JP2005523386A - Ａｃ電界を用いてナノメータスケール成分を選択的に位置合わせする方法 - Google Patents
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Abstract
ＡＣ電界を用いてナノメータスケール成分（２２）を選択的に位置合わせ及び位置決めする改善された新規な方法。この方法は、単一電極（１２）又は複数の電極（１２，１４）の間に交流（ＡＣ）電界を供給して、ナノメータスケール成分を含む環境内に電界を生成する（６０）ステップを含んで、テスト電極をブリッジする場合にナノメータスケール成分の一層正確な操作を行う。従って、この電界により、望まれる場所へのナノメータスケール成分の位置合わせと位置決めを行うことができる。
Description
本発明は、電子分子の輸送測定を容易にするための組織化技術に関し、より詳しくは、交流（ＡＣ）電界を用いてナノメータスケール成分を選択的に位置合わせ及び位置決めすると共に組織化する方法に関する。
分子電子工学は、急速に成長している分野であり、Ｓｉ技術が到達しつつある小型化の限界を克服するための手段を提供している。独特の機能性を有する、分子及びナノメータスケール成分は、分子電子工学の可能な候補と考えられている。分子電子工学の課題の一つは、分子の情報／機能性を「外側」世界へ伝えることにある。このことを達成するために、分子などのナノメータスケール成分を金属電極に選択的に置きかつ「配線する」ための簡単で強固な方法を開発する必要がある。テストされるべき候補分子を「接続し」、その機能性を判定するための急速スクリーニング方法も、分子電子工学に向かう重大なステップと考えられている。
分子電子工学の実現可能性の評価は、その可能性を秘めた応用のために、多数のナノスケール構成部品のスクリーニングを必要とする。主な課題は、分子の輸送特性を判定するために分子との電気接触を行うことである。例えば、分子システムの一般的な寸法は、電子ビームリソグラフィーの解像限界よりも十分小さい。種々の製造方法が提案されているが、少数の分子について測定を行うための迅速かつ簡単な方法は依然として課題となっている。
分子電子技術における輸送測定の方法の一つは、制御された方法で単一の導電性ナノ粒子によって電極をブリッジするために、静電閉じ込めを使用する。静電閉じ込めにおいては、ナノ粒子は、印加された直流（ＤＣ）電界によって分極され、電界が最大の電極間間隙に引き付けられる。一つの方法は、例えば、ＤＮＡ、カーボンナノチューブ、又は他のナノ粒子を一対の電極に引き付けるためのＤＣバイアスの使用を教える。印加される電界としてのＤＣバイアスの使用は、望まれていない汚染物質を含む荷電分子を引き付けて、電極をブリッジし、電極に非特異的選択性を生じる。
そこで、本発明の目的は、ＤＣ電界によって従来達成されたものと比較して、ナノメータスケール成分を単一電極の上か複数の電極の間に置くことに関して、より優れた制御、及びより優れた選択性を達成する方法を提供することにある。
本発明のさらなる目的は、ＡＣ電界を用いてナノメータスケール成分を選択的に位置合わせ及び位置決めする方法を提供することにある。
本発明の更なる目的は、ＡＣ電界を用いてナノメータスケール成分を選択的に位置合わせ及び位置決めする方法であって、テスト電極をブリッジする場合にナノメータスケール成分のより正確な操作を行う方法を提供することにある。
本発明の更なる目的は、ＡＣ電界を用いてナノメータスケール成分を選択的に位置合わせ及び位置決めする方法であって、テスト電極をブリッジする場合にナノメータスケール成分のより正確な操作を行う方法を提供することにある。
これらの必要性などは、ＡＣ電界を用いてナノメータスケール成分を選択的に位置合わせ及び位置決めする方法の提供を通じて実質的に満足される。この方法は、少なくとも一つの電極に交流（ＡＣ）電界を供給して、ナノメータスケール成分を含む環境内に電界を生成するステップを含んで、テスト電極をブリッジする場合にナノメータスケール成分の
一層正確な操作を行う。従って、この電界により、望まれる場所へのナノメータスケール成分の引き付けを行うことができる。
一層正確な操作を行う。従って、この電界により、望まれる場所へのナノメータスケール成分の引き付けを行うことができる。
本発明の、前述の目的及び利点と、更なる目的及び利点と、より具体的な目的及び利点とが、図面と共になされる本発明の好ましい実施態様の以下の詳細な説明から、当業者にとって容易に明らかとなる。
交流（ＡＣ）電界を用いて電子ナノメータスケール成分の選択的位置合わせ及び輸送測定を容易にする分子組織化技術が開示されている。用語「ナノメータスケール成分」は、この開示のために、ナノ粒子、ナノチューブ、ナノワイヤ、ナノロッド、合成ポリマー、合成分子、及び、ＤＮＡ分子や蛋白質などを含む生体分子を含むことが意図されている。振幅と周波数の適切な選択によって、ＡＣバイアスの使用は、望まれるナノメータスケール成分の配置を、カーボンナノチューブ及び有機又は無機汚染物を含む溶液などの溶液の中の他の汚染種以上に、著しく向上させる。
図１，２を参照すると、本発明によるナノメータスケール成分の選択的位置合わせのために使用される組織化構造と、その構造を用いて選択的位置合わせを行う方法とが、簡略断面図で示されている。より詳しくは、図１に示されているのは、ナノメータスケール成分を選択的に位置合わせ及び位置決めする方法における第１ステップであり、二つ以上の電極を含む分子アセンブリ１０（以下に記載）が設けられている。この実施態様におけるアセンブリ１０は、絶縁材料１８でコーティングされた半導体材料１６からなる基板１７を備える。ガラスプラスチックセラミック又は絶縁特性を有する誘電体などの絶縁材料の単一層として基板１７が形成される代替実施態様が、この開示によって予想されることは明らかである。絶縁材料の基板１７を形成することによって、図１の層１８などの、半導体層又は導体層の上に形成された別の絶縁層の必要性がなくなる。
図１，２に示す実施態様において、半導体材料１６は、珪素（Ｓｉ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、砒化インジウム（ＩｎＡｓ）などの、この技術において良く知られたいずれかの半導体材料で構成されたものとして開示されている。絶縁材料１８は、酸化珪素（ＳｉＯ２）又は窒化珪素（ＳｉＮ）などの、絶縁特性を有するいずれかの材料で構成されたものとして開示されている。図１，２に示すように、半導体材料１６と絶縁材料１８とで基板１７を形成している。この特定実施態様において、アセンブリ１０は、絶縁材料１８の最上表面に形成された第１電極１２及び第２電極１４を含んでいる。金属電極１２，１４の製造は、酸化珪素基板１７上で、フォトリソグラフィーと電子ビームリソグラフィーの組み合せによって行われる。電極１２，１４の微細構造物は、標準的なリフトオフ技術を用いた標準的なＰＭＭＡレジスト処理によってパターン化される。電極１２，１４は、その間に間隙２０を有し、（図２に示すように）ＡＣ電界の印加を行うように形成されている。
動作中は、図２に示すように、ＡＣ電界が電極１２，１４の間に印加され、それにより、水環境２３内に漂っているナノメータスケール成分２２を、電界と電界勾配又はそのいずれかが最も強い間隙２０へ向かって動かす。ナノメータスケール成分が含まれる水又は気体などのいずれかの環境の使用が、この開示によって予想されることは明らかである。より具体的には、図２は、電極１２，１４の間に閉じ込められた８０ｎｍのＡｕナノ粒子２２を示している。そのような接触の抵抗は通常１ｋΩから３ｋΩまで変化する。これは、ナノ粒子２２のサイズが間隙２０よりも大きい場合を表している。ナノ粒子２２が間隙２０をブリッジするとすぐに、間隙２０内の電界は減少し、追加粒子の蓄積を防止する。
ＡＣ電界の印加によるナノ粒子の閉じ込めの直前に、基板１７は、紫外線（ＵＶ）オゾ
ンの中で３０分間洗浄され、その後、エタノールの中で２０分間浸されて、酸化Ａｕが除去される。ナノ粒子の組織化はプローブステーション上で行われる。市販の水中ＡＵコロイドの一滴（〜５μＬ）が基板上に投与され、１ＭＨｚから１０ＭＨｚの範囲のＡＣバイアス２４（０. ５〜２. ５Ｖ、ピークツーピーク値）が、関数発生器を用いて電極１２，１４に印加される。ＡＣバイアス振幅、周波数、及び閉じ込め時間は、ナノメータスケール成分の性質と濃度及びナノメータスケール成分が含まれている誘電環境によって変化することは明らかである。この特定例における閉じ込め時間は一般的に５秒〜３０秒の間である。理論的には、直流（ＤＣ）電界を用いて間隙内にナノ粒子を閉じ込めることができるが、そのようなＤＣ電界は、ＤＣ電界の使用がＡＣ電界と比べて的中率が大変低くなるので、ここで選択される電界ではない。ＡＣ電界の影響下で、ナノ粒子２２は、間隙２０内で得られる最大電界勾配の方向にそれを引張る誘電泳動力を受ける。この技術を用いて、一般的に４０ｎｍ〜１００ｎｍのサイズ範囲のナノ粒子２２又は複数のナノ粒子が、ほとんど１００％の収率で間隙２０内に閉じ込められる。ナノ粒子を閉じ込めた後、アセンブリ１０は、高純度脱イオン水（１８ＭΩｃｍ）の入ったビーカ内に１分間置かれ、その後脱水される。アセンブリ１０を洗う目的は、過剰な溶液とナノメータスケール成分を除去するためである。
ンの中で３０分間洗浄され、その後、エタノールの中で２０分間浸されて、酸化Ａｕが除去される。ナノ粒子の組織化はプローブステーション上で行われる。市販の水中ＡＵコロイドの一滴（〜５μＬ）が基板上に投与され、１ＭＨｚから１０ＭＨｚの範囲のＡＣバイアス２４（０. ５〜２. ５Ｖ、ピークツーピーク値）が、関数発生器を用いて電極１２，１４に印加される。ＡＣバイアス振幅、周波数、及び閉じ込め時間は、ナノメータスケール成分の性質と濃度及びナノメータスケール成分が含まれている誘電環境によって変化することは明らかである。この特定例における閉じ込め時間は一般的に５秒〜３０秒の間である。理論的には、直流（ＤＣ）電界を用いて間隙内にナノ粒子を閉じ込めることができるが、そのようなＤＣ電界は、ＤＣ電界の使用がＡＣ電界と比べて的中率が大変低くなるので、ここで選択される電界ではない。ＡＣ電界の影響下で、ナノ粒子２２は、間隙２０内で得られる最大電界勾配の方向にそれを引張る誘電泳動力を受ける。この技術を用いて、一般的に４０ｎｍ〜１００ｎｍのサイズ範囲のナノ粒子２２又は複数のナノ粒子が、ほとんど１００％の収率で間隙２０内に閉じ込められる。ナノ粒子を閉じ込めた後、アセンブリ１０は、高純度脱イオン水（１８ＭΩｃｍ）の入ったビーカ内に１分間置かれ、その後脱水される。アセンブリ１０を洗う目的は、過剰な溶液とナノメータスケール成分を除去するためである。
図３を参照すると、オプションの自己組織化単一層（ＳＡＭ）を含む、図１，２の装置１０の代替実施態様が、装置１０’として示されている。図１，２に示された構成部品と同様の図３のすべての構成部品は、異なる実施態様を示すために追加されたダッシュ符号を有する同様の番号で示されていることに注目しなければならない。更に、ＳＡＭ層の形成がここで述べられているが、テスト分子を表面に取り付ける方法を含む何らかのプロセスがこの開示によって予想されることは明らかである。
装置１０’はオプションの自己組織化単一層（ＳＡＭ）１５を含んでいる。単一層１５は、その間に形成された間隙２０’を含む予めパターン化された一対の電極１２’，１４’の上に、対象となっているテストナノメータスケール成分、より詳しくは分子１９、で形成される。この特定実施態様においては、ＳＡＭ１５を構成する分子１９は、同一分子タイプの電極１２’，１４’の上に形成されており、電極１２’の上にＳＡＭ１５を形成する分子１９は、電極１４’の上にＳＡＭ１５を形成する分子と同じタイプである。あるいは、ＳＡＭを構成する分子は、電極上に異なる分子タイプで形成することができ、一方の電極の上にＳＡＭを形成する分子は、他方の電極の上にＳＡＭを形成する分子と違ってもよい。オプションのＳＡＭ１５は単一電極上に形成できるということが更に予想される。
この特定実施態様においては、その間に４０ｎｍから１００ｎｍの範囲の間隙２０’を持つ金電極１２’，１４’を製造するために、電子ビームリソグラフィーが用いられる。ボンディングパッド（図示せず）を含む電極１２’，１４’のより大きい特徴を、比較的厚いＡｕ層を形成するためのフォトリソグラフィーによって設けて、ボンディングを容易にする。ＳＡＭ１５を構成する分子１９は、金（Ａｕ）に対して高親和性を持つと知られているチオール終端を有しているので、金（Ａｕ）の薄層（２０ｎｍ）が電極１２’，１４’の微細特徴のために用いられる。図３に示すこの特定実施態様においては、Ａｕ電極とナノ粒子の接触についての曖昧さを排除するために、チタン（Ｔｉ）粘着層の使用が、金属蒸着の間、意識的に避けられている。理論的には、金属の選択と種々の金属粘着層の含有とは、分子を電極１２’，１４’に留める分子の付着成分に依存する。電極をブリッジする前にナノメータスケール成分上に直接形成される自己組織化単一層（ＳＡＭ）の代替実施態様が、この開示によって予想される。ナノメータスケール成分の表面に直接ＳＡＭを製造することにより、図３に示すようなＳＡＭ１５の情報の必要性がなくなる。
図３に示すように、電極１２’，１４’の間に形成された間隙２０’が、ＡＣ電界２４
の印加により、この特定実施態様においては金属ナノ粒子２２’によって例示されているナノメータスケール成分によって、ブリッジされる。図１，２について説明された実施態様と同様に、この方法は、電子ナノメータスケール成分の直接測定のために一般的に要求される著しく狭い間隙（１〜２ｎｍ）を製造する必要性を緩和する。このプロセスは、説明されたように、ナノ粒子を介して直列に接続された二つの別の分子アレイを生じる。
の印加により、この特定実施態様においては金属ナノ粒子２２’によって例示されているナノメータスケール成分によって、ブリッジされる。図１，２について説明された実施態様と同様に、この方法は、電子ナノメータスケール成分の直接測定のために一般的に要求される著しく狭い間隙（１〜２ｎｍ）を製造する必要性を緩和する。このプロセスは、説明されたように、ナノ粒子を介して直列に接続された二つの別の分子アレイを生じる。
製造中、ＳＡＭ１５形成の前に、基盤１７’は、最初に、前に説明したように、ＵＶオゾン処理とエタノール浸けによって浄化され、それからすぐにグローブボックスへ運ばれる。Ａｕ電極１２’，１４’へのテスト分子の自己組織化は、ピラニア溶液（３：１ Ｈ２ＳＯ４：Ｈ２Ｏ２）によって浄化されたガラスシーリングバイアルの中で行われる。１０ｍＬの新規に蒸留されたテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）の中の１. ０ｍＬのテストナノメータスケール成分溶液は、チオールの不保護を促進するための１０μＬのＡｒ注入水酸化アンモニウムで処理されたものである。アセンブリ１０’はこの溶液の中に置かれ、ＳＡＭ１５形成が、１８から２４時間、室温で進行する。次に、アセンブリ１０’はガラスバイアルから取り出され、新規に蒸留されたＴＨＦで洗浄される。最後に、アセンブリ１０’はグローブボックスから外へ運ばれ、すぐにＡｕコロイド２２’のＡＣ閉じ込めとそれに続く電気測定のために使用される。
更にもう一つの例においては、図４に示すように、しばしば、二つ以上のナノ粒子２２”が間隙２０”をブリッジすることが見受けられる。図１から図３に示す構成部品と同様の図４のすべての構成部品は、異なる実施態様を示すために追加された二重ダッシュ符号を有する同様の番号で示されていることに注目しなければならない。このタイプのＡｕ電極ナノ粒子アセンブリ１０”の抵抗は一般的に１００ｋΩ〜数１００ＭΩまで変化する。ナノ粒子が、形成された間隙２０”よりも小さいサイズを有する場合、多数のナノ粒子２２”が間隙領域２０”内で群がる。
図５を参照すると、本発明に従ってナノメータスケール成分を選択的に位置合わせ及び位置決めする更にもう一つの方法が、簡略断面図で示されている。より詳しくは、図５には、複数のナノメータスケール成分３６を含む溶液３４を保持する容器３２の中に沈められたアセンブリ３０が示されている。アセンブリ３０は、第１電極４０と第２電極４２をその一部として形成したプローブ３８を含んでいる。プローブ３８は、ＡＣ電界を供給するための手段４４と電気的に通じている。動作中、ＡＣバイアスを印加するための手段４４は、電界を電極４０，４２に印加する。また、ＡＣバイアス４４振幅、周波数、及び閉じ込め時間は、ナノメータスケール成分３６の性質と濃度及びナノメータスケール成分３６が含まれている誘電環境によって変化することは明らかである。ＡＣ電界４４の影響下で、ナノ粒子３６は、電極４０，４２の間に形成された間隙４６内で得られる最大電界勾配の方向にそれを引っ張る誘電泳動力を受ける。
図６を参照すると、本発明に従ってナノメータスケール成分を選択的に位置合わせ及び位置決めするもう一つの方法が、簡略断面図で示されており、その中で、複数のナノメータスケール成分３６’を含む溶液３４’を保持する容器３２’の中に沈められた単一プローブアセンブリ３０’が示されている。図１〜３に示す構成部品と同様の図６のすべての構成部品は、異なる実施態様を示すために追加されたダッシュ符号を有する同様の番号で示されていることに注目しなければならない。アセンブリ３０’は、一般的に図１から図２の電極と同様に形成された単一電極４０’を形成した単一プローブ３８’を含んでいる。プローブ３８’は、ＡＣ電界を供給するための手段４４’と電気的に通じている。動作中、ＡＣバイアスを印加するための手段４４’は、電界を電極４０’に印加する。また、ＡＣバイアス４４’振幅、周波数、及び閉じ込め時間は、ナノメータスケール成分３６’の性質と濃度及びナノメータスケール成分３６’が含まれている誘電環境によって変化することは明らかである。ＡＣ電界４４’の影響下で、ナノ粒子３６’は、プローブ３８’
、より詳しくは電極４０’、の方向にそれを引っ張る誘電泳動力を受ける。この技術を用いて、ナノ粒子３６’又は複数のナノ粒子がプローブ３８’上に形成される。
、より詳しくは電極４０’、の方向にそれを引っ張る誘電泳動力を受ける。この技術を用いて、ナノ粒子３６’又は複数のナノ粒子がプローブ３８’上に形成される。
図７を参照すると、本発明によるナノメータスケール成分を選択的に位置合わせ及び位置決めする方法５０におけるステップが、簡略フローチャートで示されている。始めに、基板材料が提供され（５２）、もし必要なら絶縁材料でコーティングされ（５４）、この絶縁材料は表面を有する。次に、図１〜６に示された電極と一般的に同様な少なくとも一つの電極が、標準的なシリコン処理技術を用いて基板上に形成される（５６）。電極を形成するステップ（５６）は、前に説明されたように、少なくとも二つの電極が形成される場合、その間の間隙の製造を含むことができる。選択的位置合わせプロセスの間、前記少なくとも一つの電極は、ナノメータスケール成分を含む環境と接触するように位置決めされる（５８）。ＡＣ電界が前記少なくとも一つの電極に印加され（６０）、それにより、溶液内に含まれたナノメータスケール成分が、前記少なくとも一つの電極に集まるか、あるいは、二つ以上の電極の間に形成された間隙にブリッジをかける。輸送測定がその後行われる。
結論として、ここには、電子ナノメータスケールの輸送測定を可能にするための組織化技術が示されている。従来の能動配置方法が報告されており、この方法は、ＤＣバイアスを印加して二つの電極間にナノメータスケール成分を閉じ込めるステップを含んでいる。一定ＤＣバイアスが加えられるので、適当な固有電荷を持ったすべての種が電極に引き寄せられるのみならず、種が電気浸透力のために拡散する。多くの場合、対象となる種を容易に浄化することができないか、妥当な濃度で得ることができない。ここで説明されているのは、比較的簡単な、ナノメータスケール成分のＡＣ閉じ込めを用いた、新しい方法である。このプロセスは、ナノメータスケール成分を位置合わせ及び位置決めすることができる。振幅と周波数の適切な選択によって、ＡＣバイアスの使用は、望まれるナノメータスケール成分の配置を、溶液内の他の汚染種以上に、著しく向上させる。このように、この技術は、将来的には、いろいろな電子ナノメータスケール成分を特徴づけるための速くて簡単な方法を可能にする。
本発明に従ってナノメータスケール成分を選択的に位置合わせ及び位置決めする方法における具体的なステップが示され説明されたが、このプロセスに対する更なる変更及び改善は当業者にとって明らかであろう。従って、本発明は示された特定のステップに限定されるものでないこと、及び、本発明の精神と範囲から逸脱しないすべての変更を含むことが添付請求項の範囲の中で意図されていること、が理解されることが望まれる。
Claims (10)
- ナノメータスケール成分を選択的に位置合わせ及び位置決めする方法であって、少なくとも一つの電極に交流（ＡＣ）電界を供給して、ナノメータスケール成分を含む環境内に電界を生成するステップを備える方法。
- ナノメータスケール成分を含む前記環境には、ナノロッド、ナノワイヤ、ナノチューブ、ナノ粒子、及び生体分子の内の少なくとも一つをその中に含んだ環境が含まれる請求項１に記載の方法。
- 少なくとも一つの電極に交流（ＡＣ）電界を供給するステップは、基板を提供するステップと、前記基板の上に、前記基板の表面、即ち単一電極を形成するステップとを備える請求項２に記載の方法。
- 前記基板の上に、前記基板の表面、即ち単一電極を形成するステップは、
基板を提供するステップと、
リソグラフィーを用いて、前記基板の上に、前記基板の表面、即ち少なくとも一つの電極をパターン化するステップと
を備える請求項３に記載の方法。 - 少なくとも一つの電極に交流（ＡＣ）電界を供給するステップは、基板を提供するステップと、前記基板の上に、前記基板の最上表面、即ちその間に形成された間隙を有する二つ以上の電極を形成するステップとを備える請求項２に記載の方法。
- 交流（ＡＣ）電界を供給するステップは、前記二つ以上の電極の間に交流（ＡＣ）電界を供給し、そのことによって、前記二つ以上の電極の間に形成された間隙の中にナノメータスケール成分を閉じ込めるステップを備える請求項５に記載の方法。
- 前記二つ以上の電極の少なくとも一つの最上表面に、テストナノメータスケール成分の自己組織化単一層（ＳＡＭ）を形成するステップを更に備える請求項６に記載の方法。
- ナノメータスケール成分を選択的に位置合わせ及び位置決めする方法であって、
基板材料を提供するステップと、
前記基板材料の最上表面に、その間に形成された間隙を有する二つ以上の電極をパターン化するステップと、
前記二つ以上の電極と接触する環境であって、その中にナノメータスケール成分を含んだ環境を提供するステップと、
前記二つ以上の電極の間に交流（ＡＣ）電界を供給し、そのことによって、前記二つ以上の電極の間に形成された間隙の中にナノメータスケール成分を閉じ込めるステップと
を備える方法。 - ナノメータスケール成分を選択的に位置合わせ及び位置決めする方法であって、
半導体材料を提供するステップと、
前記半導体材料の最上表面に絶縁層を形成するステップと、
前記絶縁材料の最上表面に、その間に形成された間隙を有する二つ以上の電極をパターン化するステップと、
前記二つ以上の電極の少なくとも一つの最上表面に、テスト分子の自己組織化単一層（ＳＡＭ）を形成するステップと、
前記二つ以上の電極と接触する環境であって、その中にナノメータスケール成分を含んだ環境を提供するステップと、
前記二つ以上の電極の間に交流（ＡＣ）電界を供給して電界を生成し、そのことによって、前記二つ以上の電極の間に形成された間隙の中に、テストナノメータスケール成分と一致する少なくとも一つのナノメータスケール成分を閉じ込めるステップと
を備える方法。 - 半導体材料を提供するステップは、珪素（Si）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、及び砒化インジウム（ＩｎＡｓ）の内の一つで形成された半導体材料を提供するステップを備える請求項９に記載の方法。
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