CN101006592A - 功能分子元件和功能分子器件 - Google Patents

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Abstract

一种能够在电场作用下展示其功能的功能分子元件，包括由具有共轭体系和展示导电性的线性或者膜状基轴分子(2)和共价地键合其上的4－戊基－4’－氰基联苯的悬挂分子(3)构成的化合物，所述4－戊基－4’－氰基联苯的悬挂分子(3)具有正的介电常数各向异性或者在分子的长轴方向上具有偶极矩，从而当施加了电场时，所述悬挂分子(3)呈现取向改变，由此引起构造改变，导致导电基轴分子(2)的导电性的切换。

Description

功能分子元件和功能分子器件
技术领域
本发明涉及一种采用在电场的作用下表现出其功能的功能分子元件的功能分子器件。
背景技术
在电场的作用下实现其功能的功能分子元件的领域中，正在针对采用纳米技术进行研究。纳米技术是观察、加工和使用具有一亿分之一米量级尺寸(10-8＝10nm)的微小结构的技术。
八十年代末，发明了称为扫描型隧道显微镜的超高精度的显微镜，由此使得观察单个原子或者分子变成可能。借助扫描型隧道显微镜的使用，不仅可以观察原子或者分子，而且还可以单独地操作它们。例如，已经报导在晶体表面上以字母或者字符形式排列原子的例子。但是，即使原子或者分子可以以这种方式被操作，逐个地操作巨量的原子或者分子以组装新材料或者器件也将是不实际的。
如果操作原子、分子或者其集合以形成纳米规模结构，则必需新的使能的超精密加工技术。该纳米规模的超微细加工技术可以被大致分类成下面的两个体系。
体系之一是所谓的自上而下(top-down)系统，其中，较大尺寸的硅晶片被加工成达到加工极限的小尺寸，并且在其上形成集成电路。这个体系迄今一直被用于各种半导体器件的加工。另一个是所谓的自下而上(bottom-up)的系统，其中，作为极小尺寸的单位，原子或者分子被用作为组元(component)，通过将这些小的组元组装在一起而加工成目标纳米规模结构。
对于根据top-down体系减少结构尺寸的极限，有由Gordon E.Moore在1965年提出的著名的莫尔定律(Moore’s law)，Gordon E.Moore是英特尔(Intel)公司的共同创始人。该定律指出晶体管集成度在十八个月翻倍。从1965年开始，三十多年来，按照莫尔定律的预测，半导体产业界在增加晶体管集成度方面成功了。
如美国半导体产业协会(SIA)所宣称的，在未来十五年，Road Map(蓝图)ITRS(半导体国际技术Roadmap(蓝图))认为莫尔定律将继续保持有效。
ITRS是由直到2005年仍有效的短期蓝图和直到2014年仍有效的长期蓝图构成。短期蓝图认为，在2005年，半导体芯片的处理规则和微处理器的栅(gate)长度将分别变成100nm和65nm。长期蓝图认为，在2014年，栅长度将变成20到22nm。
半导体芯片越微细化，其操作速度变得越高，功耗变得越低。而且，可以从单一晶片生产的组元数目变得越大，生产成本对应地降低。这说明了为了使处理规则微细化和为了提高晶体管集成度在微处理器制造商之间的竞争。
1999年11月，美国的实验室小组已经明确了在微细化技术中划时代研究成果。这些研究是针对设计FET(场效应晶体管)上栅极的方法，称为FinFET，由美国加州大学Berkeley分校计算机科学的Chenming Hu教授的小组开发的。该方法使得在半导体芯片上能够加工约为传统技术400倍的晶体管数目。
栅极是控制电子在FET的沟道中流动的电极。在当前公认的常规设计中，栅极被以与其平行关系放置在半导体表面上，用于从一侧控制沟道。借助该结构，除了栅极为超过一定长度的长度之外，电子流不会被中断。因此，栅极长度迄今一直认为是限制晶体管微细化的因素。
另一方面，对于FinFET，栅极是置于沟道两侧的叉形(forked)配置，目的是有效地控制沟道。借助FinFET，与传统晶体管结构相比，进一步降低栅极长度和晶体管的尺寸是有可能的。
由该实验室小组准备的原型FET的栅极长度是18nm，其是当前公认普通栅极长度的十分之一。该实验室小组的这个栅极长度可与ITRS长期蓝图中规定的2014年的尺寸相匹敌。其断言等于上述栅极长度一半的栅极长度是可能的。由于为了在半导体产业界期望广泛的认可，Hu教授等人声称他们将不追求该技术的专利，因此可以预计FinFET在未来将处于加工技术的主流。
但是，也已经指出，由于自然规律，莫尔定律迟早将达到极限。
例如，在半导体技术，现在在主流中，随着电路图案通过光刻(lithographic)技术被印刷在硅晶片上而加工半导体芯片。为了提高微细化的程度，不得不提高分辨率。为了提高分辨率，必须将利用较短波长光的技术投入到实际应用。由于对在光刻技术中所能够采用的光的波长上强加了物理限制，因此需要从不同的方面有突破，以便超越波长上所强加的限制。
还有这种担心，随着集成度的增加，每个半导体芯片放出的热量过度地增加，因此有可能引起半导体芯片的故障或者热破坏。
另外，根据专家的预测，如果半导体产业界在降低芯片尺寸方面继续努力，投资或者处理成本将增加，结合以降低的收益，半导体产业将在2015年变成不可能生存。
作为用于突破top-down体系中固有的技术障碍的新技术，为单个分子赋予作为电子组元的功能的研究正在引起注意。这些研究的目标是由单个分子形成的并且根据bottom-up体系制备的诸如分子开关的电子器件。
根据bottom-up体系加工金属、陶瓷或者半导体的纳米规模结构的研究也正在进行中。但是，如果直接地使用分子，这些分子是分离和相互独立的，并且在考虑形状或者功能上的差别时它们有几百万种，则根据bottom-up体系，有可能重新设计和加工具有完全不同于传统器件之特征的器件(分子器件)。
导电分子的宽度小到0.5nm。借助这些分子的线性排列，有可能获得具有高于通过当前集成电路技术实现的100nm量级之宽度线密度的几千倍密度的配线。另一方面，如果单个分子用作存储元件，则可以获得高达DVD(数字视频盘)密度之一千倍的记录密度。
该分子器件以不同于传统半导体硅情况的方式通过化学处理合成。1986年，由聚噻吩形成的世界上第一个有机晶体管由日本Mitsubishi Electric Co.Ltd(三菱电机有限公司)的Yusi Koezuka开发出。
另一方面，由加州大学Los Angeles分校和美国Hewlett-Packard(HP)的实验室小组可成功制备有机电子器件，并且在1999年7月的“科学(Science)”上进行了报道。美国专利6256767B1和6128214具体地公开了该实验室小组的研究内容。该实验室小组使用几百万个有机轮烷(rotaxane)分子的分子薄膜加工开关，并且将这些分子开关连接在一起形成了作为基本逻辑电路的与门。
另一方面，美国Rice大学和Yale大学的联合实验室小组成功地加工了分子开关，其中，分子结构在施加电场之下通过电子注入而改变，以便进行开关操作。在J.Chen，M.A.Reed，A.M.Rawlett和J.M.Tour，“Large on-off ratios andnegative differential resistance in a molecular electronic device”，Science，1999，Vol.286，1552-1551，以及在J.Chen，M.A.Reed，C.Zhou，C.J.Muller，T.P.Burgin和J.M.Tour，“Conductance of a molecular junction”，Science，1997，Vol.278，252-254中公开了该实验室小组的研究内容。加州大学Los Angeles分校和HP公司的小组没有实现重复开关功能。
研究化学和成功进行合成的Rice大学的J.Tour教授认为，分子开关的生产成本可以是传统系统的生产成本的几千分之一，因为其不要求昂贵的半导体加工中经常使用的高价洁净车间，并且分子和硅的混合计算机将在未来五到十年内制造。
1999年，贝尔实验室(朗讯科技公司)使用并五苯单晶制造了有机薄膜晶体管。该晶体管具有可比于无机半导体特征的特征。
尽管具有电子组元功能的分子器件的研究正在活跃地进行，但迄今进行的研究主要集中在用光、热、质子或者离子驱动(见“Molecular Switches”，WILEY-VCH，Weinheim，200，Ben L.Feringa编著)，同时，仅仅有限数目的研究集中在用电场驱动。
同时，迄今现有技术中提出的由电场驱动的分子元件仅仅是在电场影响下引起的采用分子本身物理特性的变化的那些分子元件。就是说，分子本身被考虑作为单个元件，电子的状态通过电场改变。例如，在有机FET中，有机分子中的载流子迁移通过作用在沟道区域有机分子上的电场的变化被调制。
发明内容
鉴于现有技术的上述状态，本发明的目的是提供一种其功能是基于新的原理而被有效控制的功能分子元件，以及采用该功能元件的功能分子器件。
本发明提供了一种功能分子元件，其采用由展示出介电常数各向异性和/或偶极矩并且在电场的作用下取向改变的分子以及共轭体系的另一分子构成的体系，所述共轭体系的另一分子具有由所述第一分子取向上的所述改变带来的结构上的变化的结果所导致的电气特性改变。
本发明还提供了一种功能分子器件，包括：由展示出介电常数各向异性和/或偶极矩并且在电场的作用下取向改变的分子以及共轭体系的另一分子构成的体系，所述共轭体系的另一分子具有由所述第一分子取向上的改变带来的结构上的变化的结果所导致的电气特性改变。所述功能分子器件还包括电场施加装置，用于将电场施加到展示出介电常数各向异性和/或偶极矩的分子；和输入/输出装置，用于所述共轭体系的另一个分子。
根据本发明，优选地，由所述第一分子形成的支链被共价地键合到由所述共轭体系的分子形成的主链，所述第一分子作为悬挂分子，展示出介电常数各向异性和/或偶极矩。在该结构中，功能分子元件的诸如导电性的电气特性可以由共轭体系的分子获得。另一方面，通过展示出介电常数各向异性和/或偶极矩的以及在电场的作用下取向被改变的悬挂分子(支链)，与电场的改变对应，共轭体系的分子(主链)的结构以下述方式被有效地改变：改变电气特性使之具有高性能和高电响应特性。
对于该元件，两个功能，即电气特性的展示和由电场引起的其调制，由各自的不同分子负责。因此，最适合于所考虑目的的材料可以被选择用于共轭体系的分子(主链)和用于悬挂分子(支链)，从而，有可能构造能够将电气特性控制到高性能和控制到高电响应特性的功能分子元件。
优选地，悬挂分子被取向在适于施加所述电场的电极上，并且共轭体系的所述分子至少被配置在面对电极之间，从所述面对电极的至少一个取出对应于所述电场的输出。
优选地，导电通路由共轭体系的分子形成，并且所述导电通路的导电性由作用在所述悬挂分子上的电场的改变来控制。
优选地，悬挂分子和电场方向之间的位置关系通过作用在所述悬挂分子上的所述电场的改变而改变，使得所述悬挂分子和共轭体系的所述分子的空间结构或者在所述两个分子之间限定的角度变化。
优选地，所述共轭体系的分子的层和所述展示出介电常数各向异性和/或偶极矩的分子的层形成堆叠层。在这种情况下，绝缘层可以被形成在第一电极上，并且第二电极和第三电极被形成在所述绝缘层上，使得所述第二和第三电极不相互接触。所述堆叠层可以被至少配置在所述第二和第三电极之间。第四电极可以直接地或者经由绝缘层被配置在所述堆叠层的所述展示出介电常数各向异性和/或偶极矩的分子的层上。
优选地，所述共轭体系的分子是具有氟骨架的分子，例如低聚芴，同时，所述悬挂分子是具有氰基联苯骨架的分子，例如4-戊基-4’-氰基联苯。
借助根据本发明的功能分子元件和采用该功能分子元件的功能分子器件，共轭体系的分子的结构改变(构造上的变化)由所述展示出介电常数各向异性和/或偶极矩的分子的取向上的变化引起，由此电气特性被调制。因为在电场效应下取向变化的分子和共轭体系的分子的共价键合，所以该调制可以用高电响应性能来实现。另外，由电场作用引起的结构上的变化可以一直被实现为高稳定性。
在诸如场效应晶体管的传统功能分子元件中，上述电场的作用机制是没有的，传统功能分子元件通过用电场直接控制元件的电子的状态来企图调制元件的功能。使用这种新的电场作用机制，有可能构造能够用电场的高响应性能来控制电气特性的功能分子元件，以及采用该功能分子元件的功能分子器件。
根据本发明，功能分子器件包括分子器件，该分子器件包括内置功能分子元件。
通过现在结合附图对本发明的优选实施例的下述详细描述，本发明的其它目的和特定优点将变得更加清楚。
附图说明
图1A、1B和1C是示出由体现本发明的功能分子元件实现的开关的两个操作模式的示意性侧视图。图1A示出初始状态，图1B示出当施加电场工时的操作模式，图1C示出当施加电场II时的操作模式。
图2A和2B是示意性解释透视图，用于在分子水平上解释在功能分子元件分别处于关状态和开状态时该功能分子元件的开关功能实现的典型结构。
图3A是示出场效应类型分子器件的平面视图，图3B是沿图3A的III-III线所做的剖面图。
图4是示出场效应类型分子器件的示意性剖面图。
图5是用于图示在根据本发明的场效应类型分子器件中由外部电场引起的π电子共轭体系的分子(低聚芴(oligofluorene)；主链)的二面角的控制机理的说明性视图。
图6A到6D是用于解释与本发明相对比的比较例子的场效应分子器件的加工处理的平面视图。图6A解释用于通过电子射线光刻形成微桥的处理。图6B解释下述状态：其中，四氢呋喃(tetrahydrofuran，THF)溶液逐滴加入体系以及然后所得体系被容许等待形成π电子共轭体系的分子层。图6C解释其中在微桥中通过电迁移已经形成纳米间隙的状态。图6D解释由热处理引起的纳米间隙中的π电子共轭体系的分子的分子取向的状态。
图7是沿图6D的IIV-IIV线所做的剖面图。
图8是示出分子器件的FET特征曲线(Id-Vds曲线)的图。
图9是示出本发明例子2的分子器件的FET特征曲线(Id-Vds曲线)的图。
图10是示出在示出本发明例子2的分子器件的FET特征的图中Id-Vds曲线的滞后现象的图。
具体实施方式
现在参考附图说明本发明的优选实施例。
功能分子元件
首先，将说明本发明的功能分子元件。
作为在施加电场时改变分子元件的立体结构而实现的分子元件1的功能改变的典型，可以预期开关操作。图1A到1C示出采用一种体系的这种分子元件1，其中，支链的悬挂分子3和主链的共轭体系的分子2通过共价键相互键合。悬挂分子3展示了介电常数各向异性和/或偶极矩，并且在电场的作用之下取向发生改变。共轭体系的分子2因悬挂分子3取向的改变而在结构和电气特性上发生改变。
注意，将电场施加到功能分子元件1时，在悬挂分子3和共轭体系的主链2的共价键的附近发生的变化被示出建模在图1A到1C的示意性侧视图中。为了说明，假设悬挂分子3展示出正的介电常数各向异性或者沿着分子的长轴展示出偶极矩。
展示出正的介电常数各向异性或者沿着分子的长轴展示出偶极矩的悬挂分子3，如图1B所示，在其上施加了电场I时，趋于以下述方式取向：其长轴的方向将与施加的电场方向一致。在悬挂分子3展示出负的介电常数各向异性时，分子趋于取向使得其短轴的方向与电场II的方向一致，如图1C所示。因此，如果长轴方向和短轴方向被相互交换，则类似于下述说明的解释仍将成立。
对于在施加电场时由悬挂分子3所示的开关操作的动力学，依赖于电场施加的方向上的差别，可以设想两个不同的操作模式。这个差别示于图1B和1C。
假设在没有施加电场时的初始状态中，如例如图1A中示出的，功能分子元件的悬挂分子3以其长轴与共轭体系的分子(主链)2的轴方向成直角即具有图1A的左右(left-and-right)方向排列。
如果以垂直于附图纸面的方向施加电场I，则展示出正的介电常数各向异性的悬挂分子3趋于进行通过90°的摆动运动，企图使其长轴方向与电场方向一致，如图1B中所示。如果停止施加电场，则悬挂分子通过自然缓和回复到其取向的原始状态，如图1A所示。
另一方面，如果以上下(up-and-down)方向施加电场，如图1所示，则展示出负的介电常数各向异性的悬挂分子3趋于实现杠杆型(see-saw)运动，企图使其短轴方向与电场方向一致，如图1C中所示。如果停止施加电场，则悬挂分子通过自然缓和回复到其取向的原始状态，如图1A所示。
上述由施加电场引起的悬挂分子3的构造或者取向的这种变化产生了悬挂分子对共轭体系的主链2的共价键的构造上的变化，其结果是，共轭体系的主链2的分子结构被改变。因此，由共轭体系的主链2形成的二面角被改变，使得共轭体系的主链2的导电性改变。
图2A和2B是示意性解释视图，用于在分子水平上解释上述功能分子元件1的开关功能的示例性结构的例子。该功能分子元件1由线性或者膜形的主链2和被安排作为主链2的支链的悬挂分子3构成。该主链2具有共轭体系，并且展示了由非局域化的π电子产生的导电性。该悬挂分子3如上所述展示了介电常数各向异性或者偶极矩。
展示了介电常数各向异性或者偶极矩的悬挂分子3在电场中趋于被取向在关于电场方向的特定方向上，具体地，在其中分子的长轴方向平行于和与电场方向一致、或者与电场方向正交的方向上。
因此，通过改变作用在悬挂分子上的电场，可以改变相对于电场方向的悬挂分子的位置，其结果是，可以改变由悬挂分子3和共轭体系的分子(主链)2构成的结构，以控制共轭体系分子2的导电性(电子流)。
图2A示出共轭体系的分子2的二面角接近于零的情况，其代表分子的平面状态。在该状态中，通过共轭体系的分子以及也通过整个共轭体系的所有分子的电子流E不被阻挡，因此，该功能分子元件2处于其导通(ON)状态。
图2B示出悬挂分子3的取向已经被改变的情况，作为其结果，共轭体系的分子2的二面角的平面性失去了。在该状态中，通过共轭体系的分子以及因此通过整个共轭体系的所有分子的电子流被二面角的变形阻挡。因此，该功能分子元件1处于其断开(OFF)状态。
就是说，对于本实施例的功能分子元件1，不是直接作用在共轭体系(主链)的分子2上以调制其导电性，而是电场作用在悬挂分子3上并且通过悬挂分子的中介来调制电子流。如果将通过作为基轴分子的共轭体系2的电子流比作总水管中的水流，则传统有机FET中的电场的作用企图改变总水管的直径。相反，在本实施例中，电场的作用可比作作用于把手(handle)(对应于路易斯(Louis)酸的分子)上并且因此作用在总水管(对应于悬挂链3，即作用在支链上)上，以拧动总水管(对应于共轭体系或者主链2)，用于打开/关闭总水管。
依赖于共轭体系或者悬挂部分的分子的结构上的差别，可以考虑功能分子元件1的结构的几种组合。
例如，主链2可以由展示共轭特性的多个分子形成。构成悬挂部分并且展示介电常数各向异性的分子3可以具有正的介电常数各向异性或者负的介电常数各向异性。
场效应类型分子器件
现在说明场效应类型分子器件的实施例。
这里，现在详细说明场效应类型分子器件以及制造它的方法。该场效应类型分子器件由通过低聚芴形成的共轭体系的分子(主链)和展示沿着分子长轴方向的偶极矩以及通过4-戊基-4’-氰基联苯形成的悬挂部分(支链)的分子(有时在下面其被简写为5CB)构成。
[化学式1]
图3A描绘了示出在场效应类型分子器件21中使用的梳状电极33，34结构的平面视图。图3B是沿图3A的线III-III所做的剖面图。
在场效应类型分子器件21中，绝缘层32形成在第一基底31上，第一基底31同时用作用于施加控制电场的电极。在绝缘层32上，形成有梳状电极33，34，其用于测量低聚芴的导电性。在第二基底35上，形成有作为用于施加控制电场的另一个电极的ITO(氧化铟锡)膜36。在其上成层(layer)同质(homogeneous)的取向膜37。低聚芴2和4-戊基-4’-氰基联苯3与没有示出的隔离体(spacer)一起夹在两个基底31，35之间，并且通过密封剂38将它们的端部密封。
同时用作为用于施加控制电场的电极的第一基底31和作为用于施加控制电场的另一电极的ITO膜36被电连接到用于提供控制电场41的电源。梳状电极33，34被电连接到用于测量导电性42的电源和连接到电表43。
图4描绘了用于在分子水平上说明场效应类型分子器件21的结构的示意性解释剖面图。注意，尽管图4仅仅示出了每一个低聚芴2和4-戊基-4’-氰基联苯3的一个元件，但是这些仅仅是表示性的，实际上，提供有巨大量的相同化学种类的元件。
参考图4，详细说明用于制造场效应类型分子器件21的方法。
首先，制造用于将控制电场施加在4-戊基-4’-氰基联苯3上的电极31，36和用于测量低聚芴2的导电性的梳状电极33，34。
作为第一基底31，其同时用作为用于施加控制电场的电极，例如使用被掺杂到高浓度的硅基底。氧化硅膜通过在第一基底31的表面上热氧化形成，用作绝缘层32。梳状电极33，34通过例如溅射在绝缘层32上形成。
作为第二基底35，例如使用玻璃基底。在玻璃基底的表面上，诸如通过在真空中的气相沉积来形成ITO(氧化铟锡)膜36，用作用于施加控制电场的另一个电极。
在ITO膜36上，涂覆诸如聚乙烯醇或者聚酰亚胺的有机高分子膜，或者气相沉积氧化硅膜，用作为绝缘膜37。
然后，功能分子元件的组元置于两个电极之间，用于完成允许测量导电性的调制的场效应类型分子器件21的主要部分。
使用四氢呋喃作为溶剂，将低聚芴衍生物调整到1mM。该低聚芴衍生物由具有5CB悬挂分子3作为支链的低聚芴2和易于结合到金电极33，34的、并且已经被结合到低聚芴2的一个或多个末端的诸如一个或多个硫醇基团的一个或多个基团构成。
第一基底31被置于四氢呋喃蒸汽饱和的干燥器中。上述低聚芴衍生物的溶液被逐滴地施加并且使所得的体系放置大约十分钟。然后，用四氢呋喃溶液清洗第一基底以除去多余的低聚芴。
然后将第一基底31和第二基底35粘合在一起，使得在第二基底35上形成的绝缘膜37与第一基底31上的低聚芴衍生物层(5CB层和低聚芴层的堆叠层)密切地接触。
最后，用诸如环氧树脂的密封剂材料38将如此粘合在一起的基底31，35的端部密封，以完成场效应类型分子器件21。
如果测量在梳状电极33，34之间的低聚芴分子链的导电性，则随着施加到按上述制备的场效应类型分子器件21的用于施加控制电场的电极31，36上的电压被接通断开，观察到调制的作用，其中，电阻在施加电场时是低的，而在电场断开时增加。
在电场施加之前的取向的初始状态下，分子链在5CB支链的联苯环之间以基本上相同的方向由π-π堆叠(stacking)取向。低聚芴主链在大约72°的二面角的变形状态中是稳定的。5CB是沿着分子长轴方向展示偶极矩的从氰基团衍生的分子。在场效应类型分子器件21中，如图3和4所示，电场沿着对应于图纸面上的上下(up-and-down)方向的方向施加。因此，悬挂部分3的操作模式是在参考图1C示出和说明的杠杆(see-saw type)操作。在5CB的状态中，如图4所示，作为驱动电压的施加结果，其是如图2A所示的直立状态。该状态是导通状态(on-state)或者低电阻状态。当电场关断时，如图2B所示，5CB的状态是断开状态(off-state)或者高电阻状态。
作为施加电场的结果而使导电性被调制的原因如下：在施加电场之前，栅极(gate)电压Vg是0V，由于在相邻5CB支链之间的紧束(packing)，使得在稳定状态中，低聚芴主链呈现适度扭曲的螺旋状结构，如图5示意性所示。随着由于施加了电场致使5CB在取向上变化，使得已经处于稳定状态的包括低聚芴主链的整个结构被改变。随着栅极电压的增加，低聚芴主链的二面角改变，其结果是，展示出导电性。同时知道，在低聚芴中，稳定的二面角从一个特定的支链变化到另一个。
由于在本实施例中所使用的低聚芴的聚合度大约为7，因此低聚芴的长度不大于7nm，即该元件是分子水平。
因此，本实施例提供了新颖的功能分子元件，其中展示了介电常数各向异性或者偶极矩的分子以悬挂的形式被共价地键合到线性共轭体系的分子，并且其中作为施加电场的结果，悬挂的取向相对于电场的方向而改变。以该方式，调制整个分子的结构以控制导电性基轴分子的导电性，即电子的流动状态。
上述功能分子元件使悬挂部分3的分子的取向状态改变，恰似旋转总水管的水龙头以控制总水管中的水流。就是说，从全新的视角和不同于现有技术的元件来实现分子元件，在现有技术的元件中，分子本身被考虑为元件以及改变分子中的电子的状态来引起导电性的改变。
上述原理可以适用于共轭体系的所有分子。就是说，可以使用除了低聚芴以外的导电性低聚物，即低聚吡啶，porphiline一维低聚物，低聚亚苯基，亚乙烯基，低聚对亚苯，低聚萘，低聚蒽，低聚芘，低聚甘菊环，低聚呋喃，低聚噻吩，低聚硒吩，低聚(对亚苯基硫化物)，低聚(对亚苯基氧化物)或者低聚苯胺。当然，也可以使用高分子材料。另外，可以使用聚合度等于或小于20的低聚物。根据情况，也可以使用单体。也可以使用诸如碳纳米管的具有π电子共轭体系的碳分子。
作为响应于电场的悬挂分子，除了不同于上述4-戊基-4’-氰基联苯3的基于氰基基团的分子之外，还可以列举出包含展示偶极矩的羰基基团(C＝O)、诸如-Cl的卤素、＝N-H基团、-OH基团或者＝C＝S基团的分子。
该分子元件可以被应用到各种电子器件，诸如开关、晶体管、存储器或者逻辑电路。
除了可以从相同材料的分子制造出从通常尺寸的元件到纳米量级的元件之范围的可变尺寸元件以及可以在大量的各种材料的分子中选择适于期待目的的分子之优点之外，作为根据本发明的由例如有机分子形成的上述功能分子元件和器件的优点，可以指出下述几点：
1.低功耗；
2.对所用驱动频率没有限制；
3.低污染；以及
4.可以实现的多功能。
对于上述1，由于操作单位是一个分子或者一个电子，因此以低功耗和低放热进行操作基本上是可能的。结果，几乎不产生涉及发热的问题，即使集成度增加也是如此。
对于上述2，通过材料或者结构的直接选择或者设计，可以期望超过传统无机半导体晶体的高速响应特征，这可以从液晶材料高速响应特征的最近改善得到证实。
对于上述3，由于用作功能分子元件的有机分子可以通过用于合成有机化合物的常规方法来合成，因此不需要使用对人或者对环境有害的反应物，诸如在用于无机半导体的制造过程中使用的那些反应物。
对于上述4，在使用大量的各种有机分子的特征的前提下，有可能实现迄今为止没有获得的功能，例如味觉传感器或者气味传感器。
例子1
作为本发明的例子，现在详细说明图3和图4所示的场效应类型分子器件21的制造示例。
首先，加工用于将控制电场施加在4-戊基-4’-氰基联苯3上的电极31，36和用于测量低聚芴2的导电性的电极33，34。
作为第一基底(用于施加控制电场的电极)31，使用被掺杂到高浓度的硅基底。第一基底31的表面用加热进行处理以形成氧化硅薄膜，其然后用作为绝缘膜。金的梳状电极33，34通过溅射在绝缘膜32上形成，其用作用于测量低聚芴2的导电性的电极。
在第二基底(玻璃基底)35上通过真空沉积来形成作为用于施加控制电场的另一个电极的ITO电极36。同时用作绝缘膜的均质取向膜37形成在ITO电极36上。聚乙烯醇用作取向膜材料。制备10wt％的聚乙烯醇的水溶液和通过旋涂法涂覆在ITO电极36上。所得体系在110℃加热30分钟。
使用四氢呋喃作为溶剂，在用于制造低聚芴2的基底上调制低聚芴衍生物到1mM的浓度。该低聚芴衍生物由具有4-戊基-4’-氰基联苯(5CB)的悬挂分子3作为支链的低聚芴2和易于结合到金电极的、并且已经被附着到低聚芴3的一个或多个末端的一个或多个硫醇基团构成。
第一基底31被置于四氢呋喃蒸汽饱和的干燥器中。上述低聚芴衍生物的溶液被逐滴地提供给体系，并且使所得的体系放置大约十分钟。然后，用四氢呋喃清洗所得体系以除去多余的低聚芴。
然后经由隔离体(spacer)将第一基底31和第二基底35粘合在一起，使得在第二基底35上形成的绝缘膜37与第一基底31上的低聚芴衍生物分子的分子层(5CB层和低聚芴层的堆叠层)密切地接触。
最后，用诸如环氧树脂的密封剂材料将如此粘合在一起的基底31，35的端部密封，以完成场效应类型分子器件21。
随着施加到场效应类型分子器件21的用于施加控制电场的电极31，36上的电压被接通断开，进行在梳状电极33，34之间的低聚芴分子链的导电性的测量。测量的结果表明了调制的作用，其中，电阻在电场断开期间是高的，而在施加电场时降低。
比较例1
下面示出了用于与本发明例子相对照的比较例。
在比较例1中，制造类似于图4所示的场效应类型分子器件。在该场效应类型分子器件中，聚合度约20的、其支链中不展示永久偶极矩的乙基己基低聚芴被并入作为共轭体系的分子(主链)。该器件以下述方式制造。
这里使用的具有硫醇端的乙基己基低聚芴的分子结构如下：
[化学式2]
Figure A20058002790000171
在作为面对(facing)电极的源电极和漏电极之间形成了纳米间隙，其变成沟道部分。考虑H.Park等人Applied Physics Letters，Vol.75，301(1999)来制造这些电极。即，首先，在导电硅基底31上形成SiO2层32，厚度到500nm。然后在该SiO2层上形成铬层(5nm厚度)和金电极层(30nm厚度)。然后，通过电子射线光刻，将该铬层/金电极层处理成微桥50的形状，具有20到30nm的宽度，如图6A所示。
在该微桥上，逐滴地施加乙基己基低聚芴的四氢呋喃(THF)0.1mM溶液1μl。所得体系被允许在THF饱和蒸汽压下放置48小时，以形成自组装单分子层(Self-assembed monolayer，SAM)51，如图6B所示。
在如此干燥的微桥50的两端施加大约15V的电压，以通过电迁移断裂该微桥50，形成在微桥断裂处获得的在面对电极33，34之间的纳米间隙52。
然后在氩气环境下将温度升高到350K，这样共轭体系51的分子被变成液晶相。在纳米间隙52内，如图6D所示，可以在纳米间隙52内实现最佳的分子取向，其中分子沿着面对电极33，34的面对方向排列。
图7描绘了如此制造的场效应类型分子器件的剖面视图。
如此制备的样本器件的FET特征的测量显示：类似于大尺寸(macro-scale)的FET特征(见M.Heeney等人，Macromolecules，37，5250(2004))，在支链中没有展示偶极矩的乙基己基低聚芴的FET特征显示出p型半导体特征，如图8所示。
例子2
现在说明本发明的另一个例子。在本例子中，场效应类型分子器件以与上述比较例子1中说明的相同方法制造，所述场效应类型分子器件被使用在上述第二实施例中，由作为共轭体系(主链)的分子的低聚芴和在沿着分子长轴的方向展示偶极矩的作为悬挂分子(支链)的4-戊基-4’-氰基联苯(5CB)构成。
本例子制造的、使用在其支链中展示偶极矩的5CB和低聚芴的分子器件显示了特殊的FET特征，诸如图9和10中所示的。这些特征是：当没有施加栅电压时，电流随着漏电压Vds的增加而单调地增加；当施加了栅电压时，电流值在某个漏电压Vds处急剧地增加。该急剧阈值特征依赖于栅电压，同时所达到的电流值也依赖于栅电压。而且，滞后曲线的测量已经展示出：当在电压升高期间显示急剧特征的同时，从所达到的电流值开始，在电压下降期间，电流也单调地下降。
注意，参考附图解释的实施例仅仅是示例性的，正如本领域技术人员清楚的，可以进行根据等同物的各种改变或替换，而不会脱离如权利要求中限定的本发明的范围和主旨。
工业实用性
根据本发明的基于电场的新颖操作机制的功能分子元件和功能分子器件可以应用于各种电子器件，诸如开关、晶体管、存储器或者逻辑电路，其可以在从传统的大尺寸器件到纳米尺寸的器件的宽尺寸范围内使用相同的材料和基于相同的原理来制造。
本发明的交叉引用
本发明要求基于2004年6月24提交的日本专利申请2004-185829和2005年6月13提交的日本专利申请2005-172628的优先权。这些日本专利申请的内容通过引用而结合于本申请中。

Claims (13)

1.一种功能分子元件，其采用由展示出介电常数各向异性和/或偶极矩并且在电场的作用下取向改变的第一分子以及共轭体系的另一分子构成的体系，所述共轭体系的另一分子具有由所述第一分子取向上的所述改变带来的结构上的变化的结果所导致的电气特性改变。
2.根据权利要求1的功能分子元件，其中，由所述第一分子形成的支链被共价地键合到由所述共轭体系的分子形成的主链，所述第一分子作为悬挂分子，展示出介电常数各向异性和/或偶极矩。
3.根据权利要求2的功能分子元件，其中，所述共轭体系的所述分子包括氟骨架。
4.根据权利要求2的功能分子元件，其中，所述悬挂分子包括氰基联苯骨架。
5.一种功能分子器件，包括：
由展示出介电常数各向异性和/或偶极矩并且在电场的作用下取向改变的第一分子以及共轭体系的另一分子构成的体系，所述共轭体系的另一分子具有由所述第一分子取向上的所述改变带来的结构上的变化的结果所导致的电气特性改变；
电场施加装置，用于将电场施加到所述展示出介电常数各向异性和/或偶极矩的第一分子；和
输入/输出装置，用于所述共轭体系的另一分子。
6.根据权利要求5的功能分子器件，其中，所述展示出介电常数各向异性和/或偶极矩的第一分子被取向在适于施加所述电场的电极上，以及其中，所述共轭体系的分子至少被配置在面对电极之间，从所述面对电极的至少一个取出对应于所述电场的输出。
7.根据权利要求6的功能分子器件，其中，导电通路由共轭体系的分子形成，并且其中，所述导电通路的导电性由作用在所述第一分子上的电场的改变来控制，所述第一分子展示出所述介电常数各向异性和/或偶极矩。
8.根据权利要求7的功能分子器件，其中，所述展示出所述介电常数各向异性和/或偶极矩的第一分子的位置关系通过作用在所述展示出所述介电常数各向异性和/或偶极矩的第一分子上的所述电场的改变而改变，从而使得在所述第一分子和所述共轭体系的分子之间限定的角度变化。
9.根据权利要求7的功能分子器件，其中，所述共轭体系的分子的层和所述展示出介电常数各向异性和/或偶极矩的第一分子的层形成堆叠层。
10.根据权利要求9的功能分子器件，其中，在第一电极上形成绝缘层，并且在所述绝缘层上形成第二电极和第三电极，使得所述第二和第三电极不互相接触，所示堆叠层被至少配置在所述第二和第三电极之间，并且其中第四电极直接地或者经由绝缘层被配置在所述堆叠层的所述展示出介电常数各向异性和/或偶极矩的分子的层上。
11.根据权利要求5的功能分子器件，其中，由所述展示出介电常数各向异性和/或偶极矩的悬挂分子形成的支链被共价地键合到由所述共轭体系的分子形成的主链。
12.根据权利要求11的功能分子器件，其中，所述共轭体系的分子具有氟骨架。
13.根据权利要求11的功能分子器件，其中，所述悬挂分子具有氰基联苯骨架。
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