JP2008021685A - Molecular element - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a novel molecular element which can be switched by applying an electric field externally while avoiding thermal rotation of metal-including fullerene leading to blockage of switching even under a high temperature of 13 K or above. <P>SOLUTION: The molecular element 10 comprises a first electrode 1, a self-organization monomolecular film 2 arranged on the first electrode 1, a metal-including fullerene 3 arranged on the self-organization monomolecular film 2, and a second electrode 4 arranged on the metal-including fullerene 3 while spaced apart by a predetermined distance wherein the self-organization monomolecular film has a thickness of 1.2 nm or less. The self-organization monomolecular film 2 consists of a first functional group chemisorbed to a metal atom becoming a first electrode 1, and a second functional group bonding to the first functional group. The molecular element 10 operates as a switching element or a memory element at 65.1 K. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、ナノメートル(nm)単位の大きさを有する電子デバイス及び光デバイスに係り、より詳細にはスイッチング素子や記憶素子として有用な分子素子に関する。   The present invention relates to an electronic device and an optical device having a size of a nanometer (nm) unit, and more particularly to a molecular element useful as a switching element or a memory element.

半導体素子を微細化する技術が伸展しているが、その微細化には物理的な限界がある。この半導体素子の微細化限界を克服するための次世代素子として、所謂、機能性分子を用いた分子素子の研究が進められている。このような分子素子の材料としては、カーボンナノチューブやフラーレンが知られている。金属内包フラーレンは、炭素からなるフラーレン殻の内部に金属原子を内包した機能性分子である。フラーレン殻と内包金属原子との電荷交換により分子内に電子状態の偏りと極性、つまり、双極子モーメントを有しているため、金属内包フラーレンを用いたスイッチについて多くの研究者がその動作の確認を試みてきた。   Technology for miniaturizing semiconductor elements has been developed, but the miniaturization has physical limitations. As a next-generation device for overcoming the limit of miniaturization of semiconductor devices, research on molecular devices using so-called functional molecules is underway. Carbon nanotubes and fullerenes are known as materials for such molecular elements. Metal-encapsulated fullerene is a functional molecule in which a metal atom is encapsulated inside a fullerene shell made of carbon. Many researchers have confirmed the operation of switches using metal-encapsulated fullerenes because of the polarization and polarity of the electronic state in the molecule due to charge exchange between the fullerene shell and the encapsulated metal atoms, that is, the dipole moment. Have tried.

本発明者等は、非特許文献1において、金属内包フラーレンを用いた分子素子のスイッチング現象を世界で最初に報告した。金属内包フラーレンを用いた分子素子は、Au(111)上にオクタンチオールからなる自己組織化単分子膜(SAM)を形成し、この膜構造上に金属内包フラーレンとしてTb@C82を配置した素子である。走査トンネル分光(STS)測定を行った結果、Tb@C82の双極子モーメントの配向に起因したスイッチング現象が、極低温の13Kで初めて観測された。観測した電流電圧特性においては、電圧の掃引方向の違いによるヒステリシスや負性微分コンダクタンスも観測された。この非特許文献1の金属内包フラーレンを用いた新規な分子素子は、ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductors)2005において、半導体素子に代わる新規なロジックデバイスの候補として引用されている。 In the nonpatent literature 1, the present inventors reported the switching phenomenon of the molecular element using metal inclusion fullerene for the first time in the world. In the molecular device using metal-encapsulated fullerene, a self-assembled monomolecular film (SAM) composed of octanethiol is formed on Au (111), and Tb @ C 82 is disposed as the metal-encapsulated fullerene on the film structure. It is. Scanning tunneling spectroscopy (STS) results measuring was performed, switching phenomenon due to the orientation of the dipole moment of Tb @ C 82 was observed for the first time at 13K cryogenic. In the observed current-voltage characteristics, hysteresis and negative differential conductance due to differences in the voltage sweep direction were also observed. The novel molecular device using the metal-encapsulated fullerene of Non-Patent Document 1 is cited as a candidate for a new logic device in place of a semiconductor device in ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) 2005.

金属膜上に形成することができる自己組織化単分子膜として、ジチオカルバメート基及びその誘導体が非特許文献2に、β−シクロデキストリンチオール(Thiolated β-chyclodextrins)が非特許文献3に、ビオロゲン終端チオール(Viologen-terminated thiol)やフェロセン終端チオール(Ferrocene-terminated thiol)が非特許文献4に、N−(2−メルカプトエチル)−4−フェニルアゾベンゼンザミド(N-(2-mercaptoethyl)-4-phenylazobenzamide)が非特許文献5に、ジチオービスサクシニミジル終端チオール(Dithio-bis-succinimidyl-terminated thiol)が非特許文献6に、4’−メチル−1,1’−ビフェニル−4−ブタン(4'-methyl-1,1'-biphenyl-4-butane)が非特許文献7に、メルカプトアルカノール(Mercaptoalkanol)やメルカプトアルカン酸(Mercaptoalkanoic Acid)が非特許文献8に、アミド終端チオール(amide-terminated thiol)、アミノ終端チオール(amino-terminated thiol)、3−アミノチオールフェノール(3-aminothiolphenol)が非特許文献9に、メチルキサンテート(methyl xanthate)、エチルキサンテート(ethyl xanthate)、ブチルキサンテート(buthyl xanthate)などのキサンテート基を有する自己組織化単分子膜が非特許文献10において、それぞれ報告されている。   As self-assembled monolayers that can be formed on metal films, dithiocarbamate groups and derivatives thereof are described in Non-Patent Document 2, β-cyclodextrin thiol (Thiolated β-chyclodextrins) is described in Non-Patent Document 3, and viologen-terminated. Thiol (Viologen-terminated thiol) and ferrocene-terminated thiol are described in Non-Patent Document 4, N- (2-mercaptoethyl) -4-phenylazobenzenezamide (N- (2-mercaptoethyl) -4- phenylazobenzamide) is described in Non-Patent Document 5, dithio-bis-succinimidyl-terminated thiol is described in Non-Patent Document 6, and 4′-methyl-1,1′-biphenyl-4-butane (4 '-methyl-1,1'-biphenyl-4-butane) is described in Non-Patent Document 7, and mercaptoalkanol and mercaptoalkanoic acid are described in Non-Patent Document 8. Non-Patent Document 9 includes amide-terminated thiol, amino-terminated thiol, and 3-aminothiolphenol, and methyl xanthate and ethyl xanthate. ) And self-assembled monolayers having xanthate groups such as butyl xanthate have been reported in Non-Patent Document 10, respectively.

Y. Yasutake, Z. Shi, T. Okazaki, H. Shinohara, and Y. Majima, “Single Molecular Orientation Switching of an Endohedral Metallofullerene", Nano Letters, 5, pp.1057-1060, 2005Y. Yasutake, Z. Shi, T. Okazaki, H. Shinohara, and Y. Majima, “Single Molecular Orientation Switching of an Endohedral Metallofullerene”, Nano Letters, 5, pp.1057-1060, 2005 Y. Zhao,他3名, Journal of the American Chemical Society, 127, pp.7328-7329, 2005Y. Zhao, 3 others, Journal of the American Chemical Society, 127, pp. 7328-7329, 2005 J.-Y. Lee, 他1名, Journal of Physical Chemistry B, 102, pp.9940-9945, 1998J.-Y. Lee, 1 other, Journal of Physical Chemistry B, 102, pp. 9940-9945, 1998 R. A. Wassel, 他3名, Nano Letters 3, pp.1617-1620, 2003R. A. Wassel, 3 others, Nano Letters 3, pp. 1617-1620, 2003 S. Yasuda, 他3名, Journal of the American Chemical Society, 125, pp.16430-16433, 2003S. Yasuda, 3 others, Journal of the American Chemical Society, 125, pp. 16430-16433, 2003 P. Wagner, 他4名, Biophysical Journal 70, pp.2052-2066, 1996P. Wagner, 4 others, Biophysical Journal 70, pp.2052-2066, 1996 B. Lussem, 他5名, Langmuir, 22, pp.3021-3027, 2006B. Lussem, 5 others, Langmuir, 22, pp.3021-3027, 2006 D. A. Hutt, 他1名, Langmuir, 13, pp.2740-2748, 1997D. A. Hutt, 1 other, Langmuir, 13, pp.2740-2748, 1997 A. E. Hopper, 他3名, Surface and Interface Analysis, 31, pp.809-814, 2001A. E. Hopper, 3 others, Surface and Interface Analysis, 31, pp.809-814, 2001 P. Talonen, 他4名, Phys. Chem. Chem. Phys., 1, pp.3361-3666, 1999P. Talonen, 4 others, Phys. Chem. Chem. Phys., 1, pp. 3361-3666, 1999

非特許文献1における分子素子は13Kという極低温でしか動作せず、その原因としては、電極と金属内包フラーレンとの相互作用や金属内包フラーレンへの熱による擾乱、つまり、回転があると推定されている。このように、従来の金属内包フラーレンによる分子素子にあっては、13K以上の温度で動作させることができないという課題があった。   The molecular element in Non-Patent Document 1 operates only at an extremely low temperature of 13 K, and it is estimated that the cause is the interaction between the electrode and the metal-encapsulated fullerene and the disturbance due to heat to the metal-encapsulated fullerene, that is, rotation. ing. Thus, the conventional molecular device using metal-encapsulated fullerene has a problem that it cannot be operated at a temperature of 13K or higher.

本発明は上記課題に鑑み、13K以上の高温においても、スイッチングの阻害要因となる金属内包フラーレンの熱的な回転を回避し、新規で外部から電界を加えることによりスイッチング動作が可能な分子素子を提供することを目的としている。   In view of the above problems, the present invention provides a novel molecular element capable of avoiding thermal rotation of metal-encapsulated fullerene, which is a hindrance to switching, even at a high temperature of 13K or higher, and capable of switching operation by applying an electric field from the outside. It is intended to provide.

本発明者等は上記分子素子の自己組織化単分子膜に着目して鋭意研究を行なった結果、13K以上の高温においても金属内包フラーレンの熱的な回転を回避し、外部から電界を加えることにより、スイッチング動作が可能で新規な分子素子を実現できることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies focusing on the self-assembled monomolecular film of the molecular device, the present inventors have avoided the thermal rotation of the metal-encapsulated fullerene and applied an electric field from the outside even at a high temperature of 13K or higher. As a result, the inventors have found that a novel molecular element can be realized by switching operation, and the present invention has been completed.

上記目的を達成するために、本発明の分子素子は、第1の電極と、第1の電極上に配置される自己組織化単分子膜と、自己組織化単分子膜上に配置される金属内包フラーレンと、金属内包フラーレン上に所定の距離を隔てて配置される第2の電極と、を備え、自己組織化単分子膜の厚みが1.2nm以下であることを特徴とする。
上記構成において、好ましくは、自己組織化単分子膜は、第1の電極となる金属原子に化学吸着する第1の官能基と第1の官能基に結合する第2の官能基とから成り、第1の官能基が、チオール基、ジチオカルバメート基、キサンテート基の何れかの基である。
自己組織化単分子膜の第2の官能基は、好ましくは、アルカン、アルケン、アルカン又はアルケンの水素分子の一部又は全部をフッ素に置換したもの、アミノ基、ニトロ基、アミド基の何れかの基を有する。分子素子は、好ましくは、スイッチング動作を行い得るスイッチング素子として利用することができる。
In order to achieve the above object, the molecular device of the present invention includes a first electrode, a self-assembled monolayer disposed on the first electrode, and a metal disposed on the self-assembled monolayer. An endohedral fullerene and a second electrode disposed on the metal endohedral fullerene at a predetermined distance are provided, and the thickness of the self-assembled monolayer is 1.2 nm or less.
In the above configuration, preferably, the self-assembled monolayer includes a first functional group chemically adsorbed on a metal atom serving as a first electrode and a second functional group bonded to the first functional group, The first functional group is any group of a thiol group, a dithiocarbamate group, and a xanthate group.
The second functional group of the self-assembled monolayer is preferably any one of alkane, alkene, alkane or alkene in which part or all of hydrogen molecules are substituted with fluorine, amino group, nitro group, or amide group. It has the following group. The molecular element can be preferably used as a switching element capable of performing a switching operation.

上記構成によれば、13K以上の高温領域において、分子素子の第1及び第2の電極に閥値以上の電圧を印加するとトンネル電流が流れ、スイッチング素子として動作させることができる。本発明の分子素子によれば、電圧を正側の閥値以上の高電圧から負側の閥値以上の高電圧に掃引し、再度、負側の高電圧から正側の高電圧に掃引した場合には、電流電圧特性にヒステリシス及び負性微分コンダクタンスが生じる。   According to the above configuration, when a voltage higher than the threshold value is applied to the first and second electrodes of the molecular element in a high temperature region of 13K or higher, a tunnel current flows and the switching element can be operated. According to the molecular device of the present invention, the voltage is swept from a high voltage equal to or higher than the positive threshold value to a high voltage equal to or higher than the negative threshold value, and again swept from the negative high voltage to the positive high voltage. In some cases, hysteresis and negative differential conductance occur in the current-voltage characteristics.

上記構成において好ましくは、分子素子はメモリ動作を行い得るメモリ素子として使用することができる。本発明によれば、金属内包フラーレンの双極子モーメントの向きが外部からの電界方向に沿って変化することを利用し、分子素子をメモリ素子として動作させることができる。   In the above configuration, the molecular element can be preferably used as a memory element capable of performing a memory operation. According to the present invention, the molecular element can be operated as a memory element by utilizing the fact that the direction of the dipole moment of the metal-encapsulated fullerene changes along the electric field direction from the outside.

本発明によれば、自己組織化単分子膜の厚さを制御することにより、熱的に安定で、スイッチング動作が可能であると共に、記憶ができるメモリ素子として有用な分子素子を提供することができる。   According to the present invention, by controlling the thickness of the self-assembled monolayer, it is possible to provide a molecular device that is thermally stable, capable of switching operation, and useful as a memory device that can store data. it can.

本発明の分子素子を用いたメモリ素子によれば、金属内包フラーレンの双極子モーメントの向きにより記憶ができるので、熱的に安定で、かつ、書き込み消去が可能で、読み出し電圧を加えることにより非破壊でデータを読み出すことができる。   According to the memory element using the molecular element of the present invention, since the memory can be stored according to the direction of the dipole moment of the metal-encapsulated fullerene, it is thermally stable and can be written / erased. Data can be read by destruction.

以下、本発明の分子素子について、図面を参照しつつ好ましい実施の形態を説明する。各図において同一又は対応する部材には同一符号を用いる。
図1は本発明の分子素子の構造を模式的に示す図である。図1に示すように、本発明の分子素子10は、下部電極としての第1の電極1と、この第1の電極1上に配置された自己組織化単分子膜2と、自己組織化単分子膜2上に配置される金属を内包したフラーレン3と、金属を内包したフラーレン3から所定の距離5に配置される上部電極としての第2の電極4と、から構成されている。分子素子10は、金属内包フラーレン3と自己組織化単分子膜2を介して下部金属1との間に形成される第1のトンネル接合と、金属内包フラーレン3と隙間5を介して上部金属4との間に形成される第2のトンネル接合とを有している。
Hereinafter, preferred embodiments of the molecular device of the present invention will be described with reference to the drawings. In each figure, the same or corresponding members are denoted by the same reference numerals.
FIG. 1 is a diagram schematically showing the structure of the molecular device of the present invention. As shown in FIG. 1, a molecular device 10 of the present invention includes a first electrode 1 as a lower electrode, a self-assembled monolayer 2 disposed on the first electrode 1, a self-assembled monolayer. The fullerene 3 encapsulating the metal disposed on the molecular film 2 and the second electrode 4 as the upper electrode disposed at a predetermined distance 5 from the fullerene 3 encapsulating the metal. The molecular element 10 includes a first tunnel junction formed between the metal-encapsulated fullerene 3 and the lower metal 1 via the self-assembled monolayer 2, and the upper metal 4 via the metal-encapsulated fullerene 3 and the gap 5. And a second tunnel junction formed between the two.

下部電極としての第1の電極(以下、適宜に下部電極とも呼ぶ)1は、金属からなる基板又は単結晶基板上に形成した金属層からなる。この下部電極1は、金(Au)などの単結晶でなることが好ましい。   A first electrode (hereinafter also referred to as a lower electrode as appropriate) 1 as a lower electrode is made of a metal substrate or a metal layer formed on a single crystal substrate. The lower electrode 1 is preferably made of a single crystal such as gold (Au).

自己組織化単分子膜2は、下部電極1上に形成され、その形成過程において、自己組織化、つまり、ナノ構造が自発的に形成された単分子で成る膜である。自己組織化単分子膜2は、下部電極となる電極層1の金属原子と化学吸着で結合する第1の官能基2Aと、この官能基2Aに化学結合する第2の官能基2Bとを有している。   The self-assembled monomolecular film 2 is a film made of a monomolecule formed on the lower electrode 1 and self-assembled, that is, a nanostructure is spontaneously formed in the formation process. The self-assembled monolayer 2 has a first functional group 2A bonded to the metal atom of the electrode layer 1 serving as the lower electrode by chemical adsorption, and a second functional group 2B chemically bonded to the functional group 2A. is doing.

下部電極1の金属原子と化学吸着で結合する第1の官能基2Aとしては、チオール基(thiol)、ジチオカルバメート基(dithiocarbamate)、キサンテート基(xanthate)の何れかを挙げることができる。   Examples of the first functional group 2A bonded to the metal atom of the lower electrode 1 by chemical adsorption include any of a thiol group, a dithiocarbamate group, and a xanthate group.

第1の官能基2Aに化学結合する第2の官能基2Bとしては、アルカン、アルケン、アルカン及びアルケンの水素分子の一部又は全部をフッ素に置換したもの、アミノ基、ニトロ基、アミド基の何れかの基とすることができる。   As the second functional group 2B chemically bonded to the first functional group 2A, alkane, alkene, alkane and alkene hydrogen molecule partially or entirely substituted with fluorine, amino group, nitro group, amide group It can be any group.

自己組織化単分子膜2の厚さは、分子素子に流れるトンネル電流を大きくするためには、ヘキサンチオールの厚みである1.2nm以下であることが望ましく、1nm以下であることがより好適である。この厚みが1.2nmよりも厚いと、13K以上の温度において、分子素子10がスイッチング動作を行なわない。   The thickness of the self-assembled monolayer 2 is preferably 1.2 nm or less, which is the thickness of hexanethiol, and more preferably 1 nm or less in order to increase the tunnel current flowing through the molecular element. is there. If the thickness is greater than 1.2 nm, the molecular element 10 does not perform a switching operation at a temperature of 13K or higher.

自己組織化単分子膜2としては、ジエチルジチオカルバメート(diethyldithiocarbamate)を用いることができる。図2は、ジエチルジチオカルバメートの分子構造を示す図である。図2に示すように、ジエチルジチオカルバメートの下部の官能基2A、即ち、二つのチオール基が金属電極層と化学吸着により結合(化学結合)していることが分かる。   As the self-assembled monolayer 2, diethyldithiocarbamate can be used. FIG. 2 is a diagram showing the molecular structure of diethyldithiocarbamate. As shown in FIG. 2, it can be seen that the functional group 2A under the diethyldithiocarbamate, that is, two thiol groups are bonded (chemically bonded) to the metal electrode layer by chemical adsorption.

図3〜図15は、本発明に用いることができる自己組織化単分子膜の化学構造を示す図である。
図3は、本発明に用いることができる自己組織化単分子膜の化学構造として、(A)がジチオカルバメート基の一般式を示し、(B)〜(N)がその誘導体を示す図である。図3(A)に示すジチオカルバメート基において、R及びRはそれぞれ異なるアルキル基である。図3(B)はジメチルジチオカルバメート(Dimethyldithiocarbamate)を、図3(C)はジエチルジチオカルバメート(Diethyldithiocarbamate)を、図3(D)はジブチルジチオカルバメート(Dibutyldithiocarbamate)を、図3(E)はジイソプロピルジチオカルバメート(Diisopropyldithiocarbamate)を、図3(F)はピペリジンジチオカルバメート(Piperidine-dithiocarbamate)を、図3(G)はモルフォリンジチオカルバメート(Morpholinedithiocarbamate)を、図3(H)はビス-2-フィリジルメチルジチオカルバメート(Bis(2-pyridylmethyl)dithiocarbamate)を、図3(I)はメタフェタジチオカルバメート(Methamphetdithiocarbamate)を、それぞれ示している。
図3(J)〜図3(N)は、用いることができるR又はRのアルキル基を示し、それぞれ、(J)がtert−ブチル(tert-butyl)を、(K)がイソブチル(isobutyl)を、(L)がsec−ブチル(sec-butyl)を、(M)がneo−ペンチル(neopentyl)を、(N)がイソペンチル(isopentyl)を示している。
3 to 15 are diagrams showing chemical structures of self-assembled monolayers that can be used in the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a general formula of a dithiocarbamate group as a chemical structure of a self-assembled monolayer that can be used in the present invention, and (B) to (N) showing derivatives thereof. . In the dithiocarbamate group shown in FIG. 3A, R 1 and R 2 are different alkyl groups. FIG. 3 (B) shows dimethyldithiocarbamate, FIG. 3 (C) shows diethyldithiocarbamate, FIG. 3 (D) shows dibutyldithiocarbamate, and FIG. 3 (E) shows diisopropyldithiocarbamate. Fig. 3 (F) shows piperidine dithiocarbamate, Fig. 3 (G) shows morpholine dithiocarbamate, and Fig. 3 (H) shows bis-2-phyridylmethyl. Dithiocarbamate (Bis (2-pyridylmethyl) dithiocarbamate) is shown, and FIG. 3 (I) shows metaphetadithiocarbamate.
3 (J) to 3 (N) show R 1 or R 2 alkyl groups that can be used, and (J) is tert-butyl, and (K) is isobutyl (R). (isobutyl), (L) is sec-butyl, (M) is neo-pentyl, and (N) is isopentyl.

図4はβ−シクロデキストリンチオール(Thiolated β-chyclodextrins)を示しており、構造式中のアルキレン基(−CH−)の数nは6又は7とすることができる。図5はビオロジン終端チオール(Viologen-terminated thiol)を示しており、アルキレン基数nは、1〜11とすることができる。図6はフェロセン終端チオール(Ferrocene terminated thiol)を示しており、アルキレン基数nは1〜11とすることができる。 FIG. 4 shows β-cyclodextrin thiol (Thiolated β-chyclodextrins), and the number n of alkylene groups (—CH 2 —) in the structural formula can be 6 or 7. FIG. 5 shows a viologen-terminated thiol, and the number of alkylene groups n can be 1-11. FIG. 6 shows a ferrocene terminated thiol, and the number of alkylene groups n can be 1-11.

図7はN−2−メルカプトエチル−4−フェニルアゾベンゼンザミド(N-(2-mercaptoethyl)-4-phenylazobenzamide)を示しており、トランス及びシスの異性体を用いることができる。図8はジチオ−ビスサクシニミジル終端チオール)(Dithio-bis(succinimidylundecanoate))を示しており、アルキレン基数nは1〜11とすることができる。図9は4’−メチル−1,1’−ビフェニル−4−ブタン(4'-methyl-1,1'-biphenyl-4-butane)を示している。   FIG. 7 shows N-2- (mercaptoethyl) -4-phenylazobenzamide, and trans and cis isomers can be used. FIG. 8 shows dithio-bis (succinimidylundecanoate), and the number of alkylene groups n can be 1-11. FIG. 9 shows 4'-methyl-1,1'-biphenyl-4-butane.

図10はメルカプトアルカノール(Mercaptoalkanol)を示しており、アルキレン基数nは1〜11とすることができる。図11はメルカプトアルカン酸(Mercaptoalkanoic Acid)を示しており、アルキレン基数nは1〜11とすることができる。   FIG. 10 shows mercaptoalkanol, and the number n of alkylene groups can be 1-11. FIG. 11 shows mercaptoalkanoic acid, and the number n of alkylene groups can be 1-11.

図12〜14は、アミド基、アミノ基及びニトロ基を含む自己組織化単分子膜の例であり、それぞれ、アミド終端チオール、アミン終端チオール、3−アミノチオールフェノールを示しており、アルキレン基数nは1〜11とすることができる。   12 to 14 are examples of self-assembled monolayers containing an amide group, an amino group, and a nitro group, and show an amide-terminated thiol, an amine-terminated thiol, and 3-aminothiolphenol, respectively. Can be 1-11.

図15は、本発明に用いることができる自己組織化単分子膜の化学構造として、(A)がキサンテートを示し、(B)〜(E)がその具体例を示す図である。図15(A)に示すキサンテートにおいて、Rはアルキル基である。図15(B)〜(E)は、それぞれメチルキサンテート,エチルキサンテート、プロピルキサンテート、ブチルキサンテートを示している。アルキル基Rとしては、図3(I)〜(M)に示すtert−ブチル,イソブチル,sec−ブチル,neo−ペンチル,イソペンチルとすることもできる。 FIG. 15 is a diagram showing (X) xanthate and (B) to (E) showing specific examples of the chemical structure of a self-assembled monolayer that can be used in the present invention. In the xanthate shown in FIG. 15A, R 1 is an alkyl group. FIGS. 15B to 15E show methyl xanthate, ethyl xanthate, propyl xanthate, and butyl xanthate, respectively. The alkyl group R 1, tert-butyl shown in FIG 3 (I) ~ (M) , can be isobutyl, sec- butyl, neo-pentyl, also be isopentyl.

本発明の分子素子10においては、自己組織化単分子膜の第1の官能基2Aと金属内包フラーレン3とが結合している。金属内包フラーレン3(以下、適宜に、金属内包フラーレンと呼ぶ)は、炭素元素からなるフラーレン3Aの内部に1個の金属原子3Bが挿入されている。この金属内包フラーレン3をM@Cnと表記することにする。ここで、Mは、フラーレンに内包される金属原子であり、Cnはフラーレンである。nは炭素原子数であり、n=60,70,72,74,76,78,80,82,84,86,88,90,92,94とすることができる。   In the molecular element 10 of the present invention, the first functional group 2A of the self-assembled monolayer and the metal-encapsulated fullerene 3 are bonded. In the metal-encapsulated fullerene 3 (hereinafter, appropriately referred to as a metal-encapsulated fullerene), one metal atom 3B is inserted inside the fullerene 3A made of a carbon element. This metal-encapsulated fullerene 3 will be expressed as M @ Cn. Here, M is a metal atom included in fullerene, and Cn is fullerene. n is the number of carbon atoms, and n = 60, 70, 72, 74, 76, 78, 80, 82, 84, 86, 88, 90, 92, 94.

金属Mとしては、3価の金属原子が好ましく、Sc(スカンジウム),Y(イットリウム)やランタノイドの何れかを用いることができる。ランタノイドとしては、La(ランタン),Ce(セリウム),Pr(プラセオジム),Nd(ネオジム),Pm(プロメチウム),Sm(サマリウム),Eu(ユウロピウム),Gd(ガドリニウム),Tb(テルビウム),Dy(ジスプロシウム),Ho(ホルミウム),Er(エルビウム),Tm(ツリウム),Yb(イッテルビウム),Lu(ルテチウム)が挙げられる。このような金属内包フラーレンとしては、Lu@C82,Er@C82やTb@C82などを用いることができる。 The metal M is preferably a trivalent metal atom, and any of Sc (scandium), Y (yttrium) and lanthanoid can be used. As lanthanoids, La (lanthanum), Ce (cerium), Pr (praseodymium), Nd (neodymium), Pm (promethium), Sm (samarium), Eu (europium), Gd (gadolinium), Tb (terbium), Dy (Dysprosium), Ho (holmium), Er (erbium), Tm (thulium), Yb (ytterbium), Lu (lutetium). As such metal inclusion fullerene, Lu @ C82 , Er @ C82 , Tb @ C82, etc. can be used.

金属内包フラーレン3から所定の距離Lに配置される上部の第2電極4(以下、適宜に上部電極と呼ぶ)は、例えば、nmオーダーの寸法を有する針からなる電極とすることができる。この距離Lは、分子素子10に流れるトンネル電流を大きくするためには、0.3〜1.5nm程度にすればよい。上記の所定の距離を隔てる空間5は真空や自己組織化単分子膜からなる層とすることができる。   The upper second electrode 4 (hereinafter appropriately referred to as the upper electrode) disposed at a predetermined distance L from the metal-encapsulated fullerene 3 can be an electrode made of a needle having a dimension on the order of nm, for example. This distance L may be set to about 0.3 to 1.5 nm in order to increase the tunnel current flowing through the molecular element 10. The space 5 separating the predetermined distance can be a layer made of a vacuum or a self-assembled monomolecular film.

分子素子10において、下部電極となる電極層1としては(111)面を有するAu結晶、自己組織化単分子膜3としてジエチルジチオカルバメート、金属内包フラーレン4としてLu@C82,Er@C82やTb@C82を用いて構成することができる。 In the molecular element 10, the electrode layer 1 serving as the lower electrode is an Au crystal having a (111) plane, the self-assembled monomolecular film 3 is diethyldithiocarbamate, the metal-encapsulated fullerene 4 is Lu @ C 82 , Er @ C 82 , It can be configured using Tb @ C 82 .

次に、本発明の分子素子の動作について説明する。
図16は、本発明の分子素子10の電流電圧特性を模式的に示す図である。図16において、縦軸は分子素子10に流れるトンネル電流(任意目盛)を示し、横軸は分子素子10への印加電圧(任意目盛)を示している。電圧は、上部電極4と下部電極1との間に印加される。正側が上部電極4を正極にし、下部電極1を負極にした場合である。図には、金属内包フラーレン3をLu@C82として、その双極子モーメント3Cを矢印で示している。
図16に示すように、電圧は、正側から負側に変化させたときを実線で示し、負側から正側に変化させたときを点線で示しているが、電圧の印加方向が異なると電流電圧特性が異なる、つまり、ヒステリシス特性が得られる。電圧が十分に高い正電圧及び負電圧の閾値電圧(Vth)以上では、分子素子10にトンネル電流が流れる。したがって、本発明の分子素子10によれば、電圧を印加しない状態から±Vth上の電圧を印加することで、オフからオン状態に遷移させることができる。オン状態からは、±Vth以下の電圧、例えば0Vにすれば再びオフ状態に遷移させることができる。
Next, the operation of the molecular device of the present invention will be described.
FIG. 16 is a diagram schematically showing current-voltage characteristics of the molecular element 10 of the present invention. In FIG. 16, the vertical axis indicates the tunnel current (arbitrary scale) flowing through the molecular element 10, and the horizontal axis indicates the voltage applied to the molecular element 10 (arbitrary scale). A voltage is applied between the upper electrode 4 and the lower electrode 1. The positive side is the case where the upper electrode 4 is the positive electrode and the lower electrode 1 is the negative electrode. In the figure, the metal-encapsulated fullerene 3 is Lu @ C 82 , and its dipole moment 3C is indicated by an arrow.
As shown in FIG. 16, the voltage is indicated by a solid line when it is changed from the positive side to the negative side, and is indicated by a dotted line when it is changed from the negative side to the positive side. Current voltage characteristics are different, that is, hysteresis characteristics are obtained. When the voltage is higher than a sufficiently high positive voltage and negative threshold voltage (V th ), a tunnel current flows through the molecular element 10. Therefore, according to the molecular element 10 of the present invention, it is possible to transition from the off state to the on state by applying a voltage of ± Vth from the state where no voltage is applied. From the on state, if the voltage is less than ± V th , for example, 0 V, the transition to the off state can be made again.

このとき分子素子10に印加される外部電界の向きは、上部電極4が正電圧の場合には紙面上部から紙面下部への向きとなり(図16の下向き矢印(↓)参照)、上部電極4が負電圧の場合には紙面下部から紙面上部への向きとなる(図16の下向き矢印(↑)参照)。Lu@C82は、内包金属原子であるLuがプラス3価に帯電し、フラーレン殻3Aがマイナス3価に帯電しており、フラーレン殻3A内のLu原子3Bの位置は中心からずれた位置に固定されているため、外観は対称であるが電気的には非対称な構造となり、双極子モーメント3Cを有している。したがって、金属内包フラーレン3の向きによって電気的な性質は異なる。 At this time, the direction of the external electric field applied to the molecular element 10 is the direction from the upper part of the paper to the lower part of the paper when the upper electrode 4 has a positive voltage (see the downward arrow (↓) in FIG. 16). In the case of a negative voltage, the direction is from the bottom of the page to the top of the page (see the downward arrow (↑) in FIG. 16). In Lu @ C 82 , the inclusion metal atom Lu is positively charged to trivalent, the fullerene shell 3A is negatively charged to trivalent, and the position of the Lu atom 3B in the fullerene shell 3A is shifted from the center. Since it is fixed, the appearance is symmetric but electrically asymmetrical, and has a dipole moment 3C. Therefore, the electrical properties differ depending on the orientation of the metal-encapsulated fullerene 3.

図16(a)に示すように、電圧が正の高電圧側及び0Vから−Vth以内の領域(図16の(b)参照)においては、金属内包フラーレン3の双極子モーメント3Cの向きは上部電極4から下部電極1への向き、つまり、下向き矢印(↓)の方向である。電圧が−Vth以上(図16の(c)参照)、負の高電圧側(図16の(d)参照)、0Vから正側電圧の領域(図16の(e)参照)では、双極子モーメント3Cの向きは電界方向が逆向きとなるので下部電極1から上部電極4への向き、つまり、上向き矢印(↑)の方向である。電圧がさらに正側に大きくなり閾値Vth近傍で、金属内包フラーレン3の双極子モーメント3Cの向きは再び上部電極から下部電極の向き、つまり、下向き矢印(↓)の方向となり、電流が流れ始める。 As shown in FIG. 16 (a), in the region within -V th voltage from positive high voltage side and 0V (see (b) of FIG. 16), the orientation of the dipole moment 3C metal endohedral 3 The direction is from the upper electrode 4 to the lower electrode 1, that is, the direction of the downward arrow (↓). When the voltage is −V th or more (see FIG. 16C), the negative high voltage side (see FIG. 16D), and the region from 0 V to the positive voltage (see FIG. 16E), bipolar The direction of the child moment 3C is the direction from the lower electrode 1 to the upper electrode 4, that is, the direction of the upward arrow (↑) because the electric field direction is opposite. The voltage further increases to the positive side, and in the vicinity of the threshold value Vth , the direction of the dipole moment 3C of the metal-encapsulated fullerene 3 is again from the upper electrode to the lower electrode, that is, in the direction of the downward arrow (↓), and current begins to flow. .

電圧を負側から0Vを経て正側高電圧にする場合に、Vthの直前においては、負性微分コンダクタンスが生じる。つまり、電圧の増大に伴い電流が減少する領域(図4の点線で囲んだ領域参照)、即ち、dI/dV<0となる。負性微分コンダクタンスは、負側の電圧でも生じる場合がある。これらの負性微分コンダクタンスは、金属内包フラーレン3内の双極子モーメント3Cの向きが逆転することに起因していると推定される。 When the voltage is changed from the negative side through 0V to the positive high voltage, a negative differential conductance occurs immediately before Vth . That is, a region where the current decreases as the voltage increases (see a region surrounded by a dotted line in FIG. 4), that is, dI / dV <0. Negative differential conductance may occur even on a negative voltage. These negative differential conductances are presumed to be caused by the reversal of the direction of the dipole moment 3C in the metal-encapsulated fullerene 3.

本発明の分子素子10によれば、金属内包フラーレン3と自己組織化単分子膜2を介して下部金属1との間に形成される第1のトンネル接合と、金属内包フラーレン3と隙間5を介して上部金属4との間に形成される第2のトンネル接合とにより、金属内包フラーレン3の熱的な回転を回避し、外部から電界を加えることにより、電流が流れやすい状態から流れにくい状態へと切り替わるか、あるいは、電流が流れにくい状態から流れやすい状態へと切り替わる、スイッチング素子として動作させることができる。   According to the molecular element 10 of the present invention, the first tunnel junction formed between the metal-encapsulated fullerene 3 and the lower metal 1 via the self-assembled monolayer 2, the metal-encapsulated fullerene 3 and the gap 5 are formed. The second tunnel junction formed between the upper metal 4 and the inner metal fullerene 3 prevents thermal rotation of the metal-encapsulated fullerene 3 and applies an electric field from the outside to make it difficult for current to flow. Or can be operated as a switching element that switches from a state in which current does not easily flow to a state in which current easily flows.

本発明の分子素子10は、第1のトンネル接合における自己組織化単分子膜2の厚さを1.2nm以下とし、10K以上の高温、例えば60K以上の温度で動作させることができる。自己組織化単分子膜2がジチオカルバメートのように、下部電極1と化学結合する第1の官能基2Aが2つのチオール基であれば、下部電極1としてのAu(111)基板などの表面で最密構造を形成するので、自己組織化単分子膜として同じ鎖長を有するアルカンチオールを用いた場合よりも、流れるトンネル電流を増大させることができる。つまり、分子素子10のコンダクタンスを大きくでき、トンネル電流量を増大させることが可能となり、より強い電界を金属内包フラーレン3に加えることができるため、従来よりも高温での分子配向制御が実現できる。   The molecular element 10 of the present invention can be operated at a high temperature of 10K or higher, for example, 60K or higher, with the thickness of the self-assembled monomolecular film 2 in the first tunnel junction being 1.2 nm or less. If the first functional group 2A chemically bonded to the lower electrode 1 is two thiol groups, such as the self-assembled monolayer 2 is dithiocarbamate, the surface of the Au (111) substrate or the like as the lower electrode 1 Since the close-packed structure is formed, the flowing tunnel current can be increased as compared with the case where alkanethiols having the same chain length are used as the self-assembled monolayer. That is, the conductance of the molecular element 10 can be increased, the amount of tunnel current can be increased, and a stronger electric field can be applied to the metal-encapsulated fullerene 3, so that molecular orientation control at a higher temperature than before can be realized.

図17は、本発明の分子素子10を用いたメモリ素子の動作を模式的に示すタイムチャートであり、それぞれ、(A)が印加電圧を、(B)が読み出し電流を示す図である。図17の各横軸は時間を示し、図17(A)の縦軸は電圧パルス列を示し、図17(B)の縦軸は電流パルス列を示している。
図17において、±3V程度のパルス電圧を分子素子10に加え、金属内包フラーレン3の初期状態の配向、つまり、双極子モーメント3Cの向きを制御することで、書き込みや消去を行なう。例えば、+3Vの電圧の場合に、金属内包フラーレン3の双極子モーメント3Cの向きは下向き矢印(↓)であり、−3Vの電圧の場合には上向き矢印(↑)の方向となるので、これらをそれぞれ、「0」、「1」に対応させれば、デジタル記憶が可能である。この書き込み状態は、スイッチングが起こる前後の電圧を読み出しに使用し、負性微分コンダクタンスやヒステリシスの起こる電圧値を用いて電流の変化を観察することで、金属内包フラーレン3の双極子モーメント3Cの向きを検出することができる。図17(B)に示すように、消去及び書き込み状態における読み出し電流の大きさが、それぞれ、小電流及び大電流と異なることを利用して、消去状態又は書き込み状態の判別をすることができる。上記のスイッチングが起こる前後の読み出し電圧では、金属内包フラーレン3内の双極子モーメント3Cの向きが変化しないので、非破壊でデータを読み出すことができる。
FIG. 17 is a time chart schematically showing the operation of the memory element using the molecular element 10 of the present invention, in which (A) shows the applied voltage and (B) shows the read current. Each horizontal axis in FIG. 17 represents time, the vertical axis in FIG. 17A represents a voltage pulse train, and the vertical axis in FIG. 17B represents a current pulse train.
In FIG. 17, writing or erasing is performed by applying a pulse voltage of about ± 3 V to the molecular element 10 and controlling the initial orientation of the metal-encapsulated fullerene 3, that is, the direction of the dipole moment 3C. For example, in the case of a voltage of + 3V, the direction of the dipole moment 3C of the metal-encapsulated fullerene 3 is a downward arrow (↓), and in the case of a voltage of −3V, the direction is an upward arrow (↑). Digital storage is possible by corresponding to “0” and “1”, respectively. In this writing state, the voltage before and after the switching is used for reading, and the change in current is observed using the voltage value at which the negative differential conductance or hysteresis occurs, so that the direction of the dipole moment 3C of the metal-encapsulated fullerene 3 Can be detected. As shown in FIG. 17B, the erase state or the write state can be determined using the fact that the magnitude of the read current in the erase and write states is different from the small current and the large current, respectively. With the read voltage before and after the above switching, the direction of the dipole moment 3C in the metal-encapsulated fullerene 3 does not change, so that data can be read without destruction.

次に、本発明の分子素子10の製造方法について説明する。
下部電極1となる金属結晶は、結晶からなる基板上に金属材料などを蒸着して形成することができる。このような蒸着法としては、所謂、化学蒸着堆積法(CVD)や物理蒸着堆積法(PVD)を用いることができる。結晶面の配向性を増すためには金属膜を形成した後で熱処理を施してもよい。下部電極1上に形成する自己組織化単分子膜2は、非特許文献2〜10などの公知方法により形成することができる。
金属内包フラーレン3は、内包させたい金属を混練したグラファイトロッドを用いて直流アーク放電を行ない、得られたススを精製、分離することで得られる。この精製及び分離工程には、液体クロマトグラフィーを使用することができる。このようにして製造した金属内包フラーレン3を、物理蒸着堆積法により、自己組織化単分子膜2上に蒸着する。最後に、金属内包フラーレン3上に所定の距離を隔てて上部電極4を配置する。この上部電極4としては、先端をnmオーダーにした金属線の針を用いることができる。
Next, the manufacturing method of the molecular element 10 of this invention is demonstrated.
The metal crystal that becomes the lower electrode 1 can be formed by vapor-depositing a metal material or the like on a crystal substrate. As such a vapor deposition method, so-called chemical vapor deposition (CVD) or physical vapor deposition (PVD) can be used. In order to increase the orientation of the crystal plane, heat treatment may be performed after the metal film is formed. The self-assembled monolayer 2 formed on the lower electrode 1 can be formed by a known method such as Non-Patent Documents 2 to 10.
The metal-encapsulated fullerene 3 is obtained by performing direct current arc discharge using a graphite rod kneaded with the metal to be encapsulated, and purifying and separating the obtained soot. Liquid chromatography can be used for this purification and separation step. The metal-encapsulated fullerene 3 thus produced is deposited on the self-assembled monomolecular film 2 by physical vapor deposition. Finally, the upper electrode 4 is disposed on the metal-encapsulated fullerene 3 at a predetermined distance. As the upper electrode 4, a metal wire needle having a tip on the order of nm can be used.

次に、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。
実施例1の分子素子は、以下のように製作した。
最初に、真空中において、劈開した雲母を500℃で2時間熱処理して清浄な面とし、次に雲母を450℃に加熱しながらAuを蒸着法により堆積した。金を蒸着した雲母基板を450℃で8時間熱処理して(111)面を有する金層を得た。
次に、金からなる電極1上に自己組織化単分子膜2として、厚さが0.9nmのジエチルジチオカルバメート膜を形成した。ジエチルジチオカルバメート膜は、ジエチルジチオカルバメート(アルドリッチ社製)をエタノールに溶解した混合液(濃度が10mモル/リットル)10ミリリットル(cm−3)に、電極1を48時間浸漬して形成した。
金属内包フラーレン3としては、真空アーク放電法で作製し液体クロマトグラフィーで精製したLu@C82を用い、120℃で12時間の脱ガスを真空中で行なった後で、ジエチルジチオカルバメート膜上に550℃で昇華させることで、単分子層以下の膜厚となるようにした。上部電極4としては、機械的な研磨によりその先端をナノオーダーに尖らせたPtIr線を用い、実施例1の分子素子10を製作した。
Next, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
The molecular device of Example 1 was manufactured as follows.
First, the cleaved mica was heat-treated at 500 ° C. for 2 hours in a vacuum to obtain a clean surface, and then Au was deposited by evaporation while heating the mica to 450 ° C. The mica substrate on which gold was deposited was heat-treated at 450 ° C. for 8 hours to obtain a gold layer having a (111) plane.
Next, a diethyldithiocarbamate film having a thickness of 0.9 nm was formed as a self-assembled monomolecular film 2 on the electrode 1 made of gold. The diethyldithiocarbamate film was formed by immersing the electrode 1 for 48 hours in 10 ml (cm −3 ) of a mixed solution (concentration: 10 mmol / liter) obtained by dissolving diethyldithiocarbamate (manufactured by Aldrich) in ethanol.
As the metal-encapsulated fullerene 3, Lu @ C 82 prepared by a vacuum arc discharge method and purified by liquid chromatography was used, and after degassing at 120 ° C. for 12 hours in a vacuum, on the diethyldithiocarbamate film By sublimating at 550 ° C., the film thickness was equal to or less than the monomolecular layer. As the upper electrode 4, the molecular element 10 of Example 1 was manufactured by using a PtIr line whose tip was sharpened to the nano order by mechanical polishing.

次に、比較例について述べる。
(比較例1)
金属内包フラーレン3を設けないことを除いては、実施例1の分子素子と同様にして分子素子を製作した。
Next, a comparative example will be described.
(Comparative Example 1)
A molecular element was produced in the same manner as the molecular element of Example 1 except that the metal-encapsulated fullerene 3 was not provided.

次に、実施例1の分子素子10の測定結果について説明する。
図18は、実施例1の分子素子10の走査型トンネル顕微鏡で観察した平面図であり、(A)は走査型トンネル顕微鏡像を示す図、(B)はその説明図である。観察面積は40nm角である。測定においては、走査型トンネル顕微鏡の探針としては、上部電極4を用いた。図18から明らかなように、金属内包フラーレン3であるLu@C82の1分子は白丸として観察されることが分かる。
Next, the measurement result of the molecular element 10 of Example 1 will be described.
18A and 18B are plan views of the molecular element 10 of Example 1 observed with a scanning tunneling microscope. FIG. 18A is a diagram showing a scanning tunneling microscope image, and FIG. 18B is an explanatory diagram thereof. The observation area is 40 nm square. In the measurement, the upper electrode 4 was used as a probe of the scanning tunneling microscope. As can be seen from FIG. 18, one molecule of Lu @ C 82 , which is metal-encapsulated fullerene 3, is observed as a white circle.

図19は、比較例1の分子素子の走査型トンネル顕微鏡像を示す図である。観察面積は30nm角である。図19から明らかなように、比較例1の分子素子においては図18に示した実施例1の場合に観察されたLu@C82が存在しないことが分かる。なお、図中の黒い角形状の領域は下部電極1のAu上に生じており、エッチピットと呼ばれているAu単原子層の欠陥である。 FIG. 19 is a view showing a scanning tunneling microscope image of the molecular element of Comparative Example 1. The observation area is 30 nm square. As can be seen from FIG. 19, in the molecular device of Comparative Example 1, Lu @ C 82 observed in the case of Example 1 shown in FIG. 18 does not exist. Note that the black square region in the figure is generated on the Au of the lower electrode 1 and is a defect of the Au monoatomic layer called an etch pit.

図20は、実施例1の分子素子10の65.1Kにおける電流電圧特性を示す図である。図20において、横軸は印加電圧(V)を示し、縦軸は分子素子10に流れる電流(pA)を示している。図中の実線が3V〜−3Vまでの電圧掃引を示し、点線が−3V〜+3Vまでの電圧掃引を示している。
図20から明らかなように、+1.7V以上及び−1.2V以上ではトンネル電流が流れ、スイッチングすることが分かる。3V〜−3Vまでの電圧掃引においては、負電圧側において負性微分コンダクタンスが生じることが分かる(図20の矢印A及びB参照)。−3V〜+0Vまでの電圧掃引においては、0V〜−3Vでの電圧掃引とは異なる電流電圧特性、即ちヒステリシス特性が得られることが判明した(図20の矢印D及びE参照)。0V〜+3Vまでの電圧掃引においては、Vthよりも低い電圧において、負性微分コンダクタンスが生じることが分かる(図20の矢印F参照)。
FIG. 20 is a diagram showing current-voltage characteristics at 65.1 K of the molecular element 10 of Example 1. In FIG. 20, the horizontal axis indicates the applied voltage (V), and the vertical axis indicates the current (pA) flowing through the molecular element 10. The solid line in the figure indicates a voltage sweep from 3V to -3V, and the dotted line indicates a voltage sweep from -3V to + 3V.
As can be seen from FIG. 20, the tunnel current flows and switches at +1.7 V or more and −1.2 V or more. In the voltage sweep from 3V to -3V, it can be seen that negative differential conductance occurs on the negative voltage side (see arrows A and B in FIG. 20). In the voltage sweep from −3 V to +0 V, it has been found that a current-voltage characteristic, that is, a hysteresis characteristic different from the voltage sweep from 0 V to −3 V is obtained (see arrows D and E in FIG. 20). It can be seen that in the voltage sweep from 0 V to +3 V, negative differential conductance occurs at a voltage lower than Vth (see arrow F in FIG. 20).

図21は比較例1に示す分子素子の65.1Kにおける電流電圧特性を示す図である。図21の横軸及び縦軸は図20と同じであり、図中の実線が3V〜−3Vまでの電圧掃引を示し、点線が−3V〜+3Vまでの電圧掃引を示している。図21から明らかなように、比較例1の分子素子は、下部電極1と自己組織化単分子膜2と上部電極4とからなる一つのトンネル接合を有しているので、正側及び負側において電流が流れるが、ヒステリシスは正側の電圧印加で生じることが分かった。しかしながら、実施例1で観測された負性微分コンダクタンスは全く生じないことが判明した。   FIG. 21 is a diagram showing current-voltage characteristics of the molecular element shown in Comparative Example 1 at 65.1K. The horizontal and vertical axes in FIG. 21 are the same as those in FIG. 20, and the solid line in the figure indicates a voltage sweep from 3 V to −3 V, and the dotted line indicates a voltage sweep from −3 V to +3 V. As is clear from FIG. 21, the molecular element of Comparative Example 1 has one tunnel junction composed of the lower electrode 1, the self-assembled monolayer 2 and the upper electrode 4, so that the positive side and the negative side It was found that hysteresis occurs when a positive voltage is applied. However, it was found that the negative differential conductance observed in Example 1 did not occur at all.

次に、実施例1の分子素子10によるメモリ素子について説明する。
図22は、本発明の分子素子10を用いたメモリ素子の動作を測定したタイムチャートであり、それぞれ、(A)が印加パルス電圧を示し、(B)が分子素子10に流れるトンネルパルス電流を示している。図22の横軸は時間(秒、s)を示し、図22(A)の縦軸は電圧(V)を、図22(B)の縦軸はトンネル電流(pA)を示している。図20で観察した実施例1の分子素子10の電流電圧特性に基づき、±3Vのパルス電圧を書き込み及び消去の電圧として印加し、+1.3Vの負性微分コンダクタンスを示す+1.3Vを読み出し電圧として利用した。
図22の(1)の領域(書き込み→読み出し)に示すように、−3Vのパルスを印加して、次に+1.3Vの電圧パルスを印加すると、負性微分コンダクタンスによる電流が観測される。
一方、図22の(2)に示す領域(消去→読み出し)のように、+3Vのパルス電圧を印加すると、大きなプラス側の電流が流れ、分子素子10内の金属内包フラーレン3の双極子モーメント3Cを、−3V側における向きに対して反転させることができる。これにより、−3Vで書き込んだ情報を消去することができる。この消去状態は、次に+1.3Vのパルス電圧を読み出し電圧として印加した場合には、負性微分コンダクタンスが生じない。したがって、消去状態の読み出し電流は、書き込み電圧を読み出した場合の負性微分コンダクタンスに基づく大きな電流とは、容易に判別することができる。これにより、本発明の分子素子10はメモリ素子として動作することが分かる。
Next, a memory element using the molecular element 10 of Example 1 will be described.
FIG. 22 is a time chart obtained by measuring the operation of the memory element using the molecular element 10 of the present invention. (A) shows the applied pulse voltage, and (B) shows the tunnel pulse current flowing through the molecular element 10. Show. The horizontal axis in FIG. 22 represents time (seconds, s), the vertical axis in FIG. 22A represents voltage (V), and the vertical axis in FIG. 22B represents tunneling current (pA). Based on the current-voltage characteristics of the molecular element 10 of Example 1 observed in FIG. 20, a pulse voltage of ± 3 V is applied as a writing and erasing voltage, and +1.3 V indicating a negative differential conductance of +1.3 V is read voltage. Used as.
As shown in the region (1) in FIG. 22 (write → read), when a -3V pulse is applied and then a + 1.3V voltage pulse is applied, a current due to negative differential conductance is observed.
On the other hand, when a pulse voltage of +3 V is applied as shown in the region (2) of FIG. 22 (erase → read), a large positive current flows, and the dipole moment 3C of the metal-encapsulated fullerene 3 in the molecular element 10 Can be inverted with respect to the orientation on the −3V side. Thereby, the information written at -3V can be erased. In this erased state, when a pulse voltage of +1.3 V is next applied as a read voltage, negative differential conductance does not occur. Therefore, the read current in the erased state can be easily distinguished from a large current based on the negative differential conductance when the write voltage is read. Thereby, it can be seen that the molecular element 10 of the present invention operates as a memory element.

本発明は上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope of the invention described in the claims, and it goes without saying that these are also included in the scope of the present invention.

本発明の分子素子10は、将来需要が高まると考えられるnmスケールのメモリ・論理回路への展開が期待され、分子ナノエレクトロニクスの分野において重要な役割を果たすことが期待される。   The molecular device 10 of the present invention is expected to expand to nm-scale memories and logic circuits, which are expected to increase in the future, and is expected to play an important role in the field of molecular nanoelectronics.

本発明の分子素子の構造を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the molecular element of this invention. 本発明の分子素子において、自己組織化単分子膜として用いることができるジエチルジチオカルバメートの分子構造を示す図である。It is a figure which shows the molecular structure of diethyl dithiocarbamate which can be used as a self-assembled monomolecular film in the molecular device of the present invention. (A)〜(N)は、本発明に用いることができる自己組織化単分子膜の化学構造を示す図である。(A)-(N) are figures which show the chemical structure of the self-assembled monolayer which can be used for this invention. 本発明に用いることができる自己組織化単分子膜の化学構造を示す図である。It is a figure which shows the chemical structure of the self-assembled monolayer which can be used for this invention. 本発明に用いることができる自己組織化単分子膜の化学構造を示す図である。It is a figure which shows the chemical structure of the self-assembled monolayer which can be used for this invention. 本発明に用いることができる自己組織化単分子膜の化学構造を示す図である。It is a figure which shows the chemical structure of the self-assembled monolayer which can be used for this invention. 本発明に用いることができる自己組織化単分子膜の化学構造を示す図である。It is a figure which shows the chemical structure of the self-assembled monolayer which can be used for this invention. 本発明に用いることができる自己組織化単分子膜の化学構造を示す図である。It is a figure which shows the chemical structure of the self-assembled monolayer which can be used for this invention. 本発明に用いることができる自己組織化単分子膜の化学構造を示す図である。It is a figure which shows the chemical structure of the self-assembled monolayer which can be used for this invention. 本発明に用いることができる自己組織化単分子膜の化学構造を示す図である。It is a figure which shows the chemical structure of the self-assembled monolayer which can be used for this invention. 本発明に用いることができる自己組織化単分子膜の化学構造を示す図である。It is a figure which shows the chemical structure of the self-assembled monolayer which can be used for this invention. 本発明に用いることができる自己組織化単分子膜の化学構造を示す図である。It is a figure which shows the chemical structure of the self-assembled monolayer which can be used for this invention. 本発明に用いることができる自己組織化単分子膜の化学構造を示す図である。It is a figure which shows the chemical structure of the self-assembled monolayer which can be used for this invention. 本発明に用いることができる自己組織化単分子膜の化学構造を示す図である。It is a figure which shows the chemical structure of the self-assembled monolayer which can be used for this invention. (A)〜(E)は、本発明に用いることができる自己組織化単分子膜の化学構造を示す図である。(A)-(E) are figures which show the chemical structure of the self-assembled monolayer which can be used for this invention. 本発明の分子素子の電流電圧特性を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the current-voltage characteristic of the molecular element of this invention. 本発明の分子素子を用いたメモリ素子の動作を模式的に示すタイムチャートであり、それぞれ、(A)は印加電圧を、(B)は読み出し電流を示す図である。3 is a time chart schematically showing the operation of a memory element using the molecular element of the present invention, wherein (A) shows an applied voltage and (B) shows a read current, respectively. 実施例1の分子素子の走査型トンネル顕微鏡で観察した平面図であり、(A)は走査型トンネル顕微鏡像を示し、(B)はその説明図である。It is the top view observed with the scanning tunneling microscope of the molecular element of Example 1, (A) shows a scanning tunneling microscope image, (B) is the explanatory drawing. 比較例1の分子素子の走査型トンネル顕微鏡像を示す図である。4 is a view showing a scanning tunneling microscope image of the molecular element of Comparative Example 1. FIG. 実施例1の分子素子における65.1Kにおける電流電圧特性を示す図である。6 is a graph showing current-voltage characteristics at 65.1 K in the molecular element of Example 1. FIG. 比較例1の分子素子における65.1Kにおける電流電圧特性を示す図である。6 is a graph showing current-voltage characteristics at 65.1 K in the molecular device of Comparative Example 1. FIG. 本発明の分子素子を用いたメモリ素子の動作を測定したタイムチャートであり、それぞれ、(A)は印加パルス電圧を、(B)は分子素子に流れるトンネルパルス電流を示す図である。It is the time chart which measured operation | movement of the memory element using the molecular element of this invention, (A) is an applied pulse voltage, respectively, (B) is a figure which shows the tunnel pulse current which flows into a molecular element.

符号の説明Explanation of symbols

1:第1の電極(下部電極)
2:自己組織化単分子膜
2A:第1の官能基
2B:第2の官能基
3:金属を内包したフラーレン
3A:フラーレン
3B:金属原子
3C:双極子モーメント
4:第2の電極(上部電極)
5:隙間(自己組織化単分子膜)
10:分子素子
1: First electrode (lower electrode)
2: self-assembled monolayer 2A: first functional group 2B: second functional group 3: metal-encapsulated fullerene 3A: fullerene 3B: metal atom 3C: dipole moment 4: second electrode (upper electrode) )
5: Crevice (self-assembled monolayer)
10: Molecular device

Claims (5)

第1の電極と、該第1の電極上に配置される自己組織化単分子膜と、自己組織化単分子膜上に配置される金属内包フラーレンと、該金属内包フラーレン上に所定の距離を隔てて配置される第2の電極と、を備え、
上記自己組織化単分子膜の厚みが1.2nm以下であることを特徴とする、分子素子。
A first electrode, a self-assembled monolayer disposed on the first electrode, a metal-encapsulated fullerene disposed on the self-assembled monolayer, and a predetermined distance on the metal-encapsulated fullerene. A second electrode spaced apart, and
A molecular element, wherein the self-assembled monolayer has a thickness of 1.2 nm or less.
前記自己組織化単分子膜は、前記第1の電極となる金属原子に化学吸着する第1の官能基と該第1の官能基に結合する第2の官能基とから成り、
上記第1の官能基が、チオール基、ジチオカルバメート基、キサンテート基の何れかの基であることを特徴とする、請求項1に記載の分子素子。
The self-assembled monolayer includes a first functional group that is chemisorbed on a metal atom serving as the first electrode and a second functional group that is bonded to the first functional group,
2. The molecular device according to claim 1, wherein the first functional group is any one of a thiol group, a dithiocarbamate group, and a xanthate group.
前記自己組織化単分子膜の第2の官能基が、アルカン、アルケン、アルカン又はアルケンの水素分子の一部又は全部をフッ素に置換したもの、アミノ基、ニトロ基、アミド基の何れかの基を有することを特徴とする、請求項1又は2に記載の分子素子。   The second functional group of the self-assembled monolayer is an alkane, alkene, alkane or alkene in which part or all of hydrogen molecules are substituted with fluorine, an amino group, a nitro group, or an amide group The molecular device according to claim 1, wherein the molecular device is characterized by comprising: 前記分子素子が、スイッチング素子であることを特徴とする、請求項1〜3の何れかに記載の分子素子。   The molecular element according to claim 1, wherein the molecular element is a switching element. 前記分子素子が、メモリ素子であることを特徴とする、請求項1〜3の何れかに記載の分子素子。   The molecular element according to claim 1, wherein the molecular element is a memory element.
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