(57)【要約】クロスワイヤデバイス、即ち分子システム（３０）が接続ユニットによって接続されている一対の電極、のような電界駆動スイッチ用の分子システム（３０）を提供する。前記クロスワイヤデバイスは、一方のワイヤが他方と０°以外の角度で交差する接合部を形成する一対の交差したワイヤと、前記接合部において前記一対の交差したワイヤを接続する少なくとも１つのコネクタ種とから構成される。前記コネクタ種は、固定部（固定子）（３４）間に回転部（回転子）（３２）が接続されている分子システム（３０）の回転子／固定子構造に基づく分子配座変化によって電界誘導バンドギャップ変化を起こし、それ故導電率の変化する分子システム（３０）からなる。従って、それらを容易に組み合わせることで、記憶、論理及び通信機能をもたらすクロスバー回路を形成できるナノメートルスケールの可逆電子スイッチを提供する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極（１２、１４）によって生成される電界内で構成され、前記電極に電気的に接続されている分子システム（３０）からなる双安定分子メカニカルデバイス（６０）であって、前記分子システム（３０）が２つの固定子部（３４）間に接続されている１つの回転子部（３２）を有し、該回転子部（３２）が前記電界の印加によって前記固定子部（３４）に関して少なくとも２つの異なる状態間で回転し、それによって前記分子システム（３０）内のバンドギャップ変化が引き起こされ、第１の状態では前記分子システム（３０）の少なくとも大部分にわたって拡張共役が存在し、その結果バンドギャップが比較的小さくなり、第２の状態では前記拡張共役が破壊され、その結果バンドギャップが比較的大きくなる双安定分子メカニカルデバイス（６０）。
【請求項２】
前記分子システム（３０）が方位軸を有し、前記外部電界が前記方位軸に対して平行に印加される場合に、前記回転子部（３２）が前記方位軸に対して垂直に配向する請求項１に記載の分子デバイス（６０）。
【請求項３】
前記分子システム（３０）が、
【化１】
2004537846.tif 000008
からなる請求項２に記載の分子デバイス（６０）。
ここで、
Ａ−は、（ａ）水素、（ｂ）カルボン酸及びその誘導体、（ｃ）硫酸及びその誘導体、（ｄ）リン酸及びその誘導体、（ｅ）ニトロ、（ｆ）ニトリル、（ｇ）Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ、Ｆ、Ｃｌ及びＢｒからなる群から選択されるヘテロ原子、（ｈ）前記ヘテロ原子のうちの少なくとも１つを有する官能基、（ｉ）飽和あるいは不飽和炭化水素、及び（ｊ）置換炭化水素、からなる群から選択される電子求引基からなる受容基であり、
Ｄ＋は、（ａ）水素、（ｂ）アミン、（ｃ）ＯＨ、（ｄ）ＳＨ、（ｅ）エーテル、（ｆ）飽和あるいは不飽和炭化水素、（ｈ）置換炭化水素、及び（ｉ）Ｂ、Ｓｉ、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ及びＩからなる群から選択されるヘテロ原子のうちの少なくとも１つを有する官能基、からなる群から選択される電子供与基からなる供与基であって、前記受容基よりも電気的陽性が高い供与基であり、
Ｃｏｎ１及びＣｏｎ２は、分子と、金属電極、無機基材及び有機基材からなる群から選択される固体基材との間の接続ユニットであって、（ａ）水素（水素結合を利用する）、（ｂ）Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｓ及びＰからなる群から選択される多価へテロ原子、（ｃ）前記ヘテロ原子を含む官能基、（ｄ）飽和あるいは不飽和炭化水素、及び（ｄ）置換炭化水素、からなる群から独立して選択される接続ユニットであり、
Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３及びＧ４は、所望の電子特性を得るために、前記固定子を前記各回転子に接続するか、又は２つ以上の共役環を接続するブリッジング基であって、（ａ）Ｎ、Ｏ、Ｓ及びＰからなる群から選択されるヘテロ原子、（ｂ）前記ヘテロ原子のうちの少なくとも１つを有する官能基、（ｃ）飽和あるいは不飽和炭化水素、（ｄ）置換炭化水素、（ｅ）単原子ブリッジ、及び（ｆ）前記回転子と前記各固定子間の直接シグマ結合、からなる群から選択されるブリッジング基であり、
Ｑは、２つのフェニル環間の接続ユニットであって、（ａ）Ｓ、（ｂ）Ｏ、（ｃ）ＮＨ、（ｄ）ＮＲ、（ｅ）炭化水素、及び（ｆ）置換炭化水素、からなる群から選択される接続ユニットであり、
垂直方向の点線は、前記分子が電気的に接続されている前記固体基材を表す。
【請求項４】
前記分子システム（３０）が、
【化２】
2004537846.tif 000009
からなる請求項３に記載の分子デバイス（６０）。
ここで、
Ｒ１及びＲ２は、それぞれ独立して水素あるいは炭化水素であり、
Ｙは、水素、ＯＨ及びＳＨからなる群から選択されている。
【請求項５】
前記分子システム（３０）が方位軸を有しており、前記外部電界が前記方位軸に対して垂直に印加される場合に、前記回転子部（３２）が前記方位軸に対して平行に配向する請求項１に記載の分子デバイス（６０）。
【請求項６】
前記分子システム（３０）が、
【化３】
2004537846.tif 000010
からなる請求項５に記載の分子デバイス（６０）。
ここで、
Ａ−は、（ａ）水素、（ｂ）カルボン酸及びその誘導体、（ｃ）硫酸及びその誘導体、（ｄ）リン酸及びその誘導体、（ｅ）ニトロ、（ｆ）ニトリル、（ｇ）Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ、Ｆ、Ｃｌ及びＢｒからなる群から選択されるヘテロ原子、（ｈ）前記ヘテロ原子のうちの少なくとも１つを有する官能基、（ｉ）飽和あるいは不飽和炭化水素、及び（ｊ）置換炭化水素、からなる群から選択される電子求引基からなる受容基であり、
Ｄ＋は、（ａ）水素、（ｂ）アミン、（ｃ）ＯＨ、（ｄ）ＳＨ、（ｅ）エーテル、（ｆ）飽和あるいは不飽和炭化水素、（ｈ）置換炭化水素、及び（ｉ）Ｂ、Ｓｉ、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ及びＩからなる群から選択されるヘテロ原子のうちの少なくとも１つを有する官能基、からなる群から選択される電子供与基からなる供与基であって、前記受容基よりも電気的陽性が高い供与基であり、
Ｃｏｎ１及びＣｏｎ２は、ある分子と他の分子、又は分子と、金属電極、無機基材及び有機基材からなる群から選択される固体基材との間の接続ユニットであって、（ａ）水素（水素結合を利用する）、（ｂ）Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｓ及びＰからなる群から選択される多価へテロ原子、（ｃ）前記ヘテロ原子を含む官能基、（ｄ）飽和あるいは不飽和炭化水素、及び（ｄ）置換炭化水素、からなる群から独立して選択される接続ユニットであり、
Ｒ１、Ｒ２及びＲ３は、前記各回転子のための回転の空間を設けながら、分子が密集できるようにする適切な３次元の枠組みを設けるためのスペーシング基であって、（ａ）水素、（ｂ）飽和あるいは不飽和炭化水素、及び（ｃ）置換炭化水素、からなる群から選択されるスペーシング基であり、
Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４、Ｇ５、Ｇ６、Ｇ７及びＧ８は、所望の電子特性を得るために、前記固定子を前記各回転子に接続するか、又は２つ以上の共役環を接続するブリッジング基であって、（ａ）Ｎ、Ｏ、Ｓ及びＰからなる群から選択されるヘテロ原子、（ｂ）前記ヘテロ原子のうちの少なくとも１つを有する官能基、（ｃ）飽和あるいは不飽和炭化水素、（ｄ）置換炭化水素、（ｅ）単原子ブリッジ、及び（ｆ）前記回転子と前記各固定子間の直接シグマ結合、からなる群から選択されるブリッジング基であり、
Ｊ１及びＪ２は、誘導性効果、共鳴効果及び立体効果からなる群から選択される少なくとも１つの適切な機能的効果をもたらすための調整基であって、（ａ）水素、（ｂ）Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ、Ｂ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ及びＩからなる群から選択されるヘテロ原子、（ｃ）前記ヘテロ原子のうちの少なくとも１つを有する官能基、（ｄ）飽和あるいは不飽和炭化水素、及び（ｅ）置換炭化水素、からなる群から選択される調整基である。
【請求項７】
前記分子システム（３０）が、
【化４】
2004537846.tif 000011
からなる請求項６に記載の分子デバイス（６０）。
ここで、
文字Ａ、Ｄ、Ｅ、Ｇ及びＪは、前記分子システムの幾何学的構造及び光学的特性を調整するために、種々の化学ユニットを利用することができる部位を示しており、一般的にＡ、Ｄ、Ｅ、Ｇ及びＪは、ヘテロ原子、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、及び少なくとも１つの前記ヘテロ原子を有する炭化水素、からなる群から独立して選択され、上記に加えて、文字Ｇ及びＪは、水素、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ及びＩからなる群から独立して選択される。
【請求項８】
１つのワイヤ（１４）が他のワイヤ（１２）と０°以外の角度で交差する接合部（１８）を形成する一対の交差したワイヤ（１２、１４）と、前記接合部（１８）において前記一対の交差したワイヤを接続させる少なくとも１つのコネクタ種（１６）とを含むクロスワイヤデバイス（１０）からなる分子デバイス（６０）であって、前記接合部（１８）がナノメートル単位の機能寸法を有し、前記少なくとも１つのコネクタ種（１６）が前記分子システム（３０）からなる請求項１に記載の分子デバイス（６０）。
【請求項９】
前記クロスワイヤデバイス（１０）が、記憶装置、論理装置、マルチプレクサ、デマルチプレクサ、集積回路に適合性のあるインターコネクト機器、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、クロスバースイッチ、及び通信装置から成る群から選択される請求項８に記載の分子デバイス（６０）。
【請求項１０】
前記分子システム（３０）が、接続ユニットによって前記一対の電極（１２、１４）に接続されている請求項１に記載の分子デバイス。
【請求項１１】
請求項１の分子システム（３０）を包含する双安定分子システム（３０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、その機能長スケールがナノメートル単位である電子デバイスに関し、より詳細には、電子スイッチングをもたらす種類の分子に関する。マイクロメートル（μｍ）及びナノメートル（ｎｍ）の両スケールの電子デバイスを、本明細書における教示に従って構成することができる。
【背景技術】
【０００２】
分子エレクトロニクス分野は初期の段階にある。現在までに、電子スイッチのような分子に関して技術文献で公開されたものとしては、２つの説得力ある論証がある。Ｃ．Ｐ．ＣｏｌｌｉｅｒらによるＳｃｉｅｎｃｅ、Ｖｏｌ．２８５、ｐｐ．３９１−３９４（１９９９年７月１６日）及びＣ．Ｐ．ＣｏｌｌｉｅｒらによるＳｃｉｅｎｃｅ、Ｖｏｌ．２８９、ｐｐ．１１７２−１１７５（２０００年８月１８日）を参照されたい。しかし、本話題をとりまく科学的コミュニティ内では、多数の思い入れと関心が存在する。公表された研究においては、ロタキサン又はカテナンと呼ばれる分子を２つの金属電極間にトラップし、その分子の両端に正のバイアスをかけることによってＯＮ状態からＯＦＦ状態へ切り替えさせていた。ロタキサン及びカテナンに関しては、ＯＮ状態及びＯＦＦ状態で、その抵抗率が、それぞれ、ファクターでおよそ１００及び５と異なっていた。
【０００３】
ロタキサンに関する主な問題は、それが不可逆的なスイッチであるということであった。それは一度だけ切り替えることができるものである。従って、プログラマブル読み出し専用記憶装置（ＰＲＯＭ）には利用できるが、ＲＯＭ類似デバイスにおいて、又はフォールトトレラント通信及び論理ネットワークのような再構成可能システムにおいては用いることができない。さらに、ロタキサンは、スイッチを切り換える前に、酸化及び／又は還元反応を起こす必要がある。このことは、スイッチを切り換えるのに、相当な量のエネルギーの消耗を要する。加えて、ロタキサン分子及び同族化合物の大きく且つ複雑な特性は、分子のスイッチング時間を遅くする可能性がある。カテナンに関する主要な問題は、ＯＮ−ＯＦＦ比が小さいこと、及びスイッチング時間が遅いということである。
【０００４】
従って、必要とされているのは、化学的酸化及び／又は還元を要さず、第一の状態から第二の状態への適度に速いスイッチングを可能にし、ＲＯＭ類似デバイスの製造を可能にするほど可逆的であり、且つ種々の電子デバイスに利用できる分子システムである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明によれば、ナノメートルスケールの可逆的な電子スイッチ、詳細には分子配座の変化あるいは異性化を介して生じる電界誘導バンドギャップ変化の起こる電界駆動式分子スイッチ、のための分子システムが提供される。１つの回転部（回転子）と、該回転子がその間に取り付けられている２つの固定部（固定子）とを有する分子システムを提供することによって、バンドギャップを変化させる化学結合変化を介した拡張共役の変化を実現させる。
【０００６】
本発明は、それを容易に組み合わせることで、クロスバー及びその他の回路を形成することのできるナノメートルスケールの可逆電子スイッチを提供する。クロスバー回路は、上記の一連の特許出願及び発行済み特許において記載されている。当該回路は、記憶装置機能、論理機能、及び通信機能をもたらす。電子スイッチの一例に、所謂、クロスワイヤデバイスがあり、これは、一方のワイヤが０°以外の角度で他方と交差する接合部を形成している一対の交差したワイヤと、前記接合部において前記一対の交差したワイヤを接続させる少なくとも１つのコネクタ種とからなる。前記接合部は、多層の場合にはナノメートル以上の機能寸法を有する。前記コネクタ種は、本明細書において開示且つ特許請求される分子システムからなっている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、新しいタイプのスイッチング機構、即ち分子の回転可能な中間部（回転子）の電界誘導回転、を導入する。従って、当該分子はスイッチの切り替えにおいて酸化も還元もされず、よって化学結合を破壊し、不可逆反応を起こす必要性が回避される。また、当該分子の可動部分は極めて小さく、そのため、スイッチング時間が極めて速いものと思われる。また、当該分子は、ロタキサン、及び同族化合物よりも、はるかに単純であり、従ってより容易に且つ安価に製造できる。
【０００８】
本発明のデバイスは、一般的に、電界デバイスであると考えられ、従って、電気化学的デバイスを扱う初期の実施態様（上述の関連特許出願及び特許に記載されている）とは区別されるべきである。
【０００９】
本発明の分子システムは、限定はしないが、記憶装置、論理装置、マルチプレクサ、デマルチプレクサ、集積回路に適合性のあるインターコネクト機器、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、クロスバースイッチ、及び携帯電話、モバイル機器及びＰＤＡのような通信装置を含む種々の用途において有用性が見出されるものと期待される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
定義
本明細書で用いられる場合、「接合部」に適用される際の用語「自己整列した」とは、そのどちらかが被覆又は機能化されていてもよい２本のワイヤが互いに交差するところならどこでも、２本のワイヤ間にスイッチ及び／又は他の電気的接続を形成する接合部が形成されることを意味する。何故なら、接合部を形成するのが交差の働きであるからである。
【００１１】
本明細書で用いられる場合、用語「自己組織化」とは、システム構成要素の特性によって、ある種の幾何学的パターンを自然に選択するシステムを意味する。該システムは、その構成を選択することで、そのエネルギーが少なくとも極小となる。
【００１２】
用語「一度だけ構成可能な」とは、スイッチが、酸化あるいは還元反応のような不可逆過程を介して一度だけその状態を変えることができることを意味する。そのようなスイッチは、例えば、プログラマブル読出し専用メモリ（ＰＲＯＭ）の基礎をなすことができる。
【００１３】
用語「再構成可能な」とは、スイッチが、酸化又は還元のような可逆過程を介して多数回その状態を変化させ得ることを意味する。換言すれば、該スイッチは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）のメモリビットのように、何度も開閉できるものである。
【００１４】
分子に適用される際の用語「双安定な」とは、エネルギー（又は活性化）障壁によって隔てられている比較的低い２つのエネルギー状態を有する分子を意味する。該分子は、ある状態から他の状態へ不可逆的に切り替えられるか（一回だけ構成可能）、又はある状態から他の状態に可逆的に切り替えられる（再構成可能）。
【００１５】
ミクロンスケールの大きさとは、寸法が１μｍから数μｍに及ぶ大きさを意味する。
【００１６】
サブミクロンスケールの大きさとは、０．０５μｍから１μｍまでの範囲にある大きさを意味する。
【００１７】
ナノメートルスケールの大きさとは、０．１ｎｍから５０ｎｍ（０．０５μｍ）までの範囲にある大きさを意味する。
【００１８】
ミクロンスケール及びサブミクロンスケールのワイヤとは、幅又は直径が０．０５μｍから１０μｍの大きさであり、高さが数１０ｎｍから１μｍまでの範囲にあり、長さが数μｍ以上である棒状又は帯状の導体あるいは半導体を意味する。
【００１９】
従来技術のクロスワイヤスイッチに関する基本情報
本質的なデバイスの造作が図１ａ−１ｂに示されており、また上記関連特許出願及び特許においてより詳しく議論されている。クロスワイヤスイッチ１０は、それぞれが０°ではないある角度で交差している金属ワイヤあるいは半導体ワイヤのいずれかである２本のワイヤ１２、１４からなる。それらのワイヤの間には、図１ａ及び１ｂにおいてＲで示されている分子あるいは分子化合物１６の層がある。２本のワイヤ１２、１４の交差位置で挟まれている特定の分子１８（Ｒｓで表示）は、スイッチ分子として取り扱われ、また、本明細書ではその代替用語として接合部とも呼んでいる。そのワイヤの両端に適切な電圧が印加されると、スイッチ分子は、酸化されるかもしくは還元される。分子が酸化（還元）されると、電荷の均衡を保つために、第２の化学種が還元（酸化）される。従って、これらの２つの化学種は、レドックス対と呼ばれる。このデバイスの一例では、１つの分子が還元され、次に第二の分子（レドックス対のもう片方）が酸化される。別の例では、ある分子が還元され、ワイヤの１本が酸化される。第３の例では、ある分子が酸化され、ワイヤの１本が還元される。第４の例では、１つのワイヤが酸化され、もう一方のワイヤと関連付けられている酸化物が還元される。全ての場合において、酸化と還元は、２本のワイヤ間のトンネル距離又はトンネル障壁高さに影響を及ぼし、それによって、ワイヤ接合部を横切る電荷搬送率を指数関数的に変化させ、スイッチの基礎として役立っている。
【００２０】
これらのデバイスによって実行される電気的タスクは、使用されるワイヤ（電極）の種類とワイヤ間物質によって概ね決まる。表１は、図１ａ−１ｂにおけるワイヤ１２、１４の種々の組合せから作ることができる種々の種類のデバイスを表している。
【００２１】
【表１】
2004537846.tif 000003
【００２２】
ワイヤ（電極）間に使用される分子又は物質に応じて、接合部の各々がワイヤの接点において、すぐ後に述べる種類の電気的機能を発揮するか、又は接合部は２本のワイヤを電気的に接続あるいは遮断すべく作用するスイッチ機能を有することができる。該スイッチは、一回だけ構成可能なもの又は再構成可能なもののどちらにもすることができる。第一のケースでは、前記スイッチの初期状態は、開いているか、あるいは閉じている。第二のケースでは、前記スイッチにかけている電圧の極性と振幅を、適切なしきい値を越えて反復させることにより、適切に選択された物質あるいは分子を可逆的に酸化あるいは還元して、そのスイッチを多数回開閉させることが可能である。いずれのケースにおいても、閉じている場合、ワイヤ間で形成される電気的な接続の種類は、ワイヤ（即ち電極）を構成する材料、並びにワイヤ間の分子あるいは物質の特性に左右される。
【００２３】
前記表１は、電極材料及び接合部に使用される物質あるいは分子の様々な組合せから得ることのできる種々の機能のマトリクス表を示している。抵抗体は、線形の電流−電圧特性を有しており、本質的にワイヤ間で短絡を形成すべく様々な種類のワイヤ間の接合部を意図的に過剰還元することによって作られる。これとは反対の過程は、接合部を過剰酸化することであり、これは局部的な領域でそのワイヤを消費し、接合位置でそのワイヤを効果的に破断する（オープン回路を形成する）。トンネル抵抗体は、ワイヤ間に薄い、約２ｎｍ厚の絶縁障壁を保ち、幾何級数的な電流−電圧特性を有する。接合分子又は物質が、接合部に電気的にバイアスをかけることでアクセスできる鋭く範囲の限定されたエネルギー状態を電気絶縁障壁のバンドギャップ内に有する場合、ワイヤ間の接続部は、共鳴トンネル過程によって支配される電流の流れを呈することがある。共鳴トンネル効果は、トンネル抵抗体の別の幾何級数的な電流−電圧特性において１つ以上の変曲点を作り出すことができる。ダイオードは、他の方向よりも容易にある方向に電流を流し、従って、正及び負の電圧に関して電流−電圧特性が非対称な接合部である。トンネルダイオードは、ダイオードの正−負電圧の非対称性とトンネル抵抗体の幾何級数的な電流−電圧特性の両方を有する。共鳴トンネルダイオードは、正−負電圧の非対称性を有すると共に、その電流−電圧特性にピークを有しており、それによって、電圧の大きさを増大させていくと、ある限定された範囲において、電流の大きさが実際に減少する、微分負性抵抗として知られている現象を示す。一般に、上述の過程で形成されるワイヤ間の現実の接合部はどれも、有効な回路要素が直列に接続されている状態で、２つ以上の上述の電気的機能を実際に有することになろう。
【００２４】
このように、本発明は、組み立てられた回路が要求するデバイス特性に応じて、任意の数の金属あるいは半導体ワイヤ／分子の組合せによって実施することができる。
【００２５】
従来技術のワイヤ電極製造に関する基本的情報
プロセス限定ワイヤ
（従来の電子回路処理技術によって形成されるワイヤとして定義される。ワイヤは、典型的に回路の一部として基材上に形成される。）
【００２６】
直径が１μｍから数μｍの範囲（ミクロンスケールとして定義される）、又は直径が４０ｎｍから１μｍの範囲（サブミクロンスケールとして定義される）の金属ワイヤ及び半導体ワイヤは、リソグラフィー（光学的、紫外線、又は電子ビーム）技術を含む、よく確立された技術を用いて調製することができる。これらのワイヤは、円形断面を排除するものではないが、通常は帯状又は長方形の断面を有しており、ワイヤの幅は、該ワイヤを画定するのに利用されるリソグラフィープロセスによって決定され、その高さは、リソグラフィーによって画定される領域に付着した材料の量によって定まる。
【００２７】
化学的に形成されたワイヤ
（これらのワイヤは、従来の電子的処理技術以外の技術によって形成される。ワイヤは、典型的には、回路板の一部としてよりも、むしろバルク材料として形成される。）
【００２８】
金属及び半導体のナノワイヤは、直径が５０ｎｍ未満（典型的には２〜２０ｎｍ）で、且つ長さが０．１μｍ〜５０μｍ（典型的には５〜１０μｍ）のワイヤとして定義される。これらは、後述の参考文献に記載された多数の技術のうちの任意の１つを使って化学的に製造することができる。
【００２９】
半導体元素ゲルマニウムの半導体ナノワイヤを生産する公表済技術の一例は、ゲルマニウム四塩化物とフェニルトリクロロゲルマニウムを、不活性環境下において、密閉容器中３００℃付近の温度で、数日間、トルエン溶媒中のナトリウム金属の分散物と反応させるものである。本調製によって、直径が３〜３０ｎｍ、且つ長さが０．５〜１０μｍの単結晶ゲルマニウムナノワイヤが製造される。
【００３０】
半導体元素シリコンの半導体ナノワイヤを生産する公表済技術の第二の例は、シリコン元素及び鉄元素を含有しているターゲットをレーザ蒸発させるものである。ターゲットを１３００℃の真空オーブンに入れて、蒸発処理の間、オーブン中に不活性ガスを流すものである。この技術によって、直径が２０〜３０ｎｍの範囲にあり、長さが１〜２０μｍの範囲のシリコンワイヤが製造される。
【００３１】
金属金元素の金属ナノワイヤを生産する公表済技術の一例は、陽極腐食された酸化アルミニウム薄膜の細孔内部で金のワイヤを電気化学的に成長させるものである。酸化アルミニウムを酸性溶液中で溶かし、金のナノワイヤを解放し、次いで、それを集めるものである。この方法で成長させた金のナノワイヤは、直径が２０〜３０ｎｍの範囲にあり、長さが０．５〜５μｍの範囲にある。
【００３２】
種々の金属及び半導体物質のナノワイヤが、様々な方法で製造することができる。これらのデバイスの幾つかは、ドープドＳｉのようなドープド半導体ワイヤを必要とするであろう。
【００３３】
Ｓｉワイヤの場合に関しては、ワイヤを物理的に製造する際に、ワイヤをドープすることができる。この場合、ワイヤが形成される時に、反応容器中にドーパントを添加することが必要である。例えば、上述のレーザアブレーション／真空オーブンによる製造技術では、例えば三水素化リン（ＰＨ３）あるいは三水素化ヒ素（ＡｓＨ３）のような少量のドーパントガスを、レーザアブレーション／ワイヤ形成処理中に、真空オーブン中を流れる不活性ガス（例えば、アルゴン）中に加える。
【００３４】
逆に、これらのワイヤは、適切な分子によって、即ち電子求引基（例えば三フッ化ホウ素（ＢＦ３）のようなルイス酸）又は電子供与基（例えばアルキルアミンのようなルイス塩基）のどちらかで、それらの表面を被覆することによって変調ドープして、それらを、それぞれ、ｐ型又はｎ型の導体にすることができる。
下記のワイヤ作製手順を参照されたい。図１ｂは、ワイヤ１２上の被覆物２０及びワイヤ１４上の被覆物２２を示す。被覆物２０、２２には、変調ドーピング被覆物、トンネル障壁（例えば、酸化物）、又はその他のナノスケールの機能的に適切な物質を用いることができる。あるいは又、ワイヤ１２、１４自体を、１つ以上のＲ化学種１６で被覆することができ、ワイヤが交差する位置にＲｓ１８が形成される。さらにあるいは又、ワイヤ１２、１４を、例えば、後述するように、一方あるいは両方のワイヤを懸濁させコロイド懸濁液を生成することができる分子種２０、２２で、それぞれ、被覆することができる。
【００３５】
変調ドーピングによってワイヤをドープするためには、ワイヤ表面においてＳｉ−Ｏ−Ｈ基に共有結合する有機あるいは無機分子を用いて、ワイヤ表面を化学的に機能化する必要がある。シリコンナノワイヤは、空気に曝されるとＳｉＯ２の薄い表面層（１ｎｍ）が自然に生じ、ＳｉＯ２／空気の界面では、ＳｉＯ２表面はＳｉ−Ｏ−Ｈ基で終端している。Ｓｉ−Ｏ−Ｈ基に結合するか又はそれを置換する基として、限定はしないが、Ｒ−Ｓｉ（ＣＨ３）ｘ（ＯＣＨ３−ｘ）、Ｒ−Ｓｉ（ＣＨ３）ｘ（ＯＣＨ２ＣＨ３−ｘ）、Ｒ−Ｓｉ（ＣＨ３）ｘＣｌ３−ｘ、等が挙げられる。この場合、Ｒは、電子求引基（ルイス酸）あるいは電子供与基（ルイス塩基）を含有することができる有機あるいは無機部分を表している。ＳｉＯ２不動態化シリコン表面へ分子を結合させるというこの化学作用は十分確立されているものである。ＳｉＯ２不動態化シリコン表面へ分子を結合させるための公表されている１つの例示反応は、下式である。
【００３６】
Ｓｉ−Ｏ−Ｈ（表面）＋Ｒ−Ｓｉ（ＣＨ３）２Ｃｌ→Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ（ＣＨ３）２Ｒ＋ＨＣｌ
【００３７】
その他の半導体ワイヤは、有機アミン、有機チオール、有機リン酸塩等で機能化することができる。
【００３８】
明らかなことは、化学的に合成された半導体ワイヤを変調ドープする方法についての先の記述は、技術文献には未だ何ら公にされていないことである。
【００３９】
例えば金属ナノワイヤのような他のナノワイヤの場合に関しては、ワイヤは、（金ワイヤあるいは銀ワイヤに関しては）Ｒ−ＳＨによって、又は（白金ワイヤ及びパラジウムワイヤに関しては）Ｒ−ＮＨ２によって、又は（例えばＡｌ２Ｏ３被覆アルミニウムワイヤあるいはチタンワイヤのような他の金属に関しては）Ｒ−ＣＯ２Ｈによって、化学的に機能化することができ、ここでＲ基は、例えば当業者が、コロイドのように、溶媒中にワイヤを分散させることができる性質などの、ある化学的性質をワイヤに付与することのできるある有機部分を表している。一実施例において、金ワイヤは、ドデカンチオール（Ｃ１２Ｈ２５ＳＨ）で機能化することができる。ドデカンチオールは、ワイヤに薄い表面トンネル障壁を設けるのみならず、例えばヘキサンあるいはクロロホルムのような単純な有機溶媒にワイヤを分散させることを可能にする。
【００４０】
従来技術のワイヤ作製手順に関する基本情報
下記物質は、列挙された参考文献に従ってナノワイヤとして形成することができる。
シリコン：Ａ．Ｍ．Ｍｏｒａｌｅｓらによる“Ａ  ｌａｓｅｒ  ａｂｌａｔｉｏｎ  ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｎａｎｏｗｉｒｅｓ”、Ｓｃｉｅｎｃｅ、Ｖｏｌ．２７９、ｐｐ．２０８−２１１（１９９８年１月９日）
ゲルマニウム：Ｊ．Ｒ．Ｈｅａｔｈらによる“Ａ  ｌｉｑｕｉｄ  ｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  ｓｉｎｇｌｅ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｇｅｒｕｍａｎｉｕｍ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｉｒｅｓ”、Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．２０８、ｐｐ．２６３−２６８（１９９３年６月１１日）
金属ナノワイヤ：Ｖ．Ｐ．Ｍｅｎｏｎらによる“Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｎａｎｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ｅｎｓｅｍｂｌｅｓ”、Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、Ｖｏｌ．６７、ｐｐ．１９２０−１９２８（１９９５年７月１日）
シリコンの機能化：Ｔ．Ｖｏｓｓｍｅｙｅｒらによる“Ｃｏｍｂｉｎａｔｏｒｉａｌ  ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ  ｔｏｗａｒｄ  ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ”、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｖｏｌ．８４、ｐｐ．３６６４−３６７０（１９９８年１０月１日）（多数の文献の中の１つ）
金ナノ構造体の表面の機能化：Ｄ．Ｖ．Ｌｅｆｆらによる“Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ  Ｓｉｚｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  Ａｕ  Ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ：Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ  ａｎｄ  Ｔｈｅｏｒｙ”、Ｔｈｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、Ｖｏｌ．９９、ｐ．７０３６−７０４１（１９９５年５月４日）
【００４１】
重ねて、分子スイッチング構成部分は、デバイスの所望の特性に応じて、多数の様々な種類の分子から作ることができる。その分子に必要な主要な条件は、それらが２つのワイヤ間に挟まれるとき、ワイヤの両端に電圧を印加することにより、それらを電気化学的に変性（即ち、酸化あるいは還元）できるということである。分子構成部分がそのように変性された場合、本質的な効果として、２つのワイヤ間のトンネル障壁が変化し、電流の流れる比率が変化する。これは、次には、記憶装置、論理演算、及び通信及び信号ルーティングネットワークに利用できるスイッチの基礎をなす。分子スイッチは、分子のレドックス対を含むことができ、この場合、電圧の印加によって、分子の１つが還元され、他が酸化される。そのような分子のレドックス対の例として、テトラブチルアンモニウムヘキサフルオロリン酸塩（Ｂｕ４ＮＰＦ６）に対するニッケロセン（ジシクロペンタジエニル  ニッケル）、即ちＣｐ２Ｎｉが挙げられる。その場合には、その反応は下式のようになる。
【００４２】
（還元）Ｃｐ２Ｎｉ＋Ｂｕ４ＮＰＦ６→Ｃｐ２Ｎｉ−＋Ｂｕ４ＮＰＦ６＋（−１．７Ｖ）
又は、
（酸化）Ｃｐ２Ｎｉ＋Ｂｕ４ＮＰＦ６→Ｃｐ２Ｎｉ＋＋Ｂｕ４ＮＰＦ６−（−０．１Ｖ）
【００４３】
ニッケロセン系は、溶液相サイクリックボルタンメトリーによって測定されるように、その還元が極めて非対称であるという点において特に興味深い。そのような非対称性は、安定で且つ書き換え可能な磁気記憶装置の基礎をなす磁化履歴曲線に相似している。しかし、酸素の存在下では、ニッケロセンの還元は、溶液相サイクリックボルタンメトリーで測定されるように、不可逆である。いずれの場合でも、この系の還元あるいは酸化は、分子がその間に挟まれる２本のワイヤ間のトンネル障壁を変化させる。従って、この系は、再構成可能なもの、又は一回だけ構成可能なもののどちらかのタイプの分子スイッチとして機能することができる。メタロセン系に関しては、例えば、Ｊ．Ｄ．Ｌ．Ｈｏｌｌｏｗａｙらによる“Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｒｅａｃｔｉｏｎｓ  ｏｆ  ｍｅｔａｌｌｏｃｅｎｅｓ：Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ  ｏｆ  ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｓｔａｔｅ  ｏｎ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ａｎｄ  ｒｅａｃｔｉｖｉｔｙ”、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ、  Ｖｏｌ．１０１、ｐｐ．２０３８−２０４４（１９７９年４月１１日）を参照されたい。
【００４４】
コネクタ種１６は、溶液の電気化学作用もしくは固体状態の接合部における電流−電圧特性のいずれかから得られた、電流−電圧曲線において顕著な、即ち測定可能なヒステリシスを示す物質からなる。そのような種の例として、メタロセン、ロタキサン、疑似ロタキサン、及びカテナンが挙げられ、それらは分子内水素結合に依存している。しかしながら、そのような分子は開示された目的にとって有用であるが、単純な分子内水素結合力は、上述のように、ある条件下では、比較的容易に越えられる。
【００４５】
本発明
本発明によって、分子は、外部電界によって切り替え得る能動電子スイッチとなる。共通する概念は、大きい双極子モーメントを有し（例１及び２参照）且つ固定化されている分子の他の２つの部分（固定子）を連結する回転可能な中間部分（回転子）を分子中に設計することである。印加電界の影響下、回転子のベクトル双極子モーメントは、外部電界の方向に平行に配列しようとする。しかしながら、分子は、回転子を固定子に関して特定の方位で安定化させる、例えば水素結合、双極子−双極子相互作用並びに立体斥力のような分子間及び／又は分子内力が存在するように設計されている。従って、もし印加電界が回転子の双極子の方向と逆である場合、回転子をその最初の方位から外して固定子に関して回転させるには、大きい電界を必要とする。特定方位にいったん切り替えられると、分子は、切り替えられるまでその方位に留まる。しかしながら、分子設計の重要な要素は、回転子が完全に１８０°反転するまで回転するのを妨ぐことのできる立体斥力があることである。代わりに、その回転は、回転子及び固定子上の大きな基の立体相互作用によって、最初の方位からほぼ９０°の角度で止められる。さらに、この９０°方位は、異なった組の分子間及び／又は分子内水素結合あるいは双極子相互作用によって安定化され、従って、印加電界が解除された後でも定位置に留まる。スイッチ分子には、固定子からほぼ９０°だけ隔てられた２つの状態の間に回転子を留めるこの能力は重要である。
【００４６】
理想的には、回転子及び固定子が、全て、同一面上にあるとき、その分子は、完全に共役されている。従って、ｐ、π電子は、その最高被占分子軌道（ＨＯＭＯ）及び最低空分子軌道（ＬＵＭＯ）を介して、分子全体にわたって非局在化している。これは、分子の高導電（スイッチＯＮ）状態である。回転子が固定子に関して９０°だけ回転している場合、分子の共役が破壊され、ＨＯＭＯ及びＬＵＭＯは、もはや分子全体にわたって非局在化していない。これは、分子の低導電（スイッチＯＦＦ）状態である。こうして、分子は、ＯＮ及びＯＦＦ状態の間で可逆的に切り替わることができる。
【００４７】
この固定子−回転子−固定子モデルでは、以下の要件が満たされなければならない。
【００４８】
（ａ）分子は、１つの回転子部と２つの固定子部とを有していなければならない。
【００４９】
（ｂ）分子のある状態では、分子全体（回転子及び固定子）の大部分にわたって拡張する非局在化ＨＯＭＯ及び／又はＬＵＭＯ（π状態及び／又は非結合軌道）が存在し、その他の状態では、その軌道が回転子及び固定子上に局在化している。
【００５０】
（ｃ）回転子と各固定子間の接続ユニットには、（１）非結合電子（ｐあるいは他の電子）、あるいは（２）π電子、あるいは（３）π電子及び非結合電子（単数又は複数）、を有する１つのσ結合あるいは少なくとも１つの原子とすることができる。
【００５１】
（ｄ）電界による活性化時に回転子が回転する間、回転子及び固定子の非結合電子、あるいはπ電子、あるいはπ電子及び非結合電子（単数又は複数）を、分子の配座に応じて、局在化あるいは非局在化させることができる。
【００５２】
（ｅ）分子の配座（単数又は複数）は、電界依存性あるいは双安定性とすることができる。
【００５３】
（ｆ）双安定状態（単数又は複数）は、例えば水素結合、クーロン力、ファンデルワールス力、金属イオン錯体相互安定化あるいは双極子相互安定化のような分子内あるいは分子間力によって達成することができる。
【００５４】
（ｇ）分子のバンドギャップは、非結合電子、あるいはπ電子、あるいはπ電子及び非結合電子（単数又は複数）の非局在化の程度に応じて変化する。これによって、分子の導電率のような電気的特性が変化する。
【００５５】
以下は、本モデルの２つの例（例１及び２）である。
【００５６】
本発明の新規の２モード分子は、外部電界によって切り替え可能な能動電子デバイスである。その全般的な概念は、図２に示すように、大きい双極子モーメントを有し（例１及び２参照）且つ固定化されている分子３０の他の２つの部分（固定子）３４を連結する回転可能な中間部分（回転子）３２を分子中に設計することである。印加電界の影響下、回転子３２のベクトル双極子モーメントは、外部電界の方向に平行に配列しようとする。しかしながら、分子３０は、回転子３２を固定子３４に関して特定の方位で安定化させる、例えば水素結合、双極子−双極子相互作用並びに立体斥力のような分子間及び／又は分子内力が存在するように設計されている。従って、回転子３２をその最初の方位から外して固定子３４に関して回転させるには、大きい電界を必要とする。
【００５７】
特定方位にいったん切り替えられると、分子３０は、異なる方位に切り替えられるまで、あるいは構成変更されるまで、その方位に留まるしかしながら、分子設計の重要な要素は、回転子３２が完全に１８０°反転するまで回転するのを妨ぐことのできる立体斥力があることである。代わりに、その回転は、回転子３２及び固定子３４上の大きな基の立体相互作用によって、初期の方位から通常１０°〜１７０°の電気的に有効な角度で止められる。例示のために、この角度は、本出願では９０°として示す。さらに、この切替えの方位は、異なった組の分子間及び／又は分子内水素結合あるいは双極子相互作用によって安定化され、従って、印加場が解除された後でも定位置に留まる。双安定スイッチ分子の場合、固定子から電気的に有効な角度だけ隔てられた２つの状態間に回転子３２を留めるこの能力は、極めて重要である。
【００５８】
回転子３２及び固定子３４が全て同一平面上にあるとき、その分子は「共役が強い」と呼ばれる。従って、分子の非結合電子、あるいはπ電子、あるいはπ電子及び非結合電子は、その最高被占分子軌道（ＨＯＭＯ）及び最低空分子軌道（ＬＵＭＯ）を介して、分子３０の大部分にわたって非局在化している。これを、当該分子の「高導電状態」、あるいは「電気的状態Ｉ」と呼ぶ。回転子３２が固定子３４に関して約１０°〜１７０°だけ共役から回転している場合には、分子３０の共役が破壊され、ＨＯＭＯ及びＬＵＭＯは分子のより小さな部分にわたって局在化し、「共役が弱い」と呼ばれる。これは、分子３０の「低導電状態」、あるいは「電気的状態ＩＩ」である。従って、分子３０は、２つの異なる電気的状態間で可逆的に切り替わることができる。
【００５９】
理想的な場合には、回転子３２及び固定子３４が完全に同一平面上にあるときには、分子は完全に共役しており、回転子３２が固定子３４に関して９０°の角度に回転しているときには、分子は共役していないことが、当業者には理解されよう。しかしながら、熱によるゆらぎに起因して、これらの理想的な状態は完全には実現されず、それゆえ分子は、前者の場合には「共役が強い」と呼ばれ、後者の場合には「共役が弱い」と呼ばれる。
【００６０】
例１及び２は、分子を切り替えるための２つの異なる方位を示す。例１において、回転子の回転軸は、分子の実質的な電流搬送軸にほぼ垂直になるよう設計されているが、例２では、その回転軸は、分子の方位軸に平行になっている。これらの設計によって、所望する結果に応じて、異なる形状の分子薄膜及び電極を用いることができる。一般的な分子構造及び実際の分子構造の両方を、例毎に示す。例１ａ及び例２ａは、分子を切り替えるための２つの異なる方位を示している一般的な分子構造であり、例１ｂ及び例２ｂは２つの実際の分子構造である。
【００６１】
最初に例１を参照すると、本発明の双安定分子メカニカルデバイスの第１の実施形態が示されている。以下の例１ａは、固定子−回転子−固定子モデルに関する一般的な分子の実施形態を示す。
【００６２】
【化５】
2004537846.tif 000004
【００６３】
ここで、文字Ａ−は、受容体基を表し、それは電子求引基である。それは、水素、カルボン酸あるいはその誘導体、硫酸あるいはその誘導体、リン酸あるいはその誘導体、ニトロ、ニトリル、ヘテロ原子（例えば、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ）、あるいは前記ヘテロ原子のうちの少なくとも１つを有する官能基（例えば、ＯＨ、ＳＨ、ＮＨ等）、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）あるいは置換炭化水素、のうちの１つとすることができる。
【００６４】
文字Ｄ＋は、供与体基を表し、それは電子供与基である。それは、水素、アミン、ＯＨ、ＳＨ、エーテル、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、あるいは少なくとも１つのヘテロ原子（例えば、Ｂ、Ｓｉ、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ、Ｉ）を有する官能基、のうちのいずれか１つとすることができる。供与体は、当該分子上の受容体基よりも電気的陰性が低いか、あるいは電気的陽性が高いという事実によって受容体とは区別される。
【００６５】
文字Ｃｏｎ１及びＣｏｎ２は、ある分子と固体基材（例えば、金属電極、無機あるいは有機基材等）との間の接続ユニットを表す。それらは、水素（水素結合を利用する）、多価へテロ原子（即ち、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ等）、あるいはこれらのヘテロ原子を含む官能基（例えば、ＮＨ、ＰＨ等）、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。
【００６６】
文字Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３及びＧ４は、ブリッジング基である。これらブリッジング基の機能は、所望の電子特性を得るために、固定子と回転子とを接続するか、又は２つ以上の共役環を接続することである。それらは、ヘテロ原子（例えば、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ等）、あるいは上記ヘテロ原子のうちの少なくとも１つを有する官能基（例えば、ＮＨあるいはＮＨＮＨ等）、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。あるいは又、該コネクタは、酸素原子によるエーテルブリッジのような単原子ブリッジ、又は回転子と固定子との間の直接シグマ結合により構成することができる。
【００６７】
本明細書では、文字Ｑは、２つのフェニル環間の接続ユニットを示すために用いられる。それは、Ｓ、Ｏ、ＮＨ、ＮＲ、炭化水素あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。
【００６８】
上記の例１ａにおいて、垂直方向の点線は、他の分子あるいは固体基材を表す。スイッチング電界の向きは、前記垂直方向の点線に対して垂直である。そのような構成は、電気的なスイッチングのために用いられ、その分子は単に２つの電極間に配置することができる。
【００６９】
以下の例１ｂは、前記固定子−回転子−固定子モデルの実際の分子の例である。
【００７０】
【化６】
2004537846.tif 000005
【００７１】
上記の分子（例１ｂ）は、内部回転子３２が分子３０全体の方位軸に対して垂直になるように設計されている。この場合、外部電界は図示するように分子３０の方位軸に沿って印加され、電極（垂直方向の点線）は紙面に対して垂直に、且つ分子３０の方位軸に対して垂直に向けられる。図面の左から右に配向された電界の印加によって、左上の図面に描かれたような回転子３２を下の図面に示す位置まで回転させることができ、またその逆も可能である。この場合、下の図面に描かれたような回転子３２は、分子の他の部分と同一平面上になく、そのため、これは分子のＯＦＦ、即ち低導電状態であり、一方、左上の図面では回転子が分子の他の部分と実質的に同一平面上にあるので、これは分子のＯＮ、即ち高導電状態である。右上の図面に示す構造は、左上の図面（同一平面、共役）と下の図面（中央部が回転、非共役）との間の回転の移行の様子を表している。
【００７２】
例１に示す分子は、非共役状態において非導電性（あるいは比較的低導電性）である。共役状態では、当該分子は導電性である。
【００７３】
例１に示す種類の分子の場合、例えばラングミュア−ブロジェット法あるいは自己組織化単層を用いて、単一の単層分子膜を成長させて、それによって、分子の方位軸が、分子を切り替えるのに用いられる電極面に垂直になるようにする。電極は、上記のCollierらによって示された方法で、又は前述の特許出願及び発行済特許に記載されている方法で、付着させることができる。
【００７４】
次に例２を参照すると、本発明の双安定分子メカニカルデバイスの第２の実施形態が示されている。以下の例２ａは、本発明の固定子−回転子−固定子形態に関する第２の一般的な分子の例を示している。
【００７５】
【化７】
2004537846.tif 000006
【００７６】
ここで、文字Ａ−は、受容体基を表し、それは電子求引基である。それは、水素、カルボン酸あるいはその誘導体、硫酸あるいはその誘導体、リン酸あるいはその誘導体、ニトロ、ニトリル、ヘテロ原子（例えば、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ）、あるいは前記ヘテロ原子のうちの少なくとも１つを有する官能基（例えば、ＯＨ、ＳＨ、ＮＨ等）、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、のうちの１つとすることができる。
【００７７】
文字Ｄ＋は、供与体基を表し、それは電子供与基である。それは、水素、アミン、ＯＨ、ＳＨ、エーテル、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、あるいは少なくとも１つのヘテロ原子（例えば、Ｂ、Ｓｉ、Ｉ、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ）を有する官能基、のうちのいずれか１つとすることができる。供与体は、当該分子上の受容体基よりも電気的陰性が低いか、あるいは電気的陽性が高いという事実によって受容体とは区別される。
【００７８】
文字Ｃｏｎ１及びＣｏｎ２は、ある分子と他の分子との間の、又はある分子と固体基材（例えば、金属電極、無機あるいは有機基材等）との間の接続ユニットを表す。それらは、水素（水素結合を利用する）、多価へテロ原子（即ち、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ等）、あるいはこれらヘテロ原子を含む官能基（例えば、ＮＨ、ＰＨ等）、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。
【００７９】
文字Ｒ１、Ｒ２及びＲ３は、分子に組み込まれているスペーシング基を表す。これらのスペーサユニットの機能は、各回転子のための回転の空間を設けながら、分子が密集できるようにするための適切な３次元の枠組みを設けることである。それらは、水素、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。
【００８０】
文字Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４、Ｇ５、Ｇ６、Ｇ７及びＧ８は、ブリッジング基を表す。これらのブリッジング基の機能は、所望の電子特性を得るために、固定子と回転子とを接続するか、又は２つ以上の共役環を接続することである。それらは、ヘテロ原子（例えば、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ等）、あるいは前記ヘテロ原子のうちの少なくとも１つを有する官能基（例えば、ＮＨあるいはＮＨＮＨ等）、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。あるいは又、該コネクタは、酸素原子によるエーテルブリッジのような単原子ブリッジ、又は回転子と固定子との間の直接シグマ結合から構成することができる。
【００８１】
文字Ｊ１及びＪ２は分子に組み込まれている調整基を表す。これらの調整基（例えば、ＯＨ、ＮＨＲ、ＣＯＯＨ、ＣＮ、ニトロ等）の機能は、適切な機能的効果（例えば、誘導性効果及び共鳴効果の両方）及び／又は立体効果をもたらすことである。機能的効果とは、分子のバンドギャップ（ΔＥＨＯＭＯ／ＬＵＭＯ）を調整し、分子の所望の電子的特性を得ることである。立体効果とは、立体障害、分子間あるいは分子内相互作用力（例えば、水素結合、クーロン相互作用、ファンデルワールス力）を介して分子配座を調整することや、あるいは分子の方位の双安定性あるいは多重安定性をもたらすことである。それらは、水素、ヘテロ原子（例えば、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ、Ｂ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ及びＩ）、前記ヘテロ原子のうちの少なくとも１つを有する官能基、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。
【００８２】
以下の例２ｂは、前記固定子−回転子−固定子形態の、実際の分子の一例である。
【００８３】
【化８】
2004537846.tif 000007
【００８４】
上記分子（例２ｂ）は、分子全体の方位軸に平行な内部回転子を用いて設計されている。この場合、外部電界は、分子軸に垂直に印加される。電極は、分子の長軸に平行に配向され、且つ上記モデル構造の面に垂直か又は平行に配向させることができる。例えば、電界線が分子軸に対して垂直で且つ上方を指している電界を上記上側分子へ印加することによって、その図に描かれている回転子は、上記下側分子図面に示すように、ほぼ９０°回転し、エッジが現出する。この逆も可能である。この場合、下側図面に描かれたような回転子は、分子の他の部分と同一面上になく、そのため、これは分子のＯＦＦ、即ち低導電状態であり、一方、上側図面では、回転子が分子の他の部分と同一面上にあり、そのため、これは分子のＯＮ、即ち高導電状態である。同図面において、文字Ａ、Ｄ、Ｅ、Ｇ、及びＪは、分子の幾何構造を調節するのに種々の化学ユニットを利用でき、且つ他の化学特性基も回転子及び固定子として使用することができる部位を表している（文字Ｎ、Ｈ、及びＯは、それらの通常の意味を保持している）。文字Ａ、Ｄ、Ｅ、Ｇ及びＪは、ヘテロ原子（例えば、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ等）、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは前記ヘテロ原子のうちの少なくとも１つを有する炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。上記の内容に加えて、文字Ｇ及びＪは、水素、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ等のヘテロ原子のうちの任意のものとすることができる。
【００８５】
例２の分子に関しては、分子軸が電極面に対して平行になるように薄膜を成長させる。これによって、多数の単層が重なり合った膜が生じる。分子は、固体状態あるいは液晶を形成し、大きい固定子基は分子間相互作用あるいは支持構造への直接結合によって所定の位置に固定されるが、回転子は分子の格子内部で動けるほど十分に小さい。電極を適切に配置することで、この構造は、ゲート接合（トランジスタ）、即ち、１つの電極に印加された電圧が、分子によって架橋されている２つの他の電極間に流れる電流を制御するもの、を作り出すのに用いることができる。
【００８６】
例２ａ及び例２ｂでは接続ユニットを示していないが、例えば例１ａ及び１ｂに示した−Ｓ−のような接続ユニットを用いて、例１で描いたような一対の電極間に分子を接続することができる。詳細には、分子の固定子部と電極との間を接続する。
【００８７】
例１及び２は、分子を切り替えるための２つの異なる方位を示す。しかしながら、示した例は、本発明を、図示した特定の分子システムに限定することを意図したものではなく、本明細書に開示し、特許請求するスイッチング機構を単に例示するものにすぎない。
【００８８】
従って、本発明は従来技術とは明らかに異なる新しい種類のスイッチング機構、即ち分子のバンドギャップを変化させる分子の回転可能部位（回転子）の電界（Ｅ界）誘導回転、を導入する。従来技術の手法とは対照的に、スイッチを切り替える際に、分子は酸化も還元もされない。また、分子の可動部は極めて小さいので、スイッチング時間が非常に速いものと期待される。また、その分子は、ロタキサン、カテナン及び同族化合物よりもはるかに単純であり、それゆえ容易且つ安価に製造することができる。
【００８９】
本明細書において開示し、且つ特許請求したクロスワイヤ（μｍ又はｎｍ）を形成するための技術は、種々の機能を実行するのに利用することができ、且つ計算を実施するための種々の有用なデバイスをミクロンスケールでさらにはナノスケールで形成するのにも利用することができる。例えば、用途として、信号ルートの選択及び通信用の分子ワイヤクロスバーインターコネクト機器（ＭＷＣＩ）、分子ワイヤクロスバー記憶装置（米国特許第６、１２８、２１４号）、プログラマブル論理アレイを採用した分子ワイヤクロスバーロジック（ＭＷＣＬ）、分子ワイヤクロスバーネットワーク用のデマルチプレクサ、分子ワイヤトランジスタ、及び表示用ピクセルアレイが挙げられる。
【００９０】
図３に示すように、本発明のスイッチ１０は、クロスバースイッチを形成するために、多数のスイッチ、即ちスイッチアレイ６０を形成できるように二次元の配列に反復させることができる。図３では６×６アレイ６０を示しているが、本発明は、アレイ内において、特定の数の要素、即ちスイッチに限定されるものではない。ある個々の点、例えば２ｂへのアクセスは、上述のように、ワイヤ２及びｂに電圧を印加し、その接合部において分子種１８の状態変化を起こすことによりなされる。こうして、各接合部へアクセスすることで、本明細書の教示に従って、予め選択された接合部のみを構成することができる。クロスバースイッチアレイ６０の動作の詳細は、上記米国特許第６、１２８、２１４号にさらに詳しく論じられている。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本明細書に開示する電界により切り替え可能な分子は、マイクロスケール及びナノスケールの電子デバイスにおいて用途が見出されるものと期待される。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１ａ】２本のワイヤの交点に少なくとも１つの分子を有する２つの交差したワイヤの概略図
【図１ｂ】図１ａ記載のデバイスを示す斜視正面図
【図２】分子配座の変化を介する電界誘導バンドギャップ変化を表す概略モデル（回転子／固定子方式モデル）
【図３】６×６クロスバースイッチを示す本発明のスイッチの二次元配列を示す概略図
【図２】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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