(57)【要約】導体または半導体の表面に吸着させた個々の分子の中の電子の電気的および／または光学的な励起または脱励起によって生じた、このような分子の電気および光学特性の観察可能な変化を、情報の伝達に使用できる信号として使用でき、情報を伝達するこのような観測可能な変化または信号を、このような分子への光学および電気入力を変化させることによってスイッチングし、増幅し、変調することができる。分子構造設計によって分子／量子デバイスの機能的振る舞いは変化する。一例では、単量体金属化フロシアニンが、高速で（＜１０-12秒）、エネルギー効率がよく（３０ｋＴ／情報ビット）、複数の出力を有する完全に可逆的な量子スイッチとして振る舞う。しかし、単量体フタロシアニンが、１次元ワイヤ状環スタックフタロシアニン、２次元シート状環縮合フタロシアニンなどの構造結合体として組織化されている場合、その電気光学特性はかなり変化している。その結果、その機能は、多数のＣＭＯＳおよび同種の古典的半導体デバイスの代わりに使用することができる特性を示す。【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質的に１次元の大環状分子のスタック配置または縮合大環状分子の２次元配置のうちの少なくとも一方の形態の大環状分子配置を含むスイッチングデバイスであって、前記配置が基板の表面に吸着されているスイッチングデバイス。
【請求項２】
前記配置が金属基板の表面に吸着されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記配置が半導体基板の表面に吸着されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記配置における大環状分子は金属化されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
金属化された大環状分子が、コバルト、鉄、銅、ニッケル、銀、金、パラジウム、白金、アルミニウムから成るグループから選択された１種または数種の金属を含む、請求項３に記載のデバイス。
【請求項６】
実質的に１次元のスタック配置または２次元配置のうちの少なくとも一方の形態の大環状分子配置を含む記憶デバイスであって、前記配置が基板の表面に吸着されている記憶デバイス。
【請求項７】
請求項６に記載の記憶デバイスを備え、さらに、光学または電気入力を適用するための入力と、記憶デバイスからの出力または応答を検出するための検出器とを備えた情報記憶／検索機器。
【請求項８】
前記検出器が核磁気共鳴デバイスを備えた、請求項７に記載の機器。
【請求項９】
記憶デバイスに対する検出器の応答を表す信号を生み出すための出力をさらに備えた、請求項７に記載の機器。
【請求項１０】
前記検出器がトンネル顕微鏡を備えた、請求項７に記載の機器。
【請求項１１】
複数の出力を有し、請求項１に記載のスイッチングデバイスを備えた可逆量子スイッチ。
【請求項１２】
大環状分子の前記配置が金属化された大環状分子を含む、請求項１に記載のスイッチングデバイス。
【請求項１３】
金属化された前記大環状分子が金属フタロシアニン分子を含む、請求項１１に記載のスイッチングデバイス。
【請求項１４】
大環状分子の前記配置がケイ素フタロシアニンを含む、請求項１１に記載のスイッチングデバイス。
【請求項１５】
スイッチングデバイスから複数の出力を得る方法であって、実質的に１次元のスタック状または環状構造、あるいは実質的に２次元のシート状構造のうちの少なくとも一方の構造の大環状分子配置に入力を適用すること、および複数の出力に応答することを含む方法。
【請求項１６】
前記応答が、ラマン分光光度計を使用して光学応答を検出することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記応答が、核磁気共鳴を使用して応答を検出することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記応答が、トンネル顕微鏡を使用して応答を検出することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
高速で（＜１０-12秒）、エネルギー効率がよく（３０ｋＴ／情報ビット）、複数の出力を有する完全に可逆的な量子スイッチとして振る舞う金属化された単量体フタロシアニンを含む分子／量子デバイスであって、単量体フタロシアニンが、１次元のワイヤ状環スタックフタロシアニンまたは２次元シート状環縮合フタロシアニンのうちの少なくとも一方の構造結合体として組織化されている分子／量子デバイス。
【請求項２０】
金属化された分子フタロシアニンの機能が、多数のＣＭＯＳおよび同種の古典的半導体デバイスの代わりに使用することができる新しい注目すべき特性を示す、請求項１９に記載のデバイス。
【請求項２１】
フタロシアニン分子が、分子単量体単位として、または一般に電気化学的に半組織化された形態で、高速スイッチング効果、マルチレベル論理、記憶状態のうちの少なくとも１つを含む電気光学特性を提供することができる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２２】
フタロシアニン分子が３つ基本構造をとり得る、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２３】
フタロシアニン分子形態が、単量体分子単位、または１次元環スタック「ワイヤ」状構造および２次元環縮合「シート」構造としての重合結合体を含む、請求項２２に記載のデバイス。
【請求項２４】
前記３つの基本構造がそれぞれ、分子の中心にさまざまな金属（コバルト、鉄、銅、ニッケル、銀、金、パラジウム、白金、アルミニウム）を有する、請求項２３に記載のデバイス。
【請求項２５】
フタロシアニン構造が単量体の形態をとっている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２６】
フタロシアニン構造が環スタックの形態をとっている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２７】
フタロシアニン構造が単量体重合体シートの形態をとっている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２８】
１×１ｎｍ程度の底面および分子数によって決まる長さを有する、環スタックケイ素フタロシアニンを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２９】
高速でエネルギー効率がよく、複数の出力を有する完全に可逆的な量子スイッチとして振る舞う金属化された単量体フタロシアニンを含む分子／量子デバイスを製作する方法において、単量体フタロシアニンが、１次元のワイヤ状環スタックフタロシアニンまたは２次元シート状環縮合フタロシアニンのうちの少なくとも一方の構造結合体として組織化されている方法であって、「ワイヤ」中のスタックされた環の数に従ってデバイスの動作を表すサイクリックボルタモグラムの中のピークの数を調整することを含む方法。
【請求項３０】
量子電気光学デバイスを製作する方法であって、複数の大環状分子を、実質的に１次元の環状スタック、または実質的に２次元のシート状配置に配置すること、および前記複数の大環状分子を導体または半導体基板に吸着させることを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、上記のように分子電子／光学デバイスに関し、より詳細には、その分子構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
過去において、信号は、いわゆるマクロレベルで言うところの材料を構成する多数の分子から得ていた。その一例がトランジスタである。しかし本発明によれば、信号は、単一の分子の状態変化から得る。これらの個々の状態は、振動分光技術、例えばラマン分光技術、あるいは他の光学分析技術によって読み出し、または分析することができる。信号の強度を空間的に解像する目的にはラマン分光法が好ましい。
【特許文献１】
米国特許第４８０４９３０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の電気デバイスの一般的な応答時間、例えばスイッチング機能を実施するデバイスの応答時間は、１０-9または１０-10秒程度である。ジョゼフソン接合など、信号および情報をよりいっそう高速にスイッチングするさまざまな技術も開発されている。高速で動作するこのような電気スイッチまたはスイッチ接合の欠点は温度要件が極端なことである。例えば、ジョゼフソン接合型の高速動作電気スイッチは非常に低温でなければならず、例えばこれを過冷却しなければならない。一般的には、液体ヘリウムを使用して、スイッチング接合を、適切に動作する所望の低温に維持する。このような温度条件を維持するのに必要なコストおよび空間要件は、例えばコンピュータの分野で厳しく追求されているコスト低減および小型化の目標から見れば逆効果である。
【０００４】
米国特許第４８０４９３０号で立証されているように、分子単量体単位としてのフタロシアニン分子、または一般に電気化学的に半組織化された（ｓｅｍｉ−ｏｒｇａｎｉｚｅｄ）形態のフタロシアニン分子は、さまざまな電気光学特性を提供することができる。上記特許および他の文献には、高速スイッチング効果（ｆａｓｔ  ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  ｅｆｆｅｃｔ）、マルチレベル論理（ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ  ｌｏｇｉｃ）、記憶状態（ｍｅｍｏｒｙ  ｓｔａｔｅ）が、実験に基づいて詳細に記載されている。
【０００５】
米国特許第４，０４，９３０号に開示されているとおり、発明者は、個々の分子の中の電子の電気的および／または光学的な励起または脱励起によって生じた、このような分子の電気および光学特性の観測可能な変化を、情報の伝達に使用できる信号として使用できること、ならびに、情報を伝達するこのような観測可能な変化または信号を、このような分子への光学および電気入力を変化させることによってスイッチングし、増幅し、変調することができることを発見した。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明では、電気光学分子を基板の表面に吸着させる。このような分子の固有の特性をイオン化または電子移動によって変化させる。具体的には、電子を励起状態に励起させる。電子の移動、補獲または励起／状態変化、あるいは分子のイオン化を生じさせ、これを、（１）吸着分子、あるいはこのような分子の１つまたは複数の層に印加される電位、ならびに／あるいは（２）その入射照明の１つまたは複数の波長／周波数および強度、の関数として制御する。このような電子の移動、補獲または状態変化によって、吸着分子の固有の光学応答、または摂動が加わっていない光学応答が変化する。本明細書で使用するとき、状態および状態変化は、分子内の電子の位置、このような電子のエネルギー準位、および／またはこのような電子のスピン状態を指す。光学応答は、ラマン分光法、好ましくは表面増強ラマン分光法を使用して検出することができる。このような検出または分析は、それぞれの線が特定の強度または大きさを有するラマン線の空間分布を与える。このような出力信号または情報の周波数または空間分布、ならびに強度の分析によって、このような電子が捕獲されまたは移動した吸着分子内の位置が識別される。
【０００７】
したがって、このような出力信号の周波数または空間分布は、電子が捕獲されまたは移動した、すなわち電子の状態が変化した分子内の位置の関数である。本明細書では、このような状態変化または補獲が同じことを指していることがある。このような補獲または電子励起は、吸着分子の分子結合の固有振動特性に影響を及ぼす。実際、例えば、吸着分子に印加された特定の電位およびこのような分子への特定の光学入力に応答して、このような分子の１つの分子結合の固有の振動状態を、検出し分析することができ、シグナリングまたは情報目的に使用することができる特性周波数またはラマン空間分布を有する光学的または光出力を放出するように変化させることができる。ラマン分光法を使用すると、所与の周波数の入力レーザ光線が特定のバンドの振動周波数でうなり、分子からの光の再放出を引き起こし、このように再放出または散乱した光は、結合のこのような振動特性に関係したスペクトル成分を有する。したがって分子内の結合の振動特性をひずませ、したがって変化させる分子内の電子の励起によって、分子からの光学出力は影響を受ける。
【０００８】
本発明は、分子内電子励起機構に応答して出射された光を利用するので、光学出力信号の応答は、振動励起状態の存続期間によって、例えば２×１０-13秒程度に制限される。トンネル効果を示す分子では１０-15秒程度の応答時間が観察されると予想される。さらに、このような極めて速い応答は、一般的な室温で、ジョゼフソン接合技術で必要な過冷などを必要とせずに達成可能であることが発見された。このような応答を例えば光センサによって検出して、これによって高速スイッチング、高速読出しなどの機能を提供することができる。
【０００９】
本発明を使用して、１つまたは複数の分子によって出射された出力光から、１つまたは複数の異なった出力信号を得ることができる。これらの信号はそれぞれが異なる強度レベルにあることができる。このような信号は、周波数領域またはエネルギー領域で互いから区別される。全体システムから単一のまたは複数の信号出力が可能である。異なった周波数からのラマンスペクトル線は、マルチレベル論理などのように複数のレベルで使用することができる特定の出力信号または情報を表すと考えられる。このような線の存在およびその強度を、前記分子内の分子内電子分布に基づく出力情報として使用することができ、またはこのような線の存在およびその強度を使用して、前記分子内の分子内電子分布に基づく出力情報を得ることができる。したがって例えば、このような多重信号出力使用では、吸着分子の入射照明を一定に維持しながら、印加電位を変化させることによって、さまざまなラマンスペクトル出力線の強度を別々に変化させることができる。このような変化はそれぞれの線に対して同じである必要は必ずしもない。単一の出力では、吸着分子の入射照明を一定に維持しながら、後に詳細に説明するように、吸着分子に印加される電位を変化させることによって、ラマン信号を変調することができる。反対に、印加電位および入射照明を一定に維持しながら、入射照明の強度および／あるいは１つまたは複数の波長／周波数を変化させることによって、出力に対する同様の効果を達成することができる。
【００１０】
本発明は、分子サイズのデバイスを使用して、情報を伝達する信号として処理することができる出力を得ること、およびこのような信号を非常に高速に変調することの実現を予見する。例示的な速度は、約１０-13から約１０-15秒程度である。その目的を達成するため、本発明は、分子種、および分子種に電気および光学入力を適用して検出可能な出力を得るための手段を選択することによって、有効なシステムを達成する。
【００１１】
好ましい分子は、金属化された（ｍｅｔａｌｌａｔｅｄ）さまざまなフタロシアニン、ポルフィリン、クロロフィル、ヘム、シトクロムなどの大環状分子である。しかし、所望の入力に応答して検出可能な有用な出力を生み出すことができる励起状態に到達する場合には、本発明に従って他の分子を使用することもできる。本発明のいくつかの応用では、分子、好ましくは大環状分子が半導体特性を示さなければならない。
【００１２】
分子に電位を印加し、または分子の電気分極を得るためには、導電性または半導電性基板の表面に分子を吸着させなければならない。好ましい導電性基板は例えば、銀、金、白金、パラジウム、臭化銀、ヨウ化銀、銅およびアルミニウム、ならびにこれらの金属のハロゲン化物であり、最も好ましいのは銀およびハロゲン化銀である。好ましいドープまたは非ドープ半導体基板は例えば、ガリウムヒ素、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化銀、硫酸カドミウム、ゲルマニウムである。吸着分子のより高いエネルギー状態からより低いエネルギー状態への電荷移動を提供することができる同様の特性を示す有機材料も基板として使用することができる。
【００１３】
光学入力は、１つまたは複数のレーザなどの単色光源によって提供することができる。ただし、ロドプシンなどの光感応性分子種を極性基として主題分子に付着させ、または他の方法で主題分子との化学的結合を形成させて、光学入力の入力分子として機能するようにする場合には、非単色光源を使用することもできる。このような場合には、光感応性入力分子種内の電子が光入力によって励起され、この励起が主題分子へ伝わる。この構成は、入力光の使用をより効率的にし、出射された光学信号の増幅を可能にする。このような光感応性入力デバイスを使用すると、本発明を、光学−光学弁として特性づけることができ、他のタイプの機械および電気弁の類似物と考えることができる。後者には例えば、電子管、トランジスタ、他の半導体デバイスなどが含まれる。さらに、このようなロドプシン、あるいは他の同様のまたは異なる入力および出力デバイスの使用は、例えば直接ワイヤまたは光ファイバ接続などを使用せずに、主題分子への入力を提供すること、および主題分子から有用な出力を得ることを容易にする。
【００１４】
本発明を、スイッチ、振幅変調器および／または増幅器として特性づけることができる。スイッチとして、本発明は入力に応答して、特定の出力をオンまたはオフにし、これは高速、例えば１０-13から１０-15秒程度の速度で起こる。振幅変調器として、本発明は入力に応答して、出力の振幅、例えば特定の周波数の光の強度を変調させる。これも上で述べた高い速度で実施することができる。増幅器として、本発明は入力、例えば光に応答して、増幅された出力を生み出す。本発明は主に、光学出力の生成に関して詳細に説明されるが、本発明を使用して電気出力を生み出すこともできる。本発明の一実施形態では、吸着分子が電極の表面にある。電極および分子は、液体浴などの電解液の中に入れられる。照明は単色光源、好ましくはレーザによる。電源からの電位は、電極ともう一方の電極の役目を果たす電解液との間の吸着分子に印加される。
【００１５】
他の実施形態では、分子が、ドープされた半導体材料の特性を有する大環状分子、例えばフタロシアニン、ポルフィリン、クロロフィル、ヘムまたはシトクロムであり、このような分子を、従来のドープされた材料などの他の半導体材料とともに使用することができる。このような半導体材料は、構造全体が例えばトランジスタの動作特性を持つようになるのに必要な電位を吸着分子に印加する。このような大環状分子はｐ型半導体特性を示し、さらに光学活性を示す。したがって、このようなトランジスタが完成するためには、ｐ型材料の両側で使用される残りの材料がｎ型半導体材料でなければならない。本発明を使用することができる他の固体半導体型デバイスはダイオードであり、他のタイプの半導体デバイスが本発明を使用することも企図される。本発明に基づく半導体デバイスを従来の方法、例えば増幅器、スイッチなどのトランジスタ作用に依拠した方法で使用することができる。本発明を使用することができる他の固体半導体デバイスは電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である。
【００１６】
簡単には、本発明の一態様によれば、分子構造設計によって分子／量子デバイスの機能的振る舞いは変化する。一例では、単量体金属化フロシアニンが、高速で（＜１０-12秒）、エネルギー効率がよく（３０ｋＴ／情報ビット）、複数の出力を有する完全に可逆的な量子スイッチとして振る舞う。しかし、単量体フタロシアニンが、１次元ワイヤ状環スタックフタロシアニン、２次元シート状環縮合フタロシアニンなどの構造結合体として組織化されている場合、その電気光学特性はかなり変化している。その結果、その機能は、多数のＣＭＯＳおよび同種の古典的半導体デバイスの代わりに使用することができる新しい注目すべき特性を示す。
【００１７】
本発明の一態様は、光学出力信号または情報の電気変調に関する。他の態様は、光学出力信号または情報を光学変調することに関する。他の態様は、信号増幅効果を達成することである。追加の態様は、電気信号または情報の光学変調に関する。他の態様は、信号または情報を高速でスイッチングすることに関し、他の態様は、このようなスイッチング機器の小型化である。他の態様は、２つ以上のこのような態様または特徴を単一のデバイスとして結合することである。本発明のこのような特徴は、例えば、コンピュータ内で、スイッチング、記憶、入力、出力および／または他の機能のために利用することができる。このような特徴はさらに、別の方法で、例えば電気、光学および／または他のシステムおよびデバイスで使用することができる。
【００１８】
本発明の一態様は、実質的に１次元のスタック配置または２次元配置のうちの少なくとも一方の形態の大環状分子配置を含むスイッチングデバイスであって、前記配置が基板の表面に吸着されているスイッチングデバイスに関する。
【００１９】
他の態様は、実質的に１次元のスタック配置または２次元配置のうちの少なくとも一方の形態の大環状分子配置を含む記憶デバイスであって、前記配置が基板の表面に吸着されている記憶デバイスに関する。
【００２０】
他の態様は、実質的に１次元のスタック配置または２次元配置のうちの少なくとも一方の形態の大環状分子配置を含む記憶デバイスであって、前記配置が基板の表面に吸着されている記憶デバイスと、光学または電気入力を適用するための入力と、記憶デバイスからの出力または応答を検出するための検出器とを含む情報記憶／検索機器に関する。
【００２１】
他の態様は、スイッチングデバイスから複数の出力を得る方法であって、実質的に１次元のスタック状または環状構造、あるいは実質的に２次元のシート状構造のうちの少なくとも一方の構造の大環状分子配置に入力を適用すること、および複数の出力に応答することを含む方法に関する。
【００２２】
他の態様は、高速で（＜１０-12秒）、エネルギー効率がよく（３０ｋＴ／情報ビット）、複数の出力を有する完全に可逆的な量子スイッチとして振る舞う金属化された単量体フタロシアニンを含む分子／量子デバイスであって、単量体フタロシアニンが、１次元のワイヤ状環スタックフタロシアニンまたは２次元シート状環縮合フタロシアニンのうちの少なくとも一方の構造結合体として組織化されている分子／量子デバイスに関する。
【００２３】
他の態様は、高速でエネルギー効率がよく、複数の出力を有する完全に可逆的な量子スイッチとして振る舞う金属化された単量体フタロシアニンを含む分子／量子デバイスを製作する方法において、単量体フタロシアニンが、１次元のワイヤ状環スタックフタロシアニンまたは２次元シート状環縮合フタロシアニンのうちの少なくとも一方の構造結合体として組織化されている方法であって、「ワイヤ」中のスタックされた環の数に従ってデバイスの動作を表すサイクリックボルタモグラムの中のピークの数を調整することを含む方法に関する。
【００２４】
他の態様は、量子電気光学デバイスを製作する方法であって、複数の大環状分子を、実質的に１次元の環状ステース、または実質的に２次元のシート状配置に配置すること、及び前記複数の大環状分子を導体または半導体基板に吸着させることを含む方法に関する。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の例示的な使用法には、電気入力または光学入力によって光学出力信号を変調する光変調器、光学入力に応答して電気信号を変調する光学応答ダイオード、光学応答するトランジスタ、および増幅器が含まれる。本発明は、例えばダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）などの、コンピュータまたはコンピュータ型のシステムのメモリ型デバイスとして、または高速スイッチとして、あるいはパルス整形器として使用することができる。本発明は、電気信号の高速光学読出し、および／あるいは光学信号の電気読出しまたは光学信号に対する電気応答を提供する。
【００２６】
本明細書では本発明が、光に応答し、光を出力するものとして説明される。このような光は可視スペクトルであることが好ましい。しかし、例えば使用する材料、材料の感度などによっては、可視スペクトルの外側の電磁放射、例えば光を使用することも企図される。本明細書では、光、照明、放射という語、およびその等価表現を同じ意味で使用することある。
【００２７】
本発明のさまざまな目的および利点は本明細書の説明から明白となろう。
【００２８】
以上の目的および関連する目的を達成するため、本発明は、この後に本明細書に詳細に説明され、請求項に具体的に指摘される特徴を含む。以下の説明および添付の図面は、本発明のある例示的な実施形態を詳細に説明したものだが、これらは、本発明の原理を使用することができるさまざまな方法のうちの一部を指示しているに過ぎない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
次に図面を詳細に参照する。全ての図面を通じて同じ参照符号は同じ部品を示す。最初に図１を参照すると、本発明に基づく電気光学システムが全体として１で示されている。システム１の中には、２で概略的に表された電気光学分子デバイスが示されている。図１には、電極基板の表面に吸着した本発明の主題分子を含む、このようなデバイス２の電気光学分子スイッチ３の形態の１つのバージョンの拡大図が示されている。ただし、デバイス２は、図２から５に示した電気光学分子固体半導体トランジスタ型デバイスの１つとすることができることを理解されたい。
【００３０】
スイッチ３には電源４が接続されている。好ましい実施形態では、スイッチ３に使用された１層または数層の材料層に電位を印加するため、このような電源４が、例えば、直流電圧源４ａおよび可変抵抗器４ｂ型のデバイスを含むことができる。自動制御、電子制御または他の制御を使用して、このような電位を変更することができる。光源または入力が図１の５に概略的に表されている。このような光学入力５は、１つまたは複数の単色光学放射源または光源を含むことができ、最も好ましくは光学入力５が、例えば従来のレーザ装置からの１本または数本のレーザビーム６、７の形態をとる。異なる入射角でデバイス２に導かれているように示されているが、図１のレーザビーム６、７は概略的に表現されているに過ぎない。
【００３１】
電気光学システム１の残りの部分がラマン分光光度計分析器１０である。分析器１０は、電気光学分子デバイス２から受け取った光を、空間的に分布したその成分に分離する格子１１を含む。分離された成分は、例えばこれらの成分を観察することができる、例えばスクリーン１２の表面または平面の中へ導かれまたは投射される。さらに、分析器１０は、１３、１４に示したものなどの、１つまたは複数の光電検出装置を含む。光電検出装置は例えば、光電子増倍管、光電性ダイオード、または、受け取った光の強度を表す電気信号などの有用な出力を生み出すことができる他の装置である。
【００３２】
電気光学システム１の動作では、例えば、ここで説明するスイッチ３、または後に説明するトランジスタの１つなどの電気光学分子デバイス２の表面に入射照明２０が導かれる。デバイス２からの散乱光または再放射光２１は、このような散乱光または再放射光２１の諸成分の強度、波長、周波数および／または空間分布を分析するのに使用されるラマン分光光度計分析器１０に導かれる。本発明の主題分子は、自体への電気および／または光学入力に応答して励起して、固有のまたは摂動が加わっていない状態から励起した状態に変化することができ、このような励起のレベルまたは程度は例えば、主題分子へのまたは主題分子に印加される電位（または他の電気的な入力）、ならびに／あるいは主題分子に入射する光の強度および波長または周波数によって決まる。このような励起は、１つまたは複数の主題分子のイオン化を引き起こし、その結果、分子内電荷の移動、補獲、または１つまたは複数の分子内の特定の位置の電子の励起状態への励起として現れる。このような補獲または励起された電子の位置は、例えば、入力電位、ならびに／あるいは光の波長／周波数および／または強度の関数であり、分子内結合の固有振動特性を変化させ、それによって１つまたは複数の分子によって出射される光の光学特性を変化させることができる。本明細書で使用するとき、主題分子からの散乱、出射または再放出光は、１つまたは複数の主題分子の電気的および／または光学的励起に応答して主題分子によって出射された光を意味する。入射照明２０の所与の波長、周波数および強度について、分析器１０によって分析される光の特性は、電源４によって電気光学スイッチ３に印加された電位の関数となる。また、電源４によってスイッチ３に印加される電位が一定のときには、分析器１０によって分析される光の特性は、入射照明２０の波長、周波数および／または強度の関数となる。さらに、出力、すなわち分析器１０によって得られる情報の増大は、入射照明２０と電源４によって供給される電位の両方を変化させることによって達成することができる。デバイス２の電位または他の電気特性も、光学入力および／または電気入力の関数として読み出すことができる。
【００３３】
分析器１０は、散乱光の周波数領域の空間分布を達成し、散乱光の強度、特にそのスペクトル成分の強度を測定するラマン分光光度計型の分析器であることが好ましい。本発明に基づくラマン分光光度計の動作は、表面増強ラマン散乱の原理に従うことが好ましい。ただし、例えばその成分の空間分布を分析することによって再放射光２１から有用な出力を得ることができる他の光学分析器を使用することもできる。
【００３４】
ラマン分光光度計分析器１０では、図示された３角形の包絡線２２が、例えば散乱光または再放射光２１のスペクトル成分の空間分布の最大範囲を表す。この包絡線の内側には通常、一般に２３で示され、具体的には図１の例えば２３ａから２３ｆで表されたものなど、何本かのラマンスペクトル線がある。分光光度計１０の検出器１３のモノクロメータの帯域通過が、２０ｃｍ-1など比較的に幅広い大きさに設定されている場合には、検出器１３を使用して、２４に表されたボルト−ラマングラフの形態の出力曲線を生み出すことができる。検出器１３によってモニタされた光の強度が、電源４によって電気光学分子スイッチ３に印加された電位の関数として検出される。グラフ２４は、後に詳細に論じるある双安定ヒステリシス特性を示している。光の強度を表す情報を電源４によって電気光学分子スイッチ３に印加された電位の関数として生み出す他のラマンスペクトル線領域を測定するために格子１１およびスクリーン１２に対して配置された検出器１４に対する別のボルト−ラマングラフ２５が示されている。
【００３５】
電気光学システム１は、一般的な室温、例えば約２０℃から約３００℃超の温度で動作し、ジョゼフソン接合技術で必要とされるような過冷を必要としない。
【００３６】
例えば電気光学システム１を高速スイッチデバイスとして使用すると、電気光学分子スイッチ３に印加された所与の電位について、入射照明２０のオンおよびオフに対応して、散乱光または再放射光がオンまたはオフする。約２×１０-13から約５×１０-13秒という短いスイッチング時間が室温で達成された。
【００３７】
本発明の代替実施形態によれば、図２から図５の３０、３１、３２および３３に示したものなどの電気光学分子トランジスタ半導体デバイスを、図１の電気光学システム１の電気光学分子スイッチ３の代わりに使用することができる。このような修正システム１は一般に、電気光学分子スイッチ３を使用する先に説明したシステムと光学的には同一でないとしてもほぼ全く同様に、そうでなければほぼ同様に機能すると考えられる。しかし、このようなトランジスタまたは他の固体半導体型デバイスを使用するこのような修正システム１の機能は、電気的にはスイッチ３とはいくぶん異なったものとなる。簡単に説明すると、このような電気動作は、例えば、ドープされた半導体材料が互いに相互作用する、具体的には、このような材料に印加された電位、より詳細にはこのような材料の接合部に印加された電位がトランジスタ型作用を可能にする、従来の半導体トランジスタ型の動作となろう。反対の極性にドープされた材料のそれぞれの接合部、例えばそれぞれのｐｎ接合３４、３５を、図２のトランジスタ３０に接続された電源３６、３７によって適当にバイアスすることにより、大環状分子材料であることが好ましい電気光学分子材料４０のイオン化レベル、または電気光学分子材料４０に印加された電位によって、散乱光または再放射光２１から分析されたラマンスペクトル線２３（図１）の強度および／または空間分布が適当に変化する。
【００３８】
本発明の他の代替実施形態によれば、スイッチ３またはトランジスタ３０〜３３の代わりに、電気光学分子増幅器型デバイスまたは分子構造を使用することができる。フタロシアニン分子（または他の大環状分子）部分およびそれに化学的に結合した光感応性入力分子を含むこのような増幅器分子構造３８が図７に示されている。入力分子への光の入力に応答して、入力分子は大環状分子部分を励起し、大環状分子部分はこのような励起を効果的に増幅し、それに応じて増幅された光出力を生み出す。
【００３９】
このように本発明は、信号スイッチング、信号変調および／または信号増幅を達成するために、電気光学システム中で電気光学応答分子を、スイッチおよび／またはトランジスタなどのデバイスとして使用することを包含する。スイッチ実施形態では、一方では好ましくは分子を表面に吸着した電極、好ましくは銀電極などの金属電極を介して、他方では電解液を介して、分子に電位が印加される。所望ならば、第２の固体電極を電解液の代わりに使用することができる。図１では、このような銀電極が４１、電極の表面に吸着された分子が４０、電解液が４３でそれぞれ表されている。電解液４３は例えば酸であり、電解液および表面に分子４０が吸着した電極４１は、ビーカーまたは光学的に透明な他の好ましい容器などの光学的に透明な容器４４の中に入れることができる。トランジスタまたは他の電気光学半導体分子デバイス２として本発明のシステムを使用するときには、分子４０（図２）は、フタロシアニン、ポルフィリン、クロロフィル、ヘムおよびシトクロムなどの電気光学特性を有する大環状分子型の分子であることが好ましく、このような材料はさらにドープされた半導体特性を有していなければならない。上で述べた材料はもともとｐ型ドーピング特性を有している。したがって、例えば図２を参照すると、５０、５１で示されたものなどの残りの半導体材料はｎ型ドーピング特性を有していることが好ましい。このようなドープされた半導体材料５０、５１は、リード接続５２とともに、入射照明２０に応答したトランジスタ３０内の分子４０による散乱光または再放射光２１の形態の所望の光学出力応答を達成するのに適当な半導体接合部バイアスおよび電位印加／分子イオン化または励起を提供する。
【００４０】
トランジスタ３０〜３３は、電気光学分子スイッチ３に関して先に述べたと同様に、入射放射に応答して、トランジスタの測定可能な出力電気特性を変化させるように機能することができることに留意されたい。ただし、以下の本発明の詳細な説明は主として、例えばスイッチ３またはトランジスタ３０〜３３のうちの１つを使用して、入力電位および／または入射照明の変化に応答して光学出力を変化させる本発明に基づく電気光学システム１の使用を対象とする。それでもやはり、本発明は、例えば入力電位および／または入射照明、あるいはその両方に応答した測定可能な電気特性の変化の必然的結果を包含すると解釈すべきである。
【００４１】
本発明の好ましい実施形態および最良の形態によれば、分子４０が電気光学的に活性である。具体的には、このような分子は、入射放射またはその照明に応答して光を再放出するという点で活性である。さらに、このような再放出光のスペクトル成分の強度および空間分布が、入射照明および／または分子に印加された電位の関数として変化することが好ましい。より好ましくは、この電気光学応答分子をトランジスタデバイスで使用するときには特に、この分子が、図２〜５のトランジスタ３０〜３３に示されているように、例えばｐ型ドープ半導体材料などのドープされた半導体の特性を有することが好ましい。このような分子は、電気光学分子スイッチ３でも使用することができる。最も好ましい大環状分子の例は、フタロシアニン（Ｐｃと略記することがある）、ポルフィリン（Ｐと略記することがある）、クロロフィル、ヘムおよびシトクロムである。これらは全て、所望の電気光学特性およびｐ型半導体特性を有する。
【００４２】
一例では、水溶性のテトラスルホン化フタロシアニンを電気光学分子材料として使用し、このような材料を、図１に示した電極４１などの銀基板の表面に吸着させた。このようなテトラスルホン化フタロシアニン（ＴＳＰｃ）分子は図６の６０に表されている。分子６０は、より大きな内環および外環を形成する４つのピロール環６１および４つのベンゼン環６２から成る。内環は、無金属フタロシアニン（Ｈ2−Ｐｃ）を形成する２つの陽子を含むことができ、またはさまざまな金属フタロシアニン（Ｍ−Ｐｃ）を生み出す配位結合した４つの中心金属イオンを有することができる。このような金属イオンは図６の文字「Ｍ」によって表されている。このようなフタロシアニンは、いくつかの化学薬品会社から市販されており、その例には、Ｋｏｄａｋ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社（米ニューヨーク州Ｒｏｃｈｅｓｔｅｒ）、Ｆｉｓｈｅｒ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社、Ａｌｌｉｅｄ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社などがある。
【００４３】
フタロシアニン分子は、分子に極性基を追加しない限り、水性媒質に不溶である。図７に示した４つのＳＯ3極性基から分かるように、分子６０はテトラスルホン化されている。スルホン化は、分子全体の特性に対して最小限の影響しか持たないようである。スルホン化および水性媒質中での可溶性は、水性媒質などの使用者にやさしい媒質（例えばヒュームカバーまたはフード、クリーンルームなどの特別な条件を必要とせず、かつ無毒な媒質）に分子を溶解でき、電極、好ましくは銀電極、または他の基板に対する吸着プロセスで分子を使用できるため有利である。有機溶媒または他の溶媒を使用する場合、分子は、同じ理由からその溶媒に可溶でなければならない。
【００４４】
ポルフィリン分子は、図６のフタロシアニン分子６０にいくぶん似ているように見えることに留意されたい。違いは、ポルフィリンが４つのベンゼン環６２を持たず、架橋窒素原子が炭素原子に置き換わっていることである。
【００４５】
実施例１
大環状分子材料、具体的にはテトラスルホン化フタロシアニンを銀電極４１（図１）の表面に吸着させた。このような分子４０は、電極の表面に単分子膜が形成されるように吸着させた。銀電極４１を、０．０５Ｍ硫酸および１０-5Ｍ大環状分子（フタロシアニン）材料から成る化学的に清浄なｐＨ１の水性浴媒質６５（図８）に入れ、飽和カロメル参照電極６６に対する５００ｍｖの陽極処理電位に３０から６０秒かけた。ポテンショスタット型の装置６７を使用して、通常のポテンショスタット型の技術における陽極処理用の電気入力を提供した。この手順を使用して、銀を活性化し、界面に表面エネルギー準位を生み出し、大環状分子の吸着単分子層を形成した。銀に対するこのような電位の印加は銀の活性化と呼ばれる。
【００４６】
実施例２
陽極処理電位が−１．５ボルトであり、このような電位を印加する陽極処理時間が１分であるほかは、実施例２は実施例１と同じである。結果は実質的に実施例１の場合と同じである。
【００４７】
実施例３
０．０５Ｍ  Ｈ2ＳＯ4から成る化学的に清浄な水性浴媒質中に銀電極４１を入れた。電極４１を、図８の装置を使用して、実施例１に記載した時間、飽和カロメル参照電極に対して例えば５００ｍｖの電位にかけた。これによって銀電極は活性化される。次いで銀電極を浴媒質から取り出し、１０-5Ｍ  テトラスルホン化フタロシアニン（ＴＳＰｃ）水溶液に浸した。その後、電極を取り出し、過剰な水溶液を蒸発させて、活性化された電極の表面に吸着したＴＳＰｃの単分子層を形成させた。
【００４８】
実施例４
銀電極を活性化する陽極処理電位が−１．５ボルトであり、このような電位を印加する陽極処理時間が１分であるほかは実施例４は実施例３と同じである。結果は実施例３とほぼ同じである。
【００４９】
実施例１〜４では、本発明に基づく主題分子、例えばフタロシアニンのモル濃度を、基板の表面に単分子膜が吸着されるように選択した。しかし、多分子膜を吸着させたい場合には、より高いモル濃度、例えば１０-3を使用することができる。さらに、真空蒸着、真空膜成長、エピタキシャル成長およびスパッタリングを含む他の吸着技術を使用することもできる。さらに、他の主題分子の吸着は、実施例１〜４または本明細書の他の実施例の場合と同じとすることができるが、所望の単分子または多分子膜を達成する分子サイズを収容するために、主題分子のモル濃度を調整する必要が生じる場合がある。
【００５０】
電気光学システム１を使用して、銀電極の表面に吸着させたＨ2−ＴＳＰｃを試験した。Ｈ2−ＴＳＰｃを吸着させた電極界面を、５１４．５ｎｍで動作する出力パワー約５０ｍＷのアルゴンイオンレーザ線で照明した。入射角は垂直面に対して７８度であった。入射光に対して９０度の散乱光を観察した。この散乱光を、例えばダブルモノクロメータ（Ｓｐｅｘ  １４００）を含むラマン分光光度計１０によって分析した。光電子増倍管、例えばＩＴＴ  ＦＷ１３０、および光子計数機を検出器１３、１４として使用した。図１では、モノクロメータが、分子４０によって散乱された光の空間解像度を示す格子１１およびスクリーン１２として示されているが、よく知られているように、好ましいＳｐｅｘ  １４００モノクロメータは、実際には、走査格子／固定スリットシステムを使用している。
【００５１】
このような試験の間に、電源４によって分子４０に印加される電位を変化させた。このような電源は例えば、電池４ａまたは直流電位の他の電圧源、および可変抵抗器、ポテンショメータ、加減抵抗器４ｂを含む。リード７０によって電池の一端を銀電極４１に接続した。導電性電極７１を、リード７２を介して可変抵抗器４ｂのワイパアームに接続して、ワイパアームの電位を電解液４３の電位に等しくした。したがって、分子４０に印加される電位は、可変抵抗器４ｂの調整および電池の４ａの電圧レベルの関数である。
【００５２】
レーザが銀とＴＳＰｃの界面を励起し、電解液が、表面増強ラマン散乱の形態の光を出射した。活性化された銀電極は、約１０6の一般的な利得係数を有する増幅器として機能した。スペクトル成分および強度は、入力照明の強度および周波数成分、ならびに分子に印加される電位の関数であった。ラマン信号の強い増強の理由は、反転分布の条件を生み出す新しい表面エネルギー準位にあるようである。この実施例で吸着ＴＳＰｃから得られた表面増強ラマン散乱スペクトルによって、その溶液または固相、あるいは吸着状態での大環状分子種（このケースではＴＳＰｃ）の分子振動特性が、高い信頼性および再現性で明らかになる。分子振動特性の信頼性の高い再現は、他の吸着大環状分子種に対する表面増強ラマン散乱スペクトルによる他の実施例でも得られた。
【００５３】
分析器１０による散乱放射２１の分析では、分子内の電子のある状態変化に応答して、１本または数本のラマンスペクトル線が生じる。このような電子の状態変化は、炭素−炭素結合、炭素−窒素結合などの分子内結合の１つを歪める可能性がある。このような状態変化および／または歪みは、その結合の振動特性を変化させて、散乱放射２１の特定の周波数または周波数の空間分布を生じさせる。
【００５４】
図９に、図１に示したスイッチ３の銀電極の表面の吸着ＴＳＰｃから得られた表面増強ラマン散乱スペクトルを、分子４０に印加した４つの異なる電位について示した。電極電位を離散段階的に変化させると、ラマン線の強度はかなりの変化を示す。図９のスペクトルは、２．５ｃｍ-1帯域通過を使用することによりモノクロメータの比較的に高い解像度で記録したものである。図９に示したスペクトルは非共鳴レーザ励起を用いて得たものだが、共鳴励起、すなわち分子の共鳴周波数に等しい周波数のレーザを使用することによって、追加の利得を得ることができる。ＴＳＰｃの共鳴周波数が約６３０ｎｍ、６６０ｎｍまたは３４０ｎｍである。グラフの１３４１ｃｍ-1のところに識別されるピークは、ピロール環のＣ−Ｎ結合に由来し、これは、分子内のこの特定の結合の振動によるスペクトル成分を表す。同様に、１５２１ｃｍ-1のピークは、同じくピロール環の炭素−炭素結合の振動によるスペクトル成分を表す。１６２０ｃｍ-1のスペクトル成分の原因は分かっていない。図９に示した４つのスペクトルはそれぞれ、分子４０（図１）に−０．４ボルト、−０．２ボルト、０ボルトおよび０．２ボルトの電位を印加して測定されたものである。図９に示したデータは、それぞれの周波数での光の強度を表す。強度スケールは、光学検出器１３、１４による１秒あたりの光子カウント数ではあり、スケールの桁は３×１０4カウント数毎秒である。周波数は約２００ｃｍ-1から約１７００ｃｍ-1である。
【００５５】
図１に示したデバイス２のスイッチング速度、すなわち特定の入力または特定の入力の変化に応答する時間は、図９のグラフを検討し、かつハイゼンベルグの不確定性原理に依拠することによって予測または決定することができる。例えば、フタロシアニン分子に印加された０．２ボルト電位でとった全体ラマンスペクトル７６のスペクトル線１５２１のところのフタロシアニン分子の炭素−炭素結合のピーク７５の立上り時間または立下り時間を時間領域で解像することができる。このような解像度は、１０-13秒程度の応答時間を指示する。この応答時間は、特定のラマンバンドの半値高のところで半値幅を測定することによって測定されたものである。図９を見るとその幅はセンチメートルの逆数で測定されている。センチメートルの逆数でのこのような値、例えば５３ｃｍ-1は、３０π×１０9Ｈｚ／ｃｍ-1を掛けることによって周波数領域に変換することができる。その結果の逆数は時間を与え、したがって５３ｃｍ-1は１．９８×１０-13秒と変換することができる。同様に、他のラマンバンドの他のピークの応答時間を得ることができる。
【００５６】
図９から、入力照明の所与の入射光周波数および一定のｐＨにおけるフタロシアニン分子またはフタロシアニン分子層の応答は、分子または分子層に印加される電位の関数となることが分かる。
【００５７】
使用および分析中のそれぞれの分子４０は、１３４１、１５２１および１６２０ｃｍ-1のところに指示された３つのピークを有する図９のグラフのうちの１つなどの特定のラマンスペクトル中に、２０から３０のピークを与える。それぞれのピークを分子のそれぞれの出力と考え、使用することができる。したがって、それぞれの分子は複数の出力が可能である。さらに、複数のそれぞれの出力の大きさは通常、他の出力とは異なる。したがってこのような特性は、マルチレベル動作の構成要素を本発明に導入する。
【００５８】
このようなスイッチングの速度、あるいは所与の入力または入力の変化に応答した所与の大環状分子または分子層の出力特性の変化の速度は非常に速く、例えば１０-13秒程度である。この短い応答時間をさまざまに使用することができる。一例が、ラマン分光光度計などの既存の検出機器による情報読出し応答の高速化である。他の例が、本発明に基づく２つ以上のデバイス２を光学的かつ／または電気的にリンクし、それによって１つのデバイスからの出力が、他のデバイスへの入力を直接または間接に提供するようにすることである。後者の例の場合、極めて速い動作を有する論理ゲートおよびシステムを生み出すことができる。
【００５９】
図１０ａに、鉄フタロシアニン分子によって再放出され、またはこの分子から散乱した周波数１３４６ｃｍ-1の光の強度のグラフ９０を示す。強度は、分子または分子層４０（図１）に印加された電位に関してグラフ化されている。電圧が約−０．４ボルトから＋０．２ボルトに増大するにつれて、曲線９１は、散乱光強度と印加電位の間の関数相互関係を表す。極大９２には、その関数の進行および電位変化の途中で達する。電位が低下すると、グラフ線９３に従い、ピーク９４に達成する。ピーク９４の大きさは、強度スケールのカウント毎秒から見て分かるようにピーク９２よりも大きい。したがってグラフ９０は双安定ヒステリシスを示す。図１０ａのグラフまたは曲線は、入力電位の変化に伴って起こる周波数偏移を収容するために、分析器１０のモノクロメータの比較的に低い解像度または広い帯域通過２０ｃｍ-1を使用して作成したものである。
【００６０】
グラフまたは曲線９０の双安定ヒステリシス特性を利用して、例えば論理関数を提供することができる。例えば、ピーク９２の測定値を使用してディジタル論理レベル０を表し、ピーク９４を使用してディジタル論理レベル１を表すことができる。したがって、ピーク９２に達する前の負の極大またはある負の点から、極大９２に達する点を過ぎて、より正のレベルへの電位の遷移に依拠して、論理レベル０を識別することができる。具体的には、−０．４ボルトから＋０．２ボルトまでの入力電位の信号遷移の結果、ピーク９２に達し、したがって、この負から正への信号遷移は論理０を効果的に表す。同様に、ピーク９４の生成につながる正から負への遷移を使用して、論理１信号を識別することができる。図１には、このような論理信号遷移の検出に使用することができるデコーディング回路１００が示されている。このようなデコーディング回路１００は、特定の信号遷移の間にそれぞれの極大またはピーク９２、９４に達したときに、論理１出力信号をそれぞれ生み出す一対のレベル検出器１０１、１０２を含むことができる。両方のピークが生み出された場合、ＡＮＤゲート１０３が、このような事象の発生、したがって正電位から負電位へのエクスカーションを表す信号を出力端子１０４に生み出す。他方、排他的ＯＲゲート１０５だけがその出力１０６に信号を生み出す場合には、このようなピークの一方、すなわち低いほうのピーク９２だけが起こったことを指示し、これは正方向の電位のエクスカーションを指示する。
【００６１】
図１にはさらに電圧制御機構１１０が示されている。電気光学分子スイッチ３（または本発明に従って使用される他の任意の電気光学分子デバイス２）内の分子４２に印加される電位を調整するために、電圧制御機構１１０を電源４に機械的または電気的に接続することができる。このような電圧制御機構１１０は、増幅回路、可変抵抗器４ｂを制御する電気機械装置、固体回路、コンピュータ型の回路などとすることができる。電圧制御機構１１０の１つの目的は、分子４０に印加される所望の電位を達成することであり、他の目的は電位を制限することである。
【００６２】
次に図１０ｂを参照すると、グラフ９０のピーク９４と＋０．２ボルトで起こる極小との間の部分９３が９３’で表されている。電圧制御機構１１０（図１）を使用して、分子４０に印加される電位を、約−０．２ボルトと＋０．２ボルトの間に示されたその電位に制限することによって、グラフ９０の双安定ヒステリシス関数を効果的に排除することができる。さらに、電圧制御機構１１０がさらに、分子４０に印加される電位を図１０ｂに示された電圧Ｖ1とＶ2の間の電位に制限するように動作する場合、図１０ｂの曲線部分９３”に表されているように、分子４０によって出射された光の１３４６ラマンスペクトル線の強度と電位との間に近直線関係を達成することできる。
【００６３】
次に図１０ｃを参照すると、０．０５Ｍ  Ｈ2ＳＯ4水溶液中の銀電極の表面の吸着鉄フタロシアニンに対応するサイクリックボルタモグラムが示されており、このボルタモグラムは、この特定の吸着分子に対する電圧と電流の間の関係を示している。さらに、このサイクリックボルタモグラムのこぶまたはピークは、吸着分子の酸化および還元状態を指示している。サイクリックボルタンメトリを使用して、吸着分子の電気化学的状態の解明を助け、ラマン散乱光の光学的変化を吸着分子の電気化学的状態に関係づけることができる。
【００６４】
図１１ａ、１１ｂおよび１１ｃは、あるラマンスペクトル線で出射された光の強度の関係を、電解液４３の異なるそれぞれのｐＨレベルでの分子、具体的には図１のフタロシアニン分子４２に印加される電位の関数として示すグラフまたは曲線である。例えば、図１１ａおよび１１ｂの５対のグラフ１２０ａ〜１２４ａおよび１２０ｂ〜１２４ｂはそれぞれ、１６２０ｃｍ-1ラマンスペクトル線および１３４１ｃｍ-1ラマンスペクトル線で出射された光の強度と分子４２（図１）の層に印加された電位との間の関数関係を、ｐＨの異なるそれぞれの電解液４３について示したものである。電解液のｐＨレベルはそれぞれ、それぞれの曲線に隣接して示された数字１、２、３、４および７によって表されている。図１１ａおよび１１ｂに示した強度は相対強度であって、絶対強度を表すものではない。ただし、基準枠として、図１１ａに指示された距離４．８は、先に述べた光検出機で測定した４．８×１０4カウント数毎秒のスケールを表し、図１１ｂの距離２．１は、２．１×１０4カウント数毎秒のスケールを表す。
【００６５】
図１１ｃの４つのそれぞれのグラフ１２０ｃ〜１２３ｃは上で説明したグラフと同様のグラフだが、図１のシステムのモノクロメータ設定を１５２１ｃｍ-1にし、図１１ｃに示された４つの異なる指示されたｐＨ濃度レベル１、２、３および４で測定したグラフである。
【００６６】
図１１ｄには、それぞれのｐＨ濃度１、２、３、４および７に対する、例えば図１１ａ、１１ｂおよび１１ｃに示したグラフに対応する、５つのそれぞれのサイクリックボルタモグラムが示されている。
【００６７】
図１１ａ〜１１ｄに示したグラフから、電解液４３のｐＨ濃度が、分子４０の出射光の強度と分子に印加される電位との間の関数関係に対してかなりの影響を有することが分かる。ｐＨレベルが低いほどより直線的な関係が生じるように見える。これらの曲線、または強度と電位の間の関数相互関係のさまざまな部分を使用して、特定の範囲の直線化または測定値などに関して、ある所望の出力を達成することができる。同様に、先に述べた電位変化方向および極大のデコーディングを達成するためのパラメータを、所望の光学／電気出力が特定の使用および機器に対して最適化されるように選択することができる。
【００６８】
実施例５Ａおよび５Ｂ
フタロシアニンの代わりにポルフィリンを使用するほかは、実施例５Ａおよび５Ｂは実施例１および２と同じである。操作の結果は先に説明したものとほぼ同じである。
【００６９】
実施例６Ａおよび６Ｂ
フタロシアニンの代わりにクロロフィルを使用するほかは、実施例６Ａおよび６Ｂは実施例１および２と同じである。操作の結果は先に説明したものとほぼ同じである。
【００７０】
実施例７Ａおよび７Ｂ
フタロシアニンの代わりにヘムを使用するほかは、実施例７Ａおよび７Ｂは実施例１および２と同じである。操作の結果は先に説明したものとほぼ同じである。
【００７１】
実施例８Ａおよび８Ｂ
フタロシアニンの代わりにシトクロムを使用するほかは、実施例８Ａおよび８Ｂは実施例１および２と同じである。操作の結果は先に説明したものとほぼ同じである。
【００７２】
実施例５〜８では、所望の単分子または多分子膜を得るために、溶媒または浴溶液中の分子のモル濃度を変更しなければならない場合がある。さらに、上記の全ての実施例で、水溶性分子に対しては溶媒を水とし、または溶媒を任意のイオン伝導性媒質とすることができるが、陽極処理浴または浸漬浴中で使用する溶媒は、分子が溶解する有機溶媒などの他の溶媒とすることができる。
【００７３】
先に説明したそれぞれの実施例では、基板４１が、先に説明した電解液中での活性化によってラマン散乱光が増強する銀電極である。しかし、他の基板または電極を使用することもできる。発明者は、銀電極のこのような活性化が、反転分布の機構を支持するエネルギー状態の形成によるものであると考えている。基板または電極４１のこのような活性化は、電気光学分子デバイス２、具体的にはスイッチ３の出力を相当に増強するようである。
【００７４】
本発明の好ましい実施形態および最良の形態では、図２に示したスイッチ３の電解浴４３の代わりに半導体材料を使用する。これに応じて、先に説明したタイプの分子が、電解浴を必要としない半導体型デバイス中で使用される。このような半導体デバイスでは、分子が、ドープされた半導体の特性を有するタイプの分子、またはドープされた半導体の特性を有する能力を有するタイプの分子であることが好ましく、このような半導体型デバイスの例が、図２〜５にそれぞれ示したトランジスタ３０、３１、３２または３３である。本発明はさらに、トランジスタ以外の半導体デバイスでも使用することができる。
【００７５】
例えばトランジスタ３０（図２）を参照すると、分子４０が基板５０の表面に吸着し、または他の方法で基板に付着して、ｎ−ｐ接合３４を形成している。分子４０の上に別の半導体材料層５１を適用することによって別のｐ−ｎ接合３５が形成されている。入射光２０を光学的に透過させ、これによって入射光を分子４０に入射させることができ、２１で表された分子４０によって散乱されまたは出射された光を光学的に透過させるように、層５１はかなり薄いことが好ましい。本発明の好ましい実施形態および最良の形態では、分子４０が、もともとｐ型にドープされた半導体の特性を有する大環状分子である。それに応じて、半導体層５０、５１はｎ型にドープされた半導体材料であることが好ましい。好ましい大環状分子および層５０、５１のための好ましい半導体型材料は先に挙げた。半導体またはドープされた半導体材料と同じように動作する同様の特性を有する限り、他の材料を使用することもできる。半導体デバイスはトランジスタデバイス以外のデバイス、例えばダイオードとすることもできる。図示のｎｐｎデバイスではなしに、デバイスを電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）とすることもできる。
【００７６】
電気光学分子トランジスタ３０の動作は、図１を参照して先に説明した電気光学分子スイッチ３の動作と同様であり、先に述べたとおり、システム１のスイッチ３の代わりにトランジスタ３０を使用することができる。具体的には、電位または他の電気入力を、リード５２ａ、５２ｂ、５２ｃおよび半導体層５０、５１を介して分子４０に印加することができる。直流電圧源であることが好ましい電源３６、３７が必要な電力を供給する。入射光２０は層５１を通して分子４０に導かれる。この入射光および電位に応答して、分子は、図１を参照して先に説明した分子４０の応答と同じ方法で光２１を散乱しまたは再放出する。電気光学分子トランジスタ３０の固有の利点は、このようなデバイスが、光学出力を供給することができるデバイスとして動作するだけでなく、従来のトランジスタデバイスと同じ方法で機能することである。したがって例えば、トランジスタ３０を、エミッタフォロワ構成で、電気信号の増幅器などとして使用することができる。したがって、トランジスタ３０は、その電子的使用、光学的使用、および電気光学的使用において複数の機能を有する。さらに、デバイス３０の電気特性は入射光２０の関数として変化するので、光学信号の電気的な読出しを達成することができる。スイッチ３にないトランジスタ３０の具体的な利点はトランジスタの可搬性である。具体的には、トランジスタ３０では、相対的に可搬性に劣る電解液が必要なく、トランジスタ３０の光学出力に影響を及ぼす動作に必要な電気入力は、半導体層５０、５１を形成する材料によって達成される。
【００７７】
図２、３、４および５は以下のように区別することができる。図２では、本発明に基づく分子４０が、半導体層５０と５１の間に単分子層、すなわちおよそ１分子分の厚さを持つ層を形成している。図３では、分子４０が、半導体層５０と５１の間に多分子層１４０を形成している。図４では、分子４０が単分子層を形成しており、分子４０が実際には、半導体層５０と分子の間に位置する銀、酸化銀などの電導性基板１４１の表面に吸着されている。このような導体１４１を使用して、分子４０への所望の電位の印加を達成することができるが、半導体材料５０、５１だけを使用して単分子層内の分子４０に適当な電位を印加することができる場合には、トランジスタ３０の場合のように、これを排除することができる。層１４１を使用する他の利点、特にこれが銀である場合の利点は、これを活性化して、先に述べた利得効果を得ることができる点である。図５では、トランジスタ３３が分子４０の多分子層１４２を有しており、これらの分子が、図４のトランジスタ３２に関して説明した導体１４１の場合のように、金属導体基板１４３の表面に吸着されている。これらのいくつかのトランジスタ３１、３２および３３の動作は、トランジスタ３０に対して先に説明した動作と同じと考えられる。
【００７８】
実施例９
先に説明したプロセスと同様のプロセスを使用して、主題分子を半導体材料の表面に、特に浸漬、スパッタリング、真空蒸着およびエピタキシャル成長を使用して付着／吸着させることができる。半導体基板材料についての腐食を回避するために、浴媒質を変更しなければならない場合がある。半導体基板表面での大環状分子膜の形成は、従来の技術によって達成することができ、大環状分子材料への半導体膜の形成についても同じことが言える。したがって例えば、使用可能な半導体技術および好ましい大環状分子を使用して、大環状分子が半導体層の間に挟まれたデバイスを製作することができる。
【００７９】
スイッチ２とトランジスタ３０〜３３はともに、本発明に基づいて、スイッチング機能を提供するのに使用することができる。具体的には、入力光および特定の電位に応答して、出力光または出力光の特定のスペクトル成分をオンまたはオフに切り換えることができる。このようなスイッチの応答速度は１０-13秒程度であり、特に分子がトンネル効果を示す場合には、１０-15秒程度という高い速度に達する可能性がある。本発明を使用して、出力信号の強度を、分子４０への入射照明および／または分子に印加された電位の関数として、変調させることもできる。このような変調に対する応答も同様に極めて高速である。このようなスイッチングおよび変調操作を使用して、単一の光学または電気入力が、複数の出力、例えば分子から散乱または再放出された光の個々のスペクトル成分の形態の出力、に影響を及ぼすようにすることができる。
【００８０】
図１２に、電気光学記憶または読出し型デバイスとして使用される本発明の一実施形態を示す。このような記憶デバイスは１５０に示されており、これは、１５１、１５２で識別されるものなどの複数のセルから成るアレイを含む。それぞれのセルは、ドープされた別個の半導体層５０、５１などを含み、その間に分子４０の単分子層または複数の層を含む電気光学分子トランジスタ３０の形態とすることができる。したがって、本発明の固体または半導体実施形態は、比較的に大規模（実際のセルに関して）で、かつ小サイズの記憶または読出し型デバイスへの組込みに都合がよいという重要な利点を有することを理解されたい。一例として、現時点で使用可能な技術を使用して、それぞれのセルを２ミクロン×２ミクロン程度にすることができ、したがって、０．２５×１０8単位セル毎１平方センチメートルという密度を達成することができる。セル１５１などの所与のセルの中の分子に適当な電位を印加すると、セルは、図２の電気光学分子トランジスタ３０とほぼ同様に動作する。このようなセルは、従来のレーザスキャナ１５３によって光学的に走査することができ、このような走査および個々のセルの分子４０に印加される電位に応答して、セルは光２１を出射し、出射された光は、光学検出器／分析器１５４によって検出し分析することができる。光学検出器／分析器は、図１を参照して先に詳細に説明したラマン分光光度計１０に類似のものとすることができる。
【００８１】
レーザ１５３はセルアレイ全体を照明することができる。１５５に概略的に示されたリードを使用して、それぞれのセルの電位を変化させることができる。検出器／分析器１５４は、集束レンズ１５７および焦点面レンズ１５８を含むことができる。これらのレンズは協力して、それぞれのセルによって散乱された光を集め、レンズ１５８の背後に、ラマン分光光度計１０または他の光学検出手段によって分析することができる像を生み出す。レーザが、デバイス１５０の全てのセル、または少なくとも２つ以上のセルを同時に照明する場合には、検出器１０はそれらのセルを走査しなければならない。あるいは、先に述べたように、それぞれのセルを、そのセルの出力および／または励起に応答する他のデバイス１５０の他のセルに直接に結合することもできる。レーザ１５３がアレイデバイス１５０の分離されたセルを走査する場合には、他の代替方法として、非走査型の検出器１０を使用することができる。
【００８２】
記憶／読出しデバイス１５０、スキャナ１５３および検出器／分析器１５４は電気光学読出しシステム１６０を構成する。システム１６０を使用して、所与のセルの電位を検出し、その情報を光学情報に変換して、その後に検出器／分析器１５４で検出できるようにすることができる。記憶デバイス１５０は、個々のセルのそれぞれの分子４０に印加される電位を維持するのに必要な最低限の電流、したがって最低限の電力しか必要としない。このような電位は、図示のリードによってそれぞれの半導体層に接続されたコンピュータまたは他の手段によって、個々のセルについて個別に制御することができる。デバイス１５０は最低限の電力しか必要としないので、それによって放出される熱量は最小化される。分子４０の動作は極めて高速なので、システム１６０の走査も極めて高速にすることができ、これによってコンピュータまたはシステム１６０に含まれる他の装置の演算機能の速度を潜在的に増大させることができる。システム１６０の重要な他の利点は、それぞれのセルからの複数の出力に依存することができ、その結果、例えばその電位条件が与えられた場合に、それぞれのセルが複数の情報を実際に記憶することができることである。
【００８３】
したがって、本発明を使用して、電気信号および／または情報を光学信号および／または情報に即時に変換できることを理解されたい。さらに、本発明を使用して、電気記憶デバイスの高速光学読出しを容易にすることができる。
【００８４】
スイッチ２または電気光学分子トランジスタ３０〜３３のうちの１つの中の分子４０の１つまたは複数の層の代わりに図７に示した光学増幅器を使用することができる。光増幅器分子構造３８中には、本発明に基づく複数の分子４０、好ましくは大環状分子、最も好ましくはフタロシアニンがあり、これらの分子は互いに近接して配置されている。これらの分子は互いに化学的に結合されていてもよい。このような分子４０は、一般に図７に示した方法で互いに積み重ねられ、または別の方法で互いに隣接した分子であることが好ましい。増幅器３８はさらに、外層の分子４０に化学的に結合された光感応性入力分子２００を含む。本発明の好ましい実施形態および最良の形態ではこの分子がロドプシンである。光感応入力分子２００は一般に光入力に応答し、または特定の周波数／波長特性に応答して、励起状態となる。このような励起状態では、電子が自由になり、またはその摂動が加わっていない状態よりも励起された状態になる。このような励起は直ちに、光入力分子２００が化学的に結合した分子４０へ直接に伝えられる。このような結合は、図６のフタロシアニン分子に１つのＳＯ3極性基を取り付ける方法と同様の方法で実施することができる。したがって、図７に示すように、３つのフタロシアニン分子２０１、２０２、２０３があり、光感応入力分子２００は、使用可能な有機合成技術を使用して最初のフタロシアニン分子２０１に化学的に結合されている。光感応入力分子２００の励起は電気光学分子２０１に伝えられ、これによって電気光学分子２０１は励起状態となり、特定のスペクトル特性の光を出射する。この光およびこのような励起は、次の隣接する電気光学分子２０２、例えば別のフタロシアニンに伝えられ、これによって電気光学的分子２０２は励起し、同じスペクトル成分の光を出射する。ただしこの場合、好ましいスペクトル成分は、分子２０２に伝えられた電気励起と光学入力の両方による分子２０２の２重励起のために、分子２０１によって出射された光のスペクトル成分よりも大きな強度の成分である。分子２０２からの入力に応答した分子２０３でも、同じタイプの増幅が生じる。次いで、入力分子２００への光入力２０に応答して最後の分子２０３に光出力２１が生み出される。光入力２０は、光出力２１に含まれる増幅されたスペクトル成分の１つと同一のスペクトル成分を有することができる。しかし、上で説明した増幅効果のため、光出力２１のスペクトル成分の強度は、光入力２０に含まれる同じスペクトル成分の強度よりも大きくなることができる。
【００８５】
それに応じて、光感応性入力分子２００を使用して、本発明に基づくそれぞれの分子４０に光入力を結合して、それによって生み出された光出力中の好ましいスペクトル成分の強度を増強することができる。本発明は、例えばそれに対する入力分子の感度が特に高い周波数などの特定の周波数の光を選択的に増幅することによって、光通信伝送デバイス分野に応用することができる。
【００８６】
光出力の強度、具体的には分子４０からの特定のスペクトル成分の強度を増強または増大させる他の技術は、分子４０の分子バンドの固有振動数に実質的に等しい周波数の光学入力を分子４０に提供する方法である。例えば、図９に示した１３４１ｃｍ-1のラマンスペクトル線は、炭素−窒素結合の固有振動数に起因する。このような１３４１ｃｍ-1スペクトル線に対応する、分子４０への入射光の所望の周波数は、互いに干渉してこのような１３４１ｃｍ-1ラマンスペクトル線に対応する周波数の入射照明を生み出すレーザ６、７などのコヒーレントな２つの単色光源を使用することによって達成することができる。このような照明は、コヒーレント反ラマンストークス原理（ｃｏｈｅｒｅｎｔ  ａｎｔｉ−Ｒａｍａｎ  Ｓｔｏｋｅｓ  ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ）に従う。このような原理を使用した動作では、はるかに高い強度の出力が分子４０から得られる。しかし、このような原理に基づくこのような動作では、分子４０によって、先に説明した複数の出力ではなく単一の出力だけが生み出される。１つのレーザ周波数を走査することによって、ラマン信号の他の周波数の増強を達成することができる。
【００８７】
図１３を簡単に参照する。この図には、光学入力および特定の電位入力に対する本発明に基づくデバイス２の応答を電気的に読み取るための回路が示されている。電圧入力制御機構１１０は、電源４によってデバイス２に印加された電位の大きさを制御する。計器２２０は例えば電流を読み取って、入力電位および入力光に対するデバイス２の応答を検出する。この例示的な読出し回路または他の回路を、本明細書に記載した本発明のいくつかの実施形態とともに使用して、デバイス２への光学入力または電気入力の電気読出しを得ることができる。
【００８８】
以上のことを考慮して、本発明を、電気光学スイッチまたは電気光学半導体デバイスとして使用できることを理解されたい。電気光学半導体デバイスとして使用する場合には、半導体デバイスが電気光学トランジスタであることが最も好ましい。しかし、本発明は、４層以上の半導体層から成るシステムなどの他のタイプの半導体システムとともに使用することもできる。入力は、好ましくは単色型、最も好ましくはコヒーレント型の従来のレーザ、半導体レーザ装置および他の光学照明源によって提供することができる。本発明を使用することができる材料は先に説明した。同等に機能するであろう他の材料も使用することができる。本発明はさらに、上記の説明と整合するスイッチング法、変調法および増幅法を具体化する。
【００８９】
(分子構造によってデバイスの機能は変化する)
以下の議論は、分子構造設計によって、本発明の分子／量子デバイス、例えば開示したさまざまな大環状分子などの機能的振る舞いがどのように変化するかに関する。一例では、単量体金属化フタロシアニンが、高速で（＜１０-12秒）、エネルギー効率がよく（３０ｋＴ／情報ビット、「ｋ」はボルツマン定数、「Ｔ」は絶対温度である）、複数の出力を有する完全に可逆的な量子スイッチとして振る舞う。しかし、単量体フタロシアニンが、１次元ワイヤ状環スタックフタロシアニン（例えば図１４ｂ参照）、２次元シート状環縮合フタロシアニン（例えば図１４ｃ参照）などの構造結合体として組織化されている場合、その電気光学特性は、単一の単量体フタロシアニンからかなり変化しており、または単量体フタロシアニンとは相当に異なっている。その結果、その機能は、多数のＣＭＯＳおよび同種の古典的半導体デバイスの代わりに使用することができる新しい注目すべき特性を示す。
【００９０】
図１４ｂに示されたタイプのスタック状大環状分子を作る方法は当業者には周知であり、例えばＭａｌｃｏｍ  Ｋｅｎｎｙによるテキストに出ている。図１４ｃに示すような２次元大環状分子構造を作る方法も当業者には周知であり、例えばＣｏｌｅｍａｎ他によるテキストに出ている。
【００９１】
図１４ａおよび１４ｂでは、大環状分子が、図示のように中心にケイ素、例えば１つまたは複数のケイ素原子を有するフタロシアニン構造である。このような分子はケイ素フタロシアニンと呼ばれることがある。図１４ｃでは、大環状分子が、中心に金属、例えば１つまたは複数の金属原子を有するフタロシアニン構造であり、これらを金属フタロシアニン（metallo-phthalocyanines)と呼ぶことができる。例示的な金属は、コバルト、鉄、銅、ニッケル、銀、金、パラジウム、白金、アルミニウムなどである。このようなフタロシアニン構造中で水素は金属と考えることができ、または金属として振る舞うことができ、したがって水素はこのような金属のグループに含めることができる。
【００９２】
米国特許第４８０４９３０号には、分子単量体単位として、または一般に電気化学的に半組織化された形態として、さまざまな電気光学特性を提供することができるフタロシアニン分子が記載されている。高速スイッチング効果、マルチレベル論理、記憶状態が実験に基づいて文献に記載されている。
【００９３】
本発明によれば、出願者は、フタロシアニン分子が図１４に示した基本的にツリー構造状の形態を形成することができることを発見した。図１４には、単量体分子単位が表されており、さらに、重合結合体が、１次元環スタック「ワイヤ」状構造および２次元環縮合「シート」状構造として示されている。図１４は、異なるフタロシアニン構造の概略図であり、（ａ）単量体、（ｂ）環スタックおよび（ｃ）重合体シートを表している。３つの基本構造は全て、分子の中心にさまざまな金属（コバルト、鉄、銅、ニッケル、銀、金、パラジウム、白金、アルミニウムなど）を有することができる。
【００９４】
図１４ａおよび１４ｂではフタロシアニンが中心にケイ素を含むことに留意されたい。図１４ｃの縮合重合体シート配置では、それぞれのフタロシアニン配置の中心に金属Ｍがある。図１４ａにはいくつかの酸素原子（Ｏ）が示されている。図１４ｃには、２重結合窒素（Ｎ）が示されており、ＨＯＯＣおよびＣＯＯＨ基がある。
【００９５】
底面が１×１ｎｍ（ナノメートル）であり、長さが分子数によって決まる、環スタックケイ素フタロシアニンの例では、電気特性および光学特性が、図１５に関して後に示し説明するように、例えば１から４であるスタック中のケイ素フタロシアニン分子の数によって、大幅に変化する。図１５に示すサイクリックボルタモグラムは、それぞれ単量体、２量体、３量体および４量体として示されたそれぞれの構造のフタロシアニン分子の電気化学的振る舞いの大幅な変化を指示している。これらのサイクリックボルタモグラムは完全に可逆的であり、完全に可逆的な記憶状態を表している。サイクリックボルタモグラムのピークの数が、「ワイヤ」中のスタックされた環の数に比例して増大していることは興味深い。その結果、環の数に比例する環と同数の安定状態を「調整」し、達成することができる。可逆的な複数の安定状態を有するこの種の電気的振る舞いは、ホプフィールド（Ｈｏｐｆｉｅｌｄ）エネルギー曲線で表現される複数のエネルギー状態を必要とするニューラルネットワークコンピュータにおいて非常に望ましい。
【００９６】
図１５は、左端の縦の列に沿って単量体、２量体、３量体および４量体として示されたそれぞれｎ＝１、２、３および４の酸素によって架橋された（Ｏ−Ｓｉ−Ｐｃ）nの電気光学特性を示す図である。これらは、１次元またはワイヤ状形態の「スタック」である。したがって、単量体は、中心にケイ素を持つように図示された単一のフタロシアニン分子であり、２量体、３量体および４量体配置はそれぞれ２、３または４個のフタロシアニン分子のスタックである。図１５の中央の列は、ＣＨ2Ｃｌ2に溶解した０．１Ｍ  過塩素酸テトラ−ｎ−ブチルアンモニウム中の、白金電極の表面に吸着させた１０-3Ｍ（「Ｍ」はモル濃度を意味する）（Ｏ−Ｓｉ−Ｐｃ）nから得たサイクリックボルタモグラムを示す。それぞれのフタロシアニン分子は、所与のボルタモグラムのすぐ左側に示されたそれぞれの単量体、２量体、３量体、４量体の形態に配置され組織化されている。図１５の右端の列には、ＳＣＥ（飽和カロメル電極）対して０Ｖ（ボルト）の銀電極の表面に吸着させた（Ｏ−Ｓｉ−Ｐｃ）nから、６３２．８ｎｍ、出力パワー２０ｍＷ（ミリワット）のレーザ励起で得た偏光解消共鳴表面増強ラマンスペクトルが示されている。電解液は、アルゴンガスを飽和させた０．０５Ｍ（モル濃度）Ｎａ2ＳＯ4である。したがって、中央列のグラフは、それぞれの大環状分子配置へのそれぞれの入力に応答して得られた信号の電気特性を示し、右列の曲線は光学応答を表す。
【００９７】
さらに、サイクリックボルタモグラムの多価レドックス状態は、１ピコ秒未満の速度での環と環の間の一電子移動に対応する。このような電子の振る舞いの結果、室温で１０-7Ａ／ｌ  ｎｍ2の程度の電流を得ることができる。この電流密度は実際に、室温での超伝導に必要な基準の１つである１０7Ａ／ｃｍ2（平方センチメートル）超の密度を表す。
【００９８】
一方、４環以上の環スタック構造では、表面増強ラマンスペクトルとして表される光学特性が、単量体単位から得られるスペクトルと同じように振る舞う。この情報は、上記の特許の議論と同様の方法で光学信号を使用することができることを指示している。
【００９９】
２次元縮合環「シート」重合体フタロシアニン（図１６参照）の他の例では、
分子の中心の金属イオン、例えば鉄の可逆的なレドックス状態が重合プロセスの影響を受けない。図１６は、Ｆｅ−ＴｓＰｃ単量体および重合体シート（Ｆｅ−Ｐｃ）４ｐの電気光学特性を示す図であり、（ａ）サイクリックボルタモグラム、（ｂ）６３２．８ｎｍ、出力パワー２０ｍＷのレーザ励起での表面増強共鳴ラマンスペクトルである。重合の効果によってベンゼンおよびピロール有機環が変形し、これによって約１３００ｃｍ-1の高周波領域の光学信号が影響を受ける（図１７参照）。
【０１００】
図１７は、銀電極に吸着させたＦｅ−ＴｓＰｃから得られたラマン線の強度の変動として表した、ニューロンのパルスコード発射速度を表す曲線である。図１７の上の曲線は、試験中のデバイス、例えば銀電極に吸着させたＦｅ−ＴｓＰｃ分子の電気光学特性を表す。デバイスの電極に印加された電位に関する１本の光学ラマン線の変動を使用し、試験した。図１７の下の曲線は、銀電極に吸着させたＦｅ−ＴｓＰｃ分子の電気特性を表す。この下側の曲線には電流対電位が示されている。
【０１０１】
図１８および１９を簡単に参照する。これらの図にはそれぞれ、情報記憶／検索システム２０１、２０２が示されている。これらの実施形態２０１、２０２では、フタロシアニン、ポルフィリン、クロロフィル、ヘム、シトクロムなどの大環状分子（金属化された大環状分子）中の金属が、磁性材料、あるいは金属として、またはその金属成分の少なくとも１部分として磁気に応答する材料である。例示的な磁性材料は鉄、ニッケルなどである。したがって、例えば図６の分子に示された金属「Ｍ」、あるいは図１４ａの単量体、図１４ｂの環スタック（主として１次元配置）、または図１４ｃの重合体シート（主として２次元配置）に示された分子の金属成分を磁性金属とすることができる。金属フタロシアニン中のこれらの金属の磁気特性を使用して、情報を高密度で記憶することができる。一例では、このようなデバイスが、１平方センチメートルあたり約１０12から約１０14サイト（または「ビット」記憶位置、すなわち１ビットの情報を記憶するための位置）程度の電位密度を有することができる。
【０１０２】
このような分子の磁気特性は、情報をアドレスし記憶する能力を提供する。原子のスピン方向、例えば核スピンの向きによって情報を表すことができる。例えば、時に「アップ」および「ダウン」と呼ばれる異なるスピン方向がある。これらは磁気双極子の方向を表すことができ、１ビットの情報を表すことができる。量子コンピュータデバイスまたは量子スイッチデバイスでは、このような１ビットの情報を「Ｑ」ビットと呼ぶことがある。
【０１０３】
磁性材料を含んだ大環状分子を含む先に説明したタイプの情報記憶デバイスが、図１８の情報記憶／検索システム２０１の２０３に概略的に示されている。デバイス２０３は、単量体（図１４ａ）、環スタック（図１４ｂ）、重合体シート（図１４ｃ）、あるいは図１５に概略的に示した単量体、２量体、３量体または４量体などとして配置された大環状分子を含む。入力装置２０４が１つまたは複数のそれぞれの分子に入力を適用する。入力は、先に説明した電気、光学または磁気入力とすることができる。所与の入力に応答して、所与の（１つまたは複数の）分子またはその磁性材料に関連したスピン方向が所与の方向を向く。例えば、スピン方向が新しい方向に切り換わり、または入力を適用する前に持っていたのと同じ方向を維持する。読出しデバイス２０３が（１つまたは複数の）分子のスピン方向を読み出す。読出しは、標準磁性読出しデバイスに基づくことができる。このような読出しデバイスの一例が核磁気共鳴型のデバイス２０５である。
【０１０４】
所望ならば、図１９のシステム２０２に示すように、先端が原子の大きさ程度のトンネル顕微鏡原理を使用して、高解像度読出しを得ることができる。このようなトンネル顕微鏡装置が図１９の２０６に示されている。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】電解液を利用した本発明に基づく電気光学スイッチシステムの概略図である。
【図２】本発明の改変された実施形態に基づく電気光学トランジスタのあるバージョンを概略的に示した図である。
【図３】本発明の改変された実施形態に基づく電気光学トランジスタのあるバージョンを概略的に示した図である。
【図４】本発明の改変された実施形態に基づく電気光学トランジスタのあるバージョンを概略的に示した図である。
【図５】本発明の改変された実施形態に基づく電気光学トランジスタのあるバージョンを概略的に示した図である。
【図６】本発明に基づいて電極または半導体基板の表面の吸着単分子層として使用することができる、テトラスルホン化フタロシアニンの形態の大環状分子の概略図である。
【図７】光感応性入力分子と、効果的に相互作用して光増幅器として機能する複数の大環状フタロシアニン分子との集団の概略図である。
【図８】銀電極を活性化させ、その表面に分子を吸着させるためのシステムの概略図である。
【図９】例えば図１に示したシステムを使用して、大環状単分子層にそれぞれの電位を印加して測定したラマンスペクトルのグラフである。
【図１０ａ】１３４６ｃｍ-1ラマンバンドのボルト−ラマングラフであり、このようなグラフは実質的な双安定ヒステリシスを有する。
【図１１ａ】例えば図１に示したシステムに従って測定された、電解液の異なるそれぞれのｐＨレベルでの３つのラマンバンドのボルト−ラマングラフである。
【図１１ｂ】例えば図１に示したシステムに従って測定された、電解液の異なるそれぞれのｐＨレベルでの３つのラマンバンドのボルト−ラマングラフである。
【図１１ｃ】例えば図１に示したシステムに従って測定された、電解液の異なるそれぞれのｐＨレベルでの３つのラマンバンドのボルト−ラマングラフである。
【図１２】本発明に基づく電気光学記憶／読出しシステムの概略図である。
【図１３】本発明に基づく電気光学分子デバイスの電気読出し配置の概略図である。
【図１４】さまざまなフタロシアニン構造の概略図であり、それぞれ、（ａ）単量体、（ｂ）直線的に配置された環スタック（例えば主に１次元構造）、および（Ｃ）重合体シート（例えば主に２次元平面構造）を表している。
【図１５】大環状分子、例えば酸素によって架橋された形態のフタロシアニン（Ｐｃ）分子の４つの異なる配置（Ｏ−Ｓｉ−Ｐｃ）n、ｎ＝１，２，３および４を示す一群の図である。それぞれの大環状分子配置のサイクリックボルタモグラムは、大環状分子配置の電気信号特性を示すために、ＣＨ2Ｃｌ2に溶解した０．１Ｍ  過塩素酸テトラ−ｎ−ブチルアンモニウム中の、白金電極に吸着させた１０-3Ｍ（Ｏ−Ｓｉ−Ｐｃ）nから得た。このような大環状分子の４つの異なる配置のそれぞれの偏光解消共鳴表面増強ラマンスペクトルは、ＳＣＥ（飽和カロメル電極）対して０Ｖの銀電極に吸着させた（Ｏ−Ｓｉ−Ｐｃ）nから、６３２．８ｎｍ、出力パワー２０ｍＷのレーザ励起で得た。電解液は、アルゴンガスで飽和させた０．０５Ｍ  Ｎａ2ＳＯ4である。
【図１６】Ｆｅ−ＴｓＰｃ（金属フタロシアニンと呼ばれることがある）単量体および重合体シート（Ｆｅ−Ｐｃ）４ｐの電気光学特性の一群の図であり、これには（ａ）電気特性を示すサイクリックボルタモグラム、および（ｂ）光学特性を示す、６３２．８ｎｍ、出力パワー２０ｍＷのレーザ励起での表面増強共鳴ラマンスペクトルが含まれる。
【図１７】銀電極の表面に吸着させたＦｅ−ＴｓＰｃから得られたラマン線の強度の変動として表した、ニューロンのパルスコード発射速度を表す一群の曲線である。上の曲線は電気光学特性を示し、下の曲線は電流対電位を表している。
【図１８】核磁気共鳴読出し装置を有する、大環状分子およびその配置を使用した記憶システムの概略図である。
【図１９】トンネル顕微鏡読出し装置を有する、大環状分子およびその配置を使用した記憶システムの概略図である。
【図１】
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【図７】
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【図８】
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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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【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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【国際調査報告】
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