JP2008522428A - 隔離された光合成複合体を使用する固体感光性デバイス - Google Patents
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Abstract
光起電性デバイスを含む固体感光性デバイスが提供され、前記デバイスは重ねられた関係にある第１電極及び第２電極；及び、前記電極の間に少なくとも一つの隔離された集光性複合体（ＬＨＣ）を含む。好ましい感光性デバイスは、第１電極とＬＨＣとの間に配置されＬＨＣに隣接した第１の光伝導性有機半導体材料で形成された電子輸送層；及び、第２電極とＬＨＣとの間に配置されＬＨＣに隣接した第２の光伝導性有機半導体材料で形成された正孔輸送層を含む。本発明の固体感光性デバイスは第１電極と電子輸送層との間に配置された少なくとも１つの光伝導性有機半導体材料の追加層；及び、第２電極と正孔輸送層との間に配置された少なくとも１つの光伝導性有機半導体材料の追加層を含んでよい。光電流を発生させる方法が提供され、前記方法は本発明の光起電性デバイスの光への露出を含む。本発明の固体感光性デバイスを含む電子デバイスが提供される。
Description
本発明は固体感光性デバイスに広く関し、前記デバイスは重ねられた関係の第１電極及び第２電極と；前記電極間の少なくとも１つの隔離された光合成複合体（集光性複合体（ＬＨＣ）、例えば、ＰＳＩ（例えば、ホウレンソウからの光化学系Ｉ）、及び／又はＬＨ２（紅色細菌からの集光性複合体２））とを備えた光起電性デバイスを含む。本発明の光起電性デバイスを光に露出することを含む回路への電力供給に関して、方法が説明される。本発明の固体感光性デバイスを組み込んだ電子デバイスが説明される。
光合成は明反応及び暗反応によって電磁的エネルギーを電気化学エネルギーに変換する生物学的過程である。光合成は、葉緑体と呼ばれる緑藻類 及び高等植物の特化された細胞小器官において起こる。葉緑体は二重膜によって包まれ、チラコイドを含み、積層された円盤状の膜(グラナ)及び非積層の円盤状の膜（ストロマ）からなる。チラコイド膜は各々ＰＳＩ及びＰＳＩＩで示される、二つの主要な光合成の要素である、光化学系Ｉ及び光化学系ＩＩを含む。
光合成複合体の電気的研究は、オークリッジ国立研究所でＬｅｅ及びＧｒｅｅｎｂａｕｍによって最初に行なわれた；Ｌｅｅ，Ｌ，らＰｈｙｓ．Ｒｅｖ，Ｌｅｔｔ．７９，３２９４（１９９７）；Ｇｒｅｅｎｂａｕｍ，Ｅ．，Ｓｃｉｅｎｃｅ ２３０，１３７３（１９８５）；Ｌｅｅ，Ｌ，ら，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ １０４，２４３９（２０００）。彼らは、複合体表面の電子供与サイト上にＰｔを化学的に蒸着させ、その後、Ｈ２を発生させるのに白金複合体を使用した。彼らは、親水性基板上における複合体の配向性の統計量を測定し、ケルビン力顕微鏡を用いて光起電力を観察した。Ｇｒｅｅｎｂａｕｍ，Ｅ．，Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｂｉｏｅｎｅｒｇｅｔｉｃｓ，２１：１７１，１９８９；Ｇｒｅｅｎｂａｕｍ，Ｅ．，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．，９４：６１５１，１９９０；Ｌｅｅ，Ｌ，Ｐｒｏｃ．Ｎａｔｌ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．ＵＳＡ，９２：１９６５，１９９５；Ｌｅｅ，Ｉ．，ら，１１（４）：３７５，１９９６。発明の名称が“Ｐｈｏｔｏｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｅｔａｌｌｉｃ Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ａｎｄ Ｆｉｌｍｓ”である、Ｈｕによる、２０００年１２月１９日、米国特許第６，１６２，２７８号明細書も参照されたい。
分子回路の製作は現在電子ビームリソグラフィー等従来のパターニング技術の解像度を超えている。しかしながら、サブナノメーターの精度を有する分子の配置は、実際には通常行なわれることであって、光合成複合体のはたらきにとって重要である。光合成複合体は、例えば、分子アンテナから電荷が発生する反応中心までエネルギーを集中するため最適化される。天然蛋白質の骨格は、光学的に及び電子的に活性な分子成分の正確な配置及び方向を制御する。光合成複合体は、進化によって最適化されてきたサイズ及び機能の組み合わせを有する。紅色細菌シネココッカス エロンガータス（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｏｃｃｕｓ Ｅｌｏｎｇａｔｕｓ）で見出されるような典型的な複合体では、吸収されたフォトンは、フォトンを吸収する１００ｐｓ以内で取り込まれ、全量子収量９８％である。１Ｖの光起電力は複合体を横断して発生し、電力変換効率は約４０％である。Ｓｃｈｕｂｅｒｔ、Ｗ．Ｄ．ら、Ｊ．Ｍｏｌ．Ｂｉｏｌ．２７２，７４１−７６８（１９９７）。実際、天然の生体分子複合体は、効率において、最も優れた人工の光起電性デバイスさえ超える。
米国特許第６，１６２，２７８号明細書
米国特許第６，４５１，４１５号明細書
米国特許第６，３３３，４５８号明細書
米国特許第６，４６８，８１９号明細書
米国特許第６，４４７，６６３号明細書
米国特許第６，２３１，９８３号明細書
Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ，Ｌｅｔｔ．７９，３２９４（１９９７）
Ｓｃｉｅｎｃｅ ２３０，１３７３（１９８５）
Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ １０４，２４３９（２０００）
Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｂｉｏｅｎｅｒｇｅｔｉｃｓ，２１：１７１，１９８９
Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．，９４：６１５１，１９９０
Ｐｒｏｃ．Ｎａｔｌ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．ＵＳＡ，９２：１９６５，１９９５
Ｊ．Ｍｏｌ．Ｂｉｏｌ．２７２，７４１−７６８（１９９７）
Ｂｉｏｃｈｉｍ．Ｂｉｏｐｈｙｓ．Ａｃｔａ １３６５，１７５（１９９８）
Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．７９，３２９４（１９９７）
Ｊ．Ｍｏｌ．Ｂｉｏｌ．２７２，７４１−７６８（１９９７）
Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．７９，３２９４−３２９７（１９９７）
Ｂｉｏｃｈｉｍｉｃａ ｅｔ Ｂｉｏｐｈｙｓｉｃａ Ａｃｔａ ７２２，４２７−４３５（１９８４）
Ｎａｔｕｒｅ ３７４，５１７−５２１（１９９５）
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｉｏｌｏｇｙ ２０９，８３３−８３５（１９８９）
Ｎａｔｕｒｅ ２５８，５７３−５７７（１９７５）
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｂ １０３，２３２７−２３４６（１９９９）
Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｐｏｒｔｓ ３４３，１３７−２５４（２００１）
Ｃｈｅｍ．Ｒｅｖ．ｖｏｌ．９７，ｐ．１７９３（１９９７）。
しかしながら、従来技術は、入射光線を捕らえてナノメータレベルの電子デバイスにとって適切な電気エネルギーに変換するための高効率光変換構造について説明していない。光合成の蛋白質に基づく分子成分と、光を光電流に変換して、その結果回路に電力を供給する光起電性デバイスを含む従来のエレクトロニクスとを連結する固体感光性デバイスに関する必要性は依然としてある。
従って、ここで説明される本発明の主要な目的は、単一の光合成複合体を使うデバイスを含む機能性デバイスに集光性複合体を固体状態で組み込むことである。従来技術は、ここで記述されるような集光性複合体からなる固体感光性デバイス内部に組み込まれた有機層も予期していない。
固体感光性デバイスが提供され、前記デバイスは重ねられた関係の第１電極（２）と第２電極（４）；及び、前記電極の間の少なくとも１つの隔離された集光性複合体（ＬＨＣ）（６）を含む。
感光性デバイスが提供され、第１電極（２）とＬＨＣ（６）との間に配置されＬＨＣ（６）に隣接した第１の光伝導性有機半導体材料で形成された電子輸送層（８）；及び、第２電極（４）とＬＨＣ（６）との間に配置されＬＨＣ（６）に隣接した第２の光伝導性有機半導体材料で形成された正孔輸送層（１０）をさらに含む。
本発明の他の実施形態は、第１電極（２）と電子輸送層（８）との間に配置された少なくとも１つの光伝導性有機半導体材料の追加層（１２）及び／又は第２電極（４）と正孔輸送層（１０）との間に配置された少なくとも１つの光伝導性有機半導体材料の追加層（１４）を含む。
電子及び／又は励起子阻止層（１６）が第２電極（４）と正孔輸送層（１０）との間に配置された本発明の実施形態が提供される。
本発明の固体感光性デバイスにおいて、第１電極（２）が入射光（λ〜８００ｎｍ）に対して実質的に透明であって、電極（２）及び（４）の間の光伝導性有機半導体材料が入射光に対して実質的に透明であって、第２電極（４）が入射光を実質的に反射することが好ましい。
λがＬＨＣによって吸収される光のピーク波長であり、ｎがＬＨＣと各電極（（２）又は（４））との間の材料の屈折率であるとき、ＬＨＣと各電極（１８）との間の距離が約λ／４ｎである本発明の実施形態が提供される。
固体感光性デバイスにおいて、第１電極（２）が回路（２０）によって第２電極（４）にさらに接続されることが好ましい。
本発明の光起電性デバイスを光に露出することを含む、光電流を生成する方法が提供される。
少なくとも一つの本発明の固体感光性デバイスを組み込んだ電子デバイスが提供される。
特に定義されない限り、ここで使用される技術用語及び化学用語は、本発明が属する分野の当業者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有する。ここで参照された全ての刊行物及び特許は参照のためここに組み込まれる。
本発明は、入射光を捕らえて、入射光を電気エネルギーへと変換するための高効率光変換構造を提供することを広く目的とする。本発明は、重ねられた関係の第１電極及び第２電極と、及び電極の間の少なくとも一つの隔離された集光性複合体（ＬＨＣ）とを含む固体感光性デバイスに特に関する。本発明の感光性デバイスは、光を光電流に変換して、その結果電力を回路に供給する光起電性デバイスを含む。本発明からは、光合成の蛋白質ベースの分子成分を従来のエレクトロニクスに結合する様々な実施形態が導かれる。本発明は、センサ、光電池、及びそれらに関連するデバイスを含むナノメータースケールの感光性デバイスに特に適する。本発明の主要な目的は、単一の光合成複合体を使うデバイスを含む機能素子に集光性複合体を組み込むことである。ナノメータースケール光検出器及び光電池がナノメータレベルのデバイスに関して提供される。図１に関して、本発明の固体感光性デバイスは、特に、重ねられた関係の第１電極（２）及び第２電極（４）；及び、電極の間の少なくとも１つの隔離されたＬＨＣ（６）を含む。本発明の実施形態は、例えば、第１電極（２）とＬＨＣ（６）との間に配置され、ＬＨＣ（６）に隣接した、第１の光伝導性有機半導体で形成された電子輸送層（８）と；及び、第２電極（４）とＬＨＣ（６）との間に配置され、ＬＨＣ（６）に隣接して、第２の光伝導性有機半導体材料で形成された正孔輸送層（１０）と、をさらに含んでよい。本発明の他の実施形態は、第１電極（２）と電子輸送層（８）との間に配置された、光伝導性有機半導体材料（１２）の少なくとも一つの追加層及び／又は第２電極（４）と正孔輸送層（１０）との間に配置された光伝導性有機半導体材料（１４）の少なくとも一つの追加層を含む。
図２に関して、励起子阻止層（１６）が第２電極（４）と正孔輸送層（１０）との間に配置される本発明の実施形態が提供される。本発明の固体感光性デバイスにおいて、第１電極（２）が実質的に入射光（λ〜８００ｎｍ）に対して透明であり、電極の間の光伝導有機半導体材料が入射光に対して実質的に透明であり、第２電極（４）が入射光に対して実質的に透明であることが好ましい。本発明の実施形態は、λがＬＨＣによって吸収される光のピーク波長であり、ｎがＬＨＣと各電極との間の材料の屈折率であるとき、ＬＨＣと各電極との間の距離（１８）が約λ／４ｎである本発明の実施形態が提供される。第１電極（２）が回路（２０）によって第２電極（４）にさらに接続される固体感光性デバイスが好ましい。
光合成複合体の進化的最適化は、効率的な電力変換を提供するために特に利用される。ＬＨＣはサブナノメーターの精度で光合成反応物を配置し、本発明の固体感光性デバイス内の生体分子電子部品を提供する。本発明のＬＨＣ成分内に高精度で配置された分子は、双極子間カップリング（アンテナ及び受信器のように）を通じて相互作用する。このカップリングは分子の位置及び方向に非常に敏感である。スケールが非常に小さいことにより、スィッチングエネルギー及び移動時間が小さくなる。ここで使用される「集光性複合体（ＬＨＣ）」は、例えば、ＰＳＩ（例えば、ホウレンソウからの光化学系Ｉ）、及び／又は、ＬＨ２（紅色細菌からの集光性複合体２）等の光合成複合体を参照する。Ｆｒｏｍｍｅ，Ｐ．，ら，Ｂｉｏｃｈｉｍ．Ｂｉｏｐｈｙｓ．Ａｃｔａ １３６５，１７５（１９９８）；Ｌｅｅ，Ｌ，ら，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．７９，３２９４（１９９７）；Ｓｃｈｕｂｅｒｔ，Ｗ．Ｄ．，ら，Ｊ．Ｍｏｌ．Ｂｉｏｌ．２７２，７４１−７６８（１９９７）。これらの複合体は、例えばＰＲＯＴＥＩＮ ＬＡＢＳ Ｉｎｃ．，１４２５ Ｒｕｓｓ Ｂｌｖｄ．，Ｓｕｉｔｅ Ｔ−１０７Ｃ，サンディエゴ，カリフォルニア州 ９２１０１から商業的に入手可能である。例えば、光化学系Ｉ（ＰＳＩ）は、論理素子を含む本発明の固体感光性デバイスを構築するのに好ましいＬＨＣである。例えば本発明により使用されるＰＳＩは、例えばホウレンソウ葉緑体から調製されるのが好ましいだろう。ＰＳＩは、ダイオード性を有し、チラコイド膜内の光合成機構の一部である蛋白質葉緑素複合体である。それは楕円体であって、寸法は５×６ナノメータである。ここで、ＰＳＩはナノメータ回路を生成するために使用される。ＰＳＩ反応中心／コアアンテナ複合体は、光活性反応中心色素（Ｐ７００）毎に約４０の葉緑素を含む。葉緑素分子は、フォトンを吸収し、Ｐ７００にフォトンエネルギーを輸送するアンテナとして働き、光化学反応を進めるためにこのエネルギーは取り込まれ、利用される。Ｐ７００及びアンテナ葉緑素に加えて、ＰＳＩ複合体は多くの電子受容体を含む。Ｐ７００から放出された電子は、中間受容体を通じてＰＳＩの還元末端において末端受容体に輸送され、電子はチラコイド膜を横切って輸送される。電子はストロマ表面に輸送され、正孔はＰＳＩのルーメン表面に残る。フォトン吸収の後に、エネルギーは複合体底部において一次電子供与体に導かれる。励起子解離の後、電子は三つのＦｅ４Ｓ４クラスターを通じて反対側表面に輸送される。結果的に、電子は上部（ストロマ）表面及び正孔は下部（ルーメン）表面にある。従って、電子移動が方向性を有することに起因して、基板に堆積される場合複合体は正しい方向を有することが好ましい。Ｌｅｅらの仕事により、ＰＳＩ複合体は親水性表面上に堆積されて基板に垂直な電子輸送ベクトルを有することが好ましいことが決定された。Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．７９，３２９４−３２９７（１９９７）。
ＰＳＩ反応中心に関して、一次電子供与体（Ｐ７００）によって生成された酸化ポテンシャル中点は約＋０．４Ｖであり、電子受容体（４Ｆｅ−４Ｓ中心）によって生成された対応する還元ポテンシャルは約−０．７Ｖである。従って、ＰＳＩ反応中心はフォトダイオード（一方向性電子流）及びナノメータサイズ（約６ｎｍ）の太陽電池である。
もう１つの重要な複合体は紅色細菌（Ｒｈｏｄｏｐｓｅｕｄｏｍａｎａｓ ａｃｉｄｏｐｈｉｌａ）によって放射太陽エネルギーを吸収するために使われるＬＨＣである。これは同じく分離され、結晶化された。Ｃｏｇｄｅｌｌ，Ｒ．Ｊ．，ら，Ｂｉｏｃｈｉｍｉｃａ ｅｔ Ｂｉｏｐｈｙｓｉｃａ Ａｃｔａ ７２２，４２７−４３５（１９８４）；ＭｃＤｅｒｍｏｔｔ，Ｇ．，ら，Ｎａｔｕｒｅ ３７４，５１７−５２１（１９９５）；Ｐａｐｉｚ，Ｍ．Ｚ．，ら，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｉｏｌｏｇｙ ２０９，８３３−８３５（１９８９）；Ｆｅｎｎａ，Ｒ．Ｅ．，ら，Ｎａｔｕｒｅ ２５８，５７３−５７７（１９７５）。このバクテリアの光合成機構は、全量子収率９８％で１００ｐｓ以内に反応中心へエネルギーを集めるために生物学的に最適化される。Ｓｕｎｄｓｔｒｏｍ，Ｖ．，ら，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｂ １０３，２３２７−２３４６（１９９９）；Ｒｅｎｇｅｒ，Ｔ．，ら，Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｐｏｒｔｓ ３４３，１３７−２５４（２００１）。蛋白質はいくつかの目的を果たす。それは光合成ユニットに剛直さを与え、それらの位置に色素を固定し、過剰なエネルギーに関するヒートシンクを提供する。光合成ユニットは同じく性能低下に対する保護を受けて発展してきた。例えば、カロテノイドとして知られる１つの色素は、三重項状態をクエンチングする（三重項−三重項消滅によって反応性一重項酸素の可能な形成を妨げる）ことによって、光合成ユニットの安定性を増す。これらのような光合成複合体がここに記述された光検出器の部品及び光電池として用いられてよい。
紅色細菌シネココッカス エロンガータスに由来する、特性が大部分決定されている生体分子複合体光化学系Ｉ（ＰＳＩ）は、本発明の固体感光性デバイスで使用するためのもう１つのＬＨＣの例である。Ｓｃｈｕｂｅｒｔ，Ｗ．Ｄ．，ら，Ｊ．Ｍｏｌ．Ｂｉｏｌ．２７２，７４１−７６８ （１９９７）。ＰＳＩは優先的に三量体を形成する。各々のＰＳＩ単量体の中心において、その反応中心で電荷生成が起こる。約１００個の葉緑素分子が反応中心を囲む。これらの分子は光を吸収し、中心に送り込み、高効率のアンテナとして働く。葉緑素分子の感度が低い波長領域で光を吸収する、１５−２５個のカロテノイド分子も存在する。一重項酸素の形成をクエンチングすることによって、カロテノイドは構造を酸化から守る。ＰＳＩはそれ自身の上に、又は追加の集光性複合体と共に存在してよく、それによって低い光レベルの下でその吸収を強める。
ＬＨＣ反応中心が光エネルギーの電子エネルギーへの光合成変換に関与する色素−蛋白質複合体であるから、様々な異なるデバイスの部品として、上述のように、これらの反応中心は今使用されている。
本発明は、電子的に第１電極に接続された、及び独立に電子的に第２電極に接続された、少なくとも１つの隔離されたＬＨＣを含む固体感光性デバイスを提供する。同様に、電子的に第１電極に接続された、及び独立に電子的に第２電極に接続された、少なくとも１つの隔離されたＬＨＣを含む固体感光性デバイスであって、さらに第１電極は回路によって第２電極に接続されるデバイスも提供される。本発明の固体感光性デバイスは、重ね合わせられた関係で第１電極及び第２電極；及び電極の間に少なくとも１つの隔離されたＬＨＣを含む。本発明のシステムは光合成システムを提供し、前記光合成システムは光合成における集光及び電荷分離プロセスを用いるが、同時に分子デバイスにおいて効率的な光から電流へのコンバータとして働く。
本発明の固体感光性デバイスで使用される電極、又はコンタクトは重要な検討事項である。デバイス外側からの周囲の電磁波の最大量が、光伝導的に活性化している内部領域に入ることを可能にすることが望ましい。すなわち、電磁波が光伝導性吸収によって電気に変換されることが可能な領域に電磁波を受けることが望ましい。これは、少なくとも一つの電気的コンタクトが、入射電磁波の吸収を最小にして、及び反射を最小にすべきであることを決定付ける場合がある。すなわち、このようなコンタクトは実質的に透明であるべきである。ここで、用語「電極」及び「コンタクト」は外部回路に光生成電力を運ぶための、又は、バイアス電圧をデバイスに提供するための媒体を提供する層のみを示す。すなわち、電極、又はコンタクトが、固体感光性デバイスの光伝導性活性領域とワイヤー、リード、トレース、又は外部回路に或いは外部回路から電荷キャリアを輸送するための他の手段との間にインタフェースを提供する。電荷輸送層がデバイスの一つのサブセクションから隣接するサブセクションまで単に電荷キャリアを運ぶだけであるという点で、ここでは用語「電荷移動層」は電極に類似しているが、異なる意味で使われる。ここで使われるように、適切な波長の周囲の電磁波の少なくとも５０％が層を通して伝えられるのを層が妨げないとき、材料の有機層又は異なる材料の幾つかの層の配列が「透明」であるとされる。同様に、適切な波長の周囲の電磁波のいくらか、しかし５０％より少ない量を透過する層が「半透明」であるとされる。
電極又はコンタクトが通常金属又は「金属代替物」である。ここで、用語「金属」は、本質的に純粋な金属からなる材料、例えばＭｇ、及び二つ以上の本質的に純粋な金属からなる材料である金属アロイ、例えばＭｇとＡｇ、Ｍｇ：Ａｇで示される、の双方を包含して使用される。ここで用語「金属代替物」は通常の定義では金属ではないが、ある適切な用途において所望される、金属同様の性質を有する材料を示す。電極及び電荷輸送層に通常使用される金属代替物はドープされた広バンドギャップ半導体、例えばインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、ガリウムインジウムスズ酸化物（ＧＩＴＯ）と亜鉛インジウムスズ酸化物（ＺＩＴＯ）等の透明導電性酸化物を含む。特に、ＩＴＯは約３.２電子ボルトの光学式バンドギャップを有する高度にドープされた縮退ｎ＋半導体であり、それによって約３９００オングストロームより大きい波長で透明である。もう１つの適切な金属代替材料が透明導電性高分子ポリアニリン（ＰＡＮＩ）とその化学的関連物である。金属代替物は広範囲の非金属の材料からさらに選択されてよく、用語「非金属の」は、金属が化学的に非結合の形態での金属を含まない材料であるという条件で広範囲の材料を含むことを意図している。金属が、単独で又は合金として一つ以上の他の金属とともに、化学的に非結合の形態で存在しているとき、代わりにその金属は金属形態で存在している、又は「フリーメタル」として存在しているとされてよい。従って、本発明の金属代替物電極は「メタルフリー」として参照される場合があってよく、用語「メタルフリー」は化学的に非結合の形態で金属を含まない材料を包含することを特に意味する。フリーメタルは典型的に金属結合の形態を有し、前記金属結合は金属格子全体で電子伝導帯内を自由に動く多量の価電子からもたらされる化学結合の型として考えられてよい。金属代替物は金属成分を含んでよい一方で、それらは幾つかの基礎の上で「非金属的」である。それらは純粋なフリーメタルではなく、フリーメタルの合金でもない。金属は金属形態で存在するとき、電子伝導帯は、他の金属の性質の中で、光学的放射に関する高い反射性と同様に高い電気伝導性を与える傾向がある。
第１電極は入射光（例えば、λ〜８００ｎｍ）に対して実質的に透明であることが好ましい。第１電極は、例えばインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）又はドープされた縮退ＩＴＯを含んでよい。この目的に適した他の材料は、例えば、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）及びＰｔ（白金）を含むが、しかしこれらに制限されるものではない。
第２電極は入射光（例えば、λ〜８００ｎｍ）を実質的に反射することが好ましい。反射電極は、例えばＡｌ（アルミニウム）、Ａｇ（銀）、又はＡｕ（金）、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｍｇ：Ａｇ（〜１：１０比）、Ｃａ、又は積層（層状）０．５ｎｍＬｉＦ／１００ｎｍＡｌ等の金属膜から構成されてよい。
ここで使用される用語である有機層又は「層」は光伝導性有機半導体材料を示す。ここで用語「半導体」は、熱的または電磁的励起によって電荷キャリアが誘起されるとき電流を伝えることができる材料を示す。用語「光伝導性」は、電磁放射エネルギーが吸収され、キャリアが材料中で電荷を伝導（すなわち、輸送）し得るように、結果的に電荷キャリアの励起エネルギーに変換されるプロセスに広く関する。用語「光伝導性」及び「光伝導性材料」は電荷キャリアを生成するため選択されたスペクトルエネルギーの電磁放射線を吸収するというそれらの性質のために選択される半導体材料を示す。
本発明の感光性デバイスは、第１電極とＬＨＣとの間に配置され、ＬＨＣに隣接して、第１光伝導性有機（層状）半導体材料から形成される電子輸送層を；及び／又は第２電極とＬＨＣとの間に配置され、ＬＨＣに隣接して、第２光伝導性有機半導体材料から形成される電子輸送層をさらに含んでよい。
電子輸送層は光伝導性有機半導体、例えば３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボキシ−ビス−ベンズイミダゾール（ＰＴＣＢＩ）で形成されてよい。この目的に関して、電子を抽出する一般的な性能を有する及び／又は電子に対して高い親和性を有する他の材料は、例えばＢＣＰ、Ａｌｑ３、ＣＢＰ、Ｆ１６ＣｕＰｃ、Ｃ６０、ＰＴＣＢＩ、及びＰＴＣＤＡを含むが、これらに制限されない。
正孔輸送層は第２光伝導性有機半導体、例えば銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）で形成されてよい。この目的に関して、電子を供与する一般的な性能を有する及び／又はイオン化ポテンシャルが低い他の材料は、例えばαＮＰＤ、ＴＰＤ、ＣｕＰｃ、ＣｏＰｃ及びＺｎＰｃを含むが、これらに制限されない。
光伝導性有機半導体材料の一つ以上の追加層（約５層まで）が、本発明の固体感光性デバイス内の第１電極と電子輸送層との間に配置されてよい。同様に、光伝導性有機半導体材料の一つ以上の追加層（約５層まで）が、第２電極と正孔輸送層との間に配置されてよい。
これらの層の機能としては、スペーサ層（光学的干渉の最適化）、阻止層及び増倍層（ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｌａｙｅｒｓ）が挙げられるが、これらに制限されない。
ここで説明された固体感光性デバイスの実施形態において、ＬＨＣと各電極との間の距離が約λ／４ｎであることが好ましく、ｎはＬＨＣと各電極との間の材料の屈折率である（ｎは典型的には〜１．７）。
本発明の感光性デバイスのさらなる実施形態は、第２電極とＬＨＣとの間に配置されＬＨＣに隣接した正孔輸送層に加えて、第２電極と正孔輸送層との間に配置された光伝導性有機半導体材料の励起子阻止層を含む。励起子阻止層材料の例としては２，９−ジメチル−４，７−ジフェニル−ｌ，１０−フェナントロリン（ＢＣＰ）；４，４’，４”−トリス｛Ｎ，−（３−メチルフェニル）−Ｎ−フェニルアミノ｝トリフェニルアミン（ｍ−ＭＴＤＡＴＡ）；及びポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）が挙げられるが、これらに制限されない。Ｆｏｒｒｅｓｔらの、Ｏｒｇａｎｉｃ Ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ ｗｉｔｈ ａｎ Ｅｘｃｉｔｏｎ Ｂｌｏｃｋｉｎｇ Ｌａｙｅｒと題された米国特許第６，４５１，４１５号明細書を参照されたい。
固体感光性デバイスのさらなる実施形態が考えられ、該実施形態では第１電極はＬＨＣに光を入射させるための隙間を有する。本発明の固体感光性デバイスはＬＨＣへの光の入射のための光学的コンセントレータを使用してもよい。一般的に、光をトラップするために設計された構造は、導波路構造、又は光学キャビティ若しくは反射キャビティとも呼ばれてよい。変換効率を犠牲にすることなくはるかに薄い光活性層が使用される可能性があるので、そのような光学キャビティ又は導波路構造内部で可能な光の再利用は、有機感光性材料を利用するデバイスにおいて特に有利である。入射した光は、含有される感光性材料を通してトラップされ、再利用され、光吸収を最大にする。入射光をトラップして、電気エネルギーへと変換するために、集光を増加させて、高性能光変換構造を提供することが、この形態の目的である。さらなる目的は一般的に円錐の放物線の光学的コンセントレータを利用する高性能光変換構造を提供することである。さらなる目的は一般的にくさび形をしている放物線の光学的コンセントレータを利用する高効率光変換構造を提供することである。さらなる目的は、光学的コンセントレータの配列を有する、及び捕らえた放射線を濃縮して再利用するコンセントレータの内部及び外部表面を持つ導波路構造を有する、高性能光変換構造を提供することである。ＦｏｒｒｅｓｔらのＨｉｇｈｌｙ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ Ｗｉｔｈ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒと題された米国特許第６，３３３，４５８号明細書を参照されたい。
ここで使用される用語「回路」は、その通常の意味を有し、及びそれによって負荷及び外部負荷を含むキャパシタ及び回路を含む回路を示す。回路は印加された外部電圧を有してよい。本発明の光電池デバイスは、それらが負荷を横切って接続され光によって照らされるとき、光生成された電圧及び／又は光電流を生成する性質を有する。例えば図４及び図５は本発明の固体感光性デバイスの例によって光電流の生成を説明する。
本発明の固体感光性デバイスは光を電気に変換する。本発明のデバイスは、例えば、光学部品、スイッチ、センサ、論理ゲート及びエネルギー源を含む。固体の光電池（ＰＶ）デバイスが電力を生成するために特に提供される。これらのデバイスは電力消費負荷を駆動するために使用される。コンピュータ又はリモートモニタリング又は通信装置等の電子装置が本発明の固体感光性デバイスによって操作されてよい。例えば、ナノスケール回路の多くの用途が分散電源及び光検出器を必要としてよい。分子複合体のサイズが小さいことは、これらの材料に基づいてそれらを目的、構造及び機能性に関して理想的であるようにする。太陽又は他の周囲の光源からの直接照明が利用可能ではないとき運転が起こるか、又は続くように、これらの発電用途はさらにエネルギー貯蔵デバイスを含んでよい。本発明の感光性デバイスを組み込んだ固体感光性デバイスは、光パワーで動く分子回路、太陽電池、光学コンピューティング、及び論理ゲート、オプトエレクトロニックスイッチ、感光性の電子光センサ、化学物質、毒物、病原体及び治療薬、例えば、光量子Ａ／Ｄコンバータを含むが、これらに制限されない。本発明の感光性デバイスはナノスケールシステム、例えば、処理要素のための局所的エネルギー源として使用されてよい。例えば、本発明の光電池は直径が１０ｎｍ程度に小さくてよい。
本発明の感光性デバイスが、状態、薬品、及び／又は例えばバクテリア及びウイルス等の生物学的存在の発見のため、センサーデバイスに組み込まれてよい。光合成複合体は生物学的及び化学的なシステムと両立でき、そして、センサ用途において、光電池のエネルギー源が機能することができる。例えば、センサは生物学的又は化学的薬品を敏感に検出するために発展された又は設計された生物学的又は化学的方法を使用してよい。応答は、例えば、電流、電圧、静電容量、インダクタンス、光出力、又は吸光度における変化であってよい。アナライト（検出される実体）の存在が、光応答又は吸収若しくは発光スペクトルの変化をオンにする、又はオフにする。これらのセンサの間の自然なリンク及び光合成複合体等の複合体の構造はこの方法で利用される。
ＬＨＣベースの分子センサの分子スィッチへの拡張は図６に示される。ＬＨＣベースの分子センサ及び論理素子の構造。両方のケースで、エネルギーが光学的に供給される。この構造はワイヤレスコンピュータの基礎を構成し、信号は分子トリガーによって運ばれる。論理演算に関して、単一のＬＨＣユニットの出力はもう１つのＬＨＣに関して入力であるべきである。これは分子トリガーを生成するために使用される光合成ユニット、又はＬＨＣのどちらかが電気信号によってクエンチされなくてはならないことを必要とする。ＬＨＣは１つの光合成ユニットから次のものまで通過される分子トリガーを生成するために使用され、「ワイヤレス」コンピューティングの基礎を形成する。
例
集光複合体（ＬＨＣ）上部に金属コンタクトを蒸着するとき、ＬＨＣの蛋白質骨格を乱さないため注意が払われなくてはならない。この目的で、例えば、非破壊的なナノメータ金属コンタクトスタンピング技術が使用されている。蛋白質ベース複合体はナノパターニング技術を使って従来のエレクトロニクスと接続される。例えば、Ｋｉｍらの米国特許第６，４６８，８１９号明細書、Ｍｅｔｈｏｄ Ｆｏｒ Ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｕｓｉｎｇ Ａ Ｄｉｅ；及び、Ｌｅｅらの、Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｎａｎｏｍｅｔｅｒ−Ｓｃｄａｌｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ Ｍｅｔａｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ，米国特許第６，４４７，６６３号明細書を参照されたい。これらは参照のためここに組み込まれる。
集光複合体（ＬＨＣ）上部に金属コンタクトを蒸着するとき、ＬＨＣの蛋白質骨格を乱さないため注意が払われなくてはならない。この目的で、例えば、非破壊的なナノメータ金属コンタクトスタンピング技術が使用されている。蛋白質ベース複合体はナノパターニング技術を使って従来のエレクトロニクスと接続される。例えば、Ｋｉｍらの米国特許第６，４６８，８１９号明細書、Ｍｅｔｈｏｄ Ｆｏｒ Ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｕｓｉｎｇ Ａ Ｄｉｅ；及び、Ｌｅｅらの、Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｎａｎｏｍｅｔｅｒ−Ｓｃｄａｌｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ Ｍｅｔａｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ，米国特許第６，４４７，６６３号明細書を参照されたい。これらは参照のためここに組み込まれる。
例Ｉ
デバイスは１つの側から組み立てられ（「成長され」）てよい。例えば、電極が最初に基板（例えば、ガラス又はプラスチック）の上に蒸着されてよい。例えば、ＰＳＩ複合体が透明なインジウムスズ酸化物電極の上に堆積されてよい。例えばＬＨＣへの金属コンタクト、ＰＳＩ複合体が、超高解像度非損傷スタンピングプロセスによって直接移動されてよい。金属コンタクトの形成は壊れやすい蛋白質（ＬＨＣ）複合体と両立できなくてはならない。技術の目的は、ＰＳＩ複合体の直径（約１０ｎｍ）と同等の解像度での、リソグラフィーでパターニングされたスタンプと基板との間のコンタクトの位置における金属膜の移動である。もしも基板−金属接着性がスタンプと金属層との間の接着力を超えるならば、移動が起こる。移動を改善するために、テフロン（登録商標）等の、１つ以上の接着性減少層がスタンプ表面と金属層との間に蒸着されてよい。図７（図７−９）を参照されたい。段階１よりも前に、真空蒸着又はスパッタリングを用いて、基板上に金属薄膜（＜５０）が蒸着される。この「ストライク」層（ｓｔｒｉｋｅ ｌａｙｅｒ）は、基板のどんな繊細なフィーチャに対する損傷も最小にするように十分薄い。段階１において、金属でコーティングされたスタンプがストライク層との接触をもたらす。金属がコンタクトの場所で移動される。スタンプとその金属コーティングとの間に接着性減少層を挿入することによって、及びもしかするとストライク層を除去することによって、移動が強化されてよい。段階２におけるスタンプの除去の後に、パターニングされた基板は段階３においてエッチングされ、そして露出したストライク材料はＡｒスパッタリングによって削除される。米国特許第６，４６８，８１９号明細書、Ｍｅｔｈｏｄ Ｆｏｒ Ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｕｓｉｎｇ Ａ Ｄｉｅ；及びＬｅｅらのＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｎａｎｏｍｅｔｅｒ−Ｓｃｄａｌｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ Ｍｅｔａｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ，米国特許第６，４４７，６６３号明細書を参照されたい。この例において基本的に金属蒸着が第１段階であるけれども、電極の（電極）金属蒸着は構築工程の最終段階であってよい。ここで使われる用語「電極」は、ここに添付されたクレームで使われるように、「第１電極」又は「２番目の電極」に関する総称である。
デバイスは１つの側から組み立てられ（「成長され」）てよい。例えば、電極が最初に基板（例えば、ガラス又はプラスチック）の上に蒸着されてよい。例えば、ＰＳＩ複合体が透明なインジウムスズ酸化物電極の上に堆積されてよい。例えばＬＨＣへの金属コンタクト、ＰＳＩ複合体が、超高解像度非損傷スタンピングプロセスによって直接移動されてよい。金属コンタクトの形成は壊れやすい蛋白質（ＬＨＣ）複合体と両立できなくてはならない。技術の目的は、ＰＳＩ複合体の直径（約１０ｎｍ）と同等の解像度での、リソグラフィーでパターニングされたスタンプと基板との間のコンタクトの位置における金属膜の移動である。もしも基板−金属接着性がスタンプと金属層との間の接着力を超えるならば、移動が起こる。移動を改善するために、テフロン（登録商標）等の、１つ以上の接着性減少層がスタンプ表面と金属層との間に蒸着されてよい。図７（図７−９）を参照されたい。段階１よりも前に、真空蒸着又はスパッタリングを用いて、基板上に金属薄膜（＜５０）が蒸着される。この「ストライク」層（ｓｔｒｉｋｅ ｌａｙｅｒ）は、基板のどんな繊細なフィーチャに対する損傷も最小にするように十分薄い。段階１において、金属でコーティングされたスタンプがストライク層との接触をもたらす。金属がコンタクトの場所で移動される。スタンプとその金属コーティングとの間に接着性減少層を挿入することによって、及びもしかするとストライク層を除去することによって、移動が強化されてよい。段階２におけるスタンプの除去の後に、パターニングされた基板は段階３においてエッチングされ、そして露出したストライク材料はＡｒスパッタリングによって削除される。米国特許第６，４６８，８１９号明細書、Ｍｅｔｈｏｄ Ｆｏｒ Ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｕｓｉｎｇ Ａ Ｄｉｅ；及びＬｅｅらのＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｎａｎｏｍｅｔｅｒ−Ｓｃｄａｌｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ Ｍｅｔａｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ，米国特許第６，４４７，６６３号明細書を参照されたい。この例において基本的に金属蒸着が第１段階であるけれども、電極の（電極）金属蒸着は構築工程の最終段階であってよい。ここで使われる用語「電極」は、ここに添付されたクレームで使われるように、「第１電極」又は「２番目の電極」に関する総称である。
例ＩＩ
電極はパターニングされてよい。例えば、リソグラフィー等。しかしながら、パターニングは、Ｉ．におけるように電極蒸着と同時に達成されてよい。図３は、銀と透明インジウムスズ酸化物との間に挟まれたＬＨＣのいくつかの複合体の概略図を示す（光起電性デバイス）。ＩＴＯは、自己アセンブルされたＬＨＣ単分子膜を、電子線リソグラフィーを用いて露出することによってパターニングされてよく、それによってＬＨＣ複合体の表面接着性の性質を変える。スタンプされたコンタクトの寸法は電子線リソグラフィーによって確定される。スタンプ上に一段高いフィーチャを確定する電子線リソグラフィーは当業者によく知られている。それは微細（〜１ｎｍ）電子線にレジスト（ポリマー、典型的にはＰＭＭＡ−ポリメタクリル酸メチル）を露出することを含む。レジストが露出されるところで、弱溶媒中に溶解され未露出の部分をそのままにする。レジストパターンはその後ウェット又はドライエッチング技術によってスタンプ材料となる。
電極はパターニングされてよい。例えば、リソグラフィー等。しかしながら、パターニングは、Ｉ．におけるように電極蒸着と同時に達成されてよい。図３は、銀と透明インジウムスズ酸化物との間に挟まれたＬＨＣのいくつかの複合体の概略図を示す（光起電性デバイス）。ＩＴＯは、自己アセンブルされたＬＨＣ単分子膜を、電子線リソグラフィーを用いて露出することによってパターニングされてよく、それによってＬＨＣ複合体の表面接着性の性質を変える。スタンプされたコンタクトの寸法は電子線リソグラフィーによって確定される。スタンプ上に一段高いフィーチャを確定する電子線リソグラフィーは当業者によく知られている。それは微細（〜１ｎｍ）電子線にレジスト（ポリマー、典型的にはＰＭＭＡ−ポリメタクリル酸メチル）を露出することを含む。レジストが露出されるところで、弱溶媒中に溶解され未露出の部分をそのままにする。レジストパターンはその後ウェット又はドライエッチング技術によってスタンプ材料となる。
例ＩＩＩ
例えば、１-５の有機層が、例えば電極の上部に、熱蒸発によって追加されてよい。ＬＨＣは薄膜有機電荷輸送材料の間に挟まれてよい。ＬＨＣが溶媒処理を必要とするため、ＬＨＣに隣接している支持有機層は疎水性電荷輸送ポリマー（例えばＰＰＶ（ポリ−（フェニレンビニレン））又はＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（ポリエチレンジオキシチオフェン：ポリスチレンスルホン酸塩））であることが好ましい。ＬＨＣに隣接する上部層（ｏｖｅｒｌａｙｅｒ）は、下部ポリマー及びＬＨＣとは相容れない溶媒を排除するために真空蒸着された低分子材料から作製されてよい。有機層は入射光に対して透明であることが好ましい。従ってＬＨＣが存在しないとき可視光線に対するヘテロ構造の光電池の動作は無視できる。個々の活性な光学的分子が、例えば、有機薄膜を用いて、接触される。いくつか（例えば、５）の分子層の有機膜が、例えば、真空技術を用いて、成長されることができる。Ｓ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ，Ｃｈｅｍ．Ｒｅｖ．ｖｏｌ．９７，ｐ．１７９３（１９９７）。
例えば、１-５の有機層が、例えば電極の上部に、熱蒸発によって追加されてよい。ＬＨＣは薄膜有機電荷輸送材料の間に挟まれてよい。ＬＨＣが溶媒処理を必要とするため、ＬＨＣに隣接している支持有機層は疎水性電荷輸送ポリマー（例えばＰＰＶ（ポリ−（フェニレンビニレン））又はＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（ポリエチレンジオキシチオフェン：ポリスチレンスルホン酸塩））であることが好ましい。ＬＨＣに隣接する上部層（ｏｖｅｒｌａｙｅｒ）は、下部ポリマー及びＬＨＣとは相容れない溶媒を排除するために真空蒸着された低分子材料から作製されてよい。有機層は入射光に対して透明であることが好ましい。従ってＬＨＣが存在しないとき可視光線に対するヘテロ構造の光電池の動作は無視できる。個々の活性な光学的分子が、例えば、有機薄膜を用いて、接触される。いくつか（例えば、５）の分子層の有機膜が、例えば、真空技術を用いて、成長されることができる。Ｓ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ，Ｃｈｅｍ．Ｒｅｖ．ｖｏｌ．９７，ｐ．１７９３（１９９７）。
例ＩＶ
少なくとも１つのＬＨＣ、例えばＰＳＩ又はＬＨ２、が最上部の有機層上部に堆積される。堆積物（例えば、集光性複合体）の電着を制御するためのシステムは重ね合わせられた関係の２つの電極を含むことが好ましい。電着条件の下で弱いか若しくは存在しない両極性又は誘起的両極性を有する物質が、適切な電荷キャリアに共有結合で結合されてよく、電極上に堆積可能な帯電した複合体を形成する。溶液又は堆積物の懸濁液は、実質的に電流を通すことができる水溶液、生理学の生理的食塩水等、であってよい。方向、マイグレーション速度及び元々の溶液又は堆積懸濁液内の堆積物の堆積速度は、適切に溶液のｐＨを調整することによって、高感度で制御され得る。溶液又は懸濁液のｐＨは堆積される堆積物の等電点より大きく又は小さく調整される。所望されるなら、この調整は周知の酸又はアルカリ性の薬剤を用いて達成され得る。所望されるなら、非イオン性界面活性剤及び消ほう剤又は洗剤等、他の添加物が同じく溶液に加えられることができる。電極が例えば基板に取り付けられた金属又は「金属代替物」で形成されることができる。基板は有機物又は無機物、生物学的又は非生物学的、又はこれらの材料のどのような組み合わせであってもよい。基板に適切な材料は、ケイ素、シリカ、石英、ガラス、制御された多孔性ガラス、炭素、アルミナ、二酸化チタン、ゲルマニウム、窒化ケイ素、ゼオライト及びガリウムヒ素を含む。用語「金属」は、Ａｇ又はＭｇ等、本質的に純粋な金属からなる、及び、同様に、二つ以上の本質的に純粋な金属からなる、例えばＭｇとＡｇが共に、Ｍｇ：Ａｇで示される、材料である合金で構成された両方の材料を包含するために使われる。用語「金属代替物」は通常の定義の中で金属でないが、しかしある特定の適切な用途で所望される金属のような特性を持つ材料を意味する。電極に使用可能な適切な金属代替物は、ドープされた広いバンドギャップ半導体、例えば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、ガリウムインジウムスズ酸化物（ＧＩＴＯ）及び亜鉛インジウムスズ酸化物（ＺＩＴＯ）等の透明伝導性酸化物を含む。電極のための他の適切な材料はポリ−スチレンスルホン酸（ＰＳＳ）でドープされるポリ−エチレン−ジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）等の重合体金属である。電極の１つに接続した正の導線及び他の電極に接続した負の導線を有する電源が、電極の間に実質的に連続な電流を供給するために提供される。電極間の距離Ｄｉは約１０ｎｍから約５.０ｍｍの範囲であってよい。もしも基板の残っている領域が絶縁されるならば、ナノスケール電極上の堆積が起こり得る。適当な距離Ｄｉは約１．０ｍｍである。電極に印加される電圧は距離Ｄｉに依存する。例えば、印加される電圧は約１Ｖ/ｃｍから約１,０００Ｖ/ｃｍの範囲であってよい。約１０Ｖ/ｃｍから約２００Ｖ/ｃｍの適切な電圧範囲が、電極間の距離が約１ｍｍで使用されてよい。溶媒又は堆積物の懸濁液が電極間に提供される。電圧は、電極の一つに向かって堆積物の移動をもたらす所定の時間連続的に印加され、堆積物の堆積膜を提供する。例えば、電圧が約５分から約４８時間連続的に印加されてよい。印加される電圧は所望される堆積物の膜の厚み及び堆積物が電着される溶液の濃度に基づく。必要とされる電圧を減少させるために電極間の最小距離を用いることが望ましいことが見いだされた。堆積物の溶液又は懸濁液内の堆積物濃度、及び溶液の体積は、所定の電圧の連続的な印加で堆積される堆積物膜の厚みを制御するため選択される。溶液又は懸濁液内の堆積物の濃度は電極の１つの上に単分子膜を形成するよう選択されてよい。本発明の一つの実施形態において、堆積物の１００％が約１０μｇ／ｍｌから約１ｍｇ／ｍｌの範囲の堆積物の濃度、約１ｍｍ３から約１００ｍｍ３の体積を用いて、約１０Ｖ／ｃｍから約２００Ｖ／ｃｍの範囲の電圧で電極上に堆積されてよく、厚さ約５ｎｍから約１０ｎｍの単分子膜をもたらす。溶媒又は懸濁液中の堆積物の濃度及び溶液の体積を変えることによって、より厚い膜が堆積できることは理解されるであろう。保持ハウジングが堆積物の溶液又は懸濁液の所定の体積を提供するため選択されたサイズを有してよい。例えば、保持ハウジングが約１ｍｍ３から約１００ｍｍ３の体積を提供するためのサイズを有してよい。堆積物の移動が堆積物の電荷と反対に帯電された電極に向かって起こる。堆積物が、堆積物と電極との間のファンデルワールス相互作用に大きく起因して電極に接着され得る。固定された物質はどのようなデバイスで使用されてもよく、固定された物質はデバイスの操作に本質的である。適切なデバイスは固体デバイス、メモリデバイス及び光起電性デバイスを含む。
少なくとも１つのＬＨＣ、例えばＰＳＩ又はＬＨ２、が最上部の有機層上部に堆積される。堆積物（例えば、集光性複合体）の電着を制御するためのシステムは重ね合わせられた関係の２つの電極を含むことが好ましい。電着条件の下で弱いか若しくは存在しない両極性又は誘起的両極性を有する物質が、適切な電荷キャリアに共有結合で結合されてよく、電極上に堆積可能な帯電した複合体を形成する。溶液又は堆積物の懸濁液は、実質的に電流を通すことができる水溶液、生理学の生理的食塩水等、であってよい。方向、マイグレーション速度及び元々の溶液又は堆積懸濁液内の堆積物の堆積速度は、適切に溶液のｐＨを調整することによって、高感度で制御され得る。溶液又は懸濁液のｐＨは堆積される堆積物の等電点より大きく又は小さく調整される。所望されるなら、この調整は周知の酸又はアルカリ性の薬剤を用いて達成され得る。所望されるなら、非イオン性界面活性剤及び消ほう剤又は洗剤等、他の添加物が同じく溶液に加えられることができる。電極が例えば基板に取り付けられた金属又は「金属代替物」で形成されることができる。基板は有機物又は無機物、生物学的又は非生物学的、又はこれらの材料のどのような組み合わせであってもよい。基板に適切な材料は、ケイ素、シリカ、石英、ガラス、制御された多孔性ガラス、炭素、アルミナ、二酸化チタン、ゲルマニウム、窒化ケイ素、ゼオライト及びガリウムヒ素を含む。用語「金属」は、Ａｇ又はＭｇ等、本質的に純粋な金属からなる、及び、同様に、二つ以上の本質的に純粋な金属からなる、例えばＭｇとＡｇが共に、Ｍｇ：Ａｇで示される、材料である合金で構成された両方の材料を包含するために使われる。用語「金属代替物」は通常の定義の中で金属でないが、しかしある特定の適切な用途で所望される金属のような特性を持つ材料を意味する。電極に使用可能な適切な金属代替物は、ドープされた広いバンドギャップ半導体、例えば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、ガリウムインジウムスズ酸化物（ＧＩＴＯ）及び亜鉛インジウムスズ酸化物（ＺＩＴＯ）等の透明伝導性酸化物を含む。電極のための他の適切な材料はポリ−スチレンスルホン酸（ＰＳＳ）でドープされるポリ−エチレン−ジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）等の重合体金属である。電極の１つに接続した正の導線及び他の電極に接続した負の導線を有する電源が、電極の間に実質的に連続な電流を供給するために提供される。電極間の距離Ｄｉは約１０ｎｍから約５.０ｍｍの範囲であってよい。もしも基板の残っている領域が絶縁されるならば、ナノスケール電極上の堆積が起こり得る。適当な距離Ｄｉは約１．０ｍｍである。電極に印加される電圧は距離Ｄｉに依存する。例えば、印加される電圧は約１Ｖ/ｃｍから約１,０００Ｖ/ｃｍの範囲であってよい。約１０Ｖ/ｃｍから約２００Ｖ/ｃｍの適切な電圧範囲が、電極間の距離が約１ｍｍで使用されてよい。溶媒又は堆積物の懸濁液が電極間に提供される。電圧は、電極の一つに向かって堆積物の移動をもたらす所定の時間連続的に印加され、堆積物の堆積膜を提供する。例えば、電圧が約５分から約４８時間連続的に印加されてよい。印加される電圧は所望される堆積物の膜の厚み及び堆積物が電着される溶液の濃度に基づく。必要とされる電圧を減少させるために電極間の最小距離を用いることが望ましいことが見いだされた。堆積物の溶液又は懸濁液内の堆積物濃度、及び溶液の体積は、所定の電圧の連続的な印加で堆積される堆積物膜の厚みを制御するため選択される。溶液又は懸濁液内の堆積物の濃度は電極の１つの上に単分子膜を形成するよう選択されてよい。本発明の一つの実施形態において、堆積物の１００％が約１０μｇ／ｍｌから約１ｍｇ／ｍｌの範囲の堆積物の濃度、約１ｍｍ３から約１００ｍｍ３の体積を用いて、約１０Ｖ／ｃｍから約２００Ｖ／ｃｍの範囲の電圧で電極上に堆積されてよく、厚さ約５ｎｍから約１０ｎｍの単分子膜をもたらす。溶媒又は懸濁液中の堆積物の濃度及び溶液の体積を変えることによって、より厚い膜が堆積できることは理解されるであろう。保持ハウジングが堆積物の溶液又は懸濁液の所定の体積を提供するため選択されたサイズを有してよい。例えば、保持ハウジングが約１ｍｍ３から約１００ｍｍ３の体積を提供するためのサイズを有してよい。堆積物の移動が堆積物の電荷と反対に帯電された電極に向かって起こる。堆積物が、堆積物と電極との間のファンデルワールス相互作用に大きく起因して電極に接着され得る。固定された物質はどのようなデバイスで使用されてもよく、固定された物質はデバイスの操作に本質的である。適切なデバイスは固体デバイス、メモリデバイス及び光起電性デバイスを含む。
ＬＨＣの単層は、例えば従来の水溶液のスピニング技術を用いて堆積されてよい。
光の刺激が上部（ストロマ）表面上に電子、及びＬＨＣの下部（ルーメン）表面の上に正孔を生成するため、ＬＨＣの機能的な方向は重要である。従って、基板上に堆積されるとき、ＬＨＣは（意図された用途に依存する）適切な方向でなくてはならない。両側が異なる電荷密度又は異なる電荷極性を持つであろうから、これは静電堆積によって達成されてよい。他の可能性は蛋白質上の特定の基への親和性又は共有結合である（これらの基は自然に存在し得る、又は組換えＤＮＡ技術によって挿入される）。
例えば、米国特許第６，２３１，９８３号明細書、Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｏｒｉｅｎｔｉｎｇ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，Ｌｅｅら、２００１年５月１５日、は基板上のＰＳＩ反応中心を配向する方法に関する。前記方法は、基板表面が所定の方向にＰＳＩ反応中心を固定することを可能にするような基板表面の化学修飾を含む。その後、ＰＳＩ反応中心を含む溶液が添加され、ＰＳＩは所定の方向に配向される。所定の配向は基板表面と平行、「上向き」配置で表面に対して垂直、又は「下向き」配置で表面に対して垂直であってよい。所定の配向の決定は、基板の所望される使用に基づくべきである。
例Ｖ
有機層は、ＩＩＩにおけるように、例えば堆積された集光性複合体の上部に、熱蒸着によって添加されてよい。
有機層は、ＩＩＩにおけるように、例えば堆積された集光性複合体の上部に、熱蒸着によって添加されてよい。
例ＶＩ
上部電極は、Ｉにおけるように、例えばナノメータスタンピングプロセスによって添加されてよい。
上部電極は、Ｉにおけるように、例えばナノメータスタンピングプロセスによって添加されてよい。
上記明細書で言及されたすべての刊行物及び特許はここに参照のために組み込まれる。本発明の記載された組成及び方法の様々な修正及び変更は、本発明の範囲と精神から逸脱することなく当業者には明白であろう。発明が特定の望ましい実施形態に関連して記述されたけれども、クレームの発明がこのような特定の実施形態に不当に制限されるべきではないことは理解されるべきである。本発明を実施するための記述された組成及び形態の様々な修正は、関連技術又は分野の当業者に明らかであり、クレームの範囲の中にあるように意図される。
２ 第１電極
４ 第２電極
６ ＬＨＣ
８ 電子輸送層
１０ 正孔輸送層
１２、１４ 光伝導性有機半導体材料
４ 第２電極
６ ＬＨＣ
８ 電子輸送層
１０ 正孔輸送層
１２、１４ 光伝導性有機半導体材料
Claims (29)
- 重ねられた関係の第１電極及び第２電極；及び
前記電極間に少なくとも１つの隔離された集光性複合体（ＬＨＣ）；
を含む固体感光性デバイス。 - 前記第１電極と前記ＬＨＣとの間に配置され、前記ＬＨＣに隣接した第１の光伝導性有機半導体材料で形成された電子輸送層；及び、
前記第２電極と前記ＬＨＣとの間に配置され、前記ＬＨＣに隣接した第２の光伝導性有機半導体材料で形成された正孔輸送層；
をさらに含む、請求項１に記載の固体感光性デバイス。 - 前記第１電極と前記電子輸送層との間に配置された少なくとも１つの光伝導性有機半導体材料の追加層をさらに含む、請求項２に記載の固体感光性デバイス。
- 前記第２電極と前記正孔輸送層との間に配置された少なくとも１つの光伝導性有機半導体材料の追加層をさらに含む、請求項２に記載の固体感光性デバイス。
- 前記第２電極と前記正孔輸送層との間に配置された少なくとも１つの光伝導性有機半導体材料の追加層をさらに含む、請求項３に記載の固体感光性デバイス。
- 前記第２電極と前記正孔輸送層との間に配置される光伝導性有機半導体材料層が励起子阻止層である、請求項４に記載の固体感光性デバイス。
- 前記第１電極が前記ＬＨＣに光を入射させるための隙間を有する、請求項２に記載の固体感光性デバイス。
- 少なくとも１つの光伝導性有機半導体材料の追加層が前記ＬＨＣに光を入射させるための隙間を有する、請求項３に記載の固体感光性デバイス。
- 前記ＬＨＣに光を入射させるための光学的コンセントレータをさらに含む、請求項７又は８に記載の固体感光性デバイス。
- 前記第１電極が入射光（λ〜８００ｎｍ）に対して実質的に透明である、請求項１に記載の固体感光性デバイス。
- 前記第２電極が入射光（λ〜８００ｎｍ）に対して実質的に反射性である、請求項１に記載の固体感光性デバイス。
- 前記電極の間の前記光伝導性有機半導体材料が入射光（λ〜８００ｎｍ）に対して実質的に透明である、請求項５に記載の固体感光性デバイス。
- 前記第１電極がドープされた縮退ＩＴＯを含む、請求項１０に記載の固体感光性デバイス。
- 前記第２電極がＡｌ（アルミニウム）、Ａｇ（銀）、又はＡｕ（金）等の金属フィルムを含む、請求項１１に記載の固体感光性デバイス。
- 前記電子輸送層はＰＴＣＢＩ、ＢＣＰ、Ａｌｑ３、ＣＢＰ、Ｆ１６ＣｕＰｃ、Ｃ６０、及びＰＴＣＤＡからなる群から選択される材料を含む、請求項２に記載の固体感光性デバイス。
- 前記正孔輸送層がαＮＰＤ、ＴＰＤ、ＣｕＰｃ、ＣｏＰｃ及びＺｎＰｃからなる群から選択される材料を含む、請求項２に記載の固体感光性デバイス。
- 前記第１電極と前記電子輸送層との間に配置された、少なくとも一つの光伝導性有機半導体材料層が、ＰＴＣＢＩ、ＢＣＰ、Ａｌｑ３、ＣＢＰ、Ｆ１６ＣｕＰｃ、Ｃ６０、及びＰＴＣＤＡからなる群から選択される材料を含む、請求項３に記載の固体感光性デバイス。
- 前記第２電極と前記正孔輸送層との間に配置された、少なくとも一つの光伝導性有機半導体材料層が、αＮＰＤ、ＴＰＤ、ＣｕＰｃ、ＣｏＰｃ及びＺｎＰｃからなる群から選択される材料を含む、請求項４に記載の固体感光性デバイス。
- 前記励起子阻止層が、２，９−ジメチル−４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン（ＢＣＰ）；４，４’，４”−トリス｛Ｎ，−（３−メチルフェニル）−Ｎ−フェニルアミノ｝トリフェニルアミン（ｍ−ＭＴＤＡＴＡ）；及びポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）からなる群から選択される材料を含む、請求項６に記載の固体感光性デバイス。
- 前記集光性複合体（ＬＨＣ）はＰＳＩ及びＬＨ２からなる群から選択される、請求項１に記載の固体感光性デバイス。
- 前記ＬＨＣと各電極との間の距離が約λ／４ｎであり、λはＬＨＣが吸収する光の重要な波長であり、ｎはＬＨＣと各電極との間の材料の屈折率である、請求項２又は５に記載の固体感光性デバイス。
- 前記第１電極が回路によって前記第２電極にさらに接続される、請求項１に記載の固体感光性デバイス。
- 光起電性デバイスである、請求項２２に記載の固体感光性デバイス。
- 集光性複合体（ＬＨＣ）の単一層を含む、請求項１に記載の固体感光性デバイス。
- 単一の集光性複合体（ＬＨＣ）を含む、請求項１に記載の固体感光性デバイス。
- 請求項２３の光起電性デバイスを光に露出することを含む、光電流を生成する方法。
- 請求項２３の光起電性デバイスを光に露出することを含む、回路に電力を供給する方法。
- 請求項２２に記載の固体感光性デバイスを含む電子デバイス。
- 太陽電池、光学コンピューティング、及び論理ゲート、オプトエレクトロニックスイッチ、処理要素、電子光センサ、センサ、光量子Ａ／Ｄコンバータからなる群から選択される請求項２８に記載の固体感光性デバイスを含む電子デバイス。
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