JP2003264326A - 分子集積回路素子及びその製造方法 - Google Patents
分子集積回路素子及びその製造方法Info
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Landscapes
- Thin Film Transistor (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 自己組織化構造を下地の影響を受けずに成長
させることができるナノオーダーのフラットな下地を有
する分子集積回路素子及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 自己組織化する分子が配置される０．５
ｎｍ以下の平坦度を有する基板１表面に１ｎｍ以下の絶
縁膜２と、金属電極３とを形成し、その上に分子７を配
列させるとともに、前記金属電極３と前記分子７の導通
はトンネル効果を用いて行うようにした。
させることができるナノオーダーのフラットな下地を有
する分子集積回路素子及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 自己組織化する分子が配置される０．５
ｎｍ以下の平坦度を有する基板１表面に１ｎｍ以下の絶
縁膜２と、金属電極３とを形成し、その上に分子７を配
列させるとともに、前記金属電極３と前記分子７の導通
はトンネル効果を用いて行うようにした。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、有機分子やナノス
ケールの無機物等の電子素子を配列させた分子集積回路
素子及びその製造方法に係り、特に電子素子が自己組織
化により配列された分子デバイス及びその製造方法に関
するものである。
ケールの無機物等の電子素子を配列させた分子集積回路
素子及びその製造方法に係り、特に電子素子が自己組織
化により配列された分子デバイス及びその製造方法に関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、このような分野の参考文献として
は、以下に示すようなものがあった。 〔１〕Ａ．Ａｖｉｒａｍ，Ｍ．Ａ．Ｒａｔｎｅｒ，Ｃｈ
ｅｍ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２９，２７７（１９７４） 〔２〕Ｇ．Ｂｉｎｎｉｎｇ，Ｈ．Ｒｏｈｒｅｒ，Ｃ
ｈ．．Ｇｅｒｂｅｒ，Ｅ．Ｗｅｉｂｅｌ，Ｐｈｙｓ．Ｒ
ｅｖ．Ｌｅｔｔ．４９，５７（１９８２） 〔３〕Ｒ．Ｈｏｆｆｍａｎｎ，Ｓｏｌｉｄｓ ａｎｄ
Ｓｕｒｆａｃｅｓ：ＡＣｈｅｍｉｓｔ’ｓ Ｖｉｅｗ
ｏｆ Ｂｏｎｄｉｎｇ ｉｎ Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｓｔ
ｒｕｃｔｕｒｅｓ，ＶＣＨ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，Ｎ
ｅｗ Ｙｏｒｋ１９８８ 〔４〕Ｍ．Ｄｉ．Ｖｅｎｔｒａ，Ｓ．Ｔ．Ｐａｎｔｅｌ
ｉｄｅｓ，Ｎ．Ｄ．Ｌａｎｇ；Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅ
ｔｔ．８４，９７９（２０００） 〔５〕Ｍ．Ｍａｇｏｇａ，Ｃ．Ｊｏａｃｈｉｍ，Ｐｈｙ
ｓ．Ｒｅｖ．Ｂ５９，１６０１１（１９９９） 〔６〕Ｓ．Ｎａｋａｎｉｓｈｉ，Ｍ．Ｔｓｕｋａｄａ，
Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３７，Ｌ１４００
（１９９８） 〔７〕川畑有郷，固体物理 ３４，４１１（１９９９） 〔８〕Ｍ．Ｍａｇｏｇａ，Ｃ．Ｊｏａｃｈｉｍ，Ｐｈｙ
ｓ．Ｒｅｖ．Ｂ５６，４７２２（１９９７）
は、以下に示すようなものがあった。 〔１〕Ａ．Ａｖｉｒａｍ，Ｍ．Ａ．Ｒａｔｎｅｒ，Ｃｈ
ｅｍ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２９，２７７（１９７４） 〔２〕Ｇ．Ｂｉｎｎｉｎｇ，Ｈ．Ｒｏｈｒｅｒ，Ｃ
ｈ．．Ｇｅｒｂｅｒ，Ｅ．Ｗｅｉｂｅｌ，Ｐｈｙｓ．Ｒ
ｅｖ．Ｌｅｔｔ．４９，５７（１９８２） 〔３〕Ｒ．Ｈｏｆｆｍａｎｎ，Ｓｏｌｉｄｓ ａｎｄ
Ｓｕｒｆａｃｅｓ：ＡＣｈｅｍｉｓｔ’ｓ Ｖｉｅｗ
ｏｆ Ｂｏｎｄｉｎｇ ｉｎ Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｓｔ
ｒｕｃｔｕｒｅｓ，ＶＣＨ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，Ｎ
ｅｗ Ｙｏｒｋ１９８８ 〔４〕Ｍ．Ｄｉ．Ｖｅｎｔｒａ，Ｓ．Ｔ．Ｐａｎｔｅｌ
ｉｄｅｓ，Ｎ．Ｄ．Ｌａｎｇ；Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅ
ｔｔ．８４，９７９（２０００） 〔５〕Ｍ．Ｍａｇｏｇａ，Ｃ．Ｊｏａｃｈｉｍ，Ｐｈｙ
ｓ．Ｒｅｖ．Ｂ５９，１６０１１（１９９９） 〔６〕Ｓ．Ｎａｋａｎｉｓｈｉ，Ｍ．Ｔｓｕｋａｄａ，
Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３７，Ｌ１４００
（１９９８） 〔７〕川畑有郷，固体物理 ３４，４１１（１９９９） 〔８〕Ｍ．Ｍａｇｏｇａ，Ｃ．Ｊｏａｃｈｉｍ，Ｐｈｙ
ｓ．Ｒｅｖ．Ｂ５６，４７２２（１９９７）
〔９〕Ｍ．Ｍａｇｏｇａ，Ｃ．Ｊｏａｃｈｉｍ，Ｐｈｙ
ｓ．Ｒｅｖ．Ｂ５７，１８２０（１９９８） 〔１０〕Ｂ．Ｍａｎｎ，Ｈ．Ｋｕｈｎ，Ｊ．Ａｐｐｌ．
Ｐｈｙｓ．４３，４３９８（１９７１） 〔１１〕Ｋ．Ｗｅｂｅｒ，Ｌ．Ｈｏｃｋｅｔｔ，Ｓ．Ｃ
ｒｅａｇｅｒ，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ１０１，８
２８６（１９９７） 〔１２〕Ｌ．Ａ．Ｂｕｍｍ，Ｊ．Ｊ．Ａｒｎｏｌｄ，
Ｔ．Ｄ．Ｄｕｎｂａｒ，Ｄ．Ｌ．Ａｌｌａｒａ，Ｐ．
Ｓ．Ｗｅｉｓｓ，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ１０３，
８１２２（１９９９） 〔１３〕Ｅ．Ｌ．Ｇｒａｎｓｔｒｏｍ，Ｃ．Ｄ．Ｆｒｉ
ｓｂｉｅ，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ１０３，８８４
２（１９９９） 〔１４〕Ｃ．Ｋｅｒｇｕｅｒｉｓ，Ｊ．−Ｐ．Ｂｏｕｒ
ｇｏｉｎ，Ｓ．Ｐａｌａｃｉｎ，Ｄ．Ｅｓｔｅｖｅ，
Ｃ．Ｕｒｂｉｎａ，Ｍ．Ｍａｇｏｇａ，Ｃ．Ｊｏａｃｈ
ｉｍ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ５９，１２５０５（１９９
９） 〔１５〕Ｄ．Ｌ．Ｐｅａｒｓｏｎ，Ｊ．Ｓ．Ｓｃｈｕｍ
ｍ，Ｊ．Ｍ．Ｔｏｕｒ，Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ
２７，２３４８（１９９４） 〔１６〕Ｌ．Ａ．Ｂｕｍｍ，Ｊ．Ｊ．Ａｒｎｏｌｄ，
Ｍ．Ｔ．Ｃｙｇａｎ，Ｔ．Ｄ．Ｄｕｎｂａｒ，Ｔ．Ｐ．
Ｂｕｒｇｉｎ，Ｌ．Ｊｏｎｅｓ II，Ｄ．Ｌ．Ａｌｌａ
ｒａ，Ｊ．Ｍ．Ｔｏｕｒ，Ｐ．Ｓ．Ｗｅｉｓｓ，Ｓｃｉ
ｅｎｃｅ ２７１，１７０５（１９９６） 〔１７〕Ｍ．Ｔ．Ｃｙｇａｎ，Ｔ．Ｄ．Ｄｕｎｂａｒ，
Ｊ．Ｊ．Ａｒｎｏｌｄ，Ｌ．Ａ．Ｂｕｍｍ，Ｎ．Ｆ．Ｓ
ｈｅｄｌｏｃｋ，Ｔ．Ｐ．Ｂｕｒｇｉｎ，Ｌ．Ｊｏｎｅ
ｓ II，Ｄ．Ｌ．Ａｌｌａｒａ，Ｊ．Ｍ．Ｔｏｔｒ，
Ｐ．Ｓ．Ｗｅｉｓｓ，Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１
２０，２７２１（１９９８） 〔１８〕Ｗ．Ｂ．Ｄａｖｉｓ，Ｗ．Ａ．Ｓｖｅｃ，Ｍ．
Ａ．Ｒａｔｎｅｒ，Ｍ．Ｒ．Ｗａｓｉｅｌｅｗｓｋｉ，
Ｎａｔｕｒｅ ３９６，６０（１９９８） 〔１９〕Ｙ．Ｗａｄａ，Ｍ．Ｔｓｕｋａｄａ，Ｍ．Ｆｕ
ｊｉｈｉｒａ，Ｋ．Ｍａｔｓｕｓｈｉｇｅ，Ｔ．Ｏｇａ
ｗａ，Ｍ．Ｈａｇａ，Ｓ．Ｔａｎａｋａ，Ｊｐｎ．Ｊ．
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３９，３８３５（２０００） 〔２０〕Ｎ．Ｓ．Ｈｕｓｈ，Ｊ．Ｒ．Ｒｅｉｍｅｒｓ，
Ｌ．Ｅ．Ｈａｌｌ，Ｌ．Ａ．Ｊｏｈｎｓｔｏｎ，Ｍ．
Ｊ．Ｃｒｏｓｓｌｅｙ，ｉｎ ＭｏｌｅｃｕｌａｒＥｌ
ｅｃｔｒｏｎｉｃｓ：Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃ
ｈｎｏｌｏｇｙ；Ａ．Ａｖｉｒａｍ，Ｍ．Ｒａｔｎｅ
ｒ，Ｅｄｓ．，Ａｎｎａｌｓ ｏｆ ｔｈｅＮｅｗ Ｙ
ｏｒｋ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ｖｏ
ｌ．８５２，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，１９９８，ｐｐ．１ 〔２１〕Ｋ．Ｓｕｇｉｕｒａ，Ｔ．Ｍａｔｓｕｍｏｔ
ｏ，Ｓ．Ｏｈｋｏｕｃｈｉ，Ｙ．Ｎａｉｔｏｈ，Ｔ．Ｋ
ａｗａｉ，Ｙ．Ｔａｋａｉ，Ｋ．Ｕｓｈｉｒｏｄａ，
Ｙ．Ｓａｋａｔａ，Ｃｈｅｍ．Ｃｏｍｍｕｎ．１９５７
（１９９９） 〔２２〕Ａ．Ｔｓｕｄａ，Ｈ．Ｆｕｒｕｔａ，Ａ．Ｏｓ
ｕｋａ，Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔ．Ｅｄ．３９，
２５４９（２０００） 〔２３〕Ａｋｉｈｉｋｏ Ｔｓｕｄａ，Ａｔｓｕｈｉｒ
ｏ Ｏｓｕｋａ，Ｓｃｉｅｎｃｅ ２９３，７９（２０
０１） 〔２４〕Ｎ．Ａｒａｔａｎｉ，Ａ．Ｏｓｕｋａ，Ｙ．
Ｈ．Ｋｉｍ，Ｄ．Ｈ．Ｊｅｏｎｇ，Ｄ．Ｋｉｍ，Ａｎｇ
ｅｗ．Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔ．Ｅｄ．３９，１４５８（２０
００） 〔２５〕Ｈ．Ｎａｋａｎｉｓｈｉ，Ｎ．Ｓｕｍｉ，Ｙ．
Ａｓｏ，Ｔ．Ｏｔｓｕｂｏ，Ｊ．Ｏｒｇ．Ｃｈｅｍ．６
３，８６３２（１９９８） 〔２６〕Ｋ．Ｓｕｇｉｕｒａ，Ｈ．Ｔａｎａｋａ，Ｔ．
Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ，Ｔ．Ｋａｗａｉ，Ｙ．Ｓａｋａｔ
ａ，Ｃｈｅｍ．Ｌｅｔｔ．１１９３（１９９９） 〔２７〕Ｊ．Ｍ．Ｔｏｕｒ，Ｒ．Ｗｕ，Ｊ．Ｓ．Ｓｃｈ
ｕｍｍ，Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１３３，７０６
４（１９９１） 〔２８〕Ｊ．Ｃｈｅｎ，Ｍ．Ａ．Ｒｅｅｄ，Ａ．Ｍ．Ｒ
ａｗｌｅｔｔ，Ｊ．Ｍ．Ｔｏｕｒ，Ｓｃｉｅｎｃｅ ２
８６，１５５０（１９９９） 〔２９〕Ｆ．Ｍｏｒｅｓｃｏ，Ｇ．Ｍｅｙｅｒ，Ｋ．
Ｈ．Ｒｉｅｄｅｒ，Ｈ．Ｔａｎｇ，Ａ．Ｇｏｕｒｄｏ
ｎ，Ｃ．Ｊｏａｃｈｉｍ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔ
ｔ．８６，６７２（２００１） 〔３０〕Ｃ．Ｐ．Ｃｏｌｌｉｅｒ，Ｅ．Ｗ．Ｗｏｎｇ，
Ｍ．Ｂｅｌｏｈｒａｄｓｋｙ，Ｆ．Ｍ．Ｒａｙｍｏ，
Ｊ．Ｆ．Ｓｔｏｄｄａｒｔ，Ｐ．Ｊ．Ｋｕｅｋｅｓ，
Ｒ．Ｓ．Ｗｉｌｌｉａｍｓ，Ｊ．Ｒ．Ｈｅａｔｈ，Ｓｃ
ｉｅｎｃｅ ２８５，３９１（１９９９） 〔３１〕Ｒ．Ａ．Ｂｉｓｓｅｌｌ，Ｅ．Ｃｏｒｄｏｖ
ａ，Ａ．Ｅ．Ｋａｉｆｅｒ，Ｊ．Ｆ．Ｓｔｏｄｄａｒ
ｔ，Ｎａｔｕｒｅ ３６９，１３３（１９９４） 〔３２〕Ｈ．Ｓｈｉｇｅｋａｗａ，Ｋ．Ｍｉｙａｋｅ，
Ｊ．Ｓｕｍａｏｋａ，Ａ．Ｈａｒａｄａ，Ｍ．Ｋｏｍｉ
ｙａｍａ，Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１２２，５４
１１（２０００） 〔３３〕Ｃ．Ｐａｔｏｕｘ，Ｃ．Ｃｏｕｄｒｅｔ，Ｊ．
Ｐ．Ｌａｕｎａｙ，Ｃ．Ｊｏａｃｈｉｍ，Ａ．Ｇｏｕｒ
ｄｏｎ，Ｉｎｏｒｇ．Ｃｈｅｍ．３６，５０３７（１９
９７） 〔３４〕Ｓ．Ｏ．Ｋｅｌｌｅｙ，Ｊ．Ｋ．Ｂａｒｔｏ
ｎ，Ｓｃｉｅｎｃｅ ２８３，３７５（１９９９） 〔３５〕Ｅ．Ｍｅｇｇｅｒｓ，Ｍ．Ｅ．Ｍｉｃｈｅｌ−
Ｂｅｙｅｒｌｅ，Ｂ．Ｇｉｅｓｅ，Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅ
ｍ．Ｓｏｃ．１２０，１２９５０（１９９８） 〔３６〕Ｓ．Ｐｒｉｙａｄａｒｓｈｙ，Ｓ．Ｍ．Ｒｉｓ
ｓｅｒ，Ｄ．Ｎ．Ｂｅｒａｔａｎ，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈ
ｅｍ．１００，１７６７８（１９９６） 〔３７〕福井啓二郎，田中一義，化学 ５３，３６（１
９９８）
ｓ．Ｒｅｖ．Ｂ５７，１８２０（１９９８） 〔１０〕Ｂ．Ｍａｎｎ，Ｈ．Ｋｕｈｎ，Ｊ．Ａｐｐｌ．
Ｐｈｙｓ．４３，４３９８（１９７１） 〔１１〕Ｋ．Ｗｅｂｅｒ，Ｌ．Ｈｏｃｋｅｔｔ，Ｓ．Ｃ
ｒｅａｇｅｒ，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ１０１，８
２８６（１９９７） 〔１２〕Ｌ．Ａ．Ｂｕｍｍ，Ｊ．Ｊ．Ａｒｎｏｌｄ，
Ｔ．Ｄ．Ｄｕｎｂａｒ，Ｄ．Ｌ．Ａｌｌａｒａ，Ｐ．
Ｓ．Ｗｅｉｓｓ，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ１０３，
８１２２（１９９９） 〔１３〕Ｅ．Ｌ．Ｇｒａｎｓｔｒｏｍ，Ｃ．Ｄ．Ｆｒｉ
ｓｂｉｅ，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ１０３，８８４
２（１９９９） 〔１４〕Ｃ．Ｋｅｒｇｕｅｒｉｓ，Ｊ．−Ｐ．Ｂｏｕｒ
ｇｏｉｎ，Ｓ．Ｐａｌａｃｉｎ，Ｄ．Ｅｓｔｅｖｅ，
Ｃ．Ｕｒｂｉｎａ，Ｍ．Ｍａｇｏｇａ，Ｃ．Ｊｏａｃｈ
ｉｍ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ５９，１２５０５（１９９
９） 〔１５〕Ｄ．Ｌ．Ｐｅａｒｓｏｎ，Ｊ．Ｓ．Ｓｃｈｕｍ
ｍ，Ｊ．Ｍ．Ｔｏｕｒ，Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ
２７，２３４８（１９９４） 〔１６〕Ｌ．Ａ．Ｂｕｍｍ，Ｊ．Ｊ．Ａｒｎｏｌｄ，
Ｍ．Ｔ．Ｃｙｇａｎ，Ｔ．Ｄ．Ｄｕｎｂａｒ，Ｔ．Ｐ．
Ｂｕｒｇｉｎ，Ｌ．Ｊｏｎｅｓ II，Ｄ．Ｌ．Ａｌｌａ
ｒａ，Ｊ．Ｍ．Ｔｏｕｒ，Ｐ．Ｓ．Ｗｅｉｓｓ，Ｓｃｉ
ｅｎｃｅ ２７１，１７０５（１９９６） 〔１７〕Ｍ．Ｔ．Ｃｙｇａｎ，Ｔ．Ｄ．Ｄｕｎｂａｒ，
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ｈｅｄｌｏｃｋ，Ｔ．Ｐ．Ｂｕｒｇｉｎ，Ｌ．Ｊｏｎｅ
ｓ II，Ｄ．Ｌ．Ａｌｌａｒａ，Ｊ．Ｍ．Ｔｏｔｒ，
Ｐ．Ｓ．Ｗｅｉｓｓ，Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１
２０，２７２１（１９９８） 〔１８〕Ｗ．Ｂ．Ｄａｖｉｓ，Ｗ．Ａ．Ｓｖｅｃ，Ｍ．
Ａ．Ｒａｔｎｅｒ，Ｍ．Ｒ．Ｗａｓｉｅｌｅｗｓｋｉ，
Ｎａｔｕｒｅ ３９６，６０（１９９８） 〔１９〕Ｙ．Ｗａｄａ，Ｍ．Ｔｓｕｋａｄａ，Ｍ．Ｆｕ
ｊｉｈｉｒａ，Ｋ．Ｍａｔｓｕｓｈｉｇｅ，Ｔ．Ｏｇａ
ｗａ，Ｍ．Ｈａｇａ，Ｓ．Ｔａｎａｋａ，Ｊｐｎ．Ｊ．
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３９，３８３５（２０００） 〔２０〕Ｎ．Ｓ．Ｈｕｓｈ，Ｊ．Ｒ．Ｒｅｉｍｅｒｓ，
Ｌ．Ｅ．Ｈａｌｌ，Ｌ．Ａ．Ｊｏｈｎｓｔｏｎ，Ｍ．
Ｊ．Ｃｒｏｓｓｌｅｙ，ｉｎ ＭｏｌｅｃｕｌａｒＥｌ
ｅｃｔｒｏｎｉｃｓ：Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃ
ｈｎｏｌｏｇｙ；Ａ．Ａｖｉｒａｍ，Ｍ．Ｒａｔｎｅ
ｒ，Ｅｄｓ．，Ａｎｎａｌｓ ｏｆ ｔｈｅＮｅｗ Ｙ
ｏｒｋ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ｖｏ
ｌ．８５２，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，１９９８，ｐｐ．１ 〔２１〕Ｋ．Ｓｕｇｉｕｒａ，Ｔ．Ｍａｔｓｕｍｏｔ
ｏ，Ｓ．Ｏｈｋｏｕｃｈｉ，Ｙ．Ｎａｉｔｏｈ，Ｔ．Ｋ
ａｗａｉ，Ｙ．Ｔａｋａｉ，Ｋ．Ｕｓｈｉｒｏｄａ，
Ｙ．Ｓａｋａｔａ，Ｃｈｅｍ．Ｃｏｍｍｕｎ．１９５７
（１９９９） 〔２２〕Ａ．Ｔｓｕｄａ，Ｈ．Ｆｕｒｕｔａ，Ａ．Ｏｓ
ｕｋａ，Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔ．Ｅｄ．３９，
２５４９（２０００） 〔２３〕Ａｋｉｈｉｋｏ Ｔｓｕｄａ，Ａｔｓｕｈｉｒ
ｏ Ｏｓｕｋａ，Ｓｃｉｅｎｃｅ ２９３，７９（２０
０１） 〔２４〕Ｎ．Ａｒａｔａｎｉ，Ａ．Ｏｓｕｋａ，Ｙ．
Ｈ．Ｋｉｍ，Ｄ．Ｈ．Ｊｅｏｎｇ，Ｄ．Ｋｉｍ，Ａｎｇ
ｅｗ．Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔ．Ｅｄ．３９，１４５８（２０
００） 〔２５〕Ｈ．Ｎａｋａｎｉｓｈｉ，Ｎ．Ｓｕｍｉ，Ｙ．
Ａｓｏ，Ｔ．Ｏｔｓｕｂｏ，Ｊ．Ｏｒｇ．Ｃｈｅｍ．６
３，８６３２（１９９８） 〔２６〕Ｋ．Ｓｕｇｉｕｒａ，Ｈ．Ｔａｎａｋａ，Ｔ．
Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ，Ｔ．Ｋａｗａｉ，Ｙ．Ｓａｋａｔ
ａ，Ｃｈｅｍ．Ｌｅｔｔ．１１９３（１９９９） 〔２７〕Ｊ．Ｍ．Ｔｏｕｒ，Ｒ．Ｗｕ，Ｊ．Ｓ．Ｓｃｈ
ｕｍｍ，Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１３３，７０６
４（１９９１） 〔２８〕Ｊ．Ｃｈｅｎ，Ｍ．Ａ．Ｒｅｅｄ，Ａ．Ｍ．Ｒ
ａｗｌｅｔｔ，Ｊ．Ｍ．Ｔｏｕｒ，Ｓｃｉｅｎｃｅ ２
８６，１５５０（１９９９） 〔２９〕Ｆ．Ｍｏｒｅｓｃｏ，Ｇ．Ｍｅｙｅｒ，Ｋ．
Ｈ．Ｒｉｅｄｅｒ，Ｈ．Ｔａｎｇ，Ａ．Ｇｏｕｒｄｏ
ｎ，Ｃ．Ｊｏａｃｈｉｍ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔ
ｔ．８６，６７２（２００１） 〔３０〕Ｃ．Ｐ．Ｃｏｌｌｉｅｒ，Ｅ．Ｗ．Ｗｏｎｇ，
Ｍ．Ｂｅｌｏｈｒａｄｓｋｙ，Ｆ．Ｍ．Ｒａｙｍｏ，
Ｊ．Ｆ．Ｓｔｏｄｄａｒｔ，Ｐ．Ｊ．Ｋｕｅｋｅｓ，
Ｒ．Ｓ．Ｗｉｌｌｉａｍｓ，Ｊ．Ｒ．Ｈｅａｔｈ，Ｓｃ
ｉｅｎｃｅ ２８５，３９１（１９９９） 〔３１〕Ｒ．Ａ．Ｂｉｓｓｅｌｌ，Ｅ．Ｃｏｒｄｏｖ
ａ，Ａ．Ｅ．Ｋａｉｆｅｒ，Ｊ．Ｆ．Ｓｔｏｄｄａｒ
ｔ，Ｎａｔｕｒｅ ３６９，１３３（１９９４） 〔３２〕Ｈ．Ｓｈｉｇｅｋａｗａ，Ｋ．Ｍｉｙａｋｅ，
Ｊ．Ｓｕｍａｏｋａ，Ａ．Ｈａｒａｄａ，Ｍ．Ｋｏｍｉ
ｙａｍａ，Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１２２，５４
１１（２０００） 〔３３〕Ｃ．Ｐａｔｏｕｘ，Ｃ．Ｃｏｕｄｒｅｔ，Ｊ．
Ｐ．Ｌａｕｎａｙ，Ｃ．Ｊｏａｃｈｉｍ，Ａ．Ｇｏｕｒ
ｄｏｎ，Ｉｎｏｒｇ．Ｃｈｅｍ．３６，５０３７（１９
９７） 〔３４〕Ｓ．Ｏ．Ｋｅｌｌｅｙ，Ｊ．Ｋ．Ｂａｒｔｏ
ｎ，Ｓｃｉｅｎｃｅ ２８３，３７５（１９９９） 〔３５〕Ｅ．Ｍｅｇｇｅｒｓ，Ｍ．Ｅ．Ｍｉｃｈｅｌ−
Ｂｅｙｅｒｌｅ，Ｂ．Ｇｉｅｓｅ，Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅ
ｍ．Ｓｏｃ．１２０，１２９５０（１９９８） 〔３６〕Ｓ．Ｐｒｉｙａｄａｒｓｈｙ，Ｓ．Ｍ．Ｒｉｓ
ｓｅｒ，Ｄ．Ｎ．Ｂｅｒａｔａｎ，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈ
ｅｍ．１００，１７６７８（１９９６） 〔３７〕福井啓二郎，田中一義，化学 ５３，３６（１
９９８）
【０００３】〔３９〕Ｄ．Ｐｏｒａｔｈ，Ａ．Ｂｅｚｒ
ｙａｄｉｎ，Ｓ．ｄｅ Ｖｒｉｅｓ，Ｃ．Ｄｅｋｋｅ
ｒ，Ｎａｔｕｒｅ ４０３，６３５（２０００）
ｙａｄｉｎ，Ｓ．ｄｅ Ｖｒｉｅｓ，Ｃ．Ｄｅｋｋｅ
ｒ，Ｎａｔｕｒｅ ４０３，６３５（２０００）
【０００４】
【０００５】〔４２〕Ｐ．Ｔｒａｎ，Ｂ．Ａｌａｖｉ，
Ｇ．Ｇｒｕｎｅｒ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８
５，１５６４（２０００）
Ｇ．Ｇｒｕｎｅｒ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８
５，１５６４（２０００）
【０００６】〔４４〕Ｅ．Ｂｒａｕｎ，Ｙ．Ｅｉｃｈｅ
ｎ，Ｕ．Ｓｉｖａｎ，Ｇ．Ｂｅｎ−Ｙｏｓｅｐｈ，Ｎａ
ｔｕｒｅ ３９１，７７５（１９９８） 〔４５〕Ｃ．Ａ．Ｍｉｒｋｉｎ，Ｒ．Ｌ．Ｌｅｔｓｉｎ
ｇｅｒ，Ｒ．Ｃ．Ｍｕｃｉｃ，Ｊ．Ｊ．Ｓｔｏｒｈｏｆ
ｆ，Ｎａｔｕｒｅ ３８２，６０７（１９９６） 〔４６〕Ｃ．Ａ．Ｍｉｒｋｉｎ，ＭＲＳ Ｂｕｌｌｅｔ
ｉｎ，４３（２０００） 〔４７〕Ｐ．Ｓ．Ｗｅｉｓｓ，Ｌ．Ａ．Ｂｕｍｍ，Ｔ．
Ｄ．Ｄｕｎｂａｒ，Ｔ．Ｐ．Ｂｕｒｇｉｎ，Ｊ．Ｍ．Ｔ
ｏｕｒ，Ｄ．Ｌ．Ａｌｌａｒａ，ｉｎ Ｍｏｌｅｃｕｌ
ａｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ：Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎ
ｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；Ａ．Ａｖｉｒａｍ，Ｍ．Ｒ
ａｔｎｅｒ，Ｅｄｓ．，Ａｎｎａｌｓ ｏｆ ｔｈｅ
Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎ
ｃｅ ｖｏｌ．８５２，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，１９９８，
ｐｐ．１４５ 〔４８〕Ａ．Ｋｕｍａｒ，Ｇ．Ｍ．Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅ
ｓ，Ｓｃｉｅｎｃｅ ２６３，６０（１９９４） 〔４９〕Ｖ．Ｊ．Ｌａｎｇｌａｉｓ，Ｒ．Ｒ．Ｓｃｈｌ
ｉｔｔｅｒ，Ｈ．ｔａｎｇ，Ａ．Ｇｏｕｒｄｏｎ，Ｃ．
Ｊｏａｃｈｉｍ，Ｊ．Ｋ．Ｇｉｍｚｅｗｓｋｉ，Ｐｈｙ
ｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８３，２８０９（１９９９） 〔５０〕Ｊ．Ｋ．Ｓｐｏｎｇ，Ｈ．Ａ．Ｍｉｚｅｓ，
Ｌ．Ｊ．ＬａＣｏｍｂ Ｊｒ，Ｍ．Ｍ．Ｄｏｖｅｋ，
Ｊ．Ｅ．Ｆｒｏｍｍｅｒ，Ｊ．Ｓ．Ｆｏｓｔｅｒ，Ｎａ
ｔｕｒｅ ３３８，１３７（１９８９） 〔５１〕Ｒ．Ａｋｉｙａｍａ，Ｔ．Ｍａｔｓｕｍｏｔ
ｏ，Ｔ．Ｋａｗａｉ，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ１０
３，６１０３（１９９９） 〔５２〕Ｒ．Ａｋｉｙａｍａ，Ｔ．Ｍａｔｓｕｍｏｔ
ｏ，Ｔ．Ｋａｗａｉ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ６２，２０
３４（２０００） 〔５３〕Ｆ．Ｊ．Ｇｉｅｓｓｉｂｌｅ，Ｓｃｉｅｎｃｅ
２６７，６８（１９９５） 〔５４〕Ｕ．Ｌａｎｄｍａｎ，Ｗ．Ｄ．Ｌｕｅｄｔｋ
ｅ，Ｎ．Ａ．Ｂｕｒｎｈａｍ，Ｒ．Ｊ．Ｃｏｌｔｏｎ，
Ｓｃｉｅｎｃｅ ２４８，４５４（１９９０） 〔５５〕Ｈ．Ｔａｎａｋａ，Ｃ．Ｈａｍａｉ，Ｔ．Ｋａ
ｎｎｏ，Ｔ．Ｋａｗａｉ，Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉ．４
３２，Ｌ６１１（１９９９） 〔５６〕Ｙ．Ｍａｅｄａ，Ｔ．Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ，
Ｔ．Ｋａｗａｉ，Ａｐｐｌ．Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉ．
１４０，４００（１９９９） 〔５７〕Ｔ．Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ，Ｙ．Ｍａｅｄａ，
Ｙ．Ｎａｉｔｏｈ，Ｔ．Ｋａｗａｉ，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃ
ｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ１７，１９４１（１９９９） 〔５８〕Ｙ．Ｍａｅｄａ，Ｔ．Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ，
Ｈ．Ｔａｎａｋａ，Ｔ．Ｋａｗａｉ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐ
ｐｌ．Ｐｈｙｓ．３８，Ｌ１２１１（１９９９） 〔５９〕Ｃ．Ｈａｍａｉ，Ｔ．Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ，
Ｔ．Ｋａｗａｉ，Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉ，ｉｎ ｐｒ
ｅｓｓ トランジスタの発明以来、電子デバイスは、半導体の集
積化により高性能化されてきた。高集積化は微細加工の
寸法を縮小することで達成されてきたが、この寸法縮小
による性能向上は本質的な限界に近づいている。単一の
分子をデバイスの電子素子として使うという概念は約２
５年前に提案された。
ｎ，Ｕ．Ｓｉｖａｎ，Ｇ．Ｂｅｎ−Ｙｏｓｅｐｈ，Ｎａ
ｔｕｒｅ ３９１，７７５（１９９８） 〔４５〕Ｃ．Ａ．Ｍｉｒｋｉｎ，Ｒ．Ｌ．Ｌｅｔｓｉｎ
ｇｅｒ，Ｒ．Ｃ．Ｍｕｃｉｃ，Ｊ．Ｊ．Ｓｔｏｒｈｏｆ
ｆ，Ｎａｔｕｒｅ ３８２，６０７（１９９６） 〔４６〕Ｃ．Ａ．Ｍｉｒｋｉｎ，ＭＲＳ Ｂｕｌｌｅｔ
ｉｎ，４３（２０００） 〔４７〕Ｐ．Ｓ．Ｗｅｉｓｓ，Ｌ．Ａ．Ｂｕｍｍ，Ｔ．
Ｄ．Ｄｕｎｂａｒ，Ｔ．Ｐ．Ｂｕｒｇｉｎ，Ｊ．Ｍ．Ｔ
ｏｕｒ，Ｄ．Ｌ．Ａｌｌａｒａ，ｉｎ Ｍｏｌｅｃｕｌ
ａｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ：Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎ
ｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；Ａ．Ａｖｉｒａｍ，Ｍ．Ｒ
ａｔｎｅｒ，Ｅｄｓ．，Ａｎｎａｌｓ ｏｆ ｔｈｅ
Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎ
ｃｅ ｖｏｌ．８５２，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，１９９８，
ｐｐ．１４５ 〔４８〕Ａ．Ｋｕｍａｒ，Ｇ．Ｍ．Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅ
ｓ，Ｓｃｉｅｎｃｅ ２６３，６０（１９９４） 〔４９〕Ｖ．Ｊ．Ｌａｎｇｌａｉｓ，Ｒ．Ｒ．Ｓｃｈｌ
ｉｔｔｅｒ，Ｈ．ｔａｎｇ，Ａ．Ｇｏｕｒｄｏｎ，Ｃ．
Ｊｏａｃｈｉｍ，Ｊ．Ｋ．Ｇｉｍｚｅｗｓｋｉ，Ｐｈｙ
ｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８３，２８０９（１９９９） 〔５０〕Ｊ．Ｋ．Ｓｐｏｎｇ，Ｈ．Ａ．Ｍｉｚｅｓ，
Ｌ．Ｊ．ＬａＣｏｍｂ Ｊｒ，Ｍ．Ｍ．Ｄｏｖｅｋ，
Ｊ．Ｅ．Ｆｒｏｍｍｅｒ，Ｊ．Ｓ．Ｆｏｓｔｅｒ，Ｎａ
ｔｕｒｅ ３３８，１３７（１９８９） 〔５１〕Ｒ．Ａｋｉｙａｍａ，Ｔ．Ｍａｔｓｕｍｏｔ
ｏ，Ｔ．Ｋａｗａｉ，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ１０
３，６１０３（１９９９） 〔５２〕Ｒ．Ａｋｉｙａｍａ，Ｔ．Ｍａｔｓｕｍｏｔ
ｏ，Ｔ．Ｋａｗａｉ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ６２，２０
３４（２０００） 〔５３〕Ｆ．Ｊ．Ｇｉｅｓｓｉｂｌｅ，Ｓｃｉｅｎｃｅ
２６７，６８（１９９５） 〔５４〕Ｕ．Ｌａｎｄｍａｎ，Ｗ．Ｄ．Ｌｕｅｄｔｋ
ｅ，Ｎ．Ａ．Ｂｕｒｎｈａｍ，Ｒ．Ｊ．Ｃｏｌｔｏｎ，
Ｓｃｉｅｎｃｅ ２４８，４５４（１９９０） 〔５５〕Ｈ．Ｔａｎａｋａ，Ｃ．Ｈａｍａｉ，Ｔ．Ｋａ
ｎｎｏ，Ｔ．Ｋａｗａｉ，Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉ．４
３２，Ｌ６１１（１９９９） 〔５６〕Ｙ．Ｍａｅｄａ，Ｔ．Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ，
Ｔ．Ｋａｗａｉ，Ａｐｐｌ．Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉ．
１４０，４００（１９９９） 〔５７〕Ｔ．Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ，Ｙ．Ｍａｅｄａ，
Ｙ．Ｎａｉｔｏｈ，Ｔ．Ｋａｗａｉ，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃ
ｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ１７，１９４１（１９９９） 〔５８〕Ｙ．Ｍａｅｄａ，Ｔ．Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ，
Ｈ．Ｔａｎａｋａ，Ｔ．Ｋａｗａｉ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐ
ｐｌ．Ｐｈｙｓ．３８，Ｌ１２１１（１９９９） 〔５９〕Ｃ．Ｈａｍａｉ，Ｔ．Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ，
Ｔ．Ｋａｗａｉ，Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉ，ｉｎ ｐｒ
ｅｓｓ トランジスタの発明以来、電子デバイスは、半導体の集
積化により高性能化されてきた。高集積化は微細加工の
寸法を縮小することで達成されてきたが、この寸法縮小
による性能向上は本質的な限界に近づいている。単一の
分子をデバイスの電子素子として使うという概念は約２
５年前に提案された。
【０００７】近年、単一分子の操作技術が急速に進展
し、また分子の機能が解明されてきたことと相まって研
究が急速に進展している。リソやエッチングによる従来
の微細加工方法をトップダウンと称し、自己組織化によ
る機能発現をボトムアップと称して、超高集積を実現す
る新規なデバイスはボトムアップの考え方を導入する必
要がある。
し、また分子の機能が解明されてきたことと相まって研
究が急速に進展している。リソやエッチングによる従来
の微細加工方法をトップダウンと称し、自己組織化によ
る機能発現をボトムアップと称して、超高集積を実現す
る新規なデバイスはボトムアップの考え方を導入する必
要がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】ところで、有機分子は
径が０．５ｎｍから数ｎｍ、長さが１ｎｍから１０ｎｍ
の大きさである。この分子をある条件で配列させる場
合、その下地に段差があることは好ましくない。下地は
分子が配列される部分と電極への接触部分があり、下地
は異種物質で構成される。楕円形状の分子を立たせる配
列では、段差の所で横になってしまい、そうなると分子
の持つ機能が発現出来ない。
径が０．５ｎｍから数ｎｍ、長さが１ｎｍから１０ｎｍ
の大きさである。この分子をある条件で配列させる場
合、その下地に段差があることは好ましくない。下地は
分子が配列される部分と電極への接触部分があり、下地
は異種物質で構成される。楕円形状の分子を立たせる配
列では、段差の所で横になってしまい、そうなると分子
の持つ機能が発現出来ない。
【０００９】更に、下地が完全に平坦であっても、下地
が異種物質で構成されるため下地の材質の影響を受け
る。よって、自己組織化構造を下地の影響を受けずに成
長させる必要がある。また、巨大有機分子は長さが１０
ｎｍ以上とされるが（１００ｎｍ以下）、この場合も下
地が平坦であることが肝要である。
が異種物質で構成されるため下地の材質の影響を受け
る。よって、自己組織化構造を下地の影響を受けずに成
長させる必要がある。また、巨大有機分子は長さが１０
ｎｍ以上とされるが（１００ｎｍ以下）、この場合も下
地が平坦であることが肝要である。
【００１０】本発明は、上記状況に鑑みて、自己組織化
構造を下地の影響を受けずに成長させることができるナ
ノオーダーのフラットな下地を有する分子集積回路素子
及びその製造方法を提供することを目的とする。
構造を下地の影響を受けずに成長させることができるナ
ノオーダーのフラットな下地を有する分子集積回路素子
及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、有機分子、又は有機分子と無機物質が自
己組織化して構成され、機能を発現する分子デバイス、
あるいは単一巨大分子を電子素子とする分子デバイスに
おいて、自己組織化する分子が配置される基板表面を、
０．５ｎｍ以下の平坦度に加工することを特徴とする。
成するために、有機分子、又は有機分子と無機物質が自
己組織化して構成され、機能を発現する分子デバイス、
あるいは単一巨大分子を電子素子とする分子デバイスに
おいて、自己組織化する分子が配置される基板表面を、
０．５ｎｍ以下の平坦度に加工することを特徴とする。
【００１２】更に、平坦化された基板表面に１ｎｍ以下
の絶縁膜（ＳｉＯ2 ，Ａｌ2 Ｏ3 ）を設け、その上に分
子を配列させる。金属電極と分子の導通はトンネル効果
を用いる。代表例としてシリコン基板を酸化して５０ｎ
ｍ程度の酸化膜を形成し、１０ｎｍ程度の分子サイズの
トレンチを形成し、スパッタでＡｕを埋める。次に、Ａ
ｒガスクラスターイオンエッチングにより、０．５ｎｍ
以下の平坦な超平坦化処理をする。次に、シリコン基板
をエタノール等を溶媒とした有機ジチオール溶液に浸漬
し、Ａｕナノ粒子の有機溶媒分散体を添加すると、Ａｕ
ナノ粒子／有機ジチオール分子複合体が自己組織化で形
成される。
の絶縁膜（ＳｉＯ2 ，Ａｌ2 Ｏ3 ）を設け、その上に分
子を配列させる。金属電極と分子の導通はトンネル効果
を用いる。代表例としてシリコン基板を酸化して５０ｎ
ｍ程度の酸化膜を形成し、１０ｎｍ程度の分子サイズの
トレンチを形成し、スパッタでＡｕを埋める。次に、Ａ
ｒガスクラスターイオンエッチングにより、０．５ｎｍ
以下の平坦な超平坦化処理をする。次に、シリコン基板
をエタノール等を溶媒とした有機ジチオール溶液に浸漬
し、Ａｕナノ粒子の有機溶媒分散体を添加すると、Ａｕ
ナノ粒子／有機ジチオール分子複合体が自己組織化で形
成される。
【００１３】したがって、トランジスタ、論理演算素子
としての自己組織化分子配列によるセルラオートマト
ン、又センサ等のデバイスに広く利用することができ
る。
としての自己組織化分子配列によるセルラオートマト
ン、又センサ等のデバイスに広く利用することができ
る。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て詳細に説明する。
て詳細に説明する。
【００１５】図１は本発明の実施例を示す分子集積回路
素子の要部断面図、図２はその分子集積回路素子の２Ｄ
分子が配列されていない状態の分子集積回路素子の斜視
図、図３は２Ｄ分子が配列された状態の分子集積回路素
子の斜視図である。
素子の要部断面図、図２はその分子集積回路素子の２Ｄ
分子が配列されていない状態の分子集積回路素子の斜視
図、図３は２Ｄ分子が配列された状態の分子集積回路素
子の斜視図である。
【００１６】これらの図において、１はシリコン（Ｓ
ｉ）基板、２はそのシリコン基板１上に形成される酸化
シリコン（ＳｉＯ2 ）膜、３はＡｕ電極、４は極薄絶縁
膜、５は分子吸着規制パターン（例えば、ＳｉＯ
2 膜）、６は２Ｄ分子配列を行わせるための凹所、７は
自己組織化分子配列（２Ｄ分子配列）、８は配列分子中
の情報の流れ、９は分子配列７とＡｕ電極３とのトンネ
ル結合である。
ｉ）基板、２はそのシリコン基板１上に形成される酸化
シリコン（ＳｉＯ2 ）膜、３はＡｕ電極、４は極薄絶縁
膜、５は分子吸着規制パターン（例えば、ＳｉＯ
2 膜）、６は２Ｄ分子配列を行わせるための凹所、７は
自己組織化分子配列（２Ｄ分子配列）、８は配列分子中
の情報の流れ、９は分子配列７とＡｕ電極３とのトンネ
ル結合である。
【００１７】まず、完全フラット微細回路網では金属電
極と絶縁部分の高さが同じで、表面ラフネスは０．５ｎ
ｍ以下が必要である。
極と絶縁部分の高さが同じで、表面ラフネスは０．５ｎ
ｍ以下が必要である。
【００１８】図４はその分子集積回路素子の製造工程断
面図である。
面図である。
【００１９】（１）まず、図４（ａ）に示すように、シ
リコン基板１１上に熱酸化により絶縁層である５０ｎｍ
程度の酸化シリコン膜１２を形成する。
リコン基板１１上に熱酸化により絶縁層である５０ｎｍ
程度の酸化シリコン膜１２を形成する。
【００２０】（２）次に、図４（ｂ）に示すように、電
子ビームとドライエッチング技術により、酸化シリコン
膜１２内に１０ｎｍ程度の分子サイズ以下の幅のトレン
チ１３を形成する。
子ビームとドライエッチング技術により、酸化シリコン
膜１２内に１０ｎｍ程度の分子サイズ以下の幅のトレン
チ１３を形成する。
【００２１】（３）次に、図４（ｃ）に示すように、ト
レンチ１３を蒸着法又はスパッタ法によりＡｕ等の金属
電極材料１４で埋め込む。
レンチ１３を蒸着法又はスパッタ法によりＡｕ等の金属
電極材料１４で埋め込む。
【００２２】（４）次に、図４（ｄ）に示すように、Ａ
ｒガスクラスターイオンエッチングによる０．５ｎｍ以
下の表面平坦化を行い、完全フラット微細回路網１５を
作製する。ここでは、Ａｒが好ましく、平均クラスター
サイズは３０００、加速電圧は３から１２ｋＶ、好まし
くは９ｋＶ付近である。イオン照射量は１０16から１０
18ｉｏｎ／ｃｍ2 で、好ましくは１０17ｉｏｎ／ｃｍ2
である。
ｒガスクラスターイオンエッチングによる０．５ｎｍ以
下の表面平坦化を行い、完全フラット微細回路網１５を
作製する。ここでは、Ａｒが好ましく、平均クラスター
サイズは３０００、加速電圧は３から１２ｋＶ、好まし
くは９ｋＶ付近である。イオン照射量は１０16から１０
18ｉｏｎ／ｃｍ2 で、好ましくは１０17ｉｏｎ／ｃｍ2
である。
【００２３】（５）次に、その後は、図示しないが、２
Ｄ分子の種類を考慮して、分子吸着規制パターンを形成
して凹所を画成して、図４（ｅ）に示すように、そこに
２Ｄ分子１６を載置する。
Ｄ分子の種類を考慮して、分子吸着規制パターンを形成
して凹所を画成して、図４（ｅ）に示すように、そこに
２Ｄ分子１６を載置する。
【００２４】以下、ナノオーダの基板表面上に形成させ
る分子の自己組織化の配列のさせ方、並べ方について説
明する。
る分子の自己組織化の配列のさせ方、並べ方について説
明する。
【００２５】〔１〕ここでは、Ａｕナノ粒子／有機ジチ
オール分子複合体による自己組織化の方法を説明する。
オール分子複合体による自己組織化の方法を説明する。
【００２６】Ａｕのナノ粒子（直径約２から１００ｎ
ｍ、直径の分布は約５％）を、ｔ−ドデカンチオールで
保護した物を標準的な方法で作製し、これを再沈殿およ
びシリカゲルのカラムクロマトグラフィーにより精製す
る。これを、トルエンもしくはエタノールに溶解し、お
よそ１０ｍモル／ｌの溶液を作製する。これをＡ液とす
る。
ｍ、直径の分布は約５％）を、ｔ−ドデカンチオールで
保護した物を標準的な方法で作製し、これを再沈殿およ
びシリカゲルのカラムクロマトグラフィーにより精製す
る。これを、トルエンもしくはエタノールに溶解し、お
よそ１０ｍモル／ｌの溶液を作製する。これをＡ液とす
る。
【００２７】次に、有機ジチオールのトルエンもしくは
エタノールのおよそ１０ｍモル／ｌの溶液を作製する。
これをＢ液とする。
エタノールのおよそ１０ｍモル／ｌの溶液を作製する。
これをＢ液とする。
【００２８】Ａｕのナノ電極を、Ｂ液約２ｍｌに、室
温、Ａｒ雰囲気でおよそ１時間浸ける。その上から、Ａ
液を約２ｍｌ加える。Ａｕ電極表面には、図５に示すよ
うな、Ａｕナノ粒子／有機ジチオール複合体のネットワ
ークが形成し、およそ３時間以内に飽和膜厚に達する。
ここで、２１はＡｕナノ粒子、２２は有機ジチオール分
子を示している。同じ操作をナノ電極の代わりに、Ａｕ
のマイクロメッシュを用いて行い、マイクロメッシュ間
にできた複合体の透過電顕を観察すると、ほぼ６方最密
充填の形でＡｕ微粒子が並んでいる。
温、Ａｒ雰囲気でおよそ１時間浸ける。その上から、Ａ
液を約２ｍｌ加える。Ａｕ電極表面には、図５に示すよ
うな、Ａｕナノ粒子／有機ジチオール複合体のネットワ
ークが形成し、およそ３時間以内に飽和膜厚に達する。
ここで、２１はＡｕナノ粒子、２２は有機ジチオール分
子を示している。同じ操作をナノ電極の代わりに、Ａｕ
のマイクロメッシュを用いて行い、マイクロメッシュ間
にできた複合体の透過電顕を観察すると、ほぼ６方最密
充填の形でＡｕ微粒子が並んでいる。
【００２９】有機ジチオールとしては、脂肪族、芳香族
いずれの物でも良い。複合体形成の速度は、脂肪族が早
く、芳香族は遅い。
いずれの物でも良い。複合体形成の速度は、脂肪族が早
く、芳香族は遅い。
【００３０】このＡｕナノ粒子／有機ジチオール分子複
合体形成反応を、今回の平坦電極上で行うことにより、
図６に示すように、非常に規則性の正しい構造体ができ
る。ここで、２３は平坦電極上でのＡｕナノ粒子／有機
ジチオール分子複合体である。
合体形成反応を、今回の平坦電極上で行うことにより、
図６に示すように、非常に規則性の正しい構造体ができ
る。ここで、２３は平坦電極上でのＡｕナノ粒子／有機
ジチオール分子複合体である。
【００３１】この様にしてできた複合体は、基板が平坦
である範囲で均一にできる。８インチウエハ１枚が原子
レベルで平坦にできれば、その上に形成する複合体も、
ウエハ全体で均一にすることができる。
である範囲で均一にできる。８インチウエハ１枚が原子
レベルで平坦にできれば、その上に形成する複合体も、
ウエハ全体で均一にすることができる。
【００３２】Ａｕ微粒子のサイズ、有機分子のサイズ構
造は、非常に自由度が大きいため、その複合体の微細構
造のサイズや形状に制限が有るとは予測されない。
造は、非常に自由度が大きいため、その複合体の微細構
造のサイズや形状に制限が有るとは予測されない。
【００３３】〔２〕機能性巨大単一分子の平坦ナノ電極
上での自己組織化について説明する。
上での自己組織化について説明する。
【００３４】一辺の長さがおよそ１０ｎｍであり、基板
の金属や半導体との結合が可能な分子の合成を行う。
の金属や半導体との結合が可能な分子の合成を行う。
【００３５】分子と選択的に吸着する材料を用いた平坦
ナノ電極を作製する。選択吸着可能な官能基・材料の組
み合わせとして次のものがある。
ナノ電極を作製する。選択吸着可能な官能基・材料の組
み合わせとして次のものがある。
【００３６】Ａｕ、Ｐｔに対しては、チオール、ジチオ
ール、スルフィド。
ール、スルフィド。
【００３７】酸化スズに対しては、亜リン酸。
【００３８】ドープシリコンに対しては、カンボン酸。
【００３９】水素終端シリコンに対しては、末端アルケ
ンもしくは末端アルキン。
ンもしくは末端アルキン。
【００４０】この分子の１ｍモル／ｌ程度の濃度の溶液
に平坦ナノ電極を浸すことで、電極上に分子が吸着す
る。この際分子同士の相互作用よりも、分子と基板との
相互作用が強くなるように設計しておくことで、分子は
単層を作る。溶液の濃度が高かったり、吸着時間が長い
と多層になる可能性があるが、これらのパラメータを制
御することで、単層で細密充填した状態を作り出すこと
ができる。これは、単純なアルキルチオールがＡｕ表面
に自己集合単分子膜（ＳＡＭ膜）を形成するときと同様
である。
に平坦ナノ電極を浸すことで、電極上に分子が吸着す
る。この際分子同士の相互作用よりも、分子と基板との
相互作用が強くなるように設計しておくことで、分子は
単層を作る。溶液の濃度が高かったり、吸着時間が長い
と多層になる可能性があるが、これらのパラメータを制
御することで、単層で細密充填した状態を作り出すこと
ができる。これは、単純なアルキルチオールがＡｕ表面
に自己集合単分子膜（ＳＡＭ膜）を形成するときと同様
である。
【００４１】なお、説明が前後するが、本発明を説明す
る上で、意義があるので、従来技術の説明とともに、本
発明に至る経緯について以下に説明する。
る上で、意義があるので、従来技術の説明とともに、本
発明に至る経緯について以下に説明する。
【００４２】単一の分子を電子デバイスとして使おうと
するアイデアは古く、その概念がはじめて提出されたの
は、約２５年も前である（参考文献〔１〕）。このアイ
デアは非常な興奮をもって迎えられたが、当時は単一分
子へアクセスする方法もなかったので、単なる理論的研
究に留まった。現在の２１世紀初頭になり、再び単一分
子デバイスに関心が集まりつつあるのには、いくつかの
歴史的必然ともいえる背景がある。
するアイデアは古く、その概念がはじめて提出されたの
は、約２５年も前である（参考文献〔１〕）。このアイ
デアは非常な興奮をもって迎えられたが、当時は単一分
子へアクセスする方法もなかったので、単なる理論的研
究に留まった。現在の２１世紀初頭になり、再び単一分
子デバイスに関心が集まりつつあるのには、いくつかの
歴史的必然ともいえる背景がある。
【００４３】第一の要因は、１９８０年代後半から、走
査プローブ顕微鏡などの技術が確立して、原子や分子を
直接観察しながら操ることができるようになったことで
ある（参考文献〔２〕）。この手法の出現により、これ
まで間接的にとらえることしかできなかった原子・分子
の世界が、日常的な知覚に近いかたちで姿を現したこと
が、非常に大きな背景となっている。
査プローブ顕微鏡などの技術が確立して、原子や分子を
直接観察しながら操ることができるようになったことで
ある（参考文献〔２〕）。この手法の出現により、これ
まで間接的にとらえることしかできなかった原子・分子
の世界が、日常的な知覚に近いかたちで姿を現したこと
が、非常に大きな背景となっている。
【００４４】第二の要因は、半導体デバイスが高密度化
して、微細加工可能なサイズがナノスケールの領域に近
づいてきたことにある。
して、微細加工可能なサイズがナノスケールの領域に近
づいてきたことにある。
【００４５】一方、巨大分子の精密合成が盛んに行わ
れ、分子サイズもサブミクロンに達し、微細加工可能な
サイズと重なりを持つようになった。単一の分子を電極
に貼り付けることが、いよいよ可能になってきたのであ
る。
れ、分子サイズもサブミクロンに達し、微細加工可能な
サイズと重なりを持つようになった。単一の分子を電極
に貼り付けることが、いよいよ可能になってきたのであ
る。
【００４６】第三に、原子・分子の自己組織化現象の理
解が進み、自然の力を借りてナノスケール構造を制御す
るための道筋が見えてきた。特にＤＮＡは塩基配列によ
る情報を持っているので、自己組織的にナノデバイスを
構築する材料として、注目を集めている。
解が進み、自然の力を借りてナノスケール構造を制御す
るための道筋が見えてきた。特にＤＮＡは塩基配列によ
る情報を持っているので、自己組織的にナノデバイスを
構築する材料として、注目を集めている。
【００４７】第四に、ナノスケール領域では非常に豊か
で面白いメゾスコピックな物性・機能が発現することが
明らかになってきた。例えば、電子・スピン・格子間の
強相関的相互作用のコヒーレンス長と作製可能なデバイ
スサイズが重なるようになったため、新しい量子現象が
次々に発見されている。
で面白いメゾスコピックな物性・機能が発現することが
明らかになってきた。例えば、電子・スピン・格子間の
強相関的相互作用のコヒーレンス長と作製可能なデバイ
スサイズが重なるようになったため、新しい量子現象が
次々に発見されている。
【００４８】以上のような状況から、分子スケールエレ
クトロニクスはナノサイエンス・テクノロジーの最重要
課題として、注目をあつめるようになった。 ここで
は、特に、巨大分子と走査プローブ顕微鏡に焦点を絞っ
て説明する。 （Ａ）有機分子と金属電極の接続について １．単一分子／電極系の接続問題 分子スケールエレクトロニクスにおいて、単一分子の電
気伝導は最も基本的な研究課題の一つである。例えば、
単一分子の電気伝導には、振動・電子励起が結合した量
子化コンダクタンスや分子運動・コンホメーション変化
が関与する伝導など、分子系ならでは現れる多彩な物性
が期待できる。ここで注意したいのは、分子スケールエ
レクトロニクスでいう「単一分子」とは、真空中や溶液
中などの平均場中に存在する孤立分子ではない。分子ス
ケールエレクトロニクスで主役を演ずるのは、固体表面
上に配置された分子であり、また、情報の入出力を行う
ために電極に接続された分子である。従って、単一分子
の物性も、このような動作環境で述べる。
クトロニクスはナノサイエンス・テクノロジーの最重要
課題として、注目をあつめるようになった。 ここで
は、特に、巨大分子と走査プローブ顕微鏡に焦点を絞っ
て説明する。 （Ａ）有機分子と金属電極の接続について １．単一分子／電極系の接続問題 分子スケールエレクトロニクスにおいて、単一分子の電
気伝導は最も基本的な研究課題の一つである。例えば、
単一分子の電気伝導には、振動・電子励起が結合した量
子化コンダクタンスや分子運動・コンホメーション変化
が関与する伝導など、分子系ならでは現れる多彩な物性
が期待できる。ここで注意したいのは、分子スケールエ
レクトロニクスでいう「単一分子」とは、真空中や溶液
中などの平均場中に存在する孤立分子ではない。分子ス
ケールエレクトロニクスで主役を演ずるのは、固体表面
上に配置された分子であり、また、情報の入出力を行う
ために電極に接続された分子である。従って、単一分子
の物性も、このような動作環境で述べる。
【００４９】そこで、単一巨大分子系の研究例を見る前
に、単一分子／電極系における問題点を整理しておく。
最も単純な系として、図８に示すような、ある有機分子
が２つの電極に接続された状況を考える。すると、数々
の疑問が浮かび上がってくる。例えば、 分子の構造やコンホメーションは固体表面上や電極接
続によりどう変化するか。
に、単一分子／電極系における問題点を整理しておく。
最も単純な系として、図８に示すような、ある有機分子
が２つの電極に接続された状況を考える。すると、数々
の疑問が浮かび上がってくる。例えば、 分子の構造やコンホメーションは固体表面上や電極接
続によりどう変化するか。
【００５０】分子と金属電極との界面における電子状
態は如何に接続されるか。
態は如何に接続されるか。
【００５１】単一分子の物性は分子集合体とどのよう
に異なるか。などである。
に異なるか。などである。
【００５２】実験的にこれらの疑問に答えるには、走査
プローブ顕微鏡を用いたアプローチが最も有力である。
特に、に関しては、走査プローブ顕微鏡は局所的な構
造を知ることの出来る唯一の方法であると言える。と
に関しては電子状態に関する議論が中心となるので、
走査プローブ顕微鏡を用いて、単一分子／金属界面の電
子状態にどこまで迫ることができるか、電荷や状態密度
の分布状態を明らかにする方法について述べる。
プローブ顕微鏡を用いたアプローチが最も有力である。
特に、に関しては、走査プローブ顕微鏡は局所的な構
造を知ることの出来る唯一の方法であると言える。と
に関しては電子状態に関する議論が中心となるので、
走査プローブ顕微鏡を用いて、単一分子／金属界面の電
子状態にどこまで迫ることができるか、電荷や状態密度
の分布状態を明らかにする方法について述べる。
【００５３】１−１．表面分子系における電荷移動
表面と分子の軌道相互作用について、分子軌道の立場か
ら、直感的な考察が行われている（参考文献〔３〕）。
図７は表面分子系と孤立分子系の違いを示した模式図で
ある。二つの分子からなる孤立分子系の場合は、結合性
軌道と反結合性軌道の組み合せで、新たな結合性軌道に
電子が入り、引力的相互作用が生じる。また、二つの結
合性軌道からできる分子軌道には、新たに出来た反結合
性軌道にも電子が入るので斥力的となり、二つの反結合
性軌道からできる分子軌道には電子がないので、相互作
用が生じない。
ら、直感的な考察が行われている（参考文献〔３〕）。
図７は表面分子系と孤立分子系の違いを示した模式図で
ある。二つの分子からなる孤立分子系の場合は、結合性
軌道と反結合性軌道の組み合せで、新たな結合性軌道に
電子が入り、引力的相互作用が生じる。また、二つの結
合性軌道からできる分子軌道には、新たに出来た反結合
性軌道にも電子が入るので斥力的となり、二つの反結合
性軌道からできる分子軌道には電子がないので、相互作
用が生じない。
【００５４】表面分子系の場合も、結合性軌道と反結合
性軌道の場合は、同様に考えられる。しかし、分子と表
面の両方とも結合性軌道である場合や、両方とも反結合
性軌道である場合の界面分子軌道では、表面と分子の間
で電子移動が起こり、引力的相互作用が生じる。
性軌道の場合は、同様に考えられる。しかし、分子と表
面の両方とも結合性軌道である場合や、両方とも反結合
性軌道である場合の界面分子軌道では、表面と分子の間
で電子移動が起こり、引力的相互作用が生じる。
【００５５】電荷移動錯体や高分子の場合は単結晶や分
子集合体であるので、バンド描像が有効であり、電極の
役割は物理的接触に過ぎない。バルクの有機分子集合体
と金属電極との接触では、電荷移動が生じ、分子準位の
シフトが起こったとしても、界面だけの現象に過ぎず、
伝導特性はバルクとしての物性が支配的である。
子集合体であるので、バンド描像が有効であり、電極の
役割は物理的接触に過ぎない。バルクの有機分子集合体
と金属電極との接触では、電荷移動が生じ、分子準位の
シフトが起こったとしても、界面だけの現象に過ぎず、
伝導特性はバルクとしての物性が支配的である。
【００５６】ところが、図９に示すように、電極／単一
分子／電極系のようなナノスケールの系では、離散的な
分子軌道を利用するので、電極のフェルミ準位と個々の
軌道の接続が極めて重要である。特に、電荷移動が分子
全体の静電ポテンシャルに影響を及ぼすので、真空準位
のシフトを考慮した分子設計・界面設計が必要となる。
分子／電極系のようなナノスケールの系では、離散的な
分子軌道を利用するので、電極のフェルミ準位と個々の
軌道の接続が極めて重要である。特に、電荷移動が分子
全体の静電ポテンシャルに影響を及ぼすので、真空準位
のシフトを考慮した分子設計・界面設計が必要となる。
【００５７】このような界面での電荷移動は、電極から
分子系への電子やホールのドーピングと見なすことがで
きる。分子の準位がシフトして電極のフェルミ準位に近
づけば、ＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが小さくなくと
も、電気伝導性が発現すると期待できる。もちろん分子
系へのドーピングは従来の分子集合体においても行われ
てきた。しかし、分子スケールエレクトロニクスでは、
電極も分子系の一部と考え、電極の効果を不可避的に取
り込んだ電子状態を考慮しなければならないのが、従来
の分子性導体と最も大きく異なる点である。
分子系への電子やホールのドーピングと見なすことがで
きる。分子の準位がシフトして電極のフェルミ準位に近
づけば、ＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが小さくなくと
も、電気伝導性が発現すると期待できる。もちろん分子
系へのドーピングは従来の分子集合体においても行われ
てきた。しかし、分子スケールエレクトロニクスでは、
電極も分子系の一部と考え、電極の効果を不可避的に取
り込んだ電子状態を考慮しなければならないのが、従来
の分子性導体と最も大きく異なる点である。
【００５８】最近では電子やホールを平均場中での粒子
と見なした古典的な議論では不十分であることが分かっ
てきた。表面電子軌道や外部電場の影響により、分子／
電極界面の電子状態は、単なるシフトにとどまらず、図
１０に示す研究例のように状態密度分布の形そのものの
変化を考慮しなければならないことが明らかになりつつ
ある（参考文献〔４〕）。
と見なした古典的な議論では不十分であることが分かっ
てきた。表面電子軌道や外部電場の影響により、分子／
電極界面の電子状態は、単なるシフトにとどまらず、図
１０に示す研究例のように状態密度分布の形そのものの
変化を考慮しなければならないことが明らかになりつつ
ある（参考文献〔４〕）。
【００５９】さらに、複数の分子が直列または並列につ
ながった、分子ナノスケール回路網では、通常の抵抗を
直列、並列にしたときと、全く異なる結果となることが
理論的に予測されている（参考文献〔５〕）。例えば、
普通の抵抗では、直列抵抗は個々の抵抗の和であるが、
ナノスケール分子系では波動関数の減衰が指数関数的で
あるため、積になる。また、並列接続の場合は、波の重
ね合わせの効果が現れてくる。さらに、環状の経路があ
る場合には、環電流が流れることも指摘されている（参
考文献〔６〕）。
ながった、分子ナノスケール回路網では、通常の抵抗を
直列、並列にしたときと、全く異なる結果となることが
理論的に予測されている（参考文献〔５〕）。例えば、
普通の抵抗では、直列抵抗は個々の抵抗の和であるが、
ナノスケール分子系では波動関数の減衰が指数関数的で
あるため、積になる。また、並列接続の場合は、波の重
ね合わせの効果が現れてくる。さらに、環状の経路があ
る場合には、環電流が流れることも指摘されている（参
考文献〔６〕）。
【００６０】以上のように、単一分子の電気伝導度測定
は電極と分子の接続状態を直接取り込んだ量子輸送問題
を観測するものであると言える。
は電極と分子の接続状態を直接取り込んだ量子輸送問題
を観測するものであると言える。
【００６１】１−２．単一分子電気伝導度の表現
一次元電子系の電気伝導率の議論には、ランダウアーの
理論がよく使われる（参考文献〔７〕）。これによれ
ば、相互作用しない一次元電子系のコンダクタンスは、
電子散乱がなければ、２ｅ2 ／ｈ（ｅは電子の電荷、ｈ
はプランク定数）である。この値は量子コンダクタンス
と呼ばれ、系に依存しない普遍的値である。分子を通し
たコンダクタンスＧは、透過係数Ｔ（Ｅf ）を掛け合わ
せて、 Ｇ＝（２ｅ2 ／ｈ）Ｔ（Ｅf ） …（１） で表現できる。ここで、Ｔ（Ｅf ）は電極／分子界面を
含んだ全体の透過係数である。一方、分子単体の電気伝
導性を評価するには、減衰項係数βを用いて、コンダク
タンスの表式として、
理論がよく使われる（参考文献〔７〕）。これによれ
ば、相互作用しない一次元電子系のコンダクタンスは、
電子散乱がなければ、２ｅ2 ／ｈ（ｅは電子の電荷、ｈ
はプランク定数）である。この値は量子コンダクタンス
と呼ばれ、系に依存しない普遍的値である。分子を通し
たコンダクタンスＧは、透過係数Ｔ（Ｅf ）を掛け合わ
せて、 Ｇ＝（２ｅ2 ／ｈ）Ｔ（Ｅf ） …（１） で表現できる。ここで、Ｔ（Ｅf ）は電極／分子界面を
含んだ全体の透過係数である。一方、分子単体の電気伝
導性を評価するには、減衰項係数βを用いて、コンダク
タンスの表式として、
【００６２】が用いられる。ここで、Ｇ0 は距離ゼロに
おけるコンダクタンスである。この中には、電極と分子
の接触抵抗も含まれているので、普遍量である量子コン
ダクタンスに対応するものではない。このＧ0 は上記
（１）式の透過係数Ｔ（Ｅf ）の中の様々な係数と量子
コンダクタンスをまとめてくくりだした項と考えればよ
い。
おけるコンダクタンスである。この中には、電極と分子
の接触抵抗も含まれているので、普遍量である量子コン
ダクタンスに対応するものではない。このＧ0 は上記
（１）式の透過係数Ｔ（Ｅf ）の中の様々な係数と量子
コンダクタンスをまとめてくくりだした項と考えればよ
い。
【００６３】上記（２）式はランダウアーの理論を用い
ない場合も、現象論的議論をする際によく用いられる。
この式は、β値が小さいほど電子は長距離のトンネリン
グが可能であることを示している。様々なπ電子系をも
つ一次元分子に関して、β値を求める計算が精力的に行
われている（参考文献〔８〕）。例えば、最も小さなβ
値を与えるポリエンの場合、β＝０．１８７Å-1であ
る。真空中の値β＝２．２Å-1と比べると、π電子系で
は著しく遠距離の電子トンネリングが可能であることが
分かる。さらに理論的な下限値はβ＝０．０２と、はる
かに小さいことが報告されている（参考文献
ない場合も、現象論的議論をする際によく用いられる。
この式は、β値が小さいほど電子は長距離のトンネリン
グが可能であることを示している。様々なπ電子系をも
つ一次元分子に関して、β値を求める計算が精力的に行
われている（参考文献〔８〕）。例えば、最も小さなβ
値を与えるポリエンの場合、β＝０．１８７Å-1であ
る。真空中の値β＝２．２Å-1と比べると、π電子系で
は著しく遠距離の電子トンネリングが可能であることが
分かる。さらに理論的な下限値はβ＝０．０２と、はる
かに小さいことが報告されている（参考文献
〔９〕）の
で、小さなβ値をもつ実在分子系を設計・探索して行く
ことが重要である。
で、小さなβ値をもつ実在分子系を設計・探索して行く
ことが重要である。
【００６４】一方、上記のような弾性的伝導以外にも、
ポーラロンやソリトンによる伝導、あるいはホッピング
伝導も考慮する必要がある。実際の系では、複数の伝導
機構が働いている場合もあるので、伝導度の温度依存性
を注意深く検討して、伝導機構に関する議論を行う必要
がある。
ポーラロンやソリトンによる伝導、あるいはホッピング
伝導も考慮する必要がある。実際の系では、複数の伝導
機構が働いている場合もあるので、伝導度の温度依存性
を注意深く検討して、伝導機構に関する議論を行う必要
がある。
【００６５】（Ｂ）巨大有機分子が持つ電子機能につい
て ２．有機分子の構造と機能 ２−１．分子ワイヤー （ａ）直鎖アルカン分子 金属電極に挟まれた直鎖アルカン分子の電気伝導度を調
べた最初の研究は、１９７１年に行われている。脂肪酸
ＣＨ3 （ＣＨ2 ）n-2 ＣＯＯＨのＣｄ塩を用いて、ラン
グミュアーブロジェット法によりアルキル鎖が立った形
のサンドイッチ型接合をつくり、トンネル電流の解析を
行った（参考文献〔１０〕）。ここでは、電極間のアル
カン分子は単純な絶縁体として扱われており、電極間の
電子トンネリング過程には、誘電分極の影響のみが議論
されている。
て ２．有機分子の構造と機能 ２−１．分子ワイヤー （ａ）直鎖アルカン分子 金属電極に挟まれた直鎖アルカン分子の電気伝導度を調
べた最初の研究は、１９７１年に行われている。脂肪酸
ＣＨ3 （ＣＨ2 ）n-2 ＣＯＯＨのＣｄ塩を用いて、ラン
グミュアーブロジェット法によりアルキル鎖が立った形
のサンドイッチ型接合をつくり、トンネル電流の解析を
行った（参考文献〔１０〕）。ここでは、電極間のアル
カン分子は単純な絶縁体として扱われており、電極間の
電子トンネリング過程には、誘電分極の影響のみが議論
されている。
【００６６】実験データの解析には、電極を種々の仕事
関数を持つ金属に変えたときの、トンネル電流の比のみ
が議論されている。全体として、実験結果は絶縁体を挟
んだトンネル現象の理論とよく合うとされた。トンネル
電流の絶対値に関しては接合の不完全さが残るため、議
論の対象とされていない。
関数を持つ金属に変えたときの、トンネル電流の比のみ
が議論されている。全体として、実験結果は絶縁体を挟
んだトンネル現象の理論とよく合うとされた。トンネル
電流の絶対値に関しては接合の不完全さが残るため、議
論の対象とされていない。
【００６７】また、電流−電圧特性における非線形性も
不純物効果として片付けられている。この非線形成分の
中に分子を介した電気伝導が現れていると考えられる
が、ここでは、有機分子は絶縁体であるとの固定観念か
ら見過ごされてしまったと思われる。
不純物効果として片付けられている。この非線形成分の
中に分子を介した電気伝導が現れていると考えられる
が、ここでは、有機分子は絶縁体であるとの固定観念か
ら見過ごされてしまったと思われる。
【００６８】アルカン分子中の電子移動は、光化学の分
野の研究から意識されるようになった。光電子移動にお
いて、光励起された電子はドナー分子からアクセプター
分子へ移動する。このとき、２０Å程度から５０Åの距
離を電子がいともたやすく移動することから、真空トン
ネル以外の機構を考える必要が生じた。
野の研究から意識されるようになった。光電子移動にお
いて、光励起された電子はドナー分子からアクセプター
分子へ移動する。このとき、２０Å程度から５０Åの距
離を電子がいともたやすく移動することから、真空トン
ネル以外の機構を考える必要が生じた。
【００６９】このような電子移動を研究するために、ド
ナーとアクセプターを有し、これらが分子架橋で結ばれ
た分子の速度論的研究が盛んに行われた。例えば、チオ
ール基とフェロセンを末端に持つ直鎖アルカン分子の自
己組織化膜に関する最近の研究では、高速サイクリック
ボルタメトリーを用いて酸化還元の速度論から長距離の
電子的結合が見積もられた。分子鎖に沿った指数関数的
減衰項の大きさβ値はβ＝０．８５Å-1（１．１ ｐｅ
ｒ ｍｅｔｈｙｌｅｎｅ ｕｎｉｔ）と求められた（参
考文献〔１１〕）。このβ値が小さいほど長距離の電子
トンネリングが可能である。真空中では、β＝２．２Å
-1である。
ナーとアクセプターを有し、これらが分子架橋で結ばれ
た分子の速度論的研究が盛んに行われた。例えば、チオ
ール基とフェロセンを末端に持つ直鎖アルカン分子の自
己組織化膜に関する最近の研究では、高速サイクリック
ボルタメトリーを用いて酸化還元の速度論から長距離の
電子的結合が見積もられた。分子鎖に沿った指数関数的
減衰項の大きさβ値はβ＝０．８５Å-1（１．１ ｐｅ
ｒ ｍｅｔｈｙｌｅｎｅ ｕｎｉｔ）と求められた（参
考文献〔１１〕）。このβ値が小さいほど長距離の電子
トンネリングが可能である。真空中では、β＝２．２Å
-1である。
【００７０】最近では走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）を
用いた測定も盛んに行われている。ＳＴＭを用いれば、
単一分子の電気伝導度を計測できる。詳細は後述の測定
法に譲るが、直鎖アルカンチオールＣＨ3 （ＣＨ2 ）12
ＳＨについてβ＝１．２Å-1（１．５ ｐｅｒ ｍｅｔ
ｈｙｌｅｎｅ ｕｎｉｔ）の値が報告されている（参考
文献〔１２〕）。
用いた測定も盛んに行われている。ＳＴＭを用いれば、
単一分子の電気伝導度を計測できる。詳細は後述の測定
法に譲るが、直鎖アルカンチオールＣＨ3 （ＣＨ2 ）12
ＳＨについてβ＝１．２Å-1（１．５ ｐｅｒ ｍｅｔ
ｈｙｌｅｎｅ ｕｎｉｔ）の値が報告されている（参考
文献〔１２〕）。
【００７１】また、原子間力顕微鏡の探針に金属を蒸着
して点接触法による測定も行われた（参考文献〔２
９〕）。ＳＴＭ測定と同じアルカンチオールの系につい
て、β＝１．１５Å-1（１．４５ ｐｅｒ ｍｅｔｈｙ
ｌｅｎｅ ｕｎｉｔ）の値が得られ、良い一致を示して
いる。
して点接触法による測定も行われた（参考文献〔２
９〕）。ＳＴＭ測定と同じアルカンチオールの系につい
て、β＝１．１５Å-1（１．４５ ｐｅｒ ｍｅｔｈｙ
ｌｅｎｅ ｕｎｉｔ）の値が得られ、良い一致を示して
いる。
【００７２】以上の報告では、いずれの場合も、メチレ
ン鎖の数が増えるに従い、電子移動速度は指数関数的に
小さくなっていくことが示されている。従って、アルカ
ン鎖を介した電気伝導はトンネルメカニズムと考えられ
る。アルカン鎖の存在により、減衰項の係数βは真空の
場合（β＝２．２Å-1）に比べて著しく小さくなるの
で、長距離の電子移動が実現すると考えられる。
ン鎖の数が増えるに従い、電子移動速度は指数関数的に
小さくなっていくことが示されている。従って、アルカ
ン鎖を介した電気伝導はトンネルメカニズムと考えられ
る。アルカン鎖の存在により、減衰項の係数βは真空の
場合（β＝２．２Å-1）に比べて著しく小さくなるの
で、長距離の電子移動が実現すると考えられる。
【００７３】（ｂ）π電子系鎖状分子
分子ワイヤーとして、パイ電子系を持つ分子を用いれ
ば、電子移動を効率的に行うことができる。光化学的方
法により、不飽和フェニレン、ポリエン、ポリインの測
定が行われ、β＝０．２−０．６Å-1の値が報告されて
いる。この値は飽和アルカン分子と比べてかなり小さ
い。
ば、電子移動を効率的に行うことができる。光化学的方
法により、不飽和フェニレン、ポリエン、ポリインの測
定が行われ、β＝０．２−０．６Å-1の値が報告されて
いる。この値は飽和アルカン分子と比べてかなり小さ
い。
【００７４】チオフェンポリマーは導電性物質として古
くから知られている。微細構造電極の間に成長させたチ
オフェン６量体の単層膜の電気伝導度が測定された（参
考文献〔１３〕）。チオフェンのバンド構造は半導体で
あるので、このように薄い二次元膜ではバンドギャップ
が大きくなり、絶縁体化が予想される。しかし、実験で
は、単分子層レベルの厚さしかなくても、十分に電流を
導くことが示された。
くから知られている。微細構造電極の間に成長させたチ
オフェン６量体の単層膜の電気伝導度が測定された（参
考文献〔１３〕）。チオフェンのバンド構造は半導体で
あるので、このように薄い二次元膜ではバンドギャップ
が大きくなり、絶縁体化が予想される。しかし、実験で
は、単分子層レベルの厚さしかなくても、十分に電流を
導くことが示された。
【００７５】また、ブレークジャンクションを用いた分
子数個の測定においても、分子軌道がないはずのゼロバ
イアスでコンダクタンスが存在するとの報告がある（参
考文献〔１４〕）。
子数個の測定においても、分子軌道がないはずのゼロバ
イアスでコンダクタンスが存在するとの報告がある（参
考文献〔１４〕）。
【００７６】これらの結果は、分子軌道が直接かかわる
電気伝導では理解できない。ナノスケールの領域では電
子トンネリングが基本であり、そこに金属電極との混成
により広がりをもった分子軌道が関わって減衰係数が著
しく小さくなり、分子に沿った電気伝導度が現れると考
えるのが妥当である。このような考えに立てば、アルカ
ン分子に比べてＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが小さく、
軌道が分子全体に広がりを持つパイ電子系ではトンネリ
ングの減衰項が小さくなり、電子移動に有利であるのが
理解できる。
電気伝導では理解できない。ナノスケールの領域では電
子トンネリングが基本であり、そこに金属電極との混成
により広がりをもった分子軌道が関わって減衰係数が著
しく小さくなり、分子に沿った電気伝導度が現れると考
えるのが妥当である。このような考えに立てば、アルカ
ン分子に比べてＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが小さく、
軌道が分子全体に広がりを持つパイ電子系ではトンネリ
ングの減衰項が小さくなり、電子移動に有利であるのが
理解できる。
【００７７】このような理由から、分子ワイヤーとして
一次元的パイ電子構造を持つ様々な分子が合成されてき
た。図１１にそれらの例を示した。これらの多くは合成
されただけで物性測定は行われていない（参考文献〔１
５〕）。しかし類似の構造をもつ短い分子のいくつかに
ついて、ＳＴＭにより単一分子観察が行われている。自
己組織化膜のマトリックス中で４−（２’−ｅｔｈｙｌ
−４’−（ｐｈｅｎｙｌｅｔｈｙｌ）ｐｈｅｎｙｌｅｔ
ｈｙｎｙｌ）−１−ｐｈｅｎｙｌｔｈｉｏｌａｔｅ分子
は、基板に直立の形で吸着している（図１２）。
一次元的パイ電子構造を持つ様々な分子が合成されてき
た。図１１にそれらの例を示した。これらの多くは合成
されただけで物性測定は行われていない（参考文献〔１
５〕）。しかし類似の構造をもつ短い分子のいくつかに
ついて、ＳＴＭにより単一分子観察が行われている。自
己組織化膜のマトリックス中で４−（２’−ｅｔｈｙｌ
−４’−（ｐｈｅｎｙｌｅｔｈｙｌ）ｐｈｅｎｙｌｅｔ
ｈｙｎｙｌ）−１−ｐｈｅｎｙｌｔｈｉｏｌａｔｅ分子
は、基板に直立の形で吸着している（図１２）。
【００７８】この分子のＳＴＭ像は、まわりの自己組織
化マトリックスに比べて７Åも高く、分子の長さを反映
している。分子の先端からＳＴＭチップに電子のトンネ
リングが起こっているように見えるので、分子内の伝導
度は真空トンネルに比べると極めて高いと結論できる
（参考文献〔１６〕，〔１７〕）。
化マトリックスに比べて７Åも高く、分子の長さを反映
している。分子の先端からＳＴＭチップに電子のトンネ
リングが起こっているように見えるので、分子内の伝導
度は真空トンネルに比べると極めて高いと結論できる
（参考文献〔１６〕，〔１７〕）。
【００７９】（ｃ）電子状態のチューニングと構造最適
化 パイ電子系の持つ重要な特徴は、エネルギー準位のチュ
ーニングが可能なことである。分子軌道のレベルが電極
またはドナー分子と一致すれば共鳴現象が起こり、電子
移動速度は非常に大きくなると考えられる。実際、ドナ
ー分子がテトラセン（ＴＥＴ）、アクセプター分子がｐ
ｙｒｏｍｅｌｌｉｔｉｍｉｄｅ（ＰＩ）で、分子ワイヤ
ーにｐ−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅｖｉｎｙｌｅｎｅ（ＰＰ
Ｖ）の３量体を用いた系で、β＝０．０４Å-1の極めて
小さな値が報告されている（参考文献〔１８〕）。
化 パイ電子系の持つ重要な特徴は、エネルギー準位のチュ
ーニングが可能なことである。分子軌道のレベルが電極
またはドナー分子と一致すれば共鳴現象が起こり、電子
移動速度は非常に大きくなると考えられる。実際、ドナ
ー分子がテトラセン（ＴＥＴ）、アクセプター分子がｐ
ｙｒｏｍｅｌｌｉｔｉｍｉｄｅ（ＰＩ）で、分子ワイヤ
ーにｐ−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅｖｉｎｙｌｅｎｅ（ＰＰ
Ｖ）の３量体を用いた系で、β＝０．０４Å-1の極めて
小さな値が報告されている（参考文献〔１８〕）。
【００８０】この分子ワイヤーＰＰＶは単量体から５量
体まで系統的に合成され（図１３）、β値が測定され
た。単量体・２量体と３量体以上では、β値に大きな違
いがあるが、これは３量体以上ではＨＯＭＯやＬＵＭＯ
の値がＴＥＴに近づいてくるためと結論されている。
体まで系統的に合成され（図１３）、β値が測定され
た。単量体・２量体と３量体以上では、β値に大きな違
いがあるが、これは３量体以上ではＨＯＭＯやＬＵＭＯ
の値がＴＥＴに近づいてくるためと結論されている。
【００８１】上述の例はドナー分子とワイヤー分子の間
での電子状態のチューニングである。これに対して、分
子スケールエレクトロニクスで重要な金属電極に接続さ
れた分子ワイヤーの電子移動を有利にするには、ＨＯＭ
Ｏ−ＬＵＭＯギャップを小さくして、フェルミ準位にＨ
ＯＭＯやＬＵＭＯを近づける必要がある。オリゴチオフ
ェン分子の骨格に種々の置換基を導入して、ＨＯＭＯ−
ＬＵＭＯギャップを小さくする試みが行われてきた（参
考文献〔１９〕）（図１４）。しかし、一次元的なパイ
系では、ＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップを１ｅＶ以下の安
定な分子を合成するのは難しい。
での電子状態のチューニングである。これに対して、分
子スケールエレクトロニクスで重要な金属電極に接続さ
れた分子ワイヤーの電子移動を有利にするには、ＨＯＭ
Ｏ−ＬＵＭＯギャップを小さくして、フェルミ準位にＨ
ＯＭＯやＬＵＭＯを近づける必要がある。オリゴチオフ
ェン分子の骨格に種々の置換基を導入して、ＨＯＭＯ−
ＬＵＭＯギャップを小さくする試みが行われてきた（参
考文献〔１９〕）（図１４）。しかし、一次元的なパイ
系では、ＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップを１ｅＶ以下の安
定な分子を合成するのは難しい。
【００８２】そこで、もともとＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャ
ップが２ｅＶと小さなポルフィリンやフタロシアニンを
骨格として、パイ電子系を伸ばしていけば、ＨＯＭＯ−
ＬＵＭＯギャップを著しく小さくすることができる。２
つ以上のポルフィリン鎖が縮合環で結合した分子の合成
が行われている（参考文献〔２０〕）（図１５）。しか
し、この分子ではポルフィリン環の間での結合は弱く、
分子のサイズを大きくしてもＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャッ
プはあまり小さくならない。ポルフィリン環のパイ電子
系が二箇所以上でもう一つのポルフィリン環とつながっ
たラダー（はしご）型分子であれば、ＨＯＭＯ−ＬＵＭ
Ｏギャップの低下を期待できる。
ップが２ｅＶと小さなポルフィリンやフタロシアニンを
骨格として、パイ電子系を伸ばしていけば、ＨＯＭＯ−
ＬＵＭＯギャップを著しく小さくすることができる。２
つ以上のポルフィリン鎖が縮合環で結合した分子の合成
が行われている（参考文献〔２０〕）（図１５）。しか
し、この分子ではポルフィリン環の間での結合は弱く、
分子のサイズを大きくしてもＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャッ
プはあまり小さくならない。ポルフィリン環のパイ電子
系が二箇所以上でもう一つのポルフィリン環とつながっ
たラダー（はしご）型分子であれば、ＨＯＭＯ−ＬＵＭ
Ｏギャップの低下を期待できる。
【００８３】最近、ポルフィリン環が直接結合した縮合
環分子の合成が達成された（参考文献〔２１〕，〔２
２〕）。その後、パイ電子系がさらに完全な形で結合し
た完全縮合ポルフィリン分子の合成も報告されている
（図１６）。現在では、この完全縮合ポルフィリンは１
２量体まで伸び、赤外吸収からＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャ
ップは０．３ｅＶ以下であることが分かっている（参考
文献〔２３〕）。
環分子の合成が達成された（参考文献〔２１〕，〔２
２〕）。その後、パイ電子系がさらに完全な形で結合し
た完全縮合ポルフィリン分子の合成も報告されている
（図１６）。現在では、この完全縮合ポルフィリンは１
２量体まで伸び、赤外吸収からＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャ
ップは０．３ｅＶ以下であることが分かっている（参考
文献〔２３〕）。
【００８４】また、この分子は高いドナー性を有し、金
属表面上では表面に電子を放出してカチオン化している
ことが、ＳＴＭを用いたトンネル障壁像の測定（後述）
から明らかになった。この電子放出に伴い、ＨＯＭＯが
金属表面のフェルミ準位に近づいているので、この分子
は界面を含めて金属的な伝導を示す可能性がある。
属表面上では表面に電子を放出してカチオン化している
ことが、ＳＴＭを用いたトンネル障壁像の測定（後述）
から明らかになった。この電子放出に伴い、ＨＯＭＯが
金属表面のフェルミ準位に近づいているので、この分子
は界面を含めて金属的な伝導を示す可能性がある。
【００８５】一方、エネルギーのチューニングとは全く
異なる考え方で、分子ワイヤーを目指した合成も行われ
ている。ポルフィリン環とポルフィリン環がメソ位で結
合したポルフィリンアレイである（参考文献〔２４〕）
（図１７）。このアレイにはエネルギー準位が同じポル
フィリン環が電子的には独立に規則正しく直線状に並ん
でいるので、ホッピング伝導が期待できる。
異なる考え方で、分子ワイヤーを目指した合成も行われ
ている。ポルフィリン環とポルフィリン環がメソ位で結
合したポルフィリンアレイである（参考文献〔２４〕）
（図１７）。このアレイにはエネルギー準位が同じポル
フィリン環が電子的には独立に規則正しく直線状に並ん
でいるので、ホッピング伝導が期待できる。
【００８６】しかし、この分子設計は溶液中では妥当で
あるが、表面吸着状態では問題がある。吸着エネルギー
により、分子鎖が変形してしまうことが分かった。ま
た、もっと長い４８量体でも、決して直線的にはなら
ず、曲がった形で吸着することが分かっている（後
述）。この結果は、分子ワイヤーの設計において、表面
吸着エネルギーの効果も考慮しておく必要があることを
示している。
あるが、表面吸着状態では問題がある。吸着エネルギー
により、分子鎖が変形してしまうことが分かった。ま
た、もっと長い４８量体でも、決して直線的にはなら
ず、曲がった形で吸着することが分かっている（後
述）。この結果は、分子ワイヤーの設計において、表面
吸着エネルギーの効果も考慮しておく必要があることを
示している。
【００８７】（ｄ）巨大分子（極めて長い分子、極めて
面積の広い分子、分岐を持つ分子） 現在の一般的な微細加工技術で、比較的簡単に作製でき
る電極のサイズは５０ｎｍ程度である。従って、このサ
イズを持つ一次元分子の合成は分子ワイヤーとして重要
である。ポリマーを用いればこの長さは容易に達成でき
るが、ポリマーの長さは一定ではなく、幅広い分散を持
つ。従って、精密合成によりきちんと長さが決まった極
めて長いオリゴマー（多量体）分子は、分子スケールエ
レクトロニクスにとって非常に重要である。
面積の広い分子、分岐を持つ分子） 現在の一般的な微細加工技術で、比較的簡単に作製でき
る電極のサイズは５０ｎｍ程度である。従って、このサ
イズを持つ一次元分子の合成は分子ワイヤーとして重要
である。ポリマーを用いればこの長さは容易に達成でき
るが、ポリマーの長さは一定ではなく、幅広い分散を持
つ。従って、精密合成によりきちんと長さが決まった極
めて長いオリゴマー（多量体）分子は、分子スケールエ
レクトロニクスにとって非常に重要である。
【００８８】現在、オリゴチオフェンの４８量体（１
８．６ｎｍ）（参考文献〔２５〕）、メソーメソ結合ポ
ルフィリンアレイの５１２量体（参考文献〔２４〕）が
報告されている。また、面積の大きい分子として、ポル
フィリン２１量体が報告されている（参考文献〔２
６〕）（図１８）。これらの分子はワイヤーや量子ドッ
トとして機能する可能性があり、分子スケールエレクト
ロニクスの研究にとって重要である。
８．６ｎｍ）（参考文献〔２５〕）、メソーメソ結合ポ
ルフィリンアレイの５１２量体（参考文献〔２４〕）が
報告されている。また、面積の大きい分子として、ポル
フィリン２１量体が報告されている（参考文献〔２
６〕）（図１８）。これらの分子はワイヤーや量子ドッ
トとして機能する可能性があり、分子スケールエレクト
ロニクスの研究にとって重要である。
【００８９】さらに、将来のネットワーク構造やデバイ
ス間の結合に利用することを想定して、分岐を持つ分子
の合成も行われている（参考文献〔２７〕）（図１
９）。しかし、これらの分子はいずれも合成されたのみ
で、実際の電気伝導性の測定はまだ行われていない。
ス間の結合に利用することを想定して、分岐を持つ分子
の合成も行われている（参考文献〔２７〕）（図１
９）。しかし、これらの分子はいずれも合成されたのみ
で、実際の電気伝導性の測定はまだ行われていない。
【００９０】２−２．分子スイッチ
分子スイッチには酸化・還元、コンホメーション変化、
分子軌道干渉効果など様々な動作機構が提案されてい
る。トンネル伝導を基本とする分子ワイヤーに比べて、
多様な化学過程が関与するメカニズムが提案されてお
り、化学の側面から非常に興味深い。また、分子スイッ
チには負性抵抗やヒステリシス効果を示すものも多いの
で、メモリー、高周波ミキサー、発振器、ロジック回路
など、様々な応用が可能である。
分子軌道干渉効果など様々な動作機構が提案されてい
る。トンネル伝導を基本とする分子ワイヤーに比べて、
多様な化学過程が関与するメカニズムが提案されてお
り、化学の側面から非常に興味深い。また、分子スイッ
チには負性抵抗やヒステリシス効果を示すものも多いの
で、メモリー、高周波ミキサー、発振器、ロジック回路
など、様々な応用が可能である。
【００９１】ニトロアミン単一分子膜の酸化・還元を利
用したサンドイッチ構造のデバイスでは、１０００：１
のオン／オフ比と負性抵抗が実現している（参考文献
〔２８〕）。このデバイスでは、一電子還元で、ニトロ
アミンがラジカルアニオンになることで電気伝導性が発
現する。
用したサンドイッチ構造のデバイスでは、１０００：１
のオン／オフ比と負性抵抗が実現している（参考文献
〔２８〕）。このデバイスでは、一電子還元で、ニトロ
アミンがラジカルアニオンになることで電気伝導性が発
現する。
【００９２】一方、走査トンネル顕微鏡探針を用いて、
単一分子のコンホメーションを直接制御すれば、分子を
通したトンネルコンダクタンスが変化することが報告さ
れている（参考文献〔２９〕）。この研究から、電界、
酸化・還元、光励起などの外部刺激を利用して分子のコ
ンホメーションを変えれば、スイッチとして利用できる
ことが分かる。
単一分子のコンホメーションを直接制御すれば、分子を
通したトンネルコンダクタンスが変化することが報告さ
れている（参考文献〔２９〕）。この研究から、電界、
酸化・還元、光励起などの外部刺激を利用して分子のコ
ンホメーションを変えれば、スイッチとして利用できる
ことが分かる。
【００９３】また、可動部分を持つ超分子であるロータ
キサンに電子を出し入れすることによるスイッチ動作も
実現している（参考文献〔３０〕）。（図２０）。この
デバイスの動作機構は明らかではないが、おそらく酸化
・還元による可動部分のコンフィギュレーション変化が
スイッチ動作に寄与していると考えられる。このデバイ
スでは、実際に論理回路を構成し、ＯＲゲートを動作さ
せるデモンストレーションも行われている。
キサンに電子を出し入れすることによるスイッチ動作も
実現している（参考文献〔３０〕）。（図２０）。この
デバイスの動作機構は明らかではないが、おそらく酸化
・還元による可動部分のコンフィギュレーション変化が
スイッチ動作に寄与していると考えられる。このデバイ
スでは、実際に論理回路を構成し、ＯＲゲートを動作さ
せるデモンストレーションも行われている。
【００９４】酸化・還元と超分子の動きを組み合わせた
スイッチ動作には、多くの可能性があり、分子シャトル
（参考文献〔３１〕）（図２１）やシクロデキストリン
ネックレス（参考文献〔３２〕）（図２２）などの研究
が行われている。さらに、単一分子内の分子軌道の干渉
効果を利用したスイッチ分子も提案され、実際に合成さ
れているが、機能の測定には至っていない（参考文献
〔３３〕）。
スイッチ動作には、多くの可能性があり、分子シャトル
（参考文献〔３１〕）（図２１）やシクロデキストリン
ネックレス（参考文献〔３２〕）（図２２）などの研究
が行われている。さらに、単一分子内の分子軌道の干渉
効果を利用したスイッチ分子も提案され、実際に合成さ
れているが、機能の測定には至っていない（参考文献
〔３３〕）。
【００９５】２−３．ＤＮＡ
（ａ）電気伝導性
ＤＮＡ上で速い電子移動が起こるかどうか、議論が分か
れている。はじめ、ＤＮＡを通した電子移動は光化学の
分野で議論が始まった。最近では、電子移動速度はＤＮ
Ａの塩基配列により大きく異なり、β＝０．１４−１．
０Å-1の値が報告されている（参考文献〔３４〕）。ま
た、ＧＧＧの三つの連続したグアニン塩基の配列が重要
であるとの考えも提出され、ここではβ＝０．７Å-1の
値が報告されている（参考文献〔３５〕）。
れている。はじめ、ＤＮＡを通した電子移動は光化学の
分野で議論が始まった。最近では、電子移動速度はＤＮ
Ａの塩基配列により大きく異なり、β＝０．１４−１．
０Å-1の値が報告されている（参考文献〔３４〕）。ま
た、ＧＧＧの三つの連続したグアニン塩基の配列が重要
であるとの考えも提出され、ここではβ＝０．７Å-1の
値が報告されている（参考文献〔３５〕）。
【００９６】一方、このような速い電子移動は全く信じ
られないとの立場もあり、そのような報告ではβ＝１．
６Å-1とされている（参考文献〔３６〕）。このような
議論の概略に関しては、解説記事として、（参考文献
〔３７〕）に詳しい。
られないとの立場もあり、そのような報告ではβ＝１．
６Å-1とされている（参考文献〔３６〕）。このような
議論の概略に関しては、解説記事として、（参考文献
〔３７〕）に詳しい。
【００９７】一方、ＤＮＡの電気伝導度を求めようとす
る研究も盛んに行われている。微細加工電極やピエゾド
ライブのチップを使う方法など、様々な試みが行われて
いるが、完全に絶縁体であるという結果（参考文献〔３
８〕）から半導体（参考文献〔３９〕）、金属（参考文
献〔４０〕）など抵抗率の測定結果は１０10のオーダー
のばらつきがある（図２３）。最近では、近接効果によ
りＤＮＡが超伝導化するという報告も現れた（参考文献
〔４１〕）。
る研究も盛んに行われている。微細加工電極やピエゾド
ライブのチップを使う方法など、様々な試みが行われて
いるが、完全に絶縁体であるという結果（参考文献〔３
８〕）から半導体（参考文献〔３９〕）、金属（参考文
献〔４０〕）など抵抗率の測定結果は１０10のオーダー
のばらつきがある（図２３）。最近では、近接効果によ
りＤＮＡが超伝導化するという報告も現れた（参考文献
〔４１〕）。
【００９８】さらに、キャビティ中におけるマイクロ波
吸収の実験から、ＤＮＡの伝導はイオン伝導であるとい
う報告（参考文献〔４２〕）、またＤＮＡ中の電荷のマ
イグレーションは構造が揺らぐことで起こるとする理論
（参考文献〔４３〕）も提出されている。
吸収の実験から、ＤＮＡの伝導はイオン伝導であるとい
う報告（参考文献〔４２〕）、またＤＮＡ中の電荷のマ
イグレーションは構造が揺らぐことで起こるとする理論
（参考文献〔４３〕）も提出されている。
【００９９】いずれにせよ現状では、ＤＮＡが分子ワイ
ヤーとして利用可能であるかどうか、決着はついていな
い。
ヤーとして利用可能であるかどうか、決着はついていな
い。
【０１００】（ｂ）ＤＮＡテンプレート
ＤＮＡの持つ自己組織化能力を活用してテンプレートと
して利用しようとする試みが盛んに行われている。ＤＮ
Ａの周りに電界をかけて、Ａｇのクラスターを析出させ
て、Ａｇのナノワイヤーを形成する試みが報告された
（参考文献〔４４〕）（図２４）。また、ＤＮＡの相補
的配列を利用して、ＤＮＡに接続したＡｕ微粒子を規則
配列させる試みも行われている（参考文献〔４５〕）。
このようにＤＮＡを使ったナノサイズのクラスター回
路、アレイなどを形成する方法論についてまとめた総説
がある（参考文献〔４６〕）。
して利用しようとする試みが盛んに行われている。ＤＮ
Ａの周りに電界をかけて、Ａｇのクラスターを析出させ
て、Ａｇのナノワイヤーを形成する試みが報告された
（参考文献〔４４〕）（図２４）。また、ＤＮＡの相補
的配列を利用して、ＤＮＡに接続したＡｕ微粒子を規則
配列させる試みも行われている（参考文献〔４５〕）。
このようにＤＮＡを使ったナノサイズのクラスター回
路、アレイなどを形成する方法論についてまとめた総説
がある（参考文献〔４６〕）。
【０１０１】（Ｃ）走査プローブ顕微鏡を用いた研究例
３．走査プローブ顕微鏡を用いた単一分子計測
走査プローブ顕微鏡の発明により、単一分子へのアクセ
スが初めて可能となった。この発明により、分子スケー
ルエレクトロニクスの提案が現実味を帯びるようになっ
たといってよい。この走査プローブ顕微鏡は極めて重要
であるので、測定原理から詳しく紹介することにする。
初めに走査トンネル顕微鏡の原理と応用例、および周辺
技術について述べる。
スが初めて可能となった。この発明により、分子スケー
ルエレクトロニクスの提案が現実味を帯びるようになっ
たといってよい。この走査プローブ顕微鏡は極めて重要
であるので、測定原理から詳しく紹介することにする。
初めに走査トンネル顕微鏡の原理と応用例、および周辺
技術について述べる。
【０１０２】また、最近開発された非接触原子間力顕微
鏡が分子スケールエレクトロニクス研究には非常に重要
であることを述べる。それぞれ後半では、走査プローブ
顕微鏡の様々な技術が分子スケールエレクトロニクス研
究にどのように生かされるかを示す目的で、本願発明者
の最近の研究を紹介する。
鏡が分子スケールエレクトロニクス研究には非常に重要
であることを述べる。それぞれ後半では、走査プローブ
顕微鏡の様々な技術が分子スケールエレクトロニクス研
究にどのように生かされるかを示す目的で、本願発明者
の最近の研究を紹介する。
【０１０３】３−１．走査トンネル顕微鏡の原理
走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）の原理は図２５に示すよ
うに、いたって簡単である。「探針」と呼ばれる導電性
を持つプローブと試料の間にバイアス電圧をかけて、探
針−試料表面間距離を１ｎｍ程度まで近づけると、トン
ネル電流が流れる。原子・分子の像を得るには、トンネ
ル電流を一定に保ちつつ、圧電素子を用いて探針を試料
表面に沿って走査する。このときトンネル電流を一定に
保つために圧電素子に加えた制御電圧を記録・画像化す
れば試料表面の原子や分子の像を得ることができる。こ
のトンネル電流は Ｉ∝Ｖρｅｘｐ（−√φｚ） …（３） ここで、Ｉ：トンネル電流、Ｖ：バイアス電圧、ρ：状
態密度、φ：トンネル障壁、ｚ：探針−試料表面間距離
で表される。この式（３）から、トンネル電流は探針−
試料表面間距離に対して非常に敏感で指数関数的に変化
することが分かる。例えば、探針−試料表面間距離が
０．１ｎｍ変化すると、トンネル電流は約１桁変わるの
で、極めて高い分解能で表面を走査することができる。
うに、いたって簡単である。「探針」と呼ばれる導電性
を持つプローブと試料の間にバイアス電圧をかけて、探
針−試料表面間距離を１ｎｍ程度まで近づけると、トン
ネル電流が流れる。原子・分子の像を得るには、トンネ
ル電流を一定に保ちつつ、圧電素子を用いて探針を試料
表面に沿って走査する。このときトンネル電流を一定に
保つために圧電素子に加えた制御電圧を記録・画像化す
れば試料表面の原子や分子の像を得ることができる。こ
のトンネル電流は Ｉ∝Ｖρｅｘｐ（−√φｚ） …（３） ここで、Ｉ：トンネル電流、Ｖ：バイアス電圧、ρ：状
態密度、φ：トンネル障壁、ｚ：探針−試料表面間距離
で表される。この式（３）から、トンネル電流は探針−
試料表面間距離に対して非常に敏感で指数関数的に変化
することが分かる。例えば、探針−試料表面間距離が
０．１ｎｍ変化すると、トンネル電流は約１桁変わるの
で、極めて高い分解能で表面を走査することができる。
【０１０４】ＳＴＭ測定で得られる画像には、表面の幾
何学的な構造の他に、電子状態密度や仕事関数、軌道の
対象性、表面と探針先端の原子・分子の動きなど、電子
のトンネル過程に影響を及ぼす様々な要素が反映され
る。電気伝導体ではない一般的な有機分子がＳＴＭによ
り観測できるのは、この電子トンネル過程に有機分子が
介在し、トンネル確率に影響を与えるからである。
何学的な構造の他に、電子状態密度や仕事関数、軌道の
対象性、表面と探針先端の原子・分子の動きなど、電子
のトンネル過程に影響を及ぼす様々な要素が反映され
る。電気伝導体ではない一般的な有機分子がＳＴＭによ
り観測できるのは、この電子トンネル過程に有機分子が
介在し、トンネル確率に影響を与えるからである。
【０１０５】３−２．走査トンネル顕微鏡による分子電
気伝導度測定 以上説明したＳＴＭの原理から、トンネル確率が小さい
マトリックス分子の間に、トンネル確率が大きい目的分
子があると、明瞭に画像化できると考えられる。この考
えに基づき、図２６に示すように、自己組織化膜のマト
リックス中に目的分子を直立させた試料について、ＳＴ
Ｍ観察が精力的に行われている。
気伝導度測定 以上説明したＳＴＭの原理から、トンネル確率が小さい
マトリックス分子の間に、トンネル確率が大きい目的分
子があると、明瞭に画像化できると考えられる。この考
えに基づき、図２６に示すように、自己組織化膜のマト
リックス中に目的分子を直立させた試料について、ＳＴ
Ｍ観察が精力的に行われている。
【０１０６】上記したように、ＳＴＭで観測されるトポ
グラフは単純に分子の高さを反映したものではなく、電
子状態も反映している。そこで、トンネル電流を様々に
変化させて、探針−試料表面間距離とトンネル電流の関
係を考慮すると、目的分子のコンダクタンスを求めるこ
とができる（参考文献〔４７〕）。しかし、ここに示し
た取り扱いの中には、仕事関数が一定であるという仮定
が含まれている。
グラフは単純に分子の高さを反映したものではなく、電
子状態も反映している。そこで、トンネル電流を様々に
変化させて、探針−試料表面間距離とトンネル電流の関
係を考慮すると、目的分子のコンダクタンスを求めるこ
とができる（参考文献〔４７〕）。しかし、ここに示し
た取り扱いの中には、仕事関数が一定であるという仮定
が含まれている。
【０１０７】現実の系では、表面と分子の間に電荷移動
が起こり、マトリックス分子と目的分子では仕事関数が
異なると考えられる。最近では、この効果も考慮した取
り扱いも試みられている（参考文献〔４８〕）。
が起こり、マトリックス分子と目的分子では仕事関数が
異なると考えられる。最近では、この効果も考慮した取
り扱いも試みられている（参考文献〔４８〕）。
【０１０８】分子を垂直に立てた場合は以上のような問
題が生じるが、分子軸に沿った分子内の分布を測れば問
題を避けることができる。分子の電気伝導部が絶縁体の
「足」で基板から浮き上がった構造をもつ特殊な分子を
用いて、分子内の波動関数の分布状態を画像化した研究
が成功している（参考文献〔４９〕）。この実験では、
ステップ端を利用して、分子への電極接続にも成功して
いる。図２７にこの測定の概念図を示した。ＳＴＭ像の
解析から、パイ電子共役系部分で指数関数的なコンダク
タンスの減少が観測され、理論計算の結果とも良い一致
を示した。
題が生じるが、分子軸に沿った分子内の分布を測れば問
題を避けることができる。分子の電気伝導部が絶縁体の
「足」で基板から浮き上がった構造をもつ特殊な分子を
用いて、分子内の波動関数の分布状態を画像化した研究
が成功している（参考文献〔４９〕）。この実験では、
ステップ端を利用して、分子への電極接続にも成功して
いる。図２７にこの測定の概念図を示した。ＳＴＭ像の
解析から、パイ電子共役系部分で指数関数的なコンダク
タンスの減少が観測され、理論計算の結果とも良い一致
を示した。
【０１０９】実験装置の工夫も行われている。直流から
２０ＧＨｚまで測定可能なＡＣＳＴＭも開発されている
（参考文献〔４７〕）。分子のコンダクタンスに非線形
成分があれば、２つの周波数を入れると、ミキサーとし
て働き、差周波数の信号が得られる。試料−探針系とは
別に、レファレンス用に差周波数信号を取り出してお
き、これをレファレンスとしてロックインアンプで検出
して画像化すれば、非線形成分を持った部分が明るく画
像化される。分子コンダクタンスの非線形性に基づいた
ミキサーは分子デバイスの大きな目標の一つである。
２０ＧＨｚまで測定可能なＡＣＳＴＭも開発されている
（参考文献〔４７〕）。分子のコンダクタンスに非線形
成分があれば、２つの周波数を入れると、ミキサーとし
て働き、差周波数の信号が得られる。試料−探針系とは
別に、レファレンス用に差周波数信号を取り出してお
き、これをレファレンスとしてロックインアンプで検出
して画像化すれば、非線形成分を持った部分が明るく画
像化される。分子コンダクタンスの非線形性に基づいた
ミキサーは分子デバイスの大きな目標の一つである。
【０１１０】３−３．走査トンネルスペクトロスコピー
（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｓｐｅｃｔ
ｒｏｓｃｏｐｙ，ＳＴＳ） 前述したように、ＳＴＭ像で観測されるのは、単純な表
面のトポグラフではなく、様々な表面の電子的性質を反
映したものである。従って、その解釈は一義的には決ま
らないことも多い。このような複雑性は、分析手法とし
ては弱点であるが、反面、豊富な情報を含んでいるの
で、スペクトロスコピーを行えば、固体表面上に吸着し
た単一分子の物性が明らかになる。
（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｓｐｅｃｔ
ｒｏｓｃｏｐｙ，ＳＴＳ） 前述したように、ＳＴＭ像で観測されるのは、単純な表
面のトポグラフではなく、様々な表面の電子的性質を反
映したものである。従って、その解釈は一義的には決ま
らないことも多い。このような複雑性は、分析手法とし
ては弱点であるが、反面、豊富な情報を含んでいるの
で、スペクトロスコピーを行えば、固体表面上に吸着し
た単一分子の物性が明らかになる。
【０１１１】ＳＴＭで一般的に行われるスペクトロスコ
ピーは、大きく分けて （ａ）試料−探針間のバイアス電圧を変えて、そのとき
のトンネル電流の変化（Ｉ−Ｖ）を測定 （ｂ）試料−探針間の距離を変化させて、そのときのト
ンネル電流の変化（Ｉ−ｓ）を測定 の２種類がある。（ａ）は試料の状態密度を、（ｂ）は
トンネル障壁など、表面における波動関数の減衰項を観
測するのが主な目的である。
ピーは、大きく分けて （ａ）試料−探針間のバイアス電圧を変えて、そのとき
のトンネル電流の変化（Ｉ−Ｖ）を測定 （ｂ）試料−探針間の距離を変化させて、そのときのト
ンネル電流の変化（Ｉ−ｓ）を測定 の２種類がある。（ａ）は試料の状態密度を、（ｂ）は
トンネル障壁など、表面における波動関数の減衰項を観
測するのが主な目的である。
【０１１２】（ａ）Ｉ−Ｖ測定
普通、ＳＴＳと呼ばれるのは、Ｉ−Ｖ測定である。最も
標準的な測定は、走査中に探針の動きを一時的に止め、
試料−探針間距離も一定に保ち、バイアス電圧を掃引し
て、トンネル電流の変化を記録する。このようにして測
定したトンネルスペクトルは試料表面の局所的な状態密
度を反映しているので、表面吸着状態の分子の電子構造
を知ることができる。
標準的な測定は、走査中に探針の動きを一時的に止め、
試料−探針間距離も一定に保ち、バイアス電圧を掃引し
て、トンネル電流の変化を記録する。このようにして測
定したトンネルスペクトルは試料表面の局所的な状態密
度を反映しているので、表面吸着状態の分子の電子構造
を知ることができる。
【０１１３】また、このようなスペクトルをＳＴＭ像の
各ピクセルで測定し、任意のバイアス電圧でのトンネル
電流の大きさを画像化すれば、状態密度の分布図を描く
ことができる。この方法はＣｕｒｒｅｎｔ Ｉｍａｇｅ
Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（Ｃ
ＩＴＳ）と呼ばれている。
各ピクセルで測定し、任意のバイアス電圧でのトンネル
電流の大きさを画像化すれば、状態密度の分布図を描く
ことができる。この方法はＣｕｒｒｅｎｔ Ｉｍａｇｅ
Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（Ｃ
ＩＴＳ）と呼ばれている。
【０１１４】これらのＳＴＳ測定は、半導体の表面電子
状態の研究で威力を発揮した。しかし、分子スケールエ
レクトロニクス研究に適用するときには、注意が必要で
ある。ＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが小さな分子や、大
きなレベルシフトが起こる系、あるいは、電極に挟まれ
た小さな分子系では、探針のバイアス電圧の範囲内に、
明確な伝導チャンネルや分子軌道を持つ。このような場
合にＳＴＳ測定を行えば、これらの準位に対応するスペ
クトルを得ることができる。
状態の研究で威力を発揮した。しかし、分子スケールエ
レクトロニクス研究に適用するときには、注意が必要で
ある。ＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが小さな分子や、大
きなレベルシフトが起こる系、あるいは、電極に挟まれ
た小さな分子系では、探針のバイアス電圧の範囲内に、
明確な伝導チャンネルや分子軌道を持つ。このような場
合にＳＴＳ測定を行えば、これらの準位に対応するスペ
クトルを得ることができる。
【０１１５】ところが、分子系のＨＯＭＯ、ＬＵＭＯレ
ベルが基板のフェルミ準位から遠く離れている場合に
は、スペクトルには基板の情報しか現れない。即ち、分
子によってβ値が小さくなり、長距離トンネリングが実
現するような場合でも、走査トンネル顕微鏡のフィード
バック動作自体がトンネル電流を規格化してしまうの
で、スペクトル上は何ら変化がないように見える。この
問題を解決するには、後述する非接触原子間力顕微鏡と
走査トンネル顕微鏡の複合測定を行う必要がある。
ベルが基板のフェルミ準位から遠く離れている場合に
は、スペクトルには基板の情報しか現れない。即ち、分
子によってβ値が小さくなり、長距離トンネリングが実
現するような場合でも、走査トンネル顕微鏡のフィード
バック動作自体がトンネル電流を規格化してしまうの
で、スペクトル上は何ら変化がないように見える。この
問題を解決するには、後述する非接触原子間力顕微鏡と
走査トンネル顕微鏡の複合測定を行う必要がある。
【０１１６】（ｂ）Ｉ−ｓ測定
Ｉ−ｓ測定を行うことで、試料−探針間の見かけのバリ
ア高さを求めることができる。ＳＴＳのときと同じよう
に、探針の走査とフィードバックを止めて、試料−探針
間距離を変化し、そのときの電流を記録して測定する。
ＳＴＳ測定と最も異なるのは、距離を１Å変化すると、
トンネル電流は約１桁変わるので、プリアンプのダイナ
ミックレンジに十分注意する必要がある。
ア高さを求めることができる。ＳＴＳのときと同じよう
に、探針の走査とフィードバックを止めて、試料−探針
間距離を変化し、そのときの電流を記録して測定する。
ＳＴＳ測定と最も異なるのは、距離を１Å変化すると、
トンネル電流は約１桁変わるので、プリアンプのダイナ
ミックレンジに十分注意する必要がある。
【０１１７】一方、試料−探針間距離に交流変調を加
え、このときのトンネル電流変化をロックインアンプで
検出して、その結果を画像化する方法がある。この方法
はバリア高さの局所分布を見ることができるが、交流成
分をロックインアンプで検出するので、絶対値の信頼性
はない。絶対値測定には直接Ｉ−ｓカーブを記録して解
析するのが良い。
え、このときのトンネル電流変化をロックインアンプで
検出して、その結果を画像化する方法がある。この方法
はバリア高さの局所分布を見ることができるが、交流成
分をロックインアンプで検出するので、絶対値の信頼性
はない。絶対値測定には直接Ｉ−ｓカーブを記録して解
析するのが良い。
【０１１８】バリア高さを決定づけるのは、表面の仕事
関数（イオン化ポテンシャル）と表面電荷である。例え
ば、表面と吸着分子の間に電荷移動や分極がある場合
は、実効バリア高さが変化する。これを逆に利用して、
バリア高さの評価を行えば、電荷移動量や分極率を求め
ることができる（参考文献〔５０〕）。図２８の模式図
中に実効トンネル障壁測定の原理と測定例を示した（参
考文献〔５１〕，〔５２〕。電荷移動があると、表面に
電場ベクトルが生じ、波動関数の減衰率に変化が生じ
る。探針を振動させたときのトンネル電流の変化率か
ら、波動関数の減衰率を局所的に求めることができるの
で、表面の荷電状態を原子・分子分解能で評価できる。
関数（イオン化ポテンシャル）と表面電荷である。例え
ば、表面と吸着分子の間に電荷移動や分極がある場合
は、実効バリア高さが変化する。これを逆に利用して、
バリア高さの評価を行えば、電荷移動量や分極率を求め
ることができる（参考文献〔５０〕）。図２８の模式図
中に実効トンネル障壁測定の原理と測定例を示した（参
考文献〔５１〕，〔５２〕。電荷移動があると、表面に
電場ベクトルが生じ、波動関数の減衰率に変化が生じ
る。探針を振動させたときのトンネル電流の変化率か
ら、波動関数の減衰率を局所的に求めることができるの
で、表面の荷電状態を原子・分子分解能で評価できる。
【０１１９】金属−有機分子間の電子的接続について
は、いまだ明らかでない点が多い。特に、界面における
電荷移動がどのような形で起こり、イオン化ポテンシャ
ルの不一致が如何に補償されているかは、重要な問題で
ある。
は、いまだ明らかでない点が多い。特に、界面における
電荷移動がどのような形で起こり、イオン化ポテンシャ
ルの不一致が如何に補償されているかは、重要な問題で
ある。
【０１２０】金属−有機分子間に電荷移動がある場合に
は、図９に示すような分子のエネルギー準位のシフトが
起こる。ナノスケール分子系では、このようなシフトは
分子系全体に影響を及ぼすことになるので、この現象を
うまく利用すれば、界面における電子的接続をチューニ
ングすることができる。また、この電荷移動は電極から
分子系へのキャリア注入として積極的に利用できる。
は、図９に示すような分子のエネルギー準位のシフトが
起こる。ナノスケール分子系では、このようなシフトは
分子系全体に影響を及ぼすことになるので、この現象を
うまく利用すれば、界面における電子的接続をチューニ
ングすることができる。また、この電荷移動は電極から
分子系へのキャリア注入として積極的に利用できる。
【０１２１】図２８の測定例に示したように、表面と分
子との間の電荷移動は、吸着様式により大きく異なる。
Ｓｉ（１００）２×１表面とシクロペンテンの例のよう
な共有結合を作る系では、結合に関与する電子対は分子
−表面間に出来た深い結合性準位に落ち込むため、大き
な電気双極子を形成することはない。
子との間の電荷移動は、吸着様式により大きく異なる。
Ｓｉ（１００）２×１表面とシクロペンテンの例のよう
な共有結合を作る系では、結合に関与する電子対は分子
−表面間に出来た深い結合性準位に落ち込むため、大き
な電気双極子を形成することはない。
【０１２２】また、グラファイトとエライジン酸の例の
ように、化学的結合がなく、物理吸着の場合も、電子の
やりとりが起こらないので、双極子を形成しない。
ように、化学的結合がなく、物理吸着の場合も、電子の
やりとりが起こらないので、双極子を形成しない。
【０１２３】ＳｒＴｉＯ3 表面上のアデニン分子はマイ
グレーション可能であり、表面−分子間に強固な結合は
生じない。しかし、吸着エネルギーは１ｅＶ以上あるの
で、明らかに化学吸着である。この化学吸着力の大きな
部分を占めるのが電子移動による系の安定化エネルギー
である。ＳｒＴｉＯ3 の仕事関数が４．３ｅＶであるの
に対して、アデニン分子のイオン化ポテンシャルは約９
ｅＶと大きいので、表面から分子に電子移動が起こる。
実効トンネル障壁像のデータから、一分子あたり０．２
ｅの電荷がＳｒＴｉＯ3 表面からアデニン分子上に移動
して、大きな双極子が誘起されることが分かる。
グレーション可能であり、表面−分子間に強固な結合は
生じない。しかし、吸着エネルギーは１ｅＶ以上あるの
で、明らかに化学吸着である。この化学吸着力の大きな
部分を占めるのが電子移動による系の安定化エネルギー
である。ＳｒＴｉＯ3 の仕事関数が４．３ｅＶであるの
に対して、アデニン分子のイオン化ポテンシャルは約９
ｅＶと大きいので、表面から分子に電子移動が起こる。
実効トンネル障壁像のデータから、一分子あたり０．２
ｅの電荷がＳｒＴｉＯ3 表面からアデニン分子上に移動
して、大きな双極子が誘起されることが分かる。
【０１２４】３−４．メゾ−メゾ結合ポルフィリンと完
全共役ポルフィリンのＳＴＭ 分子ワイヤーとして期待される、（１）メゾ−メゾ結合
ポルフィリン６量体（参考文献〔２４〕）と（２）完全
共役ポルフィリン６量体（参考文献〔２３〕）の２種の
分子について、ＳＴＭを用いた単一分子計測を行った。
これらの分子は、ごく最近、京都大学理学研究科化学専
攻大須賀篤研究室で合成されたものである（図２９）。
全共役ポルフィリンのＳＴＭ 分子ワイヤーとして期待される、（１）メゾ−メゾ結合
ポルフィリン６量体（参考文献〔２４〕）と（２）完全
共役ポルフィリン６量体（参考文献〔２３〕）の２種の
分子について、ＳＴＭを用いた単一分子計測を行った。
これらの分子は、ごく最近、京都大学理学研究科化学専
攻大須賀篤研究室で合成されたものである（図２９）。
【０１２５】図２９（ａ）に分子（１）のＳＴＭ像を示
す。この分子は同じ構造をもつポルフィリン環がσ結合
一つでつながっている。π電子系はここで切れている
が、最短距離で接続されているので、ホッピングメカニ
ズムによる伝導が期待できる。また、このσ結合は、ポ
ルフィリン環を１８０度の角度で結合しているので、分
子鎖は直線になり、分子ワイヤーとして期待できる。
す。この分子は同じ構造をもつポルフィリン環がσ結合
一つでつながっている。π電子系はここで切れている
が、最短距離で接続されているので、ホッピングメカニ
ズムによる伝導が期待できる。また、このσ結合は、ポ
ルフィリン環を１８０度の角度で結合しているので、分
子鎖は直線になり、分子ワイヤーとして期待できる。
【０１２６】この分子をＣｕ（１１１）清浄表面に吸着
したところ、分子像は６量体の長さに対応した間隔の２
つの明点として観察された。この分子の各ポルフィリン
環はお互いに直交しており、立体障害により平面的なコ
ンホメーションをとることができない。ＳＴＭ像から、
端の２つのポルフィリン環が基板平面に平行に吸着した
と考えられる。すると、この分子は６量体であるので、
偶奇性から矛盾が生じて、歪みにより中心部が浮き上が
ってしまったと考えれば説明がつく。
したところ、分子像は６量体の長さに対応した間隔の２
つの明点として観察された。この分子の各ポルフィリン
環はお互いに直交しており、立体障害により平面的なコ
ンホメーションをとることができない。ＳＴＭ像から、
端の２つのポルフィリン環が基板平面に平行に吸着した
と考えられる。すると、この分子は６量体であるので、
偶奇性から矛盾が生じて、歪みにより中心部が浮き上が
ってしまったと考えれば説明がつく。
【０１２７】ＳＴＭ像では、基板に密着せず、浮き上が
ったところのコントラストは著しく低くなる。この分子
は直線的な分子という考え方で合成された。ところが、
単一分子素子を構築するには、固体表面上に分子を配置
する必要がある。表面吸着により、歪みが生じる構造で
は、分子は著しく変形してしまうことを示している。さ
らに長いメソ−メソ結合４８量体も直線分子として設計
・合成されたが、ＳＴＭ測定によると、図２９（ｂ）に
示すように曲がってしまうことが分かった。
ったところのコントラストは著しく低くなる。この分子
は直線的な分子という考え方で合成された。ところが、
単一分子素子を構築するには、固体表面上に分子を配置
する必要がある。表面吸着により、歪みが生じる構造で
は、分子は著しく変形してしまうことを示している。さ
らに長いメソ−メソ結合４８量体も直線分子として設計
・合成されたが、ＳＴＭ測定によると、図２９（ｂ）に
示すように曲がってしまうことが分かった。
【０１２８】これに対して、分子（２）は、非常に大き
な平面的π共役系をもつ。実際、図２９（ｃ）に示すよ
うに、分子の外形にほぼ対応した平面的な分子像が観測
された。この分子の電子状態を測定するために、分子像
の見かけの高さをバイアス電圧の関数としてプロットし
たのが図３０である。この高さ解析から、ＨＯＭＯ−Ｌ
ＵＭＯ間のギャップ値Ｅg ＝０．２５ｅＶであることが
分かった。この値は赤外分光からの予測Ｅg ＜０．３ｅ
Ｖとよく一致する。これだけであれば、ＳＴＭで得られ
る情報は他の分光学的手段と大差ない。
な平面的π共役系をもつ。実際、図２９（ｃ）に示すよ
うに、分子の外形にほぼ対応した平面的な分子像が観測
された。この分子の電子状態を測定するために、分子像
の見かけの高さをバイアス電圧の関数としてプロットし
たのが図３０である。この高さ解析から、ＨＯＭＯ−Ｌ
ＵＭＯ間のギャップ値Ｅg ＝０．２５ｅＶであることが
分かった。この値は赤外分光からの予測Ｅg ＜０．３ｅ
Ｖとよく一致する。これだけであれば、ＳＴＭで得られ
る情報は他の分光学的手段と大差ない。
【０１２９】しかし、図３０において注目すべきは、フ
ェルミ準位の下わずか０．０５ｅＶのところに、ＨＯＭ
Ｏのレベルがきていることである。すなわちＳＴＭで
は、電極を基準とした分子軌道の位置を見ることができ
る。この結果は、図９で示したようなレベルシフトが起
こり、電極のフェルミ準位との接続が実際に可能である
ことを示唆している。従って、分子（２）は分子ワイヤ
ーとして、極めて有望であるといえる。
ェルミ準位の下わずか０．０５ｅＶのところに、ＨＯＭ
Ｏのレベルがきていることである。すなわちＳＴＭで
は、電極を基準とした分子軌道の位置を見ることができ
る。この結果は、図９で示したようなレベルシフトが起
こり、電極のフェルミ準位との接続が実際に可能である
ことを示唆している。従って、分子（２）は分子ワイヤ
ーとして、極めて有望であるといえる。
【０１３０】このようなレベルシフトが起こるには、分
子と電極の間で電荷移動が必要である。図３１はこの分
子（２）の実効トンネル障壁像を示したものである。分
子中央部の共役ポルフィリン環の部分だけが、著しく暗
くなっており、実際に強い電荷移動が起こっていること
を示している。さらに周辺のオクチル基の部分は、中心
部の電荷によって分極し、周辺より明るくなっているこ
とが分かる。
子と電極の間で電荷移動が必要である。図３１はこの分
子（２）の実効トンネル障壁像を示したものである。分
子中央部の共役ポルフィリン環の部分だけが、著しく暗
くなっており、実際に強い電荷移動が起こっていること
を示している。さらに周辺のオクチル基の部分は、中心
部の電荷によって分極し、周辺より明るくなっているこ
とが分かる。
【０１３１】以上の説明から、上記した疑問に対する答
えとして、 表面に吸着した状態で溶液中の分子構造を保つに
は、平面的構造が必要である。σ結合では表面吸着エネ
ルギーに打ち勝って、分子構造を保つのは困難であるこ
と、 電荷移動により、分子のＨＯＭＯがシフトして金属
のフェルミ準位に近づくこと、 分子全体に広がったπ軌道を通したバリスティック
な伝導チャンネルが開くことが期待されること、 が分かった。
えとして、 表面に吸着した状態で溶液中の分子構造を保つに
は、平面的構造が必要である。σ結合では表面吸着エネ
ルギーに打ち勝って、分子構造を保つのは困難であるこ
と、 電荷移動により、分子のＨＯＭＯがシフトして金属
のフェルミ準位に近づくこと、 分子全体に広がったπ軌道を通したバリスティック
な伝導チャンネルが開くことが期待されること、 が分かった。
【０１３２】３−５．非接触原子間力顕微鏡
以上のように、ＳＴＭ測定により極めて高い分解能で表
面の様々な物性を明らかにすることができる。しかし、
ＳＴＭ測定の最大の問題点は、常に試料に電気伝導性が
要求されることである。金属・絶縁体・有機分子がナノ
スケールで混在した系である分子スケールエレクトロニ
クスの研究には不十分と言わざるを得ない。電気伝導性
にかかわらず使用可能な原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ
Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ＡＦＭ）が適し
ているが、これも従来のＡＦＭは分解能が低く、分子ス
ケールエレクトロニクスの研究には不十分であった。こ
のような状況の中で、１９９５年に発明された非接触原
子間力顕微鏡（Ｎｏｎ−ｃｏｎｔａｃｔ Ａｔｏｍｉｃ
Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ＮＣ−ＡＦＭ）
は、原子分解能を有する画期的なものである（参考文献
〔５３〕）。
面の様々な物性を明らかにすることができる。しかし、
ＳＴＭ測定の最大の問題点は、常に試料に電気伝導性が
要求されることである。金属・絶縁体・有機分子がナノ
スケールで混在した系である分子スケールエレクトロニ
クスの研究には不十分と言わざるを得ない。電気伝導性
にかかわらず使用可能な原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ
Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ＡＦＭ）が適し
ているが、これも従来のＡＦＭは分解能が低く、分子ス
ケールエレクトロニクスの研究には不十分であった。こ
のような状況の中で、１９９５年に発明された非接触原
子間力顕微鏡（Ｎｏｎ−ｃｏｎｔａｃｔ Ａｔｏｍｉｃ
Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ＮＣ−ＡＦＭ）
は、原子分解能を有する画期的なものである（参考文献
〔５３〕）。
【０１３３】ＡＦＭは図３３に示すように「カンチレバ
ー」と呼ばれるＡＦＭのプローブと試料表面間に働く力
を検出することが根本原理である。カンチレバーは、柔
らかいバネの先端に鋭い探針がついている。一般に試料
表面−探針間に働く力は、このバネのたわみをレーザー
光で測ることによって検出する。ＡＦＭ像を得るために
は、試料表面−探針間に働く力を一定に保ちつつ、圧電
素子を用いて針を試料表面に沿って走査すればよい。
ー」と呼ばれるＡＦＭのプローブと試料表面間に働く力
を検出することが根本原理である。カンチレバーは、柔
らかいバネの先端に鋭い探針がついている。一般に試料
表面−探針間に働く力は、このバネのたわみをレーザー
光で測ることによって検出する。ＡＦＭ像を得るために
は、試料表面−探針間に働く力を一定に保ちつつ、圧電
素子を用いて針を試料表面に沿って走査すればよい。
【０１３４】このとき試料表面−探針間に働く力を一定
に保つために圧電素子に加えた制御電圧を記録・画像化
することによりＡＦＭ像が得られる。しかし、従来から
のＡＦＭ測定では、試料と探針は接触していて、試料表
面と探針先端はともに激しく変形し、お互いの原子が混
ざり合っている（参考文献〔５４〕）。
に保つために圧電素子に加えた制御電圧を記録・画像化
することによりＡＦＭ像が得られる。しかし、従来から
のＡＦＭ測定では、試料と探針は接触していて、試料表
面と探針先端はともに激しく変形し、お互いの原子が混
ざり合っている（参考文献〔５４〕）。
【０１３５】このような状況では、単一の原子・分子の
観察は望めない。実際、これまで接触モードで報告され
てきた原子や分子の二次元配列像と言われるものは、全
て周期的な摩擦力の画像化に過ぎないことが明らかにな
っている。
観察は望めない。実際、これまで接触モードで報告され
てきた原子や分子の二次元配列像と言われるものは、全
て周期的な摩擦力の画像化に過ぎないことが明らかにな
っている。
【０１３６】ところが、ＮＣ−ＡＦＭと呼ばれる新しい
測定モードでは、カンチレバーを、図３５に示すように
固有振動数で共振させたときの周波数変化を利用する。
カンチレバー先端の探針を表面に接近させると、探針先
端と試料表面の間に働く力によって、振動の周波数が変
化する。
測定モードでは、カンチレバーを、図３５に示すように
固有振動数で共振させたときの周波数変化を利用する。
カンチレバー先端の探針を表面に接近させると、探針先
端と試料表面の間に働く力によって、振動の周波数が変
化する。
【０１３７】これは丁度図３３に示すように、振動して
いるバネ先端の重りに力を加えているのに対応し、簡単
な運動方程式で記述することができる。周波数の変化
は、力の微分に対応するから、探針先端と試料表面の間
に働くポテンシャルエネルギーの変化を感じ取ることが
できる。この手法を用いれば、試料と探針が接触する前
に、わずかに働く引力を検知して走査を行うことができ
るので、点欠陥を含む真の原子分解能測定が可能となっ
た（参考文献〔５３〕）。例としてＳｉ（１１１）７×
７表面の原子像を図３２に示した。原子欠陥を明瞭に確
認できる分解能があることが分かる。
いるバネ先端の重りに力を加えているのに対応し、簡単
な運動方程式で記述することができる。周波数の変化
は、力の微分に対応するから、探針先端と試料表面の間
に働くポテンシャルエネルギーの変化を感じ取ることが
できる。この手法を用いれば、試料と探針が接触する前
に、わずかに働く引力を検知して走査を行うことができ
るので、点欠陥を含む真の原子分解能測定が可能となっ
た（参考文献〔５３〕）。例としてＳｉ（１１１）７×
７表面の原子像を図３２に示した。原子欠陥を明瞭に確
認できる分解能があることが分かる。
【０１３８】この測定モードでは、カンチレバーの共振
周波数に対してｐｐｍオーダーのわずかな周波数偏移
（数Ｈｚ程度）を検出しなければならない。１秒程度の
時間をかければ周波数カウンターで簡単に測定できる
が、走査画像を得るには、１ｍｓくらいの時定数で、し
かもリアルタイムで周波数偏移を測定する必要がある。
周波数偏移は位相変化と等価であるので、瞬間的な位相
ずれを測定すればよい。
周波数に対してｐｐｍオーダーのわずかな周波数偏移
（数Ｈｚ程度）を検出しなければならない。１秒程度の
時間をかければ周波数カウンターで簡単に測定できる
が、走査画像を得るには、１ｍｓくらいの時定数で、し
かもリアルタイムで周波数偏移を測定する必要がある。
周波数偏移は位相変化と等価であるので、瞬間的な位相
ずれを測定すればよい。
【０１３９】そこで図３４に示すような水晶発振器とス
ーパーヘテロダインを用いた位相同期回路（Ｐｈａｓｅ
−ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ，ＰＬＬ）を試作した。この
回路の分解能は０．１Ｈｚである。当初、ＮＣ−ＡＦＭ
の装置は極めて不安定で実用的ではなかったが、最近で
は市販装置も現れたので、この手法は急速に広がり、分
子エレクトロニクスの研究になくてはならないツールと
なるであろう。
ーパーヘテロダインを用いた位相同期回路（Ｐｈａｓｅ
−ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ，ＰＬＬ）を試作した。この
回路の分解能は０．１Ｈｚである。当初、ＮＣ−ＡＦＭ
の装置は極めて不安定で実用的ではなかったが、最近で
は市販装置も現れたので、この手法は急速に広がり、分
子エレクトロニクスの研究になくてはならないツールと
なるであろう。
【０１４０】３−６．ＮＣ−ＡＦＭ／ＳＴＭ同時測定
分子スケールエレクトロニクスの研究では、金属と単一
あるいは少数の分子から構成された系を取り扱う。３−
３で述べたように、このような系では、有機分子の状態
数は金属に比べて圧倒的に少ないので、共鳴準位が無い
場合には分子の個性は現れにくい。分子軌道の広がり方
やエネルギーによる差異は、主に金属に由来する波動関
数の分子内での減衰係数として現れる。
あるいは少数の分子から構成された系を取り扱う。３−
３で述べたように、このような系では、有機分子の状態
数は金属に比べて圧倒的に少ないので、共鳴準位が無い
場合には分子の個性は現れにくい。分子軌道の広がり方
やエネルギーによる差異は、主に金属に由来する波動関
数の分子内での減衰係数として現れる。
【０１４１】ＳＴＳを用いて、この分子内での減衰率を
議論することは難しい。なぜなら、ＳＴＭ測定ではトン
ネル電流が一定になるように試料−探針間距離にフィー
ドバックをかけるため、バイアス電圧のポテンシャルで
状態密度分布も自動的に規格化されてしまうからであ
る。ところが、ＮＣ−ＡＦＭとＳＴＭの同時測定を行え
ば、試料表面からの距離一定の条件における状態密度の
比較が可能である（図３６）。
議論することは難しい。なぜなら、ＳＴＭ測定ではトン
ネル電流が一定になるように試料−探針間距離にフィー
ドバックをかけるため、バイアス電圧のポテンシャルで
状態密度分布も自動的に規格化されてしまうからであ
る。ところが、ＮＣ−ＡＦＭとＳＴＭの同時測定を行え
ば、試料表面からの距離一定の条件における状態密度の
比較が可能である（図３６）。
【０１４２】ＳＴＭにおいてトンネル電流Ｉは、試料表
面からの距離ｚにおける状態密度ρ、バイアス電圧Ｖ、
障壁高さφの関数として Ｉ＝Ｖρｅｘｐ（−√φｚ） …（４） で表現される。一方、ＮＣ−ＡＦＭ測定における周波数
シフトΔｆは、探針−試料間のポテンシャル関数をＦ
（ｚ）とすれば、 Δｆ＝（ｆ0 ／２ｋ）Ｆ’（ｚ） …（５） となる。ただし、ここで、ｆ0 はカンチレバーの共鳴周
波数、ｋはカンチレバーのばね定数である。ＳＴＭでフ
ィードバックをかけて走査を行えば、ＶとＩは一定でｚ
は同時測定なので共通である。ＳＴＭとＮＣ−ＡＦＭの
同時測定を行うという実験操作は式の上では、上記の二
式からｚ項を消去する作業と同じ意味を持つ。従ってｚ
を消去すれば、 Δｆ∝Ｆ’（ρ） …（６） の関係式が得られる。この式（６）から、試料−探針間
ポテンシャルや仕事関数の差異がない部分の中では、周
波数シフトΔｆの値は局所状態密度を反映していること
になる。
面からの距離ｚにおける状態密度ρ、バイアス電圧Ｖ、
障壁高さφの関数として Ｉ＝Ｖρｅｘｐ（−√φｚ） …（４） で表現される。一方、ＮＣ−ＡＦＭ測定における周波数
シフトΔｆは、探針−試料間のポテンシャル関数をＦ
（ｚ）とすれば、 Δｆ＝（ｆ0 ／２ｋ）Ｆ’（ｚ） …（５） となる。ただし、ここで、ｆ0 はカンチレバーの共鳴周
波数、ｋはカンチレバーのばね定数である。ＳＴＭでフ
ィードバックをかけて走査を行えば、ＶとＩは一定でｚ
は同時測定なので共通である。ＳＴＭとＮＣ−ＡＦＭの
同時測定を行うという実験操作は式の上では、上記の二
式からｚ項を消去する作業と同じ意味を持つ。従ってｚ
を消去すれば、 Δｆ∝Ｆ’（ρ） …（６） の関係式が得られる。この式（６）から、試料−探針間
ポテンシャルや仕事関数の差異がない部分の中では、周
波数シフトΔｆの値は局所状態密度を反映していること
になる。
【０１４３】３−７．分子デバイス素子としてのＤＮＡ
の構造と電子的物性測定 （ａ）表面におけるＤＮＡの構造 ＤＮＡは分子ワイヤーとして期待されている。単一ＤＮ
Ａ分子を構成要素とするナノスケールデバイスの物性を
考えるには、まず、ＤＮＡ分子の吸着状態における構造
を明らかにすることが必要である。既に固体表面に吸着
したＤＮＡに関して、ＳＴＭを用いた高分解能観察が行
われている（参考文献〔５５〕）。しかし、前節で述べ
たように、ＳＴＭ像には様々な電子的要素が入り込まれ
るので、ＳＴＭ測定から真のトポグラフを得ることは難
しい。これに対してＡＦＭ測定は力による相互作用を用
いるので、真のトポグラフを得ることができる。このよ
うな目的から、ＮＣ−ＡＦＭを用いたＤＮＡ分子の高分
解能測定を試みた。
の構造と電子的物性測定 （ａ）表面におけるＤＮＡの構造 ＤＮＡは分子ワイヤーとして期待されている。単一ＤＮ
Ａ分子を構成要素とするナノスケールデバイスの物性を
考えるには、まず、ＤＮＡ分子の吸着状態における構造
を明らかにすることが必要である。既に固体表面に吸着
したＤＮＡに関して、ＳＴＭを用いた高分解能観察が行
われている（参考文献〔５５〕）。しかし、前節で述べ
たように、ＳＴＭ像には様々な電子的要素が入り込まれ
るので、ＳＴＭ測定から真のトポグラフを得ることは難
しい。これに対してＡＦＭ測定は力による相互作用を用
いるので、真のトポグラフを得ることができる。このよ
うな目的から、ＮＣ−ＡＦＭを用いたＤＮＡ分子の高分
解能測定を試みた。
【０１４４】図３７は試料と探針が周期的な従来からの
タッピングモード（ＴＭ−ＡＦＭ）とＮＣ−ＡＦＭ測定
の結果を比較したものである（参考文献〔５６〕）。試
料はマイカ基板上に液相から分散した環状ＤＮＡであ
る。ＴＭ−ＡＦＭ像では、ＤＮＡ鎖が一本の部分と二本
の部分とは、コントラストの差として明瞭に現れている
が、二本のＤＮＡ鎖が集まった部分は、特徴のない明る
い線としてしか現れず、ＤＮＡ分子が絡まりあっている
様子は見えない。
タッピングモード（ＴＭ−ＡＦＭ）とＮＣ−ＡＦＭ測定
の結果を比較したものである（参考文献〔５６〕）。試
料はマイカ基板上に液相から分散した環状ＤＮＡであ
る。ＴＭ−ＡＦＭ像では、ＤＮＡ鎖が一本の部分と二本
の部分とは、コントラストの差として明瞭に現れている
が、二本のＤＮＡ鎖が集まった部分は、特徴のない明る
い線としてしか現れず、ＤＮＡ分子が絡まりあっている
様子は見えない。
【０１４５】これに対して、ＮＣ−ＡＦＭ像では、二本
のＤＮＡ鎖が絡まりあっている様子もはっきりと見るこ
とができる。また、急な折れ曲がりなど、キンク周辺で
は、二重らせん構造が弛緩したところも観察することが
出来る。ＮＣ−ＡＦＭでこのような高分解能観察が可能
なのは、試料と探針が接触しないので、図３８に示すよ
うに、探針先端のミニチップがつぶれることなく有効に
働く結果と考えられる（参考文献〔５７〕）。
のＤＮＡ鎖が絡まりあっている様子もはっきりと見るこ
とができる。また、急な折れ曲がりなど、キンク周辺で
は、二重らせん構造が弛緩したところも観察することが
出来る。ＮＣ−ＡＦＭでこのような高分解能観察が可能
なのは、試料と探針が接触しないので、図３８に示すよ
うに、探針先端のミニチップがつぶれることなく有効に
働く結果と考えられる（参考文献〔５７〕）。
【０１４６】さらに、金属基板と金属コーティングを施
したカンチレバーを用いれば、図３９に示すように、バ
イアス電圧の印加により、探針先端の形状を一層先鋭化
することができる。図４０（ａ）はこのような方法で、
探針先端のアスペクト比を改良した後測定したＣｕ（１
１１）表面上のＤＮＡ像である（参考文献〔５８〕）。
二重らせん周期に対応した凹凸がはっきり確認できるよ
うになり、探針先鋭化が有効であることが分かった。こ
のようにして測定したＤＮＡの二重らせん周期の分布を
示したのが図４０（ｂ）のヒストグラムである。３−４
ｎｍに分布の最大値があり、ワトソン−クリックモデル
の値３．４ｎｍと良い一致を示す。
したカンチレバーを用いれば、図３９に示すように、バ
イアス電圧の印加により、探針先端の形状を一層先鋭化
することができる。図４０（ａ）はこのような方法で、
探針先端のアスペクト比を改良した後測定したＣｕ（１
１１）表面上のＤＮＡ像である（参考文献〔５８〕）。
二重らせん周期に対応した凹凸がはっきり確認できるよ
うになり、探針先鋭化が有効であることが分かった。こ
のようにして測定したＤＮＡの二重らせん周期の分布を
示したのが図４０（ｂ）のヒストグラムである。３−４
ｎｍに分布の最大値があり、ワトソン−クリックモデル
の値３．４ｎｍと良い一致を示す。
【０１４７】このことから、表面吸着状態においても、
この試料作成条件ではＤＮＡのらせん構造は変化しない
と結論できる。ただし、周期は６−７ｎｍまで広い分布
を持っているのが、溶液中とは異なる。これは、吸着エ
ネルギーのために、急な角度での折れ曲がりやねじれ等
の歪みをもったままＤＮＡ鎖が固定されるので、二重ら
せん構造が局所的に緩んで、広い周期分布を与えたと理
解できる。
この試料作成条件ではＤＮＡのらせん構造は変化しない
と結論できる。ただし、周期は６−７ｎｍまで広い分布
を持っているのが、溶液中とは異なる。これは、吸着エ
ネルギーのために、急な角度での折れ曲がりやねじれ等
の歪みをもったままＤＮＡ鎖が固定されるので、二重ら
せん構造が局所的に緩んで、広い周期分布を与えたと理
解できる。
【０１４８】次に、ＤＮＡ鎖の高さについて検討した。
これまで、ＡＦＭを用いて表面に吸着したＤＮＡ鎖の高
さ計測が行われてきた。しかし、これまでの測定は接触
モードでの測定であったため、常にカンチレバーの圧力
によるＤＮＡ鎖の変形が問題にされてきた。今回行った
測定は、非接触モードによる引力領域での測定であるの
で、変形の問題を避けることができる。結果は、０．８
ｎｍ程度の高さが得られた。
これまで、ＡＦＭを用いて表面に吸着したＤＮＡ鎖の高
さ計測が行われてきた。しかし、これまでの測定は接触
モードでの測定であったため、常にカンチレバーの圧力
によるＤＮＡ鎖の変形が問題にされてきた。今回行った
測定は、非接触モードによる引力領域での測定であるの
で、変形の問題を避けることができる。結果は、０．８
ｎｍ程度の高さが得られた。
【０１４９】図４１に示すように、引力から斥力への遷
移領域での測定や、試料−探針間の接触を伴う斥力領域
におけるタッピングモードでの測定を比較すると、力の
向き、大きさにかかわらず、一様に０．８ｎｍ程度の高
さが得られた。水溶液中のＤＮＡ分子の直径が２ｎｍで
あることを考慮すると、ＤＮＡ分子は表面では扁平な構
造をとっていることが示唆された。また、原子間力顕微
鏡の通常の測定で用いる力では、ＤＮＡは変形せず、十
分に剛直であることも分かった。以上の結果を総合する
と、表面においてＤＮＡ分子はワトソン−クリックの二
重らせん構造を維持しつつも、表面では高さ約２分の１
まで、扁平にひしゃげていると推測される。
移領域での測定や、試料−探針間の接触を伴う斥力領域
におけるタッピングモードでの測定を比較すると、力の
向き、大きさにかかわらず、一様に０．８ｎｍ程度の高
さが得られた。水溶液中のＤＮＡ分子の直径が２ｎｍで
あることを考慮すると、ＤＮＡ分子は表面では扁平な構
造をとっていることが示唆された。また、原子間力顕微
鏡の通常の測定で用いる力では、ＤＮＡは変形せず、十
分に剛直であることも分かった。以上の結果を総合する
と、表面においてＤＮＡ分子はワトソン−クリックの二
重らせん構造を維持しつつも、表面では高さ約２分の１
まで、扁平にひしゃげていると推測される。
【０１５０】（ｂ）ＤＮＡと金属との接合界面の電子状
態 ＳｒＴｉＯ3 上に吸着したアデニン分子の場合は、表面
から分子に０．２ｅの電子が移動していた（図２８）。
これに対して、Ｃｕ（１００）表面上に吸着したＤＮＡ
分子では、電荷移動はほとんど起こらないことが明らか
になった。
態 ＳｒＴｉＯ3 上に吸着したアデニン分子の場合は、表面
から分子に０．２ｅの電子が移動していた（図２８）。
これに対して、Ｃｕ（１００）表面上に吸着したＤＮＡ
分子では、電荷移動はほとんど起こらないことが明らか
になった。
【０１５１】図４２はＤＮＡ分子の実効トンネル障壁像
である。ＤＮＡ像に影がついたように見えるが、フィー
ドバック回路の応答遅れに起因するアーティファクトに
過ぎない。詳細な解析を行うと、ＤＮＡ上における実効
トンネル障壁は、Ｃｕ（１１１）表面とほぼ同じである
ことが分かった。これは、Ｃｕ（１１１）表面とＤＮＡ
鎖の間に大きな電荷移動はないことを示している。ＤＮ
Ａの場合には、電荷の授受に関与すると思われる塩基対
は、糖鎖の内側にあり、表面と直接相互作用を持つこと
ができない。従って、ＤＮＡを金属電極に接合した場
合、ＤＮＡの準位は金属のフェルミ準位に対してシフト
することはなく、また、電極からＤＮＡへのキャリア注
入も起こらないと考えられる。
である。ＤＮＡ像に影がついたように見えるが、フィー
ドバック回路の応答遅れに起因するアーティファクトに
過ぎない。詳細な解析を行うと、ＤＮＡ上における実効
トンネル障壁は、Ｃｕ（１１１）表面とほぼ同じである
ことが分かった。これは、Ｃｕ（１１１）表面とＤＮＡ
鎖の間に大きな電荷移動はないことを示している。ＤＮ
Ａの場合には、電荷の授受に関与すると思われる塩基対
は、糖鎖の内側にあり、表面と直接相互作用を持つこと
ができない。従って、ＤＮＡを金属電極に接合した場
合、ＤＮＡの準位は金属のフェルミ準位に対してシフト
することはなく、また、電極からＤＮＡへのキャリア注
入も起こらないと考えられる。
【０１５２】（ｃ）ＮＣ−ＡＦＭ／ＳＴＭ同時測定
図４３はＤＮＡ及びＤＮＡ水溶液中に含まれている緩衝
溶液の成分（ＥＤＴＡ）についてＮＣ−ＡＦＭ／ＳＴＭ
同時測定を行った結果である。この測定では、シリコン
製カンチレバーを用いた。ＤＮＡ水溶液に含まれている
ＥＤＴＡ分子の凝集体は、原子間力ではきちんと画像化
されるが、トンネル電流では観測されず、ほとんど透明
になる。これに対してＤＮＡ分子は、原子間力、トンネ
ル電流とともに明瞭な画像として現れる。この結果か
ら、普通の有機分子に比べて、ＤＮＡ分子は電子を導き
やすいことが分かる。
溶液の成分（ＥＤＴＡ）についてＮＣ−ＡＦＭ／ＳＴＭ
同時測定を行った結果である。この測定では、シリコン
製カンチレバーを用いた。ＤＮＡ水溶液に含まれている
ＥＤＴＡ分子の凝集体は、原子間力ではきちんと画像化
されるが、トンネル電流では観測されず、ほとんど透明
になる。これに対してＤＮＡ分子は、原子間力、トンネ
ル電流とともに明瞭な画像として現れる。この結果か
ら、普通の有機分子に比べて、ＤＮＡ分子は電子を導き
やすいことが分かる。
【０１５３】さらに、この測定結果からＤＮＡのＳＴＭ
像において観察される二重らせん周期のコントラスト
と、ＤＮＡ鎖の凹凸との関係を明らかにすることができ
る。図４４に、コントラストメカニズムのモデルを示し
た。モデル１はＤＮＡ鎖の低い部分が明るく、高い部分
が暗くなる場合である。ＤＮＡ鎖にほとんど電流を流す
能力がない場合は、金属基板と接している部分の軌道混
成の方が、浮き上がった部分よりも強いので、ＳＴＭ像
では明るくなると考えられる。
像において観察される二重らせん周期のコントラスト
と、ＤＮＡ鎖の凹凸との関係を明らかにすることができ
る。図４４に、コントラストメカニズムのモデルを示し
た。モデル１はＤＮＡ鎖の低い部分が明るく、高い部分
が暗くなる場合である。ＤＮＡ鎖にほとんど電流を流す
能力がない場合は、金属基板と接している部分の軌道混
成の方が、浮き上がった部分よりも強いので、ＳＴＭ像
では明るくなると考えられる。
【０１５４】しかし、同時測定の結果、ＮＣ−ＡＦＭで
高い部分が、ＳＴＭでも高いので、このモデルは直ちに
否定できる。モデル２またはモデル３が考えられるが、
前節で述べたように大きな電荷移動は無いことが分かっ
ているので、モデル２も否定できる。結局、ＤＮＡ自身
にある程度の電気伝導性があり、ＤＮＡ鎖から探針にト
ンネル電流が流れる場合を仮定したモデル３がコントラ
ストメカニズムについて正しい描像と考えられる。
高い部分が、ＳＴＭでも高いので、このモデルは直ちに
否定できる。モデル２またはモデル３が考えられるが、
前節で述べたように大きな電荷移動は無いことが分かっ
ているので、モデル２も否定できる。結局、ＤＮＡ自身
にある程度の電気伝導性があり、ＤＮＡ鎖から探針にト
ンネル電流が流れる場合を仮定したモデル３がコントラ
ストメカニズムについて正しい描像と考えられる。
【０１５５】（ｄ）単一ＤＮＡデバイス構築に向けて
ＳＴＭを用いて固体表面上の単一ＤＮＡ分子について構
造と電子状態を明らかにした。これらの結果をまとめた
のが図４５である。表面吸着状態において、 ＤＮＡの二重らせん構造は維持されるものの、吸着
力のために多数のキンクを含んだ形で固定され、部分的
には二重らせんが緩んでいること。また、高さは半分程
度にまで扁平になっていること、 ＤＮＡはπスタック鎖の周りに糖鎖があるため、基
板とπ系が接触できない。そのため、大きな電荷移動は
起こらないこと、 二重らせんの半周期程度の範囲においてＤＮＡは電
気伝導性を持つこと、が分かった。
造と電子状態を明らかにした。これらの結果をまとめた
のが図４５である。表面吸着状態において、 ＤＮＡの二重らせん構造は維持されるものの、吸着
力のために多数のキンクを含んだ形で固定され、部分的
には二重らせんが緩んでいること。また、高さは半分程
度にまで扁平になっていること、 ＤＮＡはπスタック鎖の周りに糖鎖があるため、基
板とπ系が接触できない。そのため、大きな電荷移動は
起こらないこと、 二重らせんの半周期程度の範囲においてＤＮＡは電
気伝導性を持つこと、が分かった。
【０１５６】表面上でＤＮＡは扁平であるが、このよう
なコンホメーションでは、ＤＮＡ塩基のスタックは垂直
ではなく斜めにずれた形で起こると考えられるので、π
電子系を介した電荷移動にも大きな影響があると考えら
れる。また、キンクと伝導性との関係も気になるところ
である。
なコンホメーションでは、ＤＮＡ塩基のスタックは垂直
ではなく斜めにずれた形で起こると考えられるので、π
電子系を介した電荷移動にも大きな影響があると考えら
れる。また、キンクと伝導性との関係も気になるところ
である。
【０１５７】このようなＤＮＡのらせん軸に沿った電気
伝導性を議論するには、金属上に吸着した形の測定では
難しい。将来の単一分子デバイスのように、絶縁体上に
ＤＮＡ分子を配置し、分子端を金属に接続して測定する
必要がある。
伝導性を議論するには、金属上に吸着した形の測定では
難しい。将来の単一分子デバイスのように、絶縁体上に
ＤＮＡ分子を配置し、分子端を金属に接続して測定する
必要がある。
【０１５８】図４６はこのような測定を実現するための
概念図である。
概念図である。
【０１５９】金属上に絶縁体のアイランドを形成し、そ
のアイランドを横切る形でＤＮＡ鎖を吸着する。このよ
うにすれば、ＤＮＡの端は金属に接するので、絶縁体上
でプローブをＤＮＡ鎖に接触すれば、ＤＮＡ鎖を通した
ナノスケールの回路を構成できる。この実験に向かっ
て、現在、Ｃｕ（１１１）上に絶縁体ＣａＦ2 のアイラ
ンド形成を試みている（参考文献〔５９〕）（図４
７）。このような測定を行えば、キンク、二重らせんの
緩和、塩基配列など、ＤＮＡの構造が電気伝導に及ぼす
効果を実験的に明らかにできるであろう。また、そのと
きには前述したＮＣ−ＡＦＭ／ＳＴＭの同時測定の技術
が生きるものと期待できる。
のアイランドを横切る形でＤＮＡ鎖を吸着する。このよ
うにすれば、ＤＮＡの端は金属に接するので、絶縁体上
でプローブをＤＮＡ鎖に接触すれば、ＤＮＡ鎖を通した
ナノスケールの回路を構成できる。この実験に向かっ
て、現在、Ｃｕ（１１１）上に絶縁体ＣａＦ2 のアイラ
ンド形成を試みている（参考文献〔５９〕）（図４
７）。このような測定を行えば、キンク、二重らせんの
緩和、塩基配列など、ＤＮＡの構造が電気伝導に及ぼす
効果を実験的に明らかにできるであろう。また、そのと
きには前述したＮＣ−ＡＦＭ／ＳＴＭの同時測定の技術
が生きるものと期待できる。
【０１６０】以上、単一巨大分子と表面（電極）との相
互作用について、走査プローブ顕微鏡を用いた研究例を
中心に紹介した。有機分子／金属界面は、分子系への入
出力に関わる問題であり、極めて重要であるにも関わら
ず、まだ、わからないことがあまりにも多い。今後、系
統的な研究が必要である。有機化学、表面科学、固体物
理をはじめとする異分野の専門家の協力が必要である。
互作用について、走査プローブ顕微鏡を用いた研究例を
中心に紹介した。有機分子／金属界面は、分子系への入
出力に関わる問題であり、極めて重要であるにも関わら
ず、まだ、わからないことがあまりにも多い。今後、系
統的な研究が必要である。有機化学、表面科学、固体物
理をはじめとする異分野の専門家の協力が必要である。
【０１６１】一方、このような研究は、分子エレクトロ
ニクスの基礎として重要ではあるが、あくまで物性測定
中心であり、実際のデバイスに直接つながるものではな
い。既に序文でも述べたが、有機合成の進歩はめざまし
く、微細加工電極のサイズと同程度の巨大分子が可能と
なってきた。この点だけを見れば、明日にでも巨大分子
をナノギャップ電極間に配置して、単一分子デバイスが
実現するのではないかと思える。しかし、現在の微細加
工技術を分子エレクトロニクスに適用するには、多くの
問題点がある。巨大分子を用いたデバイスを構成するに
は、分子を集積化し、マクロ構造に接続するための方法
が必要である。
ニクスの基礎として重要ではあるが、あくまで物性測定
中心であり、実際のデバイスに直接つながるものではな
い。既に序文でも述べたが、有機合成の進歩はめざまし
く、微細加工電極のサイズと同程度の巨大分子が可能と
なってきた。この点だけを見れば、明日にでも巨大分子
をナノギャップ電極間に配置して、単一分子デバイスが
実現するのではないかと思える。しかし、現在の微細加
工技術を分子エレクトロニクスに適用するには、多くの
問題点がある。巨大分子を用いたデバイスを構成するに
は、分子を集積化し、マクロ構造に接続するための方法
が必要である。
【０１６２】最も深刻なのは、電極の高さや表面ラフネ
スが分子のサイズにくらべて大きすぎる点である。ＤＮ
Ａや単層カーボンナノチューブなど、分子エレクトロニ
クスの素材分子の中では例外的に大きいものでも、その
直径は２ｎｍ程度である。π電子系をもつ平面的な形の
分子の場合、分子の厚みはわずか０．２〜０．３ｎｍ、
立体的π系であるＣ60でも、高さは０．８ｎｍに過ぎな
い。
スが分子のサイズにくらべて大きすぎる点である。ＤＮ
Ａや単層カーボンナノチューブなど、分子エレクトロニ
クスの素材分子の中では例外的に大きいものでも、その
直径は２ｎｍ程度である。π電子系をもつ平面的な形の
分子の場合、分子の厚みはわずか０．２〜０．３ｎｍ、
立体的π系であるＣ60でも、高さは０．８ｎｍに過ぎな
い。
【０１６３】このような分子サイズと比較して、標準的
な電子線リソグラフィー技術を用いて作製したナノギャ
ップ電極の高さは非常に高く１０〜２０ｎｍもある。ま
た、電極や絶縁体部分の平均ラフネスも５ｎｍ以上もあ
る。このような電極に分子を配置しようとしても、電極
間の深い溝に分子が落ち込むか、あるいは平面的な分子
吸着が実現できないなどの理由で現実的ではない。実
際、カーボンナノチューブを用いたデバイスにおいて、
電極と絶縁部の段差により分子が変形し、局所的な絶縁
体化が起こることが報告されている。
な電子線リソグラフィー技術を用いて作製したナノギャ
ップ電極の高さは非常に高く１０〜２０ｎｍもある。ま
た、電極や絶縁体部分の平均ラフネスも５ｎｍ以上もあ
る。このような電極に分子を配置しようとしても、電極
間の深い溝に分子が落ち込むか、あるいは平面的な分子
吸着が実現できないなどの理由で現実的ではない。実
際、カーボンナノチューブを用いたデバイスにおいて、
電極と絶縁部の段差により分子が変形し、局所的な絶縁
体化が起こることが報告されている。
【０１６４】さらに、分子の自己組織化を利用しようと
しても、平坦性が不十分で自己組織化現象自体が阻害さ
れてしまう可能性が高い。従って、トップダウンとボト
ムアップを組み合わせるためには、平坦表面を形成する
技術が不可欠である。
しても、平坦性が不十分で自己組織化現象自体が阻害さ
れてしまう可能性が高い。従って、トップダウンとボト
ムアップを組み合わせるためには、平坦表面を形成する
技術が不可欠である。
【０１６５】そこで、図１〜図６に示すように、完全フ
ラット微細回路網及びその製造方法を発明した。
ラット微細回路網及びその製造方法を発明した。
【０１６６】これによれば、完全フラット微細回路網で
は、金属電極と絶縁部分の高さが同じであり、表面ラフ
ネスは０．５ｎｍ以下である。このような電極の実現に
より、分子を表面上に配置したとき、電極と絶縁体の境
界における分子変形を防ぐことができる。さらに、完全
フラット電極の発展として、回路網の上にごく薄い絶縁
体層を形成すれば、電極と絶縁体どちらの上でも連続的
に自己組織化分子配列が成長可能になる。このシステム
では、電極と分子間はトンネル結合しており、絶縁体上
の分子配列で情報処理を行う。
は、金属電極と絶縁部分の高さが同じであり、表面ラフ
ネスは０．５ｎｍ以下である。このような電極の実現に
より、分子を表面上に配置したとき、電極と絶縁体の境
界における分子変形を防ぐことができる。さらに、完全
フラット電極の発展として、回路網の上にごく薄い絶縁
体層を形成すれば、電極と絶縁体どちらの上でも連続的
に自己組織化分子配列が成長可能になる。このシステム
では、電極と分子間はトンネル結合しており、絶縁体上
の分子配列で情報処理を行う。
【０１６７】また、現在の微細加工技術はフォトリソグ
ラフィーあるいは電子ビームリソグラフィーによりパタ
ーン形成をおこなった後、反応性イオンエッチングなど
比較的高いエネルギーで加工を行っている。このような
方法では平坦な表面を作ることは難しいので、加工方法
の発想の転換が必要である。例えば、クラスターイオ
ンビーム、ナノインプリントによるケミカルパターニ
ングと電気化学的エッチングの組み合わせなど、先端的
エッチング技術の適用、分子線エピタクシーなど表面
科学的方法の適用など、現在の微細加工の枠組みを超え
た手法開発が必要である。
ラフィーあるいは電子ビームリソグラフィーによりパタ
ーン形成をおこなった後、反応性イオンエッチングなど
比較的高いエネルギーで加工を行っている。このような
方法では平坦な表面を作ることは難しいので、加工方法
の発想の転換が必要である。例えば、クラスターイオ
ンビーム、ナノインプリントによるケミカルパターニ
ングと電気化学的エッチングの組み合わせなど、先端的
エッチング技術の適用、分子線エピタクシーなど表面
科学的方法の適用など、現在の微細加工の枠組みを超え
た手法開発が必要である。
【０１６８】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
【０１６９】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、以下のような効果を奏することができる。
よれば、以下のような効果を奏することができる。
【０１７０】（Ａ）自己組織化構造を下地の影響を受け
ずに成長させることができる、ナノオーダーのフラット
な下地を有する分子集積回路素子及びその製造方法を提
供する。
ずに成長させることができる、ナノオーダーのフラット
な下地を有する分子集積回路素子及びその製造方法を提
供する。
【０１７１】（Ｂ）電極と絶縁体の境界における分子変
形を防ぐことができる。
形を防ぐことができる。
【０１７２】（Ｃ）完全フラット電極の発展として、回
路網の上にごく薄い絶縁体層を形成するようにしたの
で、電極と絶縁体どちらの上でも連続的に自己組織化分
子配列が成長可能になる。
路網の上にごく薄い絶縁体層を形成するようにしたの
で、電極と絶縁体どちらの上でも連続的に自己組織化分
子配列が成長可能になる。
【図１】本発明の実施例を示す分子集積回路素子の要部
断面図である。
断面図である。
【図２】本発明の実施例を示す２Ｄ分子が配列されてい
ない状態の分子集積回路素子の斜視図である。
ない状態の分子集積回路素子の斜視図である。
【図３】本発明の実施例を示す２Ｄ分子が配列された状
態の分子集積回路素子の斜視図である。
態の分子集積回路素子の斜視図である。
【図４】本発明の実施例を示す分子集積回路素子の製造
工程断面図である。
工程断面図である。
【図５】本発明の実施例を示すＡｕナノ粒子／有機ジチ
オール分子複合体の模式図である。
オール分子複合体の模式図である。
【図６】本発明の実施例を示す平坦電極上でのＡｕナノ
粒子／有機ジチオール分子複合体の模式図である。
粒子／有機ジチオール分子複合体の模式図である。
【図７】表面と分子の軌道相互作用を示した模式図であ
る。
る。
【図８】単一分子電気伝導と従来の有機伝導体との差異
を示す図である。
を示す図である。
【図９】単一分子を電極に接合した系の概念図である。
【図１０】ベンゼンジチオール分子の両端を２つの電極
に接続して、バイアス電圧をかけたときの状態密度の計
算結果を示す図である。
に接続して、バイアス電圧をかけたときの状態密度の計
算結果を示す図である。
【図１１】様々なπ電子系鎖状分子を示す図である。
【図１２】π電子系直鎖状分子のＳＴＭ測定の模式図で
ある。
ある。
【図１３】極めて速い電子移動速度を示す分子の図であ
る。
る。
【図１４】チオフェン骨格に誘導体を導入してエネルギ
ーギャップを下げる試みを示す図である。
ーギャップを下げる試みを示す図である。
【図１５】共役系で結合されたポルフィリン分子を示す
図である。
図である。
【図１６】完全共役ポルフィリン分子を示す図である。
【図１７】メソ−メソ結合ポルフィリン多量体を示す図
である。
である。
【図１８】ポルフィリン２１量体を示す図である。
【図１９】分岐を持つ分子ワイヤーを示す図である。
【図２０】分子スイッチ動作を行うロタキサン分子を示
す図である。
す図である。
【図２１】分子シャトルを示す図である。
【図２２】シクロデキストリンネックレスを示す図であ
る。
る。
【図２３】ＤＮＡ電気伝導度研究の現状を示す図（塩基
配列、コンホメーション、ｐＨ、電極／ＤＮＡ界面、局
所効果）である。
配列、コンホメーション、ｐＨ、電極／ＤＮＡ界面、局
所効果）である。
【図２４】ＤＮＡテンプレートを利用したＡｇナノワイ
ヤーを示す図である。
ヤーを示す図である。
【図２５】走査トンネル顕微鏡の原理を示した模式図で
ある。
ある。
【図２６】自己組織化膜に埋め込んだ直鎖分子の電気伝
導度の評価方法を示す図である。
導度の評価方法を示す図である。
【図２７】分子内トンネル確立の画像化と電気伝導測定
の方法を示す図である。
の方法を示す図である。
【図２８】バリア高さ測定を用いた分子−表面間電荷移
動量の評価方法と実例を示す図である。
動量の評価方法と実例を示す図である。
【図２９】ポルフィリンアレイの構造とＳＴＭ像を示す
図である。
図である。
【図３０】完全共役ポルフィリンのＳＴＭコラゲーショ
ンのバイアス依存性を示す図である。
ンのバイアス依存性を示す図である。
【図３１】完全共役ポルフィリンのＳＴＭ像と実効トン
ネル障壁像を示す図である。
ネル障壁像を示す図である。
【図３２】非接触原子間力顕微鏡によるＳｉ（１１１）
７×７表面の原子像観察結果を示す図である。
７×７表面の原子像観察結果を示す図である。
【図３３】非接触原子間力顕微鏡（Ｎｏｎ−ｃｏｎｔａ
ｃｔ ＡＦＭ）の原理図である。
ｃｔ ＡＦＭ）の原理図である。
【図３４】水晶振動子制御ヘテロダイン位相同期ループ
を用いた周波数シフト検出回路を示す図である。
を用いた周波数シフト検出回路を示す図である。
【図３５】タッピングモードＡＦＭとノンコンタクトＡ
ＦＭの比較を示す図である。
ＦＭの比較を示す図である。
【図３６】ＳＴＭとノンコンタクトＡＦＭの同時測定を
示す図である。
示す図である。
【図３７】非接触モードとタッピングモードの分解能比
較を示す図である。
較を示す図である。
【図３８】ミニチップの影響を示す図である。
【図３９】真空噴霧法による試料作製および電界マイグ
レーション法による探針作製を示す図である。
レーション法による探針作製を示す図である。
【図４０】非接触原子間力顕微鏡によるＤＮＡの高分解
能画像と二重らせん周期の分布を示す図である。
能画像と二重らせん周期の分布を示す図である。
【図４１】種々の測定モードによるＤＮＡ鎖の高さ測定
の結果を示す図である。
の結果を示す図である。
【図４２】ＤＮＡのトポグラフとバリア高さ像の同時測
定を示す図である。
定を示す図である。
【図４３】ＤＮＡおよび緩衝材分子（ＥＤＴＡ）凝集体
の非接触原子間力顕微鏡と走査トンネル顕微鏡の同時測
定結果を示す図である。
の非接触原子間力顕微鏡と走査トンネル顕微鏡の同時測
定結果を示す図である。
【図４４】走査トンネル顕微鏡によるＤＮＡ分子観察の
ときのコントラストメカニズムを示す図である。
ときのコントラストメカニズムを示す図である。
【図４５】走査プローブ顕微鏡で明らかになったＤＮＡ
の構造と電子状態を示す図である。
の構造と電子状態を示す図である。
【図４６】ナノスケール絶縁体を用いた単一分子電気伝
導度測定の様子を示す図である。
導度測定の様子を示す図である。
【図４７】Ｃｕ（１１１）表面に成長したナノスケール
絶縁体ＣａＦ2 のＳＴＭ像を示す図である。
絶縁体ＣａＦ2 のＳＴＭ像を示す図である。
１，１１ シリコン（Ｓｉ）基板
２，１２ 酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）膜
３ Ａｕ電極
４ 極薄絶縁膜
５ 分子吸着規制パターン（ＳｉＯ2 膜）
６ ２Ｄ分子配列を行わせるための凹所
７ 自己組織化分子配列（２Ｄ配列）
８ 配列分子中の情報の流れ
９ 分子配列とＡｕ電極とのトンネル結合
１３ トレンチ
１４ 金属電極材料
１５ 完全フラット微細回路網
１６ ２Ｄ分子
２１ Ａｕナノ粒子
２２ 有機ジチオール分子
２３ 平坦電極上でのＡｕナノ粒子／有機ジチオール
分子複合体
分子複合体
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 小川 琢治
愛媛県松山市土居田町658−305
(72)発明者 松井 真二
兵庫県姫路市御立西５丁目８−９
Claims (5)
- 【請求項１】 自己組織化する分子が配置される０．５
ｎｍ以下の平坦度を有する基板表面に、１ｎｍ以下の絶
縁膜と金属電極とを形成し、その上に分子を配列させる
とともに、前記金属電極と前記分子の導通はトンネル効
果を用いて行うことを特徴とする分子集積回路素子。 - 【請求項２】 請求項１記載の分子集積回路素子におい
て、前記基板はＳｉであり、前記絶縁膜はＳｉＯ2 また
はＡｌ2 Ｏ3 であることを特徴とする分子集積回路素
子。 - 【請求項３】 請求項１記載の分子集積回路素子におい
て、前記金属電極はＡｕであることを特徴とする分子集
積回路素子。 - 【請求項４】 シリコン基板を酸化して５０ｎｍ程度の
酸化膜を形成し、１０ｎｍ程度の分子サイズのトレンチ
を形成し、スパッタでＡｕを埋め、Ａｒガスクラスター
イオンエッチングにより、０．５ｎｍ以下の平坦化処理
を行うことを特徴とする分子集積回路素子の製造方法。 - 【請求項５】 請求項４記載の分子集積回路素子の製造
方法において、前記シリコン基板をエタノール等を溶媒
とした有機ジチオール溶液に浸漬し、Ａｕナノ粒子の有
機溶媒分散体を添加し、Ａｕナノ粒子／有機ジチオール
分子複合体を自己組織化で形成することを特徴とする分
子集積回路素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002064264A JP2003264326A (ja) | 2002-03-08 | 2002-03-08 | 分子集積回路素子及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002064264A JP2003264326A (ja) | 2002-03-08 | 2002-03-08 | 分子集積回路素子及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003264326A true JP2003264326A (ja) | 2003-09-19 |
| JP2003264326A5 JP2003264326A5 (ja) | 2004-11-04 |
Family
ID=29197141
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002064264A Pending JP2003264326A (ja) | 2002-03-08 | 2002-03-08 | 分子集積回路素子及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003264326A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005210107A (ja) * | 2003-12-26 | 2005-08-04 | Sony Corp | 半導体装置及びその製造方法 |
| WO2005119206A1 (ja) * | 2004-06-02 | 2005-12-15 | Japan Science And Technology Agency | 振動子の光励振ｑ値コントロール方法および装置 |
| JPWO2006046521A1 (ja) * | 2004-10-25 | 2008-05-22 | 松下電器産業株式会社 | 電子デバイスおよびその製造方法、ならびにそれを用いた電子機器 |
| JP2009231313A (ja) * | 2008-03-19 | 2009-10-08 | Sumitomo Chemical Co Ltd | 電子素子 |
| JP2014045126A (ja) * | 2012-08-28 | 2014-03-13 | Toshiba Corp | 機能素子の製造方法および製造装置 |
-
2002
- 2002-03-08 JP JP2002064264A patent/JP2003264326A/ja active Pending
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| JP5197960B2 (ja) * | 2004-10-25 | 2013-05-15 | パナソニック株式会社 | 電子デバイスおよびその製造方法、ならびにそれを用いた電子機器 |
| JP2009231313A (ja) * | 2008-03-19 | 2009-10-08 | Sumitomo Chemical Co Ltd | 電子素子 |
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