JP2003530610A - 分子コンピュータ - Google Patents

分子コンピュータ

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Abstract

(57)【要約】 分子コンピュータは、間隔を置いて設置された入力ピン（１２）と、反対側の出力ピン（１４）とアレイを設け、溶液中のモルウェア（１６）をコンテインメント中に注入し、モルウェアが入力ピンと出力ピンとの間をブリッジすることによって形成される。モルウェアは、分子アリゲータクリップ支承２端子、３端子および４端子またはマルチ端子ワイヤ、炭素ナノチューブ・ワイヤ、分子共鳴トンネルダイオード、分子スイッチ、外部の電場または磁場により制御される分子コントローラ、ナノメータ・サイズ粒子に基づく大量相互接続ステーション、分子コントローラ／ナノ粒子またはフラーレン混成から構成されるＤＲＡＭまたはＳＲＡＭ構成要素を含む。入力と出力アレイとの間をブリッジして得られる電流−電圧特性は、コンピュータの特定の機能のための真理値表を提供する、入力と出力の組を識別するための別のコンピュータを使用して確認することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （優先権の供述） １９９９年１月２１出願の米国仮特許出願第６０／１１６７１４号の優先日の
特典を主張し、それを参照により本明細書に組み込む。
【０００２】 （発明の属する技術分野） 本発明は、一般にコンピュータ・アーキテクチャに関し、より詳細には、分子
を機能単位（例えば論理ゲートおよびメモリ・セル）として使用するコンピュー
タに関する。
【０００３】 （発明の背景） コンピュータ技術における社会による投資は、その増加率およびその範囲の両
方において目ざましいものであった。３０年もしないうちに、例えばパーソナル
・コンピュータは、実験的なプロトタイプからビジネスに不可欠なツールとなっ
た。より一層多くの仕事を実行するための、より一層高い機能を有するコンピュ
ータに対する要求は、衰えていない。これまで、より高機能なコンピュータは、
他の改良の中でもとりわけ、小型化を図ることによって得られてきた。
【０００４】 しかし現在、我々は、近未来のコンピュータへのニーズに対応可能な技術を持
っていない。Ｍｏｏｒｅの法則（現時点では正確な経験則）により、コンピュー
タの能力が１８カ月ごとに２倍になることが予測されるが、この傾向を継続させ
ることは困難である。デジタル・コンピュータは、現在シリコン技術に基づいて
いる。より正確には、超大規模集積回路（ＶＬＳＩ）は、リソグラフィの技術で
あり、シリコンは実際に非常に重要であるが、Ｍｏｏｒｅの法則は本質的にリソ
グラフィ駆動である。おそらく、集積回路製造工場のコストが途方もないものと
なり、ＶＬＳＩベースのコンピュータ・システムの成長が終結することになる２
００５年頃までには、収量漸減の法則により、最終的にＭｏｏｒｅの法則は打ち
破られることになる。
【０００５】 標準の論理およびメモリ・タスク以外の、理想的なポストＶＬＩＳコンピュー
タ・システムのために選ばれる可能性のある技術は、例えば有向自己アセンブリ
を構築するための、非リソグラフィ的手法を使用するものであり、その結果莫大
な冗長度を有するか、それともシステムが動的障害低減を介して耐障害性を有す
るかのいずれかとなる。そのようなコンピュータについての別の特性は、自己再
構成可能であること、すなわち、そのようなコンピュータが、入力に応答して相
互接続を動的に再構成することができるべきであり、さもなければ相互接続に対
する絶え間ない要求の犠牲となることになる。最終的に、このポストＶＳＬＩコ
ンピュータは、革新的、すなわち以前には経験したことのない、アーキテクチャ
へと形を変えることを可能ならしめる。
【０００６】 したがって、新しいコンピュータ技術にとって、自己組み上げ構造と、容易に
変えることができる、より高い処理能力という利点を提供する必要性が依然とし
て残されている。
【０００７】 （発明の概要） 本発明の分子コンピュータは、多数の入力ピンと、多数の出力ピンとをその外
面上に有する装置である。その内部は、入力と出力とをブリッジする、「モルウ
ェア（ｍｏｌｅｗａｒｅ）」と呼ばれる、特に選択され、適合された分子の自己
アセンブルアレイからなる。当初、本発明のコンピュータは、ブランク状態にあ
る。すなわち、入力と出力ピンとの間の電気的信号転送関係について、何も知ら
ない状態である。電圧が、入力の各一連の組に対して印加される。出力も組で検
索され、どの出力がそれを介して走行する信号を有するかが判定される。その検
索を行うためのコンピュータを使用して、コンピュータについての真理値表また
は部分真理値表を構成するために使用することができる入力および出力の組のセ
ットが、最終的に識別されることになる。電場または磁場を、容器を横切って印
加し、構成の可能性を向上させることもできる。
【０００８】 本発明は、好ましい実施の形態において、例えば１０００個の金属入力（ｍ）
、１０００個の出力（ｎ）および１００個の異なる学習入力（ｌ）を含む１立方
センチメートルの箱の形態をとることができる。この箱は、分子アリゲータクリ
ップ支承２端子、３端子および分子４端子ワイヤ、分子共鳴トンネル・ダイオー
ド、分子スイッチ、外部電場または磁場を介して制御することができる分子コン
トローラ、単一ナノメータ・サイズ粒子に基づく大量相互接続ステーション、分
子コントローラ／ナノ粒子またはフラーレン混成から構成される動的または静的
ランダム・アクセス・メモリ（ＤＲＡＭまたはＳＲＡＭ）構成要素を含む、１０20 個の事前設計能動および受動構成要素（「モルウェア」）のインテリジェント
自己アセンブルアレイを含むことになる。さらに、この分子コンピュータは、形
成された後は、電気化学的に誘導された、ナノ粒子の相互接続による新しい相互
接続経路によって、またはフィールドプログラム可能なゲート・アレイ（ＦＰＧ
Ａ）の操作に類似した、大きい誘導場を介して構成要素を「バーンアウト（ｂｕ
ｒｎｉｎｇ ｏｕｔ）」することによって、さらに修正することができる。これ
らの分子コンピュータのアレイを基に、標準的な相互接続方法を使用して結合す
ることにより、大量分子コンピュータ・アレイを形成することができる。
【０００９】 この分子コンピュータは、いくつかの利点を有する。 この分子コンピュータは、教え込むことができる。このシステムは、一貫性が達
成されるまで操作入力を変えることにより、強制的に所与の入力に対して正しく
出力させることによって訓練することができる。入力の関数としての出力を自動
検証することができる。
【００１０】 この分子コンピュータは、再構成可能である。連続した再訓練、または特定の
機能のバーニングアウトによって、システムを変更することができる。
【００１１】 この分子コンピュータは、論理機構を所有することができる。分子コンピュー
タに対する真理値表は、演繹的には知ることはできないが、用意した後に決定可
能であるか、または自己アセンブリが生じたときに同時進行で決定可能である。
【００１２】 この分子コンピュータは、メモリを所有することができる。分子制御要素で被
覆されたＣｄＳまたはＣｄＳｅまたはコントローラ要素によって囲まれたＣ60、
さらにはかなり大きなクーロン遮断を示すような十分小さいナノメートル・スケ
ールの金属粒子などの半導体ナノ粒子が、予め形成され、次いでそれ自体を、こ
の分子コンピュータのネットワークの部分としてアセンブルすることが可能とな
るか、またはそれが誘導されることになる。電磁場が印加された状況では、コン
トローラが開き、それによって半導体または金属粒子が電荷を格納することが可
能となり、したがってＤＲＡＭまたはＳＲＡＭの構成部品として動作することに
なる。
【００１３】 この分子コンピュータは、その端子（入力、出力、および学習入力）を再書き
込み制御リードとして使用することができるので、本質的に非常に高い耐障害性
を有する。したがって、この実施の形態は、その端子で作製することができる多
数の機能を利用する。例えば、２進演算に対しては、１０００個の入力によって
２1000個の可能な入力の組み合わせが生じる。したがって１０００個の可能な出
力を用いて、合計１０32256000..........0000個の組み合わせが生じる。ただし
指数の桁数は３０４桁である。
【００１４】 このシステムは、動的障害低減機能を有する。相互接続構造が固定しているＶ
ＬＳＩとは異なり、この分子コンピュータは、再プログラムし、望ましくない作
動不能なフラグメントをなくすことができる。相互接続のトポロジーは、再プロ
グラミングが望まれる分子コンピュータの領域に、十分強力なフィールドを印加
することによって、いつでも再配線することができるからである。
【００１５】 このシステムは、拡張のために自身を貸与する。前述の好ましい実施の形態に
よる分子コンピュータのアレイは、標準の相互接続方法を使用して形成すること
ができ、大量コンピュータ・アレイが形成される。
【００１６】 例えばアナログまたはマルチレベル（半アナログ）システムなど、２進デジタ
ル・モード以外でこのコンピュータをプログラムすることも可能である。この場
合、おそらくプログラミングは、より難しいものとなる。しかし、データ記憶域
が著しく増大し、そのデータ記憶域によって、あるアプリケーションに対しては
プログラミングの難問が許容可能となる。
【００１７】 本発明の好ましい実施の形態に係る分子コンピュータの設計では、製造したモ
ルウェアのうち非常に大きい割合で欠陥があることが考慮に入れられる。したが
って、試験は、より広範囲になり、製造およびアセンブリにおいて多段に行われ
ることになる。本発明にしたがって作製された分子コンピュータは、個々に、定
位置でテストされることになる。入力ピンと出力ピンとの間の関係を速やかに選
び出すための計算的要求のために、試験は、当初は高速コンピュータまたはスー
パーコンピュータで、最終的には、この分子コンピュータで実行されることが好
ましい。
【００１８】 本発明の重要な特徴は、分子からコンピュータを作製する他の手法とは異なり
、ナノメータ・サイズの分子要素の特定の配置を必要としないことである。モル
ウェアは、単にバルクで希薄溶液中に追加され、入力と出力との間にリンクまた
は「ブリッジ」を形成する機会が与えられる。自己アセンブリの後、過剰の溶液
が除かれ、モルウェア構成要素が残る。加えて、分子が、その中で自己アセンブ
ルする容器中に蒸発する蒸発プロセスを使用して、モルウェアを挿入することが
できる。モルウェアは選択され、通常の動作条件の間は定位置に残る安定したリ
ンクを形成するように適合される。次いで分子コンピュータは、必要な関係を有
する生成された入力および出力を有する。どの入力ピンのグループが、どの出力
ピンに、何の関係を有するかを見つけるという別のコンピュータのタスクが残る
。入力と出力ピンとの関係が識別されると、次いでコンピュータを、モルウェア
が注意深く置かれた場合と同じように、確実に使用することができる。
【００１９】 本発明の別の重要な特徴は、このモルウェアが、現在の集積回路と同程度に電
圧を転送できるので、分子コンピュータを現在の電子装置中に一体化するのに必
要な適合が簡単であることである。
【００２０】 本発明の別の重要な特徴は、非常に耐障害性があることである。入力と出力と
の間で可能な莫大な数の分子パスがあるので、そのうちの非常に大きな割合が機
能しない場合でも問題ではないことになる。それらのうちの十分な量が真理値表
を見つけることが可能となるように機能することになる。
【００２１】 本発明の別の重要な機能は、単にモルウェア自体の再整列を引き起こす電場ま
たは磁場にさらすことによって、入力と出力との間のブリッジング中の接続を増
加させ、変更し、または中断するように再構成することができることである。こ
れらの場は、容器中の全てのモルウェアに影響を与えないように、十分に局所的
にすることができる。
【００２２】 本発明の別の特徴は、各コンピュータが一意であり、入力と出力との間の必要
な関係が見つかった後、全てを同じ機能を実行するように「訓練する」ことがで
きることである。
【００２３】 他の特徴とその利点は、以下の図面を基にした、好ましい実施の形態に関する
詳細な説明を注意深く読むことによって、ナノ技術および分子コンピュータの分
野の技術者には明らかとなろう。
【００２４】 （好ましい実施の形態の詳細な説明） 図１Ａおよび１Ｂに、本発明の好ましい実施の形態に係る分子コンピュータの
構成を示す。このコンピュータは、入力ポート１２および出力ポート１４（Ｉ／
Ｏポート）を有する容器１０の形態で示されているコンテインメントならびにコ
ンテインメントの内部に組み立てられたモルウェア（ｍｏｌｅｗａｒｅ）１６を
備える。入力ポート１２および出力ポート１４にアクセスできるものである限り
、容器１０の形状は重要でない。容器１０を横切って、電流または電界勾配１８
を印加することができる。さらに、モルウェアがＩ／Ｏ位置間で横方向に枝分か
れする、チップ・ベースの２次元構成を使用することもできる。用語「モルウェ
ア」は、コンピューティング装置の一部として機能するナノメートル・スケール
（直径１０００ナノメートル未満）の物体、すなわちナノメートル・スケールの
コンピュータ「ハードウェア」を意味する（図１Ｂ参照）。モルウェアは、一般
に、特定の特性のために選択され特定の方法で相互接続するように適合された分
子、分子の集合体、原子の微小集合体およびこれらの組み合わせから成る。モル
ウェアは、標準化学実験容器内の好ましくは希薄溶液中で前もってアセンブルさ
れ、モルウェアが入力ポートと出力ポートをブリッジすることができるように制
御された順序で、コンテインメントに注入される。入出力ピンの支持マトリック
スは、基板、例えばガラスまたはシリコン製基板上に製作された直線構成の２次
元または３次元格子とすることができる。ただし基板を用いない方法も可能であ
る。３次元格子は、多層製作および微小電気機械リリース構造を使用して形成す
ることができ、モルウェアは蒸着によって付着させることができる。
【００２５】 このコンピュータは、名目上、１０００本の入力および１０００本の出力金属
リードを有する、１立方センチメートルのコンテインメントから製作することが
できる。コンピュータの正確な形状およびリードの数は重要ではない。例えば、
全てのリードをコンテインメントの同じ側に取り付けることができる。モルウェ
アは、予め指定された約１０20個の能動および受動構成要素から成る知的に組み
立てられたアレイを含む。本明細書ではこれを「モルウェア」と呼び、分子アリ
ゲータクリップを有する２端子ワイヤ３０；分子共鳴トンネル・ダイオードを有
する２端子ワイヤ３２；量子井戸が組み込まれた２端子ワイヤ３４；３端子ワイ
ヤ３６；分子共鳴トンネル・ダイオードを有する３端子ワイヤ３８；分子共鳴ト
ンネル・ダイオードを有する４端子ワイヤ４０（ダイオードを有するものだけを
図示した）、外部の周囲の電界により調整することができる分子コントローラ４
２、単一の金または銀ナノパーティクルに基づく塊状相互接続ステーション４４
、不活性雰囲気、好ましくはアルゴンまたは窒素中の分子コントローラ／ナノパ
ーティクルまたはフラーレン・ハイブリッドを含むＤＲＡＭ構成要素４６を含む
。さらに、この分子コンピュータは形成後に、電気化学的に誘導されたナノパー
ティクルの相互接続による新たな相互接続ルートによって、またはフィールド・
プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）の動作と同様に、誘導された大き
な電界による構成要素の「バーニングアウト（ｂｕｒｎｉｎｇ ｏｕｔ）」によ
って変更することができる。また、入力ピンから出力ピンへのブリッジの追加、
削除および変更によって、入力ピンと出力ピンの間の関係の選択を変更する。
【００２６】 このシステムは初め、所与の入力に対して概ね意味のない出力を与えるランダ
ム相互接続を有するブランク状態にある。次いでこのシステムを訓練する。すな
わち、安定が得られるまで入力ｌを変化させることによって、所与の入力ｍに対
して正しい出力ｎ（すなわちｎ（ｍ）関数）を強制し、これによって新しい論理
関数を教え込む。自己再構成可能性を目指すことは、詳細再構成の制御を犠牲に
することを意味する。入力と出力の間の正しい関係を与えるのに、正確な相互接
続構造を知る必要はない。こうすることで、このシステムは分子コンピュータと
して機能する。さらに、このシステムが２進モードで動作する必要は必ずしもな
い。例えば、１６進またはアナログ・モードを使用すれば、増加するプログラミ
ング要求は犠牲になるかもしれないが、情報記憶密度は著しく増大する。
【００２７】 アセンブリングの間に、このコンピュータはＩ／Ｏリードを使用して接続され
る。アセンブル工程後、コンピュータは、通常のリソグラフィ配線による、この
分子コンピュータの金属の入出力ピンを介してインタフェースされる。それぞれ
の論理構成要素に対して、所望の動作の使用可能な真理値表が得られるまで、Ｉ
／Ｏ決定ルーチンが実行される。試験する個々の単一ビットＩ／Ｏコンビネーシ
ョンの数を減らすため、Ｉ／Ｏ試験を一括し、それによってＩ／Ｏ試験の組合せ
の数を減らし、一方で、単一の故障位置を克服する機会を増やすことができる。
サブサーキットを一括に試験して、単一故障位置を決定することができる。
【００２８】 信号しきい値および応答曲線に関連した数値パラメータの近似を可能にし、動
作中のモルウェアの性能のソフトウェア・モデルを開発および改良するために、
より複雑なアナログ応答を測定することもできる（必要に応じてハイブリッド・
オンチップ・マルチプレクサを組み込むことができる）。この方法によって、動
作中の構成要素の歩留りが高まるように、モルウェア製造を調整することができ
る。
【００２９】 分子コンピュータのプログラミングでは、そのアーキテクチャ、特に、(i)非
常に多数の構成要素、(ii)可変のアセンブリング工程および(iii)部分的に機能
するだけのいくつかの構成要素の組込み、を考慮に入れる。
【００３０】 多数の構成要素が、分子コンピュータによる実行に対してキーとなる機能モジ
ュールが決定され、分離されるモジュラ・プログラミング法を指図する。これら
のモジュールは訓練され試験される。分子コンピュータの可変アセンブリングは
、対応するプログラミングにおける柔軟性を可能にする。例えば、記憶能力を比
較的大きくしたい場合には、アセンブリング工程中に、より多くの半導体ナノパ
ーティクル／コントローラ（ＤＲＡＭ）要素を結合する。第２に、ＦＰＧＡと同
様に、マクロスコピック・フィールド・プログラマブル・アレイを用いて、現在
行われているように、バーニングアウト法によって、特定の要素を結線して最終
的なシステムとすることができる。第３に、例えばピロールを加え、ポリピロー
ル成長のための電位を適用することにより、ナノパーティクル間に新たなワイヤ
相互接続を形成することによって、電気化学的に誘導されたナノパーティクルの
ブリッジにより、新たな相互接続ルートを達成することができる。
【００３１】 このシステムは、真理値表パターンが定義された後にプログラム可能なソフト
ウェアであるが、その一部分が部分的に機能するだけである構成要素の組込みは
、この分子コンピュータのプログラミングに、動的故障の検出を提供することを
要求する。このソフトウェアは、故障した構成要素を進行中に検出する能力を必
要とし、プログラミングは、他の構成要素によって故障した構成要素を迂回する
ことができるようにする必要がある。採用可能な誤り回復プログラミング技法の
文献は多数ある。故障の効率的な検出および修復を容易にするため、故障回復の
ためのソフトウエア・アーキテクチャは、階層構造を用いて設計することができ
、信頼できる構成要素に計算を再割当てする方法を採用することができる。
【００３２】 この分子コンピュータは、ＲＴＤ、ＤＲＡＭなどの分子構成要素ならびに分子
ワイヤおよび接合に基づく分子レベル相互接続として定義されたモルウェアを事
前に製作することによって、ＶＬＳＩコンピュータの欠点を克服する。事前製作
は、インテリジェント自己アセンブリング方法によって達成される。この明細書
において、「インテリジェント（ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ）」とは、予め形成さ
れた分子構成要素を使用すること、およびそれぞれの構成要素の追加の順序（一
般に分子ワイヤ、ナノパーティクル、障壁を有するワイヤを含む分子ワイヤの順
）が分かっていることを意味する。このように、所望ならば、同じモルウェア追
加順序を使用して、同様の分子コンピュータを構築することができる。しかし、
生物の脳と同様に、全く同じ分子コンピュータは２つとしてない。
【００３３】 図２Ａ、図２Ｂおよび図３にコンテインメントおよびピン・アレイを示す。分
子コンピュータの容器５０は、基板上に、２Ｄ直線Ｉ／Ｏ格子５２を含むか、ま
たは２Ｄ直線Ｉ／Ｏ格子５２から直接的に製作することができ、一辺を約１セン
チメートルとすることができる。当初は、モルウェアを含む有機溶液を注入する
ポート５４がある。それぞれの面には、１０００本の入力および出力ピン６０が
あることが好ましい。入力１２および出力１４に対しては、ピンを任意に組み合
わせることができる。このＩ／Ｏルートを特定の機能に対して設計したとおりに
交換することができる。ピンの内側部分６２は、インテリジェント自己アセンブ
リングプロセスにおける最初のモルウェア構成要素への結合部位、または分子コ
ンピュータ中に延びる多分枝電極（ツリー）である。より多くの状態を提供する
ため、多分枝３Ｄ電極は、複雑な核形成トポロジを形成する交替領域および恐ら
く非周期的領域を有することができる。アセンブリングの完了後、最初のポート
５４は密封することができる。各種の電極の問題（金属、間隔など）は、それほ
どの実験を経なくとも当業者の能力の範囲にあり、候補分子コンピュータ・モル
ウェアを有するミクロ製作された２Ｄチップ上で決定することができる。
【００３４】 周囲に沿ってまたは容器中に、ＤＲＡＭセグメントを制御するフィールド勾配
を導入することができる。より高い勾配が使用されるとき、フィールド勾配は、
ボックスの内部を走るマクロスコピック・リードによって適用される。最初、こ
れらは、モルウェアの足場（ｓｃａｆｆｏｌｄｉｎｇ）を提供する組み込まれた
絶縁多分枝３Ｄ電極である。
【００３５】 図４から図１１に、アリゲータクリップ、分子ワイヤおよびナノパーティクル
ならびに本発明で使用するその他のモルウェアへのそれらの結合を示す。バナジ
ウム７２の空ｄz 2軌道および表面充満帯と相互作用するイソシアネート端子を有
する１つのタイプの分子ワイヤ、すなわちワイヤ７０を図４に示す。図５は、端
子として使用する他の２つの金属錯体、すなわち四面体錯体７４および正方形ピ
ラミッド形錯体７６を示す。四面体錯体７４の「Ｍ」はバナジウム、ニオブまた
はタンタルとすることができ、正方形ピラミッド形錯体７６の「Ｍ」はモリブデ
ンまたはタングステンとすることができる。図６は、両端に「アリゲータクリッ
プ」８２（「Ｚ」は例えばＳＨ、ＳｉＣｌ3、ＮＶ（ＳＨ）3）を有し、ワイヤ８
０の長さに沿って可溶化基８４（「Ｒ」は例えばＣ12Ｈ25）が結合された分子ワ
イヤ８０を示す。「アリゲータクリップ」は、伝統的な電子機器で、ワイヤを端
子に接続するのに使用されるばねバイアスされたマクロスコピック「ワニ口」ク
リップに似た、構成要素を相互に結合するデバイス（ここでは分子）を意味する
。
【００３６】 この分子ワイヤは、アリゲータクリップとなるチオール端子を含むオリゴ（フ
ェニレンエチニレン）もしくはより導電性の平面オリゴマー・セグメントまたは
炭素もしくは関連するナノチューブ構造から構築される。このワイヤの長さ、官
能性、端子の数などはさまざまに変更することができる。これらのシステムのア
ブイニシオ計算および１次元シミュレーションを実施して、分子ワイヤおよび端
子としてのそれらの特性を決定することができる。
【００３７】 制御モルウェア（図１Ｂ）を形成する分子は、必要に応じてフィールドアレイ
によって特定の領域に生み出される、第３の電極フィールドによって調整された
ときに、多少なりとも電流を流すことができる分子である。金、白金および銀、
またはこれらの組合せは、モルウェア・アセンブリの塊状相互接続に対する優れ
たステーションとなり、これによってその内容をより導電性にし、ネットワーク
に似た動作を提供する。２官能分子ワイヤを使用した自己アセンブリング技法を
使用して、デバイス電極および選択されたサイズの「裸の（ｂａｒｅ）」金属粒
子に粒子を電気的に接続し、幾何形状が制御された導電性ネットワークを形成す
る活性表面化学基で、粒子をキャップすることができる。このキャッピング段階
でコントローラ分子を使用すると、外部電界が印加されたときに、ネットワーク
線にスイッチング能力が追加される。
【００３８】 ＣｄＳ、ＣｄＳｅなどの半導体ナノパーティクルまたはフラーレンを使用し、
それらの表面にコントローラ分子を付着させること（図８）によって、ナノパー
ティクルまたはフラーレンを、印加されたフィールドの存在下で充電し、フィー
ルドが低減したときに、その電荷を維持するスイッチング可能なキャパシタとし
て機能させることができる。
【００３９】 Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、ＳｉＯ2などの絶縁性酸化物の表面を、導電性金属粒子に
選択的に相互接続する化学基でキャップする（図９）。これらの酸化物粒子は、
したがって回路中の高インピーダンス抵抗として機能する。自己アセンブリング
混合物中の絶縁粒子の割合を制御すれば、パーコレーションしきい値の限界まで
、回路接続の総数を制御することができる。この限界に近づけると、デバイス中
の個々のＩ／Ｏポート間の電圧電流特性に対して、極めて高い感度が得られる。
【００４０】 図１２に示すようにモルウェアの構成要素は全て、すなわちワイヤ、ジャンク
ション、ＤＲＡＭなどは全て、容器内でのインテリジェント自己アセンブリィの
前に合成される。後は、必要に応じてこれらを加え、アセンブルするだけでよい
。
【００４１】 例えば、メモリ要素を増やしたい場合には、単純により多くのＤＲＡＭを加え
ればよい。分子キャッピング技法によって、それぞれのタイプのナノパーティク
ルの表面の化学的性質を変化させることにより、分子およびナノパーティクル構
成要素の相対的な相互接続親和性を制御することができる。したがって、分子コ
ンピュータの最終的な構造および機能状態を調整する合理的手段を提供すること
ができる。この方法は、構成要素の相対量の制御、それらの追加順序およびデバ
イスのＩ／Ｏポートの断続的な実時間フィードバック駆動パルシングとともに、
インテリジェント自己アセンブリング法全体のキーを構成する。モルウェアのそ
れぞれの化学種の追加の順序、量、第２および第３の化学種が加えられるまでの
遅延時間が、入力と出力とをブリッジする構造の性質の発現に影響を及ぼすこと
が明らかである。このように形成されるブリッジはさまざまだが、それらの大半
は順序の合理性を反映し、全てのモルウェア化学種を同時に加えた場合よりも、
大きな割合（多い量）で使用できる。フィールド効果構造（電界に基づいて自体
の軌道構造を変化させる分子）もモルウェア構成要素とみなすことができる。
【００４２】 このマイクロコンピュータのモルウェアのアリゲータクリップは、硫黄−セレ
ン−テルル系列の金属接続原子およびイソニトリル、カルボキシラート（チタン
およびアルミニウムの自然酸化物への付着用）、ＳｉＣｌ3（シリコン上の自然
酸化物への付着用）などを使用して製作することができる。あるいは、電子輸送
のための勾配として応答する、金属表面に向かって突き出た低い空軌道を有する
Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、ＭｏおよびＷを使用して、有機遷移金属化学種を作ることがで
きる。パラジウムに結合したときに、その障壁の高さが金に結合したチオールに
比べて１／２になるイソシアニドも有用である。チオールはそれ自体、Ａｕ、Ａ
ｇ、ＧａＡｓ、ＰｔＩｒおよびその他の数多くの金属表面とよく結合する。これ
は、遷移金属原子の空ｄz 2軌道を金属表面中に直接に突き出し、金属充満帯と相
互作用する（図４）。これは、勾配を使用してインピーダンス・ミスマッチ問題
を解決する固体システムの電荷勾配に似たシステムを作るためのユニークな方法
である。
【００４３】 図６に示すように、分子は、官能鎖内で分子が結合するＩ／Ｏ電極およびナノ
コンポーネント、すなわちナノパーティクルと直接に化学接触するために、アリ
ゲータクリップで官能化される。アリゲータクリップ基の化学的性質は、所望の
表面に対する化学結合選択性、結合安定性および有利な電気接合特性に対して最
適化される。アリゲータクリップ基は、以下の結合単位を提供する一組の前駆体
のなかから必要に応じて選択される：ＲＳ−、ＲＳｅ−、ＲＴｅ−、ＲＮＣ−、
ＲＣＯ2−。ただしＲはこの基が結合する分子である。
【００４４】 この前駆体の組は、可能な基に関して良好な柔軟性を与えるが、所望の電極ま
たはナノパーティクル表面のタイプに応じて、ＲＰＯ3Ｈ2、ＲＳｉＯx、ＲＮＨ2 などのその他の基も可能である。これらのさまざまな基は、以前に使用された一
般的なＳベースの基よりもうまくいく。これは、これらのより新しい種類が、過
去に使用されたＡｕ電極の一般的なケースに加え、絶縁体表面への結合を含むか
らである。この拡張には、現状の表面化学の技術だけで十分である。
【００４５】 分子ワイヤは、正確な長さとアリゲータクリップの接続点を有する、十分な可
溶性のオリゴマーから作ることができる。分子ワイヤに適当な材料には、高導電
性の炭素ナノチューブ、平面ポリフェニレン、ポリピリジン、ポリピラジン、ポ
リチオフェンなどが挙げられる。
【００４６】 図７に、２つのナノパーティクル９２を接続する、コントローラ分子９０と、
その２つの状態（「オン」および「オフ）を示す。コントローラ分子９０は電界
によって切り換えられる。印加された電界内の隣接するリング上のドナー／アク
セプタ成分が、この両性イオンを安定化させ、それをより平面にする。このよう
に、印加された電界に対する最初の方向は無関係であり、そのため、形成中のシ
ステムのポーリングは必要ない。この分子は、バイポーラ・スイッチの「オフ」
ポジションに似ている。すなわち無視できるほどの小さな電流が分子鎖を流れる
。しかし電界を印加すると、中心の分子要素が、より小さなバンドギャップを有
するより平らな状態、したがって電流をより流す構成に切り換わる。
【００４７】 平らおよび垂直という用語を文字通りの意味にとってはならない。これらは単
に、前者の構造のほうが後者の構造よりもねじれているということを意味するに
過ぎない。したがって、電子輸送は第２の構造のほうが容易である。これはまさ
に、電子システムに必要とされるものである。ＤＲＡＭシステムは一般に１０-5 秒ごとにリフレッシュされ、したがって、わずかな電子的遅延であっても十分で
あることに留意されたい。最初のビフェニルニトロアミン部分よりも、両性イオ
ン構造の方がより平らな状態にある。しかし、垂直電界成分は両性イオン状態を
安定化させ、これによってこの形態は共鳴形態により大きく寄与する。この形態
になれば、電子通過はより容易になるはずである。たとえ複数の分子がナノパー
ティクルに結合している場合でも、印加された電界内でより平らになっている限
り、電子はナノパーティクル上に捕らえられ、次いで電界が低減され情報が記憶
される。
【００４８】 金、白金および銀ナノパーティクル１００は、モルウェア・アセンブリの塊状
相互接続の優れたステーションを提供し、これによってその内容をより導電性に
し、ネットワークに似た動作を提供する。図８に最もよく示されているように、
２官能分子ワイヤ１０２を使用した自己アセンブリング技法を使用して、活性表
面化学基１０４で、ナノパーティクル１００をキャップすることができる。この
活性表面化学基１０４は、デバイス電極１０６およびコンテインメントの内部に
加えられた選択されたサイズの「裸の」金属粒子に、ナノパーティクルを電気的
に接続する。このようにして、幾何形状が制御された導電性ネットワークが形成
される。。このキャッピング段階でコントローラ分子を使用すると、外部電界が
印加されたときに、ネットワーク線にスイッチング能力が追加される。これには
、ナノメートル・スケールの構成要素を、さまざまな構成要素がさまざまな方法
で相互接続されたストリングまたはネットワークに、自己アセンブルさせること
が必要である。基本的な構成要素は、ワイヤとコントローラの両方を含む複数の
アリゲータクリップ分子および金属、半導体および絶縁体から作られたナノパー
ティクルを含む。最も単純な構造は、半導体などから形成され、２官能分子ワイ
ヤによって電極に結合されたナノパーティクルである。ベース電極と近くの電極
の間にフィールドが印加されたとき、この構造は、電荷が半導体粒子に引き込ま
れた（または引き出された）キャパシタとして機能する。より複雑な線状ストリ
ングは、フィールドによって活性化されたコントローラ分子および半導体ナノパ
ーティクルを含む。電極間に適正に接続され、局所場が変化するように配置され
た場合に、これらの構成要素は、このストリングに高度な特性を与えることがで
きる。このようなストリングまたは３次元ネットワークは、ｉｎ−ｓｉｔｕで、
Ｉ／Ｏ電極に接続された部分を有するように形成される。
【００４９】 ナノパーティクル１００は、必要に応じて〜１．５ｎｍから〜５００ｎｍのさ
まざまなサイズで合成される。図９に示すように、表面は、相互接続を容易にす
るさまざまな化学接続分子１０８によって活性化される。最終的なハイブリッド
・アセンブリは、活性化された構成要素を非水性溶液中で単純に混合することに
よって作られる。金属ナノパーティクルは主に金から作られ、確立された方法を
使用して、制御されたサイズに合成される。Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇなど、他の同種の
導電性金属を使用することも可能である。
【００５０】 ＲＳ−、ＲＳｅ−、ＲＴｅ−、ＲＮＣ−などの分子の結合には、現行の結合化
学技法を使用する。Ｒは接続分子１０８であり、表面結合および接合インピーダ
ンスを最適化するように選択されたバリエーションを有する。Ｐｔに対しても同
じ基を使用することができる。ナノパーティクル１００は水性溶液中で最も簡単
に作られる。しかし、ハイブリッド構造をアセンブルする場合には、分子の溶解
度を最大にするために、非水性条件を使用しなければならない。これは、短い可
溶化アルカンチオレート鎖（〜Ｃ4Ｈ9−）またはキャップされた構造を形成する
その他の配位基を用いて、ナノパーティクル表面を予め官能基化することによっ
て実施される。これらの部分は、ＴＨＦなどの適当な有機溶媒に移され、その中
で、ナノパーティクル上のホスト・アルカンチオレート表面のマトリックスに挿
入することによって、分子ワイヤまたはスイッチが結合される。この方法は、挿
入された分子の向きを表面から外方向へ向ける働きもする。電気活性分子は、粒
径１〜２ｎｍのＡｕ粒子の表面に配置することができ、したがってこれらの粒子
に電気化学的効果を与える。
【００５１】 次に図１０を参照する。ＣｄＳ、ＣｄＳｅなどの半導体ナノパーティクルまた
はフラーレン（Ｃ60）１１２を使用し、それらの表面にコントローラ分子１１０
を付着させることによって、ナノパーティクルまたはフラーレンを、印加された
フィールドの存在下で充電し、電界が低減したときにその電荷を維持するスイッ
チング可能なキャパシタとして機能させることができる。Ｃ60は、最高６つの電
子で電気化学的に可逆的に帯電させることができる。最初の４つの電子は極めて
容易に受け入れられる（Ｆｃ／Ｆｃ＋に対して−０．９８、−１．３７、−１．
８７および−２．３７ボルト）。したがってこれは優れた分子キャパシタとして
機能する。
【００５２】 半導体粒子は、主に、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅなどの金属カ
ルコゲニドから成る。Ｃｄベースのナノパーティクルは周知であり、制御された
サイズに調製することができる。それらの合成および表面キャッピングは、確立
された周知の手順に従う。カルコゲニドの表面官能基化は、主に、ＲＳ−、ＲＳ
ｅ−およびＲＴｅ−結合基を含む。キャップされたナノパーティクルおよびハイ
ブリッド・アセンブリの電子帯構造は、Ｘ線光放出法および光波分光法を使用し
て調べられる。これらの粒子は、自己アセンブリィ化学を使用して、金属表面に
結合させることができる。表面でアセンブルされた粒子およびハイブリッドに対
しては、光放出法および分光偏光法が使用される。物理構造は、ＳＴＭおよびＡ
ＦＭを含む表面分析装置ならびにＴＥＭおよび高解像度ＳＥＭを含む電子顕微鏡
によって調べることができる。
【００５３】 Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、ＳｉＯ2などの絶縁性酸化物の表面を、導電性金属粒子に
選択的に相互接続する化学基でキャップする。これらの酸化物粒子は回路中の高
インピーダンス抵抗として機能する。したがって自己アセンブリング混合物中の
絶縁体粒子の割合を制御すれば、パーコレーションしきい値の限界まで、回路接
続の総数を制御することができる。この限界に近づけると、デバイス中の個々の
Ｉ／Ｏ端子間の電圧電流特性に対して、極めて高い感度が得られる。絶縁体ナノ
パーティクルは、標準的な方法を使用して作られる。このナノパーティクルには
、一般にＴｉＯ2およびＡｌ2Ｏ3が使用される。水和Ａｌ2Ｏ3の表面は、ＲＣＯ2 Ｈ、ＲＰＯ3Ｈ2などの有機酸を使用して、非常に効率的に、かつ選択的に結合さ
せ、官能基化することができるため、後者のほうが望ましい。ホスホン酸は、こ
の吸着物が隣接する部分を表面に垂直に向ける、表面への「三脚（ｔｒｉｐｏｄ
）」結合を形成するため、有用である（図１１参照）。ＳｉＯ2ナノパーティク
ルも優れた絶縁体構成要素を形成するが、最もよい表面官能基化は、ポリマー・
ネットワークを形成し、制御が難しいＳｉＯx結合を含ませることである。その
他の可能なナノパーティクルにはＳｎＯ2が含まれる。官能基化化学が使用可能
であり、例えば、インジウムスズ酸化物電極用に開発されたＲＳ−化学はＳｎＯ2 に変化させる。 図１２に示されているように、容器内でのインテリジェント
自己アセンブリングの前に、モルウェアのモジュール式プリアセンブリが実施さ
れる。全ての構成要素が必要に応じて加えられ、アセンブルされる。例えば、メ
モリを増やしたい場合には、より多くのＤＲＡＭを加えればよい。それぞれのタ
イプの構成要素ナノパーティクルの表面の化学的性質を変化させることによって
、分子およびナノパーティクル構成要素の相対的な相互接続親和性を制御するこ
とができ、したがって、この分子コンピュータの最終的な構造および機能状態を
調整する合理的手段を提供することができる。この方法は、構成要素の相対量の
制御、それらの追加順序およびデバイスＩ／Ｏポートの断続的な実時間フィード
バック駆動パルシングとともに、インテリジェント自己アセンブリング法全体の
キーを構成する。
【００５４】 例えば、官能性ハイブリッド・ストリングおよびネットワークをアセンブルす
るさまざまな方法がある。一般的な方法は、２官能分子１２２の層によって、そ
れぞれのナノパーティクル１２０をキャップするものである（「Ａ」は−ＳＨ）
。分子ワイヤ１２４が使用される金属および半導体の場合には、予めアセンブル
された、短い鎖状分子のホスト単分子層中に挿入することによって、ワイヤ１２
４を、ナノパーティクルの表面から離れた向きにしなければならない。絶縁体で
は、プレキャッピング段階が不要なように、２官能分子１２２を絶縁分子とする
ことができる。金ナノパーティクル１２０の結合基Ａ、Ｃ、Ｆは、一般に、Ａｕ
に対してＡ＝−ＳＸ（Ｘ＝Ｈ、Ａｃなど）または−ＮＣ、ＣｄＳｅなどに対して
Ｃ＝ＳＸ（Ｘ＝Ｈ、Ａｃなど）、Ａｌ2Ｏ3に対してＦ＝−ＣＯ2ＨまたはＰＯ3Ｈ
である。
【００５５】 表面末端基は、一般に、Ｂ＝Ａ、Ｄ＝Ｃ、Ｇ＝ＡまたはＣである。さまざまな
タイプ、サイズおよび表面末端化学のさまざまな出発ナノパーティクル１２０を
作ることができる。単純金属粒子（例えば「裸の」表面を有するＡｕ）を含む所
望のタイプの出発ナノパーティクル１２０を、Ｂで終端された分子ワイヤ１２４
で官能基化された金電極表面を含む溶媒中に、さまざまな相対量、所望の順序で
追加することができる。ナノパーティクル１２０に結合する表面末端を選択する
ことによって、混合物が統計的に、溶液中でそれ自体に相互接続し、同時にＡｕ
電極に相互接続する。これらの種類の表面末端によって、ネットワーク１３６が
表面１４０から外側に成長する。金属１２８、半導体１３０および絶縁体１３２
の相互接続を含む多数の可能な経路が生み出され、したがって非常に複雑な機能
電気ネットワーク１３６が形成される。
【００５６】 図１２に示すように、隣接したベース電極に近づくと電極ギャップを横切って
ネットワーク１３６が確立され、回路接続が形成される。出発ナノパーティクル
材料、それらのサイズ、化学端子、混合物組成および混合順序の幅広い選択が与
えられ、ネットワーク回路の統計的性質を制御する非常に多様な可能性が存在す
る。この方法の次の拡張は、電位場によって活性化されたスイッチング特性をネ
ットワークに与えるコントローラ分子の追加を含む。コントローラ分子は、コン
トローラ分子をナノパーティクル・キャップに含めることによって、およびコン
トローラ分子を混合溶液に加えることによって加えることができ、これによって
成長中のネットワークに組み込まれる。単一金属電極のところに組み立てられた
ネットワークの構造は、元素分析（例えばｗ、ｘ、ｙ、ｚ化学量論的因子に対す
る湿式化学技法）、高解像度ＳＥＭ、ＡＥＭおよびＴＥＭ（ＴＥＭ格子上のＳｉ
Ｏ、Ｃなどの表面から成長させたネットワークの場合）、ならびにＮＭＲによっ
て調べられる。
【００５７】 図１３に、分子ワイヤ１５０、トンネル障壁を有するワイヤ１５２、量子井戸
を有するワイヤ１５４、３端子接合１５６、スイッチまたはトランジスタの働き
をすることができる３端子システム１５８および論理デバイスの働きをすること
ができる戦略的に配置されたトンネル障壁を有する４端子分子１６０を含む正確
に定義された分子アーキテクチャを示す。これらは、図１Ｂに示したより一般的
なタイプのモルウェアに対応する実施の形態に係るものであり、分子ワイヤ１５
０に対応する分子ワイヤ３０、ワイヤ１５２に対応するトンネル障壁を有するワ
イヤ３２、ワイヤ１５４に対応する量子井戸を有するワイヤ３４、接合１５６に
対応する３端子接合３６、スイッチ１５８に対応する３端子スイッチ３８および
分子１６０に対応する４端子分子を有する。なお、「ＳＡｃ」は、自己アセンブ
リィの間に除去され、硫黄が金属表面と接触することを可能にするアセチル基を
有する「保護されたアリゲータクリップ」を指す。アセチル基は、水酸化アンモ
ニウムなどの塩基を加えることによって除去される。ただし、アセチル基は、よ
りゆっくりとではあるが、金表面自体によっても除去される。
【００５８】 合成プロトコルを合理化するため、全ての合成は、溶液中で収束的に開発され
、またはポリマー・サポート上での合成方法を使用して開発された。２つのトン
ネル障壁を有するワイヤと同様の化合物を使用したところ、共鳴トンネル・ダイ
オードから予想される負の微分抵抗が観察された。したがって、正確な分子アー
キテクチャを使用して、デバイスに似た特性がナノスケール・システム中に構築
された。ここで示したような分子を、この分子コンピュータ・アレイで使用する
ことができる。
【００５９】 モルウェアの調製、２次元チップ・プラットホームへの付着、およびその後の
Ｉ／Ｏリードの試験について以下に説明する。
【００６０】 モルウェアの調製：オクタデシル端子シングルウォールド・カーボン・ナノチ
ューブの溶液（１）を、Ｃｈｅｎ，Ｊ．他（Ｃｈｅｎ，Ｊ．；Ｈａｍｏｎ，Ｍ．
Ａ．；Ｈｕ，Ｈ．；Ｃｈｅｎ，Ｙ．；Ｒａｏ，Ａ．；Ｅｃｋｌｕｎｄ，Ｐ．Ｃ．
；Ｈａｄｄｏｎ，Ｒ．Ｃ．，Ｓｃｉｅｎｃｅ １９９８，２８２，９５−９８）
の手順をわずかに修正して調製した。未処理のシングルウォールド・カーボン・
ナノチューブ（Ｔｕｂｅｓ＠Ｒｉｃｅから得られたＳＷＮＴ）１００ｍｇに、濃
硫酸／硝酸（３：１（ｖ／ｖ）、１０ｍｌ）を加えた。この混合物を４時間超音
波処理し（Ｃｏｌｅ−Ｐａｒｍｅｒ、モデルＢ３−Ｒ）、続いてろ過し（０．２
ミクロンＰＴＦＥ）、メタノールで洗浄した。このようにして得た酸化したＳＷ
ＮＴ（１４．５ｍｇ）に塩化チオニル（２５ｍｌ、３４３ｍｍｏｌ）およびジメ
チルホルムアミド（１ｍｌ）を加えた。この混合物を０．５時間超音波処理し、
７０℃まで加熱して、２４時間維持した。冷却し、２分間遠心処理（Ｆｉｓｈｅ
ｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ、Ｍａｒａｔｈｏｎ ２２Ｋ、４２００ＰＲＭ）した
後、ろ過によって固体を集め、新たに蒸留して得たＴＨＦを用いて洗浄し、次い
で室温で減圧乾燥（６ｍｍＨｇ）した。得られたＳＷＮＴ（１３ｍｇ）とオクタ
デシルアミン（２ｇ、７．４ｍｍｏｌ）の混合物を１００℃まで加熱し、４日間
維持した。室温まで冷却した後、固体をエタノールで洗浄し、ジエチルエーテル
／ヘキサン（１：１（ｖ／ｖ））とともに超音波処理し、遠心分離およびろ過に
よって集め、室温で１時間減圧乾燥（６ｍｍＨｇ）した。若干の外来オクタデシ
ルアミンが１に残った。結果として生じた１は、クロロホルム、テトラヒドロフ
ランまたは塩化メチレン中で溶解することができた。
【００６１】 チップ上でのモルウェアの組立て：図１４に示した６０個の金の点電極のアレ
イ（各点の直径１０ミクロン、点間の距離１００ミクロン）は、１／４の点（１
５点）を露出させ、残りの点は、二酸化チタンでコーティングし、したがって不
活性化した。それぞれの電極点は、二酸化チタンでコーティングした金線を介し
てボンディング・パッドに接続した。１のクロロホルム溶液（０．０１ｗ／ｗ）
を調製した。１のクロロホルム溶液２００ｍｇをチップ全体の上に塗った。風乾
後、チップを減圧（６ｍｍＨｇ）下で、１５分間室温に置いた。付着物はいくぶ
ん砕け、膜はひび割れした。
【００６２】 オンチップ電気測定：マルチメータで測定した隣接する任意の２つの電極間の
抵抗は、概ね２０キロオーム未満、一般に１２キロオームであった。１つの電極
対間の抵抗は〜１００キロオームであった。〜１０−１００マイクロジーメンス
のゼロバイアス導電率が記録された。
【００６３】 Ｉ（Ｖ）トレース（電流−電圧）は０付近の非線形性および高電界飽和を示し
た。さらなる特性評価が必要だが、この低いバイアス非線形性は１−１接合のた
めである可能性がある。高電界雑音は低電界よりも高い。
【００６４】 ほとんどの場合に、第３の端子電流注入を使用して、導電率（２電極間）を下
方へ変更することができた（遠隔、第３の電極による）。これはむしろ、劣化お
よび降伏を暗示する。しかし、時折、電気的な利得を暗示する導電率の増大（〜
２倍）が若干の履歴特性とともに見られた。
【００６５】 ナノテクノロジーおよびコンピュータ・アーキテクチャ分野の熟練者には、請
求項に定義された本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、以上に説明し
た好ましい実施形態に、多くの置換えおよび修正を実施することができることが
明白であろう。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】 本発明の好ましい実施の形態に係る分子コンピュータを示す概
略図である。
【図１Ｂ】 分子コンピュータのコンテインメントの内部で用いられる、４
つの種類モルウェアを示す図である。
【図２Ａ】 本発明の好ましい実施の形態に係る分子コンピュータ用の入／
出力を示す概略図である。
【図２Ｂ】 入／出力の詳細な斜視図である。
【図３】 本発明の好ましい実施の形態に係る、入／出力配置の横断面図の
詳細を示す２次元投影図である。
【図４】 本発明の好ましい実施の形態に係る、分子ワイヤの端に分子アリ
ゲータクリップを形成し、それを硫黄結合によって金属面に結合させることを、
化学記号および模式図で示す図である。
【図５】 本発明の別の好ましい実施の形態に係る、２つの追加の分子アリ
ゲータクリップを示す図である。
【図６】 本発明の好ましい実施の形態に係る、アリゲータクリップを備え
る分子ワイヤを化学記号で示す図である。
【図７】 本発明の好ましい実施の形態に係るコントローラ分子の２つの配
向を、左側に「オフ」位置、右側に導電性位置として示した図である。
【図８】 本発明の好ましい実施の形態に係る、二官能分子ワイヤを介して
電極に接続された金のナノ粒子への接続を示す図である。
【図９】 本発明の好ましい実施の形態に係る、表面を活性化し、他のモル
ウェアとの相互接続を容易にするために結合される接続分子を有するナノ粒子を
示す図である。
【図１０】 本発明の好ましい実施の形態に係る、分子コントローラおよび
分子コンデンサから構成される分子動的ランダム・アクセスメモリを示す図であ
る。
【図１１】 好ましい絶縁体ナノ粒子を示す図である。
【図１２】 本発明の好ましい実施の形態に係る、モルウェアのモジュラ事
前アセンブリを示す図である。
【図１３】 本発明の好ましい実施の形態に係る、２端子、３端子および４
端子分子モルウェア種を示す図である。
【図１４】 本発明の好ましい実施の形態に係る、分子コンピュータ用の２
次元アレイを示す図である。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１３年７月２３日（２００１．７．２３）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ， ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｒ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ， ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，Ｋ Ｚ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ， ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，Ｓ Ｋ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 セミナリオ ジョージ エム アメリカ合衆国 南カロライナ州 コロン ビア オータムサークル 1124 (72)発明者 アレラ デイビット エル アメリカ合衆国 ペンシルベニア州 ステ ートカレッジ スリーピィホロウドライブ 2517 (72)発明者 ワイス ポール エス アメリカ合衆国 ペンシルベニア州 ステ ートカレッジ オーランドアベニュー 545

Claims (35)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 分子コンピュータであって、 格子で形成された容器を備え、前記容器が、 前記容器によって担持された多数の入力ピンと、 前記容器によって担持された多数の出力ピンと、 前記容器内に含まれるモルウェアとを有する分子コンピュータ。
  2. 【請求項２】 前記モルウェアが、前記モルウェアを相互接続するための金
    属粒子、分子アリゲータクリップ支承２端子、３端子および４端子分子ワイヤ、
    炭素ナノチューブ、分子共鳴トンネル・ダイオード、分子スイッチ、分子コント
    ローラ、分子コントローラ／ナノ粒子およびフラーレン混成からなるグループか
    ら選択される分子ＤＲＡＭおよびＳＲＡＭ構成要素ならびにその組み合わせから
    なるグループから選択される請求項１に記載の分子コンピュータ。
  3. 【請求項３】 分子コンピュータであって、 複数の入力および出力ピンをコンテインメントに取り付けるステップと、 モルウェアを前記コンテインメント中に注入するステップと、 前記モルウェアが前記入力ピンと前記出力ピンとの間のブリッジを形成できる
    ようにするステップと、 入力ピンに電圧を印加するステップと、 前記出力ピンで電圧を測定するステップと、 電圧が前記入力ピンに印加されたときに、前記コンピュータについての真理値
    表が構築されるまで、入力ピンと出力ピンとの関係を識別するステップとを含む
    方法によって作製される分子コンピュータ。
  4. 【請求項４】 前記モルウェアが、前記モルウェアを相互接続するための金
    属粒子、分子アリゲータクリップ支承２端子、３端子および４端子分子ワイヤ、
    分子共鳴トンネルダイオード、炭素ナノチューブ、分子スイッチ、分子コントロ
    ーラ、分子コントローラまたはフラーレン混合から構成される分子ＤＲＡＭおよ
    びＳＲＡＭ構成要素ならびにその組み合わせからなるグループから選択される請
    求項３に記載の分子コンピュータ。
  5. 【請求項５】 前記印加するステップが、前記電圧を前記入力ピンの組に印
    加することによって行われ、前記計測するステップが、前記出力ピンの組で電圧
    を計測することによって行われる請求項３に記載の分子コンピュータ。
  6. 【請求項６】 前記入力ピンと前記出力ピンとの間の前記モルウェアによっ
    て形成された前記ブリッジを修正するために、フィールドの勾配を前記コンテイ
    ンメントにわたって印加するステップをさらに含む請求項３に記載の分子コンピ
    ュータ。
  7. 【請求項７】 前記入力ピンと前記出力ピンとの間の前記モルウェアによっ
    て形成されたブリッジを修正するために、モルウェアを電気化学的に誘導する相
    互接続ステップをさらに含む請求項３に記載の分子コンピュータ。
  8. 【請求項８】 前記入力ピンと前記出力ピンとの間の前記モルウェアによっ
    て形成された前記ブリッジの一部分を削除するステップをさらに含む請求項３に
    記載の分子コンピュータ。
  9. 【請求項９】 前記モルウェア構成要素の直径が、１０００ナノメートル未
    満である請求項３に記載の分子コンピュータ。
  10. 【請求項１０】 前記注入ステップが、各種のモルウェアを別々に、かつ間
    を置いて行われる請求項４に記載の分子コンピュータ。
  11. 【請求項１１】 前記モルウェアを注入する前に、前記コンテインメント内
    部に支持基盤を取り付けるステップをさらに含む請求項３に記載の分子コンピュ
    ータ。
  12. 【請求項１２】 前記出力ピンで所望の出力が達成されるまで、前記入力ピ
    ンに印加される前記電圧を変化させるステップをさらに含む請求項３に記載の分
    子コンピュータ。
  13. 【請求項１３】 前記モルウェアの一部分が、前記分子コンピュータ用のメ
    モリ機能を実行するように適合された、分子制御要素で被覆された半導体粒子を
    含む請求項３に記載の分子コンピュータ。
  14. 【請求項１４】 前記識別するステップが、 コンピュータを前記入力ピンおよび前記出力ピンに接続するステップと、 前記関係を識別するために、前記コンピュータを使用するステップとをさらに
    含む請求項３に記載の分子コンピュータ。
  15. 【請求項１５】 前記分子コンピュータを、エラー回復ソフトウェアを使用
    してプログラムするステップをさらに含む請求項３に記載の分子コンピュータ。
  16. 【請求項１６】 前記モルウェアを注入する前に、溶液中で前記モルウェア
    を合成するステップをさらに含む請求項３に記載の分子コンピュータ。
  17. 【請求項１７】 前記分子ワイヤが、オリゴ（フェニレンエチニレン）のグ
    ループから選択される材料から構築される請求項４に記載の分子コンピュータ。
  18. 【請求項１８】 前記分子ワイヤが、チオール、プレーナ・オリゴマ・セグ
    メントもしくは炭素ナノチューブまたはそれらの組から選択された材料でできた
    端子を有する請求項１７に記載の分子コンピュータ。
  19. 【請求項１９】 前記分子ワイヤが、炭素ナノチューブ、プレーナ・ポリフ
    ェニレン、ポリピリジン、ポリピラジンおよびポリチオフェンからなるグループ
    から選択される請求項１７に記載の分子コンピュータ。
  20. 【請求項２０】 前記粒子が、金、銀、パラジウム、白金およびそれらの合
    金から選択される材料で作製されている請求項４に記載の分子コンピュータ。
  21. 【請求項２１】 前記溶液が、非水溶液である請求項３に記載の分子コンピ
    ュータ。
  22. 【請求項２２】 前記粒子が二官能分子ワイヤで覆われている請求項２０に
    記載の分子コンピュータ。
  23. 【請求項２３】 前記分子スイッチが、その表面上にコントローラ分子を有
    する半導体粒子およびフラーレンからなるグループから選択される請求項４に記
    載の分子コンピュータ。
  24. 【請求項２４】 前記半導体粒子が、ＣｄＳおよびＣｄＳｅからなるグルー
    プから選択される請求項２３に記載の分子コンピュータ。
  25. 【請求項２５】 前記分子抵抗器が、金属粒子への接続に適合した絶縁性酸
    化物で作製されている請求項４に記載の分子コンピュータ。
  26. 【請求項２６】 前記絶縁性酸化物がＡｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2およびＳｉＯ2から
    なるグループから選択される請求項２５に記載の分子コンピュータ。
  27. 【請求項２７】 前記アリゲータクリップが、金属面に結合した遷移金属で
    作製されている請求項４に記載の分子コンピュータ。
  28. 【請求項２８】 前記分子コントローラそれぞれが、印加された電磁場の存
    在下で安定する両性イオン形を有する請求項４に記載の分子コンピュータ。
  29. 【請求項２９】 前記分子コンピュータが、ビフェニルニトロアミンである
    請求項２８に記載の分子コンピュータ。
  30. 【請求項３０】 前記溶液が有機溶媒である請求項３に記載の分子コンピュ
    ータ。
  31. 【請求項３１】 前記モルウェアを、前記モルウェアの相互の相互接続親和
    性を増加させるように適合させるステップをさらに含む請求項３に記載の方法。
  32. 【請求項３２】 適合させるステップが、キャッピング、官能化、活性化お
    よびそれらの組み合わせからなるグループから選択される請求項３１に記載の方
    法。
  33. 【請求項３３】 入力から出力にデータを転送する方法であって、 入力と出力との間に分子から構成される分子ブリッジを確立することであって
    、前記分子が前記入力に接続される第１分子を含むこと、第１分子の分子静電位
    を修正するのに十分な電圧を前記入力に印加することを含む方法。
  34. 【請求項３４】 前記モルウェアを、前記モルウェアの相互の相互接続親和
    性を増加させるように適合させるステップをさらに含む請求項３３に記載の方法
    。
  35. 【請求項３５】 適合させるステップが、キャッピング、官能化、活性化お
    よびそれらの組み合わせからなるグループから選択される請求項３４に記載の方
    法。
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