(57)【要約】【課題】細胞や生体組織などのバイオ系物質の本来の機能を正確に測定することができるバイオ機能測定装置を提供する。【解決手段】バイオ機能測定装置は、金属薄膜１１ｂと誘電体薄膜１１ａとからなる多層構造体薄片１１であって、金属薄膜１１ｂと誘電体薄膜１１ａとは多層構造体薄片１１の一方の主面内の一方向に交互に積層され、この一方の主面において金属薄膜１１ｂが誘電体薄膜１１ａに対して突出しているものを有する。この多層構造体薄片１１の一方の主面上にバイオ系物質１２を載せ、この主面に垂直な方向からバイオ系物質１２にカーボンナノチューブプローブ１４を接触または接近させ、このカーボンナノチューブプローブ１４と金属薄膜１１ｂとの間に電圧を印加してバイオ系物質１２に電流を流すことで測定を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属薄膜と誘電体薄膜とからなる多層構造体薄片であって、上記金属薄膜と上記誘電体薄膜とは上記多層構造体薄片の一方の主面内の一方向に交互に積層され、上記一方の主面において上記金属薄膜が上記誘電体薄膜に対して突出しているものを有し、
上記多層構造体薄片の上記一方の主面上にバイオ系物質を載せ、上記多層構造体薄片の上記一方の主面に垂直な方向から上記バイオ系物質にプローブを接触または接近させるようにしたことを特徴とするバイオ機能測定装置。
【請求項２】
上記金属薄膜の厚さは１ｎｍ以上６０ｎｍ以下、上記誘電体薄膜の厚さは１０ｎｍ以上６００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のバイオ機能測定装置。
【請求項３】
上記バイオ系物質は細胞、生体組織または生体由来物質であることを特徴とする請求項１記載のバイオ機能測定装置。
【請求項４】
上記多層構造体薄片の他方の主面において上記金属薄膜間が互いに電気的に接続されていることを特徴とする請求項１記載のバイオ機能測定装置。
【請求項５】
上記多層構造体薄片の上記一方の主面において少なくとも一対の上記金属薄膜間に電圧を印加することができるように構成されていることを特徴とする請求項１記載のバイオ機能測定装置。
【請求項６】
上記多層構造体薄片の上記一方の主面において互いに隣り合う上記金属薄膜間に電圧を印加することができるように構成されていることを特徴とする請求項１記載のバイオ機能測定装置。
【請求項７】
金属薄膜と誘電体薄膜とからなる多層構造体薄片であって、上記金属薄膜と上記誘電体薄膜とは上記多層構造体薄片の一方の主面内の一方向に交互に積層されているものを上記プローブとして用いることを特徴とする請求項１記載のバイオ機能測定装置。
【請求項８】
第１の薄膜と第２の薄膜とからなる多層構造体薄片であって、上記第１の薄膜と上記第２の薄膜とは上記多層構造体薄片の一方の主面内の一方向に交互に積層され、上記第１の薄膜は第１の誘電体薄膜および少なくとも一つの金属薄膜からなり、上記第２の薄膜は第２の誘電体薄膜からなり、上記一方の主面において上記第１の薄膜が上記第２の薄膜に対して突出しているものを有し、
上記多層構造体薄片の上記一方の主面上にバイオ系物質を載せ、上記多層構造体薄片の上記一方の主面に垂直な方向から上記バイオ系物質にプローブを接触または接近させるようにしたことを特徴とするバイオ機能測定装置。
【請求項９】
第１の薄膜と第２の薄膜とからなる多層構造体薄片であって、上記第１の薄膜と上記第２の薄膜とは上記多層構造体薄片の一方の主面内の一方向に交互に積層され、上記第１の薄膜は一つおきに金属薄膜および不純物がドープされた半導体薄膜からなり、上記第２の薄膜は誘電体薄膜からなり、上記一方の主面において上記半導体薄膜が上記金属薄膜および上記第２の薄膜に対して突出しているものを有し、
上記多層構造体薄片の上記一方の主面上にバイオ系物質を載せ、上記多層構造体薄片の上記一方の主面に垂直な方向から上記バイオ系物質にプローブを接触または接近させるようにしたことを特徴とするバイオ機能測定装置。
【請求項１０】
金属薄膜と誘電体薄膜とからなる多層構造体薄片であって、上記金属薄膜と上記誘電体薄膜とは上記多層構造体薄片の一方の主面内の一方向に交互に積層され、上記一方の主面において上記金属薄膜が上記誘電体薄膜に対して突出しているものを有し、
上記多層構造体薄片の上記一方の主面上にバイオ系物質および／またはバイオ系物質の制御機能を有する非バイオ系物質を載せ、上記多層構造体薄片の上記一方の主面に垂直な方向から上記バイオ系物質および／またはバイオ系物質の制御機能を有する非バイオ系物質にプローブを接触または接近させるようにしたことを特徴とする培養／成長装置。
【請求項１１】
第１の薄膜と第２の薄膜とからなる多層構造体薄片であって、上記第１の薄膜と上記第２の薄膜とは上記多層構造体薄片の一方の主面内の一方向に交互に積層され、上記第１の薄膜は第１の誘電体薄膜および少なくとも一つの金属薄膜からなり、上記第２の薄膜は第２の誘電体薄膜からなり、上記一方の主面において上記第１の薄膜が上記第２の薄膜に対して突出しているものを有し、
上記多層構造体薄片の上記一方の主面上にバイオ系物質および／またはバイオ系物質の制御機能を有する非バイオ系物質を載せ、上記多層構造体薄片の上記一方の主面に垂直な方向から上記バイオ系物質および／またはバイオ系物質の制御機能を有する非バイオ系物質にプローブを接触または接近させるようにしたことを特徴とする培養／成長装置。
【請求項１２】
第１の薄膜と第２の薄膜とからなる多層構造体薄片であって、上記第１の薄膜と上記第２の薄膜とは上記多層構造体薄片の一方の主面内の一方向に交互に積層され、上記第１の薄膜は一つおきに金属薄膜および不純物がドープされた半導体薄膜からなり、上記第２の薄膜は誘電体薄膜からなり、上記一方の主面において上記半導体薄膜が上記金属薄膜および上記第２の薄膜に対して突出しているものを有し、
上記多層構造体薄片の上記一方の主面上にバイオ系物質および／またはバイオ系物質の制御機能を有する非バイオ系物質を載せ、上記多層構造体薄片の上記一方の主面に垂直な方向から上記バイオ系物質および／またはバイオ系物質の制御機能を有する非バイオ系物質にプローブを接触または接近させるようにしたことを特徴とする培養／成長装置。
【請求項１３】
金属薄膜と誘電体薄膜とからなる多層構造体薄片であって、上記金属薄膜と上記誘電体薄膜とは上記多層構造体薄片の一方の主面内の一方向に交互に積層され、上記一方の主面において上記金属薄膜が上記誘電体薄膜に対して突出しているものを有し、
上記多層構造体薄片の上記一方の主面上にバイオ系物質を載せ、上記多層構造体薄片の上記一方の主面に垂直な方向から上記バイオ系物質にプローブを接触または接近させるようにしたことを特徴とするバイオ機能素子。
【請求項１４】
第１の薄膜と第２の薄膜とからなる多層構造体薄片であって、上記第１の薄膜と上記第２の薄膜とは上記多層構造体薄片の一方の主面内の一方向に交互に積層され、上記第１の薄膜は第１の誘電体薄膜および少なくとも一つの金属薄膜からなり、上記第２の薄膜は第２の誘電体薄膜からなり、上記一方の主面において上記第１の薄膜が上記第２の薄膜に対して突出しているものを有し、
上記多層構造体薄片の上記一方の主面上にバイオ系物質を載せ、上記多層構造体薄片の上記一方の主面に垂直な方向から上記バイオ系物質にプローブを接触または接近させるようにしたことを特徴とするバイオ機能素子。
【請求項１５】
第１の薄膜と第２の薄膜とからなる多層構造体薄片であって、上記第１の薄膜と上記第２の薄膜とは上記多層構造体薄片の一方の主面内の一方向に交互に積層され、上記第１の薄膜は一つおきに金属薄膜および不純物がドープされた半導体薄膜からなり、上記第２の薄膜は誘電体薄膜からなり、上記一方の主面において上記半導体薄膜が上記金属薄膜および上記第２の薄膜に対して突出しているものを有し、
上記多層構造体薄片の上記一方の主面上にバイオ系物質を載せ、上記多層構造体薄片の上記一方の主面に垂直な方向から上記バイオ系物質にプローブを接触または接近させるようにしたことを特徴とするバイオ機能素子。
【請求項１６】
互いに対向する第１の電極および第２の電極を少なくとも有する機能素子において、
上記第１の電極および上記第２の電極に対するバイアス電圧の制御により、上記第１の電極および上記第２の電極からなる系が有するポテンシャルの対称性を変調するようにしたことを特徴とする機能素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、バイオ機能測定装置、培養／成長装置、バイオ機能素子および機能素子に関し、例えば、細胞や生体組織などの機能の測定、細胞や生体組織などの培養、あるいは細胞や生体組織などの機能を応用した素子に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の機能素子は、半導体集積回路に代表されるように、微細加工に基づくトップダウン系が主流である。特に半導体素子に関しては、バーディーン（Bardeen)らによるトランジスタの発明や、ノイス（Noyce)らによる半導体集積回路の発明を経て現在、このトップダウンのアプローチに基づく巨大な半導体エレクトロニクス産業が興っている。
一方、トップダウンのアプローチは様々な点で限界が見え始めているため、この限界を打破する手法として最近その重要性が認識されてきたもう一つの流れは、ボトムアップ系である。このボトムアップ系としては、例えば半導体量子ドットに代表される無機物系の自己組織化系がある。細胞系も神経系も各場所において自律分散的に時間とともに連続的に拡大・成長することが報告されており（非特許文献１）、これはボトムアップの範疇に属する。
【０００３】
半導体メモリはリソグラフィーの壁にぶつかっている。また、従来型半導体メモリでは達成することのできない大容量メモリの実現が可能な超高密度メモリシステムとして前世紀末に開発された、走査トンネル顕微鏡（Scanning Tunneling Microscope,ＳＴＭ）や原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscope, ＡＦＭ) などのいわゆる走査プローブ顕微鏡(Scanning Probe Microscope, ＳＰＭ) の流れを汲む技術が提案されている。通常の表面測定では単一のプローブ（探針）を用いるところを、Ｎ×Ｎ配列（Ｎは２以上の整数）のマルチプローブを用いてメモリユニット（メモリセル）に記録された情報の読み出しあるいは情報の書き込みを行おうとするものである。上述のメモリユニットのサイズに対するメモリ全体のサイズの比の増大は、マルチプローブの精度に対する要求を厳しいものとしている。特に、熱膨張に伴うプローブとメモリとの位置ずれの問題は重要であり、縮小化される一方のメモリユニットにどうプローブをアクセスさせるかという点で、厳密な温度制御が必要であるなど、系の本来のコンパクトさを損なう要求として大きな問題となっている。
【０００４】
なお、平滑な表面を有する高分子フィルム上では肝細胞は接着伸展しアルブミンの産生や尿素の分解などの肝機能を発現しないのに対し、ハニカム状の規則的な細孔を有する高分子フィルムを基板として培養すると、肝機能の最小単位であるスフェロイドを形成することが報告されている（例えば、非特許文献２、３、４参照。）。また、ハニカム状の規則的な細孔を有する高分子フィルムを基板として神経細胞を培養することができることが報告されている（例えば、非特許文献５参照。）
また、金属薄膜と誘電体薄膜とを交互に積層して多層構造体薄片を作製する方法が提案されている（例えば、特許文献１、２参照。）。
【０００５】
【非特許文献１】R.R.Llinas, The Biology of the Brain, p.94, W.H.Freeman & Company, NY,1989
【非特許文献２】T.Nishikawa,J.Nishida,R.Ookura,S.Nishimura,S.Wada,T.Karino and M.Shimomura:"Honeycomb-Patterned Thin Films of Amphiphilic Polymers as Cell Culture Substrates,"Mater.Sci.Eng.C,8-9:495-500(1999)
【非特許文献３】T.Nishikawa,J.Nishida,R.Ookura,S.Nishimura,S.Wada,T.Karino and M.Shimomura:"Mesoscopic Patterning of Cell Adhesive Substrates as Novel Biofunctional Interfaces,"Mater.Sci.Eng.C,10:141-146(1999)
【非特許文献４】田中賢、竹林充史、深山真史、佐藤雄久、長谷部清、大久保尚、蒲池浩文、河合朋昭、松下通明、藤堂省、西川雄大、下村正嗣：「新しいバイオメディカルインターフェイス−高秩序多孔質薄膜の自発的形成−」、化学工業、５３（１２）：９０１−９０６（２００２）
【非特許文献５】M.Tanaka,M.Takebayashi,K.Sato,M.Shimomura,"Fabrication of Self-organized Porous Films with Highly Uniform Pores for Tiddue Engineering and BiomedicalDevices",Int.J.Artif.Organs,26(7),666(2003)
【特許文献１】特開２００４−２６８２０３号公報
【特許文献２】特開２００４−３２２２９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ムーアの法則に代表されるロードマップに沿った展開を示すＳｉベースのＬＳＩは、いわゆるトップダウン型のデバイスおよびシステムの代表格であるが、そのサイズ上、動作パワー上（環境温度上）、ならびに製造設備投資上の限界が指摘されているにもかかわらず、根本的な解決策は見出されておらず、早晩、限界を迎えると危惧されて久しい。
ナノメートルのスケールでは、生物由来の機能と非生物由来の機能とが、同じ相互作用機構（究極的には電磁相互作用）にまで還元できるので、進展の著しいナノテクノロジーの進展は、非生物とバイオとを統合する潜在的重要性を秘めているが、依然として本格的実用化にいたっていない。
【０００７】
また、生体の細胞や組織の機能を上記のＳＰＭで測定することは、細胞内過程を究明する上で、また、その結果に基づきバイオ機能素子へと応用する際に大変重要であるが、単なる表面が平坦な基板上では、細胞の機能発現や組織の成長が順調に進まないことが問題であった（例えば、上記非特許文献１〜５参照。）。例えば、図３０に示すように、表面が平坦（平滑）な基板１０１上にバイオ試料として生きている細胞１０２を載せ、プローブ１０３の先端に取り付けられたカーボンナノチューブプローブ１０４を用いてＳＴＭによりこの細胞１０２の機能や成長などの観測を行おうとしても、この細胞１０２は基板１０１上で接着伸展してしまうため、本来の機能や成長などが阻害される。また、基板１０１が金属からなる場合、細胞１０２をこの金属からなる基板１０１に接触させると、殆どの場合、失活してしまうという問題があった。
【０００８】
そこで、この発明が解決しようとする課題は、細胞や生体組織などのバイオ系物質の本来の機能を正確に測定することができるバイオ機能測定装置を提供することである。
この発明が解決しようとする他の課題は、細胞や生体組織などのバイオ系物質またはバイオ系物質の制御機能を有する非バイオ系物質の培養または成長を必要に応じてバイオ機能を観測しながら行うことができる培養／成長装置を提供することである。
この発明が解決しようとするさらに他の課題は、細胞や生体組織などのバイオ系物質の本来の機能を用いて動作が可能なバイオ機能素子を提供することである。
一方、従来のバイオ系を含む電子素子においては、全電極に対してバイアス電圧ゼロの全対称状態から有限のバイアス電圧を印加した低対称性状態へ変化するという自明なものを除いて、動作時に、ポテンシャルの勾配を変化させることこそあれ、ポテンシャルの空間対称性を変化させるものはなかった。
そこで、この発明が解決しようとするさらに他の課題は、バイオ分子などの各種の物質の機能を用いてポテンシャルの空間対称性を変調することが可能な機能素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、第１の発明は、
金属薄膜と誘電体薄膜とからなる多層構造体薄片であって、上記金属薄膜と上記誘電体薄膜とは上記多層構造体薄片の一方の主面内の一方向に交互に積層され、上記一方の主面において上記金属薄膜が上記誘電体薄膜に対して突出しているものを有し、
上記多層構造体薄片の上記一方の主面上にバイオ系物質を載せ、上記多層構造体薄片の上記一方の主面に垂直な方向から上記バイオ系物質にプローブを接触または接近させるようにしたことを特徴とするバイオ機能測定装置である。
【００１０】
ここで、金属薄膜および誘電体薄膜の厚さは必要に応じて選ばれるが、典型的には、金属薄膜の厚さは１ｎｍ以上６０ｎｍ以下、誘電体薄膜の厚さは１０ｎｍ以上６００ｎｍ以下である。これらの金属薄膜および誘電体薄膜は、典型的には、ストリップ状またはリボン状であるが、これに限定されるものではない。バイオ系物質には、細胞や生体組織のほかに生体由来物質も含まれる。生体由来物質には各種のものが含まれるが、例えば、膀胱上皮膜、クリーンベンチ内などのクリーン環境下での細胞培養で得られた培養皮膚、ＤＮＡメンブレインなどである。このバイオ系物質は金属薄膜のエッジと接触するが、例えばバイオ系物質が細胞である場合、細胞のサイズは〜１０μｍのオーダーと考えられるので、例えば上記のように金属薄膜の厚さが１ｎｍ以上６０ｎｍ以下である場合、金属薄膜のエッジの幅（金属薄膜の厚さに等しい）は細胞に対して１／１７０〜１／１００００のサイズに過ぎず、失活が抑えられる。細胞や金属薄膜の材質などにより、万が一細胞の失活のおそれがある場合は、誘電体薄膜の厚さを大きくして金属薄膜の間隔を大きくすればよい。典型的には、多層構造体薄片の金属薄膜同士が互いに電気的に接続される。このために、例えば、この多層構造体薄片の他方の主面上に金属配線が形成され、この金属配線と多層構造体薄片の金属薄膜とが接続される。あるいは、この多層構造体薄片の少なくとも一対の金属薄膜間、例えば隣り合う金属薄膜間に電圧を印加することができるように構成される。このために、例えば、この多層構造体薄片の他方の主面上に金属配線が形成され、この金属配線と多層構造体薄片の金属薄膜のうちの選択されたものとが接続される。プローブは、ＳＰＭのプローブと同様なものを用いることができ、必要に応じてその材質や先端径などが選ばれるが、具体的には、例えばカーボンナノチューブである。プローブとしては、金属薄膜と誘電体薄膜とからなる多層構造体薄片であって、これらの金属薄膜と誘電体薄膜とがこの多層構造体薄片の一方の主面内の一方向に交互に積層されているもの、あるいはさらにこの多層構造体薄片の一方の主面において金属薄膜が誘電体薄膜に対して突出しているものを用いてもよい。この場合、典型的には、バイオ系物質が載せられる多層構造体薄片の金属薄膜および誘電体薄膜と、プローブとして用いられる多層構造体薄片の金属薄膜および誘電体薄膜とが、互いに直交するようにする。このとき、例えば、これらの二枚の多層構造体薄片の金属薄膜同士がエッジ対エッジで対向する交差部に電圧を印加することができる。
【００１１】
第２の発明は、
第１の薄膜と第２の薄膜とからなる多層構造体薄片であって、上記第１の薄膜と上記第２の薄膜とは上記多層構造体薄片の一方の主面内の一方向に交互に積層され、上記第１の薄膜は第１の誘電体薄膜および少なくとも一つの金属薄膜からなり、上記第２の薄膜は第２の誘電体薄膜からなり、上記一方の主面において上記第１の薄膜が上記第２の薄膜に対して突出しているものを有し、
上記多層構造体薄片の上記一方の主面上にバイオ系物質を載せ、上記多層構造体薄片の上記一方の主面に垂直な方向から上記バイオ系物質にプローブを接触または接近させるようにしたことを特徴とするバイオ機能測定装置である。
ここで、バイオ系物質は、基本的には、第１の誘電体薄膜のエッジと接触し、金属薄膜とは接触しないため、例えばバイオ系物質が細胞である場合、その失活が抑えられる。また、この場合、金属薄膜がプローブの対向電極となる。
【００１２】
第３の発明は、
第１の薄膜と第２の薄膜とからなる多層構造体薄片であって、上記第１の薄膜と上記第２の薄膜とは上記多層構造体薄片の一方の主面内の一方向に交互に積層され、上記第１の薄膜は一つおきに金属薄膜および不純物がドープされた半導体薄膜からなり、上記第２の薄膜は誘電体薄膜からなり、上記一方の主面において上記半導体薄膜が上記金属薄膜および上記第２の薄膜に対して突出しているものを有し、
上記多層構造体薄片の上記一方の主面上にバイオ系物質を載せ、上記多層構造体薄片の上記一方の主面に垂直な方向から上記バイオ系物質にプローブを接触または接近させるようにしたことを特徴とするバイオ機能測定装置である。
ここで、バイオ系物質は、基本的には、半導体薄膜のエッジと接触し、金属薄膜とは接触しないため、例えばバイオ系物質が細胞である場合、その失活が抑えられる。また、この場合、半導体薄膜をこれと隣り合う金属薄膜にゲート電圧を印加することにより導電性に制御することでプローブの対向電極とすることができる。半導体薄膜には無機半導体および有機半導体が含まれる。
第２および第３の発明においては、その性質に反しない限り、第１の発明に関連して説明したことが成立する。
【００１３】
第４の発明は、
金属薄膜と誘電体薄膜とからなる多層構造体薄片であって、上記金属薄膜と上記誘電体薄膜とは上記多層構造体薄片の一方の主面内の一方向に交互に積層され、上記一方の主面において上記金属薄膜が上記誘電体薄膜に対して突出しているものを有し、
上記多層構造体薄片の上記一方の主面上にバイオ系物質および／またはバイオ系物質の制御機能を有する非バイオ系物質を載せ、上記多層構造体薄片の上記一方の主面に垂直な方向から上記バイオ系物質および／またはバイオ系物質の制御機能を有する非バイオ系物質にプローブを接触または接近させるようにしたことを特徴とする培養／成長装置である。
【００１４】
第５の発明は、
第１の薄膜と第２の薄膜とからなる多層構造体薄片であって、上記第１の薄膜と上記第２の薄膜とは上記多層構造体薄片の一方の主面内の一方向に交互に積層され、上記第１の薄膜は第１の誘電体薄膜および少なくとも一つの金属薄膜からなり、上記第２の薄膜は第２の誘電体薄膜からなり、上記一方の主面において上記第１の薄膜が上記第２の薄膜に対して突出しているものを有し、
上記多層構造体薄片の上記一方の主面上にバイオ系物質および／またはバイオ系物質の制御機能を有する非バイオ系物質を載せ、上記多層構造体薄片の上記一方の主面に垂直な方向から上記バイオ系物質および／またはバイオ系物質の制御機能を有する非バイオ系物質にプローブを接触または接近させるようにしたことを特徴とする培養／成長装置である。
【００１５】
第６の発明は、
第１の薄膜と第２の薄膜とからなる多層構造体薄片であって、上記第１の薄膜と上記第２の薄膜とは上記多層構造体薄片の一方の主面内の一方向に交互に積層され、上記第１の薄膜は一つおきに金属薄膜および不純物がドープされた半導体薄膜からなり、上記第２の薄膜は誘電体薄膜からなり、上記一方の主面において上記半導体薄膜が上記金属薄膜および上記第２の薄膜に対して突出しているものを有し、
上記多層構造体薄片の上記一方の主面上にバイオ系物質および／またはバイオ系物質の制御機能を有する非バイオ系物質を載せ、上記多層構造体薄片の上記一方の主面に垂直な方向から上記バイオ系物質および／またはバイオ系物質の制御機能を有する非バイオ系物質にプローブを接触または接近させるようにしたことを特徴とする培養／成長装置である。
第４〜第６の発明において、バイオ系物質の制御機能（バイオ系物質を機能的または形態的に制御する機能で成長の誘引、促進などを行う機能）を有する非バイオ系物質には、非バイオ系物質そのものがバイオ系物質の制御機能を有する場合と、非バイオ系物質そのものはバイオ系物質の制御機能を有していないが非バイオ系物質の形状や形態がバイオ系物質の制御機能を有する場合とが含まれる。前者の例としては、サイトカイン（インターロイキン、増血因子、増殖因子など）やこれらを含む物質などが挙げられる。また、後者の例としては、自己組織化によるナノ・マイクロピラー構造などが挙げられる。
第４〜第６の発明においては、その性質に反しない限り、第１〜第３の発明に関連して説明したことが成立する。
【００１６】
第７の発明は、
金属薄膜と誘電体薄膜とからなる多層構造体薄片であって、上記金属薄膜と上記誘電体薄膜とは上記多層構造体薄片の一方の主面内の一方向に交互に積層され、上記一方の主面において上記金属薄膜が上記誘電体薄膜に対して突出しているものを有し、
上記多層構造体薄片の上記一方の主面上にバイオ系物質を載せ、上記多層構造体薄片の上記一方の主面に垂直な方向から上記バイオ系物質にプローブを接触または接近させるようにしたことを特徴とするバイオ機能素子である。
【００１７】
第８の発明は、
第１の薄膜と第２の薄膜とからなる多層構造体薄片であって、上記第１の薄膜と上記第２の薄膜とは上記多層構造体薄片の一方の主面内の一方向に交互に積層され、上記第１の薄膜は第１の誘電体薄膜および少なくとも一つの金属薄膜からなり、上記第２の薄膜は第２の誘電体薄膜からなり、上記一方の主面において上記第１の薄膜が上記第２の薄膜に対して突出しているものを有し、
上記多層構造体薄片の上記一方の主面上にバイオ系物質を載せ、上記多層構造体薄片の上記一方の主面に垂直な方向から上記バイオ系物質にプローブを接触または接近させるようにしたことを特徴とするバイオ機能素子である。
【００１８】
第９の発明は、
第１の薄膜と第２の薄膜とからなる多層構造体薄片であって、上記第１の薄膜と上記第２の薄膜とは上記多層構造体薄片の一方の主面内の一方向に交互に積層され、上記第１の薄膜は一つおきに金属薄膜および不純物がドープされた半導体薄膜からなり、上記第２の薄膜は誘電体薄膜からなり、上記一方の主面において上記半導体薄膜が上記金属薄膜および上記第２の薄膜に対して突出しているものを有し、
上記多層構造体薄片の上記一方の主面上にバイオ系物質を載せ、上記多層構造体薄片の上記一方の主面に垂直な方向から上記バイオ系物質にプローブを接触または接近させるようにしたことを特徴とするバイオ機能素子である。
第７〜第９の発明においては、その性質に反しない限り、第１〜第３の発明に関連して説明したことが成立する。
第１０の発明は、
互いに対向する第１の電極および第２の電極を少なくとも有する機能素子において、
上記第１の電極および上記第２の電極に対するバイアス電圧の制御により、上記第１の電極および上記第２の電極からなる系が有するポテンシャルの対称性を変調するようにしたことを特徴とするものである。
第１の電極および第２の電極としては、例えば、第１〜第３の発明における多層構造体薄片を用いることができる。この機能素子は、例えばバイオ機能素子であるが、これに限定されるものではなく、バイオ系物質を用いない電子素子であってもよい。
第１０の発明においては、その性質に反しない限り、第１〜第３の発明に関連して説明したことが成立する。
【発明の効果】
【００１９】
この発明によれば、バイオ系物質が載せられる多層構造体薄片の一方の主面は凹凸状になっており、この凹凸の周期は第１の薄膜および第２の薄膜の厚さの制御により容易にナノメートルオーダーにすることができ、しかも第１の薄膜および第２の薄膜に金属薄膜が含まれていてこの金属薄膜にバイオ系物質が接触する場合でも、その接触面積は極めて小さいため、バイオ系物質が接着伸展したり失活したりするのを防止することができる。そして、バイオ機能測定装置においては、このバイオ系物質にプローブを接触または接近させ、このプローブと多層構造体薄片の金属薄膜との間に電圧を印加してそのときにバイオ系物質に局所的に流れる電流を測定することなどにより、細胞や生体組織などの本来の機能を測定することができる。この場合、多層構造体薄片の金属薄膜のうち選択されたものの間に電圧を印加することにより、バイオ系物質に対して多層構造体薄片の一方の主面に平行な方向に局所的に電圧を印加しながら測定を行うことができるので、極めて空間分解能の高い測定を行うことができる。あるいは、培養／成長装置においては、バイオ系物質および／またはバイオ系物質の制御機能を有する非バイオ系物質にプローブを接触または接近させ、このプローブと多層構造体薄片の金属薄膜との間に電圧を印加してバイオ系物質および／またはバイオ系物質の制御機能を有する非バイオ系物質に局所的に電流を流すことなどにより、必要に応じてバイオ機能を観測しながら、バイオ系物質および／またはバイオ系物質の制御機能を有する非バイオ系物質の培養または成長を制御することができる。この場合、多層構造体薄片の金属薄膜のうち選択されたものの間に電圧を印加することにより、バイオ系物質および／またはバイオ系物質の制御機能を有する非バイオ系物質に対して多層構造体薄片の一方の主面に平行な方向に局所的に電圧を印加しながら培養あるいは細胞の分化などを行うことができる。さらに、バイオ機能素子においては、バイオ系物質にプローブを接触または接近させ、このプローブと多層構造体薄片の金属薄膜との間に電圧を印加してバイオ系物質に局所的に電流を流すことなどにより、バイオ系物質の機能を制御することができる。この場合、多層構造体薄片の金属薄膜のうちの選択されたものの間に電圧を印加することにより、バイオ系物質に対して多層構造体薄片の一方の主面に平行な方向に局所的に電圧を印加しながら機能の制御を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
図１はこの発明の第１の実施形態によるバイオ機能測定装置を示す。このバイオ機能測定装置はＳＴＭと同様な構成を有する。
図１に示すように、このバイオ機能測定装置においては、多層構造体薄片１１の一方の主面である上面Ａ上に試料としてバイオ系物質１２を載せ、この上面Ａに垂直な方向からこのバイオ系物質１２に、シリコンなどからなるプローブ１３の先端に取り付けられたカーボンナノチューブプローブ１４を接触または接近させることができるようになっている。プローブ１３、したがってカーボンナノチューブプローブ１４は、ＳＴＭのプローブと同様に、図示省略した圧電制御装置により多層構造体薄片１１上でｘ、ｙ、ｚ方向に三次元的に走査することができるようになっている。
【００２１】
図２ＡおよびＢに、多層構造体薄片１１の平面図および断面図（図２ＡのＢ−Ｂ線断面図）を示す。図２ＡおよびＢに示すように、多層構造体薄片１１は、ストリップ状またはリボン状の誘電体薄膜１１ａとこれと同じ幅で同じくストリップ状またはリボン状の金属薄膜１１ｂとがこの多層構造体薄片１１の上面Ａ内の一方向に交互に多層積層された構造を有し、全体として矩形の平面形状を有する。誘電体薄膜１１ａの厚さは例えば２〜１００ｎｍ、金属薄膜１１ｂの厚さは例えば２〜２０ｎｍであるが、これに限定されるものではない。誘電体薄膜１１ａとしては各種のものを用いることができ、必要に応じて適宜選ばれるが、具体的には、例えば、ＳｉＯ2 膜、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）膜などである。金属薄膜１１ｂとしても各種のものを用いることができ、必要に応じて適宜選ばれるが、具体的には、例えば、Ｃｕ膜、Ａｕ膜、Ａｌ膜、Ｐｔ膜などである。多層構造体薄片１１の試料載置面である上面Ａにおいて、金属薄膜１１ｂは、誘電体薄膜１１ａに対して高さΔだけ突き出ている。Δはバイオ系物質１２などに応じて適宜選ばれ、例えば０．１〜２μｍであるが、これに限定されるものではない。一方、多層構造体薄片１１の他方の主面である裏面Ｂには、各金属薄膜１１ｂと電気的に接続された形で金属からなる裏面電極１５が形成されている。
【００２２】
多層構造体薄片１１は例えば次のようにして作製することができる。図３ＡおよびＢに示すように、真空蒸着装置の真空チェンバー２１内において、ローラ２２に、例えば幅が狭くて薄い平坦なテープ状の樹脂製ベースフィルム２３を巻き付けておき、この樹脂製ベースフィルム２３の一方の面に、蒸着源２４から例えば金属を蒸発させて薄い金属薄膜（図示せず）を形成した後、この金属薄膜付き樹脂製ベースフィルム２３を巻き取りローラ２５で巻き取っていく。符号２６は樹脂製ベースフィルム２３を両側から保持する支持板を示す。
【００２３】
上述のようにして金属膜付き樹脂製ベースフィルム２３が巻き取りローラ２５で巻き取られることにより、樹脂製ベースフィルム２３からなる誘電体薄膜１１ａと金属薄膜１１ｂとが交互に積層された全体として円柱状のスパイラル構造が形成される。次に、この円柱状のスパイラル構造を中心軸に垂直な面に沿って薄く輪切りすることにより、図４Ａに示すように、誘電体薄膜１１ａと金属薄膜１１ｂとが半径方向に交互に積層された円板２７を作製する。次に、図４Ｂに示すように、この円板２７の一方の主面を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法のようなドライエッチング法によりエッチングする。このとき、一般に、樹脂製ベースフィルム２３からなる誘電体薄膜１１ａのエッチング速度は金属薄膜１１ｂのエッチング速度に比べて十分に大きいため、ある時間エッチングすると、図４Ｃに示すように、誘電体薄膜１１ａに対して金属薄膜１１ｂが高さΔだけ突出した状態になる。この時点でエッチングを停止する。次に、図４Ｃに示すように、この円板２７の他方の主面に真空蒸着法やスパッタリング法などにより金属を堆積させることにより裏面電極１５を形成する。この後、図５において一点鎖線で示すように、この円板２７を矩形の形状に切り出して多層構造体薄片１１を作製する。
【００２４】
次に、このバイオ機能測定装置の使用方法について説明する。
図１に示すように、多層構造体薄片１１の上面Ａに、例えば、バイオ系物質１２として、機能を調べたい細胞を載せる。このとき、多層構造体薄片１１の上面Ａは平坦ではなく、金属薄膜１１ｂが誘電体薄膜１１ａに対して高さΔだけ突き出ていてナノメートルオーダーの間隔の凹凸を有する面となっており、しかも細胞が金属薄膜１１ｂに接触する面積は極めて小さいため、この細胞は接着伸展したり失活したりすることがなく、細胞本来の機能を維持することができる。そして、カーボンナノチューブプローブ１４と多層構造体薄片１１の裏面Ｂに形成された裏面電極１５、したがって金属薄膜１１ｂとの間に電源１６により電圧Ｖを印加しながらカーボンナノチューブプローブ１４の先端をバイオ系物質１２に接触あるいは接近させ、そのときにバイオ系物質１２に局所的に流れる電流Ｉを電流計１７により測定する。この場合、Ｉ−Ｖ特性やｄＩ／ｄＶ特性などの各種の特性を測定することができる。
【００２５】
以上のように、この第１の実施形態によれば、試料であるバイオ系物質１２が載せられる多層構造体薄片１１の上面Ａはナノメートルオーダーの間隔の凹凸を有し、しかも金属薄膜１１ｂがバイオ系物質１２と接触する面積は極めて小さいため、バイオ系物質１２の本来の機能を維持することができる。そして、この状態でバイオ系物質１２に対してカーボンナノチューブプローブ１４を接触または接近させてこのカーボンナノチューブプローブ１４と多層構造体薄片１１の金属薄膜１１ａとの間に流れる電流を測定することにより、バイオ系物質１２のバイオ機能を正確に測定することができる。
【００２６】
次に、この発明の第２の実施形態によるバイオ機能測定装置について説明する。
図６に示すように、このバイオ機能測定装置においては、多層構造体薄片１１の構造が第１の実施形態と異なる。図７Ａ、Ｂ、ＣおよびＤに、この多層構造体薄片１１の上面図、裏面図、図７ＡのＣ−Ｃ線断面図および図７ＡのＤ−Ｄ線断面図を示す。図７Ａ、Ｂ、ＣおよびＤに示すように、この多層構造体薄片１１は、ストリップ状またはリボン状の誘電体薄膜１１ａと同じくストリップ状またはリボン状の金属薄膜１１ｂとがこの多層構造体薄片１１の上面Ａ内の一方向に交互に多層積層された構造を有し、全体として矩形の平面形状を有することは第１の実施形態と同様であるが、この場合、図７Ａの左から数えて偶数番目の金属薄膜１１ｂは多層構造体薄片１１の裏面Ｂの一方の片側半分に形成された裏面電極１５ａと電気的に接続され、奇数番目の金属薄膜１１ｂは多層構造体薄片１１の裏面Ｂの他方の片側半分に形成された裏面電極１５ｂと電気的に接続されている。これらの裏面電極１５ａおよび裏面電極１５ｂは多層構造体薄片１１の裏面Ｂ上に絶縁体薄膜１８を介して形成されている。そして、裏面電極１５ａはこの絶縁体薄膜１８に形成されたコンタクトホール１８ａを通じて偶数番目の金属薄膜１１ｂと電気的に接続され、裏面電極１５ｂはこの絶縁体薄膜１８に形成されたコンタクトホール１８ｂを通じて奇数番目の金属薄膜１１ｂと電気的に接続されている。図６においては、これらの裏面電極１５ａおよび裏面電極１５ｂは模式的に示されており、絶縁体薄膜１８の図示も省略されている。
この第２の実施形態においては、上記以外の構成は第１の実施形態と同様である。
また、多層構造体薄片１１の作製方法も、多層構造体薄片１１の裏面Ｂに絶縁体薄膜１８およびコンタクトホール１８ａ、１８ａを形成し、裏面電極１５ａおよび裏面電極１５ｂを形成すること以外は、第１の実施形態と同様である。
【００２７】
次に、このバイオ機能測定装置の使用方法について説明する。
図６に示すように、多層構造体薄片１１の上面Ａに、バイオ系物質１２として、機能を調べたい細胞を載せる。そして、裏面電極１５ａと裏面電極１５ｂとの間、したがって互いに隣り合う金属薄膜１１ｂ間に電源１９によりバイアス電圧ＶG を印加することでバイオ系物質１２に上面Ａに平行な方向の局所的な電圧を印加し、かつカーボンナノチューブプローブ１４と多層構造体薄片１１の裏面Ｂに形成された裏面電極１５ｂ、したがって奇数番目の金属薄膜１１ｂとの間に電源１６により電圧Ｖを印加しながらカーボンナノチューブプローブ１４の先端をバイオ系物質１２に接触あるいは接近させ、そのときに流れる電流Ｉを電流計１７により測定する。この場合、Ｉ−Ｖ特性、ｄＩ／ｄＶ特性などの各種の特性を測定することができる。上記のように、互いに隣り合う金属薄膜１１ｂ間にバイアス電圧ＶG を印加することでバイオ系物質１２に上面Ａに平行な方向の局所的な電圧を印加することにより、例えば、バイオ系物質１２が生きた細胞である場合、この細胞内の原形質流動などに変調を加えることができる。
この第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点に加えて、細胞内の原形質流動などに変調を加えながらバイオ系物質１２の測定を行うことができるという利点を得ることができる。さらに、互いに隣り合う金属薄膜１１ｂ間にバイアス電圧ＶG を印加することができるので、バイオ系物質１２を一種の３端子動作させながら測定を行うことができる。
【００２８】
次に、この発明の第３の実施形態によるバイオ機能測定装置について説明する。
図８に示すように、このバイオ機能測定装置においては、多層構造体薄片１１の構造が第１の実施形態と異なる。図９ＡおよびＢに、この多層構造体薄片１１の上面図および図９ＡのＢ−Ｂ線断面図を示す。図９ＡおよびＢに示すように、この多層構造体薄片１１は、ストリップ状またはリボン状の樹脂薄膜１１ｃと同じくストリップ状またはリボン状の絶縁体薄膜１１ｄとがこの多層構造体薄片１１の上面Ａ内の一方向に交互に多層積層された構造を有し、全体として矩形の平面形状を有する。ただし、一箇所だけ、絶縁体薄膜１１ｄの代わりに金属薄膜１１ｂが積層されている。絶縁体薄膜１１ｄとしては各種のものを用いることができ、必要に応じて適宜選ばれるが、具体的には、例えば、Ａｌ2 Ｏ3 膜、ＳｉＯ2 膜、共有結合有機薄膜などである。多層構造体薄片１１の上面Ａにおいて、金属薄膜１１ｂおよび絶縁体薄膜１１ｄは、樹脂薄膜１１ｃに対して高さΔだけ突き出ている。一方、多層構造体薄片１１の裏面Ｂには絶縁体薄膜１８が形成されている。さらに、絶縁体薄膜１８上には裏面電極１５が形成されている。金属薄膜１１ｂは、多層構造体薄片１１の裏面Ｂにおいて、絶縁体薄膜１８に形成されたコンタクトホール１８ｃを通じて金属薄膜１１ｂと電気的に接続されている。図８においては、この裏面電極１５は模式的に示されている。
この第３の実施形態においては、上記以外の構成は第１の実施形態と同様である。
また、多層構造体薄片１１の作製方法も、樹脂製ベースフィルム２３の一方の面に、蒸着源２４とは別に設けられた他の蒸着源から絶縁体を蒸発させて薄い絶縁体薄膜（図示せず）を形成する工程の途中で絶縁体の代わりに蒸着源２４から金属を蒸発させて薄い金属薄膜（図示せず）を形成し、円板２７を形成した後に裏面に絶縁体薄膜１８、コンタクトホール１８ｃおよび裏面電極１５を形成すること以外は第１の実施形態と同様である。
【００２９】
次に、このバイオ機能測定装置の使用方法について説明する。
図８に示すように、多層構造体薄片１１の上面Ａの金属薄膜１１ｂを含む領域に、バイオ系物質１２として、機能を調べたい細胞を載せる。このとき、多層構造体薄片１１の上面Ａは平坦ではなく、絶縁体薄膜１１ｄおよび金属薄膜１１ｂが樹脂薄膜１１ｃに対して高さΔだけ突き出ていてナノメートルオーダーの間隔の凹凸を有する面となっており、しかも細胞は絶縁体薄膜１１ｄのエッジと接触し、一箇所だけで金属薄膜１１ｂと接触するため、この細胞は接着伸展したり失活したりすることがなく、細胞本来の機能を維持することができる。そして、カーボンナノチューブプローブ１４と多層構造体薄片１１の裏面Ｂに形成された裏面電極１５、したがって金属薄膜１１ｂとの間に電源１６により電圧Ｖを印加しながらカーボンナノチューブプローブ１４の先端をバイオ系物質１２に接触あるいは接近させ、そのときに流れる電流Ｉを電流計１７により測定する。この場合、Ｉ−Ｖ特性を測定してもよいし、ｄＩ／ｄＶ特性を測定してもよい。
この第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点に加えて、細胞内の原形質流動などの測定を行うことができるという利点を得ることができる。
【００３０】
次に、この発明の第４の実施形態によるバイオ機能測定装置について説明する。
図１０に示すように、このバイオ機能測定装置においては、多層構造体薄片１１の構造が第１の実施形態と異なる。図１１Ａ、Ｂ、ＣおよびＤに、この多層構造体薄片１１の上面図、裏面図、図１１ＡのＣ−Ｃ線断面図および図１１ＡのＤ−Ｄ線断面図を示す。図１１Ａ、Ｂ、ＣおよびＤに示すように、この多層構造体薄片１１は、ストリップ状またはリボン状の誘電体薄膜１１ａと、一つおきに同じくストリップ状またはリボン状の金属薄膜１１ｂまたは不純物が高濃度にドープされた半導体薄膜１１ｅとがこの多層構造体薄片１１の上面Ａ内の一方向に交互に多層積層された構造を有し、全体として矩形の平面形状を有する。半導体薄膜１１ｅとしては各種のものを用いることができ、必要に応じて適宜選ばれるが、具体的には、例えば、単結晶Ｓｉ膜、多結晶Ｓｉ膜、アモルファスＳｉ膜、Ｃ60誘導体などの有機半導体膜などである。多層構造体薄片１１の上面Ａにおいて、半導体薄膜１１ｅは、誘電体薄膜１１ａおよび金属薄膜１１ｂに対して高さΔだけ突き出ている。金属薄膜１１ｂは裏面電極１５ａと電気的に接続されており、これらの金属薄膜１１ｂおよび裏面電極１５ａの全体がゲート電極となる。半導体薄膜１１ｅは多層構造体薄片１１の裏面Ｂの他方の片側半分に形成された裏面電極１５ｂと電気的に接続されている。これらの裏面電極１５ａおよび裏面電極１５ｂは多層構造体薄片１１の裏面Ｂ上に絶縁体薄膜１８を介して形成されている。そして、裏面電極１５ａはこの絶縁体薄膜１８に形成されたコンタクトホール１８ａを通じて金属薄膜１１ｂと電気的に接続され、裏面電極１５ｂはこの絶縁体薄膜１８に形成されたコンタクトホール１８ｂを通じて半導体薄膜１１ｅと電気的に接続されている。図１０においては、これらの裏面電極１５ａおよび裏面電極１５ｂは模式的に示されており、絶縁体薄膜１８の図示も省略されている。
この第４の実施形態においては、上記以外の構成は第１の実施形態と同様である。
また、多層構造体薄片１１の作製方法も、樹脂製ベースフィルム２３の一方の面に、蒸着源２４から金属を蒸発させて薄い金属薄膜（図示せず）を形成する工程と蒸着源２４とは別に設けられた他の蒸着源から不純物が高濃度にドープされた半導体薄膜（図示せず）を形成する工程とを交互に実行し、円板２７を形成した後に裏面に絶縁体薄膜１８、コンタクトホール１８ｃ、裏面電極１５ａおよび裏面電極１５ｂを形成すること以外は、第１の実施形態と同様である。
【００３１】
次に、このバイオ機能測定装置の使用方法について説明する。
図１０に示すように、多層構造体薄片１１の上面Ａに、バイオ系物質１２として、機能を調べたい細胞を載せる。このとき、多層構造体薄片１１の上面Ａは平坦ではなく、半導体薄膜１１ｅが金属薄膜１１ｂおよび誘電体薄膜１１ａに対して高さΔだけ突き出ていてナノメートルオーダーの間隔の凹凸を有する面となっており、しかも細胞は半導体薄膜１１ｅのエッジと接触し、金属薄膜１１ｂとは接触しないため、この細胞は接着伸展したり失活したりすることがなく、細胞本来の機能を維持することができる。そして、裏面電極１５ａと裏面電極１５ｂとの間、したがって金属薄膜１１ｂと半導体薄膜１１ｅとの間に電源１９によりゲート電圧ＶG を印加することで不純物が高濃度にドープされた半導体薄膜１１ｅの空乏化を制御し、それによって導電性／絶縁性を制御する。したがって、この半導体薄膜１１ｅを導電性に制御することでバイオ系物質１２に局所的な電圧を印加することができる。そして、この状態でカーボンナノチューブプローブ１４と多層構造体薄片１１の裏面Ｂに形成された裏面電極１５ｂ、したがって奇数番目の金属薄膜１１ｂとの間に電源１６により電圧Ｖを印加しながらカーボンナノチューブプローブ１４の先端をバイオ系物質１２に接触あるいは接近させ、そのときに流れる電流Ｉを電流計１７により測定する。この場合、Ｉ−Ｖ特性を測定してもよいし、ｄＩ／ｄＶ特性を測定してもよい。
この第４の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点に加えて、細胞内の原形質流動などの測定を行うことができるという利点を得ることができる。
【００３２】
ところで、上記の多層構造体薄片を二枚張り合わせることにより、以下に説明するように様々な応用が考えられる。
図１２Ａに示すように、まず、第１の実施形態と同様な方法により誘電体薄膜１１ａと金属薄膜１１ｂとが交互に積層されたスパイラル構造の円板２７を製造した後、この円板２７から二枚の矩形の多層構造体薄片３１、３２を切り出す。これらの多層構造体薄片３１、３２のサイズは必要に応じて選ばれるが、例えば１ｃｍ×１ｃｍ程度である。
次に、図１２Ｂに示すように、こうして得られた多層構造体薄片３１、３２を高度清浄度環境下で互いに９０度方位をずらして張り合わせ、多層構造体薄片張り合わせ構造３３を作製する。この多層構造体薄片張り合わせ構造３３においては、多層構造体薄片３１の金属薄膜１１ｂと多層構造体薄片３２の金属薄膜１１ｂとの各交差部においてこれらの上下の二つの金属薄膜１１ｂ同士がエッジ対エッジで対向した構造を有する。この構造を量子十字構造と呼ぶことにする。この量子十字構造は擬一次元系である。上下の二つの金属薄膜１１ｂの間に電圧を印加すると、この量子十字部分にギャップがあればトンネル電流が流れ、導体があれば電流が流れる。また、量子十字構造に固体電解質を挟むことで、表面の微細加工やナノスケールの描画が可能である。
【００３３】
図１３Ａにこの多層構造体薄片張り合わせ構造３３の斜視図を示す。また、図１３Ｂに一つの量子十字構造を示す。この多層構造体薄片張り合わせ構造３３においては、この量子十字構造が二次元アレイで多重に配列している。この量子十字構造においては、上下の二つの金属薄膜１１ｂの交差部のエッジ間に所定の物質３４が挟まれる。この物質３４は必要に応じて選ばれ、例えば分子、細胞、ＤＮＡなどであるが、これに限定されるものではない。
【００３４】
量子十字構造は、上下の二つの金属薄膜１１ｂの交差部のエッジ間に挟む物質３４の挟み方によって三つの形を取る。図１４ＡおよびＢは上下の二つの金属薄膜１１ｂの交差部のエッジ間にギャップを介さずに物質３４を挟む場合、図１５ＡおよびＢは上下の二つの金属薄膜１１ｂの交差部のエッジ間に一つのギャップ３５を介して物質３４を挟む場合、図１６ＡおよびＢは上下の二つの金属薄膜１１ｂの交差部のエッジ間に二つのギャップ３５を介して物質３４を挟む場合である。量子十字構造は、これらの物質３４の挟み方によって、物質３４の表面状態や内部状態の観察や操作、あるいはナノスケールでの表面の加工や描画が可能になる。
【００３５】
上下の二つの金属薄膜１１ｂの交差部のエッジ間にギャップを介さずに物質３４を挟む場合、二種類の機能素子の実現が可能である。一つは図１４ＡおよびＢに示すような構造を有するものでポテンシャル対称性変調素子である。もう一つは、図１７に示すように、物質３４として固体電解質３６を用い、この固体電解質３６における金属架橋の生成消滅を電圧で制御することで二つの安定状態を取るスイッチング素子である。この場合、例えば、多層構造体薄片３１の金属薄膜１１ｂはＣｕ膜またはＡｇ膜、多層構造体薄片３２の金属薄膜１１ｂはＰｔ膜、固体電解質３６はＣｕ2 Ｓ膜またはＡｇ2 Ｓ膜である。これらの素子では、上下の二つの金属薄膜１１ｂの交差部のエッジ間に挟む物質３４として、例えば、表面をナノオーダーでフラット化したものを用いるのが望ましい。そして、多層構造体薄片３１の金属薄膜１１ｂと多層構造体薄片３２の金属薄膜１１ｂとの間に順番に電圧を印加することで、各量子十字構造における上下の二つの金属薄膜１１ｂの交差部のエッジ間の物質３４に電圧を印加し、このときに上下の二つの金属薄膜１１ｂ間に流れる電流をモニターすることで物質３４の表面の状態や内部状態を観察することができる。
【００３６】
量子十字構造では、上下の二つの金属薄膜１１ｂに与える電荷の符号や大きさを変えることによりポテンシャルの形や大きさを制御することができる。このため、図１４ＡおよびＢに示すポテンシャル対称性変調素子では、上下の二つの金属薄膜１１ｂに与えるバイアス電圧、したがってこの系のポテンシャルを変えることで、図１８Ａに示す鞍点型のポテンシャルから、図１９Ａに示す下に凸のポテンシャルに変化させることができる。このポテンシャル変化により、例えば、物質３４が分子である場合、この分子の配向（双極子モーメントの向き）（交差部の矢印で示す）を、図１８Ｂに示す状態から図１９Ｂに示す状態に制御することができる。
より詳細には、図１８Ａおよび図１９Ａから分かるように、上下の二つの金属薄膜１１ｂに印加するバイアス電圧によって、シェーンフリースの記号でＣ4v（図１９Ａ）の対称性とＤ2d（図１８Ａ）の対称性との間を移り変わることができる。また、上下の二つの金属薄膜１１ｂのなす角度を９０度からずらすことで、Ｃ2vの対称性とＤ2 の対称性との間を移り変わることも可能である。例えば、量子十字部に挟むバイオ分子に双極子モーメントを有するものを採用することなどを通じ、バイアス電圧の制御によりポテンシャルの空間対称性を変調することができるという全く新しい制御パラメータ空間を伴った新規な機能素子を実現することができる。
【００３７】
図１７に示すスイッチング素子では、次のようにしてスイッチングを行う。例えば、多層構造体薄片３１の金属薄膜１１ｂとしてＣｕ膜、多層構造体薄片３２の金属薄膜１１ｂとしてＰｔ膜、固体電解質３６としてＣｕ2 Ｓ膜を用いる。そして、図２０Ａに示すように、多層構造体薄片３１の金属薄膜１１ｂ側が正に、多層構造体薄片３２の金属薄膜１１ｂ側が負になるように電圧を印加すると、Ｃｕ+ ＋ｅ- →Ｃｕの反応が起き、これらの上下の二つの金属薄膜１１ｂの交差部のエッジ間にＣｕ析出部３７が形成され、これらの金属薄膜１１ｂ同士がこのＣｕ析出部３７で架橋される。図２０Ｂに示すように、電圧の極性を逆にすると、すなわち多層構造体薄片３１の金属薄膜１１ｂ側が負に、多層構造体薄片３２の金属薄膜１１ｂ側が正になるように電圧を印加すると、Ｃｕ→Ｃｕ+ ＋ｅ- の反応が起き、ＣｕがイオンとなってＣｕ2 Ｓ膜に溶け出すことにより、Ｃｕ析出部３７の先端が多層構造体薄片３１の金属薄膜１１ｂから離れ、このＣｕ析出部３７による架橋がなくなる。このようにＣｕ析出部３７による架橋が生成したり消滅したりすることで上下の二つの金属薄膜１１ｂの交差部の抵抗の大きさが大きく変わるため、二つの安定状態を取ることができる。例えば、図２０Ａに示すようにＣｕ析出部３７による架橋が生成された状態をオン状態、図２０Ｂに示すようにＣｕ析出部３７による架橋が消滅した状態をオフ状態とすることができる。これらの二つの安定状態を用いることで、超高密度メモリを実現することが可能である。なお、例えば、多層構造体薄片３１の金属薄膜１１ｂとしてＡｇ膜、物質３４としてＡｇ2 Ｓ膜を用いる場合でも同様である。
【００３８】
図１５ＡおよびＢに示すように量子十字構造が一つのギャップ３５を持っているとき、この量子十字構造はＳＰＭと同じ働きをすることができる。例えば、物質３４の表面を観察したり、表面の加工や描画が可能である。具体例を図２１に示す。
図２１に示すように、量子十字構造が一つの例えばナノメートルオーダーのギャップ３５を持っている場合に、例えば、多層構造体薄片３１の金属薄膜１１ｂとしてＰｔ膜、多層構造体薄片３２の金属薄膜１１ｂとしてＣｕ膜を用い、このＣｕ膜の下部にＣｕ2 Ｓ膜３８を一体に形成する。そして、図２２Ａに示すように、多層構造体薄片３１の金属薄膜１１ｂ側が負に、多層構造体薄片３２の金属薄膜１１ｂ側が正になるように電圧を印加すると、Ｃｕ+ ＋ｅ- →Ｃｕの反応が起き、これらの上下の二つの金属薄膜１１ｂの交差部のＣｕ2 Ｓ膜３８中にＣｕ析出部３７が針状に伸びていき、このＣｕ2 Ｓ膜３８の下面に到達する。この状態はＳＰＭでプローブが物質３４に接近した状態に対応する。図２２Ｂに示すように、電圧の極性を逆にすると、すなわち多層構造体薄片３１の金属薄膜１１ｂ側が正に、多層構造体薄片３２の金属薄膜１１ｂ側が負になるように電圧を印加すると、Ｃｕ→Ｃｕ+ ＋ｅ- の反応が起き、ＣｕがイオンとなってＣｕ2 Ｓ膜３８に溶け出すことにより、Ｃｕ析出部３７の先端が物質３４から遠ざかる。この状態はＳＰＭでプローブが物質３４から離れた状態に対応する。以上のように、図２１に示す構造はＳＰＭと同じ働きをすることが分かる。この場合、量子十字構造は二次元アレイで多重に配列しているため、マルチプローブのＳＰＭと同じ働きをする。なお、例えば、多層構造体薄片３１の金属薄膜１１ｂとしてＰｔ膜、多層構造体薄片３２の金属薄膜１１ｂとしてＡｇ膜を用い、このＡｇ膜の下部にＡｇ2 Ｓ膜を一体に形成する場合も同様である。
【００３９】
次に、図２３に示すように、多層構造体薄片３１の金属薄膜１１ｂとしてＰｔ膜、多層構造体薄片３２の金属薄膜１１ｂとしてＣｕ膜を用い、このＣｕ膜の下部にＣｕ2 Ｓ膜３８を一体に形成した場合を考える。この場合、物質３４は形成されておらず、多層構造体薄片３１の金属薄膜１１ｂはＣｕ2 Ｓ膜３８に対して電子のトンネリングが生じる程度に接近している。図２４ＡおよびＢに示すように、多層構造体薄片３１の金属薄膜１１ｂ側が正に、多層構造体薄片３２の金属薄膜１１ｂ側が負になるように電圧を印加すると、Ｃｕ+ ＋ｅ- →Ｃｕの反応が起き、Ｃｕ2 Ｓ膜３８中をＣｕ析出部３７が針状に伸びていき、遂にはその先端がＣｕ2 Ｓ膜３８の下面に到達する。ここで、図２４Ｃに示すように、電圧の極性を逆にすると、すなわち多層構造体薄片３１の金属薄膜１１ｂ側が負に、多層構造体薄片３２の金属薄膜１１ｂ側が正になるように電圧を印加すると、Ｃｕ→Ｃｕ+ ＋ｅ- の反応が起き、ＣｕがイオンとなってＣｕ2 Ｓ膜３８に溶け出すことにより、Ｃｕ析出部３７の先端が多層構造体薄片３１の金属薄膜１１ｂから遠ざかる。以上のように、必要な部位の量子十字構造にドット状のＣｕ析出部３７を形成することができる。
【００４０】
図２５は、選択された部位の量子十字構造にドット状のＣｕ析出部３７を形成し、幅広のパターン４０を描画する場合を示す。図２５に示すように、格子点近似ながら、量子十字構造を形成する上下の多層構造体薄片３１、３２の相対位置を変えることなく、幅広のパターン４０を描画することができる。
図２６は、選択された部位の量子十字構造にドット状のＣｕ析出部３７を形成し、細いパターンを形成する場合の描画の軌跡４１を示す。比較のために、従来のＳＰＭで描画を行う場合の描画の軌跡４２を併せて示す。図２６に示すように、従来のＳＰＭでは、自由に任意の軌跡４２を描くことができるが、一般にはプローブが一本ないし数本しかないため、図２６に示すような軌跡４２を描く時には、ステージをパターンと同スケールの極めて広い範囲にわたって動かす必要があり、かつまた描画パターンの長さに比例する極めて長い時間を費やしてしまう。これに対し、二枚の多層構造体薄片３１、３２を重ねてできる複数の量子十字構造部にＣｕ析出部３７を形成する場合は、図２６に示すように二枚の多層構造体薄片３１、３２の相対位置をｘ方向に、量子十字構造の周期に相当する単位ベクトルｅ1 分だけ移動しつつ描画を行い、次いで一旦原点に戻した後、今度はｙ方向に、量子十字構造の周期に相当する単位ベクトルｅ2 分だけ移動することにより、描画の多重並列処理を行うことができるため、極めて短時間に図２７に示すような細いパターン４０を近似性よく形成することができる。
【００４１】
さらに、図２８に示すように、二枚の多層構造体薄片３１、３２の相対位置をｘ方向に、量子十字構造の周期に相当する単位ベクトルｅ1 分だけ移動しつつ描画を行い、次いで一旦原点に戻した後、今度はｙ方向に、量子十字構造の周期に相当する単位ベクトルｅ2 分だけ移動しつつ描画を行い、次いで一旦原点に戻した後、今度はベクトルｅ1 とベクトルｅ2 との合成ベクトルの方向に移動しつつ描画を行い、次いで一旦原点に戻した後、今度はベクトル−ｅ1 とベクトルｅ2 との合成ベクトルの方向に移動しつつ描画を行うことにより、図２８に示すように軌跡４１をさらに近似性よく形成することができる。図２９に最終的に形成されるパターン４０を示す。このように、描画の多重並列処理を行うことができるため、従来のＳＰＭに比べて極めて短時間にて、ほぼ同精度の高精細描画パターンを形成することができる。
以上のように、多層構造体薄片を二枚張り合わせた構造により、量子十字構造が多重配列化されたシステムを得ることができ、このシステムを用いて例えばマルチプローブ顕微鏡、マルチポイント顕微鏡、ナノスケール描画装置、超高密度メモリなどの各種のシステムあるいは素子を得ることができる。
【００４２】
次に、この発明の第５の実施形態によるバイオ機能測定装置について説明する。
この第５の実施形態においては、第１の実施形態におけるプローブ１３およびカーボンナノチューブプローブ１４の代わりに上記の多層構造体薄片３２を用いる。すなわち、多層構造体薄片１１の上面Ａ上に試料としてバイオ系物質１２を載せ、その上に多層構造体薄片３２を接触あるいは接近させる。この場合、多層構造体薄片１１の金属薄膜１１ｂおよび誘電体薄膜１１ａと多層構造体薄片３２の金属薄膜１１ｂおよび誘電体薄膜１１ａとが互いに直交するようにする。
【００４３】
このバイオ機能測定装置においては、多層構造体薄片１１の金属薄膜１１ｂと多層構造体薄片３２の金属薄膜１１ｂとの間に電圧を印加することによりこれらの交差部のバイオ系物質１２に電圧を印加することができ、このときに上下の二つの金属薄膜１１ｂ間に流れる電流をモニターすることでバイオ系物質１２の表面の状態や内部状態を観察することができる。
この第５の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点に加えて、従来のＳＴＭのようにプローブを走査することなく、バイオ系物質１２の機能を詳細に測定することができるという利点を得ることができる。
【００４４】
以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施形態において挙げた数値、材料、形状、配置などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、材料、形状、配置などを用いてもよい。
また、上述の第１〜第５の実施形態によるバイオ機能測定装置と同様な構成により培養／成長装置あるいはバイオ機能素子を構成することができる。例えば、第５の実施形態によるバイオ機能測定装置と同様な構成の培養／成長装置では、多層構造体薄片１１と多層構造体薄片３２との間にバイオ系物質１２および／またはこのバイオ系物質１２の制御機能を有する非バイオ系物質を挟み、バイオ系物質１２および／またはこのバイオ系物質１２の制御機能を有する非バイオ系物質の培養、成長、付着（deposition）、描画などを二次元面内で任意の形状で行うことが可能である。
また、対称性変調素子の十字部に挟まれるバイオ分子は、双極子モーメントなどの空間に対して非等方的な特性を付与する性質を持つ分子・分子団であってもよい。
また、例えば、上述の第５の実施形態によるバイオ機能測定装置は、必要に応じて、バイオ系物質だけでなく、一般の無機薄膜や有機薄膜などの各種のものの機能の測定に用いることも可能であり、これにより例えば多点同時測定を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】この発明の第１の実施形態によるバイオ機能測定装置を示す略線図である。
【図２】この発明の第１の実施形態によるバイオ機能測定装置において用いられる多層構造体薄片を示す平面図および断面図である。
【図３】この発明の第１の実施形態によるバイオ機能測定装置において用いられる多層構造体薄片の作製に用いられる真空蒸着装置を示す正面図および側面図である。
【図４】この発明の第１の実施形態によるバイオ機能測定装置において用いられる多層構造体薄片の作製方法を説明するための断面図である。
【図５】この発明の第１の実施形態によるバイオ機能測定装置において用いられる多層構造体薄片の作製方法を説明するための平面図である。
【図６】この発明の第２の実施形態によるバイオ機能測定装置を示す略線図である。
【図７】この発明の第２の実施形態によるバイオ機能測定装置において用いられる多層構造体薄片を示す平面図、裏面図および断面図である。
【図８】この発明の第３の実施形態によるバイオ機能測定装置を示す略線図である。
【図９】この発明の第３の実施形態によるバイオ機能測定装置において用いられる多層構造体薄片を示す平面図および断面図である。
【図１０】この発明の第４の実施形態によるバイオ機能測定装置を示す略線図である。
【図１１】この発明の第４の実施形態によるバイオ機能測定装置において用いられる多層構造体薄片を示す平面図、裏面図および断面図である。
【図１２】多層構造体薄片張り合わせ構造を作製する方法を説明するための平面図である。
【図１３】多層構造体薄片張り合わせ構造および量子十字構造を示す斜視図である。
【図１４】多層構造体薄片張り合わせ構造の第１の例および量子十字構造を示す斜視図である。
【図１５】多層構造体薄片張り合わせ構造の第２の例および量子十字構造を示す斜視図である。
【図１６】多層構造体薄片張り合わせ構造の第３の例および量子十字構造を示す斜視図である。
【図１７】多層構造体薄片張り合わせ構造の第４の例および量子十字構造を示す斜視図である。
【図１８】多層構造体薄片張り合わせ構造の第１の例をポテンシャル対称性変調素子に用いる場合を説明するための略線図である。
【図１９】多層構造体薄片張り合わせ構造の第１の例をポテンシャル対称性変調素子に用いる場合を説明するための略線図である。
【図２０】多層構造体薄片張り合わせ構造の第４の例をスイッチング素子に用いる場合を説明するための略線図である。
【図２１】多層構造体薄片張り合わせ構造の第２の例をＳＰＭと同じように用いる場合の量子十字構造を示す略線図である。
【図２２】多層構造体薄片張り合わせ構造の第２の例をＳＰＭと同じように用いる場合を説明するための略線図である。
【図２３】多層構造体薄片張り合わせ構造を描画に用いる場合の量子十字構造を示す略線図である。
【図２４】多層構造体薄片張り合わせ構造を描画、成長または培養に用いる場合を説明するための略線図である。
【図２５】図２４に示す方法による描画、成長または培養の様子を説明するための略線図である。
【図２６】図２４に示す方法による描画、成長または培養の様子を説明するための略線図である。
【図２７】図２４に示す方法による描画、成長または培養の様子を説明するための略線図である。
【図２８】図２４に示す方法による描画、成長または培養の様子を説明するための略線図である。
【図２９】図２４に示す方法による描画、成長または培養の様子を説明するための略線図である。
【図３０】従来のＳＴＭによるバイオ機能測定装置を示す略線図である。
【符号の説明】
【００４６】
１１、３１、３２…多層構造体薄片、１１ａ…誘電体薄膜、１１ｂ…金属薄膜、１１ｃ…樹脂薄膜、１１ｄ…絶縁体薄膜、１１ｅ…半導体薄膜、１２…バイオ系物質、１３…プローブ、１４…カーボンナノチューブプローブ、１５、１５ａ、１５ｂ…裏面電極、２７…円板、３３…多層構造体薄片張り合わせ構造、３４…物質、３５…ギャップ、３６…固体電解質、３７…Ｃｕ析出部、３８…Ｃｕ2 Ｓ膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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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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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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