(57)【要約】本発明により、ナノメータースケールの可逆性の電子スイッチが提供される。これは、メモリー、ロジック、及び通信機能を付与するクロスバー回路を形成するのに組み立てることができる。その電子スイッチ、即ちクロスワイヤデバイスは、一方のワイヤが０度でない角度で他方のワイヤと交差する接合を形成する一対のクロスワイヤと、その接合におけるクロスワイヤの対を接続する少なくとも１つのコネクタ種とからなる。その接合はナノメートルの機能的な寸法を有し、少なくとも１つのコネクタ種とクロスワイヤの対とが電気化学的セルを形成する。そのコネクタ種は一般式（Ｉ）を有する前記双安定性分子からなる。その双安定分子は高いスイッチングスピードを明示する。かかる分子は、温度変化によるスイッチングに対して本質的に安定である。
2004523946.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方のワイヤが０度でない角度で他方のワイヤと交差する接合を形成する一対のクロスワイヤと、前記接合における前記クロスワイヤの対を接続する少なくとも１つのコネクタ種とを含むクロスワイヤデバイス用の双安定性分子であって、前記接合はナノメートルの機能的な寸法を有し、前記の少なくとも１つのコネクタ種と前記のクロスワイヤの対とが電気化学的セルを形成し、前記の少なくとも１つのコネクタ種が下記式（Ｉ）によって与えられる一般式を有する双安定性分子。
【化１】
2004523946.tif 000008
［ここで、式（Ｉ）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、
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、
Ｋ＝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、又はＮＣＯＡｒ、
Ｑ＝ＣＨ、窒素、リン、又はホウ素、
Ｙ＝Ｏ又はＳ、そして
Ｚ＝Ｒ（Ｈ、アルキル）、ＮＨＲ、ＯＲ、ＳＲ、ＣＨＲ−ＮＨＲ、ＣＨＲ−ＯＲ、ＣＨＲ−ＳＲ、ＣＨＲ−Ｘ（ハロゲン）、ＮＲ−ＮＨＲ、ＮＲ−ＯＲ、又はＮＲ−ＳＲ］
【請求項２】
前記双安定性分子は、下記式（ＩＡ）によって与えられる式を有する請求項１に記載の双安定性分子。
【化２】
2004523946.tif 000009
【請求項３】
一方のワイヤが他方のワイヤと交差しているところで接合を構成する一対のクロスワイヤと、前記接合における前記クロスワイヤの対を接続する少なくとも１つのコネクタ種とを含むクロスワイヤデバイスを製造する方法であって、前記接合はナノメートルの機能的な寸法を有し、前記の少なくとも１つのコネクタ種と前記のクロスワイヤ材の対とが電気化学的セルを形成し、前記方法は、（ａ）前記第一ワイヤを形成し、（ｂ）前記第一ワイヤの少なくとも一部分の上に前記の少なくとも１つのコネクタ種を堆積させ、そして（ｃ）前記第一ワイヤの上に前記第二ワイヤを形成して前記接合を形成することを包含し、前記の少なくとも１つのコネクタ種が下記式（Ｉ）によって与えられる一般式を有する双安定性分子からなる方法。
【化３】
2004523946.tif 000010
［ここで、式（Ｉ）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、
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、
Ｋ＝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、又はＮＣＯＡｒ、
Ｑ＝ＣＨ、窒素、リン、又はホウ素、
Ｙ＝Ｏ又はＳ、そして
Ｚ＝Ｒ（Ｈ、アルキル）、ＮＨＲ、ＯＲ、ＳＲ、ＣＨＲ−ＮＨＲ、ＣＨＲ−ＯＲ、ＣＨＲ−ＳＲ、ＣＨＲ−Ｘ（ハロゲン）、ＮＲ−ＮＨＲ、ＮＲ−ＯＲ、又はＮＲ−ＳＲ］
【請求項４】
前記双安定性分子は、下記式（ＩＡ）によって与えられる式を有する請求項３に記載の方法。
【化４】
2004523946.tif 000011
【請求項５】
一方のワイヤが他方のワイヤと交差しているところで接合を構成する一対のクロスワイヤと、前記接合における前記クロスワイヤの対を接続する少なくとも１つのコネクタ種とを含むクロスワイヤデバイスを動作させる方法であって、前記接合はナノメートルの機能的な寸法を有し、前記の少なくとも１つのコネクタ種と前記のクロスワイヤの対とが電気化学的セルを形成し、前記方法は、前記コネクタ種に電気化学的反応を起こさせ且つその状態を切り換えさせるに十分な第一の電圧を、両ワイヤに少なくとも一度バイアスをかけることを包含し、前記の少なくとも１つのコネクタ種が下記式（Ｉ）によって与えられる一般式を有する双安定性分子からなる方法。
【化５】
2004523946.tif 000012
［ここで、式（Ｉ）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、
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、
Ｋ＝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、又はＮＣＯＡｒ、
Ｑ＝ＣＨ、窒素、リン、又はホウ素、
Ｙ＝Ｏ又はＳ、そして
Ｚ＝Ｒ（Ｈ、アルキル）、ＮＨＲ、ＯＲ、ＳＲ、ＣＨＲ−ＮＨＲ、ＣＨＲ−ＯＲ、ＣＨＲ−ＳＲ、ＣＨＲ−Ｘ（ハロゲン）、ＮＲ−ＮＨＲ、ＮＲ−ＯＲ、又はＮＲ−ＳＲ］
【請求項６】
前記双安定性分子は、下記式（ＩＡ）によって与えられる式を有する請求項５に記載の方法。
【化６】
2004523946.tif 000013
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願引照
本出願は、２０００年１２月１４日付け［ＰＤ−１０００４７６２］、Ｓｅｒｉａｌ  Ｎｏ．０９／７３８，７９３の部分継続出願である。
【０００２】
本出願は、また、次の出願及び特許にも関連する。全て、１９９９年３月２９日付で出願された出願番号０９／２８０，０４８（”Ｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ  Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄ  ａｎｄ  Ａｓｓｅｍｂｌｅｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅｓ”）、出願番号０９／２８０，２２５（”Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｗｉｒｅ  Ｃｒｏｓｓｂａｒ  Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｓ  ｆｏｒ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｒｏｕｔｉｎｇ  ａｎｄ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ”）、出願番号０９／２８２，０４５（”Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｗｉｒｅ  Ｃｒｏｓｓｂａｒ  Ｌｏｇｉｃ”）、出願番号０９／２８２，０４９（”Ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ  ｆｏｒ  ａ  Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｗｉｒｅ  Ｃｒｏｓｓｂａｒ  Ｎｅｔｗｏｒｋ”）、及び出願番号０９／２８０，１８８（”Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｗｉｒｅ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ”）、及び２０００年１０月３日付けで発行された米国特許第６，１２８，２１４号、（“Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｗｉｒｅ  Ｃｒｏｓｓｂａｒ  Ｍｅｍｏｒｙ”）。
【０００３】
本出願は、それが、新型のスイッチング機構、即ち、大きい双極子モーメントを保持している分子基又は回転子の電場誘導、を利用しているという点において前出の出願及び特許を越える改善である。
【０００４】
本発明は、概して、その機能長の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使用さ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築することができる。
【背景技術】
【０００５】
分子エレクトロニクスの領域は、その揺籃期にある。今日までのところ、電子スイッチのような分子作用に関する唯一の確信できる論証は、公開文献（Ｃ．Ｐ．Ｃｏｌｌｉｅｒ他「Ｓｃｉｅｎｃｅ、２８５巻」，第３９１−３９４頁（１９９９年７月１６日）参照）が出版されているだけで、１９７０年代中頃以来この話題を包含する科学学会内部には多数の推測と興味が存在している。出版された研究では、ロタキサンと呼ばれる分子の単層膜を２つの金属電極間に設け、そしてその分子の一方から反対側へ正のバイアス電圧を印加することで、ＯＮ状態からＯＦＦ状態へ切り替えさせた。ＯＮ及びＯＦＦ状態は、印加電圧でその分子を酸化させることによって引き起こされる分子中のトンネル率の変化のため、抵抗率が約１００の因数だけ異なっている。
【０００６】
ロタキサンに関する主な問題は、この例は不可逆スイッチであるということであった。それは一度だけ動かす（切り替える）ことができる。従って、プログラム可能な読み出し専用メモリ（ＰＲＯＭ）には利用できるが、ＲＯＭ状のデバイスにおいて、又はデフェクトトレラント・コミュニケーション（欠陥許容通信）及び論理ネットワークのような再構成が可能なシステムには使用できない。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させる必要がある。このことは、スイッチを切り換えるのに著しい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関連化合物の大きくそして複雑であるとの潜在性は、分子の切り換え時間を遅くする。
【０００７】
従って、１つの状態から他の状態への可逆的スイッチングを可能にする、２つの安定な状態を有する分子種に対する要求が存在する。このような双安定分子は、ミクロンスケールやナノメートルスケールのデバイスで使用することにより、迅速な切り換え時間を明確に示すであろう。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明により、メモリ、論理、及び通信機能をもたらすクロスバー回路を作るべく組み立てることができる、ナノメートルスケールの可逆的電子スイッチが提供される。その電子スイッチ、すなわち、クロスワイヤデバイスは、一方のワイヤが０度でない角度で他方のワイヤと交差する接合を形成する一対のクロスワイヤと、その接合における一対のクロスワイヤを接続する少なくとも１つのコネクタ種とを含む。その接合はナノメートルの機能的な寸法を有し、ここで、少なくとも１つのコネクタ種と一対のクロスワイヤが電気化学的セルを形成する。コネクタ種は、下式（Ｉ）によって与えられる一般式を有する双安定分子を含む。
【０００９】
【化７】
2004523946.tif 000003
【００１０】
ここで、式（Ｉ）の文字（アルファベット）は次のように定義される。
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
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
Ｋ＝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、又はＮＣＯＡｒ
Ｑ＝ＣＨ、窒素、リン、又はホウ素
Ｙ＝Ｏ又はＳ、そして
Ｚ＝Ｒ（Ｈ、アルキル）、ＮＨＲ、ＯＲ、ＳＲ、ＣＨＲ−ＮＨＲ、ＣＨＲ−ＯＲ、ＣＨＲ−ＳＲ、ＣＨＲ−Ｘ（ハロゲン）、ＮＲ−ＮＨＲ、ＮＲ−ＯＲ、又はＮＲ−ＳＲ。
【００１１】
双安定分子は、高いスイッチング速度を明確に示す。そのような分子は、本質的に、熱変動によるスイッチングに対して安定である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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箇所においても、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。
【００１３】
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。
【００１４】
「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。
【００１５】
「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。
【００１６】
「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）。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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〜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。
【００２２】
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。
【００２３】
【表１】
2004523946.tif 000004
【００２４】
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。このスイチを、接合箇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、接合箇所は本質的に電気化学的セルであるため、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）が作られる材料、及びワイヤ間の分子又は材料の独自性に左右される。
【００２５】
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）。トンネル抵抗体は、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。
【００２６】
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。
【００２７】
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、回路の一部としての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。
【００２８】
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、化学的に調製され得る。
【００２９】
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、単結晶のゲルマニウムのナノワイヤが製造される。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。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。
【００３３】
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、上述のレーザ融除／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。
【００３４】
逆にこれらのワイヤは、適当な分子−電子求引性基（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。下記のワイヤ作製ルート参照のこと。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。
【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は電子求引性基（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。
【００３６】
Ｓｉ−Ｏ−Ｈ（表面）＋Ｒ−Ｓｉ（ＣＨ３）２Ｃｌ→Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ（ＣＨ３）２Ｒ＋ＨＣｌ
【００３７】
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を付与する、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。
【００４０】
ワイヤ作成ルートに関する基本情報
以下の材料は、列挙され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１日）。
官能基化シリコン  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を官能化  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）。
【００４１】
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成し、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。
【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、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、磁化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得る。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。
【００４４】
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。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。
【００４５】
本発明
本発明は、新方式のスイッチングメカニズム、大きな双極子モーメントを持つ分子基又は回転子の電場誘導回転（electric field-induced rotation）を利用する。したがってその分子は、スイッチの切り換えにおいて酸化も還元もされず、潜在的に非可逆反応の開始を避ける。移動する分子の部分は相当に小さく、そのため、スイッチング時間は、１ｐｓのオーダーと、極めて速いはずである。また分子は、ロタキサン及び関連化合物よりはるかに単純なので製造がより容易且つ安価である。
【００４６】
本発明は、分子を、外部の電場で切り換えることのできる敏しょうな電子デバイスに変える。その一般的な考え方では、２本の電極（固定子）を架橋する固定部分と、構成的に双安定な大きい双極子モーメントを有する基（回転子）を有する分子を合成する。その分子は、水素結合のような分子内力並びに立体的斥力が、固定子に関して非対称的に回転子を安定化するよう設計される。固定子は、回転子の回転軸に関して対称に設計される。それ故、安定なのに、一方の状態から他方の状態に素早く動くには大きいエネルギー障壁がある、回転子の２つの特定の方位(particular orientation)が絶えず存在する（図２ａ〜２ｂ参照）。スイッチが不規則な熱変動で作動することのないように、その障壁の高さは、デバイスの動作温度より十分大きくなければならない。これらの条件下で、回転子が特定の方位に置かれるとそこに留まり、そして交互の安定状態に偶発的に切り換ることはない。しかし、２本の電極間にバイアス電圧を印加することにより、外部場でスイッチングを実行できる。回転子の双極子モーメントは、分子に加えられた外部場に平行に配列する傾向がある。仮に双極子モーメントの最初の方向が印加場のそれと逆である場合には、固定子に関しては回転するよう強制し、そしてある閾値バイアス電圧で別の状態へ切り替わる。その回転子は、十分な大きさの外部場が反対方向に印加されるまでその状態に留まることになる。
【００４７】
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。
【００４８】
【化８】
2004523946.tif 000005
【００４９】
式（Ｉ）の文字は次のように定義される：
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、
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、
Ｋ＝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−ＣＨ３、Ｓ、Ｏ、ＮＨ、ＮＲ、ＮＣＯＲ、又はＮＣＯＡｒ、
Ｑ＝ＣＨ、窒素、リン、又はホウ素、
Ｙ＝Ｏ又はＳ、そして
Ｚ＝Ｒ（Ｈ、アルキル）、ＮＨＲ、ＯＲ、ＳＲ、ＣＨＲ−ＮＨＲ、ＣＨＲ−ＯＲ、ＣＨＲ−ＳＲ、ＣＨＲ−Ｘ（ハロゲン）、ＮＲ−ＮＨＲ、ＮＲ−ＯＲ、又はＮＲ−ＳＲ。
【００５０】
式Ｉの構造を有する分子を作製する為の１つの可能な合成経路を以下に示す。開始化合物ＩＩ及びＩＩＩを、縮合環付加（ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ−ｃｙｃｌｏ−ａｄｄｉｔｉｏｎ）を経由して反応させ、続いて必要な還元を行って中間化合物ＩＩＩを生成させる。化合物ＩＩ及びＩＩＩは市販されている。次いで、中間物ＩＩを塩基条件下でＺ（Ｙ＝）Ｃ−Ｘと反応させて、式（Ｉ）で示した化合物を生成する。
【００５１】
【化９】
2004523946.tif 000006
【００５２】
ここで、図２ａ〜２ｂを参照して説明すると、そこに表された分子は下式（ＩＡ）を有することが分かる。
【００５３】
【化１０】
2004523946.tif 000007
【００５４】
式（ＩＡ）で表された分子は、固定子部分Ｓ及び回転子Ｒをもつように設計される。回転子Ｒは、分子全体の方位又は電流の流れ軸、即ち上記の通り左から右へ又はその逆に対して、垂直に付加される。
【００５５】
図２ａ〜２ｂで、分子は上記式（ＩＡ）の表示から９０度回転させて示しており、そしてこの場合、外部場は、図のように分子の方位軸に沿って（垂直方向）印加され、電極は、水平方向及び紙面に垂直に向けられる。図２ａにおいて底面から上面に向けられた電場の印加は、図２ａに描かれた回転子を、図２ｂに示された方向へ回転させるであろう。図２ｂの上面から底面への電場の印加は、Ｒを、図２ｂに示された姿勢から図２ａに示された姿勢へ回転させるであろう。１つの安定状態から他の安定状態へのスイッチングは可逆的であり、しかし熱変動によってたやすく影響されず、約０．３ｅＶ又はそれ以上の切り換えに対して障壁を有する。
【００５６】
分子設計の重要な構成要素は、回転子と固定子の非対称な相互の方位及びそれらの強力な相互作用が、非対称なダイオードに似た電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を生じさせることである。図３ａを参照のこと。図３ａは、回転子が固定子に関して一方の安定な方位にあるときの分子のＩ−Ｖ特性を示す。
【００５７】
Ｉ−Ｖ特性は、分子を横切る場が回転子の方位の逆転を生じさせるときに印加電圧に関して逆になる。図３ｂを参照のこと。図３ｂは、回転子が別の安定状態へ素早く動くときのＩ−Ｖ特性を示す。
【００５８】
従って、双安定性分子のＩ−Ｖ特性は、内部に捕捉されているこの種の分子によって、一対の同じ電極のＩ−Ｖ特性について強力且つ対称的なヒステリシスループを作り出すであろう。図３ｃを参照のこと。図３ｃは全ヒステリシスループを示す。そのループの明確な特徴は、その部分が両方とも半時計方向に（この例のように）又は時計方向に旋回されることである。
【００５９】
これらの分子は、例えば、クロスポイントメモリの活性媒体として又はスイッチング素子として用いることができる。
【００６０】
本発明は、１９９９年５月１１日に、Ｆｌｏｒｙ及びＲ．Ｓ．Ｗｉｌｌｉａｍｓに対して発行され、そして本出願人に譲渡された米国特許第５，９０３，０１０号、「Ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｉｒｅ  Ｓｗｉｔｃｈ  ａｎｄ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  Ｍｅｔｈｏｄ」に記述された量子干渉デバイスに関連する。しかし、本発明において、双極子の方位を変えることにより（その分子が図２ａ−２ｂに示されたように）、波動関数のウエートは、分子全体の「頂上」部分（リング）から「底面」部分（リング）まで、及びその逆に動く。分子の２つの腕（結合鎖）間の連結はきわめて強いままであり、そして電子の干渉パターン（分子軌道のウエートで与えられる）は、単に、分子の中央の周りで反射する。従って、ヒステリシスループによって特徴付けられる分子の「スイッチング」は、波動関数のノードを定性的に変えることによってではなく、分子全体の非対称性に由来する、ダイオードのＩ−Ｖ曲線挙動を利用して行うことができる。
【００６１】
式（Ｉ）に示した代表的な分子は、様々な手法で作製してよく且つマイクロスケール及びナノスケールの用途で採用できる。単一の単層分子膜は、例えば、電極又はワイヤ上で、ラングミュア−ブロジェットの手法又は自己集合単層（ＳＡＭｓとも呼ばれる）を使って、分子の電流搬送軸又は方位が、分子を切り換えるのに用いられる電極の面に垂直になるようにして、成長させることができる。底面及び頂上の電極は、上記のＣｏｌｌｉｅｒ等によって記述された仕方で、又は上に挙げた関連特許出願及び発行特許に記載された方法で、堆積させてもよい。
【００６２】
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且つ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更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。例えば、適用は、信号経路選定並びに通信用の分子ワイヤクロスバー相互接続（ＭＷＣＩ）、分子ワイヤクロスバーメモリ（米国特許第６，１２８，２１４号）、プログム可能な論理アレイを採用している分子ワイヤクロスバー論理（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、及び分子ワイヤトランジスタを包含する。
【００６３】
図４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を形成する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４は、６×６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、上に引用した米国特許第６，１２８，２１４号にさらに詳しく議論されている。
【００６４】
産業上の利用性
ここに開示した双安定性分子は、マイクロスケール及びナノスケールデバイスにおいて用途を見出すことが期待される。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１ａ】２本ワイヤの交点に少なくとも１つの分子を有する状態の、２本のクロスワイヤの略図である。
【図１ｂ】図１ａに示されたデバイスを示している、正面斜視図である。
【図２ａ−２ｂ】その方位又は全分子の電流搬送軸に垂直に付加された回転子を使って設計された分子を示す、球と線による構造図であって、図２ａは１つの安定状態における分子を示し、そして図２ｂは第二の安定状態における同一の分子を示す。
【図３ａ−３ｃ】電流−電圧座標上での、図２ａ及び２ｂに示された分子の種類の通則的なヒステリシスループを示すプロットであり、ここで、図３ａは、回転子に関する一方の安定な方位におけるＩ−Ｖ特性を示し、図３ｂは、その回転子が他方の安定状態に急に動いた時のＩ−Ｖ特性を示し、そして図３ｃは、ヒステリシスループ全体を示す。
【図４】本発明のスイッチの二次元配列の略図であって、６×６のクロスバースイッチを示す。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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