DE3721793A1 - Elektrisches element mit verwendung von oxidations-reduktions-substanzen - Google Patents
Elektrisches element mit verwendung von oxidations-reduktions-substanzenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Redoxelement,
beispielsweise ein Gleichrichterelement oder ein
Transistorelement, das auf dem Gebiet der integrierten
Schaltkreise verwendet wird, wobei das Element in überfeiner
Größe (von mehreren 10 bis mehreren 100 Å) auf
biomolekularem Niveau durch Verwendung von Oxidations-
Reduktions-Substanzen als dessen Werkstoff ausgeführt
ist, wodurch eine mit hoher Geschwindigkeit arbeitende
integrierte Schaltung hoher Dichte erhalten wird.
Bisher wurden Gleichrichterelemente mit einem
Metalloxid-Halbleiteraufbau (MOS) gemäß Fig. 1 in üblichen
integrierten Schaltungen verwendet, beispielsweise gemäß
einem Aufsatz von Yoshihisa Yanai und Yuzuru Nagata mit
dem Titel "Integrated Circuit Engineering (1)". In Fig. 1
bezeichnet das Bezugszeichen (11) ein p-Siliciumsubstrat,
das Bezugszeichen (12) bezeichnet einen n-Bereich, das
Bezugszeichen (13) bezeichnet einen p-Bereich, das
Bezugszeichen (14) bezeichnet einen n-Bereich, das
Bezugszeichen (15) bezeichnet SiO2-Beschichtungen und jedes
der Bezugszeichen (16, 17) bezeichnet eine Elektrode.
Gemäß Fig. 1 wird ein p-n-Übergang zwischen den Elektroden
(16, 17) durch den Übergang des p-Bereiches (13) und den
n-Bereich (14) gebildet, wodurch Gleichrichtereigenschaften
erhalten werden.
Die üblichen Gleichrichterelemente mit MOS-Aufbau können
überfein verarbeitet werden, so daß groß integrierte
Schaltkreise mit 1 M Bits, die die Gleichrichterelemente
mit dem vorausgehend aufgeführten Aufbau oder
Transistorelemente mit ähnlichem Aufbau verwenden, nunmehr
eingesetzt werden.
Um derartige Elemente bezüglich der Speicherkapazität und
der Rechengeschwindigkeit zu verbessern, müssen die
Elemente selbst unbedingt einen überfeinen Aufbau aufweisen,
während die mittleren freien Elektronenwege im wesentlichen
auf die Masse der Elemente in den überfeinen Mustern
von etwa 0,2 µm bei Si verwendeten Elementen gebracht
werden und somit die Unabhängigkeit der Elemente nicht
aufrecht erhalten werden kann. Es ist somit zu erwarten,
daß die sich entwickelnde Siliciumtechnologie in naher
Zukunft hinsichtlich der überfeinen Struktur gegen eine
leere Wand läuft und somit ein elektrisches
Schaltungselement erforderlich ist, das auf einem neuen
Prinzip beruht und das die 0,2 µm-Grenze überwinden
kann.
Andererseits sind eine Anzahl von biogenen Proteinarten
(die anschließend als Elektronentransportproteine
bezeichnet werden) mit Elektronentransportfunktionen
zur Überführung von Elektronen in vorgegebenen Richtungen
am Lebenden vorhanden. Beispielsweise sind biogene
Elektronentransportproteine in Biomembranen in regelmäßiger
Orientierung eingebettet, damit sie eine spezifische
intermolekulare Anordnung aufweisen, so daß ein
Elektronentransport zwischen Biomolekülen veranlaßt
wird.
Die biogenen Elektronentransportproteine zeigen eine
Oxidations-Reduktions-(Redox)-Reaktion beim
Elektronentransport am Lebenden und sind in der Lage, die
Elektronen von negativen Redoxpotentialpegeln der jeweiligen
biogenen Elektronentransportproteine zu positiven
Redoxpotentialpegeln fließen zu lassen. Daher kann in
Betracht gezogen werden, daß die Bewegung der Elektronen
auf molekularem Niveau gesteuert werden kann, indem
derartige Eigenschaften der Elektronentransportproteine
ausgenützt werden. Durch Verwendung der Eigenschaften der
biogenen Elektronentransportproteine am Lebenden wurde
vor kurzem eine elektronische Vorrichtung vorgeschlagen,
aber noch nicht eine überfeine Größenanordnung erreicht
und auch nicht ausreichende Gleichrichter- und
Transistoreigenschaften.
Gemäß den jüngsten Untersuchungen der Urheber dieser
Erfindung wurde erkannt, daß es möglich ist,
Elektronentransportkomplexe zu bilden, indem biogene
Elektronentransportproteine mit organischen, nicht-biogenen
Elektronentransportsubstanzen kombiniert werden, die von
den am Lebenden vorhandenen biogenen
Elektronentransportproteinen verschieden sind, oder indem
nur die organischen, nicht-biogenen
Elektronentransportsubstanzen kombiniert werden, um
dadurch in hohem Ausmaß ausreichende Gleichrichter- und
Transistoreigenschaften zu ergeben.
Es ist daher eine der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe,
ein elektrisches Schaltungselement, beispielsweise
insbesondere ein Gleichrichterelement oder ein
Transistorelement, zu schaffen, das auf biomolekularem
Niveau in überfeiner Größe ausgeführt ist, indem
nicht-biogene Oxidations-Reduktions-Substanzen mit
entweder biogenen Elektronentransportproteinen oder
mit organischen, nicht-biogenen Substanzen kombiniert werden.
Zur Lösung der Aufgabe kann in Betracht gezogen werden,
daß zwei Arten von Elektronentransportsubstanzen (A, B),
die in geeigneter Weise mit voneinander verschiedenem
Redoxpotential ausgewählt werden, in zwei Schichten in
Form von A-B zusammengebracht werden, um einen Übergang
zu bilden, der infolge des Redoxpotentialunterschiedes
Gleichrichtereigenschaften aufweist. Ein Aspekt der
Erfindung basiert auf diesem Gedanken.
Ferner kann in Betracht gezogen werden, daß derartige
Elektronentransportsubstanzen (A und B), die mit einem
voneinander unterschiedlichen Redoxpotential in geeigneter
Weise ausgewählt werden, in drei Schichten in der Form
A-B-A zusammengebracht werden, um dadurch einen Übergang
zu bilden, der infolge des Redoxpotentialunterschiedes
Transistor- oder Schaltereigenschaften aufweist. Ein weiterer
Aspekt der Erfindung beruht auf diesem Gedanken.
Die eingangs genannte Aufgabenstellung wird gemäß dem
ersten Aspekt der Erfindung durch ein elektrisches
Redoxelement gelöst, das gekennzeichnet ist durch:
eine erste dünne Schicht aus Oxidations-Reduktions-Substanz, die mittels einer ersten Oxidations-Reduktions-Substanz mit einem ersten Redoxpotential hergestellt ist,
eine zweite dünne Schicht aus Oxidations-Reduktions-Substanz, die mittels einer zweiten Oxidations-Reduktions-Substanz mit einem zweiten gegenüber dem ersten Potential verschiedenen Redoxpotential hergestellt ist, wobei die dünne Schicht aus der zweiten Oxidations-Reduktions-Substanz auf der ersten Oxidations-Reduktions-Substanz aufgehäuft und mit dieser verbunden ist,
eine erste und eine zweite Elektrode, die jeweils elektrisch mit dem ersten und dem zweiten dünnen Film aus der ersten und zweiten Oxidations-Reduktions-Substanz verbunden ist,
wobei eine der dünnen Schichten aus der ersten und zweiten Oxidations-Reduktions-Substanz aus einem biogenen Redox-Protein oder einer organischen, nicht-biogenen Substanz besteht, während die andere dünne Schicht aus einer organischen, nicht-biogenen Substanz besteht, und
ein Potentialunterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Redoxpotential dazu verwendet wird, um Gleichrichtereigenschaften zu ergeben.
eine erste dünne Schicht aus Oxidations-Reduktions-Substanz, die mittels einer ersten Oxidations-Reduktions-Substanz mit einem ersten Redoxpotential hergestellt ist,
eine zweite dünne Schicht aus Oxidations-Reduktions-Substanz, die mittels einer zweiten Oxidations-Reduktions-Substanz mit einem zweiten gegenüber dem ersten Potential verschiedenen Redoxpotential hergestellt ist, wobei die dünne Schicht aus der zweiten Oxidations-Reduktions-Substanz auf der ersten Oxidations-Reduktions-Substanz aufgehäuft und mit dieser verbunden ist,
eine erste und eine zweite Elektrode, die jeweils elektrisch mit dem ersten und dem zweiten dünnen Film aus der ersten und zweiten Oxidations-Reduktions-Substanz verbunden ist,
wobei eine der dünnen Schichten aus der ersten und zweiten Oxidations-Reduktions-Substanz aus einem biogenen Redox-Protein oder einer organischen, nicht-biogenen Substanz besteht, während die andere dünne Schicht aus einer organischen, nicht-biogenen Substanz besteht, und
ein Potentialunterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Redoxpotential dazu verwendet wird, um Gleichrichtereigenschaften zu ergeben.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung umfaßt ein
elektrisches Redoxelement eine erste dünne Schicht aus
einer Oxidations-Reduktions-Substanz, die mittels einer
ersten Oxidations-Reduktions-Substanz mit einem ersten
Redoxpotential gebildet wird, eine zweite dünne Schicht
aus einer zweiten Oxidations-Reduktions-Substanz, die
mittels einer zweiten Oxidations-Reduktions-Substanz mit
einem zweiten, vom ersten Potential verschiedenen
Redoxpotential gebildet wird, wobei die zweite dünne
Schicht aus Oxidations-Reduktions-Substanz auf der ersten
Oxidations-Reduktions-Substanz aufgehäuft befestigt und
mit dieser verbunden wird, eine dritte dünne Schicht aus
Oxidations-Reduktions-Substanz, die durch eine dritte
Oxidations-Reduktions-Substanz mit einem dritten, vom zweiten
Potential unterschiedlichen Redoxpotential gebildet wird,
wobei die dritte dünne Schicht aus Oxidations-Reduktions-
Substanz auf der zweiten Oxidations-Reduktions-Substanz
aufgehäuft befestigt und mit dieser verbunden wird, eine
erste und eine dritte Elektrode jeweils elektrisch mit
der ersten und der dritten dünnen Schicht aus
Oxidations-Reduktions-Substanz verbunden sind, eine zweite
Elektrode, die zweite dünne Schicht aus Oxidations-
Reduktions-Substanz beeinflußt, eine der ersten, zweiten
und dritten dünnen Schicht aus Oxidations-Reduktions-Substanz
eine dünne Schicht aus biogenem Redoxprotein oder einer
organischen, nicht-biogenen Substanz besteht, eine der
beiden anderen aus der ersten, zweiten und dritten dünnen
Schicht aus Oxidations-Reduktions-Substanz eine dünne
Schicht ist, die aus biogenem Redox-Protein oder
organischer, nicht-biogener Substanz besteht, und die
verbleibende aus der ersten, zweiten und dritten dünnen
Schicht aus Oxidations-Reduktions-Substanz, eine dünne
Schicht aus organischer, nicht-biogener Substanz ist und
die Unterschiede zwischen dem ersten, zweiten und dritten
Redoxpotential dazu verwendet werden, mindestens eine
der Transistor- und Schaltereigenschaften zu ergeben.
In der Zeichnungen zeigt
Fig. 1 eine Schnittansicht, die ein
übliches Gleichrichterelement mit
MOS-Aufbau darstellt,
Fig. 2(A) eine typische Darstellung eines
A-B-Typs eines Oxidations-Reduktions-
Substanzkomplexes,
Fig. 2(B) eine Darstellung von
Redoxpotentialzuständen,
Fig. 3(A) eine typische Darstellung eines
A-B-A-Typs eines Oxidations-
Reduktions-Substanzkomplexes,
Fig. 3(B) eine Darstellung von
Redoxpotentialzuständen,
Fig. 4 eine typische Schnittansicht eines
Gleichrichterelementes entsprechend
einer ersten Ausführungsform der
Erfindung,
Fig. 5 eine Strom-Spannungs-Kennlinie
des Gleichrichterelementes,
Fig. 6 eine typische Schnittansicht eines
Gleichrichterelementes gemäß einer
zweitenAusführungsform der
Erfindung,
Fig. 7 eine vergrößerte typische
Schnittdarstellung eines
Transistorelementes gemäß der
dritten Ausführungsform der
Erfindung,
Fig. 8(A) eine typische Darstellung eines
Zustandes, bei welchem eine
Spannung am Transistorelement liegt,
und
Fig. 8(B) eine Darstellung von
Redoxpotentialzuständen der
jeweiligen Oxidations-Reduktions-
Substanzen des Transistorelementes.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können
Gleichrichtereigenschaften erzeugt werden, indem mindestens
zwei Typen von Oxidations-Reduktions-Substanzen mit
unterschiedlichem Redoxpotential verbunden werden. Es wird
auf die Fig. 2(A) und 2(B) Bezug genommen, die ein Modell
eines A-B-Typs eines Oxidations-Reduktions-Substanzkomplexes
und die Beziehung der Redoxpotentiale desselben darstellt,
wobei der Substanzkomplex, der durch die Verbindung von
zwei Typen Oxidations-Reduktions-Substanzen (A, B) mit
unterschiedlichen Redoxpotentialen hergestellt wurde,
Gleichrichtereigenschaften aufweist, so daß Elektronen
leicht vom negativen Redoxpotentialniveau zum positiven
Redoxpotentialniveau in Richtung des in der Zeichnung
voll ausgezogenen Pfeiles fließen können, während die
Elektronen kaum in umgekehrter Richtung (gemäß dem in der
Zeichnung gestrichelt eingetragenen Pfeil) fließen können.
Durch Verwendung des Substanzkomplexes soll ein
Gleichrichterelement erhalten werden, das ähnliche
Eigenschaften wie ein p-n-Übergang aufweist, der durch
Verbindung eines n-Leitungstyp-Halbleiters und eines
p-Leitungstyp-Halbleiter erhalten wird.
Gemäß dem weiteren Aspekt der Erfindung können
Transistor- oder Schaltereigenschaften erzeugt werden,
indem mindestens zwei Arten von Oxidations-Reduktions-Substanzen
mit unterschiedlichen Redoxpotentialen miteinander
verbunden werden. Es wird auf die Fig. 3(A) und 3(B) Bezug
genommen, in welchen ein Modell eines A-B-A-Typs eines
Oxidations-Reduktions-Substanzkomplexes und die Beziehung
der Redoxpotentiale desselben dargestellt ist. In dem durch
Verbinden der Oxidations-Reduktions-Substanzen in Form
von A-B-A hergestellten Substanzkomplex kann die
Redoxpotentialverteilung der drei Oxidations-Reduktions-
Substanzen (A, B und A) geändert werden, indem eine der
Oxidations-Reduktions-Substanz (B) zugeführte Spannung
gesteuert wird, wobei erwartet wird, ein Element mit
Transistor- oder Schaltereigenschaften ähnlich einem
p-n-p-Übergang zu erhalten, der durch Kombination eines
n-Leitungstyp-Halbleiters mit p-Leitungstyp-Halbleitern
hergestellt wird.
Hinsichtlich der Basistechnologie der vorliegenden Erfindung
wird auf die US-PS 46 13 541 (oder die westdeutsche
ungeprüfte Patentveröffentlichung DE-A 1 36 00 564) Bezug
genommen, die eine frühere Anmeldung des Rechtsnachfolgers
des vorliegenden Anmeldung betrifft.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher erläutert. Fig. 4 ist
eine typische Schnittdarstellung, die ein
Gleichrichterelement gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung darstellt. In der Zeichnung bezeichnet das
Bezugszeichen (1) ein Substrat, beispielsweise eine
Glassubstrat mit Isoliereigenschaften, die Bezugszeichen
(2 a, 2 b) bezeichnen jeweils eine erste und eine zweite
Elektrode und die Bezugszeichen (3, 4) bezeichnen jeweils
eine erste und eine zweite dünne Schicht aus Oxidations-
Reduktions-Substanz. Die zweite dünne Schicht (4) aus
Oxidations-Reduktions-Substanz wird auf der ersten dünnen
Schicht (3) aus Oxidations-Reduktions-Substanz aufgebracht
und mit dieser verbunden. Bei dieser Ausführungsform ist
die erste dünne Schicht (3) aus Oxidations-Reduktions-
Substanz eine monomolekulare dünne Schicht (die anschließend
als "LB-Schicht" bezeichnet wird) aus organischen
synthetischen Molekülen (organischer, nicht-biogener Substanz),
die mittels des Langmuir-Blodgett-Verfahrens hergestellt
wurden. In der Zeichnung bezeichnet das Bezugszeichen (5)
hydrophile Gruppen, das Bezugszeichen (6) bezeichnet
hydrophobe Methylenketten und das Bezugszeichen (7)
bezeichnet Oxidations-Reduktions-Funktionsgruppen, die mit
einem ausreichenden Redoxpotential ausgestattet sind. Die
zweite dünne Schicht (4) aus Oxidations-Reduktions-Substanz
ist in vorgegebener Weise derart orientiert, daß Elektronen
in den Proteinmolekülen (4) in einer vorgegebenen Richtung
transportiert werden können, d. h. in Vertikalrichtung
gegenüber den aufeinander aufgebrachten Schichten (in Fig.
4 in Pfeilrichtung), während keine derartige
Elektronenbewegung zwischen den Proteinmolekülen bei den
aufeinander aufgebrachten dünnen Schichten in horizontaler
Richtung erfolgt (d. h. in einer Richtung senkrecht zu den
Pfeilen der Fig. 4). Die dünne Schicht (4) besteht aus
einem biogenen Redox-Protein oder Pseudo-Redox-Protein
als organischer, nicht-biogener Substanz. Beispielsweise
können in jedem Fall, wo eine molekulare Flavingruppe als
Oxidations-Reduktions-Funktionsgruppe (7) und Cytochrom c
mit einem Redoxpotential von +255 mV als Redox-Protein (4)
verwendet werden, Gleichrichtereigenschaften gemäß Fig. 5
erhalten werden.
Fig. 6 ist eine typische Schnittansicht, die ein
Gleichrichterelement gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung darstellt. Bei dieser Ausführungsform ist
die erste dünne Schicht (3) aus Oxidations-Reduktions-Substanz
eine dünne Schicht (die anschließend als "chemisch
modifizierte, dünne Schicht" bezeichnet wird), die durch
ein chemisches Modifizierungsverfahren zur chemischen
Modifizierung von Elektroden (2 a) von Metallen, wie Au,
Al, Ag oder Pt, mittels synthetischer organischer
Moleküle (organischer nicht-biogener Substanz) hergestellt
wurde. Die zweite dünne Schicht (4) aus Oxidations-
Reduktions-Substanz besteht aus biogenem Redox-Protein
oder Pseudo-Redox-Protein als organischer, nicht-biogener
Substanz. In dieser Ausführungsform können ebenfalls
Gleichrichtereigenschaften gemäß Fig. 3 erhalten werden,
soweit die Oxidations-Reduktions-Funktionsgruppen (7)
und das Protein (4) geeignet gewählt werden.
Entsprechend kann ein Gleichrichterelement von überfeiner
Größe auf molekularem Niveau mittel der vorausgehend
aufgeführten Anordnung erhalten werden, so daß eine
integrierte Schaltung hoher Dichte durch Verwendung des
Elementes erzielt werden kann.
Obgleich die vorausgehend aufgeführten Ausführungsformen
den Fall dargestellt haben, in welchem die erste dünne
Schicht (3) aus Oxidations-Reduktions-Substanz eine
LB-Schicht oder eine chemisch modifizierte Schicht ist und
die zweite dünne Schicht (4) aus Oxidations-Reduktions-
Substanz eine dünne Schicht aus biogenem Redox-Protein oder
einem Pseudo-Redox-Protein als dünner Schicht aus
organischer, nicht-biogener Substanz ist, die gleiche
Wirkung wie bei den jeweiligen Ausführungsformen in dem
Fall erhalten werden, wo die dünnen Schichten voneinander
ersetzt werden.
Ferner kann ein derartiges Gleichrichterelement in dem
Fall erhalten werden, wo sowohl die erste und die zweite
dünne Schicht (3, 4) aus Oxidations-Reduktions-Substanz
aus LB-Schichten bestehen oder wo eine aus einer
LB-Schicht und die andere aus einer chemisch modifizierten
Schicht besteht.
Kurz gesagt, kann ein derartiges Gleichrichterelement
erhalten werden, wenn die erste und die zweite dünne
Schicht aus Oxidations-Reduktions-Substanz ein
unterschiedliches Redoxpotential aufweisen und eine der
dünnen Schichten entweder aus einem biogenen
Redox-Protein oder einer organischen, nicht-biogenen
Substanz besteht und die andere aus einer organischen,
nicht-biogenen Substanz hergestellt ist.
Fig. 7 ist eine vergrößerte, typische Schnittdarstellung
eines Transistorelementes entsprechend einer dritten
Ausführungsform der Erfindung. In der Zeichnung bezeichnet
das Bezugszeichen (1) ein Isoliersubstrat, wie beispielsweise
Glas, die Bezugszeichen (2 a, 2 b, 2 c) bezeichnen jeweils
eine erste, eine zweite und eine dritte Elektrode und
die Bezugszeichen (3, 4, 8) bezeichnen jeweils eine erste,
eine zweite und eine dritte dünne Schicht aus Oxidations-
Reduktions-Substanz. Bei dieser Ausführungsform ist die
erste dünne Schicht (3) aus Oxidations-Reduktions-Substanz
eine monomolekulare Schicht, die durch chemische
Modifizierung von Metallelektroden (2 a) mittels organischer
synthetischer Moleküle (organischer, nicht-biogener Substanz)
hergestellt wurde. Anders ausgedrückt, die dünne Schicht
(3) ist eine chemisch modifizierte Schicht. Die zweite
dünne Schicht (4) aus Oxidations-Reduktions-Substanz ist
eine Schicht aus einem biogenen Redox-Protein oder
Pseudo-Redox-Protein als organischer, nicht-biogener
Substanz, wobei die Schicht derart orientiert ist, daß
die Elektronen in den Proteinmolekülen (4) in einer
vorgegebenen Richtung transportiert werden können, d. h. in
Vertikalrichtung zu den aufeinander aufgebrachten dünnen
Schichten (also in Richtung des Pfeiles gemäß Fig. 7),
und kein derartiger Elektronentransport zwischen den
Proteinmolekülen in horizontaler Richtung bezüglich der
aufeinander aufgebrachten dünnen Schichten verursacht
wird (d. h. in einer Richtung senkrecht zum Pfeil gemäß
Fig. 7). Anders ausgedrückt, die dünne Schicht (4) ist
eine Proteinschicht. Die dritte dünne Schicht (8) aus
Oxidations-Reduktions-Substanz ist eine monomolekulare
Schicht aus organischen synthetischen Molekülen (organische
nicht-biogene Substanz), die durch das Langmuir-Blodgett-
Verfahren hergestellt wurde. Anders ausgedrückt, die
dünne Schicht (8) ist eine LB-Schicht. In der Zeichnung
bezeichnet das Bezugszeichen (5) hydrophile Gruppen, das
Bezugszeichen (6) bezeichnet hydrophobe Methylenketten
und die Bezugszeichen (7, 9) bezeichnen Oxidations-
Reduktions-Funktionsgruppen, die jeweils mit geeigneten
Redoxpotentialen versehen sind.
Beispielsweise werden in dem Fall, wie molekulare Flavingruppen
mit einem Redoxpotential von etwa -200 mV als
Oxidations-Reduktions-Funktionsgruppen (7, 9) verwendet
werden und Cytochrom c mit einem Redoxpotential von +255 mV
als Redox-Protein (4) eingesetzt wird, falls den Elektroden
(2 a, 2 b, 2 c) eine Spannung zugeführt wird,
Schaltereigenschaften erhalten. Somit kann ein
Transistorelement erzielt werden.
Die Betriebsweise und die Wirkung des Elementes werden
unter Bezugnahme auf die Fig. 8(A) und 8(B) näher erläutert.
Fig. 8(A) ist eine typische Darstellung, die einen Zustand
angibt, bei welchem eine Spannung dem Transistorelement
gemäß einer dritten Ausführungsform zugeführt wird und
Fig. 8(B) ist eine Darstellung von Redoxpotentialzuständen
jeweiliger dabei verwendeter Oxidations-Reduktions-Substanzen.
In Fig. 8(B) bezeichnen die voll ausgezogenen Linien
die Redoxpotentialzustände (a) bevor die Spannungen (V 1,
V 2) angelegt werden. Die strichpunktierte Linie gibt
die Redoxpotentialzustände (AUS-Zustände) (b) an, wenn die
Spannung (V 1) nicht angelegt, jedoch die Spannung (V 2)
als negative Spannung gegenüber der Elektrode (2 c)
angelegt ist. Die gestrichelte Linie gibt die
Redoxpotentialzustände (EIN-Zustände) (c) an, wenn die
Spannung (V 2) in ähnlicher Weise wie bei den
Redoxpotentialzuständen (b) angelegt und die Spannung
(V 1) als negative Spannung gegenüber der Elektrode (2 c)
angelegt ist.
Beim Zustand (b) fließen keine Elektronen zwischen den
Elektroden (2 c) und (2 a), jedoch ist ein solcher
Elektronenfluß im Zustand (c) vorhanden. Das heißt, ein
vorgegebener negativer Wert der Spannung (V 2) wird
zwischen die Elektrode (2 c) und (2 b) gelegt und der
EIN-AUS-Betrieb eines zwischen den Elektroden (2 c, 2 b)
fließenden Stroms kann durch den EIN-AUS-Betrieb eines
vorgegebenen negativen Spannungswertes (V 1) zwischen den
Elektroden (2 c, 2 b) gesteuert werden. Somit können
Schaltereigenschaften erzielt werden. In der Zeichnung
kennzeichnet das Symbol (V 0) eine Redoxpotentialunterschied
zwischen dem Cytochrom c und den molekularen Flavingruppen.
Gemäß dieser Ausführungsform kann ein Transistorelement,
das in seiner Funktion einen üblichen Halbleiter-
Schaltelement (p-n-p-Übergangstyp) ähnlich ist, als
Element überfeiner Größe auf molekularem Niveau erhalten
werden, so daß durch Verwendung eines Elementes eine mit
hoher Geschwindigkeit arbeitende integrierte Schaltung
hoher Dichte erhalten werden kann.
Obgleich die vorausgehend aufgeführte dritte Ausführungsform
für den Fall dargestellt worden ist, in welchem die erste
dünne Schicht (3) aus Oxidations-Reduktions-Substanz
eine chemisch modifizierte Schicht ist, die zweite dünne
Schicht (4) aus Oxidations-Reduktions-Substanz eine dünne
Schicht aus biogenem Redox-Protein oder Pseudo-Redox-Protein
als Schicht aus organischer, nicht-biogener Substanz und
die dritte dünne Schicht (8) aus Oxidations-Reduktions-
Substanz eine LB-Schicht ist, so wird darauf hingewiesen,
daß die Erfindung nicht auf die spezifische Ausführungsform
beschränkt ist, sondern verschiedene Änderungen der
Kombination erfolgen können, solange eine der ersten, zweiten
und dritten dünnen Schicht aus Oxidations-Reduktions-Substanz
eine Schicht aus biogenem Redox-Protein oder nicht-biogenem
Pseudo-Redox-Protein ist, eine der anderen beiden Schichten
eine LB-Schicht oder eine chemisch modifizierte Schicht
ist, und die verbleibende Schicht eine biogene
Redox-Protein-Schicht, eine nicht-biogene Pseudo-Redox-
Protein-Schicht, eine LB-Schicht oder eine chemisch modifizierte
Schicht ist.
In kürze, eine derartiges Transistorelement kann erhalten
werden, falls die erste, die zweite und die dritte dünne
Schicht aus Oxidations-Reduktions-Substanz sich zwischen
benachbarten Schichten bezüglich des Redoxpotentials voneinander
unterscheiden und eine der dünnen Schichten aus einer
Schicht besteht, die entweder durch ein biogenes
Redox-Protein oder einer organischen, nicht-biogenen
Substanz gebildet wird, eine der anderen beiden dünnen
Schichten eine Schicht ist, die entweder aus biogenem
Redox-Protein oder einer organischen, nicht-biogenen
Substanz besteht und die verbleibende Schicht eine Schicht
aus organischer, nicht-biogener Substanz ist.
Das Pseudo-Redox-Protein, das als organische, nicht-biogene
Substanz in den jeweiligen vorausgehend aufgeführten
Ausführungsformen verwendet wird, kann aus einer Kombination
einer Aminosäure und eines biogenen Redox-Proteins, wie
beispielsweise Cytochrom c oder dergleichen, bestehen oder
kann durch eine Kombination eines biogenen
Redox-Proteins und Aminosäurederivaten gebildet werden, die
durch Substituieren von F oder CH3 für H oder durch
Substituieren von Si oder dergleichen für C (Kohlenstoffatom)
erhalten werden.
Ferner kann das Pseudo-Redox-Protein erhalten werden, indem
ein biogenes Redox-Protein derart modifiziert wird, daß
seine aktive Struktur beibehalten und die übrige Struktur
geändert wird.
Ausführungsbeispiele des zu modifizierenden biogenen
Proteins sind Nichthäme-Eisen-Schwefel-Protein,
Cytochrom c-Protein, Cytochrom b-Protein, Cytochrom a,
Flavodoxin, Plastocyanin, Thioredoxin und dergleichen.
Enzyme können verwendet werden, um Elektronen dem biogenen
Redox-Protein oder dem organischen, nicht-biogenen
Pseudo-Redox-Protein zuzuführen. Beim Languir-Blodgett-Verfahren
können Lipidsäure oder Fettsäure vorher in Lösungen der
biogenen Redox-Proteine oder organischer, nicht-biogener
Pseudo-Redox-Proteine vermischt werden, die auf der
Wasseroberfläche ablaufen, um die dünnen Schichten zu bilden,
die auf das Substrat aufgebracht und mit ihm verbunden
werden, so daß die Proteine bezüglich ihrer Orientierung
eingestellt sind, während die Lipidsäure oder Fettsäure als
Träger der Proteinmoleküle dient. Dabei werden organische
dünne Schichten zwischen den Elektroden und den Proteinen
gebildet, so daß die Zersetzung der Proteine verhindert
werden kann und ein ausgezeichneter Elektronentransfer erreicht
werden kann.
Obgleich die jeweiligen vorausgehend aufgeführten
Ausführungsformen den Fall betrafen, in welchem die dünne
Schicht entweder aus biogenem Redox-Protein oder organischem,
nicht-biogenen Pseudo-Redox-Protein bestand und die LB-Schicht
aus monomolekularen Schichten besteht, ist die vorliegende
Erfindung auf den Fall anwendbar, in welchem die dünnen
Schichten aus Schichten mit aufeinander aufgebrachten
monomolekularen Schichten bestehen. Ausführungsbeispiele
eines biogenen Redox-Proteins, das für derartige dünne
Schichten verwendet wird, sich Nichthäme-Eisen-Schwefel-Protein,
Cytochrom c-Protein, Cytochrom b-Protein, Cytochrom a,
Flavodoxin, Plastocyanin, Thioredoxin und dergleichen.
Ausführungsbeispiele der Oxidations-Reduktions-
Funktionseinheiten von organischen synthetischen Molekülen
(organischer, nicht-biogener Substanz), die in der
LB-Schicht oder der chemisch modifizierten Schicht verwendet
werden, sind die Viologengruppe, die Flavingruppe, die
Thioningruppe, ein organometallischer Komplex, ein
Oxidations-Reduktions-Farbstoff und Verbindungen, die
durch Bindung dieser Stoffe an andere organische Stoffe
hergestellt sind und dergleichen. Ausführungsbeispiele
des organometallischen Komplexes sind schließlich
Phthalocyaninderivate, Porphyrinderivate, Annulenderivate und
dergleichen. Ausführungsbeispiele des Oxidations-
Reduktions-Farbstoffes sind Methylen-Blau, Methyl-Capri-Blau,
Gallocyanin, Indophenol, Indigo, Pheno-Safranin, Neutral-Rot,
Toluidin-Blau und dergleichen.
Obgleich die Ausführungsform der Fig. 6 und 7 den Fall
darstellt, in dem die chemisch modifizierte, dünne Schicht
eine Metall-Schwefel-Bindung verwendet, so wird darauf
hingewiesen, daß die Erfindung nicht auf die spezifische
Ausführungsform beschränkt ist, sondern die dünne Schicht
eine O-Si-Bindung in der gleichen Weise verwenden kann
oder daß die dünne Schicht durch chemische Modifizierung
unter Verwendung physikalischer Absorption hergestellt
werden kann, so daß modifizierte Moleküle nicht im
direkten Kontakt mit Metallelektrodenflächen stehen.
Wie vorausgehend beschrieben wurde, bewirkt die Erfindung
daß ein Gleichrichter- oder Transistorelement in überfeiner
Größe auf molekularem Niveau ausgeführt werden kann, wodurch
eine integrierte Schaltung hoher Dichte erzielt wird.
Claims (20)
1. Redox-elektrisches Element, gekennzeichnet
durch:
eine erste dünne Schicht (3) aus Oxidations-Reduktions- Substanz, die mittels einer ersten Oxidations- Reduktions-Substanz mit einem ersten Redoxpotential hergestellt ist,
eine zweite dünne Schicht aus Oxidations-Reduktions- Substanz (4), die mittels einer zweiten Oxidations-Reduktions-Substanz mit einem zweiten, gegenüber dem ersten Potential verschiedenen Redoxpotential hergestellt ist, wobei die dünne Schicht aus der zweiten Oxidations-Reduktions-Substanz auf der ersten Oxidations-Reduktions-Substanz aufgehäuft und mit dieser verbunden ist,
eine erste und eine zweite Elektrode (2 a; 2 b), die jeweils elektrisch mit dem ersten und dem zweiten dünnen Film (3, 4) aus der ersten und zweiten Oxidations-Reduktions-Substanz verbunden ist,
wobei eine der dünnen Schichten (3, 4) aus der ersten und zweiten Oxidations-Reduktions-Substanz aus einem biogenen Redox-Protein oder einer organischen nicht-biogenen Substanz besteht, während die andere dünne Schicht aus einer organischen, nicht-biogenen Substanz besteht, und
und ein Potentialunterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Redoxpotential dazu verwendet wird, um Gleichrichtereigenschaften zu ergeben.
eine erste dünne Schicht (3) aus Oxidations-Reduktions- Substanz, die mittels einer ersten Oxidations- Reduktions-Substanz mit einem ersten Redoxpotential hergestellt ist,
eine zweite dünne Schicht aus Oxidations-Reduktions- Substanz (4), die mittels einer zweiten Oxidations-Reduktions-Substanz mit einem zweiten, gegenüber dem ersten Potential verschiedenen Redoxpotential hergestellt ist, wobei die dünne Schicht aus der zweiten Oxidations-Reduktions-Substanz auf der ersten Oxidations-Reduktions-Substanz aufgehäuft und mit dieser verbunden ist,
eine erste und eine zweite Elektrode (2 a; 2 b), die jeweils elektrisch mit dem ersten und dem zweiten dünnen Film (3, 4) aus der ersten und zweiten Oxidations-Reduktions-Substanz verbunden ist,
wobei eine der dünnen Schichten (3, 4) aus der ersten und zweiten Oxidations-Reduktions-Substanz aus einem biogenen Redox-Protein oder einer organischen nicht-biogenen Substanz besteht, während die andere dünne Schicht aus einer organischen, nicht-biogenen Substanz besteht, und
und ein Potentialunterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Redoxpotential dazu verwendet wird, um Gleichrichtereigenschaften zu ergeben.
2. Redox-elektrisches Element nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die aus organischer
nicht-biogener Substanz bestehende dünne Schicht aus
einer Gruppe ausgewählt ist, die aus einer dünnen
Schicht aus Pseudo-Redox-Protein, einer dünnen Schicht
aus organischen, synthetischen Molekülen, die durch
das Langmuir-Blodgett-Verfahren hergestellt sind, und
aus einer chemisch modifizierten, dünnen Schicht besteht,
die durch ein Verfahren zur chemischen Modifizierung
einer Metallelektrode mittels organischer synthetischer
Moleküle hergestellt ist.
3. Redox-elektrisches Element nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die aus organischer
nicht-biogener Substanz gebildete dünne Schicht eine
monomolekulare dünne Schicht oder eine mittels
einer monomolekularen Schicht aufgehäufte dünne
Schicht ist.
4. Redox-elektrisches Element nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die dünne
Schicht, die aus einem biogenen Redox-Protein oder
einem Pseudo-Redox-Protein besteht, derart orientiert
ist, daß die Elektronen in den Proteinmolekülen bezüglich
der aufgehäuften dünnen Schichten in Vertikalrichtung
transportiert werden, während zwischen den
Proteinmolekülen keine Elektronen in einer bezüglich
den aufgehäuften dünnen Schichten horizontalen
Richtung transportiert werden.
5. Redox-elektrisches Element nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das biogene
Redox-Protein aus einer Gruppe ausgewählt ist, die
Nichthäme-Eisen-Schwefel-Protein, Cytochrom c-Protein,
Cytochrom b-Protein, Cytochrom a, Flavodoxin,
Plastocyanin und Thioredoxin umfaßt.
6. Redox-elektrisches Element nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die organischen
synthetischen Moleküle Oxidations-Reduktions-
Funktionsgruppen aufweisen, die aus einer Gruppe
gewählt sind, die eine Viologengruppe, Flavingruppe,
Thioningruppe, einen organometallischen Komplex,
einen Oxidations-Reduktions-Farbstoff, und Verbindungen
umfaßt, die durch Bindung von zumindest einer dieser
Gruppen an andere organische Stoffe hergestellt sind.
7. Redox-elektrisches Element nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß der
Organometallkomplex aus einer Gruppe ausgewählt ist,
die Phthalocyaninderivate, Porphyrinderivate und
Annulenderivate umfaßt.
8. Redox-elektrisches Element nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß das
Pseudo-Redox-Protein hergestellt ist, indem eine
Aminosäure oder ein Aminosäurederivat an ein natürliches
Redoxprotein gebunden wird.
9. Redox-elektrisches Element nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß das
Aminosäurederivat hergestellt wird, indem entweder
F oder CH3 für H substituiert oder indem Si für C
substituiert wird.
10. Redox-elektrisches Element nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Zufuhr von
Elektronen zum biogenen Redox-Protein oder zum
organischen, nicht-biogenen Pseudo-Redox-Protein über
ein Enzym erfolgt.
11. Redox-elektrisches Element, gekennzeichnet
durch:
eine erste dünne Schicht (3) aus einer Oxidations- Reduktions-Substanz, die mittels einer ersten Oxidations-Reduktions-Substanz mit einem ersten Redoxpotential hergestellt ist,
eine zweite dünne Schicht (4) aus einer Oxidations-Reduktions-Substanz, die mittels einer zweiten Oxidations-Reduktions-Substanz mit einem zweiten, vom ersten Potential verschiedenen, Redoxpotential hergestellt ist, wobei die zweite dünne Schicht aus Oxidations-Reduktions-Substanz auf die erste Oxidations-Reduktions-Substanz aufgehäuft und mit dieser verbunden ist,
eine dritte dünne Schicht (8) aus einer Oxidations-Reduktions-Substanz, die mittels einer dritten Oxidations-Reduktions-Substanz mit einem dritten, vom zweiten Potential verschiedenen Redoxpotential hergestellt ist, wobei die dritte dünne Schicht aus Oxidations-Reduktions-Substanz auf der zweiten Oxidations-Reduktions-Substanz aufgehäuft und mit dieser verbunden ist,
eine erste (2 a) und eine dritte Elektrode (2 c), die elektrisch jeweils mit der ersten dünnen Schicht (3) und der dritten dünnen Schicht (8) aus Oxidations-Reduktions-Substanz verbunden sind,
eine zweite Elektrode (2 b), die zur elektrischen Beeinflussung der zweiten dünnen Schicht (4) aus Oxidations-Reduktions-Substanz dient,
wobei eine der dünnen Schichten aus der ersten, der zweiten und der dritten Oxidations-Reduktions-Substanz aus einem biogenen Redox-Protein oder einer organischen, nicht-biogenen Substanz besteht, eine der anderen beiden aus der ersten, zweiten und dritten dünnen Schicht aus Oxidations-Reduktions-Substanz aus einem biogenen Redox-Protein oder einer organischen, nicht-biogenen Substanz besteht, während die verbleibende dünne Schicht aus der ersten, zweiten und dritten dünnen Schicht aus Oxidations-Reduktions-Substanz aus einer organischen, nicht-biogenen Substanz besteht, und
die Unterschiede zwischen dem ersten, dem zweiten und dem dritten Redoxpotential dazu verwendet werden, zumindest eine Eigenschaft der Transistor- und Schaltereigenschaften zu liefern.
eine erste dünne Schicht (3) aus einer Oxidations- Reduktions-Substanz, die mittels einer ersten Oxidations-Reduktions-Substanz mit einem ersten Redoxpotential hergestellt ist,
eine zweite dünne Schicht (4) aus einer Oxidations-Reduktions-Substanz, die mittels einer zweiten Oxidations-Reduktions-Substanz mit einem zweiten, vom ersten Potential verschiedenen, Redoxpotential hergestellt ist, wobei die zweite dünne Schicht aus Oxidations-Reduktions-Substanz auf die erste Oxidations-Reduktions-Substanz aufgehäuft und mit dieser verbunden ist,
eine dritte dünne Schicht (8) aus einer Oxidations-Reduktions-Substanz, die mittels einer dritten Oxidations-Reduktions-Substanz mit einem dritten, vom zweiten Potential verschiedenen Redoxpotential hergestellt ist, wobei die dritte dünne Schicht aus Oxidations-Reduktions-Substanz auf der zweiten Oxidations-Reduktions-Substanz aufgehäuft und mit dieser verbunden ist,
eine erste (2 a) und eine dritte Elektrode (2 c), die elektrisch jeweils mit der ersten dünnen Schicht (3) und der dritten dünnen Schicht (8) aus Oxidations-Reduktions-Substanz verbunden sind,
eine zweite Elektrode (2 b), die zur elektrischen Beeinflussung der zweiten dünnen Schicht (4) aus Oxidations-Reduktions-Substanz dient,
wobei eine der dünnen Schichten aus der ersten, der zweiten und der dritten Oxidations-Reduktions-Substanz aus einem biogenen Redox-Protein oder einer organischen, nicht-biogenen Substanz besteht, eine der anderen beiden aus der ersten, zweiten und dritten dünnen Schicht aus Oxidations-Reduktions-Substanz aus einem biogenen Redox-Protein oder einer organischen, nicht-biogenen Substanz besteht, während die verbleibende dünne Schicht aus der ersten, zweiten und dritten dünnen Schicht aus Oxidations-Reduktions-Substanz aus einer organischen, nicht-biogenen Substanz besteht, und
die Unterschiede zwischen dem ersten, dem zweiten und dem dritten Redoxpotential dazu verwendet werden, zumindest eine Eigenschaft der Transistor- und Schaltereigenschaften zu liefern.
12. Redox-elektrisches Element nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die aus organischer,
nicht-biogener Substanz bestehende dünne Schicht aus
einer Gruppe ausgewählt ist, die eine dünne Schicht
aus Pseudo-Redox-Protein, eine dünne Schicht aus
organischen synthetischen, durch das Langmuir-Blodgett-
Verfahren hergestellten Molekülen, und eine chemisch
modifizierte dünne Schicht umfaßt, die mittels eines
Verfahrens zur chemischen Modifizierung von Metallelektroden
mittels organischer synthetischer Moleküle erhalten
wurde.
13. Redox-elektrisches Element nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die dünne Schicht
aus organischer, nicht-biogener Substanz aus einer
monomolekularen Schicht oder aus mit monomolekularer
Schicht gehäuften Schichten besteht.
14. Redox-elektrisches Element nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die dünne Schicht,
die aus einem biogenen Redox-Protein oder einem
Pseudo-Redox-Protein besteht, derart orientiert ist,
daß Elektronen in die Proteinmoleküle in einer
gegenüber den gehäuften Schichten vertikalen Richtung
transportiert werden, während keine Elektronen zwischen
den Proteinmolekülen in einer gegenüber den gehäuften
Schichten horizontale Richtung transportiert werden.
15. Redox-elektrisches Element nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das biogene
Redox-Protein aus einer Gruppe ausgewählt ist, die
Nichthäme-Eisen-Schwefel-Protein, Cytochrom c-Protein,
Cytochrom b-Protein, Cytochrom a, Flavodoxin, Plastocyanin
und Thioredoxin umfaßt.
16. Redox-elektrisches Element nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die organischen
synthetischen Moleküle Oxidations-Reduktions-
Funktionsgruppen aufweisen, die aus einer Gruppe
ausgewählt sind, die die Viologengruppe, die Flavingruppe,
die Thioningruppe, einen organometallischen Komplex,
einen Oxidations-Reduktions-Farbstoff und Verbindungen
umfaßt, die durch Bindung zumindest einer dieser Gruppen
an andere organische Stoffe hergestellt ist.
17. Redox-elektrisches Element nach Anspruch 16, dadurch
gekennzeichnet, daß der organometallische
Komplex aus einer Gruppe ausgewählt ist, die
Phthalocyaninderivate, Porphyrinderivate und
Annulenderivate umfaßt.
18. Redox-elektrisches Element nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, daß das
Pseudo-Redox-Protein durch Bindung der Aminosäure oder
des Aminosäurederivates an ein natürliches
Redox-Protein hergestellt ist.
19. Redox-elektrisches Element nach Anspruch 18, dadurch
gekennzeichnet, daß das
Aminosäurederivat hergestellt ist, indem entweder
F oder CH3 für H substituiert oder indem Si für C
substituiert wird.
20. Redox-elektrisches Element nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die Zufuhr von
Elektronen zum biogenen Redox-Protein oder zum
organischen nicht-biogenen Pseudo-Redox-Protein durch
ein Enzym erfolgt.
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