差し、かつ、当該導電体層のエッジ同士が対向するように少なくとも２枚重ねた構造を含むことを特徴とする機能材料。
【請求項４４】
厚さが０．２ｎｍ以上６０ｎｍ以下のストリップ状の導電体層と当該導電体層の厚さ以上の厚さを有する誘電体層との周期構造体からなる薄片をその層が互いに交差し、かつ、上記導電体層のエッジ同士が対向するように少なくとも２枚重ねた構造を含むことを特徴とする機能素子。
【請求項４５】
厚さが０．２ｎｍ以上６０ｎｍ以下のストリップ状の導電体層と当該導電体層の厚さ以上の厚さを有する誘電体層との周期構造体からなる薄片をその層が互いに交差し、かつ、上記導電体層のエッジ同士が対向するように少なくとも２枚重ねた構造を含むことを特徴とする機能材料。
【請求項４６】
非等方的な構造が、相互作用が伝わる特徴的な時間に１桁以上の差がある互いに異なる性質を有する複数種の相互作用または物理現象の担体を有し、注目している相互作用または物理現象についてそのホストとなる物質の系において、速い相互作用時間または物理現象時間で特徴付けられる担体に対応する第１のホスト物質により、遅い相互作用または物理現象で特徴付けられる担体に対応する第２のホスト物質が、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下のスケールのオーダーで離散化されていることを特徴とする機能素子。
【請求項４７】
非等方的な構造が、相互作用が伝わる特徴的な時間に１桁以上の差がある互いに異なる性質を有する複数種の相互作用または物理現象の担体を有し、注目している相互作用または物理現象についてそのホストとなる物質の系において、速い相互作用時間または物理現象時間で特徴付けられる担体に対応する第１のホスト物質により、遅い相互作用または物理現象で特徴付けられる担体に対応する第２のホスト物質を、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下のスケールのオーダーで離散化することを特徴とする機能素子の製造方法。
【請求項４８】
非等方的な構造が、相互作用が伝わる特徴的な時間に１桁以上の差がある互いに異なる性質を有する複数種の相互作用または物理現象の担体を有し、注目している相互作用または物理現象についてそのホストとなる物質の系において、速い相互作用時間または物理現象時間で特徴付けられる担体に対応する第１のホスト物質により、遅い相互作用または物理現象で特徴付けられる担体に対応する第２のホスト物質が、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下のスケールのオーダーで離散化された機能素子を用いたことを特徴とする機能システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、機能素子およびその製造方法ならびに機能システムならびに機能材料に関し、特に、ボトムアップ系のシステムとトップダウン系のシステムとの統合に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の機能素子は、半導体集積回路に代表されるように、微細加工に基づくトップダウンのアプローチで製造されたものが主流である。そして、特に半導体素子に関しては、バーディーン（Ｂａｒｄｅｅｎ）らによるトランジスタの発明や、ノイス（Ｎｏｙｃｅ）らによる半導体集積回路の発明を経て現在、このトップダウンのアプローチに基づく巨大な半導体エレクトロニクス産業が興っている。
一方、トップダウンのアプローチは様々な点で限界が見え始めているため、この限界を打破する手法として、自己組織化などによるボトムアップのアプローチが近年注目され、盛んに研究されている。
【０００３】
なお、細胞系も神経系も各場所において自律分散的に時間とともに連続的に拡大・成長することが報告されており（非特許文献１）、これはボトムアップの範疇に属する。
【非特許文献１】
Ｒ．Ｒ．Ｌｌｉｎａｓ，  Ｔｈｅ  Ｂｉｏｌｏｇｙ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｂｒａｉｎ，  ｐ．９４，  Ｗ．Ｈ．Ｆｒｅｅｍａｎ  ＆  Ｃｏｍｐ          ａｎｙ，  ＮＹ，  １９８９
【０００４】
また、ボトムアップでは自律分散局所性により各部が局所ルールに従って勝手に構造形成していくが、この構造形成には四つのタイプ（一定、周期的［入れ子的］、機能構造的、ランダム）があることがセルラーオートマトンを使って示されている（非特許文献２）。
【非特許文献２】
Ｓ．Ｗｏｌｆｒａｍ，  Ａ  Ｎｅｗ  Ｋｉｎｄ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｃｅ，  ｐ．５１−８１，  Ｗｏｌｆｒａｍ  Ｍｅｄｉａ，Ｉｎｃ．，          ＩＬ，  ＵＳＡ，  ２００２
【０００５】
また、ドリフト速度の一定性に基づき、時間とともに連続的に移動する２次電子（素粒子の飛跡に沿って生成する電子）を利用した素粒子検出器としてタイムプロジェクションチェンバー（Ｔｉｍｅ  Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ  Ｃｈａｍｂｅｒ，ＴＰＣ）の改良が本発明者らにより報告されている（非特許文献３）。
【非特許文献３】
Ｐ．Ｎｅｍｅｔｈｙ，  Ｐ．Ｏｄｄｏｎｅ，  Ｎ．Ｔｏｇｅ，  ａｎｄ  Ａ．Ｉｓｈｉｂａｓｈｉ，  Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅ          ｎｔｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ２１２  （１９８３）２７３−２８０
【０００６】
また、金属界面により形成されるナノ空間、特に２次元試料平面とこれに対向する探針との局所空間に観測されているプラズモン励起による表面増強効果など、有用で興味深い物理現象が観測されている（非特許文献４）。
【非特許文献４】
二又等、日本分光学会、平成１４年度春季講演会シンポジウム「顕微振動分光法の最前線」講演要旨集、ｐｐ．２０−２３
【０００７】
また、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いた半導体成長において成長方向に１原子層の分解能が得られることが本発明者により報告されている（非特許文献５）。
【非特許文献５】
Ａ．Ｉｓｈｉｂａｓｈｉ，  ＭＯＣＶＤ−ｇｒｏｗｎ  Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ，  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃ          ｏｐｙ  ｏｆ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，  ｅｄｓ．  Ｇ．  Ｆａｓｏｌ，  Ａ．  Ｆａｓｏｌｉ          ｎｏ，  Ｐ．  Ｌｕｇｌｉ，  Ｐｌｅｎｕｍ  Ｐｒｅｓｓ，  ＮＹ，  １９８９
【０００８】
また、電気化学的成長においてもその機構の詳細が知られている（非特許文献６）。
【非特許文献６】
春山志郎、表面技術者のための電気化学  ｐ．１１２，  丸善、東京、２００１
【０００９】
また、電気化学分野において、中和した高分子電解質を水中に分散させた溶液に被塗物と対極とを浸漬し、被塗物と対極との間に直流電流を印加して被塗物に高分子電解質を析出させることができることが知られている（非特許文献７）。
【非特許文献７】
山岡亜夫監修「実用高分子レジスト材料の新展開−フォトポリマーとしての応用展開−」、第６章、シーエムシー出版、１９９６年
【００１０】
また、ボトムアップの範疇の他の例として自己組織前進自律的階層獲得（ｓｅｌｆ−ｏｒｇａｎｉｚｅｄ  ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ  ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ  ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ＳＯＰＨＩＡ）化による構造形成の方法やニューロンの成長方法が提案されている（特許文献１、２）。
【特許文献１】
特開２０００−２１６４９９号公報
【特許文献２】
国際公開第０２／３５６１６号パンフレット
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述のトップダウン系とボトムアップ系とを統合することができれば、両者の利点を最大限活かすことができ、従来にない新たな機能素子の実現が可能になると考えられるが、本発明者の知る限り、これまで、そのための有効な具体的手法は何ら提案されていなかった。
【００１２】
従って、この発明が解決しようとする課題は、生命体に代表されるボトムアップ系とシリコンＬＳＩに代表されるトップダウン系との利点を最大限活かすことができる高機能の機能素子およびその製造方法ならびにそのような機能素子を用いた機能システムを提供することにある。
【００１３】
この発明が解決しようとする他の課題は、上記の機能素子に用いて好適な機能材料を提供することにある。
上記課題およびその他の課題は、添付図面を参照した本明細書の以下の記述により明らかとなるであろう。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、従来技術が有する上記の課題を解決すべく、鋭意考察を行った。以下にその概要について説明する。
周知のように、トップダウンのアプローチによる半導体デバイスの製造においては、フォトリソグラフィーを用いた２次元のパターニングが多用される。図１Ａに半導体デバイスの一例としてＭＯＳＬＳＩ（例えば、メモリ）を示す。図１Ａに示すように、２次元のパターニングは通常、ＵＶ（紫外線）、ＥＵＶ（極紫外線）フォトリソグラフィーや電子線リソグラフィーを用いて、半導体基板において空間的に横方向の情報の交換を行うことなく、各時点で一気に（一括露光、現像、エッチングなど各要素プロセスが行われる時刻、時刻において、瞬間的につまり時間軸上の一点一点で）行われている。すなわち、２次元のパターニングの大きな特徴は、時間が非連続、散発的（ｓｐｏｒａｄｉｃ）に織り込まれていることである。
【００１５】
２次元のパターニングでは、フォトレジストに対する、フォトマスクを使った一括露光により構造が決まるので、構造形成においては構造間の横方向の情報の交換はない。すなわち、２次元のパターニングでは、図１Ｂに示すように、大局的ルールの存在のもと、ブロック構造をとり、また各ブロック毎にある特別な方位が存在するため、空間構造は一般に微視的にも巨視的にも非等方的になる。言い換えれば、構造は外在的要因から決まっており、回路設計図の実空間表現にすぎないと言える。また、基板上の構造の変化量は、時間に対してδ関数状のパルス列となる。
【００１６】
このように、トップダウン系は、いわば非連続的に時間が投影された非等方的な（方向性のある）  構造である。今、系が時間連続投影性あるいは空間等方性を有するときそれぞれ↑と記し、時間非連続投影性あるいは空間非等方性を有するときそれぞれ↓と記し、例えば、系が時間連続投影性と空間等方性とを有するとき、（時間投影性、空間方位性）＝（↑、↑）のように記すことにすると、トップダウン系は時間非連続投影性と空間非等方性とを有するため、（時間投影性、空間方位性）＝（↓、↓）と表される。
【００１７】
一方、すでに述べたように、最近その重要性が認識されてきたもうひとつの流れは、ボトムアップ系である。そのシステムとしては、例えば半導体量子ドットに代表される無機物系の自己組織化系がある。また、生物系の細胞の培養では、図２Ａに示すような細胞および神経系の成長が挙げられる。図２Ａにおいて、符号１１は生体組織体、１２は神経、１３は細胞を示す。細胞系も神経系も各場所において自律分散的に時間とともに連続的に拡大・成長する（非特許文献２）。
【００１８】
図２Ｂに示すように、ボトムアップでは、自律分散局所性により各部が局所ルールに従って勝手に構造を形成していくため、時間が連続的に投影されている。このとき、例えば、Ｓ．  Ｗｏｌｆｒａｍがセルラーオートマトンを使って示しているように、この構造形成には四つのタイプＩ〜ＩＶ（一定、周期的［入れ子的］  、機能構造的、ランダム）がある（非特許文献２）。また、ボトムアップ系では、局所ルールに従うことから、大局的にはこれといった特別な方向が存在しないため、空間構造は一般に等方的になる。この場合、全体構造は、生成則に則って内在的要因から決まる。構造の変化量は、時間に対してスムーズな連続線となる。
このように、ボトムアップ系は時間が連続的に投影された等方的な（方向性のない）構造であるので、上記の記法に従うと（時間投影性、空間方位性）＝（↑、↑）と表される。
【００１９】
さて、生物は、遺伝子により支配される体組織性に基づくボトムアップ性と脳による統御性に基づくトップダウン性とをうまく絡み合わせて、総体としてそれらの統合を具現化している。より具体的には、体組織形成におけるボトムアップと脳によるトップダウンとの統合を、長い進化の過程を経て、受精卵からの個体の成長に際し、細胞に神経系を付随させることにより行っている。
【００２０】
すなわち、図２Ｂに示すように、ボトムアップの起こった細胞の集合体では、神経系という連絡網を随伴することで各場所へのアクセスが可能となり、この神経系を介して脳からの指令・制御・情報抽出などが行われる。自己組織化体としての生物にはこの随伴神経系があることが本質的である。
【００２１】
一方、系を有効に運用するには、制御系は、被制御系よりはるかに少ない「体積」で情報伝達・制御を行わなければならない。生体系は、そのために、３次元の細胞系に対し神経系という１＋α（ただし、０＜α＜１）のフラクタル次元のひもをつけていると言える。伝達・制御系の次元は常に細胞系の次元より小さいことが必要である。この神経系は生体内に３次元的に張り巡らされている。
生体は、このように、受精卵の発生からの経過時間が連続的に投影された神経系というボトムアップの自己相似的な低次元性構造物を通じて、いわば最小限のセットアップによって、細胞系という３次元性を持つ別種のボトムアップ系を制御・統合している。
【００２２】
他方、上述のような生体そのもののシステム以外にも、人工のシステムにおいて、リジッドな固体系ではないが、ドラム缶様の容器中に充填されたガスという最小限のセットアップにおいて、経過時間の空間座標への連続的投影を利用し、フルに３次元的に空間アドレスを認知するシステムとして、図３に示すようなＴＰＣがあり、本発明者らによりその開発および優れた性能が報告されている（非特許文献３）。
【００２３】
このＴＰＣについて少し詳しく説明すると、図３に示すように、ガスの入った円筒形状のＴＰＣ２１の両端から入射した電子ビーム２２と陽電子ビーム２３とが衝突して新たな素粒子２４がジェット状に生成する。この素粒子２４の飛跡に沿って生成した電子２５は、軸方向に一定のドリフト速度で、ＴＰＣ２１の両端にあるセクター２６と呼ばれる２次元検出器へ到達するので、上記の衝突時刻を起点としたときのセクター２６への到達までの経過時間で軸方向、すなわちｚ方向の位置が分かる。図４はセクター２６の部分の拡大図であり、符号２６ａはセンスワイヤー、２６ｂはグリッド、２６ｃはパッド、２６ｄは電気力線を示す。図４に示すように、セクター２６のセンスワイヤー２６ａの部分で電子がアバランシェを引き起こし、それによって電気信号をセンスワイヤー２６ａとその下部に存在するパッド２６ｃとに与えることでｘ、ｙ方向の位置が求まる。こうして３次元位置が求まるが、ｚ方向の位置は、電子のドリフト速度が一定であることに起因して上述のように時間情報が空間に投影されている。この特徴からそのシステムはタイムプロジェクション（時間投影）チェンバーと呼ばれ、この空間への時間投影のコンセプトの有用性を実証するひとつの例となっている。
【００２４】
セクター２６では、いわばセンスワイヤー２６ａとパッド２６ｃとの間の状態が読み出されている。つまり、一種の情報読み出しが行われており、局所アドレシングを行っているとみなすことができる。パッド２６ｃの代わりに例えばワイヤーとワイヤーとを近接させて交差させても同様の作用が生じる。図４では、センスワイヤー２６ａという微小電極の近傍の電場集中の様子が端的に示されている。強い電場を生じるにはなるべく細いセンスワイヤー２６ａが望ましいが、このようにＴＰＣは時間の空間への投影と、細い構造体の交差部における電場集中（およびそれに伴なう信号増幅）という２つの重要な特徴を有している。
【００２５】
さて、ムーア（Ｍｏｏｒｅ）の法則に代表されるロードマップに沿った展開を示すシリコンＬＳＩは、いわゆるトップダウン型のデバイスおよびシステムの代表格であるが、そのサイズ上、動作パワー上（環境温度上）、ならびに製造設備投資上の限界が言われているけれども、根本的な解決策は見出されておらず、早晩、限界を迎えると危惧されて久しい。
【００２６】
トップダウン型に対するアンチテーゼとしてボトムアップが叫ばれて注目されているが、その最大の難点は、個別アドレスができないという点である。
ナノスケールでは、生物由来の機能と非生物由来の機能とが、同じ相互作用機構（究極的には電磁相互作用）にまで還元できるので、進展の著しいナノテクノロジーは、非生物と生物とを統合する潜在的重要性を秘めているが、依然として本格的実用化に至っていない。
【００２７】
すなわち、従来技術の延長線上にある微細構造の作製方法は、ＥＵＶや電子線リソグラフィーなどを使うものか、分子などを用いるいわゆるボトムアップのものがあるが、両者をつなぎ、さらには結合によりシナジーを見出そうとするデバイス・システムはない。これは、上述の時間連続投影性と空間等方性とに関する記法に従うと、ボトムアップという（時間投影性、空間方位性）＝（↑、↑）のシステムとトップダウンという（時間投影性、空間方位性）＝（  ↓、↓）  のシステムとの両者がまったく正反対の、すなわち↑対↓という性格を持つため、水と油とが相容れないのとまったく同様に、両者の間に接点を見出すことが難しいことによる。
【００２８】
ナノスケールの世界と巨視的スケールの世界とをつなぐことは、ナノテクノロジー分野で今後得られる新しい効果や機能を既存のシリコンベースのＩＴインフラ構造と接続し、相乗効果を引き出そうとする際に避けて通れない関門である。しかし、未だ嘗て誰もその接続に十分に成功していないと考えられる。
【００２９】
ナノテクノロジーを通じてその高度な効能が期待されるボトムアップ物質系はこのようにナノスケールで個別アドレシング可能な仕組みがないため、本格的な実用化に至っていない。
これはすなわち、人工のボトムアップ系では、生体の脳と体組織とを結ぶ神経に相当するボトムアップの主体に随伴する制御ラインを設けることに成功していないため、これがトップダウン・ボトムアップ両系統の接続をこれまで困難にしてきたといえる。
【００３０】
時間とともに成長して３次元的に構造を張り巡らしアクセスするという生体の神経系の備える特徴を部分的に満たす、似て非なるシステムとして上述のＴＰＣがある。これは、電子の一定ドリフト速度に基づく時間連続投影性と、細い導電構造体の交差部における信号増幅に基づくシステム全体への３次元的なアクセスという２つの重要な特徴を有しているが、このＴＰＣはその内部にガスを含むので、完全な固体デバイスとしては成立していない。
【００３１】
すでに述べたように、従来、トップダウン系をなす半導体集積回路（例えば、メモリー）などの２次元構造体の製造には、図１に示すような一括露光によるパターニングが用いられる。この場合、分解能はｘ、ｙの２方向に要求されるが、その精度は現在の最高の分解能でも、生産レベルで７０ｎｍ程度、研究室のチャンピオンデータでも数ｎｍ程度であり、しかもこれはバルクサイズ全体に亘っては実現されていない。
【００３２】
２次元試料平面とこれに対向する探針との局所空間で観測されているプラズモン励起による表面増強効果など、有用で興味深い物理現象が観測されているが（非特許文献４）、このような物理現象を担いうるナノ構造体を例えばｍｍ〜ｃｍのバルクサイズに亘って並列多重化したシステムは存在しない。すなわち、ナノスケールで稠密な構造を有し、しかも個別アクセスが可能な、ナノ離散化バルクサイズ構造体をなす物質は存在しない。
【００３３】
上記の課題の解決は、いわば水と油とを結ぶところの石鹸の性質（両親媒性）あるいは細胞系と脳系との間を結ぶところの神経系に相当する資質を備えた接続中間層あるいは接続プラットフォームを用意することにより達成することができ、特に、人工神経系によりボトムアップ系とトップダウン系とをつないだ配置を取ることにより達成することができる。
【００３４】
より詳細には、（時間投影性、空間方位性）＝（↑、↑）のボトムアップ系と（時間投影性、空間方位性）＝（↓、↓）のトップダウン系との間に、第３の構造として（時間投影性、空間方位性）＝（↑、↓）の性質を持つ系を挿入することにより達成することができる。このために、人工のボトムアップ系で神経に相当する随伴ラインを設ける。あるいは、あらかじめ設けておいた随伴系のそばに自己組織化系を成長させる。
【００３５】
図５に示すように、１次元超格子３１の成長を、時間が投影されたものとして起こさせる。ここで、１次元超格子３１の成長方向の空間座標は時間の流れをそのまま表しているため、これは時間が連続的に空間構造へ投影された系と言える。制御された成長速度、望ましくは一定の成長速度を用いることにより、時間（座標）による空間構造の連続的な制御を行う。また、成長方向という特別な方位を存在させることにより、空間構造を一般に非等方的とすることができる。
【００３６】
さらに、上記のようにして成長させた１次元超格子３１の薄片化を行う。その意義は次の点にある。図６Ａは１次元超格子３１、図６Ｂは１次元超格子３１をワイヤー化した超格子ワイヤー３２、図６Ｃは１次元超格子３１を薄片化した超格子薄片３３を示す。図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｃに示すように、１次元超格子３１は確かに成長方向に時間ｔが織込まれている構造であるが、時間（＝成長方向の軸上の一点）にアクセスする際、距離ｒを指定しても面内座標は無限にあること（図６Ａ）、１次元超格子３１をワイヤー化してしまうと、時間（＝成長方向の軸上の一点）を指定した時、その部分は量子ドットであるため他所からアクセスができない（図６Ｂ）、といった問題があるのに対し、１次元超格子３１を薄片化した時には、一義的に位置を決定することができ、かつ、ｒだけ離れた異なる別の一点（地点）も一義的に定まり、そこから横ラインを通じてアクセスもできる（図６Ｃ）。このように、１次元超格子３１の薄片化により、上述の（↑、↓）の性質を有する系を実現することができる。
【００３７】
さらに、図７に示すように、上記の２次元の超格子薄片３３をもうひとつの同様な超格子薄片３４と互いに９０度方位がずれた状態で重ね合わせる。この超格子薄片の２枚重ねで擬似的（離散的）な等方性を回復すると同時に、この２枚重ねで２次元格子を形成することにより、ナノサイズにおいて離散的しかし稠密に空間にアクセスする仕組みができ、これを以って全体で連続的な任意のボトムアップ系に対し個別にアドレスする神経系に相当するものを人工的に付与することができる。
【００３８】
図７に示す構造は、図２Ａおよび図２Ｂに示すボトムアップ系が、時間が連続的に投影された等方的な（方向性のない）構造（これを今第１の構造とする）  であり、図１Ａおよび図１Ｂに示すトップダウン系が、時間が非連続的に投影された非等方的な（方向性のある）構造（これを今第２の構造とする）であるのと対照的に、丁度それらの中間の性質を有する、時間が連続的に投影された非等方的な（方向性のある）構造（これを今第３の構造とする）であり、ボトムアップ系とその連続時間性を、またトップダウン系とその空間非等方性を共有する。このため、この第３の構造は、ボトムアップ系とトップダウン系との双方に良い親和性を有しており、時間連続投影性および空間等方性具有、つまり（↑、↑）なる性質と時間非連続投影性および空間非等方性具有、つまり（↓、↓）なる性質というまったくの両極端の構造（だからこそそれらの結合がこれまでなされなかった）を結びつけることができる。
【００３９】
しかも、図７に示すように、第３の構造は、上記の超格子薄片を２枚重ね合わせることで、離散的な等方性（擬似等方性）を回復させ、ボトムアップ系に２次元的に完全にアクセスすることができる。
さらに、すでに述べたように、従来、トップダウン系をなす半導体集積回路などの２次元構造体では一括露光によるパターニングが用いられ、分解能はｘ、ｙの２方向に要求され、しかもその精度は現在の最高の分解能でも、数ｎｍ程度であるのと対照的に、上記の第３の構造の部分は、時間を空間に投影する手法で形成するため原子層の分解能を持つことができる。このため、たとえボトムアップ部分が分子程度の大きさのユニットからなっていても、そこへ個別アクセスすることが可能となる。
【００４０】
従来のリソグラフィーの分解能限界を乗り越える手法そのものとして、自己組織化を用いる試みがなされている。実際、例えば、自己組織化でできた量子ドットや単一分子を使った２次元メモリでは、数Åオーダーの精度での配列が可能である。しかし、これらの自己組織化微細構造への独立アクセスに関しては方法がない。金属配線などで外からアクセスしようとしても、金属配線をリソグラフィーにより形成するのでは、すでに述べたように、分解能が十分ではない。
【００４１】
すなわち、トップダウン系で用いられる従来のリソグラフィーでは１原子層オーダーの分解能はまったく得られておらず、また、ボトムアップのみを用いたのでは（分解能はまだしも）  独立アクセスが不可能であったものが、上記の超格子薄片３３のように、１次元超格子の成長速度を制御して時間を空間に投影するとともに、これを薄片化して方向性の自由度を最小に絞った構造を用いることにより、トップダウン系とボトムアップ系とを相補的につなぐことができ、１原子層オーダーの分解能と独立アクセスとの両方を達成することができる。分解能に関しては、図８に示すように、本発明者により、ＭＯＣＶＤ法によるＡｌＡｓ／ＧａＡｓ２原子層超格子の成長において、成長方向に１原子層の分解能が得られることが示されている（非特許文献５）。ここで、図８Ａ、図８Ｂおよび図８Ｃはそれぞれ、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による暗視野像、格子像および回折パターンを示す。
【００４２】
ＭＯＣＶＤの成長機構は本質的に表面拡散とキンク成長とよりなり、図９に示す電気化学的成長機構と同じである（非特許文献６）。従って、１次元超格子の成長は電気化学的手法を用いても時間の関数として行うことができる。つまり、電気化学的手法を用いて図６Ａに示すような時間の連続的な流れをそのまま表している１次元超格子を成長させることができ、連続的時間座標による空間構造の制御を行うことができる。図１に示す一括露光、現像、エッチングという時間軸上の離散的な点での空間構造の制御に比べ、一桁以上の分解能の向上が可能である。
このため、上記の方法によれば、微細で離散的かつ稠密な繰り返し構造、例えば、金属などの導電体ストリップ／誘電体の繰り返し構造を原子層の精度で形成することができる。
【００４３】
上記の第３の構造をこのような導電体ストリップ／誘電体の繰り返し構造で形成する場合、図１０Ｃに示すような、導電体ストリップ４１、４２がそれらの面同士が対向するように交差していてその交差部の面積が大きい配置ではなく、図１０Ｂに示すように、導電体ストリップ４１、４２がそれらのナイフエッジ同士が対向するように交差していてその交差部の面積が非常に小さい配置とするのが望ましい。図１０Ｂの場合、導電体ストリップ４１、４２の厚さ、すなわちエッジ幅は例えば１〜１０ｎｍオーダーであり、このとき導電体ストリップ４１あるいは導電体ストリップ４２を隔てる誘電体の厚さは例えば１０〜１００ｎｍオーダーである。なお、図１０Ｂにおいて、符号４５は１辺のサイズが例えば１〜１０ｎｍオーダーの擬０次元スペースを示す。
【００４４】
図１０Ｂに示す配置が望ましい理由を以下に示す。
図１０Ａは局所的な電磁場による表面増強効果が確認されているＳＰＭ（表面プローブ顕微鏡）の配置を示し、探針４３の先端が試料の表面４４（２次元面）に近接している。以下、図１０Ａに示す場合と図１０Ｂに示す場合とについてナノ空間での電位の空間分布を計算する。
【００４５】
図１０Ａの場合は、鏡映効果を勘案して探針同士が対向している場合として計算することができる。この時の探針の先端間の距離と、図１０Ｂの交差部の導電体ストリップ４１と導電体ストリップ４２との間隔は、比較のため同じとする。今、真空中に金属性の構造物があり、金属部の電位は外から設定しているとすると、空間電荷はゼロであるので、この場合に解くべきポアッソン方程式は簡単になってラプラス方程式
2004322297.tif 000003
となる。空間をメッシュ（間隔Δ）に切り差分方程式化すると
φ（ｉ，ｊ，ｋ）  に対して、
2004322297.tif 000004
となる。例えば、ｘ  については、
2004322297.tif 000005
となる。同様にして∂２  φ／  ∂ｙ２、∂２  φ／  ∂ｚ２を求めて（１）式に代入すると結局
2004322297.tif 000006
となる。以上をまとめると
2004322297.tif 000007
という漸化式を回すことによってラプラス方程式の解が求まる。
【００４６】
図１０Ａの配置における境界条件を入れて（２）式を用いて計算すると図１１〜図１４に示す電位分布が得られる。ここで、図１１〜図１４の各番号（１〜１２）は探針の先端間の空間座標を表し、０と１２が探針の先端の位置である。図１１〜図１４の各ａ図においてはｚ軸はフルスケール１０００（任意単位）で固定であり、各ｂ図は電位の大きさによってスケーリングを行って縦軸を描いてある。
【００４７】
同様にして図１０Ｂの場合、すなわち導電体ストリップ４１、４２のナイフエッジ同士が対向している場合について計算すると、図１５〜図１８に示す電位分布が得られる。図１５〜図１８でも上記と同じく、各番号は導電体ストリップ４１、４２のナイフエッジ間の空間座標を表し、０と１２がナイフエッジの先端の位置である。また、上記と同じく、図１５〜図１８の各ａ図においてはｚ軸はフルスケール１０００（任意単位）で固定であり、各ｂ図は電位の大きさによってスケーリングを行って縦軸を描いてある。
【００４８】
図１１〜図１４と図１５〜図１８とを比較すると、図１０Ａに示す場合および図１０Ｂに示す場合ともに交差部の断面積は０次元であることを反映して、中間地点付近では似たような電位変化、すなわち急峻な電場変化をしていることが分かるが、図１２の番号５から図１３の番号７への変化量と、図１６の番号５から図１７の番号７への変化量とを比較すると、同じ電位を与えた場合でも、探針の先端同士が対向している場合よりもむしろ、導電体ストリップ４１、４２のナイフエッジ同士が十字状に交差して対向している場合の方が、単位長さあたりの電場変化が大きく、強い量子効果を引き出すことができることを示唆している。
【００４９】
図１１〜図１４に見られるように、対向探針間のポテンシャルは両探針の先端を結ぶ軸の方向（図中、上下方向）に対称であり、また、その軸の周りに回転対称であるのに対し、ナイフエッジの十字交差配置では、図１６および図１７に見られるように、中間点付近でポテンシャルが鞍点状の特異な形状となる。すなわち、上下非対称であり、２回回転対称性と、π／４回転＋上下反転の対称操作に対する不変性とを有する。これらは、十字交差部にはさまれる分子の配置・荷電対称性を制御して新しい量子機能を引き出すための良いツールとすることができる。
また、図６Ｃあるいは図７に示す構造において、１次元超格子３１を導電体層と誘電体層との周期構造体とし、その導電体層の厚さを十分に小さくすることにより、図１０Ｂに示す構造および図１５〜図１８に示す電位分布を実現することができることが分かる。
【００５０】
これにより、上記の第３の構造において、表面増強効果を引き起こすようなサイトを超多重並列に並べることができる。この場合、表面プローブ顕微鏡のヘッドを多数並べた構造の多重並列表面プローブの場合とまったく異なり、稼動部がない点が大きなメリットである。また、超格子薄片として例えば厚さが１〜１００μｍのものを用いることにより、導電体ストリップ４１、４２を極めて細くすることができ、かつ、導電体ストリップ４１、４２の高い導電性と薄片面の平坦性とを維持することができる。
例えば、図１０Ｂに示す導電体ストリップ４１、４２の交差部の擬０次元スペース４５にボトムアップ物質を設けると、この第３の構造におけるｘ、ｙ交差系をなす導電体ストリップ４１、４２を人工神経ラインとして、例えばこの第３の構造の外側に設けた従来のシリコンＬＳＩ系とそのボトムアップ物質とをつないで新規の機能を得ることも可能となる（例えば、特許文献１、２）。
【００５１】
導電体ストリップ４１、４２、より一般的には導電ラインは、電子を媒体としているので、相互作用が伝わる速さが極めて速い。他方、ボトムアップ領域の変化、特に原子の配置（コンフィグレーション）の変化（官能基の位置変化など）は慣性質量が大きいため、速さはかなり遅い。通常、両者の速さの間には一桁以上（一般には数桁）の差がある。従って、図７に概念的に示した配置を実物質を用いて実現した一例である図１９に示す構造はナノスケールで離散化されたバルクサイズ時空間系であり、各導電ラインの交差部にはさまれた原子・分子とラインを流れる電子（または正孔）とを断熱近似的に扱うことができる。すなわち、図１９は金属と誘電体との周期構造体からなる２枚の超格子薄片を互いに９０度方位がずれた状態で重ね合わせたものであり、金属からなる導電体ストリップ４１、４２の交差部の擬０次元スペース４５にボトムアップ物質が設けられる。導電体ストリップ４１は誘電体層４６で分離され、導電体ストリップ４２は誘電体層４７で分離されている。図１９には、この系がメモリであるとした場合に記憶密度１Ｔｂ／ｉｎ２  に相当する各部の寸法の例を記載した。
【００５２】
通常、原子団・分子団の相互作用は最近接のものを通じて漣が立つように、いわば近接場的に伝わる。しかし、図１９に示す系では、導電ラインを通じて原子・分子にとっては瞬時に、いわば遠隔作用的にやり取りが起こる。系が隅々までを「知っている」ことが臨界状態の本質のひとつであるので、この図１９に示す系は、従来の物質にない（例えば、連続系に対し離散系であるセルラーオートマトン（例えば、非特許文献２参照のこと）がそうであるように）「臨界状態」に親しい新物質ということができる。そして、この系に現れると期待される変調された自己組織化臨界現象や自発的対称性の破れを通じてナノ構造物理の新側面を現出させることができる。すなわち、局所的かつ個別的にアドレスすることの可能なナノ構造体を大局的サイズで得ることによって微視的世界と巨視的世界とをつなぐとともに新しい量子機能を創出することができる。
【００５３】
この発明は上記の考察に基づいて案出されたものであり、上記の考察、後に記述する発明の実施の形態などにより裏付けられるものである。
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、
局所的な相互作用により形成される第１の構造と予め設定された大局的な規則により形成された第２の構造とが、非等方的な構造を有する第３の構造を介して結合されてなることを特徴とする機能素子である。
【００５４】
この発明の第２の発明は、
第１の構造と第２の構造とが第３の構造を介して結合されてなる機能素子の製造方法であって、
第３の構造を非等方的な構造を有するように形成する工程と、
第２の構造を予め設定された大局的な規則により形成する工程と、
第１の構造を局所的な相互作用により形成する工程とを有することを特徴とするものである。
【００５５】
この発明の第３の発明は、
局所的な相互作用により形成される第１の構造と予め設定された大局的な規則により形成された第２の構造とが、非等方的な構造を有する第３の構造を介して結合されてなる機能素子を用いたことを特徴とする機能システムである。
【００５６】
第１、第２および第３の発明においては、例えば、第１の構造が自律分散型相互作用により形成されたものであり、第２の構造が予め設定された大局的な設計ルールにより形成されたものであり、第３の構造が非等方的な周期構造を有する平面または曲面からなるものである。あるいは、第１の構造が自律分散型相互作用により形成されたものであり、第２の構造が予め設定された大局的な設計ルールにより形成されたものであり、第３の構造が非等方的な周期構造を有する面を複数交差させて重ねたものである。
【００５７】
この発明の第４の発明は、
時間が連続的に投影された等方的な第１の構造と時間が不連続的に投影された非等方的な第２の構造とが、非等方的な周期構造を有する第３の構造により結合されてなることを特徴とする機能素子である。
【００５８】
この発明の第５の発明は、
第１の構造と第２の構造とが第３の構造を介して結合されてなる機能素子の製造方法であって、
第３の構造を非等方的な構造を有するように形成する工程と、
第２の構造を時間が不連続的に投影された非等方的なものとして工程と、
第１の構造を時間が連続的に投影された等方的なものとして形成する工程とを有することを特徴とするものである。
【００５９】
この発明の第６の発明は、
時間が連続的に投影された等方的な第１の構造と時間が不連続的に投影された非等方的な第２の構造とが、非等方的な周期構造を有する第３の構造により結合されてなる機能素子を用いたことを特徴とする機能システムである。
第４、第５および第６の発明においては、例えば、第３の構造が非等方的な周期構造を有する面を複数交差させて重ねたものである。
【００６０】
この発明の第７の発明は、
時間が連続的に投影された等方的な第１の構造と時間が不連続的に投影された非等方的な第２の構造とが、時間が連続的に投影された非等方的な第３の構造により結合されてなることを特徴とする機能素子である。
【００６１】
この発明の第８の発明は、
第１の構造と第２の構造とが第３の構造を介して結合されてなる機能素子の製造方法であって、
第３の構造を時間が連続的に投影された非等方的なものとして形成する工程と、
第２の構造を時間が不連続的に投影された非等方的なものとして工程と、
第１の構造を時間が連続的に投影された等方的なものとして形成する工程とを有することを特徴とするものである。
【００６２】
この発明の第９の発明は、
時間が連続的に投影された等方的な第１の構造と時間が不連続的に投影された非等方的な第２の構造とが、時間が連続的に投影された非等方的な第３の構造により結合されてなる機能素子を用いたことを特徴とする機能システムである。
第７、第８および第９の発明においては、例えば、第３の構造が、時間が連続的に投影された非等方的な２次元構造をその方向性をずらして少なくとも二つ重ねて擬似的に等方性を回復したものである。
【００６３】
この発明の第１０の発明は、
ボトムアップで形成された第１の構造とトップダウンで形成された第２の構造とが、非等方的な周期的な第３の構造を介して結合されてなることを特徴とする機能素子である。
【００６４】
この発明の第１１の発明は、
第１の構造と第２の構造とが第３の構造を介して結合されてなる機能素子の製造方法であって、
第３の構造を非等方的な周期的なものとして形成する工程と、
第２の構造をトップダウンで形成する工程と、
第１の構造をボトムアップで形成する工程とを有することを特徴とするものである。
【００６５】
この発明の第１２の発明は、
ボトムアップで形成された第１の構造とトップダウンで形成された第２の構造とが、非等方的な周期的な第３の構造を介して結合されてなる機能素子を用いたことを特徴とする機能システムである。
【００６６】
第１０、第１１および第１２の発明においては、例えば、第１の構造が自己組織化によるボトムアップで形成されたものであり、第２の構造がトップダウンで形成された集積回路（半導体集積回路など）であり、第３の構造が、時間が連続的に投影された非等方的な２次元構造を複数交差させて重ねて擬似的に等方性を回復したものである。
【００６７】
この発明の第１３の発明は、
自己相似性またはフラクタル構造を有する第１の構造とトップダウンで形成された集積回路からなる第２の構造とが、非等方的な周期構造を有する第３の構造により結合されてなることを特徴とする機能素子である。
【００６８】
この発明の第１４の発明は、
第１の構造と第２の構造とが第３の構造を介して結合されてなる機能素子の製造方法であって、
第３の構造を非等方的な周期構造を有するように形成する工程と、
第２の構造をトップダウンで集積回路として形成する工程と、
第１の構造を自己相似性またはフラクタル構造を有するものとして形成する工程とを有することを特徴とするものである。
【００６９】
この発明の第１５の発明は、
自己相似性またはフラクタル構造を有する第１の構造とトップダウンで形成された集積回路からなる第２の構造とが、非等方的な周期構造を有する第３の構造により結合されてなる機能素子を用いたことを特徴とする機能システムである。第１３、第１４および第１５の発明においては、例えば、第３の構造が、非等方的な周期構造を有する面を複数交差させて重ねたものであり、また、集積回路は半導体集積回路などである。
【００７０】
第１〜第１５の発明において、第３の構造は、例えば、厚さが０．２ｎｍ以上６０ｎｍ以下、典型的には１〜１０ｎｍオーダーの導電体層と厚さが０．２ｎｍ以上５０μｍ以下、典型的には０．２ｎｍ以上６００ｎｍ以下、より典型的には１０〜１００ｎｍオーダーの誘電体層との周期構造体からなる薄片をその層が互いに交差するように少なくとも２枚重ねた構造を有する。
【００７１】
また、非等方的な構造は単一の空間周波数を有するものであっても、複数の空間周波数を有するものであってもよい。さらに、非等方的な構造は、例えば、相互作用が伝わる特徴的な時間に１桁以上の差がある互いに異なる性質を有する複数種の相互作用または物理現象の担体を有し、注目している相互作用または物理現象についてそのホストとなる物質の系において、速い相互作用時間または物理現象時間で特徴付けられる担体（例えば、電子）に対応する第１のホスト物質により、遅い相互作用または物理現象で特徴付けられる担体（例えば、原子または分子）に対応する第２のホスト物質が、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下のスケールのオーダー（例えば、０．２ｎｍ以上６００ｎｍ以下）で離散化されたものである。また、この場合、例えば、第１のホスト物質について、全体システムの内部の任意の位置に対して、これと連結しているこの第１のホスト物質が、少なくとも１箇所、このシステムを囲む１次元ラインまたは曲線上に存在するか、露出している。
【００７２】
第３の構造に導電体層と誘電体層との繰り返し構造を用いる場合、導電体層に接触する両側の誘電体層の性質は互いに同一であっても異なっていてもよい。
典型的な一つの例では、トップダウンで製造された集積回路（半導体集積回路など）からなる第２の構造と第１の構造および第３の構造の結合体とがこの結合体の辺縁に存在する直線または曲線状の一次元構造をインターフェース領域として結合する。
【００７３】
この発明の第１６の発明は、
第１、第４、第７、第１０、第１３の発明における第３の構造が３層以上積層されてなることを特徴とする機能材料である。
【００７４】
この発明の第１７の発明は、
第１、第４、第７、第１０、第１３の発明における第１の構造および第３の構造からなる積層体が２層以上積層されてなることを特徴とする機能材料である。
【００７５】
この発明の第１８の発明は、
ストリップ状の導電体層と誘電体層との周期構造体からなる薄片をその層が互いに交差するように、かつ、導電体層のエッジ同士が対向するように少なくとも２枚重ねた構造を含むことを特徴とする機能素子である。
【００７６】
この発明の第１９の発明は、
ストリップ状の導電体層と誘電体層との周期構造体からなる薄片をその層が互いに交差し、かつ、導電体層のエッジ同士が対向するように少なくとも２枚重ねた構造を含むことを特徴とする機能材料である。
【００７７】
この発明の第２０の発明は、
厚さが０．２ｎｍ以上６０ｎｍ以下のストリップ状の導電体層とこの導電体層の厚さ以上の厚さを有する誘電体層との周期構造体からなる薄片をその層が互いに交差し、かつ、導電体層のエッジ同士が対向するように少なくとも２枚重ねた構造を含むことを特徴とする機能素子である。
【００７８】
この発明の第２１の発明は、
厚さが０．２ｎｍ以上６０ｎｍ以下のストリップ状の導電体層とこの導電体層の厚さ以上の厚さを有する誘電体層との周期構造体からなる薄片をその層が互いに交差し、かつ、導電体層のエッジ同士が対向するように少なくとも２枚重ねた構造を含むことを特徴とする機能材料である。
第２０および第２１の発明において、誘電体層の厚さは一般的には０．２ｎｍ以上２００μｍ以下、典型的には０．２ｎｍ以上５０μｍ以下である。
【００７９】
この発明の第２２の発明は、
非等方的な構造が、相互作用が伝わる特徴的な時間に１桁以上の差がある互いに異なる性質を有する複数種の相互作用または物理現象の担体を有し、注目している相互作用または物理現象についてそのホストとなる物質の系において、速い相互作用時間または物理現象時間で特徴付けられる担体に対応する第１のホスト物質により、遅い相互作用または物理現象で特徴付けられる担体に対応する第２のホスト物質が、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下のスケールのオーダーで離散化されていることを特徴とする機能素子である。
【００８０】
この発明の第２３の発明は、
非等方的な構造が、相互作用が伝わる特徴的な時間に１桁以上の差がある互いに異なる性質を有する複数種の相互作用または物理現象の担体を有し、注目している相互作用または物理現象についてそのホストとなる物質の系において、速い相互作用時間または物理現象時間で特徴付けられる担体に対応する第１のホスト物質により、遅い相互作用または物理現象で特徴付けられる担体に対応する第２のホスト物質を、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下のスケールのオーダーで離散化することを特徴とする機能素子の製造方法である。
【００８１】
この発明の第２４の発明は、
非等方的な構造が、相互作用が伝わる特徴的な時間に１桁以上の差がある互いに異なる性質を有する複数種の相互作用または物理現象の担体を有し、注目している相互作用または物理現象についてそのホストとなる物質の系において、速い相互作用時間または物理現象時間で特徴付けられる担体に対応する第１のホスト物質により、遅い相互作用または物理現象で特徴付けられる担体に対応する第２のホスト物質が、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下のスケールのオーダーで離散化された機能素子を用いたことを特徴とする機能システムである。
第１６〜第２４の発明においては、その性質に反しない限り、第１〜第１５の発明に関連して述べたことが成立する。
【００８２】
上述のように構成されたこの発明によれば、局所的な相互作用により形成される第１の構造と予め設定された大局的な規則により形成された第２の構造とを、非等方的な構造を有する第３の構造を介して結合することにより、従来困難であったトップダウン系とボトムアップ系との統合を容易に行うことができる。
【００８３】
【発明の実施の形態】
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。
まず、この発明の第１の実施形態について説明する。
この第１の実施形態においては、電気化学的成長法を用いて超格子薄片を形成する。図２０Ａはそのための成長装置を示す。図２０Ａに示すように、この成長装置においては、電解槽５１に、成長させようとする二種類の物質に対応したアニオン（Ａ−  ）５２およびカチオン（Ｃ＋  ）５３を含む電解液５４が入れられている。そして、この電解液５４中に、電気化学的成長の基板となる例えば微小円柱状の電極部を有する軸５５が挿入されているとともに、この軸５５をはさむように二つの電極５６、５７が設けられている。ここでは、軸５５の電極部は接地されており、電極５６、５７はそれぞれ電圧Ｖｌ、Ｖｒにバイアスすることができるようになっている。電極５６、５７はリング状に軸５５の電極部を囲む配置でもよい。また、電解槽５１に仕切りを設けてアニオン５２とカチオン５３とを別々に配するとともに、軸５５を回転させるようにしてもよい。
【００８４】
図２１は軸５５の詳細構造の例を示す。図２１に示すように、軸５５は、成長時の基板となる電極部５５ａが他の部分５５ｂに比べて少し直径が大きくなっている。そして、電極部５５ａの下側にこれと接触して例えばガラスやセラミックスなどからなる円板状の支持板５８が軸５５と同軸に取り付けられているとともに、電極部５５ａの上側に溶剤易溶性有機膜５９がプリコートされた円板状の支持板５９が同じく軸５５と同軸に取り付けられている。支持板５８、５９の直径は同一とする。また、これらの支持板５８、５９の間隔は、成長させるべき超格子薄片の厚さと同一とし、具体的には例えば１〜１０００μｍ、典型的には例えば１０〜１００μｍである。
【００８５】
この成長装置を用いて超格子薄片を成長させるには、例えば、図２０Ｂに示すように、電極５６、５７を交互にＶｌ＝＋Ｖ２、Ｖｒ＝−Ｖ１にバイアスする。この場合、電極５６が＋Ｖ２にバイアスされている時には電解液５４中のカチオン５３が軸５５の電極部５５ａの側面上に堆積し、電極５７が−Ｖ１にバイアスされている時には電解液５４中のアニオン５２が軸５５の電極部５５ａの側面上に堆積する。このようにして、図２１に示すように、支持板５８と溶剤易溶性有機膜５９との間の空間において、軸５５の電極部５５ａの側面上に、交互に二種類の物質、具体的には、誘電体（絶縁体）である溶剤難溶性電析有機膜６１および電析金属膜６２の周期構造体を同心円状（年輪状あるいはバウムクーヘン状）にラテラル成長させることができる。成長終了後、溶剤易溶性有機膜５９を溶剤で溶解して年輪状の周期構造体を取り出す。
【００８６】
電析金属膜６２の金属としては、例えば、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）などを用いることができる。めっき浴としては、Ａｕの場合は例えばＫＡｕ（ＣＮ）、（ＮＨ４  ）２  ＨＰＯ４  、Ｋ２  ＨＰＯ４  などを含むものを用い、Ｃｕの場合は例えばＣｕＳＯ４  ・５Ｈ２  Ｏ、Ｈ２  ＳＯ４  、チオ尿素などを含むものを用い、Ｐｔの場合は例えば（ＮＨ４  ）２  ＰｔＣｌ、ＮａＨＰＯ４  ・１２Ｈ２  Ｏなどを含むものを用いる。
また、溶剤難溶性電析有機膜６１の成長には、例えば有機酸イオンをアクティブエージェントとして用いる（非特許文献７参照）。
【００８７】
溶剤難溶性電析有機膜６１および電析金属膜６２の成長にほぼ一定の成長速度を用いることにより、時間インターバルを構造に射影することができ、図２２に示すように、各層が原子層オーダーの厚さ精度を有する溶剤難溶性電析有機膜６１および電析金属膜６２の周期構造体からなる円板状の超格子薄片を得ることができる。
【００８８】
次に、この円板状の超格子薄片の一部を図２２の実線の四角形で示されるように切り出したものを２枚用意する。図２３Ａおよび図２３Ｂにこのようにして切り出された四角形状の超格子薄片７１、７２を示す。そして、図２３Ａ、図２３Ｂおよび図２３Ｃに示すように、超格子薄片７１に対して超格子薄片７２の方位を９０度回転して重ね合わせる。このようにして、２次元のパターンの最小単位として、人工神経系として信号・情報がアクセスすることができる格子（ｌａｔｔｉｃｅ）が完成する。この格子の精度は原子層オーダとすることができる。ここで、各超格子薄片７１、７２の溶剤難溶性電析有機膜６１および電析金属膜６２は厳密には円弧状であるが、電析金属膜６２の周期は例えば１０ｎｍ前後と極めて小さいため、これらの溶剤難溶性電析有機膜６１および電析金属膜６２は直線状に延在しているとみなすことができる。従って、この格子は、図１９に示すものと実質的に同様な構造を有する。
【００８９】
超格子薄片７１、７２の電析金属膜６２の本数をそれぞれＮ本とすると、超格子薄片７１の電析金属膜６２と超格子薄片７２の電析金属膜６２との交差点は合計Ｎ２  個ある。この場合、これらの交差点（アドレス）へのアクセスは、超格子薄片７１、７２の各電析金属膜６２を通じて容易に行うことができる。例えば、図２３Ｃに示すように、超格子薄片７１、７２の縁の電析金属膜６２にそれぞれリレー回路７３、７４を接続することで、どのアドレスにアクセスするかを制御することができる。具体的には、例えば、超格子薄片７１、７２の一辺を１ｃｍとし、電析金属膜６２の間隔を１０ｎｍとすると、１ｃｍ／１０ｎｍ＝１０−２ｍ／１０−８ｍ＝１０６  〜２２０であるが、例えば２０段のリレー回路７３、７４で２２０〜１０６  本の電析金属膜６２を選択することができるので、例えば（ｘｙ平面の一自由度あたり）約２０ビットの情報でアドレスへのアクセスを制御することができる。
【００９０】
超格子薄片７１の電析金属膜６２と超格子薄片７２の電析金属膜６２とのＮ２  個の交差点には、ボトムアップにより生成される所望の機能を有する構造を設ける。このためには、例えば、超格子薄片７１を基板としてその上に自己組織化により量子ドットを成長させ、その上に超格子薄片７２を上記と同様に重ね合わせればよい。あるいは、超格子薄片７１、７２の間に機能材料層（例えば、無機分子や有機分子など）をはさみ込み、互いに交差しかつ対向している電析金属膜６２間に例えば電流通電を行ってエネルギーを注入することにより生じる自己組織化臨界現象を用いて、結果として、ボトムアップ構造が超格子薄片７１、７２の間に設けられた構造を作製することができる。
【００９１】
超格子薄片７１、７２のＮ２  個の交差点に設けるボトムアップ構造をエネルギー注入と散逸とにより最後に形成する場合は、これらのボトムアップ構造を、何ら位置合わせの必要もなく、自己整合的に各交差点に自動的に形成することができる。この場合、超格子薄片７１、７２の電析金属膜６２同士は必ずしも互いに直交している必要はなく、縁とつながっていることのみが要件である。各ボトムアップ構造は例えば、単純なメモリー素子でもよいし、上述の自己組織化により高度の機能を有するボトムアップ素子でもよい。超格子薄片７１、７２の電析金属膜６２によるメッシュ構造の次元は１とボトムアップ系（今の場合、平面系である）の次元２との間であり、生体の神経系の次元が細胞系の次元より小さいことと同等の関係が成立している。上記のボトムアップ構造を形成する元になる材料物質は例えばインタカレーションにより導入することもできる。また、インタカレーションに先立って、電解エッチングにより電析金属膜６２のナイフエッジを先鋭化させておくこともでき、これによって表面増強効果をより強化し、超格子薄片７１、７２の電析金属膜６２の交差部に配置するボトムアップ構造をより少数の原子団（分子団）とすることも可能である。
【００９２】
超格子薄片７１、７２の各交差点にボトムアップ構造がはさまれた上記の２次元構造体をシリコンＬＳＩと接続して機能素子を作る。すなわち、図２４Ａに示すように、基板８１上に上記の２次元構造体８２をマウントし、超格子薄片７２の電析金属膜６２を接続パッド８３を介して配線接続部８４と接続するとともに、超格子薄片７１の電析金属膜６２を配線接続部８５と接続する。接続パッド８３は枕木状の形状を有し、その厚さは配線接続部８４の上面と超格子薄片７２の下面との高さの差にほぼ等しい。図２４Ｂは超格子薄片７２の電析金属膜６２と接続パッド８３との接続部を拡大して示したものであり、接続パッド８３に幅の狭い絶縁体８３ａを介して形成された、溶剤難溶性電析有機膜６１の幅（厚さ）と等しい幅の電極部８３ｂと電析金属膜６２とが接続されている。また、図２４Ｃは超格子薄片７１の電析金属膜６２と配線接続部８５との接続部を拡大して示したものであり、配線接続部８５に幅の狭い絶縁体８５ａを介して形成された、溶剤難溶性電析有機膜６１とほぼ等しい幅の電極部８５ｂと電析金属膜６２とが接続されている。配線接続部８４、８５は配線８６を介して所望の機能を有するトップダウン系のＬＳＩ８７と接続されており、結果として２次元構造体８２とＬＳＩ８７とが接続されている。こうして機能素子が得られる。ＬＳＩ８７は典型的にはシリコンＬＳＩであるが、他の半導体、例えばＧａＡｓなどの化合物半導体を用いたＬＳＩでもよい。また、ＬＳＩ８７はチップ状のものを基板８１上にマウントしたものであっても、基板８１としてシリコン基板などの半導体基板を用い、これにＬＳＩプロセスで回路を形成したものでもよい。
【００９３】
超格子薄片７１、７２の電析金属膜６２と外部の接続パッド８３または配線接続部８５との接続は、一辺あたりＮ個の接続でよい。この接続数と超格子薄片７１、７２の、ボトムアップ構造が設けられる交差点の数との比は１／Ｎでスケールする。このため、Ｎ２  の位置合わせ誤差を生ずる従来法と比べ、Ｎが大きくなるほど、言い換えれば集積度が上がるほど位置合わせ誤差が減少し、従って従来法に比べて素子の製造歩留まりの向上を図ることができる。特に、図２４Ｂおよび図２４Ｃに示すように、接続パッド８３の電極部８３ｂの幅は超格子薄片７２の誘電体である溶剤難溶性電析有機膜６１の幅（厚さ）とほぼ等しく、また、配線接続部８５の電極部８５ｂの幅は超格子薄片７２の誘電体である溶剤難溶性電析有機膜６１の幅（厚さ）とほぼ等しく設定することができるので、超格子薄片７１、７２の電析金属膜６２と電極部８３ｂ、８５ｂとの位置合わせのマージンを大きくすることができ、これも素子の製造歩留まりの向上に寄与する。
【００９４】
シリコンＬＳＩなどに代表されるＬＳＩ８７からなるトップダウン系は、すでに述べたように、時間が非連続に投影され、かつ空間的に非等方的な構造、先の記法に従えば（時間投影性、空間方位性）＝（↓、↓）の構造を有している。また、超格子薄片７１、７２の間にはさまれたボトムアップ構造は、自律分散的生成則により形成されたものであるため、時間が連続的に投影され、局所ルールには大局性が存在しないので、特別な方向は特になく等方的な構造、すなわち（時間投影性、空間方位性）＝（↑、↑）  の構造を有している。両構造を直接隣り合わせて並べてみても、（↑、↑）  （↓、↓）となって矢印がフリップするので、直ちにつながらない。これに対し、上記の２次元構造体８２は、すでに述べたように、時間を成長方向に連続的に投影してできた空間座標の一方向に向いた非等方性を有する構造、すなわち（時間投影性、空間方位性）＝（↑、↓）の構造を有している。図２４に示す機能素子においては、この２次元構造体８２、すなわち（↑、↓）構造をボトムアップ構造、すなわち（↑、↑）構造とトップダウン構造のＬＳＩ８６、すなわち（↓、↓）  構造との間に介在させていることにより、（↑、↑）（↑、↓）（↓、↓）となり、矢印が構造間でフリップすることなくつながっていくので、結局（↑、↑）構造と（↓、↓）構造とを、すなわちボトムアップ系とトップダウン系とを、個別アクセス性を失うことなく、うまくつなげることができる。
【００９５】
このように、この第１の実施形態によれば、ボトムアップ系とシリコンＬＳＩに代表されるトップダウン系との利点を最大限活かすことができる高機能の機能素子を容易に実現することができる。この機能素子は、ボトムアップ系に持たせる機能とシリコンＬＳＩに持たせる機能との組み合わせにより、多彩な機能を発現することができる。
【００９６】
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の実施形態は、ボトムアップ構造として特に量子ドットを用いたものである。
図２５に示すように、この第２の実施形態においては、基板８１の中央部に２次元構造体８２がマウントされているが、この場合、この２次元構造体８２の超格子薄片７１、７２の電析金属膜６２の十字交差点にボトムアップ構造として量子ドット９１がはさまれている。ここで、超格子薄片７１、７２の電析金属膜６２の周期および厚さは量子ドット９１のサイズより十分小さくすることができるので、超格子薄片７１、７２の電析金属膜６２の十字交差点と量子ドット９１とは必ずしも１対１に対応している必要はない。つまり、全ての十字交差点に量子ドット９１が付随している必要はないが、各量子ドット９１には必ず十字交差点が付随している。この冗長性は、量子ドット素子の歩留まりを向上させるとともに、量子ドットを活性部とする十字交差よりなるダイオードへのサイドゲートの役割を果たさせることもでき、従来極めて困難であった量子ドット素子の３端子素子化も可能となる。特にその際、超格子薄片７１、７２として、極めて薄い誘電体を間にはさんだ導電層２層構造とやや厚めの誘電体との積層繰り返し構造、すなわち、空間周波数として大小二つの周波数を有する構造のものを用いることが有効である。
【００９７】
また、図２５に示す構造は平面ディスプレイとしても適用することができる。この場合、量子ドット９１として発光性量子ドットを用いるが、発光性有機分子モノマー、オリゴマー、ポリマーであってもよい。また、この場合、すでに述べたように、超格子薄片７１、７２の厚さの設定に自由度があるので、電析金属膜６２を、高い導電性を持ち、かつ、極めて細い導電ラインとして構成することができるという長所を有する。この平面ディスプレイによれば、十字交差部の面積が小さいので、陰になることが少なく、明るい画面を低消費電力で実現することができる。また、図示は省略するが、図２５の縦横の各電析金属膜６２、すなわち各導電ラインに関して、上述のような極めて薄い誘電体を間にはさんだ導電層２層構造とやや厚めの誘電体との積層繰り返し構造、すなわち、空間周波数として大小二つの周波数を有する構造を用いることで導入される冗長性によって、例えば活性部の不良による画素落ちなどのリスクを低減することができ、製造歩留まりを向上させることができる。
【００９８】
さらに、図２５の配置は、十字交差部にはさまれるπ電子系有機分子の官能基の配置や荷電状態を制御することで、光素子のみならず電子素子としても利用することができ、従って集積分子エレクトロニクス素子として利用することもできるが、空間周波数として大小二つの周波数を有する超格子薄片構造を用いることで得られる上述の冗長性は、分子エレクトロニクスに求められているフォルトトレランス（欠陥許容性）を高める上で極めて効果が大きい。
基板８１の外周部８１ａはトップダウン型のＬＳＩが配置される領域であるが、必ずしも四方八方全てに配置する必要はなく、一部に配置するだけでもよい。
なお、場合によっては、多層構造にして、基板８１の中央部を含む全面の上下にトップダウン型ＬＳＩを配置することも可能である。
【００９９】
２次元構造体８２の周囲の額縁部８１ｂは、図２４Ｂおよび図２４Ｃと同様な配置で、２次元構造体８２のＮ２  個の交差点にアクセスするｘ、ｙ方向の平行な電析金属膜６２と接続する。
上記以外のことは、その性質に反しない限り第１の実施形態と同様である。
この第２の実施形態によっても、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【０１００】
次に、この発明の第３の実施形態について説明する。
図２６に示すように、この第３の実施形態においては、第２の実施形態においてボトムアップ構造として用いた量子ドット配列の代わりに、自己相似性を有する階層的な構造を有する面、すなわちフラクタル構造を有する面９２をボトムアップ構造として用いる。この場合も、空間周波数として大小二つの周波数を有する超格子薄片構造を用いることで得られる上述の冗長性は、系のロバストネスを高める上で極めて大きな効力を発揮する。
上記以外のことは、その性質に反しない限り第１および第２の実施形態と同様である。
この第３の実施形態によっても、第１および第２の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【０１０１】
次に、この発明の第４の実施形態について説明する。
この第４の実施形態においては、図２７Ａに示すように、第１の実施形態において用いた成長装置の電解液５４中に２本の軸１０１、１０２を所定の間隔で互いに平行に設ける。軸１０１の長手方向には複数の電極部１０１ａが例えば等間隔に設けられ、軸１０２の長手方向には複数の電極部１０２ａが電極部１０１ａと互い違いに例えば等間隔に設けられている。そして、軸１０１の一番下の電極部１０１ａの上下に支持板１０３および溶剤可溶樹脂板１０４が所定の間隔を持って取り付けられ、その上の電極部１０１ａの上下に２枚の溶剤可溶樹脂板１０５、１０６が所定の間隔を持って取り付けられ、さらにその上の電極部１０１ａの上下に同様に２枚の溶剤可溶樹脂板１０７、１０８が所定の間隔を持って取り付けられている。一方、軸１０２の一番下の電極部１０２ａの上下に２枚の溶剤可溶樹脂板１０９、１１０が所定の間隔を持って取り付けられ、その上の電極部１０２ａの上下に２枚の溶剤可溶樹脂板１１１、１１２が所定の間隔を持って取り付けられ、さらにその上の電極部１０２ａの上下に溶剤可溶樹脂板１１３および支持板１１４が所定の間隔を持って取り付けられているが、これらの２枚の板の組み合わせは軸１０１に取り付けられたものと互い違いになっている。この場合、これらの支持板１０３、１１４および溶剤可溶樹脂板１０４〜１１３はいずれも円板状であり、それらの半径は軸１０１、１０２の間隔よりも少し小さく選ばれている。このため、軸１０１に取り付けられた支持板１０３および溶剤可溶樹脂板１０４〜１０８と、軸１０２に取り付けられた溶剤可溶樹脂板１０９〜１１３および支持板１１４とは、軸１０１、１０２の間の部分で互いに重なっている。
【０１０２】
この成長装置においては例えば次のようにして成長を行う。
まず、軸１０１の電極部１０１ａおよび軸１０２の電極部１０２ａの側面にあらかじめ導電性有機レジスト（図示せず）を所定の厚さ塗布しておく。この有機レジストとしては、例えば、溶剤可溶樹脂板１０４〜１１３の溶解に用いられる溶剤により溶解することができるものを用いる。次に、第１の実施形態と同様にして、軸１０１に取り付けられた支持板１０３および溶剤可溶樹脂板１０４の間の空間と溶剤可溶樹脂板１０５、１０６の間の空間と溶剤可溶樹脂板１０７、１０８の間の空間とにおいて電極部１０１ａの側面に導電性有機レジストを介して周期構造体をラテラル成長させる。同様に、軸１０２に取り付けられた溶剤可溶樹脂板１０９、１１０の間の空間と溶剤可溶樹脂板１１１、１１２の間の空間と溶剤可溶樹脂板１１３および支持板１１４の間の空間とにおいて電極部１０２ａの側面に導電性有機レジストを介して周期構造体をラテラル成長させる。電極部１０１ａの側面に成長させる周期構造体と電極部１０２ａの側面に成長させる周期構造体とは互いに同一であっても異なってもよい。次に、電解槽５１から電解液５４を排出して代わりに所定の溶剤を入れ、この溶剤により溶剤可溶樹脂板１０４〜１１３および電極部１０１ａ、１０２ａの側面に塗布した導電性有機レジストを溶解する。これによって、電極部１０１ａの側面にラテラル成長した円板状の各超格子薄片１１５と電極部１０２ａの側面にラテラル成長した円板状の各超格子薄片１１６とは沈降していき、順次交互に積層される。こうして、超格子薄片が交互に積層された積層構造体が形成される。
【０１０３】
次に、この積層構造体を電解槽から取り出し、図２７Ｂの実線の四角形で示される形に切り出す。これによって、例えば図２８に示すように、超格子薄片三次元積層体が得られる。そして、この超格子薄片三次元積層体を用いて第１の実施形態と同様にして機能素子を製造する。
上記以外のことは第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、第１の実施形態と同様な利点に加えて、超格子薄片三次元積層体を用いて機能素子を構成していることにより、機能性および集積度の大幅な向上を図ることができるという利点を得ることができる。
【０１０４】
次に、この発明の第５の実施形態について説明する。
図２９Ａおよび図２９Ｂは真空蒸着装置の真空チェンバー１２１の正面図および側面図である。図２９Ａおよび図２９Ｂに示すように、この第５の実施形態においては、ローラ１２２に、例えば幅が狭くて薄い平坦なテープ状の樹脂製ベースフィルム１２３を巻き付けておき、この樹脂製ベースフィルム１２３の一方の面に蒸着源１２４から例えば金属を蒸発させて薄く金属膜（図示せず）を形成した後、この金属膜付き樹脂製ベースフィルム１２３を巻き取りローラ１２５で巻き取っていく。符号１２６は樹脂製ベースフィルム１２３を両側から保持する支持板を示す。
【０１０５】
上述のようにして金属膜付き樹脂製ベースフィルム１２３が巻き取りローラ１２５で巻き取られることにより、樹脂製ベースフィルム１２３と金属膜とが交互に積層されたスパイラル構造が形成される。このスパイラル構造は図２２に示す同心円構造とほぼ類似のものである。そこで、このスパイラル構造を元にして第１の実施形態と同様にして超格子薄膜を得ることが可能である。
この第５の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【０１０６】
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、図３０に示す方法により超格子薄片７１、７２を作製する。すなわち、まず、図３０Ａに示すように、樹脂基板１３１に、第１の実施形態の電析金属膜６２と同一のパターン形状を有するナノ構造金型１３２を近づけ、図３０Ｂに示すように、このナノ構造金型１３２で樹脂基板１３１を型押しする。次に、図３０Ｃに示すように、ナノ構造金型１３２を樹脂基板１３１から引き離す。次に、図３０Ｄに示すように、例えば真空蒸着などにより樹脂基板１３１上に金属膜１３３を堆積させて、ナノ構造金型１３２による型押しで樹脂基板１３１に形成された溝の内部をこの金属膜１３３により埋め込む。次に、図３０Ｅに示すように、樹脂基板１３１を上下からエッチングすることにより上面の不要な金属膜１３３を除去するとともに、裏面に金属膜１３３を露出させる。これによって、図３０Ｆに示すように、超格子薄片７１、７２が作製される。
上記以外のことは、その性質に反しない限り第１の実施形態と同様である。
この第６の実施形態によっても、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【０１０７】
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、材料、形状、配置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、材料、形状、配置などを用いてもよい。
【０１０８】
また、例えば、超格子薄片にはさまれる層として、π電子共役有機分子系材料や生体分子系材料のほかに、強誘電体材料系やＰｒＣａＭｎＯ系の巨大磁気抵抗材料を用いてもよい。
また、同心円構造自体は、第１〜第６の実施形態で述べた方法以外の方法で形成することもできる。例えば、回転軸を回転させながらその側面上に交互に異なる物質を真空蒸着により形成したり、ＭＯＣＶＤ法などにより円柱状の基板に交互に異なる物質を成長させたりすることができる。
また、同心円構造を形成する物質としては、上述の第１〜第６の実施形態で用いたものと異なる物質を用いてもよい。誘電体としては酸化物などの無機物質のほか、ポリスチレンやポリカーボネートなどの有機物質を用いてもよい。
【０１０９】
なお、上に述べたボトムアップとトップダウンとの接続・統合は、狭い意味のハードウェアのみに適用されるものではなく、直接結合しようとしても相容れない２系統の流れがぶつかる種々の局面に適用することができる。一例を挙げると、両系統の持つ属性を精査し、各々において（↑、↑）のものと（↓、↓）のものという相反する性質の組を同定・抽出し、その上で（↑、↓）の性質を持つ中間層（緩衝材となる方策）を間にはさむ（さらに必要なら、この作業を漸化式的にイテレイティブ（ｉｔｅｒａｔｉｖｅ）に繰り返す）ことにより、市場形成や消費動向など、ユーザーやマスを形成する消費者などの（ヒエラルキー末端の）層に内在して下から湧き上がってくる動きと、企業運営や行政などの（ヒエラルキートップの）、あらかじめ設定された計画に基づいて上から下ろされてくるルールやプランニングとを整合させる際などにも、ソフトウェア的な（ビジネスモデルやサービスモデル上の）仕組みとしても機能させることができる。
【０１１０】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、生命体に代表されるボトムアップ系とシリコンＬＳＩに代表されるトップダウン系との利点を最大限活かすことができる高機能の機能素子を実現することができる。すなわち、細胞に相当するボトムアップ系とトップダウン系との間に随伴神経系に相当する人工情報伝達・制御系を設けた高機能の機能素子を実現することができる。
また、時間が連続的に投影された構造を用いることで、究極の分解能（原子層オーダの制御）を持った人工神経系相当物を形成することができる。これによって、例えば、表面増強効果を担いうるナノ構造／ゼロ次元構造をバルクサイズに亘って超並列多重に配列させることも可能になる。
【０１１１】
また、ナノスケールで離散化されたバルクサイズの系を創出し、例えばシリコン基板上に形成されたＬＳＩシステムと、それと近接して配された自律分散システムとを結合することにより、ボトムアップ系とトップダウン系とをつなぐプラットフォームを実現することができる。
また、ナノスケールで離散化されたバルクサイズ系を創出し、そこに現れる局所的かつ個別的にアドレスすることが可能な２〜３次元のナノ構造体を大局的サイズで得ることによって、微視的世界と巨視的世界とをつなぐ高機能のプラットフォームを実現することができる。さらに、現在では形がないが将来現れてくると考えられるほとんどのナノスケールの並列新機能要素と既存のＵＬＳＩシステムとをシナジェティックに結合し、シリコンベースの世界と炭素系の有機物の世界との止揚をとることにより、飛躍的な機能の増大が可能となる。
【０１１２】
また、この発明によれば、例えば、１０〜１６０Ｇｂｉｔｓ／ｃｍ２  （０．１〜１Ｔｂ／ｉｎｃｈ２  ）の集積度のフレキシブルな機能素子を実現することができる。例えば、物質表面がそのまま機能素子となるようなユビキタス情報装置を実現することができる。この場合、機能素子の中核部分はリソグラフィーフリーで形成することができるので、機能素子を安価に製造することができる。また、要素の数をＮとすると、従来はＮ２  の位置合わせが必要となるが、この発明では４Ｎの位置合わせで済み、従来に比べ１／  Ｎで位置合わせの困難さが減少する。しかも、記録容量が大きくなるほどこの効果が増大する。
【０１１３】
また、この発明によれば、微分方程式系に支配される物質系ではなく、セルラーオートマトンに代表される離散的な、差分方程式に支配されるような物質系を提供することができる。この物質系によれば、例えば、注目する性質に関して、変調された次元、連結性、自発的対称性の破れ、あるいは自己組織化臨界現象を示すことが可能となる。
【０１１４】
ナノテクノロジーの発展は際限がないほどと期待されるが、それを支える母体の構造は原子間隔というカットオフがある以上（際限なく小さくなることはないので）その「収束先」をあらかじめ（ある精度を以って）見定めておき、その極限値と既存のＵＬＳＩシステムとの結合を、現時点から正面の目標に据え、攻略し始めることは、単に時代に先行するという観点からのみならず、今は形なき、将来のナノテクノロジーの成果を先取りする上でも重要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明を説明するための略線図である。
【図２】この発明を説明するための略線図である。
【図３】ＴＰＣを説明するための略線図である。
【図４】ＴＰＣを説明するための略線図である。
【図５】この発明を説明するための略線図である。
【図６】この発明を説明するための略線図である。
【図７】この発明を説明するための略線図である。
【図８】ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ２原子層超格子の成長を説明するための図面代用写真である。
【図９】電気化学的成長機構を説明するための略線図である。
【図１０】この発明を説明するための略線図である。
【図１１】図１０Ａに示す場合の交差部の電場分布の計算結果を示す略線図である。
【図１２】図１０Ａに示す場合の交差部の電場分布の計算結果を示す略線図である。
【図１３】図１０Ａに示す場合の交差部の電場分布の計算結果を示す略線図である。
【図１４】図１０Ａに示す場合の交差部の電場分布の計算結果を示す略線図である。
【図１５】図１０Ｂに示す場合の交差部の電場分布の計算結果を示す略線図である。
【図１６】図１０Ｂに示す場合の交差部の電場分布の計算結果を示す略線図である。
【図１７】図１０Ｂに示す場合の交差部の電場分布の計算結果を示す略線図である。
【図１８】図１０Ｂに示す場合の交差部の電場分布の計算結果を示す略線図である。
【図１９】この発明を説明するための略線図である。
【図２０】この発明の第１の実施形態を説明するための略線図である。
【図２１】この発明の第１の実施形態を説明するための略線図である。
【図２２】この発明の第１の実施形態を説明するための略線図である。
【図２３】この発明の第１の実施形態を説明するための略線図である。
【図２４】この発明の第１の実施形態による機能素子を示す略線図である。
【図２５】この発明の第２の実施形態を説明するための略線図である。
【図２６】この発明の第３の実施形態を説明するための略線図である。
【図２７】この発明の第４の実施形態を説明するための略線図である。
【図２８】この発明の第４の実施形態を説明するための略線図である。
【図２９】この発明の第５の実施形態を説明するための略線図である。
【図３０】この発明の第６の実施形態を説明するための略線図である。
【符号の説明】
２１…ＴＰＣ、３１…１次元超格子、３３、３４、７１、７２、１１５、１１６…超格子薄片、４１、４２…導電体ストリップ、４６、４７…誘電体層、５４…電解液、６１…溶剤難溶性電析有機膜、６２…電析金属膜、７３、７４…リレー回路、８２…２次元構造体、８３…接続パッド、８４、８５…配線接続部、８７…ＬＳＩ、９１…量子ドット、９２…フラクタル構造を有する面、１３１…樹脂基板、１３２…ナノ構造金型、１３３…金属膜
【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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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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