(57)【要約】  【課題】  電極金属についても動作環境についても制約が少なく、高速でスイッチングさせることができるようにする。  【解決手段】  大気圧走査トンネル顕微鏡システムを用い、一方の電極としての探針２にはＰｔ／Ｉｒを用いる。他方の電極としてのグラファイト基板４上に、金属クラスターである銀微粒子をアセトンに分散させた分散液を滴下し、アセトンを蒸発させて銀微粒子堆積膜６を形成する。その後、探針２を銀微粒子堆積膜６に接近させ、フィードバックをオフにした後、電源装置８により電圧操作を行ない、電流計１０により電流変化、コンダクタンス変化を測定する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに分離可能な金属原子又は金属クラスターの近傍に間隔をもって対向する金属電極を配置し、その金属電極間の間隔を前記金属原子又は金属クラスターにより連結して量子化コンダクタンスを単位とする電流が流れる大きさに設定し、前記金属電極間への電圧印加の断続又は印加電圧の極性切替えを行なうことにより前記金属電極間で前記金属原子又は金属クラスターによる量子化コンダクタンスを単位とする電流が流れるナノコンタクトの生成と消滅を行なわせることを特徴とする量子メカニカルスイッチング方法。
【請求項２】
前記ナノコンタクトの生成と消滅を大気圧下で行なわせる請求項１に記載の量子メカニカルスイッチング方法。
【請求項３】
互いに分離可能な金属原子又は金属クラスターと、
前記金属原子又は金属クラスターにより連結して量子化コンダクタンスを単位とする電流が流れるナノコンタクトを生成しうる間隔に配置された対向金属電極と、
前記金属電極間に前記金属原子又は金属クラスターによるコンタクトの生成と消滅を行なわせるように前記金属電極間への電圧印加の断続又は印加電圧の極性切替えを行なう電源装置とを備えたことを特徴とする量子メカニカルスイッチ装置。
【請求項４】
前記金属原子又は金属クラスターは大気圧下に配置されている請求項３に記載の量子メカニカルスイッチング装置。
【請求項５】
前記金属原子又は金属クラスターは空気中に配置されている請求項４に記載の量子メカニカルスイッチング装置。
【請求項６】
前記電源装置による前記金属電極への印加電圧は数Ｖ以下である請求項３から５のいずれかに記載の量子メカニカルスイッチ装置。
【請求項７】
前記電源装置による前記金属電極への印加電圧のスイッチング速度が１００ｋＨｚ以上に設定されている請求項３から６のいずれかに記載の量子メカニカルスイッチ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、現在の半導体産業に代表されるナノメートルスケールの極微細構造作製に関し、特に、量子化コンダクタンスが出現するナノコンタクトを金属原子又は金属クラスターを用いて行なう量子メカニカルスイッチ方法と装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
これまでの量子化コンダクタンスが出現する領域でのナノコンタクトは、金属原子、主に貴金属（Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ等）を用いて行なわれてきた。
一つは、超高真空中で、金の探針を機械的に接触させ、引き離しを行なうことによる原子架橋生成である（非特許文献１参照。）。その論文では、銅の細線に金を蒸着した試料表面に、金のＳＴＭ（走査トンネル顕微鏡）探針を接触させ、探針と試料間に一定の電圧を印加させながら引き離す時に形成される金原子架橋の変化の様相をＴＥＭ(透過型電子顕微鏡)で観測しながらそのコンダクタンスを測定することにより、金原子架橋の構造とコンダクタンスの対応付けを行なっている。図４では（ａ）から（ｆ）の順に探針間を引き離すことにより原子架橋が細くなっていく様子をＴＥＭ像により示している。上下の黒い三角形の物体がＳＴＭ探針と試料表面であり、その間に原子架橋が形成されており、（ｆ）で原子架橋が消滅している。図５はＳＴＭ探針と試料表面とが離れるに伴って、コンダクタンスが階段状に減少している様子を示しており、（ａ）〜（ｆ）は図４の（ａ）〜（ｆ）の状態に対応している。
【０００３】
また、一方で、溶液中で電気化学反応を利用して原子架橋の生成・消滅を制御する方法も報告されている（非特許文献２参照。）。その論文では、硫酸銅溶液中に配置された金基板表面に、先端部以外をワックスで覆ったＳＴＭ探針（Ｐｔ／Ｉｒ）を１０〜１５０ｎｍの間隔まで接近させ、その後探針と基板のそれぞれの電極電位を操作して、銅イオン又は銅原子の酸化・還元反応を制御することにより、電極間に銅原子架橋を形成し、また、それを消滅させている。図６はその実験系の概念図である。この銅原子架橋の形成・消滅は、電極間電流の変化により確認できる。
【０００４】
さらに、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）のカンチレバーで直接、金属クラスターを電極間に移動させてナノコンタクトを形成して電極間のコンダクタンスを観測している実験例もある（非特許文献３参照。）。そこでは、まず、試料表面をＡＦＭ観察し電極（Ｔｉ／Ａｕ：ＳｉＯ2表面にＴｉを蒸着した後Ａｕを蒸着したもの）と金ナノ粒子の位置を確認する。そして、フィードバックをオフにし動かしたいナノ粒子の後方付近にＡＦＭ探針をもってきて、ＡＦＭ探針の側面でナノ粒子を移動させたい方向に押して動かす。ナノ粒子を移動させたのち、フィードバックをオンにして再び像観測し、ナノ粒子の移動状態を確認する。この操作を、所望の位置にナノ粒子を移動させるまで繰り返す（図７（ａ）〜（ｄ））。図８は、電極間に１ｍＶの電圧を印加して、電極間へのナノ粒子の「押し入れ」・「押し出し」を繰り返したときの電流変化を示している。その結果、粒子を電極に押し入れた後、急激な電流増加が観測され、そのときの電極間の抵抗値は１００Ωになり、その後粒子を電極から押し出すと電流がゼロになる。このように、ナノサイズの微粒子の機械的な位置操作により、金属電極と金属ナノ粒子との接合・非結合をオン・オフするスイッチング制御が実現されている。
【０００５】
一方、固体電解質（例えばＡｇ2Ｓ）を用いて、電圧操作により原子架橋の生成・消滅を制御している研究例が一件存在する（非特許文献４参照。）。そこでは、固体電解質中の金属原子の移動・析出を利用しており、量子化コンダクタンスを十分制御できている。しかしながら、電極を固体電解質で作製することが不可欠である。
【非特許文献１】高柳邦夫, 近藤行人、大西秀明，応用物理６９巻、１０号、１２１５頁、（２０００）
【非特許文献２】C. Z. Li and N. J. Tao, Appl. Phys. Lett., 72 (1998) 894.
【非特許文献３】L. Samuelson, et.al, Appl. Phys. Lett., 72 (1998) 548
【非特許文献４】T．Hasegawa et.al. RIKEN Review 37 (2001) 7.
【非特許文献５】川畑有郷、日本物理学会誌  ５５巻、４号、２５６頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した金属ワイヤー、金属クラスターによるナノコンタクトの形成においては、基本的に超高真空システムを必要とする。
また、ナノコンタクトの制御において、両電極の機械的動作又は金属クラスターの機械的操作を基本としており、ナノメータスケールでの微動機構が必要である。
【０００７】
電気化学的作成法においては電解質溶液が必要である。
ナノコンタクトを利用したスイッチングを行なおうとすると上記のような機械的な操作のため、オン・オフ速度が極端に遅く、スイッチとしては役目を果たさない。
固体電解質を利用した原子細線構築では、スイッチング速度は十分早いと考えられるが、Ａｇ2Ｓ等の固体電解質を電極として使用する必要がある。
【０００８】
本発明は、電極金属についても動作環境についても制約が少なく、高速でスイッチングさせることができる量子メカニカルスイッチング方法と装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の量子メカニカルスイッチング方法は、互いに分離可能な金属原子又は金属クラスターの近傍に間隔をもって対向する金属電極を配置し、その金属電極間の間隔を前記金属原子又は金属クラスターにより連結して量子化コンダクタンスを単位とする電流が流れる大きさに設定し、前記金属電極間への電圧印加の断続又は印加電圧の極性切替えを行なうことにより前記金属電極間で前記金属原子又は金属クラスターによる量子化コンダクタンスを単位とする電流が流れるナノコンタクトの生成と消滅を行なわせるものである。
【００１０】
上述した従来のナノコンタクト制御技術に対し、本発明では、電極金属の元素は問わず、電極間に金属原子または金属クラスターを配置することだけで動作する。また、動作環境についても、超高真空内、大気圧下、溶液中を問わず、温度調整も本質的に必要ではない。
【００１１】
本発明のナノコンタクト制御方法は、ナノメータスケール、例えば数〜数百ｎｍに近づけた電極間に、適当な金属原子・金属クラスターを配置することにより、電圧操作により金属原子や金属クラスターの位置的変位を促し、金属原子や金属クラスターと電極金属の原子レベルでの接触すなわちナノコンタクトを実現するものである。
【００１２】
この量子メカニカルスイッチング方法を実現する本発明の量子メカニカルスイッチ装置は、互いに分離して移動可能な金属原子又は金属クラスターと、前記金属原子又は金属クラスターにより連結して量子化コンダクタンスを単位とする電流が流れるナノコンタクトを生成しうる間隔に配置された対向金属電極と、前記金属電極間に前記金属原子又は金属クラスターによるコンタクトの生成と消滅を行なわせるように前記金属電極間への電圧印加の断続又は印加電圧の極性切替えを行なう電源装置とを備えている。
【００１３】
金属クラスターは種々の粒径のものに分級されて市販されている。金属原子は市販の金属粒を真空蒸着により表面に吸着させたものを使用することができる。
電源装置による金属電極への印加電圧は数Ｖ以下とすることができ、またスイッチング電源装置による金属電極への電圧印加のスイッチング速度は１００ｋＨｚ以上に設定することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、ナノメータサイズに接近させた電極間に、金属原子又は金属クラスターを配置するだけの簡単な環境で、両電極間の印加電圧変化を高速で行なって、原子スケールでの接触状態を生成・消滅させる、ナノコンタクトを利用した原子スイッチである。しかも、常温・常圧でも実現できる。
このことにより従来の半導体におけるスイッチに対して、省エネルギー化、プロセスの煩雑さの軽減、新しい方式に基づくデバイス構築が期待される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明方法を実現した装置の概要である。
実験は大気圧走査トンネル顕微鏡システムを用い、一方の電極としての探針２にはＰｔ／Ｉｒ（Ｐｔ（８０％）/Ｉｒ（２０％）の合金で、通常、表面にはＰｔが偏析している。）を用いる。他方の電極としてのグラファイト基板４上に、金属クラスターである粒径３０〜１５０ｎｍの銀微粒子（ナノシルバー：韓国ＮＡＮＯ  ＴＮＣ社の製品）をアセトンに分散させた分散液を滴下し、アセトンを蒸発させて銀微粒子堆積膜６を形成する。そして、その後、探針２を銀微粒子堆積膜６に接近させ、フィードバックをオフにした後、電源装置８により電圧操作を行ない、電流計１０により電流変化、コンダクタンス変化を測定した。
【００１６】
図２はその測定結果を示したものであり、両電極２，４間に印加した電圧を上部に，観測されたコンダクタンスを下部に示す。横軸は時間（秒）である。試料電圧がプラス０.５Ｖの状態ではトンネル電流（１ｎＡ程度）が流れているが、プラス２Ｖに上げると急激に電流が増加していることがわかる。
【００１７】
この電流を詳しく調べると、中にはその変化が階段状になっているものも観測された。すなわち、量子化されていることがわかり、原子単位での架橋生成を示している。このデータでは、ナノコンダクタンスの値１Ｇ0を示しており、以下の量子化コンダクタンスの語句の説明から明らかなように量子化されていること、及び電圧印加の間は一定の量子化コンダクタンスを示していることがわかる。この量子数ｎは必ずしも１ではなく、試料表面上の位置によってはｎが一ケタ台の種々の値をとる。また、上記の電圧方形波を繰り返し印加しても量子化コンダクタンスの値は再現性がある。
【００１８】
ここで、「量子化コンダクタンス」の語句について説明する。一次元電子系の電子伝導率の議論にはランダウアーの理論がよく使われる（例えば非特許文献５参照。）。これによれば、相互作用しない一次元電子系のコンダクタンスは、電子散乱がない状態で、２ｅ2／ｈ（ｅは電子の電荷、ｈはプランク定数）である。この値は、量子化コンダクタンスと呼ばれ、系に依存しない普遍的値である。通常は透過係数Ｔを掛け合わせて、Ｇ＝ｎＧ0Ｔ（ｎは正整数）と表すことが多く、Ｇ0は量子化コンダクタンスの素量で（１／１２.４）Ｓ（Ｓはジーメンス）である。有機分子等は別にして、金属ではＴはほぼ１であることから、原子架橋のようにナノコンタクトが起こっている場合、コンダクタンスは量子化され、とびとびの値を示すようになる。
【００１９】
図３は、ナノコンタクトによる量子化コンダクタンスを、印加電圧変化の速度を上げることにより量子化コンダクタンス制御によるスイッチング速度を上げて測定した例である。記号Ｖｓで示される波形は印加電圧、記号Ｃで示される波形はそれに伴うコンダクタンスの値を表わしている。印加電圧Ｖｓとして±１.５Ｖ、４０ｋＨｚの方形波を、連続６波印加したときのコンダクタンス変化であり、印加電圧Ｖｓが正の領域で架橋が形成され、印加電圧Ｖｓが負の領域で消滅していることがわかる。
【００２０】
この例のように、絶対値が等しい印加電圧Ｖｓの極性変化に対し、印加電圧Ｖｓが正の領域で架橋が形成、負領域で消滅させることができるとき、極性の変化によってより確実に、スイッチング制御が可能になる。
【００２１】
また、スイッチング速度は現在応答時間が架橋形成時、及び架橋消滅時とも、一回の試行であるが０.３μｓ、すなわち３００ＭＨｚまで速い応答が確認されており、このスイッチの実行スイッチング速度はＭＨｚ領域であることは確実である。
図１は実験段階での構成を示しているので、一方の電極４として平板状のものを使用しているが、スイッチとして装置化する際には用途に応じて電極形状は適宜変形すればよい。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明の量子メカニカルスイッチング方法及び装置は、安価で、作製が容易な、低電圧、低消費電力の超小型スイッチとして利用することができる。電極を三極化することによって、リレースイッチとすることが可能である。また、その動作原理から、揮発性メモリーに利用できる可能性もある。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】一実施例における電極部分を概略的に示す斜視図である。
【図２】一実施例において、方形波の電圧を印加したときの電極間のコンダクタンスの変化の様子を示す図である。
【図３】同実施例において±１.５Ｖ、４０ｋＨｚの方形波を、連続６波印加したときのコンダクタンス変化を示す図である。
【図４】従来の方法において、銅の細線に金を蒸着した試料表面に、金のＳＴＭ探針を接触させ、探針と試料間に一定の電圧を印加させながら引き離す時に形成される金原子架橋の変化の様子を示したＴＥＭ像である。
【図５】図４の状態に対応したコンダクタンス変化を示す図である。
【図６】従来の方法において、溶液中で電気化学反応を利用して原子架橋を生成する実験系の概念図である。
【図７】従来の方法において、ＡＦＭのカンチレバーで金属クラスターを電極間に移動させてナノコンタクトを形成する様子を示すＡＦＭ画像である。
【図８】図７の方法において電極間に電圧を印加して電極間へのナノ粒子の押し入れ・電極からの押し出しを繰り返したときの電流変化を示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
２      探針
４      グラファイト基板
６      銀微粒子堆積膜
８      電源装置
【図１】
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【図３】
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【図５】
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【図８】
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【図２】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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