(57)【要約】【解決手段】強誘電体基板（１０）が装置（１４）の局所電場で表面電荷（１２）を制御したナノメータのサイズの領域パターンを作成し、選択的に金属付着を行い、機能分子（１８）の結合によりナノメータ・スケールの分子デバイスを作成する。【選択図】図１
2004507083.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノスケール分子デバイスに使用する基板の処理方法であって、
ａ．第１の分極分布を有する強誘電体材料の基板を供給する工程と、
ｂ．少なくとも１個所に局所的に外場を印加することで、前記第１の分極分布とは異なる第２の分極分布を有する少なくとも１個所の前記局所領域を前記基板上に形成する工程と、
ｃ．電気伝導性金属のイオンを前記基板上に接触させ、前記金属イオンと前記少なくとも１個所の前記局所領域との相互作用により前記金属イオンを少なくとも１個所の前記局所領域に選択的に付着させる工程と、
ｄ．少なくとも１個所の前記局所領域で付着した前記金属イオンを金属原子に変換する工程と
を有する。
【請求項２】
請求項１に記載された方法において、前記外場は１つあるいはそれ以上の電場、電子ビーム、電磁波、光輻射及び磁場を有する。
【請求項３】
請求項１に記載された方法において、前記強誘電体材料は有機強誘電体膜を有するものであり、この方法は、前記有機強誘電体膜を焼き、金属原子を下側の面に崩壊させる工程を有するものである。
【請求項４】
請求項１に記載された方法において、前記第１の分極分布と異なる分極方向を有する複数の個別の局所領域が前記基板上に所定のパターンで形成されている。
【請求項５】
請求項４に記載された方法において、第１の前記個別領域は第２の前記個別領域とは異なる付着された金属原子を有するものである。
【請求項６】
請求項４に記載された方法において、第１の前記個別領域は第２の前記個別領域とは異なる結合された機能分子を有するものである。
【請求項７】
請求項１に記載された方法において、さらに少なくとも一つの機能分子を前記金属原子に化学結合させる工程を有する。
【請求項８】
請求項７に記載された方法において、分極方向が前記第１の分極分布と異なる複数の個別の局所領域が前記基板上に所定のパターンで形成されており、前記少なくとも１つの機能分子は第１の端と第２の端を有するものであり、前記少なくとも１つの前記機能分子を結合する工程は、少なくとも１つの前記機能分子が前記第１端を第１の前記個別領域に結合し、前記第２端を第２の前記個別領域に結合するものである。
【請求項９】
請求項７に記載された方法において、さらに、前記基板から結合していない機能分子を取り除き、前記ナノスケール分子デバイスを作成する工程を有する。
【請求項１０】
請求項１に記載された方法において、分極方向が前記第１の分極分布と異なる複数の個別の局所領域が前記基板上に所定のパターンで形成されており、第１の前記個別領域には第１の前記機能分子が結合し、第２の前記別個の領域には第２の機能分子が結合し、前記第１、第２の機能分子は互いに結合している。
【請求項１１】
ナノスケール分子デバイスの作成方法であって、
ａ．規則正しい分極分布を有する強誘電体材料の基板を供給する工程と、
ｂ．電場を前記少なくとも１個所の局所部に印加することで、少なくとも１個所の局所領域の前記分極をあらかじめ存在する前記分極方向とは異なる方向にスイッチした領域を前記基板上に作成する工程と、
ｃ．電気伝導性金属のイオンを前記基板上に接触させ、前記金属イオンと少なくとも１個所の前記局所領域との相互作用により前記金属イオンを少なくとも１個所の前記局所領域に選択的に付着させる工程と、
ｄ．少なくとも１個所の前記局所領域に付着した前記金属イオンを金属原子に変換する工程と、
ｅ．少なくとも１つの機能分子を前記金属原子に結合させる工程と、
ｆ．結合していない機能分子を前記基板から取り除き、前記ナノスケール分子デバイスを作成する工程と
を有する。
【請求項１２】
請求項１１に記載された方法において、分極をスイッチした少なくとも１個所の局所部を作成するために印加された前記電場は近接場走査装置により作られたものである。
【請求項１３】
請求項１２に記載された方法において、前記近接場走査装置は、原子間力顕微鏡あるいはトンネル走査顕微鏡である。
【請求項１４】
請求項１１に記載された方法において、分極方向がスイッチした複数の別個の局所領域が前記基板上に所定のパターンで形成されている。
【請求項１５】
請求項１４に記載された方法において、第１の前記個別領域は第２の前記個別領域とは異なる付着された金属原子を有するものである。
【請求項１６】
請求項１４に記載された方法において、第１の前記個別領域は第２の前記個別領域とは異なる結合された機能分子を有するものである。
【請求項１７】
請求項１４に記載された方法において、分極方向が前記第１の分極分布と異なる複数の個別の局所領域が前記基板上に所定のパターンで形成されており、前記少なくとも１つの機能分子は第１の端と第２の端を有するものであり、前記少なくとも１つの前記機能分子を結合する工程は、少なくとも１つの前記機能分子が前記第１端を第１の前記個別領域に結合し、前記第２端を第２の前記個別領域に結合するものである。
【請求項１８】
請求項１４に記載された方法において、第１の前記個別領域には第１の前記機能分子が結合し、第２の前記別個の領域には第２の機能分子が結合し、前記第１、第２の機能分子は互いに結合している。
【請求項１９】
請求項１１に記載された方法において、前記強誘電体材料は有機強誘電体膜を有するものであり、この方法は、前記有機強誘電体膜を焼き、金属原子を下側の面に崩壊させる工程を有するものである。
【請求項２０】
ナノスケール分子デバイスに使用する基板の処理方法であって、
ａ．第１の分極分布を有する強誘電体材料の基板を供給する工程と、
ｂ．前記基板上に前記第１の分布の分極方向とは異なる第２の分極方向の分布を有する少なくとも１個所の局所領域を、少なくとも１個所の前記局所領域に印加する電場の影響により作成する工程と、
ｃ．前記基板上に電気伝導性の金属イオンを接触させ、前記金属イオンと少なくとも１個所の前記局所領域との電荷相互作用により前記金属イオンを少なくとも１個所の前記局所領域に選択的に付着させる工程と、
ｄ．少なくとも１個所の分極の揃った前記局所領域で付着した前記金属イオンを金属原子に変換する工程と
を有する。
【請求項２１】
請求項２０に記載された方法において、前記基板を供給する工程は、実質的にランダムな分極分布を有する基板を供給するものである。
【請求項２２】
請求項２０に記載された方法において、前記基板を供給す売る工程は、分極分布の揃った基板を供給する工程を有するものである。
【請求項２３】
請求項２０に記載された方法において、少なくとも１個所の前記局所領域を作成するために印加された前記電場は、近接場走査装置により作られたものである。
【請求項２４】
請求項２３に記載された方法において、前記近接場走査装置は原子間力顕微鏡あるいはトンネル走査顕微鏡である。
【請求項２５】
請求項２０に記載された方法において、前記第１の分布の分極方向とは異なる複数の個別の分極分布局所領域を前記基板上に所定のパターンで形成する。
【請求項２６】
請求項２５に記載された方法において、第１の前記個別領域は第２の前記個別領域とは異なる付着された金属原子を有するものである。
【請求項２７】
請求項２５に記載された方法において、第２の前記個別領域とは異なる機能分子を結合させた第１の前記別個の領域を有するものである。
【請求項２８】
請求項２０に記載された方法において、少なくとも１つの機能分子を金属原子に化学結合させる工程をさらに有する。
【請求項２９】
請求項２８に記載された方法において、分極方向が前記第１の分極分布と異なる複数の個別の分極分布局所領域が前記基板上に所定のパターンで形成されており、前記少なくとも１つの機能分子は第１の端と第２の端を有するものであり、前記少なくとも１つの前記機能分子を結合する工程は、少なくとも１つの前記機能分子が前記第１端を第１の前記個別領域に結合し、前記第２端を第２の前記個別領域に結合するものである。
【請求項３０】
請求項２８に記載された方法において、さらに、前記基板から結合していない機能分子を取り除き、前記ナノスケール分子デバイスを作成する工程を有するもの。
【請求項３１】
請求項２８に記載された方法において、分極方向が前記第１の分極分布と異なる複数の個別の局所領域が前記基板上に所定のパターンで形成されており、第１の前記個別領域には第１の前記機能分子が結合し、第２の前記別個の領域には第２の機能分子が結合し、前記第１、第２の機能分子は互いに結合している。
【請求項３２】
請求項２０に記載された方法において、前記強誘電体材料は有機強誘電体膜を有するものであり、この方法は、前記有機強誘電体膜を焼き、金属原子を下側の面に崩壊させる工程を有するものである。
【請求項３３】
ナノスケール分子デバイスであって、決められた方向にそろえられた分極方向を有する、少なくとも１つ局所領域のある強誘電体材料の基板と、少なくとも１つの前記局所領域に結合させた少なくとも１つの機能分子を有する。
【請求項３４】
請求項３３に記載されたデバイスにおいて、少なくとも１つの前記局所領域は、少なくとも１つの金属と、少なくとも１つの前記金属に結合された少なくとも１つの機能分子を有する。
【請求項３５】
請求項３３あるいは３４に記載されたデバイスにおいて、さらに半導体ウェハを有するものであり、強誘電体物質の前記基板が前記半導体ウェハ上に配置されている。
【請求項３６】
請求項３３あるいは３４に記載されたデバイスにおいて、前記機能分子はナノワイヤと炭素ナノチューブと酸素ナノチューブから成るグループから選択される。
【請求項３７】
請求項３３あるいは３４に記載されたデバイスにおいて、前記機能分子は飽和炭化水素機能物質と非飽和炭化水素機能物質とたんぱく質とポリヌクレチドと共役炭化水素とロタクサンから成るグループから選択される。
【請求項３８】
請求項３３あるいは３４に記載されたデバイスにおいて、少なくとも１つの前記局所領域は、前記基板上の決められた位置に分極の揃った複数の別個の領域を有する。
【請求項３９】
請求項３８に記載されたデバイスにおいて、第１の前記別個の領域は第２の前記個別領域とは異なる付着された金属原子を有する。
【請求項４０】
請求項３８に記載されたデバイスにおいて、第１の別個の領域は第２の前記別個の領域とは異なる結合された機能分子を有する。
【請求項４１】
請求項３８に記載されたデバイスにおいて、前記機能分子が第１の前記個別領域と第２の前記個別領域とに結合されている。
【請求項４２】
請求項３８に記載されたデバイスにおいて、第１の前記個別領域には第１の機能分子が結合され、第２の前記個別領域には第２の機能分子が結合され、前記第１、第２の機能分子は互いに結合されている。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はナノメータスケール分子デバイス及びその組合せに関するものであり、特に分子を選択的に位置させて複雑な配置とし、電子回路、光学素子、化学センサー等の装置として機能させることができるデバイス及びその組合せ方法に関するものである。
【０００２】
【発明の背景】
コンピュータチップの組合せ（ファブリケーション）技術は、この先１０年程度で限界に達すると広く報告されている。これを解決するため、現状の製造技術の限界を押し広げる技術や代替技術の開発が企業、大学、公共研究機関により活発に行われている。ナノメータスケール分子で複雑な電子回路を作成し、それを現状の半導体デバイス技術と融合させることを許容範囲の費用で実現させることが目標である。この目標を達成するためには、各ナノメータスケール分子は伝導性を有する様に処理する必要がある。例として、炭素ナノ・チューブ、酸素ナノ・チューブ、合成蛋白質、ポリペプチド、有機分子などがある。本発明は分子の化学反応と自己組織化を利用した処理方法である。同様に光学素子技術においても小型が進む中でナノメータスケール光学素子を設計・製造することが必要とされている。このような小型光学素子の利点はすでに理論的には示されているが、実際に設計どおりの素子を作成することが課題となっている。このような素子が必要とされる顕著な例として記録装置の分野がある。
【０００３】
従来技術で実現できていない解決すべき課題は、種々の分子を位置決めした場所に方向付けた状態で載置してデバイスを製造する手法であり、それらを他のコンポーネント、例えば電極等と接続し、従来のシステムに集積化することである。化学的に制御された自己アセンブリを使用した新しいリソグラフィーの技術や、微細接触印刷、半導体膜成長での自己アセンブリ等を使用した重要な技術革新が進んでいる。しかしながら、これは知られていることであるが、これらの従来技術でナノメータスケール分子を位置決めすることはまだ実現されていない。
【０００４】
【発明の概要】
本発明によれば、ナノメータの大きさ（以後ナノスケールと呼ぶ）の分子デバイスのアセンブリを方向付けする方法が提供される。この方法は、第１の分極状態を有する強誘電体材料の基板を用いて実行され、前記第１の分極状態はほぼ揃った分極状態であってもランダムな分極状態であっても良い。少なくとも１つの局所領域であって、前記第１の分極状態と相対的に異なる方向の第２分極状態を有する領域が、前記強誘電体基板上に、例えばそのような領域に印加された電場等のエネルギー場の影響の下で確立される。そして、この基板が、電器導電性金属のイオンに晒され、そのイオンは、金属イオンと第２の分極状態の間の電気的引力によって前記局所領域に選択に付着する。基板に付着された金属イオンは金属原子に変換され、ナノスケール分子デバイスに使用される金属パターンを描いた基板となる。この後、少なくとも１種の機能分子をこの金属原子に化学的に結合させ、結合していない分子を基板から取り除けばナノスケール分子デバイスが作成される。
【０００５】
本発明の方法は分子デバイスのナノスケール製造への新しいアプローチを可能にし、それにより、独立のデバイス構成要素として機能することが可能な分子を制御可能に組み合わせて電子回路、光学素子、化学センサー等を構成するものである。作成されるデバイスは分極方向が所定の方向に向けられてなる少なくとも１個所の局所領域を有する強誘電体基板を含む。少なくとも１種の金属がこのデバイスの局所領域に付着され、少なくとも１種の機能分子が金属に接合されている。
【０００６】
この方法の特徴は、走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）ベースのリソグラフィーの上にスタンピングを行い、ナノメータースケールの次元を有するデバイスを提供できる利点を有するようなものである。この方法の利点及びこれにより製造される装置は、以下の詳細な説明から明らかとなる。
【０００７】
［発明の詳細な説明］
この発明の方法は、基板上にナノメータサイズの各金属電極を選択的にパターンニングし、その後に場所選択的な反応により機能分子を前記の電極に化学的に付着させる一連の工程を含む。
【０００８】
ここで使用している「機能分子」という表現は、電気的、光学的あるいは磁気的な素子として機能可能なあらゆる分子を指し、この発明の方法に従って制御可能に組み合わされた場合に、回路、光学素子、あるいは磁気デバイスを構成するようなものを指す。代表的な機能分子の例で、現在の発明を適用するのに好適なものは、炭素あるいは酸素ナノチューブ、ナノワイヤー、置換芳香族、共役芳香族を含む飽和あるいは比飽和炭化水素、自然あるいは合成蛋白質、自然あるいは合成ポリヌクレオチド、カテナン、ロタクサン、伝導高分子、ポリアニリン、半導体、酸素ナノ分子、硫黄、カルコゲナイドあるいは同種のものである。
【０００９】
前記発明の方法は基板の強誘電体としての特性を利用する。強誘電体基板は無機物質であってもよく、例えば強誘電体セラミック金属、あるいは有機物質、例えば強誘電体高分子であり、シリコン等の半導体基板上に成長させた場合であっても良い。強誘電体とは電気双極子を有し、さらにそれに付随した表面電荷を有する物質である。強誘電体材料の分極は電場などの外場をかけることで得られる。表面電荷パターンを形成する他の工程方法は、マスクを通して光あるいは電子ビーム照射するもの、２つあるいはそれ以上の光あるいは電子ビーム照射による干渉パターンを照射するもの、（例えばマイクロコンタクト印刷等で形成された）電極パターンを使った電場の印加等である。代表的な強誘電体材料の例には、チタン酸塩バリウム、チタン酸鉛、ジリコン酸・チタン酸鉛（ＰＺＴ）、硫酸トリグリシン（ＴＧＳ）、６水化硫酸グアニジン・アルミニウム（ＧＡＳＨ）等があげられるが、これらに限定されない。強誘電体材料には薄膜、厚い多結晶膜、あるいは単結晶等の形態がある。
【００１０】
正電荷あるいは負電荷の局所領域は、強誘電体基板上に形成することができ、すでに実証されているようにそのために近接場プローブを使うことができ、これには例えば市販されている原子間力顕微鏡やトンネル顕微鏡等が含まれる。例えば、デジタル・インスツルメント・ディメンション３０００ＮＳ−ＩＩＩを使ってＰＺＴ上に正・負電荷の領域を形成した例がある。これは、顕微鏡を接触モードに設定して、プローブの先に１０Ｖの電圧をかけて形成されたものである。スイッチされる領域の大きさは走査領域の大きを制御して制御する。先端がＷ２Ｃをコートされたカンチレバーは、長さ１２５ミクロン、共振周波数は約３５０ｋＨｚであり、この目的のために適切に使用された。Ｃ．　Ａｈｎ他による　Ｓｃｉｅｎｃｅ，２７６：　１００（１９９７）も参照。前記プローブ先端の位置は例えばコンピュータにより制御を行い、疝気パターンを強誘電体材料の基板表面に「書く」。この様なパターンは線、四角、あるいは他の幾何形状である。好ましい形態としては、個別のプローブ端より、複数のプローブ端列を使って、所望の所定のパターンを形成する。
【００１１】
表面反応は表面条件に大きく依存することがよく記録されている。正電荷と負電荷の領域の電位差の１００ｍｅＶは、表面吸収に大きく影響を与える。例えば、Ｖ．　Ｈｅｎｒｉｃｈ　ａｎｄ　Ａ．　Ｃｏｘ，　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｏｘｉｄｅｓ，Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｐｒｅｓｓ　１９９４　Ｄ．　Ａ．　Ｂｏｎｎｅｌｌ，　Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｉｎ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｓｃｅｉｎｃｅ，　５７：　１８７−２５２　（１９９８）を参照のこと。この特性を本発明の実施において利用し、サイト選択的に伝導性金属イオンを付着し、上記の方法で前記局所領域的に分極を変える。
【００１２】
強誘電体の表面に付着した金属イオンの光還元は公知の従来工程で知られている方法で行うことができる。例えば、硝酸銀や塩化銀の溶液（典型的濃度は０．００００１−０．０１　ｍｏｌ／ｄｍ３）を付着した後、波長２００−７００ｎｍの光を照射して光還元を行い、銀イオンを付着できる。どのような基板でも付着速度と付着した金属の構造は、空間電荷、電極の有無、表面の方位に依存する。他の伝導性金属で同様の方法で付着できるものとして、金、インジウム、パラジウム、銅等がある。化学反応を最適化するために種々の無機・有機物を加えることも可能である。
【００１３】
前記金属を付着した基板は機能分子の溶液に接触させる、この機能分子は、１つあるいはそれ以上の反応基を含み、付着した金属とは反応し、基板とは反応しない。よく記録されている事として、例えば、分子はチオール群で派生させると金と選択的に反応する。最も一般的なこのような分子の例は、ＨＳ（ＣＨ２）ｎＸの化学式のものがあり、ここで、Ｘは−ＯＨ，−ＣＯＯＨ，ＣＨ３等であり、ｎは１から２０の整数である、他の分子も使われ、例えば、共役分子や芳香族かつ、または異性体を含む分子などが含まれる。基板上の金属パターンの構造と付着した金属に機能分子を付着する化学反応は調整することができ、機能分子が２つの金属パターンをつなぐように付着することができる。機能分子の両端の基を適切に選択すれば、片端は金属に付着し、他端は隣接する分子に接続することができる。別の形態として、機能分子の端を化学あるいは生化学センサーのための分子認識の機能を有する基を有するよう設計することも可能である。
【００１４】
実際には、図１に示す様に、強誘電体材料の基板１０は、第１の分極状態を有し、前述の薄膜、多結晶厚膜、あるいは単結晶であるものを用意する。図１（ａ）の工程に示すように、所定のパターンの１つあるいはそれ以上の局所領域１２のドメインの方位は、強誘電体基板１０の第１の分極分布から変えたあるいは「スイッチ」されれる。
【００１５】
前述の様に、この分極分布のスイッチは電場を印加することで実現でき、例えば、原子間力顕微鏡あるいは走査トンネル顕微鏡等１４が適用できる。スイッチさせる領域の大きさは７５平方ナノメータあるいはそれ以下にすることが可能である。前述の様に強誘電体基板１０の局所領域のドメインを第１の分極分布と異なる方向に変えた後、図１（ｂ）に示す様に、前記基板１０を伝導性金属イオン２２を含む溶液に例えば浸す等の方法で、接触させる。金属イオン２２とスイッチされた局所領域１２間での電荷間力により、金属イオン２２は溶液から吸着、吸収あるいは化学吸着により付着される。
【００１６】
溶液からの金属イオン２２は、適切な波長の光を照射することで、反対の電荷を有する領域に対し選択的に光還元反応を起こし、これは図１（ｂ）に示されている。図１（ｃ）の工程に示すように、この様に、金属１６は局所領域１２に付着する。さらに、金属はスイッチさせた局所領域１２と同じ分極方向を有するあらゆる既存の領域が存在すれば、その領域に付着する。次に、金属を付着した基板１０を洗浄し、所定のパターンの金属薄膜の配列が残る。図１（ｄ）の工程に示す様に、その後、金属を付着した基板１０は、機能分子１８、１８’を含む溶液に例えば、浸す等の方法で接触させる。機能分子１８、１８’は付着した金属１６とは反応し、基板１０とは反応しない反応基を有する。図１（ｅ）の工程に示した様に、結合した機能分子１８の結果としての方向は、分子が１個所あるいはそれ以上の反応基をもつかどうか、さらに選択した金属パターンに依存する。例えば結合した機能分子１８がチオルのような金属反応基を各端に有する場合、図１（ｅ）の工程に示した様に、機能分子１８は２個所の付着金属部分１６と結合することになる。最後に基板を洗浄し、図１（ｄ）の工程で結合しなかったあらゆる機能分子１８‘を取り除く。
【００１７】
前記発明の方法を有する、前記一連の工程は、必要であれば１度あるいはそれ上、繰り返し適用される。一連の繰り返しは、異なる金属２８、異なる機能分子３０、３０’、機能分子３０、３０’の異なる反応基、あるいはそれらの変形の組み合わせを適用し、複雑な回路を作成することができ、これは図１の工程１（ｆ）―１（ｉ）に示されている。
【００１８】
これらの実施例において、前記基板１０として有機強誘電体膜を用いる場合、前記方法を実施する工程において、前記膜を焼き、金属パターンを強誘電体膜の下の層、たとえば従来の半導体等に崩壊させる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図２は図１の１（ａ）の工程に従ってジリコン酸・チタン酸鉛基板にパターンを作成した実例である。基板にドメインの方向を書く前に、市販の装置（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ　Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ　３０００　ＮＳ−ＩＩＩ）を用いて、接触モードのＡＦＭとピエゾ反応力顕微鏡（ＰＦＭ）測定を行い、基板表面の表面形状、図２（ａ）と分極分布、図２（ｄ）特性を測定した。ピエゾ反応測定にはＡＦＭに加えて発信機とロックイン増幅器（ＤＳ３４０，　ＳＲＳ８３０，　Ｓｔａｎｆｏｒｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）を用いた。これらの測定には先端をプラチナをコートしたプローブ（長さ１２５ミクロン、共振周波数約３５０ｋＨｚ，　ＳｉｌｉｃｏｎＭＤＴ　ＮＳＣ１２　Ｐｔ）を使用した。基板鏡面の初期状態を測定した後、基板の選ばれた個所を分極をスイッチする領域として指定した。
【００２０】
図２（ｅ）に示す様に、ＡＦＭのプローブ端は、−１０Ｖｄｃのバイアス電圧を印加し、基板表面の四角の領域を走査し、分極状態をスイッチし、スイッチした局所領域１１２を形成した。スイッチする前、図２（ａ）とスイッチした後、図２（ｂ）の表面形状の比較は、スイッチは表面形状に影響を与えていないことを示している。図２（ｆ）に示す様に、図１の工程１（ａ）を繰り返し適用し、より複雑なパターンを形成できる。図２（ｆ）に示した分極スイッチした局所領域１００は、３個の入れ子になった、異なる辺の長さとほぼ同じ中心を有する四角１０２、１０４、１０６を含む。最初の局所領域１００は、局所領域１０２の分極をスイッチすることで形成し、これはＡＦＭのプローブ端に−１０Ｖｄｃのバイアス電圧を印加し、最初の局所領域１０２の領域を走査して、最外周の四角の中の分極方向を定めることにより行う。その後、ＡＦＭのプローブ端に＋１０Ｖｄｃのバイアス電圧を印加し、第２の局所領域１０４の領域を走査し、第２の局所領域１０４内の分極をスイッチする。そして、ＡＦＭのプローブ端のバイアス電圧を−１０Ｖｄｃとし第３の局所領域１０６の領域を走査し、最内周の四角の中の分極をスイッチする。この工程の結果、局所領域１００を形成し、その中にそれぞれ交互に反対方向の分極を有する、３個入れ子になった四角１０２，１０４，１０６を形成した。
【００２１】
図４は図１の工程１（ａ）から１（ｃ）に従って、金属を付着して供給された基板の実例であり、図３は図１の工程１（ｂ）と１（ｃ）に従って金属を付着して供給された基板の実例である。図３と４に示したように、研磨しアニールしたＢａＴｉＯ３セラミック試料はＰＦＭを使って測定した。バイアス電圧を印加し、図４の試料の選択した領域の局所分極をスイッチし、ＰＦＭを用いてドメイン構造が変化していることを確認した。図３の試料はスイッチせず、分極状態を変えない状態のまま使用した。図４のスイッチした試料と図３のスイッチしていない試料図４とを各々陽イオン溶液に浸し、紫外光ランプを照射した。最後にタッピングモードのＡＦＭを使って同じ場所を測定し、付着したパターンを確定した。実験中は、比較的大きな表明形状の特徴（穴、粒子境界など）を使って同じ領域を測定していることを確認した。実験の各過程の詳細を以下に述べる。
【００２２】
ＢａＴｉＯ３試料は市販のＢａＴｉＯ３粉末（Ａｌｄｒｉｃｈ）を焼結させて用意し、その後、ボールミルを行いペレットに圧縮した。ペレットを１４４０度で１２時間アニールし、試料をダイヤモンドソーで切断し、切断面をＳｉＣ研磨剤で１ミクロン粒子径まで研磨した。その後、試料をアルミナで５０ｎｍ粒子径まで研磨した。そして、得られた試料を１２００度で１２時間熱エッチングした。エッチングの結果、粒子境界で溝が形成され、粒子の彫面が形成され、図３（ａ）と４（ａ）に示したように表面に明らかな形状コントラストが見られるようになった。同時に熱エッチングは研磨の工程で生じた表面損傷を軽減した。この試料準備の工程により基板材料に分極ドメイン分布が生じた。
【００２３】
前述したものと同じ装置を使用し、接触モードのＡＦＭとＰＦＭ測定を、図２の試料について行った。図３の試料に対しては、基板表面の初期状態を測定した後、前記試料はスイッチをせず、図１の工程１（ｂ）と１（ｃ）に従い、金属を付着した。
【００２４】
図１の工程１（ｂ）の光付着を行うため、図３（ｂ）に示したＢａＴｉＯ３試料を０．０１ＭのＡｇＮＯ３溶液に浸し、１００ＷのＸｅ紫外光ランプを１０秒照射した。その後、前記試料を純水で洗浄し、空気フロー乾燥させ、図３（ｃ）の輝線で示された様に、図３（ｂ）の分極パターンに対応した場所に銀原子を表面に付着した。パラジウムを前記試料に付着可能なことは、図３（ｃ）の試料から付着した銀を取り除き、その後０．０１ＭのＰｄＣｌ２溶液に浸すことで、実証した。付着条件はそれぞれの陽イオンによく有であり、例えばＰｄはＡｇより長い液浸時間（０．０１ＭのＰｄＣｌ２溶液では約３０分）が必要である。前記試料を１００ＷのＸｅ紫外光ランプに３０分照射し、試料洗浄後、パラジウム原子を、図３（ｄ）の輝線で示された様に、図３（ｂ）の分極パターンに対応した局所領域に付着した。
【００２５】
図４の試料に関しては、基板表面の初期状態を測定した後、図４（ｃ）に示すように、表面の選択した部分を指定し、分極のスイッチした領域を形成した。図１の工程１（ａ）のＢａＴｉＯ３セラミック試料の分極スイッチの工程では、原子間力顕微鏡にＰＳ３１０の高圧電源（Ｓｔａｎｆｏｒｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｓｙｓｔｅｍ）を付加した、これはＢａＴｉＯ３セラミック試料の局所分極のスイッチを行うために比較的高電圧（１００Ｖｄｃ）を必要とし、顕微鏡内臓の電源は書き込み電圧、１２Ｖが限界であるためである。走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）ヘッドでの静電結合による干渉を避けるため、顕微鏡とプローブ端の電気結合を切断し、代わりに特別に作成したサンプル・ホルダーを使って発信機からプローブ端に電気結合した。このセットアップはＢａＴｉＯ３セラミック試料の分極スイッチを行うのに必要な高電圧（１００Ｖｄｃまで）印加可能にした。
【００２６】
局所分極のスイッチを行うためプローブ端の交流バイアス電圧を中断し、プローブ端に直流バイアスを印加した。選択した領域を走査した後、プローブ端に交流電圧を印加して広い領域を走査し、これによりスイッチしたドメインが読めるようになった。ＰＦＭ像の変調強度は６Ｖｐｐであった。これ以上の変調強度を用いるとスイッチした領域の分極を反転させることになる。図４（ｂ）と４（ｄ）の試料には四角のパターン１３０を描いた。
【００２７】
図１（ｂ）ＢａＴｉＯ３の光付着は、前記試料を０．０１ＭのＡｇＮＯ３溶液に浸し、前記試料に１００ＷのＸｅ紫外光ランプを１０秒照射して行った。その後、試料を純水で洗浄し、空気フロー乾燥させた。図４（ｂ）は、銀原子（明るい領域）が、図４（ｂ）のスイッチ領域１３０のような、前記基板の表面の分極スイッチ領域に対応した場所に付着したものを示している。さらに、図４（ｂ）に見られるように、銀は分極スイッチ領域１３０の外側にも銀が付着されている、これは、前記基板が、スイッチ領域１３０の外側にランダムな分極分布を有するためである。しかし、図４（ｂ）に示されているように、最も濃度の高い銀は、スイッチ領域１３０に含まれている。
【００２８】
ナノスケール分子デバイスを図４に図示したタイプの金属を付着した基板から製造するために、最終的なデバイスに必要な機能に合わせた機能分子を前記基板の１個所あるいはそれ以上の金属領域に結合させる。例えば、ダイオードの電気特性を有するデバイスは、２’−アミノ−４−エチル・フェニル−４’−エチル・フェニル−５’−ニトロ−１−ベンゼン・チオールを前記基板の２個所の金属の間に結合させることで作成できる。このような分子がダイオードの電気特性を有することは実証されていて、Ｊ．　Ｃｈｅｎ他、Ｓｃｉｅｎｃｅ，２８６：　１５５０−５１（１９９９）の文献に述べられている。
【００２９】
この発明の分野の経験者にはよく理解されるように、上述し、例示した方法は化学的自己組織化の利点を上記の様に利用し、さらにその欠点、すなわち、個別の機能分子を選択的に置くことができない点を解決した。さらに適用した材料は市販されており、半導体製造工程の他の目的で用いられている。従って材料の互換性の点はこのナノ技術を実施する障害とはならない。
【００３０】
ここに述べた方法で製造されるナノスケール・デバイスはコンピュータやコンピュータ演算処理装置を使う全ての電子機器で使用でき、２−３例を挙げると、家電製品、無線機器、医療診断などが含まれる。これらはさらに、光学素子や、化学および生化学センサーのアクティブ部品としても使える。これらの場合は、機能分子として、前者には光学的に活性なもの、後者には化学特定性あるいは分子認識機能を有するものを選ぶ。いずれの場合にもデバイスは独立で動作することも、あるいは「チップ上のシステム」設計のように、より大きなシステムに統合されたものでもありえる。
【００３１】
本発明の一実施例を上に述べ、例示したが、種々の他の実施形態もこの分野の専門家には前述の内容から明白である。例えば、ある種のナノスケール・デバイスで金属結合が不要な場合、機能分子を直接、強誘電体基板上で反応させることも可能である。従って本発明は上に述べ、例示した実施の形態に限らず、添えた請求項の範囲を逸脱しない範囲の相当のバリエイションや変更も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１はこの発明の方法及び装置の模式的な図であり、その詳細は以下に記述される。
【図２】
図２（ａ）〜図２（ｆ）はスイッチング前と後でのジルコン酸・チタン酸鉛基板の表面形状と分極分布状態の顕微鏡写真である。
図２（ａ）と図２（ｄ）の顕微鏡写真は、−１０Ｖスイッチングの前での基板の表面形状と分極分布状態をそれぞれ示すものである。
図２（ｂ）と図２（ｅ）の顕微鏡写真は−１０Ｖスイッチングの後での図２（ａ）の基板の表面形状と分極分布状態をそれぞれ示すものである。
図２（ｃ）と図２（ｆ）の顕微鏡写真は−１０Ｖスイッチングの後での基板の表面形状と分極分布状態をそれぞれ示すものである。
【図３】
図３（ａ）〜図３（ｄ）は、表面形状、分極分布状態、及びＢａＴｉＯ３基板の表面上の、銀及びパラジウムの付着パターンを示す顕微鏡写真である。
図３（ａ）の顕微鏡写真は、金属付着前での基板の表面形状を示すものである。
図３（ｂ）の顕微鏡写真は金属付着前の基板の分極分布状態示すものである。
図３（ｃ）の顕微鏡写真は表面に銀付着後の基板の表面形状を示すものである。
図３（ｄ）の顕微鏡写真は表面にパラジウム付着後の基板の表面形状を示すものである。
【図４】
図４（ａ）〜図４（ｄ）は銀付着前後のＢａＴｉＯ３基板の表面を示す顕微鏡写真である。
図４（ａ）と図４（ｂ）の顕微鏡写真は銀付着前後各々の、基板の表面形状を示すものである。
図４（ｃ）と図４（ｄ）の顕微鏡写真はスイッチングの前後各々の、表面基板分布状態を示すものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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