(57)【要約】電子デバイスの製造のためのルートが提供される。そこではデバイスは、電気的にアドレス指定可能な分子種を挟む、２本の交差したワイヤからなる。この手法は極めて単純であり、実施も簡単で費用も掛からず、またワイヤの寸法も数マイクロメートルからナノメートルスケールの寸法にまでスケーリング可能である。こうした電子デバイスは、クロスバースイッチアレイ、論理デバイス、メモリデバイス、通信及び信号経路指定デバイスの製造に用いることができる。かかる分子状電子デバイスの構造は、簡単で安価な化学的組立手順を介して、マイクロメートルからナノメートルの範囲にわたる長さのスケールで達成される。クロスバー幾何形状をなす切換可能な分子デバイスは構成可能であり、その一方で配座の変化を、水素結合よりも強い分子内力によって制御可能である。本発明の方法は、分子スイッチの集団を所定の仕方でクロスバー幾何形状に構成し、次いでその構成を温度変化に関して実質的に不変又は安定とすることに向けられている。【選択図】図１
2004518297.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分子スイッチの集団を所定の仕方でクロスバー幾何形状に構成し、次いでその構成を温度変化に関して実質的に不変又は安定とする方法であって、
（ａ）前記分子スイッチの集団を前記クロスバー幾何形状で準備し、前記分子スイッチの各々が接合を形成する一対の交差したワイヤからなり、接合個所において一方のワイヤが他方のワイヤとゼロでない角度で交差するステップと、
（ｂ）前記接合個所に、前記接合中で前記一対の交差したワイヤを接続する少なくとも１つの接続種を与え、前記接合がナノメートルからマイクロメートルの範囲の機能寸法を有し、前記少なくとも１つの接続種と前記一対の交差したワイヤが電気化学セルを形成し、前記接続種が少なくとも１つの活性双極子を有する分子を含むステップと、及び
（ｃ）前記接続種が１つの活性双極子を有する場合に前記接続種を実質的に不変に構成し、又は前記接続種が１つより多い活性双極子を有する場合に前記接続種を安定に構成するステップとからなる方法。
【請求項２】
前記接続種の内部で水素結合より少なくとも３倍強い単結合を形成することによって、前記構成が実質的に不変とされる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
（ａ）前記接合個所に前記接続種を形成するステップと、
（ｂ）前記接合個所に外部電場を印加して前記接続種を構成するステップと、
（ｃ）前記双極子の一部と前記水素結合より強い結合を形成する種で、水素原子を置き換えるステップと、及び
（ｄ）前記電場を取り除き、前記スイッチを前記構成中で実質的に不変に残存させるステップ
によって、前記接続種が実質的に不変に構成される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記水素原子が、フッ素、塩素、ＮＨ２、二価金属、及び硫黄から成る群から選択された種で置き換えられる、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記接続種が、Ｆ…Ｎ、Ｃｌ…Ｎ、ＮＨ２…Ｎ、及び（Ｍｅｔ）…Ｎ（ここでＭｅｔは前記二価金属）から成る群から選択された会合結合を用いることによって切換え可能に保持され、前記接続種は前記水素結合より大きな強度を有する電場に曝されると切換え可能になる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記硫黄と酸素の間で共有結合を形成することで前記接続種が不変に構成される、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記接続種が次式
【化１】
2004518297.tif 000013
で与えられ、式（Ｉ）中の文字が次のいずれかを意味する、請求項２に記載の方法。
Ａ＝ＣＨ、Ｎ、Ｃ−アルキル、Ｃ−ハロゲン、Ｃ−ＯＨ、Ｃ−ＯＲ（エーテル）、Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）、Ｃ−アミド、Ｃ−エステル又はチオエステル
Ｂ＝ＣＨ、Ｎ、Ｃ−アルキル、Ｃ−ハロゲン、Ｃ−ＯＨ、Ｃ−ＯＲ（エーテル）、Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）、Ｃ−アミド、Ｃ−エステル又はチオエステル
Ｃ＝ＣＨ、Ｎ、Ｃ−アルキル、Ｃ−ハロゲン、Ｃ−ＯＨ、Ｃ−ＯＲ（エーテル）、Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）、Ｃ−アミド、Ｃ−エステル又はチオエステル
Ｄ＝ＣＨ、Ｎ、Ｃ−アルキル、Ｃ−ハロゲン、Ｃ−ＯＨ、Ｃ−ＯＲ（エーテル）、Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）、Ｃ−アミド、Ｃ−エステル又はチオエステル
Ｅ＝ＣＨ、Ｎ、Ｃ−アルキル、Ｃ−ハロゲン、Ｃ−ＯＨ、Ｃ−ＯＲ（エーテル）、Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）、Ｃ−アミド、Ｃ−エステル又はチオエステル
Ｆ＝ＣＨ、Ｎ、Ｃ−アルキル、Ｃ−ハロゲン、Ｃ−ＯＨ、Ｃ−ＯＲ（エーテル）、Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）、Ｃ−アミド、Ｃ−エステル又はチオエステル
Ｇ＝ＣＨ、Ｎ、Ｃ−アルキル、Ｃ−ハロゲン、Ｃ−ＯＨ、Ｃ−ＯＲ（エーテル）、Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）、Ｃ−アミド、Ｃ−エステル又はチオエステル
Ｊ＝ＣＨ、Ｎ、Ｃ−アルキル、Ｃ−ハロゲン、Ｃ−ＯＨ、Ｃ−ＯＲ（エーテル）、Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）、Ｃ−アミド、Ｃ−エステル又はチオエステル
Ｍ＝ＣＨ２、ＣＦ２、ＣＣｌ２、ＣＨＯＣＨ３、ＣＨＯＨ、ＣＨＦ、ＣＯ、ＣＨ＝ＣＨ、ＣＨ２−ＣＨ２、Ｓ、Ｏ、ＮＨ、ＮＲ、ＮＣＯＲ、ＮＣＯＡｒ
Ｑ＝ＣＨ、窒素、リン、ホウ素、及び
Ｙ＝Ｏ、Ｓ
【請求項８】
前記接続種内に複数の水素結合を形成することにより前記構成が安定化される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
（ａ）前記接続種に、各々が前記接続種上の隣接する双極子基と水素結合可能な複数の双極子基を与えるステップと、
（ｂ）前記接合個所に前記接続種を形成するステップと、
（ｃ）前記接合個所に外部電場を印加して前記接続種を構成するステップと、及び
（ｄ）前記電場を取り除き、前記スイッチを前記安定化構成で残存させるステップ
によって、前記接続種が２つの安定状態の一方に安定化される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記双極子基が、尿素又はアミド官能基からなる、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記双極子基が、Ｎ−Ｈ…Ｆ結合を用いて水素結合エネルギーを高める、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記接続種が次式
【化２】
2004518297.tif 000014
で与えられ、式（ＩＩ）の文字が次のいずれかを意味する、請求項９に記載の方法。
Ａ＝ＣＨ、Ｎ、Ｃ−アルキル、Ｃ−ハロゲン、Ｃ−ＯＨ、Ｃ−ＯＲ（エーテル）、Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）、Ｃ−アミド、Ｃ−エステル又はチオエステル
Ｂ＝ＣＨ、Ｎ、Ｃ−アルキル、Ｃ−ハロゲン、Ｃ−ＯＨ、Ｃ−ＯＲ（エーテル）、Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）、Ｃ−アミド、Ｃ−エステル又はチオエステル
Ｃ＝ＣＨ、Ｎ、Ｃ−アルキル、Ｃ−ハロゲン、Ｃ−ＯＨ、Ｃ−ＯＲ（エーテル）、Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）、Ｃ−アミド、Ｃ−エステル又はチオエステル
Ｄ＝ＣＨ、Ｎ、Ｃ−アルキル、Ｃ−ハロゲン、Ｃ−ＯＨ、Ｃ−ＯＲ（エーテル）、Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）、Ｃ−アミド、Ｃ−エステル又はチオエステル
Ｅ＝ＣＨ、Ｎ、Ｃ−アルキル、Ｃ−ハロゲン、Ｃ−ＯＨ、Ｃ−ＯＲ（エーテル）、Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）、Ｃ−アミド、Ｃ−エステル又はチオエステル
Ｆ＝ＣＨ、Ｎ、Ｃ−アルキル、Ｃ−ハロゲン、Ｃ−ＯＨ、Ｃ−ＯＲ（エーテル）、Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）、Ｃ−アミド、Ｃ−エステル又はチオエステル
Ｇ＝ＣＨ、Ｎ、Ｃ−アルキル、Ｃ−ハロゲン、Ｃ−ＯＨ、Ｃ−ＯＲ（エーテル）、Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）、Ｃ−アミド、Ｃ−エステル又はチオエステル
Ｊ＝ＣＨ、Ｎ、Ｃ−アルキル、Ｃ−ハロゲン、Ｃ−ＯＨ、Ｃ−ＯＲ（エーテル）、Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）、Ｃ−アミド、Ｃ−エステル又はチオエステル
Ｍ＝ＣＨ２、ＣＦ２、ＣＣｌ２、ＣＨＯＣＨ３、ＣＨＯＨ、ＣＨＦ、ＣＯ、ＣＨ＝ＣＨ、ＣＨ２−ＣＨ２、Ｓ、Ｏ、ＮＨ、ＮＲ、ＮＣＯＲ、ＮＣＯＡｒ
Ｑ＝ＣＨ、窒素、リン、ホウ素、及び
Ｙ＝Ｏ、Ｓ
【発明の詳細な説明】
本出願は、以下の米国特許出願に関連する。第０９／２８００４５号（「Ｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ  Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄ  ａｎｄ  Ａｓｓｅｍｂｌｅｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅｓ」）、第０９／２８０２２５号（「Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｗｉｒｅ  Ｃｒｏｓｓｂａｒ  Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｓ  ｆｏｒ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｒｏｕｔｉｎｇ  ａｎｄ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ」）、第０９／２８０１８９号（「Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｗｉｒｅ  Ｃｒｏｓｓｂａｒ  Ｍｅｍｏｒｙ」）、第０９／２８２０４５号（「Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｗｉｒｅ  Ｃｒｏｓｓｂａｒ  Ｌｏｇｉｃ」）、第０９／２８２０４９号（「Ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ  ｆｏｒ  ａ  Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｗｉｒｅ  Ｃｒｏｓｓｂａｒ  Ｎｅｔｗｏｒｋ」）、及び第０９／２８０１８８号（「Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｗｉｒｅ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ」）。これらは全て、１９９９年３月２９日に出願された。本出願は、以上の出願に対する改良であり、実用上無制限の寿命（室温で＞１０年）を有する、任意の分子デバイスの構成を可能にする。
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は概して、その機能長スケールがナノメートルで測定される電子デバイスに関し、より特定的には、構築ブロックとして用いられてより複雑な構造を形成する単純なデバイス、及びこうしたデバイスを形成する方法に関する。マイクロメートル及びナノメートルスケールのデバイスを、何れも本明細書の教示に従って構成することができる。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン（Ｓｉ）集積回路（ＩＣ）は、エレクトロニクスを支配し、過去３５年にわたりその成長を支えて、世界で最も大きく最も重要な産業の１つとなした。しかしながら、物理的で経済的な複合した理由から、シリコンＩＣの成長に随伴してきた微細化は、その限界に達しつつある。現在のデバイスのスケールは、マイクロメートルの数１０分の１程度である。エレクトロニクスをより微細なレベルとするために、新たな解決策が提案されている。そうした解決策は現在、ナノメートルスケールのデバイスを構築する方向に向けられている。
【０００３】
ナノメートルスケールのデバイスを構築するという問題に対して従来提案された解決策は、（１）デバイスの構成部品を画定するためにＸ線、電子、イオン、走査プローブ、又はスタンピングを用いる超微細スケールのリソグラフィーの利用、（２）電子、イオン、又は走査プローブによるデバイス構成部品の直接書込み、又は（３）共有結合による構成部品の直接的な化学合成及び結合を包含していた。（１）に関する主な問題は、デバイスを製造するためのウェハは、リソグラフィーの幾つかの連続する工程にわたり、デバイスの形状寸法の数分の１未満の範囲内で少なくとも２次元で整列されねばならず、その後エッチングや堆積によってデバイスが製造されることにある。この制御レベルは、デバイスの大きさがナノメートルスケールの寸法まで縮小されるに際し、十分にスケーリングされない。デバイスがナノメートルスケールの寸法までスケールダウンされる場合、こうした制御を実行することは極めて高価になる。（２）に関する主な問題は、それが連続プロセスであり、各々が数兆もの構成部品を含むデバイスを複合的にウェハ一杯に直接に書き込むと、ゆうに数年を必要としうる点にある。最後に（３）に関する問題は、情報量の多い分子は通常、タンパク質やＤＮＡのような巨大分子構造であり、これらが両方とも極めて複雑な、そして今日では予測不能な二次構造及び三次構造を有している点にある。こうした二次及び三次構造は、これらの分子を螺旋状に捻り、シート状に折り畳み、そして他の複雑な三次元構造を形成させるが、それらは所望の電気特性に重大な、通常は有害な影響を及ぼすと共に、分子を外界とインタフェースさせることを不可能にする。
【０００４】
電気的なスイッチング挙動を示す分子サイズのデバイスは、現在、世界中で研究対象となっている。これらのデバイスは、シリコンベースの技術に対する有力な代替物と見られている。しかし、多くの思索がなされたにも関わらず、何らかの潜在的なスイッチング挙動を示した実験結果は現時点では極く僅かしか得られておらず、その（内在的又は外在的）原因が議論の対象となっている。従来のシステムでは、スイッチングは不可逆的であり、又は可逆性が厚い分子膜上で達成され、或いはスイッチングは揮発性であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述した関連特許出願は全て、外部電場の印加によって一方の安定状態から他方の安定状態へと切り換わる、双安定分子のスイッチングに基づいており、その一例はロタキサンである。外部電場を印加して分子スイッチをこのように構成すると、分子の配座が変化して低抵抗状態と高抵抗状態の間で切り換わるが、これは弱く結合した分子断片についてのみ実行できる。通常、これは水素結合を包含し、その場合には約０．５ｅＶ（又はそれ未満）のエネルギー障壁を克服可能である。一方、より強く結合した分子の配座は変えることが困難であり、さらに強い電場の印加が必要となるが、これは水素結合の場合には既に原子場（〜１０＋８から１０＋９Ｖ／ｃｍ）に匹敵し、デバイスを容易に損傷し得る。他方、０．５ｅＶという障壁は、何らかの合理的な用途には不十分である。これは、これに対応する寿命が熱的変化に対して短く、与えられたスイッチ構成が破壊されるためである。寿命τは、式
１／τ  ＝  ω０ｅｘｐ（−Ｕｂ／ｋＴ）
に従って推定され、ここでω０〜１ＴＨｚは典型的な試行（分子振動）周波数であり、Ｕｂはエネルギー障壁であり、ｋはボルツマン定数であり、Ｔは温度である。室温で障壁が０．５ｅＶの場合、寿命は５×１０−４秒、即ち非常に短いと推定される。従ってより大きな障壁（より強力な結合）が必要であるが、それはデバイスのスイッチングを妨げる。
【０００６】
切換え可能な分子デバイスをクロスバー幾何形状で構成することを可能にすると同時に、配座の変化を弱い分子内力（例えば水素結合）によって制御する機構に対するニーズが存在している。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、クロスバー幾何形状の切換え可能な分子デバイスが構成可能とされ、同時に配座変化が水素結合より強い分子内力によって制御される。本発明の方法は、分子スイッチの集団を所定の仕方でクロスバー幾何形状に構成し、次いでその構成を温度変化に関して実質的に不変又は安定とすることを指向しており、
分子スイッチの集団をクロスバー幾何形状で準備し、分子スイッチの各々が接合を形成する一対の交差したワイヤからなり、接合個所において一方のワイヤが他方のワイヤとゼロでない角度で交差するステップと、
接合個所に、接合中で一対の交差したワイヤを接続する少なくとも１つの接続種を与え、接合がナノメートルからマイクロメートルの範囲の機能寸法を有し、少なくとも１つの接続種と一対の交差したワイヤが電気化学セルを形成し、接続種が少なくとも１つの活性双極子を有する分子を含むステップと、及び
接続種が１つの活性双極子を有する場合に接続種を実質的に不変に構成し、又は接続種が１つより多い活性双極子を有する場合に接続種を安定に構成するステップとからなる。
【０００８】
所望の構成を達成するために採り得る手法は２つある。１つの手法では、接続種が構成され、次いでその構成を実質的に不変にすべく、化学的交換反応が実施される。このプロセスは、
接合個所に接続種を形成し、
接合個所に外部電場を印加して接続種を構成し、
双極子の一部と水素結合より強い結合を形成する種で、水素原子を置き換え、及び
電場を取り除き、スイッチを構成中で実質的に不変に残存させることからなる。
【０００９】
この最初の手法では、スイッチは、水素結合より強い会合結合で結合されているが、窒素対フッ素、酸素対窒素、及び酸素対二価金属のような会合結合を利用することで、切換え可能に留まることができる。あるいはスイッチは、酸素対硫黄の共有結合のような、さらに強力な結合を用いることで不変にしてもよい。
【００１０】
別の手法では、接続種は次のようにして２つの安定状態の一方に安定化される。即ち、
接続種に、各々が接続種上の隣接する双極子基と水素結合可能な複数の双極子基を与え、
接合個所に接続種を形成し、
接合個所に外部電場を印加して接続種を構成し、及び
電場を取り除き、スイッチを安定化構成で残存させる。
【００１１】
この第２の手法では、多数の双極子基が、スイッチを再度切り換えるために逆極性の電場が印加されるまで、スイッチをそれが構成された状態に確実に保持する。
【００１２】
本発明の方法は極めて一般的であり、実用上無制限の寿命（室温で＞１０年）を有する、任意の分子デバイスの構成を可能にする。
【００１３】
好都合にも、本発明の方法は、分子スイッチの集団を所定の仕方でクロスバー幾何形状に構成し、次いでその構成を不変にし得る方法を提示する。
【００１４】
本発明の方法は、高いエネルギー障壁によって上述のスイッチングの問題を解決し、（ｉ）分子スイッチを構成し、次いで（ｉｉ）構成されたシステムを熱的ノイズその他の外的摂動に対して安定化することを可能にする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
定義
本明細書で用いるとき、「自己整合」という用語は「接合」に適用される際に、何れが被覆又は官能化されていてもよい２本のワイヤが相互に交差するどの個所においても、２本のワイヤ間でスイッチ及び／又は他の電気接続を形成する接合が生成されることを意味する。なぜなら接合を生成するのは交差という動作だからである。
【００１６】
本明細書で用いるとき、「自己集合」という用語は、システムの構成部品の独自性の故に、何らかの幾何学的パターンを自然に採るシステムを指す。このシステムは、その構成を採用することで、エネルギー的に少なくとも局部的な最小値を得る。
【００１７】
「単一構成可能」という用語は、スイッチが、酸化又は還元反応のような不可逆過程を介して、状態を一度だけ変えられることを意味する。そのようなスイッチは、例えば、プログラム可能な読出し専用メモリ（ＰＲＯＭ）の基礎をなす。
【００１８】
「再構成可能」という用語は、スイッチが、酸化又は還元のような可逆過程を介して、その状態を多数回変え得ることを意味する。換言すれば、そのようなスイッチは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）の記憶ビットのように、多数回開閉できる。
【００１９】
「双安定」という用語は、分子に適用される際に、エネルギー（又は活性化）障壁によって隔てられた比較的低い２つのエネルギー状態を有する分子を意味する。その分子は、一方の状態から他方の状態に不可逆的に切り換えられ（単一構成可能）、又は一方の状態から他方の状態に可逆的に切り換えられる（再構成可能）。
【００２０】
ミクロンスケールの寸法は、大きさが１マイクロメートルから数マイクロメートルに及ぶ寸法を指す。
【００２１】
サブミクロンスケールの寸法は、１マイクロメートルから下方に０．０５マイクロメートルまでの範囲の寸法を指す。
【００２２】
ナノメートルスケールの寸法は、０．１ナノメートルから５０ナノメートル（０．０５マイクロメートル）までの範囲にある寸法を指す。
【００２３】
ミクロンスケール及びサブミクロンスケールのワイヤは、幅又は直径が１から１０マイクロメートルの寸法を有し、高さが数十ナノメートルからマイクロメートルまでの範囲にあり、長さが数マイクロメートル以上であるロッド又はリボン状の導体又は半導体を指す。
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特徴を図１Ａから１Ｂに示す。クロスワイヤスイッチ１０は、各々が金属又は半導体のワイヤであり、ゼロでないある角度で交差している２本のワイヤ１２、１４を含む。これらのワイヤの間には、図１Ａ及び１ＢにおいてＲで示された、分子又は分子化合物１６の層がある。２本のワイヤ１２、１４の交点に挟まれている特定の分子１８（Ｒｓで示す）は、スイッチ分子として識別されるが、これはまた本明細書において、接合という用語とも互換性がある。ワイヤの両端に適当な電圧が印加されると、スイッチ分子は、酸化又は還元される。分子が酸化（還元）されると、電荷がバランスするように第二の種が還元（酸化）される。これらの２つの種は、この場合にレドックス（酸化還元）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、次いで第二の分子（レドックス対の他の半分）が酸化される。別の例では、分子が還元され、そしてワイヤの１つが酸化される。第三の例では、分子が酸化され、ワイヤの１つが還元される、第四の例では、１つのワイヤが酸化され、他のワイヤと関連す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本のワイヤの間のトンネル長又はトンネル障壁の高さに影響し、それによって、ワイヤの接合を横切る電荷移動を指数関数的に変化させ、従ってスイッチの基礎として役立つ。
【００２４】
これらのデバイスによって実行される電気的な仕事は主として、使用されるワイヤ（電極）の種類とワイヤ間の材料によって定まる。表Ｉは、図１Ａ及び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デバイスの種々の型式を表している。
【００２５】
【表１】
2004518297.tif 000003
【００２６】
ワイヤ（電極）間に使用される分子又は材料に応じて、各々の接合は、ワイヤ相互の接触に際して後述する種類の電気的機能を直ちに現し、或いはその接合は、２本のワイヤを電気的に一緒に接続又は切断するよう作用するスイッチング機能を有することができる。このスイッチは、単一構成可能又は再構成可能の何れであることもできる。前者の場合、スイッチの初期状態は、開又は閉である。このスイッチを、接合個所の材料によって定まる特定の閾値電圧を越えて電気的にバイアスすると、接合個所は本質的に電気化学セルであるため、ワイヤ間の材料又は分子が酸化又は還元されて、スイッチは不可逆的に閉じられ又は開かれ、かくしてその初期状態は不変的に反転される。後者の場合、適当な閾値を越えてスイッチにかかる電圧の極性と大きさを反復させることにより、適切に選択された材料又は分子を可逆的に酸化又は還元して、スイッチを多数回開閉することが可能である。いずれの場合でも、閉じられたとき、ワイヤ間で行われる電気接続の種類は、ワイヤ（又は電極）が作られた材料、及びワイヤ間の分子又は材料の独自性に左右される。
【００２７】
上の表Ｉは、電極の材料と、接合に使われる材料又は分子の様々な組合せから得ることができる種々の機能の行列を示している。抵抗は、リニアな電流−電圧特性を有し、本質的にワイヤ間で短絡を形成するように、種々の型式のワイヤ間の接合を意図的に過剰還元することによって作られる。この過程の逆は、接合を過剰酸化することであり、これは局限された領域でワイヤを消費し、そのワイヤにおいて、接合位置でワイヤを事実上切り離す（開放回路を形成する）。トンネル抵抗は、ワイヤ間に薄い、約２ナノメートル厚の絶縁障壁を保持し、指数的な電流−電圧特性を有する。接合分子又は材料が、電気絶縁障壁のバンドギャップ内に明確に画定されたエネルギー状態を有し、この障壁が接合を電気的にバイアスすることでアクセス可能である場合、ワイヤ間の接続は、共鳴トンネル効果によって支配される電流の流れを示す。共鳴トンネル効果は、他の場合には指数的であるトンネル抵抗の電流−電圧特性に、１つ又はより多くの変曲点を生成する。ダイオードは電流を一方向に、他方向よりも容易に流し、従って正及び負の電圧に対して電流−電圧特性が非対称な接合である。トンネルダイオードは、ダイオードのこの非対称な正−負電圧特性と、トンネル抵抗の指数的な電流−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、電流−電圧特性にピークを有し、電圧の大きさが増大していくある限られた範囲にわたり、電流の大きさが実際には減少する。これは、負性微分抵抗として知られている現象である。最後にバッテリーは、バッテリーが十分充電されている限り、例えば絶縁障壁で分離された酸化剤と還元剤の供給量が十分である限り、その電極間に一定の電位差を保持するよう動作する回路要素である。バッテリーの充電は、前述のように電気化学セルである接合の両端に適当な電圧をかけて、接合中の材料又は分子を部分的にのみ酸化又は還元することによって達成される。全般的に、上述の過程で形成されるワイヤ間の現実の接合はどれも、実際には上述した電気的機能を２つ又はより多く有し、有効な回路要素が直列に接続されている。
【００２８】
このように本発明は、組み立てられる回路に望まれるデバイス特性に依存して、任意の数の金属又は半導体のワイヤ／分子の組合せを使って実施することができる。
ワイヤ電極の組立てに関する基本的情報
プロセス画定ワイヤ（在来の電子回路プロセス技術によって作成されるワイヤとして画定される。ワイヤは典型的には、回路の一部として基材上に作成される。）
数マイクロメートルから１マイクロメートルの範囲の直径（ミクロンスケールとして定義される）、又は１マイクロメートルから下方へ４０ナノメートルの範囲の直径（サブミクロンスケールとして定義される）を有する、金属及び半導体のワイヤは、リソグラフィー技術（光学的、紫外線、又は電子ビーム）を含む、十分に確立された技術を用いて作製することができる。これらのワイヤは通常、リボン状又は長方形の断面を有するが、円形の断面が排除される訳ではない。ワイヤの幅は、そのワイヤを画定するのに使用されるリソグラフィープロセスによって決められ、その高さは、リソグラフィーによって画定される領域に堆積される材料の量によって定まる。
【００２９】
化学的に調製されたワイヤ（これらのワイヤは、在来の電子的プロセス技術以外の技術によって作製される。ワイヤは典型的には、回路基板の一部としてではなく、むしろバルク材料として作製される。）
金属及び半導体のナノワイヤは、５０ナノメートル（典型的には２から２０ナノメートル）未満の直径と、０．１マイクロメートルから５０マイクロメートル（典型的には５から１０マイクロメートル）の長さを有するワイヤとして画定される。これらは、後述する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、化学的に調製されうる。
【００３０】
半導体元素であるゲルマニウムからなる半導体ナノワイヤの製造用として報告された技術の一例は、四塩化ゲルマニウムとフェニルトリクロロゲルマニウムを、密閉容器中３００℃近辺の温度で、不活性環境下、数日間にわたり、溶媒としてのトルエン中の金属ナトリウムの分散物と反応させる。この調製により、３から３０ナノメートルの直径と０．５から１０マイクロメートルの長さをもつ、単結晶ゲルマニウムのナノワイヤが製造される。
【００３１】
半導体元素であるシリコンからなる半導体ナノワイヤの製造用として報告された技術の別の例は、単体としてのシリコンと鉄を含むターゲットをレーザで蒸発させる。ターゲットは１３００℃の真空オーブンに入れ、蒸発過程の間、オーブン中に不活性ガスを流す。この技術で、２０から３０ナノメートルの直径と、１から２０マイクロメートルの範囲の長さをもつシリコンワイヤが製造される。
【００３２】
金属元素である金からなる金属ナノワイヤの製造用として報告された技術の一例は、陽極エッチング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。酸化アルミニウムは酸性溶液に溶かして、金のナノワイヤを遊離させ、次いで集める。この方法で成長させた金のナノワイヤは、２０から３０ナノメートルの範囲の直径と、０．５から５マイクロメートルの範囲の長さによって特徴付けられる。
【００３３】
種々の金属及び半導体材料からなるナノワイヤは種々の仕方で調製可能であるが、それらについては関連出願である米国特許出願第０９／２８００４８号により詳細に議論されている。これらのデバイスの幾つかは、ドープシリコンのような、ドープされた半導体ワイヤを必要とする。
【００３４】
シリコンワイヤの場合には、ワイヤを物理的に製造する際に、そのワイヤをドープしてもよい。この場合、ワイヤが形成されるとき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、上述したレーザ融除／真空オーブン調製技術では、三水素化リン（ＰＨ３）又は三水素化ヒ素（ＡｓＨ３）のような少量のドーパントガスを、レーザ融除／ワイヤ形成プロセス中に真空オーブンを通って流れる不活性ガス（例えばアルゴン）に付加する。
【００３５】
逆にこれらのワイヤは、適当な分子−電子吸引性基（三フッ化ホウ素（ＢＦ３）のようなルイス酸）又は電子供与性基（アルキルアミンのようなルイス塩基）である適当な分子で表面をコーティングしてｐ形又はｎ形の導体とすることにより、変調ドーピングしてもよい。下記のワイヤ作成ルートを参照のこと。図１Ｂは、ワイヤ１２上のコーティング２０とワイヤ１４上のコーティング２２を示す。コーティング２０、２２は、変調ドーピングコーティング、トンネル障壁（例えば酸化物）、又は他のナノスケールの機能的に適当な材料であってよい。或いはまた、ワイヤ１２、１４自体が１つ又はより多くのＲ種１６で被覆されていてもよく、ワイヤが交差する個所ではＲｓ１８が形成される。さらにあるいはワイヤ１２、１４を、例えば後述するように、一方又は双方のワイヤを懸濁してコロイド懸濁系を形成することを可能にする分子種２０、２２で、それぞれ被覆してもよい。
【００３６】
変調ドーピングによってワイヤをドープするためには、ワイヤの表面でＳｉ−Ｏ−Ｈ基に共有結合する有機又は無機分子を使って、ワイヤの表面を化学的に官能化する必要がある。シリコンナノワイヤが空気に曝されると、ＳｉＯ２の薄い表面層（１ｎｍ）が自然に生成し、ＳｉＯ２／空気の界面において、ＳｉＯ２表面はＳｉ−Ｏ−Ｈ基で終端される。Ｓｉ−Ｏ−Ｈ基と結合し、又はこれを置換する基は、限定するものではないが、Ｒ−Ｓｉ（ＣＨ３）ｘ（ＯＣＨ３−ｘ）、Ｒ−Ｓｉ（ＣＨ３）ｘ（ＯＣＨ２ＣＨ３−ｘ）、Ｒ−Ｓｉ（ＣＨ３）ｘＣｌ３−ｘ、等を包含する。この場合、Ｒは電子吸引性基（ルイス酸）又は電子供与性基（ルイス塩基）を含むことができる有機又は無機部分を表す。ＳｉＯ２で不活性化されたシリコン表面へ分子を結合させる化学作用は、十分に確立されている。ＳｉＯ２で不活性化されたシリコンの表面へ分子を結合させるための、公表されている１つの例示的な反応は次の通りである。
【００３７】
Ｓｉ−Ｏ−Ｈ（表面）＋Ｒ−Ｓｉ（ＣＨ３）２Ｃｌ→Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ（ＣＨ３）２Ｒ＋ＨＣｌ
他の半導体ワイヤは、有機アミン、有機チオール、有機リン酸エステル等で官能化できる。
【００３８】
見たところ、化学的に合成された半導体ワイヤをどのように変調ドーピングするかについての記載は、技術文献にはまだ行われていない。
【００３９】
金属ナノワイヤのような他のナノワイヤの場合、ワイヤはＲ−ＳＨ（金又は銀のワイヤに対して）、又はＲ−ＮＨ２（白金ワイヤ及びパラジウムワイヤに対して）、又はＲ−ＣＯ２Ｈ（Ａｌ２Ｏ３被覆アルミニウムワイヤ又はチタンワイヤのような他の金属に対して）で化学的に官能化できる。ここでＲ基は、当業者が溶媒中にワイヤをコロイドとして分散させることを可能にする性質のような、ある種の化学的性質をそのワイヤに付与する、何らかの有機部分を表す。一例では、金ワイヤをドデカンチオール（Ｃ１２Ｈ２５ＳＨ）で官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、ヘキサンやクロロホルムのような、単純な有機溶媒にワイヤを分散できるようにする。
ワイヤ作成ルートに関する基本情報
以下の材料は、列挙した参考文献に従ってナノワイヤとして作成することができる。
シリコン  Ａ．Ｍ．Ｍｏｒａｌｅｓ他「Ａ  ｌａｓｅｒ  ａｂｌａｔｉｏｎ  ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｎａｎｏｗｉｒｅｓ」、Ｓｃｉｅｎｃｅ、２７９巻、２０８−２１１頁（１９９８年１月９日）
ゲルマニウム  Ｊ．Ｒ．Ｈｅａｔｈ他「Ａ  ｌｉｑｕｉｄ  ｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  ｓｉｎｇｌｅ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｇｅｒｕｍａｎｉｕｍ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｉｒｅｓ」、Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、２０８巻、２６３−２６８頁（１９９３年６月１１日）
金属ナノワイヤ  Ｖ．Ｐ．Ｍｅｎｏｎ他「Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｎａｎｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ｅｎｓｅｍｂｌｅｓ」、Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、６７巻、１９２０−１９２８頁（１９９５年７月１１日）
官能化シリコン  Ｔ．Ｖｏｓｓｍｅｙｅｒ他「Ｃｏｍｂｉｎａｔｏｒｉａｌ  ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ  ｔｏｗａｒｄ  ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、８４巻、３６６４−３６７０頁（１９９８年１０月１日）（多数の文献のうちの１つ）金のナノ構造の表面の官能化  Ｄ．Ｖ．Ｌｅｆｆ他「Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ  Ｓｉｚｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  Ａｕ  Ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ：Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ  ａｎｄ  Ｔｈｅｏｒｙ」、Ｔｈｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、９９巻、７０３６−７０４１頁（１９９５年５月４日）
分子スイッチの成分は、この場合にもデバイスの所望の特性に応じて、任意の数の様々な種類の分子に由来することができる。こうした分子の主要な要件は、それが２本のワイヤに挟まれたとき、ワイヤの両端に電圧を印加することにより、電気化学的に変性（即ち酸化又は還元）可能なことである。分子成分がそのように変性された場合の合計としての効果は、２本のワイヤ間のトンネル障壁が修正され、電流の流量が変化するということである。これはスイッチの基礎をなし、このスイッチは次いで、メモリ、論理演算、及び通信及び信号経路指定ネットワークに用いることができる。分子スイッチは分子のレドックス対を含むことができ、この場合に電圧が印加されると、分子の一方が還元され他方が酸化される。そのような分子のレドックス対の例は、ニッケロセン（ジシクロペンタジエニルニッケル）即ちＣｐ２Ｎｉと、テトラブチルアンモニウムヘキサフルオロリン酸塩（Ｂｕ４ＮＰＦ６）であろう。この時の反応は以下のようになる。
【００４０】
【化３】
2004518297.tif 000004
【００４１】
ニッケロセン系は、液相サイクリックボルタンメトリーでプローブした際に、還元が極めて非対称であるという点で、特に興味がある。この非対称性は、安定で再書込み可能な磁気メモリの基礎をなす、磁気ヒステリシス曲線に類似している。しかしながら酸素が存在すると、液相ボルタンメトリーでプローブしたところ、ニッケロセンの還元は不可逆である。いずれの場合でも、この系の還元又は酸化は、間に分子が挟まれている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、再構成可能な分子スイッチ、又は単一構成可能な分子スイッチとして動作しうる。メタロセン系に関しては、例えば、Ｊ．Ｄ．Ｌ．Ｈｏｌｌｏｗａｙ他「Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｒｅａｃｔｉｏｎｓ  ｏｆ  ｍｅｔａｌｌｏｃｅｎｅｓ：Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ  ｏｆ  ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｓｔａｔｅ  ｏｎ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ａｎｄ  ｒｅａｃｔｉｖｉｔｙ」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ、１０１巻、２０３８−２０４４頁（１９７９年４月１１日）を参照のこと。
【００４２】
接続種１６は、溶液電気化学又は固体接合の電流−電圧特性の何れかから得られた電流−電圧曲線に、相当の、即ち測定可能なヒステリシスを示す材料を含む。上記の米国特許出願第０９／２８００４８号に開示された、このような材料種の例には、メタロセン、ロタキサン、疑似ロタキサン、及びカテナンが含まれ、それらは分子内水素結合に依存する。こうした分子は、開示された目的に有用であるが、しかし単なる分子内水素結合の力は、上述したような所定の条件下では、比較的簡単に克服される。
本発明
本発明によれば、クロスバー回路に組み立てられたナノメートルスケールの電子スイッチを構成する方法が提供される。こうした回路は、本出願が関連する前述した一連の米国特許出願に記載されている（第０９／２８０２２５号、第０９／２８０１８８号、第０９／２８０１８９号、第０９／２８２０４５号、第０９／２８２０４９号、及び第０９／２８００４８号）。
【００４３】
本発明は、クロスバーの接合個所にある分子スイッチの集団を、所定の仕方で構成させ得る方法を提供する。１つの場合には、置換反応によって構成は実質的に不変となる。別の場合には、多数の双極子がスイッチをより「粘稠」にし、それによってスイッチは戻らない。いずれの場合でも、構成は、熱変化によるスイッチの切り換わりを受けない。
【００４４】
分子上の多数の部位を用いることで、結合を増大させる原理的な可能性が例証されている。例えば、「Ｓｔｒｏｎｇｅｒ  ｂｉｎｄｉｎｇ  ｔｈｒｏｕｇｈ  ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｉｔｙ」、Ｃｈｅｍｉｃａｌ  ＆  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｎｅｗｓ、５７頁（２０００年５月８日）を参照のこと。この文献に記載された状況とは対照的に、本発明の方法は再構成可能な分子を用いるものの、その分子のベースに弱く結合した余分な化学要素を用いない。１つの場合には、結合を強めるために置換化学反応が用いられ、他の場合には、多数の水素結合を利用するために特別設計の分子構造が用いられる。
【００４５】
特に本発明の教示は、安定なスイッチを形成するために、２通りの方式を提供する。
【００４６】
第一の方式では、水素結合に基づいた切り換え可能な分子デバイスが、クロスバー幾何形状に構成される。外部バイアス電圧がクロスバーシステムの選択されたノードに印加され、電場がかけられている間に、水素結合を正に帯電した基又は負に帯電した基で置換する化学反応が行われ、それによってそのノードのスイッチは、１つの構成へと実質的に不変にロックされる。
【００４７】
第二の方式では、相互に隣接する複数の水素結合部位を有する分子が合成される。そのような構成は、単一の水素結合部位の場合よりも、切換えにより多くのエネルギーを必要とする。この分子は、逆極性の電場が印加されない限り、室温ではスイッチが戻ることはない。
【００４８】
これらの方式は両方とも以下でより詳細に説明され、またそれらの動作を例示するため実施例が提示される。何れの場合も、選択された状態からデバイスを切り換えるために、単一の水素結合に基づく一般的な双安定分子に要求されるよりも多くのエネルギーが要求されるという点で、より安定なスイッチが達成される。
印加された電場の存在下での置換化学反応
本発明は、分子の配座変化を弱い分子内力（例えば水素結合）によって制御しつつ、分子スイッチデバイスを構成することを可能にする。これは、クロスバーの適当なノードを選択することにより、所望のスイッチの両端に外部バイアス電圧を印加することで実行される。双安定分子が外部電場を受けている間は、誤った位置への熱的な切換えがエネルギー的に阻止される。その瞬間に、ＮＨ２、二価金属（Ｍｅｔ）等のようなＺ＋で表される強く正に帯電した基で、又はフッ素や塩素のような強く負に帯電した基で、水素Ｈを置き換える化学反応が開始される。
【００４９】
例えば、下記の化合物１（ａ）は、双極子基を有する分子の一例である。本発明の方法では、クロスバーデバイスの接合個所において、この化合物が最初に形成され、又は堆積される。選択された接合個所に外部バイアスが印加され、この電場の印加中に、化合物１（ａ）はフッ素（又は塩素）のような負に帯電した基と反応され、化合物１（ｂ）として示すように、アクリドン環系の４位置にその基が配置される。この時にフッ素基は、ＮＨ２基の窒素と会合結合を形成する。この結合は水素結合より強く、より具体的には、少なくとも３倍強い。
【００５０】
あるいは外部電場の印加中に、化合物１（ａ）を、Ｚ＋で表した正に帯電した基（例えばＮＨ２又は二価金属（Ｍｅｔ）と反応させて、化合物１（ｃ）に示すように、アクリドン環系の５位置にその基を配置する。この場合、Ｚ＋基は次いでカルボニル酸素と会合結合を形成する。ここでもこの結合は、水素結合より少なくとも３倍強い。
【００５１】
また、あるいは外部電場の印加中に、化合物１（ａ）を硫黄と反応させる。これによって、化合物１（ｄ）に示すように、アクリドン環系の５位置にＳが配置される。この場合、Ｓはカルボニル酸素と共有結合を形成する。この共有結合は水素結合より強力である。
【００５２】
上述の反応はどれも、触媒又は何らかの他の適当な剤の存在下で達成することができる。本発明の方法は極めて一般的であり、実用上無制限の寿命（室温で＞１０年）を有する、任意の分子デバイスの構成を可能にする。
【００５３】
以上を要するに、分子中の活性（双極子）基は、化合物１（ａ）のような元の分子にあるＨ部位を、化合物１（ｂ）に示すようにフッ素で、又は化合物１（ｃ）に示すようにＮＨ２又は（二価）金属で置き換えることで安定化される。しかしながら、化合物１（ｂ）（Ｎ…Ｆ）及び１（ｃ）（Ｚ＋…Ｎ）で用いられている会合結合は、水素結合より強いとはいえ、依然として他方の状態への切り換わりを許容するが、単一の水素結合の場合に比べれば、より強力な電場を必要とする。
【００５４】
化合物１（ｄ）の場合には、弱い水素結合が強いイオン結合で置き換えられる。水素原子が硫黄で置き換えられる場合は、強力な共有結合Ｏ−Ｓが形成される（〜２ｅＶ）。その接合個所で外部電場が一旦ターンオフされると、この双安定分子は設定された構成で「ロック」され、少なくとも適度な温度上昇やスプリアス電場に対して安定である。
【００５５】
【化４】
2004518297.tif 000005
【００５６】
下記の式Ｉは、部位Ｅ又はＤに対する水素結合により特定の構成に保持された、単一の活性（切換可能）双極子基を有する、切換可能な分子を表す（上記置換反応１）。
【００５７】
【化５】
2004518297.tif 000006
【００５８】
ここで式（Ｉ）中の文字は、次のいずれかを意味する。
Ａ＝ＣＨ、Ｎ、Ｃ−アルキル、Ｃ−ハロゲン、Ｃ−ＯＨ、Ｃ−ＯＲ（エーテル）、Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）、Ｃ−アミド、Ｃ−エステル又はチオエステル、
Ｂ＝ＣＨ、Ｎ、Ｃ−アルキル、Ｃ−ハロゲン、Ｃ−ＯＨ、Ｃ−ＯＲ（エーテル）、Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）、Ｃ−アミド、Ｃ−エステル又はチオエステル、
Ｃ＝ＣＨ、Ｎ、Ｃ−アルキル、Ｃ−ハロゲン、Ｃ−ＯＨ、Ｃ−ＯＲ（エーテル）、Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）、Ｃ−アミド、Ｃ−エステル又はチオエステル、
Ｄ＝ＣＨ、Ｎ、Ｃ−アルキル、Ｃ−ハロゲン、Ｃ−ＯＨ、Ｃ−ＯＲ（エーテル）、Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）、Ｃ−アミド、Ｃ−エステル又はチオエステル、
Ｅ＝ＣＨ、Ｎ、Ｃ−アルキル、Ｃ−ハロゲン、Ｃ−ＯＨ、Ｃ−ＯＲ（エーテル）、Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）、Ｃ−アミド、Ｃ−エステル又はチオエステル、
Ｆ＝ＣＨ、Ｎ、Ｃ−アルキル、Ｃ−ハロゲン、Ｃ−ＯＨ、Ｃ−ＯＲ（エーテル）、Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）、Ｃ−アミド、Ｃ−エステル又はチオエステル、
Ｇ＝ＣＨ、Ｎ、Ｃ−アルキル、Ｃ−ハロゲン、Ｃ−ＯＨ、Ｃ−ＯＲ（エーテル）、Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）、Ｃ−アミド、Ｃ−エステル又はチオエステル、
Ｊ＝ＣＨ、Ｎ、Ｃ−アルキル、Ｃ−ハロゲン、Ｃ−ＯＨ、Ｃ−ＯＲ（エーテル）、Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）、Ｃ−アミド、Ｃ−エステル又はチオエステル、
Ｍ＝ＣＨ２、ＣＦ２、ＣＣｌ２、ＣＨＯＣＨ３、ＣＨＯＨ、ＣＨＦ、ＣＯ、ＣＨ＝ＣＨ、ＣＨ２−ＣＨ２、Ｓ、Ｏ、ＮＨ、ＮＲ、ＮＣＯＲ、ＮＣＯＡｒ、
Ｑ＝ＣＨ、窒素、リン、ホウ素、及び
Ｙ＝Ｏ、Ｓ。
多重水素結合のための置換分子
下記の反応２から５は、中心のあるピン歯車状の双極子の（双安定）位置を安定化すべく、多数の増強された水素結合を持つ場合の数例である。反応２及び３は、多重の尿素又はアミド基の分子内水素結合が、どのようにして水素結合エネルギー（Ｅ＝ｎＥ（Ｎ−Ｈ…Ｏ＝Ｃ）＋ｍＥ（Ｃ−Ｈ…Ｏ＝Ｃ）を約１２から１８Ｋｃａｌ／ｍｏｌ（又は０．５から０．８ｅＶ）高めるかを例証する。この場合、２つの側面にある双極子基Ｏ−ＮＨ２との水素結合の破壊を含むようになるので、中心の双極子を回転するための障壁は約４倍になる。注目すべきは、これが、中心に位置された尿素の双極子の安定性を、側部の双極子が無い場合より約３から４倍安定に高めることである。両側部にある余分の２つの双極子の支援が無い場合、その水素結合エネルギーＥは、約５Ｋｃａｌ／ｍｏｌ又は０．２ｅＶである。
【００５９】
下記の反応方式（反応２）は、複数（ここでは３つを示す）の尿素官能基の存在に基づく、第一の多重安定化双極子を表している。
【００６０】
【化６】
2004518297.tif 000007
【００６１】
下記の反応方式（反応３）は、複数（ここでは３つを示す）のアミド官能基の存在に基づく、第二の多重安定化双極子を表している。
【００６２】
【化７】
2004518297.tif 000008
【００６３】
下記の反応方式（反応４、５及び６）は、水素結合エネルギーＥを高めるためにＮ−Ｈ…Ｆ結合を利用する例である。
【００６４】
【化８】
2004518297.tif 000009
【００６５】
【化９】
2004518297.tif 000010
【００６６】
【化１０】
2004518297.tif 000011
【００６７】
下記の式（ＩＩ）は、中心の双極子基の側面の切換え可能基に多重に水素結合することで安定化された、分子の中央に多重に結合した活性（切換え可能）双極子基をもつ切換え可能分子を表す（上記した多重の水素結合反応２から６）。
【００６８】
【化１１】
2004518297.tif 000012
【００６９】
ここで、式（ＩＩ）中の文字は、次のいずれかを意味する。
Ａ＝ＣＨ、Ｎ、Ｃ−アルキル、Ｃ−ハロゲン、Ｃ−ＯＨ、Ｃ−ＯＲ（エーテル）、Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）、Ｃ−アミド、Ｃ−エステル又はチオエステル、
Ｂ＝ＣＨ、Ｎ、Ｃ−アルキル、Ｃ−ハロゲン、Ｃ−ＯＨ、Ｃ−ＯＲ（エーテル）、Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）、Ｃ−アミド、Ｃ−エステル又はチオエステル、
Ｃ＝ＣＨ、Ｎ、Ｃ−アルキル、Ｃ−ハロゲン、Ｃ−ＯＨ、Ｃ−ＯＲ（エーテル）、Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）、Ｃ−アミド、Ｃ−エステル又はチオエステル、
Ｄ＝ＣＨ、Ｎ、Ｃ−アルキル、Ｃ−ハロゲン、Ｃ−ＯＨ、Ｃ−ＯＲ（エーテル）、Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）、Ｃ−アミド、Ｃ−エステル又はチオエステル、
Ｅ＝ＣＨ、Ｎ、Ｃ−アルキル、Ｃ−ハロゲン、Ｃ−ＯＨ、Ｃ−ＯＲ（エーテル）、Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）、Ｃ−アミド、Ｃ−エステル又はチオエステル、
Ｆ＝ＣＨ、Ｎ、Ｃ−アルキル、Ｃ−ハロゲン、Ｃ−ＯＨ、Ｃ−ＯＲ（エーテル）、Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）、Ｃ−アミド、Ｃ−エステル又はチオエステル、
Ｇ＝ＣＨ、Ｎ、Ｃ−アルキル、Ｃ−ハロゲン、Ｃ−ＯＨ、Ｃ−ＯＲ（エーテル）、Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）、Ｃ−アミド、Ｃ−エステル又はチオエステル、
Ｊ＝ＣＨ、Ｎ、Ｃ−アルキル、Ｃ−ハロゲン、Ｃ−ＯＨ、Ｃ−ＯＲ（エーテル）、Ｃ−ＳＲ（チオエーテル）、Ｃ−アミド、Ｃ−エステル又はチオエステル、
Ｍ＝ＣＨ２、ＣＦ２、ＣＣｌ２、ＣＨＯＣＨ３、ＣＨＯＨ、ＣＨＦ、ＣＯ、ＣＨ＝ＣＨ、ＣＨ２−ＣＨ２、Ｓ、Ｏ、ＮＨ、ＮＲ、ＮＣＯＲ、ＮＣＯＡｒ、
Ｑ＝ＣＨ、窒素、リン、ホウ素、及び
Ｙ＝Ｏ、Ｓ。
【００７０】
クロスワイヤ（マイクロメートル又はナノメートル）を形成することに関してここに記述し特許請求した技術は、種々の機能を実行し、マイクロスケールやさらにはナノスケールにおいても計算を実施する、種々の有用なデバイス及び回路を形成するのに用いることができる。信号経路指定及び通信用の分子ワイヤクロスバー相互接続（ＭＷＣＩ）は、関連する米国特許出願第０９／２８０２５５号に開示及び特許請求されており、分子ワイヤクロスバーメモリは、関連する米国特許出願第０９／２８０１８９号に開示及び特許請求されており、プログラム可能論理アレイを採用している分子ワイヤクロスバーロジック（ＭＷＣＬ）は、関連する米国特許出願第０９／２８２０４５号に開示及び特許請求されており、ＭＷＣネットワーク用のデマルチプレクサは、関連する米国特許出願第０９／２８２０４９号に開示及び特許請求されており、分子ワイヤトランジスタは、関連する米国特許出願第０９／２８０１８８号に開示及び特許請求されている。これらは全て、１９９９年３月２９日に出願されている。
【００７１】
図２に示すように、本発明のスイッチ１０は、複数のスイッチ、即ちアレイ６０を形成すべく二次元アレイで複製し、クロスバースイッチを形成することができる。図２は、６×６のアレイ６０を示しているが、本発明はそのようなアレイ中における要素、即ちスイッチの特定数に限定されるものではない。単一点、例えば２ｂへのアクセスは、ワイヤ２及びｂに電圧を加え、上述したようにして、その接合個所で分子種１８の状態に変化を生じさせることにより実行される。そして各接合へのアクセスは、本明細書の教示に従って予め選択された接合個所のみを構成するために容易に利用することができる。クロスバースイッチアレイ６０の動作の詳細は、関連する米国特許出願第０９／２８０２２５号にさらに詳しく議論されている。
【００７２】
かくして、交差した接合個所において電気化学的に切換え可能な分子種で接合されたクロスワイヤから成る、化学的に合成され組み立てられた電子デバイスを開示してきた。当業者には、自明な種々の変更及び修正をなし得ること、及びそうした変更及び修正は全て、特許請求の範囲内に包含されると考えられることが明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【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本の交差ワイヤの概略図である。
【図１Ｂ】
図１Ａに示されたデバイスを描いた斜視立面図である。
【図２】
６×６のクロスバースイッチを示す、本発明のスイッチの二次元アレイの概略図である。
【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）】
2004518297.tif 000048
【国際調査報告】
2004518297.tif 000049
2004518297.tif 000050
2004518297.tif 000051
2004518297.tif 000052
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