JP2005011901A - 三端子素子の分子トランジスタ - Google Patents
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- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
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Abstract
【課題】スイッチング機能及び増幅機能を併せ有するナノメータサイズからなる三端子素子の分子トランジスタを提供する。
【解決手段】両端にソース電極とドレイン電極を接続した電導性共役オリゴマーと導電性金属とを直鎖状に結合した分子ワイヤーの側面に、前記共役オリゴマーに結合する少なくとも１個の高度に分岐した有機分子鎖を有し、前記有機分子鎖のそれぞれの分岐末端に導電性金属からなるゲート電極を備えた三端子素子の分子トランジスタである。その高度に分岐した有機分子鎖としては、デンドリマーまたはハイパーブランチポリマーであることが好ましい。
【選択図】 図４
【解決手段】両端にソース電極とドレイン電極を接続した電導性共役オリゴマーと導電性金属とを直鎖状に結合した分子ワイヤーの側面に、前記共役オリゴマーに結合する少なくとも１個の高度に分岐した有機分子鎖を有し、前記有機分子鎖のそれぞれの分岐末端に導電性金属からなるゲート電極を備えた三端子素子の分子トランジスタである。その高度に分岐した有機分子鎖としては、デンドリマーまたはハイパーブランチポリマーであることが好ましい。
【選択図】 図４
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ナノメータサイズの三端子素子の分子トランジスタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
分子トランジスタ分野では、これまでにトランジスタの機能の一つであるスイッチングを示す分子素子が知られているが、その殆どのものは二端子素子であるため、その他の重要な機能である増幅を発現させることができない。
一方、三端子素子は、カーボンナノチューブなどを用いて実現されているが、ゲート電極は現在半導体製造などで微細加工に使用されているリソグラフィ技術を用いてトップダウン的に作成されることから、トランジスタ全体の大きさはリソグラフィーのパターニング技術に依存しているためデバイスサイズが大きくなること、金属性と半導性のナノチューブを分離させる操作が必要であること、電極間への選択的導入が困難であることなどの問題がある。
【０００３】
最近、樹枝状の分岐構造を有する分岐点を持つ超分岐高分子、特にデンドリマーと称される完全に規則的な分岐構造を有するもの及びハイパ−ブランチポリマーと称される不完全な分岐構造を有するものが合成され（例えば、非特許文献１、特許文献１参照）るようになった。なかでも、ウラシル残基を含有する単量体単位を構成成分として有する超分岐高分子の光二量化反応を利用した光記録素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、ＤＮＡの外側を覆うリン酸部位を利用した銀ナノワイヤを作成したことが報告されている（例えば、非特許文献２参照）。しかし、超分岐高分子を利用した三端子の分子トランジスタは未だ知られていない。
【０００４】
【非特許文献１】
Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔ．Ｅｄ．２０００，３９，８６４−８８３
【特許文献１】
特開２０００−３３６１７２号公報
【非特許文献２】
Ｎａｔｕｒｅ、３９１，７７５−７７７（１９９８）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来の分子コンピュータにおける上記した実情に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、スイッチング機能及び増幅機能を併せ有するナノメータサイズからなる三端子素子の分子トランジスタを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、分子トランジスタに高度に分岐した高分子を適用することにより、三端子素子の分子トランジスタを作成できることを知見し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、両端にソース電極とドレイン電極を接続した電導性共役オリゴマーと導電性金属とを直鎖状に結合した分子ワイヤーの側面に、前記共役オリゴマーに結合する少なくとも１個の高度に分岐した有機分子鎖を有し、前記有機分子鎖のそれぞれの分岐末端に導電性金属塩からなるゲート電極を備えたことを特徴とする三端子素子の分子トランジスタである。その高度に分岐した有機分子鎖は、デンドリマーまたはハイパーブランチポリマーであることが好ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明は、樹枝状に分岐した高分子の特異な構造を利用して、トランジスタの重要な機能であるスイッチング機能及び増幅現象を発現する機能を有するナノメータオーダーの微細な円筒状の三端子分子トランジスタを提供するものである。
【０００８】
本発明の三端子素子の分子トランジスタは、同軸ケーブルと同様の構造からなり、円筒状の中心部には、両端にソース電極とドレイン電極を結合させた電導性共役オリゴマーと導電性金属とを直鎖状に結合し、絶縁層で覆われた分子ナノワイヤを配置し、そのワイヤの電導性共役オリゴマーの周りには、高度に分岐した（扇状の）有機分子鎖のそれぞれの分岐末端に導電性金属からなるゲート電極を備えたものである。その有機分子鎖としては、電導性共役オリゴマーに結合するデンドリマーまたはハイパーブランチポリマーなどの樹枝状に分岐した高分子が用いられる。
【０００９】
電導性共役オリゴマーにベンジルエーテルの分岐した有機分子鎖を有する下記式（１）で示される化合物とＰｄ（ＩＩ）を用いてマイカ上に形成させた分子ワイヤのＡＦＭ像写真を図１に示す。図１を見ると、式（１）の化合物が自己組織化的に直鎖状のナノメートルサイズのワイヤを形成していることが分かる。
【化１】
【００１０】
分子トランジスタの中心部は、導電性共役オリゴマーと導電性金属とを直鎖状に結合したものであれば良く、例えば、ピリジン、炭素炭素不飽和結合、ベンゼンなどの共役系分子の結合した電導性共役オリゴマーと金属錯体とを反応させて得られる直鎖状の分子ナノワイヤで構成されている。またその両端は、有機チオール基などを用いて結合したソース電極用金属板及びドレイン電極用金属板からなっている。
【００１１】
また、その中心部から周辺部に向かっては、電導性共役オリゴマーに少なくとも１個のデンドリマーまたはハイパーブランチポリマーなどの樹枝状に分岐した有機分子鎖が結合しており、その有機分子鎖のそれぞれの分岐末端は、金属化合物との反応により導電性金属を保持できる官能基、例えば、カルボキシル基、エステル基、スルホン酸基、リン酸基などを有するものである。次に、これらの官能基に銀、銅、アルミニウムなどの導電性金属イオンを導入してゲート電極とする（図３参照）。
【００１２】
次に、本発明の分子トランジスタを作成する方法について一例を挙げて説明する。
まず、下記式（２）に示すように、３，５−ジオキシ−１−安息香酸を中心分子とし、その２個の酸素原子を介して分岐する数世代、好ましくは３〜５世代、の合成を繰り返し、その各分岐末端にエステル基を持つデンドリマーからなる有機分子鎖を作成し、次いで、その中心分子のカルボン酸基を共役オリゴマーのアミン部位に結合させた化合物を合成する。
【００１３】
【化２】
【００１４】
次に、式（２）の化合物をアミン、あるいはピリジンで修飾されたソース―ドレイン電極間にＰｄ、Ｐｔ、Ａｇなどの金属原子を持つ金属（Ｍ）錯体とを反応させて、上記共役オリゴマーの窒素原子間にＰｄ、Ｐｔ、Ａｇなどの金属原子を有する中心部分子ワイヤーを合成する。なお、アミン、あるいはピリジンで修飾された電極は、例えば、ピリジンチオールなどの有機チオール類を用いて、ソースおよびドレイン電極上に選択的に導入される。その際、ソースおよびドレイン電極を、まず分子ワイヤーを作成した後に、プローブ顕微鏡のチップを、２つ接地することにより作成することもできる。
これらにより、図２に示すように、両電極と分岐した有機分子鎖を側鎖に持つ化学分子が接続した導電性ワイヤーが得られる。その後、アルカリ加水分解により、分岐末端部にカルボン酸を導入し、銀イオンを表面上に修飾する。さらに、水素化ホウ素ナトリウムなどを用いて銀イオン還元させると、各分岐末端に金属銀がコートされたゲート電極を作成することができる。このようにして、図３に示す三端子分子トランジスタが作製される。
【００１５】
本発明に用いる有機分子鎖としては、デンドリマーまたはハイパーブランチポリマーなどの樹枝状に分岐した構造を形成するものであれば良く、例えば、ポリベンジルエーテル、ポリアミドアミン、ポリプロピレンイミンなどからなるものが挙げられる。
また、三端子分子を合成するには、共役オリゴマーに有機分子鎖を結合させた後、
中心部分子ワイヤーを合成する方法、あるいは先に中心部ワイヤー分子を合成し、次にその中心部ワイヤー分子の各単位に有機分子鎖を結合させる方法などがある。
【００１６】
高度に分岐した有機分子鎖は、数世代の分岐を繰り返すにつれて高分子量となり分岐末端は高密度になるものであり、その大きさは０．００１〜０．０２μｍ程度の球状構造として形成される。本発明は、その球状構造の末端を銀イオンなどの導電性金属で形成し、これをゲート電極とするものであるから、中心部は両端にソース電極とドレイン電極とを有し絶縁層で覆われた分子ナノワイヤからなっていて、その球状構造の周囲をゲート電極とする同軸ケーブル構造の三端子分子トランジスタが作製される。そのゲート電極には、電圧を印加するなどの方法により、ソース電極とドレイン電極間のスイッチング及び電流の増幅などの電流制御を適宜行うことが可能である。このような三端子分子トランジスタの化学構造と各電極との関係を、図４に示す。
【００１７】
【発明の効果】
本発明によれば、リソグラフィー技術を用いることなく、長さを調節できる分岐状高分子を用いてゲート電極を有するナノサイズの三端子分子トランジスタが作製可能である。この三端子分子トランジスタは、シリコントランジスタでは得られないナノメータサイズであるものの、ゲート電極を用いてスイッチング機能及び電流の増幅を発現できる機能を有するものであり、将来の分子コンピューターの素子として極めて有望である。
【図面の簡単な説明】
【図１】化合物（１）を用いて形成された分子ワイヤのＡＦＭ像写真である。
【図２】本発明に用いられる両電極と分岐した有機分子鎖を側鎖に持つ化学分子が接続した導電性分子ワイヤーの構造の一例を示す。
【図３】本発明における一例のゲート電極を設けた三端子分子トランジスタの構造である。
【図４】本発明における一例の三端子分子トランジスタの化学構造と各電極との関係を示す概念図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、ナノメータサイズの三端子素子の分子トランジスタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
分子トランジスタ分野では、これまでにトランジスタの機能の一つであるスイッチングを示す分子素子が知られているが、その殆どのものは二端子素子であるため、その他の重要な機能である増幅を発現させることができない。
一方、三端子素子は、カーボンナノチューブなどを用いて実現されているが、ゲート電極は現在半導体製造などで微細加工に使用されているリソグラフィ技術を用いてトップダウン的に作成されることから、トランジスタ全体の大きさはリソグラフィーのパターニング技術に依存しているためデバイスサイズが大きくなること、金属性と半導性のナノチューブを分離させる操作が必要であること、電極間への選択的導入が困難であることなどの問題がある。
【０００３】
最近、樹枝状の分岐構造を有する分岐点を持つ超分岐高分子、特にデンドリマーと称される完全に規則的な分岐構造を有するもの及びハイパ−ブランチポリマーと称される不完全な分岐構造を有するものが合成され（例えば、非特許文献１、特許文献１参照）るようになった。なかでも、ウラシル残基を含有する単量体単位を構成成分として有する超分岐高分子の光二量化反応を利用した光記録素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、ＤＮＡの外側を覆うリン酸部位を利用した銀ナノワイヤを作成したことが報告されている（例えば、非特許文献２参照）。しかし、超分岐高分子を利用した三端子の分子トランジスタは未だ知られていない。
【０００４】
【非特許文献１】
Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔ．Ｅｄ．２０００，３９，８６４−８８３
【特許文献１】
特開２０００−３３６１７２号公報
【非特許文献２】
Ｎａｔｕｒｅ、３９１，７７５−７７７（１９９８）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来の分子コンピュータにおける上記した実情に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、スイッチング機能及び増幅機能を併せ有するナノメータサイズからなる三端子素子の分子トランジスタを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、分子トランジスタに高度に分岐した高分子を適用することにより、三端子素子の分子トランジスタを作成できることを知見し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、両端にソース電極とドレイン電極を接続した電導性共役オリゴマーと導電性金属とを直鎖状に結合した分子ワイヤーの側面に、前記共役オリゴマーに結合する少なくとも１個の高度に分岐した有機分子鎖を有し、前記有機分子鎖のそれぞれの分岐末端に導電性金属塩からなるゲート電極を備えたことを特徴とする三端子素子の分子トランジスタである。その高度に分岐した有機分子鎖は、デンドリマーまたはハイパーブランチポリマーであることが好ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明は、樹枝状に分岐した高分子の特異な構造を利用して、トランジスタの重要な機能であるスイッチング機能及び増幅現象を発現する機能を有するナノメータオーダーの微細な円筒状の三端子分子トランジスタを提供するものである。
【０００８】
本発明の三端子素子の分子トランジスタは、同軸ケーブルと同様の構造からなり、円筒状の中心部には、両端にソース電極とドレイン電極を結合させた電導性共役オリゴマーと導電性金属とを直鎖状に結合し、絶縁層で覆われた分子ナノワイヤを配置し、そのワイヤの電導性共役オリゴマーの周りには、高度に分岐した（扇状の）有機分子鎖のそれぞれの分岐末端に導電性金属からなるゲート電極を備えたものである。その有機分子鎖としては、電導性共役オリゴマーに結合するデンドリマーまたはハイパーブランチポリマーなどの樹枝状に分岐した高分子が用いられる。
【０００９】
電導性共役オリゴマーにベンジルエーテルの分岐した有機分子鎖を有する下記式（１）で示される化合物とＰｄ（ＩＩ）を用いてマイカ上に形成させた分子ワイヤのＡＦＭ像写真を図１に示す。図１を見ると、式（１）の化合物が自己組織化的に直鎖状のナノメートルサイズのワイヤを形成していることが分かる。
【化１】
分子トランジスタの中心部は、導電性共役オリゴマーと導電性金属とを直鎖状に結合したものであれば良く、例えば、ピリジン、炭素炭素不飽和結合、ベンゼンなどの共役系分子の結合した電導性共役オリゴマーと金属錯体とを反応させて得られる直鎖状の分子ナノワイヤで構成されている。またその両端は、有機チオール基などを用いて結合したソース電極用金属板及びドレイン電極用金属板からなっている。
【００１１】
また、その中心部から周辺部に向かっては、電導性共役オリゴマーに少なくとも１個のデンドリマーまたはハイパーブランチポリマーなどの樹枝状に分岐した有機分子鎖が結合しており、その有機分子鎖のそれぞれの分岐末端は、金属化合物との反応により導電性金属を保持できる官能基、例えば、カルボキシル基、エステル基、スルホン酸基、リン酸基などを有するものである。次に、これらの官能基に銀、銅、アルミニウムなどの導電性金属イオンを導入してゲート電極とする（図３参照）。
【００１２】
次に、本発明の分子トランジスタを作成する方法について一例を挙げて説明する。
まず、下記式（２）に示すように、３，５−ジオキシ−１−安息香酸を中心分子とし、その２個の酸素原子を介して分岐する数世代、好ましくは３〜５世代、の合成を繰り返し、その各分岐末端にエステル基を持つデンドリマーからなる有機分子鎖を作成し、次いで、その中心分子のカルボン酸基を共役オリゴマーのアミン部位に結合させた化合物を合成する。
【００１３】
【化２】
次に、式（２）の化合物をアミン、あるいはピリジンで修飾されたソース―ドレイン電極間にＰｄ、Ｐｔ、Ａｇなどの金属原子を持つ金属（Ｍ）錯体とを反応させて、上記共役オリゴマーの窒素原子間にＰｄ、Ｐｔ、Ａｇなどの金属原子を有する中心部分子ワイヤーを合成する。なお、アミン、あるいはピリジンで修飾された電極は、例えば、ピリジンチオールなどの有機チオール類を用いて、ソースおよびドレイン電極上に選択的に導入される。その際、ソースおよびドレイン電極を、まず分子ワイヤーを作成した後に、プローブ顕微鏡のチップを、２つ接地することにより作成することもできる。
これらにより、図２に示すように、両電極と分岐した有機分子鎖を側鎖に持つ化学分子が接続した導電性ワイヤーが得られる。その後、アルカリ加水分解により、分岐末端部にカルボン酸を導入し、銀イオンを表面上に修飾する。さらに、水素化ホウ素ナトリウムなどを用いて銀イオン還元させると、各分岐末端に金属銀がコートされたゲート電極を作成することができる。このようにして、図３に示す三端子分子トランジスタが作製される。
【００１５】
本発明に用いる有機分子鎖としては、デンドリマーまたはハイパーブランチポリマーなどの樹枝状に分岐した構造を形成するものであれば良く、例えば、ポリベンジルエーテル、ポリアミドアミン、ポリプロピレンイミンなどからなるものが挙げられる。
また、三端子分子を合成するには、共役オリゴマーに有機分子鎖を結合させた後、
中心部分子ワイヤーを合成する方法、あるいは先に中心部ワイヤー分子を合成し、次にその中心部ワイヤー分子の各単位に有機分子鎖を結合させる方法などがある。
【００１６】
高度に分岐した有機分子鎖は、数世代の分岐を繰り返すにつれて高分子量となり分岐末端は高密度になるものであり、その大きさは０．００１〜０．０２μｍ程度の球状構造として形成される。本発明は、その球状構造の末端を銀イオンなどの導電性金属で形成し、これをゲート電極とするものであるから、中心部は両端にソース電極とドレイン電極とを有し絶縁層で覆われた分子ナノワイヤからなっていて、その球状構造の周囲をゲート電極とする同軸ケーブル構造の三端子分子トランジスタが作製される。そのゲート電極には、電圧を印加するなどの方法により、ソース電極とドレイン電極間のスイッチング及び電流の増幅などの電流制御を適宜行うことが可能である。このような三端子分子トランジスタの化学構造と各電極との関係を、図４に示す。
【００１７】
【発明の効果】
本発明によれば、リソグラフィー技術を用いることなく、長さを調節できる分岐状高分子を用いてゲート電極を有するナノサイズの三端子分子トランジスタが作製可能である。この三端子分子トランジスタは、シリコントランジスタでは得られないナノメータサイズであるものの、ゲート電極を用いてスイッチング機能及び電流の増幅を発現できる機能を有するものであり、将来の分子コンピューターの素子として極めて有望である。
【図面の簡単な説明】
【図１】化合物（１）を用いて形成された分子ワイヤのＡＦＭ像写真である。
【図２】本発明に用いられる両電極と分岐した有機分子鎖を側鎖に持つ化学分子が接続した導電性分子ワイヤーの構造の一例を示す。
【図３】本発明における一例のゲート電極を設けた三端子分子トランジスタの構造である。
【図４】本発明における一例の三端子分子トランジスタの化学構造と各電極との関係を示す概念図である。
Claims (2)
- 両端にソース電極とドレイン電極を接続した電導性共役オリゴマーと導電性金属とを直鎖状に結合した分子ワイヤーの側面に、前記共役オリゴマーに結合する少なくとも１個の高度に分岐した有機分子鎖を有し、前記有機分子鎖のそれぞれの分岐末端に導電性金属塩からなるゲート電極を備えたことを特徴とする三端子素子の分子トランジスタ。
- 高度に分岐した有機分子鎖が、デンドリマーまたはハイパーブランチポリマーである請求項１に記載の三端子素子の分子トランジスタ。
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