JP4252264B2 - 有機金属錯体およびその製造方法ならびにそれを用いた電荷保持材料および単電子トランジスター - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は有機金属錯体およびその製造方法、ならびに上記有機金属錯体を含む電荷保持材料であって、単電子トランジスターの電荷保持部分に用いられる電荷保持材料、そしてこの電荷保持材料からなる電荷保持部分を１対のシリコン電極間あるいは金属電極間に備える単電子トランジスターに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のトランジスターでは、ゲート電極に何万個という電子を注入し、ソース電極とドレイン電極との間を流れる電子の流れを制御して電気的な切換動作を行っているために、消費電力が莫大になってしまうといった問題があった。
【０００３】
そこで近年では、従来のトランジスターに代わって、ソース電極とドレイン電極との間を流れる電子１つ１つを制御することが可能な、単電子トランジスターが注目されている。
【０００４】
図１に示すのは、単電子トランジスターの概略的構成である。同図に示すように、単電子トランジスター１０は、電荷保持部分（電荷プール）となるナノメートルサイズのシリコン微粒子（シリコンアイランド）４０が、２個のトンネル障壁５０ａ・５０ｂを挟んで、シリコン、あるいは金属からなるソース電極２０およびドレイン電極３０に接続されて構成されている。
【０００５】
ここで、電子が電荷素量ｅを有する粒子であるとする。シリコン微粒子４０に存在する伝導電子の数は原理的に整数に限られているため、トンネル障壁５０ａ・５０ｂを介して、電子１個が容量（Ｃ）を有するシリコン微粒子４０に出入りするごとに、シリコン微粒子４０のポテンシャルは（ｅ/２Ｃ）だけ増加する。このため、シリコン微粒子４０の電子の状態密度が連続であったとしても、電子数の変化に対してトンネルが禁制されるエネルギー帯（クーロンギャップ）が生じる。
【０００６】
これにより、ソース電極２０およびドレイン電極３０におけるフェルミ準位がこのクーロンギャップ内にあると、電子はシリコン微粒子４０に出入りすることができず電流は流れない。このような現象をクーロンブロッケードという。
【０００７】
しかしながら、シリコン微粒子４０に静電容量結合したゲート電極６０によって誘導電荷を変化させると、上述したクーロンギャップをシフトさせることができ、上述したクーロンギャップ端にフェルミ準位がきた時に、電流が流れるようになる。
【０００８】
したがって、ゲート電極６０に印加する電圧を増加させると、過剰な電子１個がシリコン微粒子４０に出入りすることができ、これにより電流が流れるようになる。そしてさらに電圧を増加させれば、過剰な電子が２個まで入れるようになり、さらに電流は増加する。
【０００９】
このように、単電子トランジスター１０では、ゲード電極６０に印加する電圧を変化させることで、シリコン微粒子４０に出入りできる電子の数を１個１個変化させることで電流を調整することができ、これによって超低消費電力のトランジスターを実現することができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したようにシリコン微粒子４０を単電子トランジスター１０の電荷保持部分として用いると、次のような問題が生じる。
（Ｉ）シリコン微粒子は、完全に均一な粒径のものを得ることが困難であるため、これにより電荷保持部分の電荷保持能力にばらつきが生じる。その結果、単電子トランジスターの動作特性にもばらつきが生じる。
（ＩＩ）シリコンという無機物質を用いているため、シリコン微粒子の粒子径だけで電荷保持部分の電荷保持能力が決まってしまう。したがって、単電子トランジスターの特性を制御することが困難である。
【００１１】
また、文献Tohru Kubota et al., Thin Solid Films 393 (2001) 379-382 には、デンドリックポリマー（デンドリマー）を有する有機分子を、単電子トランジスターにおけるシリコン微粒子の代わりとして用いることが開示されている。
【００１２】
しかしながら、上記文献の場合、有機分子は、単なる微粒子として電荷を保持しているだけであるため、電荷保持能力が低く、また、酸化還元（レドックス）反応を起こさないので、電荷保持能力の制御を行うことはできない。
【００１３】
本発明の目的は、単電子トランジスターの電荷保持部分に用いられる電荷保持材料であって、均一かつ十分な電荷保持能力を持ち、かつ、特性の異なる複数種類の電荷保持部分を容易に作り分けることが可能な電荷保持材料、およびこの電荷保持材料を用いた単電子トランジスター、並びに、上記電荷保持材料に適した新規な有機金属錯体およびその製造方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の発明者は、有機金属錯体を単電子トランジスターにおけるシリコン微粒子の代わりとして用いることで、電荷保持部分の電荷保持能力のばらつきをなくし、単に電荷を保持するだけでなく、有機金属錯体の分子設計により、電荷保持能力の制御や電荷保持部分の特性を容易に変更できることを発案した。
【００１５】
本発明では、まず単電子トランジスターにおけるシリコン微粒子の代わりとして用いることのできる新規な有機金属錯体を提供する。この新規な有機金属錯体とは、具体的には、
一般式（１２）
【００１６】
【化２２】
【００１７】
｛式中、Ｄは一般式（１０）
【００１８】
【化２３】
【００１９】
（式中、Ｒは−ＣＯＯＲ1基、−Ｓｉ（ＯＲ2）3基、−ＮＨＲ3基、メルカプト基を末端に有するアルカン基、あるいはメルカプト基を末端に有するアルケン基、あるいはジスルフィド基を末端に有するアルカン基、あるいはジスルフィド基を末端に有するアルケン基を示し、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3はそれぞれ炭化水素基を示す）または一般式（１１）
【００２０】
【化２４】
【００２１】
（式中、Ｒは−ＣＯＯＲ1基、−Ｓｉ（ＯＲ2）3基、−ＮＨＲ3基、メルカプト基を末端に有するアルカン基、あるいはメルカプト基を末端に有するアルケン基、あるいはジスルフィド基を末端に有するアルカン基、あるいはジスルフィド基を末端に有するアルケン基を示し、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3はそれぞれ炭化水素基を示す）
で表される構造を示し、ｂｐｙは、式（１３）
【００２２】
【化２５】
【００２３】
で表される配位子（２,２’−ビピリジル）を示す｝
で表されることを特徴とする有機金属錯体である。
【００２４】
上記の構成によれば、上記有機金属錯体は、中心に酸化還元反応を示す遷移金属であるルテニウム（Ｒｕ）を有している。これにより、上記有機金属錯体自体が酸化還元反応を示すことができる。
【００２５】
また、本発明では、上記の新規な有機金属錯体の製造方法を提供する。この新規な有機金属錯体の製造方法とは、具体的には、
一般式（１）
【００２６】
【化２６】
【００２７】
（式中、Ｒは−ＣＯＯＲ1基を示し、Ｒ1は炭化水素基を示す）
で表される化合物を、一般式（８）
【００２８】
【化２７】
【００２９】
で表されるジ（ヒドロキシフェニル）フェナントロリンと反応させることによって、一般式（９）
【００３０】
【化２８】
【００３１】
｛式中、Ｄは一般式（１１）
【００３２】
【化２９】
【００３３】
（式中、Ｒは−ＣＯＯＲ1基を示し、Ｒ1は炭化水素基を示す）｝
で表されるデンドリマー配位子を合成する工程と、
さらにこのデンドリマー配位子に、式（１４）
（ｂｐｙ）2ＲｕＣｌ2………（１４）
｛式中、ｂｐｙは、式（１３）
【００３４】
【化３０】
【００３５】
で表される配位子（２,２’−ビピリジル）を示す｝
で表される２価のルテニウム錯体を反応させることによって、一般式（１２）
【００３６】
【化３１】
【００３７】
｛式中、Ｒは−ＣＯＯＲ1基を示し、Ｒ1は炭化水素基を示し、Ｄは、一般式（１１）
【００３８】
【化３２】
【００３９】
（式中、Ｒは−ＣＯＯＲ1基を示し、Ｒ1は炭化水素基を示す）｝
で表される有機金属錯体を製造する工程と、
上記有機金属錯体におけるＲで表される置換基を加水分解する工程とを含むことを特徴としている。
【００４０】
あるいはまた、新規な有機金属錯体のさらに他の製造方法とは、具体的には、一般式（１）
【００４１】
【化３３】
【００４２】
（式中、Ｒは−ＣＯＯＲ1基を示し、Ｒ1は炭化水素基を示す）
で表される化合物と、
式（３）
【００４３】
【化３４】
【００４４】
で表されるトリオールとを反応させることによって、一般式（４）
【００４５】
【化３５】
【００４６】
（式中、Ｒは−ＣＯＯＲ1基を示し、Ｒ1は炭化水素基を示す）
で表されるデンドリマーを合成するデンドリマー合成工程と、
上記デンドリマーの末端に位置するＯＨ基をＢｒ基に置換することによって、一般式（６）
【００４７】
【化３６】
【００４８】
（式中、Ｒは−ＣＯＯＲ1基を示し、Ｒ1は炭化水素基を示す）
で表されるブロモ基含有デンドリマーを得る工程と、
上記ブロモ基含有デンドリマーを、一般式（８）
【００４９】
【化３７】
【００５０】
で表されるジ（ヒドロキシフェニル）フェナントロリンと反応させることによって、一般式（９）
【００５１】
【化３８】
【００５２】
｛式中、Ｒは−ＣＯＯＲ1基を示し、Ｒ1は炭化水素基を示し、Ｄは、一般式（１０）
【００５３】
【化３９】
【００５４】
で表される構造を示す｝
で表されるデンドリマー配位子を合成する工程と、
さらにこのデンドリマー配位子に、式（１４）
（ｂｐｙ）2ＲｕＣｌ2………（１４）
｛式中、ｂｐｙは、式（１３）
【００５５】
【化４０】
【００５６】
で表される配位子（２,２’−ビピリジル）を示す｝
で表される２価のルテニウム錯体を反応させることによって、一般式（１２）
【００５７】
【化４１】
【００５８】
｛式中、Ｒは−ＣＯＯＲ1基を示し、Ｒ1は炭化水素基を示し、Ｄは、一般式（１０）
【００５９】
【化４２】
【００６０】
（式中、Ｒは−ＣＯＯＲ1基を示し、Ｒ1は炭化水素基を示す）
で表される構造を示す｝
で表される有機金属錯体を製造する工程と、
上記有機金属錯体におけるＲで表される置換基を加水分解する工程とを含むことを特徴としている。
【００６１】
上記の構成によれば、２価のルテニウム錯体を用いて有機金属錯体を製造することで、有機金属錯体自体が酸化還元反応を示す有機金属錯体を製造することができる。
【００６２】
さらに本発明に係る単電子トランジスターの電荷保持部分に用いられる電荷保持材料は、上記の新規な有機金属錯体を含むことを特徴としている。
【００６３】
また、本発明に係る単電子トランジスターの電荷保持部分に用いられる電荷保持材料は、遷移金属からなる中心原子と、上記中心原子に配位すると共に該中心原子を周囲の環境から絶縁するデンドリマーとを有する有機金属錯体を含み、上記デンドリマーは、末端にシリコンあるいは金属に結合可能な官能基を有することを特徴としている。
【００６４】
上記各構成によれば、電荷保持材料は遷移金属からなる中心原子を有する有機金属錯体を含んでいる。そのため、上記電荷保持材料を単電子トランジスターの電荷保持部分とすれば、中心原子の示す酸化還元反応を利用して充分な電荷を保持することができる。
【００６５】
また、電荷保持部分は、均一な大きさを得ることの容易な有機金属錯体を含んでいるので、これにより電荷保持部分の電荷保持能力のばらつきをなくすることができる。
【００６６】
また、上記中心原子を異ならせて有機金属錯体の分子設計を行なうことで、電荷保持能力の制御や電荷保持部分の特性を容易に変更することができる。
【００６７】
また、中心原子に配位すると共に該中心原子を周囲の環境から絶縁するデンドリマーとを有する有機金属錯体を含んでいるので、中心原子が周囲の環境の影響を受けることはない。その結果、中心原子の示す酸化還元反応を好適に利用することができる。
【００６８】
さらに、上記デンドリマーが末端にシリコン、あるいは金属に結合可能な官能基を有しているので、この官能基を用いて、上記有機金属錯体を含む電荷保持材料をシリコン電極、あるいは金属電極に接続させることができる。
【００６９】
本発明においては、さらに上記遷移金属はルテニウムであることを特徴としている。
【００７０】
上記の構成によれば、ルテニウムは明確な酸化還元反応を示すので、該ルテニウムの示す明確な酸化還元反応を利用した電荷保持材料とすることができる。
【００７１】
本発明の単電子トランジスターは、上記電荷保持材料からなる電荷保持部分を、１対のシリコン電極あるいは金属電極間に備えることを特徴としている。
【００７２】
上記の構成によれば、単電子トランジスターは、電荷保持材料からなる電荷保持部分を有しているので、電荷保持材料の含む有機金属錯体の中心原子の示す酸化還元反応を利用して電荷を保持することのできる単電子トランジスターとすることができる。また、電荷保持能力のばらつきのない電荷保持部分を有しているので、単電子トランジスターの動作特性にばらつきは生じない。また、電荷保持材料が含む有機金属錯体の分子設計を行なうことで、様々な特性を持つ単電子トランジスターとすることができる。
【００７３】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる新規な有機金属錯体は、一般式（１２）
【００７４】
【化４３】
【００７５】
｛式中、Ｄは一般式（１０）
【００７６】
【化４４】
【００７７】
（式中、Ｒは−ＣＯＯＲ1基、−Ｓｉ（ＯＲ2）3基、−ＮＨＲ3基、メルカプト基を末端に有するアルカン基、あるいはメルカプト基を末端に有するアルケン基、あるいはジスルフィド基を末端に有するアルカン基、あるいはジスルフィド基を末端に有するアルケン基を示し、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3はそれぞれ炭化水素基を示す）または、一般式（１１）
【００７８】
【化４５】
【００７９】
（式中、Ｒは−ＣＯＯＲ1基、−Ｓｉ（ＯＲ2）3基、−ＮＨＲ3基、メルカプト基を末端に有するアルカン基、あるいはメルカプト基を末端に有するアルケン基、あるいはジスルフィド基を末端に有するアルカン基、あるいはジスルフィド基を末端に有するアルケン基を示し、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3はそれぞれ炭化水素基を示す）で表される構造を示し、ｂｐｙは、式（１３）
【００８０】
【化４６】
【００８１】
で表される配位子（２,２’−ビピリジル）を示す｝
で表される有機金属錯体である。
【００８２】
上記有機金属錯体は、中心に酸化還元反応を示す遷移金属であるルテニウム（Ｒｕ）を有している。これにより、上記有機金属錯体自体が酸化還元反応を示すことができる。
【００８３】
上記有機金属錯体の第１の製造方法は、最初に、一般式（１）
【００８４】
【化４７】
【００８５】
で表される化合物と、
式（３）
【００８６】
【化４８】
【００８７】
で表されるトリオールとを反応させることによって、デンドリマーを合成するデンドリマー合成工程を有するものである。
【００８８】
上記化合物（１）におけるＲは−ＣＯＯＲ1基、−Ｓｉ（ＯＲ2）3基、−ＮＨＲ3基、メルカプト基を末端に有するアルカン基、あるいはメルカプト基を末端に有するアルキン基、あるいはジスルフィド基を末端に有するアルカン基、あるいはジスルフィド基を末端に有するアルケン基を示し、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3はそれぞれ炭化水素基を示す。−ＣＯＯＲ1基は、加水分解によって−ＣＯＯＨ基に変換できるものであればよい。上記Ｒ1の炭化水素基とは、直鎖状、枝分かれ状、あるいは環状のアルキル基であり、具体的には、たとえば、メチル基（−ＣＨ3）、ｔ−ブチル基、ベンジル基（−ＣＨ2Ｃ6Ｈ5）等が挙げられる。
【００８９】
また、上記−Ｓｉ（ＯＲ2）3基におけるＲ2の炭化水素基とは、直鎖状、枝分かれ状、あるいは環状のアルキル基であり、具体的には、例えば、メチル基（−ＣＨ3）、ｔ−ブチル基、ベンジル基（−ＣＨ2Ｃ6Ｈ5）等が挙げられる。また、上記−ＮＨＲ3基におけるＲ3の炭化水素基とは、直鎖状、枝分かれ状、あるいは環状のアルキル基であり、具体的には、例えば、メチル基（−ＣＨ3）、ｔ−ブチル基、ベンジル基（−ＣＨ2Ｃ6Ｈ5）等が挙げられる。
【００９０】
上記トリオールは、３,５−ジヒドロキシ安息香酸を還元剤、例えば、水素化リチウムアルミニウムで還元することで得られる。
【００９１】
上記化合物（１）とトリオールとの反応においては、さらに、炭酸カリウム（Ｋ2ＣＯ3）および１８−クラウン−６を用いるとよい。具体的には、例えば、化合物（１）、炭酸カリウムおよび１８−クラウン−６の混合物にアセトンを適量加えて還流し、化合物（１）とトリオールとを反応させる。還流終了後、反応液を塩化メチレン（ＣＨ2Ｃｌ2）で抽出し、有機層を水、飽和食塩水で洗浄し、硫酸ナトリウムで乾燥させ、有機層を減圧下濃縮し、精製する。これによって、一般式（４）
【００９２】
【化４９】
【００９３】
で表されるデンドリマーを得ることができる。
【００９４】
上記反応において、化合物（１）と、トリオールとのモル比は、２．０：１．０〜２．２：１．０の範囲内であることがより好ましい。上記範囲内とすることで、副生する不純物が少なくなり、得られるデンドリマーの収率を高くすることができる。
【００９５】
次に、臭化剤、例えば四臭化炭素（ＣＢｒ4）を用いて、デンドリマーの末端に位置するＯＨ基をＢｒ基に置換する。例えば、デンドリマーを乾燥テトラヒドロフランに溶かし、さらにデンドリマーにトリフェニルホスフィン、四臭化炭素を加えて反応させ、デンドリマーの末端に位置するＯＨ基をＢｒ基に置換する。反応終了後、反応生成物をＣＨ2Ｃｌ2で抽出する。抽出された有機層を水、飽和食塩水で洗浄し、硫酸ナトリウムで乾燥させ、減圧下濃縮する。これによって、一般式(６)
【００９６】
【化５０】
【００９７】
で表されるブロモ基含有デンドリマーを得る。
【００９８】
上記反応において、使用するデンドリマーとＣＢｒ4とのモル比は、１．０：１．２〜１．０：１．５の範囲内であることがより好ましい。また、上記反応において、使用する乾燥テトラヒドロフランの量は、上記デンドリマーとトリフェニルホスフィンとを溶かすことのできる最小限の量を使用することが好ましい。
【００９９】
次に、上記のようにして得られたブロモ基含有デンドリマーと、一般式（８）
【０１００】
【化５１】
【０１０１】
で表されるジ（ヒドロキシフェニル）フェナントロリンとを反応させる。上記ブロモ基含有デンドリマーとジ（ヒドロキシフェニル）フェナントロリンとの反応においては、さらに、Ｋ2ＣＯ3および１８−クラウン−６を用いることが好ましい。具体的には、これらブロモ基含有デンドリマー、ジ（ヒドロキシフェニル）フェナントロリン、Ｋ2ＣＯ3および１８−クラウン−６の混合物を乾燥ジメチルスルフォキシドに溶かして加熱して反応させる。反応終了後、反応液をＣＨ2Ｃｌ2で抽出し、有機層を水、飽和食塩水で洗浄し、硫酸ナトリウムで乾燥させ、有機層を減圧下濃縮し、精製する。これによって、一般式（９）
【０１０２】
【化５２】
【０１０３】
｛式中、Ｄは、一般式（１０）
【０１０４】
【化５３】
【０１０５】
で表される構造を示す｝
で表されるデンドリマー配位子を得ることができる。
【０１０６】
上記の反応において、使用するブロモ基含有デンドリマーとジ（ヒドロキシフェニル）フェナントロリンとのモル比は２．０：１．０〜２．２：１．０の範囲内であることがより好ましい。また、使用する乾燥ジメチルスルフォキシドの量は、ブロモ基含有デンドリマー、ジ（ヒドロキシフェニル）フェナントロリン、Ｋ2ＣＯ3および１８−クラウン−６を十分に溶かせることのできる量であればよく、使用するブロモ基含有デンドリマー、ジ（ヒドロキシフェニル）フェナントロリン、Ｋ2ＣＯ3および１８−クラウン−６の量に応じて適宜変更すればよい。
【０１０７】
また、上記反応における加熱温度は、８０℃〜１２０℃の範囲内であることがより好ましい。加熱温度が８０℃未満であると反応の進行が不完全となるおそれがあるので好ましくない。また、加熱温度が１２０℃を超えると、生成物が分解するおそれがあるので好ましくない。上記の範囲内における加熱温度の下で、上記ブロモ基含有デンドリマーとジ（ヒドロキシフェニル）フェナントロリンとを効率よく反応させることができる。
【０１０８】
上記反応によって得られるデンドリマー配位子に、２価のルテニウム錯体を反応させる。２価のルテニウム錯体としては、例えば、式（１４）
（ｂｐｙ）2ＲｕＣｌ2………（１４）
｛式中、ｂｐｙは式（１３）
【０１０９】
【化５４】
【０１１０】
で表される配位子（２,２’−ビピリジル）、あるいは、一般式（１５）
【０１１１】
【化５５】
【０１１２】
（式中、Ｒは炭化水素基を示す）
で表されるルテニウム錯体が挙げられる。
【０１１３】
上記デンドリマー配位子とルテニウム錯体との反応においては、例えば、まず、上記デンドリマー配位子に、乾燥Ｎ,Ｎ’−ジメチルホルムアミドを加える。次に、これらデンドリマー配位子と乾燥Ｎ,Ｎ’−ジメチルホルムアミドとの混合物を懸濁液にする。
【０１１４】
そして、上記ルテニウム錯体に、熱乾燥テトラヒドロフランを加えることによって、ルテニウム錯体を乾燥テトラヒドロフランに溶解させる。
【０１１５】
そして、上記デンドリマー配位子の懸濁液と熱乾燥テトラヒドロフランに溶解したルテニウム錯体とを混合し、これらを加熱しながら攪拌して反応させる。このとき、上記デンドリマー配位子に対して、上記ルテニウム錯体を１．０：１．０の割合で反応させることがより好ましい。
【０１１６】
上記加熱温度は８０℃〜１２０℃の範囲内であることがより好ましい。加熱温度が８０℃未満であると、反応の進行が不完全となるおそれがある。また、加熱温度が１２０℃を超えると、生成物が分解するおそれがあり好ましくない。
【０１１７】
上記のように加熱後、ジメチルホルムアミドを減圧下で蒸留、除去後、純水を加え、ＮＨ4ＰＦ6水溶液に注ぎ、クロロホルムで抽出し、有機層を飽和食塩水で洗浄し、硫酸ナトリウムで乾燥させ、減圧下濃縮する。
【０１１８】
このようにして、一般式（１２）
【０１１９】
【化５６】
【０１２０】
｛式中、Ｄは、一般式（１０）
【０１２１】
【化５７】
【０１２２】
で表される構造を示す｝
で表される有機金属錯体を得ることができる。
【０１２３】
このように、本発明の有機金属錯体の製造方法においては、２価のルテニウム錯体を用いて有機金属錯体を製造することで、有機金属錯体自体が酸化還元反応を示す有機金属錯体を製造することができる。
【０１２４】
なお、有機金属錯体の第２の製造方法として、一般式（１）
【０１２５】
【化５８】
【０１２６】
で表される化合物を、上述したブロモ基含有デンドリマーの代わりとして、第１の製造方法と同様の反応条件で、該ブロモ基含有デンドリマーを、一般式（８）
【０１２７】
【化５９】
【０１２８】
で表される（ヒドロキシフェニル）フェナントロリンと反応させることによって、一般式（９）
【０１２９】
【化６０】
【０１３０】
｛式中、Ｄは、一般式（１１）
【０１３１】
【化６１】
【０１３２】
で表される構造を示す｝
で表されるデンドリマー配位子を合成する工程と、
さらにこのデンドリマー配位子に、式（１４）
（ｂｐｙ）2ＲｕＣｌ2………（１４）
｛式中、ｂｐｙは、式（１３）
【０１３３】
【化６２】
【０１３４】
で表される配位子（２,２’−ビピリジル）を示す｝
で表される２価のルテニウム錯体を反応させることによって、一般式（１２）
【０１３５】
【化６３】
【０１３６】
｛式中、Ｄは、一般式（１１）
【０１３７】
【化６４】
【０１３８】
で表される有機金属錯体を製造してもよい。
【０１３９】
なお、本発明の有機金属錯体は、上記ルテニウム錯体の代わりに、例えば、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）等、空気中および室温で安定な遷移金属のイオンを中心イオンとして有する有機金属錯体であってもよい。このような有機金属錯体は、ジ（ヒドロキシフェニル）フェナントロリンのＮ原子に配位可能な金属錯体を用いて製造できる。
【０１４０】
本発明においては、上記有機金属錯体を含む電荷保持材料を単電子トランジスターの電荷保持部分に用いる。上記電荷保持材料は、遷移金属からなる中心原子と、上記中心原子に配位すると共に該中心原子を周囲の環境から絶縁するデンドリマーとを有する有機金属錯体を含み、上記デンドリマーは、末端にシリコンあるいは金属に結合可能な官能基を有している。
【０１４１】
上記電荷保持材料は遷移金属からなる中心原子を有する有機金属錯体を含んでいる。そのため、上記電荷保持材料を単電子トランジスターの電荷保持部分に用いれば、中心原子の示す酸化還元反応を利用して電荷を保持することができる。また、電荷保持部分は、均一な大きさを得ることの容易な有機金属錯体を含んでいるので、これにより電荷保持部分の電荷保持能力のばらつきをなくすることができる。また、上記中心原子を異ならせて有機金属錯体の分子設計を行なうことで、電荷保持能力の制御や電荷保持部分の特性を容易に変更することができる。また、中心原子に配位すると共に該中心原子を周囲の環境から絶縁するデンドリマーとを有する有機金属錯体を含んでいるので、中心原子が周囲の環境の影響を受けることはない。その結果、中心原子の示す酸化還元反応を好適に利用することができる。さらに、上記デンドリマーが末端にシリコン、あるいは金属に結合可能な官能基を有しているので、この官能基を用いて、上記有機金属錯体を含む電荷保持材料をシリコン電極、あるいは金属電極に接続させることができる。
【０１４２】
さらに、上記遷移金属をルテニウムとすれば、ルテニウムの明確な酸化還元反応を利用した電荷保持材料とすることができる。
【０１４３】
そして本発明の単電子トランジスターは、上記電荷保持材料からなる電荷保持部分を１対のシリコン電極あるいは金属電極間に備える。このとき、有機金属錯体におけるデンドリマーが、単電子トランジスターにおけるトンネル障壁の役割を果たす。
【０１４４】
このように、単電子トランジスターは、電荷保持材料からなる電荷保持部分を有しているので、電荷保持材料の含む有機金属錯体の中心原子の示す酸化還元反応を利用して電荷を保持することのできる単電子トランジスターとすることができる。また、電荷保持能力のばらつきのない電荷保持部分を有しているので、単電子トランジスターの動作特性にばらつきは生じない。また、電荷保持材料が含む有機金属錯体の分子設計を行なうことで、様々な特性を持つ単電子トランジスターとすることができる。
【０１４５】
【実施例】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
【０１４６】
〔実施例１〕
３,５−ジヒドロキシ安息香酸２５．３ｇ（０．１５７ｍｏｌ）、１,１,１,３,３,３−ヘキサメチルジシラザン５０ｍｌ、およびトリメチルクロロシラン２ｍｌを混合させ、これら混合物を９０℃に加熱して５時間還流した。その後、上記混合物を室温まで冷却し、一晩攪拌した。
【０１４７】
次に、上記混合物にジエチルエーテル１００ｍｌを加えた。これにより、白色残留物が生じたため、該白色残留物を濾別することにより取り除いた。白色残留物を濾別することで得られた濾液を減圧下濃縮した。これによって得られた残留物にテトラヒドロフラン１００ｍｌを加え、攪拌しながらテトラヒドロフラン５０ｍｌに溶かした水素化リチウムアルミニウム７．６ｇ（０．２ｍｏｌ）を滴下した。その後、９０℃で加熱して４時間還流した。そして、室温まで冷却して一晩攪拌した。
【０１４８】
次に、塩化アンモニウム水溶液を加え、水素化リチウムアルミニウムを焼失させた。濃塩酸を弱酸性になるまで加えた。残留物を濾別することにより取り除き、テトラヒドロフラン（３００ｍｌ）で洗浄した。
【０１４９】
濾液を分液ロートに移し、飽和食塩水を加え有機層だけを抽出した。有機層を硫酸ナトリウムで乾燥させ、減圧下濃縮した。
【０１５０】
残渣をメタノール−ＣＨＣｌ3を用いた再結晶で精製して、５−ヒドロキシメチル-ベンゼン-１,３-ジオール（収量：１４．４ｇ,収率６５％）を得た。構造を以下に示す。
【０１５１】
【化６５】
【０１５２】
次に、アルゴン置換下、上記５-ヒドロキシメチル-ベンゼン-１,３-ジオールを１．６８ｇ（１２．０ｍｍｏｌ）、４-ブロモメチル-ベンゼン酸メチルエステル
【０１５３】
【化６６】
【０１５４】
を５．６０８ｇ（２４．６ｍｍｏｌ）、Ｋ2ＣＯ3を４．１５ｇ（３０．０ｍｍｏｌ）、１８−クラウン−６を０．６３４ｇ（２．４０ｍｍｏｌ）加えて、アセトンを適宜加えた。
【０１５５】
２４時間還流した後、シリカゲル薄層クロマトグラフィーによって反応終了を確認し、ＣＨ2Ｃｌ2で抽出した。有機層を水、飽和食塩水で洗浄し、硫酸ナトリウムで乾燥させ有機層を減圧下濃縮した。粗生成物をカラムクロマトグラフィー（充填剤：シリカゲル、展開溶媒：酢酸エチル/ヘキサン混合溶媒（酢酸エチル３０重量％含有）によって精製し、３,５-ビス（４’-メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメタノール（外観：白色粉末,収量：２．１１ｇ,収率４０％）を得た。構造を以下に示す。
【０１５６】
【化６７】
【０１５７】
アルゴン置換下、３,５-ビス（４’-メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメタノールを１．１０２ｇ（２．５３ｍｍｏｌ）と、トリフェニルホスフィン０．８２８ｇ（３．１６ｍｍｏｌ）を乾燥テトラヒドロフランに最小限に溶かし、ＣＢｒ4１．０５ｇ（３.０７ｍｍｏｌ）を少しずつ加えていった。
【０１５８】
室温で１５分間攪拌して、反応しきっているかを確認した。反応しきっていなければ、少しずつトリフェニルホスフィン、ＣＢｒ4を加えて完全に反応させた。ＣＨ2Ｃｌ2で抽出し、有機層を水、飽和食塩水で洗浄し、硫酸ナトリウムで乾燥させ有機層を減圧下濃縮した。粗生成物をカラムクロマトグラフィー（充填剤：シリカゲル、展開溶媒：酢酸エチル/ヘキサン混合溶媒（酢酸エチル３０重量パーセント含有）によって精製し、３,５-ビス（４’-メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメチルブロマイド（外観：白色粉末,収量：１．２２ｇ,収率：９７パーセント）を得た。構造を以下に示す。
【０１５９】
【化６８】
【０１６０】
アルゴン置換下、３,５-ビス（４’-メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメチルブロマイドを１．２０ｇ（２．４０ｍｍｏｌ）、３,８-ビス（４’-ヒドロキシフェニル）フェナントロリン
【０１６１】
【化６９】
【０１６２】
を０．４１８ｇ（１．１０ｍｍｏｌ）、Ｋ2ＣＯ3を０．３９６ｇ（２．８７ｍｍｏｌ）、１８−クラウン−６を０．０６０６ｇ（０．２２９ｍｍｏｌ）加え、乾燥ジメチルスルフォキシドに溶かした。
【０１６３】
９０℃で１８時間加熱攪拌後、減圧下濃縮することによってジメチルスルフォキシドを取り除いた。
【０１６４】
ＣＨ2Ｃｌ2で抽出し、有機層を水、飽和食塩水によって洗浄し、硫酸ナトリウムで乾燥させ、減圧下濃縮した。粗生成物をカラムクロマトグラフィー（充填剤：シリカゲル、展開溶媒：メタノール/ＣＨＣｌ3（メタノール２重量％含有））によって精製し、３,８-ビス（４’-（３”,５”-ビス（４”’-メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニル）フェナントロリン（外観：黄色粉末,収量：０．６０８ｇ,収率：４６％）を得た。構造を以下に示す。
【０１６５】
【化７０】
【０１６６】
アルゴン置換下、還流冷却管を装着した反応容器に、乾燥Ｎ,Ｎ’−ジメチルホルムアミド６ｍｌおよび３,８−ビス（４’-（３”,５”-ビス（４”’-メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニル）フェナントロリンを０．４６８ｇ（０．３９０ｍｍｏｌ）加え、６０℃に加熱した。
【０１６７】
この懸濁液に熱乾燥テトラヒドロフラン８ｍｌに溶解させたｃｉｓ−ｂｉｓ２，２’−ビピリジルジクロロルテニウム（ＩＩ）水和物０．１８９ｇ（０．３９０ｍｍｏｌ）を加え、反応混合物を１００℃にし、６６時間加熱攪拌をした。
【０１６８】
ジメチルホルムアミドを減圧下蒸留除去後、純水を加え、ＮＨ4ＰＦ6水溶液５ｍｌ（ＮＨ4ＰＦ6１０ｍｍｏｌ）に注ぎ、クロロホルムで抽出し、有機層を飽和食塩水で洗浄し、硫酸ナトリウムで乾燥させ減圧濃縮した。
【０１６９】
粗生成物をカラムクロマトグラフィー（アルミナ、ＣＨＣｌ3）によって精製し、液体クロマトグラフィーによって、３,８-ビス（４’-（３”,５”-ビス（４”’-メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニル）フェナントロリンビピリジルルテニウム（ＩＩ）（外観：赤黄色結晶,収量：０．３３９ｇ,収率：５４％）を得た。構造を以下に示す。
【０１７０】
【化７１】
【０１７１】
〔実施例２〕
実施例１と同様にして、５-ヒドロキシメチル-ベンゼン-１,３-ジオールを得た後、アルゴン置換下、５-ヒドロキシメチル-ベンゼン-１,３-ジオールを０．４９０ｇ（３．４９ｍｍｏｌ）、３,５−ビス（４’-メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメチルブロマイド）を３．６５８ｇ（７．３４ｍｍｏｌ）、Ｋ2ＣＯ3を（８．７４ｍｍｏｌ）、１８−クラウン−６を０．１８５ｇ（０．７０ｍｍｏｌ）加えて、アセトンを適宜加えた。
【０１７２】
２４時間還流した後、シリカゲル薄層クロマトグラフィーによって反応終了を確認し、ＣＨ2Ｃｌ2で抽出した。有機層を水、飽和食塩水で洗浄し、硫酸ナトリウムで乾燥させ有機層を減圧下濃縮した。粗生成物をカラムクロマトグラフィー（充填剤：シリカゲル、展開溶媒：酢酸エチル/ヘキサン（酢酸エチル３０重量％含有））によって精製し、３,５-ビス（３’,５’-ビス（４”-メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニルメタノール（外観：白色粉末,収量：１．８２ｇ,収率：５３％）を得た。構造を以下に示す。
【０１７３】
【化７２】
【０１７４】
アルゴン置換下、３,５-ビス（３’,５’-ビス（４”-メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニルメタノールを１．３６ｇ（１．４２ｍｍｏｌ）と、トリフェニルホスフィン０．４６４ｇ（１．７７ｍｍｏｌ）を乾燥テトラヒドロフランに最小限に溶かし、ＣＢｒ4０．５８０ｇ（１．７３ｍｍｏｌ）を少しずつ加えていった。
【０１７５】
室温で１５分間攪拌して、反応しきっているかを確認した。反応しきっていなければ、少しずつトリフェニルホスフィン、ＣＢｒ4を加えて完全に反応させた。ＣＨ2Ｃｌ2で抽出し、有機層を水、飽和食塩水で洗浄し、硫酸ナトリウムで乾燥させ有機層を減圧下濃縮した。粗生成物をカラムクロマトグラフィー（充填剤：シリカゲル、展開溶媒：酢酸エチル/ヘキサン（酢酸エチル４０重量％含有）によって精製し、３,５-ビス（３’,５’ビス（４”-メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニルメチルブロマイド（外観：白色粉末,収量：１４．６ｇ,収率９９％）を得た。構造を以下に示す。
【０１７６】
【化７３】
【０１７７】
アルゴン置換下、３，５−ビス（３’，５’ビス（４”−メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニルメチルブロマイドを０．１５５ｇ（０．１４９ｍｍｏｌ）、３，８−ビス（４’−ヒドロキシフェニル）フェナントロリンを０．０２０ｇ（０．０５５ｍｍｏｌ）、Ｋ２ＣＯ３を０．０５１７ｇ（０．３７ｍｍｏｌ）、１８−クラウン−６を０．０１０ｇ（０．０３８ｍｍｏｌ）加え、乾燥ジメチルスルフォキシドに溶かした。
【０１７８】
９０℃で１８時間加熱攪拌後、減圧下濃縮することによってジメチルスルフォキシドを取り除いた。
【０１７９】
ＣＨ２Ｃｌ２で抽出し、有機層を水、飽和食塩水によって洗浄し、硫酸ナトリウムで乾燥させ、減圧下濃縮した。粗生成物をカラムクロマトグラフィー（充填剤：アルミナ、展開溶媒：メタノール／ＣＨＣｌ３（メタノール２重量％含有）によって精製し、３，８−ビス（４’（３”，５”−ビス（３”’，５”’−ビス（４””−メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニル）フェナントロリン（外観：黄色粉末，収量：０．０３８９ｇ，収率：３１％）を得た。
【０１８０】
アルゴン置換下、還流冷却管を装着した反応容器に、乾燥ジエチルフォルムアミド６ｍｌおよび３，８−ビス（４’（３”，５”−ビス（３”’，５”’−ビス（４””−メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニル）フェナントロリンを０．１１２ｇ（０．０４９ｍｍｏｌ）加え、６０℃に加熱した。
【０１８１】
この懸濁液に熱乾燥テトラヒドロフラン８ｍｌに溶解させたｃｉｓ−ｂｉｓ２，２’−ビピリジルジクロロルテニウム（ＩＩ）水和物０．０２３７ｇ（０．０４９ｍｍｏｌ）を加え、反応混合物を１００℃にし、６６時間加熱攪拌をした。
【０１８２】
ジメチルホルムアミドを減圧下蒸留除去後、純水を加え、ＮＨ4ＰＦ6水溶液（ＮＨ4ＰＦ6１０ｍｍｏｌ）に注ぎ、クロロホルムで抽出し、有機層を飽和食塩水で洗浄し、硫酸ナトリウムで乾燥させ減圧下濃縮した。
【０１８３】
粗生成物をカラムクロマトグラフィー（アルミナ、ＣＨＣｌ3）によって精製し、３,８-ビス（４’（３”,５”-ビス（３”’,５”’-ビス（４””-メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニル）フェナントロリンビピリジルルテニウム（ＩＩ）（外観：赤色結晶,収量：０．０５８４ｇ,収率４４％）を得た。構造を以下に示す。
【０１８４】
【化７４】
【０１８５】
〔実施例３〕
以下に、実施例１によって得た３,８-ビス（４’-（３”,５”-ビス（４”’-メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニル）フェナントロリンビピリジルルテニウム（ＩＩ）あるいは実施例２によって得た３,８−ビス（４’（３”,５”-ビス（３”’,５”’-ビス（４””-メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニル）フェナントロリンビピリジルルテニウム（ＩＩ）をナノギャップ電極（ナノメーターオーダの間隔で配置された１対の電極）に取り付け、単電子トランジスターとする方法について、以下に説明する。
【０１８６】
上記の方法によって合成した分子３,８-ビス（４’-（３”,５”-ビス（４”’−メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニル）フェナントロリンビピリジルルテニウム（ＩＩ）あるいは３,８-ビス（４’（３”,５”-ビス（３”’,５”’-ビス（４””-メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニル）フェナントロリンビピリジルルテニウム（ＩＩ）をエチレングリコール溶液とし、水酸化カリウムを加えて加熱することで加水分解し、表面のメトキシカルボニル基をカルボキシル基に変換した。
【０１８７】
この溶液を水で希釈し、希塩酸で中和した。生じた沈殿を濾過して真空中で８０℃程度に加熱することで乾燥し、本発明に係る有機金属錯体として、有機金属錯体分子３,８-ビス（４’-（３”,５”-ビス（４”’-メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニル）フェナントロリンビピリジルルテニウム（ＩＩ）あるいは３,８-ビス（４’（３”,５”-ビス（３”’,５”’-ビス（４””-メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニル）フェナントロリンビピリジルルテニウム（ＩＩ）表面のメトキシカルボニル基がカルボキシル基に変換された有機金属錯体を得た。
【０１８８】
この分子表面のメトキシカルボニル基がカルボキシル基に変換された化合物をアセトンに溶かし、およそ１ｍｍｏｌ／ｌの溶液とした。この溶液をメンブレンフィルターに通して、不要の微粒子を取り除き、電荷保持部分に用いる溶液（電荷保持材料）を得た。
【０１８９】
ドープしたシリコンからなるナノギャップ電極を、１００Ｗの酸素プラズマで５分間処理して、表面の有機物を取り除いた。
【０１９０】
このナノギャップ電極を、上記の溶液（電荷保持材料）に、約２時間程度浸透することで、上記の溶液をナノギャップ電極に吸着させた。
【０１９１】
このようにして、有機金属錯体分子３,８-ビス（４’-（３”,５”-ビス（４”’−メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニル）フェナントロリンビピリジルルテニウム（ＩＩ）あるいは、３,８-ビス（４’（３”,５”-ビス（３”’,５”’-ビス（４””-メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニル）フェナントロリンビピリジルルテニウム（ＩＩ）表面のメトキシカルボニル基がカルボキシル基に変換された有機金属錯体（電荷保持材料）を電荷保持部分とした単電子トランジスターを得た。
【０１９２】
【発明の効果】
本発明の有機金属錯体は、以上のように、中心に酸化還元（レドックス）反応を示す遷移金属であるルテニウム（Ｒｕ）を有する構成である。
【０１９３】
それゆえ、上記有機金属錯体自体が酸化還元反応を示すことができるという効果を奏する。
【０１９４】
本発明の有機金属錯体の製造方法は、以上のように、２価のルテニウム錯体を用いて有機金属錯体を製造する構成である。
【０１９５】
それゆえ、有機金属錯体自体が酸化還元反応を示す有機金属錯体を製造することができるという効果を奏する。
【０１９６】
本発明では、さらに、上記有機金属錯体を含む電荷保持部分を単電子トランジスターの電荷保持部分に用いる構成である。より具体的には、上記電荷保持材料は、遷移金属からなる中心原子と、上記中心原子に配位すると共に該中心原子を周囲の環境から絶縁するデンドリマーを有する有機金属錯体を含み、上記デンドリマーは、末端にシリコンあるいは金属に結合可能な官能基を有する構成である。
【０１９７】
それゆえ、上記電荷保持材料を単電子トランジスターの電荷保持部分とすれば、中心原子の示す酸化還元反応を利用して電荷を保持することができる。また、電荷保持部分は、均一な大きさを得ることの容易な有機金属錯体を含んでいるので、これにより電荷保持部分の電荷保持能力のばらつきをなくすることができる。また、上記中心原子を異ならせて有機金属錯体の分子設計を行なうことで、電荷保持能力の制御や電荷保持部分の特性を容易に変更することができる。また、中心原子に配位すると共に該中心原子を周囲の環境から絶縁するデンドリマーとを有する有機金属錯体を含んでいるので、中心原子が周囲の環境の影響を受けることはない。その結果、中心原子の示す酸化還元反応を好適に利用することができる。さらに、上記デンドリマーが末端にシリコンあるいは金属に結合可能な官能基を有しているので、この官能基を用いて、上記有機金属錯体を含む電荷保持材料をシリコン電極あるいは金属電極に接続させることができるという効果を奏する。
【０１９８】
そしてさらに、上記遷移金属はルテニウムである構成である。
【０１９９】
それゆえ、ルテニウムは明確な酸化還元反応を示すので、該ルテニウムの示す明確な酸化還元反応を利用した電荷保持材料とすることができるという効果を奏する。
【０２００】
本発明の単電子トランジスターは、以上のように、上記電荷保持材料からなる電荷保持部分を、１対のシリコン電極あるいは金属電極間に備える構成である。
【０２０１】
それゆえ、単電子トランジスターは、電荷保持材料からなる電荷保持部分を有しているので、電荷保持材料の含む有機金属錯体の中心原子の示す酸化還元反応を利用して電荷を保持することのできる単電子トランジスターとすることができる。また、電荷保持能力のばらつきのない電荷保持部分を有しているので、単電子トランジスターの動作特性にばらつきは生じない。また、電荷保持材料が含む有機金属錯体の分子設計を行なうことで、様々な特性を持つ単電子トランジスターとすることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】単電子トランジスターの概略的構造を示す図である。
【符号の説明】
１０ 単電子トランジスター
２０ ソース電極
３０ ドレイン電極
４０ シリコン微粒子
５０ａ トンネル障壁
５０ｂ トンネル障壁
６０ ゲート電極
【発明の属する技術分野】
本発明は有機金属錯体およびその製造方法、ならびに上記有機金属錯体を含む電荷保持材料であって、単電子トランジスターの電荷保持部分に用いられる電荷保持材料、そしてこの電荷保持材料からなる電荷保持部分を１対のシリコン電極間あるいは金属電極間に備える単電子トランジスターに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のトランジスターでは、ゲート電極に何万個という電子を注入し、ソース電極とドレイン電極との間を流れる電子の流れを制御して電気的な切換動作を行っているために、消費電力が莫大になってしまうといった問題があった。
【０００３】
そこで近年では、従来のトランジスターに代わって、ソース電極とドレイン電極との間を流れる電子１つ１つを制御することが可能な、単電子トランジスターが注目されている。
【０００４】
図１に示すのは、単電子トランジスターの概略的構成である。同図に示すように、単電子トランジスター１０は、電荷保持部分（電荷プール）となるナノメートルサイズのシリコン微粒子（シリコンアイランド）４０が、２個のトンネル障壁５０ａ・５０ｂを挟んで、シリコン、あるいは金属からなるソース電極２０およびドレイン電極３０に接続されて構成されている。
【０００５】
ここで、電子が電荷素量ｅを有する粒子であるとする。シリコン微粒子４０に存在する伝導電子の数は原理的に整数に限られているため、トンネル障壁５０ａ・５０ｂを介して、電子１個が容量（Ｃ）を有するシリコン微粒子４０に出入りするごとに、シリコン微粒子４０のポテンシャルは（ｅ/２Ｃ）だけ増加する。このため、シリコン微粒子４０の電子の状態密度が連続であったとしても、電子数の変化に対してトンネルが禁制されるエネルギー帯（クーロンギャップ）が生じる。
【０００６】
これにより、ソース電極２０およびドレイン電極３０におけるフェルミ準位がこのクーロンギャップ内にあると、電子はシリコン微粒子４０に出入りすることができず電流は流れない。このような現象をクーロンブロッケードという。
【０００７】
しかしながら、シリコン微粒子４０に静電容量結合したゲート電極６０によって誘導電荷を変化させると、上述したクーロンギャップをシフトさせることができ、上述したクーロンギャップ端にフェルミ準位がきた時に、電流が流れるようになる。
【０００８】
したがって、ゲート電極６０に印加する電圧を増加させると、過剰な電子１個がシリコン微粒子４０に出入りすることができ、これにより電流が流れるようになる。そしてさらに電圧を増加させれば、過剰な電子が２個まで入れるようになり、さらに電流は増加する。
【０００９】
このように、単電子トランジスター１０では、ゲード電極６０に印加する電圧を変化させることで、シリコン微粒子４０に出入りできる電子の数を１個１個変化させることで電流を調整することができ、これによって超低消費電力のトランジスターを実現することができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したようにシリコン微粒子４０を単電子トランジスター１０の電荷保持部分として用いると、次のような問題が生じる。
（Ｉ）シリコン微粒子は、完全に均一な粒径のものを得ることが困難であるため、これにより電荷保持部分の電荷保持能力にばらつきが生じる。その結果、単電子トランジスターの動作特性にもばらつきが生じる。
（ＩＩ）シリコンという無機物質を用いているため、シリコン微粒子の粒子径だけで電荷保持部分の電荷保持能力が決まってしまう。したがって、単電子トランジスターの特性を制御することが困難である。
【００１１】
また、文献Tohru Kubota et al., Thin Solid Films 393 (2001) 379-382 には、デンドリックポリマー（デンドリマー）を有する有機分子を、単電子トランジスターにおけるシリコン微粒子の代わりとして用いることが開示されている。
【００１２】
しかしながら、上記文献の場合、有機分子は、単なる微粒子として電荷を保持しているだけであるため、電荷保持能力が低く、また、酸化還元（レドックス）反応を起こさないので、電荷保持能力の制御を行うことはできない。
【００１３】
本発明の目的は、単電子トランジスターの電荷保持部分に用いられる電荷保持材料であって、均一かつ十分な電荷保持能力を持ち、かつ、特性の異なる複数種類の電荷保持部分を容易に作り分けることが可能な電荷保持材料、およびこの電荷保持材料を用いた単電子トランジスター、並びに、上記電荷保持材料に適した新規な有機金属錯体およびその製造方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の発明者は、有機金属錯体を単電子トランジスターにおけるシリコン微粒子の代わりとして用いることで、電荷保持部分の電荷保持能力のばらつきをなくし、単に電荷を保持するだけでなく、有機金属錯体の分子設計により、電荷保持能力の制御や電荷保持部分の特性を容易に変更できることを発案した。
【００１５】
本発明では、まず単電子トランジスターにおけるシリコン微粒子の代わりとして用いることのできる新規な有機金属錯体を提供する。この新規な有機金属錯体とは、具体的には、
一般式（１２）
【００１６】
【化２２】
｛式中、Ｄは一般式（１０）
【００１８】
【化２３】
（式中、Ｒは−ＣＯＯＲ1基、−Ｓｉ（ＯＲ2）3基、−ＮＨＲ3基、メルカプト基を末端に有するアルカン基、あるいはメルカプト基を末端に有するアルケン基、あるいはジスルフィド基を末端に有するアルカン基、あるいはジスルフィド基を末端に有するアルケン基を示し、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3はそれぞれ炭化水素基を示す）または一般式（１１）
【００２０】
【化２４】
（式中、Ｒは−ＣＯＯＲ1基、−Ｓｉ（ＯＲ2）3基、−ＮＨＲ3基、メルカプト基を末端に有するアルカン基、あるいはメルカプト基を末端に有するアルケン基、あるいはジスルフィド基を末端に有するアルカン基、あるいはジスルフィド基を末端に有するアルケン基を示し、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3はそれぞれ炭化水素基を示す）
で表される構造を示し、ｂｐｙは、式（１３）
【００２２】
【化２５】
で表される配位子（２,２’−ビピリジル）を示す｝
で表されることを特徴とする有機金属錯体である。
【００２４】
上記の構成によれば、上記有機金属錯体は、中心に酸化還元反応を示す遷移金属であるルテニウム（Ｒｕ）を有している。これにより、上記有機金属錯体自体が酸化還元反応を示すことができる。
【００２５】
また、本発明では、上記の新規な有機金属錯体の製造方法を提供する。この新規な有機金属錯体の製造方法とは、具体的には、
一般式（１）
【００２６】
【化２６】
（式中、Ｒは−ＣＯＯＲ1基を示し、Ｒ1は炭化水素基を示す）
で表される化合物を、一般式（８）
【００２８】
【化２７】
で表されるジ（ヒドロキシフェニル）フェナントロリンと反応させることによって、一般式（９）
【００３０】
【化２８】
｛式中、Ｄは一般式（１１）
【００３２】
【化２９】
（式中、Ｒは−ＣＯＯＲ1基を示し、Ｒ1は炭化水素基を示す）｝
で表されるデンドリマー配位子を合成する工程と、
さらにこのデンドリマー配位子に、式（１４）
（ｂｐｙ）2ＲｕＣｌ2………（１４）
｛式中、ｂｐｙは、式（１３）
【００３４】
【化３０】
で表される配位子（２,２’−ビピリジル）を示す｝
で表される２価のルテニウム錯体を反応させることによって、一般式（１２）
【００３６】
【化３１】
｛式中、Ｒは−ＣＯＯＲ1基を示し、Ｒ1は炭化水素基を示し、Ｄは、一般式（１１）
【００３８】
【化３２】
（式中、Ｒは−ＣＯＯＲ1基を示し、Ｒ1は炭化水素基を示す）｝
で表される有機金属錯体を製造する工程と、
上記有機金属錯体におけるＲで表される置換基を加水分解する工程とを含むことを特徴としている。
【００４０】
あるいはまた、新規な有機金属錯体のさらに他の製造方法とは、具体的には、一般式（１）
【００４１】
【化３３】
（式中、Ｒは−ＣＯＯＲ1基を示し、Ｒ1は炭化水素基を示す）
で表される化合物と、
式（３）
【００４３】
【化３４】
で表されるトリオールとを反応させることによって、一般式（４）
【００４５】
【化３５】
（式中、Ｒは−ＣＯＯＲ1基を示し、Ｒ1は炭化水素基を示す）
で表されるデンドリマーを合成するデンドリマー合成工程と、
上記デンドリマーの末端に位置するＯＨ基をＢｒ基に置換することによって、一般式（６）
【００４７】
【化３６】
（式中、Ｒは−ＣＯＯＲ1基を示し、Ｒ1は炭化水素基を示す）
で表されるブロモ基含有デンドリマーを得る工程と、
上記ブロモ基含有デンドリマーを、一般式（８）
【００４９】
【化３７】
で表されるジ（ヒドロキシフェニル）フェナントロリンと反応させることによって、一般式（９）
【００５１】
【化３８】
｛式中、Ｒは−ＣＯＯＲ1基を示し、Ｒ1は炭化水素基を示し、Ｄは、一般式（１０）
【００５３】
【化３９】
で表される構造を示す｝
で表されるデンドリマー配位子を合成する工程と、
さらにこのデンドリマー配位子に、式（１４）
（ｂｐｙ）2ＲｕＣｌ2………（１４）
｛式中、ｂｐｙは、式（１３）
【００５５】
【化４０】
で表される配位子（２,２’−ビピリジル）を示す｝
で表される２価のルテニウム錯体を反応させることによって、一般式（１２）
【００５７】
【化４１】
｛式中、Ｒは−ＣＯＯＲ1基を示し、Ｒ1は炭化水素基を示し、Ｄは、一般式（１０）
【００５９】
【化４２】
（式中、Ｒは−ＣＯＯＲ1基を示し、Ｒ1は炭化水素基を示す）
で表される構造を示す｝
で表される有機金属錯体を製造する工程と、
上記有機金属錯体におけるＲで表される置換基を加水分解する工程とを含むことを特徴としている。
【００６１】
上記の構成によれば、２価のルテニウム錯体を用いて有機金属錯体を製造することで、有機金属錯体自体が酸化還元反応を示す有機金属錯体を製造することができる。
【００６２】
さらに本発明に係る単電子トランジスターの電荷保持部分に用いられる電荷保持材料は、上記の新規な有機金属錯体を含むことを特徴としている。
【００６３】
また、本発明に係る単電子トランジスターの電荷保持部分に用いられる電荷保持材料は、遷移金属からなる中心原子と、上記中心原子に配位すると共に該中心原子を周囲の環境から絶縁するデンドリマーとを有する有機金属錯体を含み、上記デンドリマーは、末端にシリコンあるいは金属に結合可能な官能基を有することを特徴としている。
【００６４】
上記各構成によれば、電荷保持材料は遷移金属からなる中心原子を有する有機金属錯体を含んでいる。そのため、上記電荷保持材料を単電子トランジスターの電荷保持部分とすれば、中心原子の示す酸化還元反応を利用して充分な電荷を保持することができる。
【００６５】
また、電荷保持部分は、均一な大きさを得ることの容易な有機金属錯体を含んでいるので、これにより電荷保持部分の電荷保持能力のばらつきをなくすることができる。
【００６６】
また、上記中心原子を異ならせて有機金属錯体の分子設計を行なうことで、電荷保持能力の制御や電荷保持部分の特性を容易に変更することができる。
【００６７】
また、中心原子に配位すると共に該中心原子を周囲の環境から絶縁するデンドリマーとを有する有機金属錯体を含んでいるので、中心原子が周囲の環境の影響を受けることはない。その結果、中心原子の示す酸化還元反応を好適に利用することができる。
【００６８】
さらに、上記デンドリマーが末端にシリコン、あるいは金属に結合可能な官能基を有しているので、この官能基を用いて、上記有機金属錯体を含む電荷保持材料をシリコン電極、あるいは金属電極に接続させることができる。
【００６９】
本発明においては、さらに上記遷移金属はルテニウムであることを特徴としている。
【００７０】
上記の構成によれば、ルテニウムは明確な酸化還元反応を示すので、該ルテニウムの示す明確な酸化還元反応を利用した電荷保持材料とすることができる。
【００７１】
本発明の単電子トランジスターは、上記電荷保持材料からなる電荷保持部分を、１対のシリコン電極あるいは金属電極間に備えることを特徴としている。
【００７２】
上記の構成によれば、単電子トランジスターは、電荷保持材料からなる電荷保持部分を有しているので、電荷保持材料の含む有機金属錯体の中心原子の示す酸化還元反応を利用して電荷を保持することのできる単電子トランジスターとすることができる。また、電荷保持能力のばらつきのない電荷保持部分を有しているので、単電子トランジスターの動作特性にばらつきは生じない。また、電荷保持材料が含む有機金属錯体の分子設計を行なうことで、様々な特性を持つ単電子トランジスターとすることができる。
【００７３】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる新規な有機金属錯体は、一般式（１２）
【００７４】
【化４３】
｛式中、Ｄは一般式（１０）
【００７６】
【化４４】
（式中、Ｒは−ＣＯＯＲ1基、−Ｓｉ（ＯＲ2）3基、−ＮＨＲ3基、メルカプト基を末端に有するアルカン基、あるいはメルカプト基を末端に有するアルケン基、あるいはジスルフィド基を末端に有するアルカン基、あるいはジスルフィド基を末端に有するアルケン基を示し、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3はそれぞれ炭化水素基を示す）または、一般式（１１）
【００７８】
【化４５】
（式中、Ｒは−ＣＯＯＲ1基、−Ｓｉ（ＯＲ2）3基、−ＮＨＲ3基、メルカプト基を末端に有するアルカン基、あるいはメルカプト基を末端に有するアルケン基、あるいはジスルフィド基を末端に有するアルカン基、あるいはジスルフィド基を末端に有するアルケン基を示し、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3はそれぞれ炭化水素基を示す）で表される構造を示し、ｂｐｙは、式（１３）
【００８０】
【化４６】
で表される配位子（２,２’−ビピリジル）を示す｝
で表される有機金属錯体である。
【００８２】
上記有機金属錯体は、中心に酸化還元反応を示す遷移金属であるルテニウム（Ｒｕ）を有している。これにより、上記有機金属錯体自体が酸化還元反応を示すことができる。
【００８３】
上記有機金属錯体の第１の製造方法は、最初に、一般式（１）
【００８４】
【化４７】
で表される化合物と、
式（３）
【００８６】
【化４８】
で表されるトリオールとを反応させることによって、デンドリマーを合成するデンドリマー合成工程を有するものである。
【００８８】
上記化合物（１）におけるＲは−ＣＯＯＲ1基、−Ｓｉ（ＯＲ2）3基、−ＮＨＲ3基、メルカプト基を末端に有するアルカン基、あるいはメルカプト基を末端に有するアルキン基、あるいはジスルフィド基を末端に有するアルカン基、あるいはジスルフィド基を末端に有するアルケン基を示し、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3はそれぞれ炭化水素基を示す。−ＣＯＯＲ1基は、加水分解によって−ＣＯＯＨ基に変換できるものであればよい。上記Ｒ1の炭化水素基とは、直鎖状、枝分かれ状、あるいは環状のアルキル基であり、具体的には、たとえば、メチル基（−ＣＨ3）、ｔ−ブチル基、ベンジル基（−ＣＨ2Ｃ6Ｈ5）等が挙げられる。
【００８９】
また、上記−Ｓｉ（ＯＲ2）3基におけるＲ2の炭化水素基とは、直鎖状、枝分かれ状、あるいは環状のアルキル基であり、具体的には、例えば、メチル基（−ＣＨ3）、ｔ−ブチル基、ベンジル基（−ＣＨ2Ｃ6Ｈ5）等が挙げられる。また、上記−ＮＨＲ3基におけるＲ3の炭化水素基とは、直鎖状、枝分かれ状、あるいは環状のアルキル基であり、具体的には、例えば、メチル基（−ＣＨ3）、ｔ−ブチル基、ベンジル基（−ＣＨ2Ｃ6Ｈ5）等が挙げられる。
【００９０】
上記トリオールは、３,５−ジヒドロキシ安息香酸を還元剤、例えば、水素化リチウムアルミニウムで還元することで得られる。
【００９１】
上記化合物（１）とトリオールとの反応においては、さらに、炭酸カリウム（Ｋ2ＣＯ3）および１８−クラウン−６を用いるとよい。具体的には、例えば、化合物（１）、炭酸カリウムおよび１８−クラウン−６の混合物にアセトンを適量加えて還流し、化合物（１）とトリオールとを反応させる。還流終了後、反応液を塩化メチレン（ＣＨ2Ｃｌ2）で抽出し、有機層を水、飽和食塩水で洗浄し、硫酸ナトリウムで乾燥させ、有機層を減圧下濃縮し、精製する。これによって、一般式（４）
【００９２】
【化４９】
で表されるデンドリマーを得ることができる。
【００９４】
上記反応において、化合物（１）と、トリオールとのモル比は、２．０：１．０〜２．２：１．０の範囲内であることがより好ましい。上記範囲内とすることで、副生する不純物が少なくなり、得られるデンドリマーの収率を高くすることができる。
【００９５】
次に、臭化剤、例えば四臭化炭素（ＣＢｒ4）を用いて、デンドリマーの末端に位置するＯＨ基をＢｒ基に置換する。例えば、デンドリマーを乾燥テトラヒドロフランに溶かし、さらにデンドリマーにトリフェニルホスフィン、四臭化炭素を加えて反応させ、デンドリマーの末端に位置するＯＨ基をＢｒ基に置換する。反応終了後、反応生成物をＣＨ2Ｃｌ2で抽出する。抽出された有機層を水、飽和食塩水で洗浄し、硫酸ナトリウムで乾燥させ、減圧下濃縮する。これによって、一般式(６)
【００９６】
【化５０】
で表されるブロモ基含有デンドリマーを得る。
【００９８】
上記反応において、使用するデンドリマーとＣＢｒ4とのモル比は、１．０：１．２〜１．０：１．５の範囲内であることがより好ましい。また、上記反応において、使用する乾燥テトラヒドロフランの量は、上記デンドリマーとトリフェニルホスフィンとを溶かすことのできる最小限の量を使用することが好ましい。
【００９９】
次に、上記のようにして得られたブロモ基含有デンドリマーと、一般式（８）
【０１００】
【化５１】
で表されるジ（ヒドロキシフェニル）フェナントロリンとを反応させる。上記ブロモ基含有デンドリマーとジ（ヒドロキシフェニル）フェナントロリンとの反応においては、さらに、Ｋ2ＣＯ3および１８−クラウン−６を用いることが好ましい。具体的には、これらブロモ基含有デンドリマー、ジ（ヒドロキシフェニル）フェナントロリン、Ｋ2ＣＯ3および１８−クラウン−６の混合物を乾燥ジメチルスルフォキシドに溶かして加熱して反応させる。反応終了後、反応液をＣＨ2Ｃｌ2で抽出し、有機層を水、飽和食塩水で洗浄し、硫酸ナトリウムで乾燥させ、有機層を減圧下濃縮し、精製する。これによって、一般式（９）
【０１０２】
【化５２】
｛式中、Ｄは、一般式（１０）
【０１０４】
【化５３】
で表される構造を示す｝
で表されるデンドリマー配位子を得ることができる。
【０１０６】
上記の反応において、使用するブロモ基含有デンドリマーとジ（ヒドロキシフェニル）フェナントロリンとのモル比は２．０：１．０〜２．２：１．０の範囲内であることがより好ましい。また、使用する乾燥ジメチルスルフォキシドの量は、ブロモ基含有デンドリマー、ジ（ヒドロキシフェニル）フェナントロリン、Ｋ2ＣＯ3および１８−クラウン−６を十分に溶かせることのできる量であればよく、使用するブロモ基含有デンドリマー、ジ（ヒドロキシフェニル）フェナントロリン、Ｋ2ＣＯ3および１８−クラウン−６の量に応じて適宜変更すればよい。
【０１０７】
また、上記反応における加熱温度は、８０℃〜１２０℃の範囲内であることがより好ましい。加熱温度が８０℃未満であると反応の進行が不完全となるおそれがあるので好ましくない。また、加熱温度が１２０℃を超えると、生成物が分解するおそれがあるので好ましくない。上記の範囲内における加熱温度の下で、上記ブロモ基含有デンドリマーとジ（ヒドロキシフェニル）フェナントロリンとを効率よく反応させることができる。
【０１０８】
上記反応によって得られるデンドリマー配位子に、２価のルテニウム錯体を反応させる。２価のルテニウム錯体としては、例えば、式（１４）
（ｂｐｙ）2ＲｕＣｌ2………（１４）
｛式中、ｂｐｙは式（１３）
【０１０９】
【化５４】
で表される配位子（２,２’−ビピリジル）、あるいは、一般式（１５）
【０１１１】
【化５５】
（式中、Ｒは炭化水素基を示す）
で表されるルテニウム錯体が挙げられる。
【０１１３】
上記デンドリマー配位子とルテニウム錯体との反応においては、例えば、まず、上記デンドリマー配位子に、乾燥Ｎ,Ｎ’−ジメチルホルムアミドを加える。次に、これらデンドリマー配位子と乾燥Ｎ,Ｎ’−ジメチルホルムアミドとの混合物を懸濁液にする。
【０１１４】
そして、上記ルテニウム錯体に、熱乾燥テトラヒドロフランを加えることによって、ルテニウム錯体を乾燥テトラヒドロフランに溶解させる。
【０１１５】
そして、上記デンドリマー配位子の懸濁液と熱乾燥テトラヒドロフランに溶解したルテニウム錯体とを混合し、これらを加熱しながら攪拌して反応させる。このとき、上記デンドリマー配位子に対して、上記ルテニウム錯体を１．０：１．０の割合で反応させることがより好ましい。
【０１１６】
上記加熱温度は８０℃〜１２０℃の範囲内であることがより好ましい。加熱温度が８０℃未満であると、反応の進行が不完全となるおそれがある。また、加熱温度が１２０℃を超えると、生成物が分解するおそれがあり好ましくない。
【０１１７】
上記のように加熱後、ジメチルホルムアミドを減圧下で蒸留、除去後、純水を加え、ＮＨ4ＰＦ6水溶液に注ぎ、クロロホルムで抽出し、有機層を飽和食塩水で洗浄し、硫酸ナトリウムで乾燥させ、減圧下濃縮する。
【０１１８】
このようにして、一般式（１２）
【０１１９】
【化５６】
｛式中、Ｄは、一般式（１０）
【０１２１】
【化５７】
で表される構造を示す｝
で表される有機金属錯体を得ることができる。
【０１２３】
このように、本発明の有機金属錯体の製造方法においては、２価のルテニウム錯体を用いて有機金属錯体を製造することで、有機金属錯体自体が酸化還元反応を示す有機金属錯体を製造することができる。
【０１２４】
なお、有機金属錯体の第２の製造方法として、一般式（１）
【０１２５】
【化５８】
で表される化合物を、上述したブロモ基含有デンドリマーの代わりとして、第１の製造方法と同様の反応条件で、該ブロモ基含有デンドリマーを、一般式（８）
【０１２７】
【化５９】
で表される（ヒドロキシフェニル）フェナントロリンと反応させることによって、一般式（９）
【０１２９】
【化６０】
｛式中、Ｄは、一般式（１１）
【０１３１】
【化６１】
で表される構造を示す｝
で表されるデンドリマー配位子を合成する工程と、
さらにこのデンドリマー配位子に、式（１４）
（ｂｐｙ）2ＲｕＣｌ2………（１４）
｛式中、ｂｐｙは、式（１３）
【０１３３】
【化６２】
で表される配位子（２,２’−ビピリジル）を示す｝
で表される２価のルテニウム錯体を反応させることによって、一般式（１２）
【０１３５】
【化６３】
｛式中、Ｄは、一般式（１１）
【０１３７】
【化６４】
で表される有機金属錯体を製造してもよい。
【０１３９】
なお、本発明の有機金属錯体は、上記ルテニウム錯体の代わりに、例えば、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）等、空気中および室温で安定な遷移金属のイオンを中心イオンとして有する有機金属錯体であってもよい。このような有機金属錯体は、ジ（ヒドロキシフェニル）フェナントロリンのＮ原子に配位可能な金属錯体を用いて製造できる。
【０１４０】
本発明においては、上記有機金属錯体を含む電荷保持材料を単電子トランジスターの電荷保持部分に用いる。上記電荷保持材料は、遷移金属からなる中心原子と、上記中心原子に配位すると共に該中心原子を周囲の環境から絶縁するデンドリマーとを有する有機金属錯体を含み、上記デンドリマーは、末端にシリコンあるいは金属に結合可能な官能基を有している。
【０１４１】
上記電荷保持材料は遷移金属からなる中心原子を有する有機金属錯体を含んでいる。そのため、上記電荷保持材料を単電子トランジスターの電荷保持部分に用いれば、中心原子の示す酸化還元反応を利用して電荷を保持することができる。また、電荷保持部分は、均一な大きさを得ることの容易な有機金属錯体を含んでいるので、これにより電荷保持部分の電荷保持能力のばらつきをなくすることができる。また、上記中心原子を異ならせて有機金属錯体の分子設計を行なうことで、電荷保持能力の制御や電荷保持部分の特性を容易に変更することができる。また、中心原子に配位すると共に該中心原子を周囲の環境から絶縁するデンドリマーとを有する有機金属錯体を含んでいるので、中心原子が周囲の環境の影響を受けることはない。その結果、中心原子の示す酸化還元反応を好適に利用することができる。さらに、上記デンドリマーが末端にシリコン、あるいは金属に結合可能な官能基を有しているので、この官能基を用いて、上記有機金属錯体を含む電荷保持材料をシリコン電極、あるいは金属電極に接続させることができる。
【０１４２】
さらに、上記遷移金属をルテニウムとすれば、ルテニウムの明確な酸化還元反応を利用した電荷保持材料とすることができる。
【０１４３】
そして本発明の単電子トランジスターは、上記電荷保持材料からなる電荷保持部分を１対のシリコン電極あるいは金属電極間に備える。このとき、有機金属錯体におけるデンドリマーが、単電子トランジスターにおけるトンネル障壁の役割を果たす。
【０１４４】
このように、単電子トランジスターは、電荷保持材料からなる電荷保持部分を有しているので、電荷保持材料の含む有機金属錯体の中心原子の示す酸化還元反応を利用して電荷を保持することのできる単電子トランジスターとすることができる。また、電荷保持能力のばらつきのない電荷保持部分を有しているので、単電子トランジスターの動作特性にばらつきは生じない。また、電荷保持材料が含む有機金属錯体の分子設計を行なうことで、様々な特性を持つ単電子トランジスターとすることができる。
【０１４５】
【実施例】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
【０１４６】
〔実施例１〕
３,５−ジヒドロキシ安息香酸２５．３ｇ（０．１５７ｍｏｌ）、１,１,１,３,３,３−ヘキサメチルジシラザン５０ｍｌ、およびトリメチルクロロシラン２ｍｌを混合させ、これら混合物を９０℃に加熱して５時間還流した。その後、上記混合物を室温まで冷却し、一晩攪拌した。
【０１４７】
次に、上記混合物にジエチルエーテル１００ｍｌを加えた。これにより、白色残留物が生じたため、該白色残留物を濾別することにより取り除いた。白色残留物を濾別することで得られた濾液を減圧下濃縮した。これによって得られた残留物にテトラヒドロフラン１００ｍｌを加え、攪拌しながらテトラヒドロフラン５０ｍｌに溶かした水素化リチウムアルミニウム７．６ｇ（０．２ｍｏｌ）を滴下した。その後、９０℃で加熱して４時間還流した。そして、室温まで冷却して一晩攪拌した。
【０１４８】
次に、塩化アンモニウム水溶液を加え、水素化リチウムアルミニウムを焼失させた。濃塩酸を弱酸性になるまで加えた。残留物を濾別することにより取り除き、テトラヒドロフラン（３００ｍｌ）で洗浄した。
【０１４９】
濾液を分液ロートに移し、飽和食塩水を加え有機層だけを抽出した。有機層を硫酸ナトリウムで乾燥させ、減圧下濃縮した。
【０１５０】
残渣をメタノール−ＣＨＣｌ3を用いた再結晶で精製して、５−ヒドロキシメチル-ベンゼン-１,３-ジオール（収量：１４．４ｇ,収率６５％）を得た。構造を以下に示す。
【０１５１】
【化６５】
次に、アルゴン置換下、上記５-ヒドロキシメチル-ベンゼン-１,３-ジオールを１．６８ｇ（１２．０ｍｍｏｌ）、４-ブロモメチル-ベンゼン酸メチルエステル
【０１５３】
【化６６】
を５．６０８ｇ（２４．６ｍｍｏｌ）、Ｋ2ＣＯ3を４．１５ｇ（３０．０ｍｍｏｌ）、１８−クラウン−６を０．６３４ｇ（２．４０ｍｍｏｌ）加えて、アセトンを適宜加えた。
【０１５５】
２４時間還流した後、シリカゲル薄層クロマトグラフィーによって反応終了を確認し、ＣＨ2Ｃｌ2で抽出した。有機層を水、飽和食塩水で洗浄し、硫酸ナトリウムで乾燥させ有機層を減圧下濃縮した。粗生成物をカラムクロマトグラフィー（充填剤：シリカゲル、展開溶媒：酢酸エチル/ヘキサン混合溶媒（酢酸エチル３０重量％含有）によって精製し、３,５-ビス（４’-メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメタノール（外観：白色粉末,収量：２．１１ｇ,収率４０％）を得た。構造を以下に示す。
【０１５６】
【化６７】
アルゴン置換下、３,５-ビス（４’-メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメタノールを１．１０２ｇ（２．５３ｍｍｏｌ）と、トリフェニルホスフィン０．８２８ｇ（３．１６ｍｍｏｌ）を乾燥テトラヒドロフランに最小限に溶かし、ＣＢｒ4１．０５ｇ（３.０７ｍｍｏｌ）を少しずつ加えていった。
【０１５８】
室温で１５分間攪拌して、反応しきっているかを確認した。反応しきっていなければ、少しずつトリフェニルホスフィン、ＣＢｒ4を加えて完全に反応させた。ＣＨ2Ｃｌ2で抽出し、有機層を水、飽和食塩水で洗浄し、硫酸ナトリウムで乾燥させ有機層を減圧下濃縮した。粗生成物をカラムクロマトグラフィー（充填剤：シリカゲル、展開溶媒：酢酸エチル/ヘキサン混合溶媒（酢酸エチル３０重量パーセント含有）によって精製し、３,５-ビス（４’-メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメチルブロマイド（外観：白色粉末,収量：１．２２ｇ,収率：９７パーセント）を得た。構造を以下に示す。
【０１５９】
【化６８】
アルゴン置換下、３,５-ビス（４’-メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメチルブロマイドを１．２０ｇ（２．４０ｍｍｏｌ）、３,８-ビス（４’-ヒドロキシフェニル）フェナントロリン
【０１６１】
【化６９】
を０．４１８ｇ（１．１０ｍｍｏｌ）、Ｋ2ＣＯ3を０．３９６ｇ（２．８７ｍｍｏｌ）、１８−クラウン−６を０．０６０６ｇ（０．２２９ｍｍｏｌ）加え、乾燥ジメチルスルフォキシドに溶かした。
【０１６３】
９０℃で１８時間加熱攪拌後、減圧下濃縮することによってジメチルスルフォキシドを取り除いた。
【０１６４】
ＣＨ2Ｃｌ2で抽出し、有機層を水、飽和食塩水によって洗浄し、硫酸ナトリウムで乾燥させ、減圧下濃縮した。粗生成物をカラムクロマトグラフィー（充填剤：シリカゲル、展開溶媒：メタノール/ＣＨＣｌ3（メタノール２重量％含有））によって精製し、３,８-ビス（４’-（３”,５”-ビス（４”’-メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニル）フェナントロリン（外観：黄色粉末,収量：０．６０８ｇ,収率：４６％）を得た。構造を以下に示す。
【０１６５】
【化７０】
アルゴン置換下、還流冷却管を装着した反応容器に、乾燥Ｎ,Ｎ’−ジメチルホルムアミド６ｍｌおよび３,８−ビス（４’-（３”,５”-ビス（４”’-メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニル）フェナントロリンを０．４６８ｇ（０．３９０ｍｍｏｌ）加え、６０℃に加熱した。
【０１６７】
この懸濁液に熱乾燥テトラヒドロフラン８ｍｌに溶解させたｃｉｓ−ｂｉｓ２，２’−ビピリジルジクロロルテニウム（ＩＩ）水和物０．１８９ｇ（０．３９０ｍｍｏｌ）を加え、反応混合物を１００℃にし、６６時間加熱攪拌をした。
【０１６８】
ジメチルホルムアミドを減圧下蒸留除去後、純水を加え、ＮＨ4ＰＦ6水溶液５ｍｌ（ＮＨ4ＰＦ6１０ｍｍｏｌ）に注ぎ、クロロホルムで抽出し、有機層を飽和食塩水で洗浄し、硫酸ナトリウムで乾燥させ減圧濃縮した。
【０１６９】
粗生成物をカラムクロマトグラフィー（アルミナ、ＣＨＣｌ3）によって精製し、液体クロマトグラフィーによって、３,８-ビス（４’-（３”,５”-ビス（４”’-メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニル）フェナントロリンビピリジルルテニウム（ＩＩ）（外観：赤黄色結晶,収量：０．３３９ｇ,収率：５４％）を得た。構造を以下に示す。
【０１７０】
【化７１】
〔実施例２〕
実施例１と同様にして、５-ヒドロキシメチル-ベンゼン-１,３-ジオールを得た後、アルゴン置換下、５-ヒドロキシメチル-ベンゼン-１,３-ジオールを０．４９０ｇ（３．４９ｍｍｏｌ）、３,５−ビス（４’-メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメチルブロマイド）を３．６５８ｇ（７．３４ｍｍｏｌ）、Ｋ2ＣＯ3を（８．７４ｍｍｏｌ）、１８−クラウン−６を０．１８５ｇ（０．７０ｍｍｏｌ）加えて、アセトンを適宜加えた。
【０１７２】
２４時間還流した後、シリカゲル薄層クロマトグラフィーによって反応終了を確認し、ＣＨ2Ｃｌ2で抽出した。有機層を水、飽和食塩水で洗浄し、硫酸ナトリウムで乾燥させ有機層を減圧下濃縮した。粗生成物をカラムクロマトグラフィー（充填剤：シリカゲル、展開溶媒：酢酸エチル/ヘキサン（酢酸エチル３０重量％含有））によって精製し、３,５-ビス（３’,５’-ビス（４”-メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニルメタノール（外観：白色粉末,収量：１．８２ｇ,収率：５３％）を得た。構造を以下に示す。
【０１７３】
【化７２】
アルゴン置換下、３,５-ビス（３’,５’-ビス（４”-メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニルメタノールを１．３６ｇ（１．４２ｍｍｏｌ）と、トリフェニルホスフィン０．４６４ｇ（１．７７ｍｍｏｌ）を乾燥テトラヒドロフランに最小限に溶かし、ＣＢｒ4０．５８０ｇ（１．７３ｍｍｏｌ）を少しずつ加えていった。
【０１７５】
室温で１５分間攪拌して、反応しきっているかを確認した。反応しきっていなければ、少しずつトリフェニルホスフィン、ＣＢｒ4を加えて完全に反応させた。ＣＨ2Ｃｌ2で抽出し、有機層を水、飽和食塩水で洗浄し、硫酸ナトリウムで乾燥させ有機層を減圧下濃縮した。粗生成物をカラムクロマトグラフィー（充填剤：シリカゲル、展開溶媒：酢酸エチル/ヘキサン（酢酸エチル４０重量％含有）によって精製し、３,５-ビス（３’,５’ビス（４”-メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニルメチルブロマイド（外観：白色粉末,収量：１４．６ｇ,収率９９％）を得た。構造を以下に示す。
【０１７６】
【化７３】
アルゴン置換下、３，５−ビス（３’，５’ビス（４”−メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニルメチルブロマイドを０．１５５ｇ（０．１４９ｍｍｏｌ）、３，８−ビス（４’−ヒドロキシフェニル）フェナントロリンを０．０２０ｇ（０．０５５ｍｍｏｌ）、Ｋ２ＣＯ３を０．０５１７ｇ（０．３７ｍｍｏｌ）、１８−クラウン−６を０．０１０ｇ（０．０３８ｍｍｏｌ）加え、乾燥ジメチルスルフォキシドに溶かした。
【０１７８】
９０℃で１８時間加熱攪拌後、減圧下濃縮することによってジメチルスルフォキシドを取り除いた。
【０１７９】
ＣＨ２Ｃｌ２で抽出し、有機層を水、飽和食塩水によって洗浄し、硫酸ナトリウムで乾燥させ、減圧下濃縮した。粗生成物をカラムクロマトグラフィー（充填剤：アルミナ、展開溶媒：メタノール／ＣＨＣｌ３（メタノール２重量％含有）によって精製し、３，８−ビス（４’（３”，５”−ビス（３”’，５”’−ビス（４””−メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニル）フェナントロリン（外観：黄色粉末，収量：０．０３８９ｇ，収率：３１％）を得た。
【０１８０】
アルゴン置換下、還流冷却管を装着した反応容器に、乾燥ジエチルフォルムアミド６ｍｌおよび３，８−ビス（４’（３”，５”−ビス（３”’，５”’−ビス（４””−メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニル）フェナントロリンを０．１１２ｇ（０．０４９ｍｍｏｌ）加え、６０℃に加熱した。
【０１８１】
この懸濁液に熱乾燥テトラヒドロフラン８ｍｌに溶解させたｃｉｓ−ｂｉｓ２，２’−ビピリジルジクロロルテニウム（ＩＩ）水和物０．０２３７ｇ（０．０４９ｍｍｏｌ）を加え、反応混合物を１００℃にし、６６時間加熱攪拌をした。
【０１８２】
ジメチルホルムアミドを減圧下蒸留除去後、純水を加え、ＮＨ4ＰＦ6水溶液（ＮＨ4ＰＦ6１０ｍｍｏｌ）に注ぎ、クロロホルムで抽出し、有機層を飽和食塩水で洗浄し、硫酸ナトリウムで乾燥させ減圧下濃縮した。
【０１８３】
粗生成物をカラムクロマトグラフィー（アルミナ、ＣＨＣｌ3）によって精製し、３,８-ビス（４’（３”,５”-ビス（３”’,５”’-ビス（４””-メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニル）フェナントロリンビピリジルルテニウム（ＩＩ）（外観：赤色結晶,収量：０．０５８４ｇ,収率４４％）を得た。構造を以下に示す。
【０１８４】
【化７４】
〔実施例３〕
以下に、実施例１によって得た３,８-ビス（４’-（３”,５”-ビス（４”’-メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニル）フェナントロリンビピリジルルテニウム（ＩＩ）あるいは実施例２によって得た３,８−ビス（４’（３”,５”-ビス（３”’,５”’-ビス（４””-メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニル）フェナントロリンビピリジルルテニウム（ＩＩ）をナノギャップ電極（ナノメーターオーダの間隔で配置された１対の電極）に取り付け、単電子トランジスターとする方法について、以下に説明する。
【０１８６】
上記の方法によって合成した分子３,８-ビス（４’-（３”,５”-ビス（４”’−メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニル）フェナントロリンビピリジルルテニウム（ＩＩ）あるいは３,８-ビス（４’（３”,５”-ビス（３”’,５”’-ビス（４””-メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニル）フェナントロリンビピリジルルテニウム（ＩＩ）をエチレングリコール溶液とし、水酸化カリウムを加えて加熱することで加水分解し、表面のメトキシカルボニル基をカルボキシル基に変換した。
【０１８７】
この溶液を水で希釈し、希塩酸で中和した。生じた沈殿を濾過して真空中で８０℃程度に加熱することで乾燥し、本発明に係る有機金属錯体として、有機金属錯体分子３,８-ビス（４’-（３”,５”-ビス（４”’-メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニル）フェナントロリンビピリジルルテニウム（ＩＩ）あるいは３,８-ビス（４’（３”,５”-ビス（３”’,５”’-ビス（４””-メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニル）フェナントロリンビピリジルルテニウム（ＩＩ）表面のメトキシカルボニル基がカルボキシル基に変換された有機金属錯体を得た。
【０１８８】
この分子表面のメトキシカルボニル基がカルボキシル基に変換された化合物をアセトンに溶かし、およそ１ｍｍｏｌ／ｌの溶液とした。この溶液をメンブレンフィルターに通して、不要の微粒子を取り除き、電荷保持部分に用いる溶液（電荷保持材料）を得た。
【０１８９】
ドープしたシリコンからなるナノギャップ電極を、１００Ｗの酸素プラズマで５分間処理して、表面の有機物を取り除いた。
【０１９０】
このナノギャップ電極を、上記の溶液（電荷保持材料）に、約２時間程度浸透することで、上記の溶液をナノギャップ電極に吸着させた。
【０１９１】
このようにして、有機金属錯体分子３,８-ビス（４’-（３”,５”-ビス（４”’−メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニル）フェナントロリンビピリジルルテニウム（ＩＩ）あるいは、３,８-ビス（４’（３”,５”-ビス（３”’,５”’-ビス（４””-メトキシカルボニルフェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニルメトキシ）フェニル）フェナントロリンビピリジルルテニウム（ＩＩ）表面のメトキシカルボニル基がカルボキシル基に変換された有機金属錯体（電荷保持材料）を電荷保持部分とした単電子トランジスターを得た。
【０１９２】
【発明の効果】
本発明の有機金属錯体は、以上のように、中心に酸化還元（レドックス）反応を示す遷移金属であるルテニウム（Ｒｕ）を有する構成である。
【０１９３】
それゆえ、上記有機金属錯体自体が酸化還元反応を示すことができるという効果を奏する。
【０１９４】
本発明の有機金属錯体の製造方法は、以上のように、２価のルテニウム錯体を用いて有機金属錯体を製造する構成である。
【０１９５】
それゆえ、有機金属錯体自体が酸化還元反応を示す有機金属錯体を製造することができるという効果を奏する。
【０１９６】
本発明では、さらに、上記有機金属錯体を含む電荷保持部分を単電子トランジスターの電荷保持部分に用いる構成である。より具体的には、上記電荷保持材料は、遷移金属からなる中心原子と、上記中心原子に配位すると共に該中心原子を周囲の環境から絶縁するデンドリマーを有する有機金属錯体を含み、上記デンドリマーは、末端にシリコンあるいは金属に結合可能な官能基を有する構成である。
【０１９７】
それゆえ、上記電荷保持材料を単電子トランジスターの電荷保持部分とすれば、中心原子の示す酸化還元反応を利用して電荷を保持することができる。また、電荷保持部分は、均一な大きさを得ることの容易な有機金属錯体を含んでいるので、これにより電荷保持部分の電荷保持能力のばらつきをなくすることができる。また、上記中心原子を異ならせて有機金属錯体の分子設計を行なうことで、電荷保持能力の制御や電荷保持部分の特性を容易に変更することができる。また、中心原子に配位すると共に該中心原子を周囲の環境から絶縁するデンドリマーとを有する有機金属錯体を含んでいるので、中心原子が周囲の環境の影響を受けることはない。その結果、中心原子の示す酸化還元反応を好適に利用することができる。さらに、上記デンドリマーが末端にシリコンあるいは金属に結合可能な官能基を有しているので、この官能基を用いて、上記有機金属錯体を含む電荷保持材料をシリコン電極あるいは金属電極に接続させることができるという効果を奏する。
【０１９８】
そしてさらに、上記遷移金属はルテニウムである構成である。
【０１９９】
それゆえ、ルテニウムは明確な酸化還元反応を示すので、該ルテニウムの示す明確な酸化還元反応を利用した電荷保持材料とすることができるという効果を奏する。
【０２００】
本発明の単電子トランジスターは、以上のように、上記電荷保持材料からなる電荷保持部分を、１対のシリコン電極あるいは金属電極間に備える構成である。
【０２０１】
それゆえ、単電子トランジスターは、電荷保持材料からなる電荷保持部分を有しているので、電荷保持材料の含む有機金属錯体の中心原子の示す酸化還元反応を利用して電荷を保持することのできる単電子トランジスターとすることができる。また、電荷保持能力のばらつきのない電荷保持部分を有しているので、単電子トランジスターの動作特性にばらつきは生じない。また、電荷保持材料が含む有機金属錯体の分子設計を行なうことで、様々な特性を持つ単電子トランジスターとすることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】単電子トランジスターの概略的構造を示す図である。
【符号の説明】
１０ 単電子トランジスター
２０ ソース電極
３０ ドレイン電極
４０ シリコン微粒子
５０ａ トンネル障壁
５０ｂ トンネル障壁
６０ ゲート電極
Claims (6)
- 一般式（１２）
で表されることを特徴とする有機金属錯体。 - Ｒ １ 、Ｒ ２ 、Ｒ ３ は、それぞれ独立して、メチル基（−ＣＨ ３ ）、ｔ−ブチル基、およびベンジル基（−ＣＨ ２ Ｃ ６ Ｈ ５ ）からなる群から選択される置換基である、請求項１に記載の有機金属錯体。
- 一般式（１）
で表される化合物を、一般式（８）
で表されるデンドリマー配位子を合成する工程と、
さらにこのデンドリマー配位子に、式（１４）
（ｂｐｙ）２ＲｕＣｌ２………（１４）
｛式中、ｂｐｙは、式（１３）
で表される２価のルテニウム錯体を反応させることによって、一般式（１２）
で表される有機金属錯体を製造する工程と、
上記有機金属錯体におけるＲで表される置換基を加水分解する工程とを含むことを特徴とする有機金属錯体の製造方法。 - Ｒ １ は、メチル基（−ＣＨ ３ ）、ｔ−ブチル基、およびベンジル基（−ＣＨ ２ Ｃ ６ Ｈ ５ ）からなる群から選択される置換基である、請求項３に記載の有機金属錯体の製造方法。
- 一般式（１）
で表される化合物と、
式（３）
で表されるデンドリマーを合成するデンドリマー合成工程と、
上記デンドリマーの末端に位置するＯＨ基をＢｒ基に置換することによって、一般式（６）
で表されるブロモ基含有デンドリマーを得る工程と、
上記ブロモ基含有デンドリマーを、一般式（８）
で表されるデンドリマー配位子を合成する工程と、
さらにこのデンドリマー配位子に、式（１４）
（ｂｐｙ）２ＲｕＣｌ２………（１４）
｛式中、ｂｐｙは、式（１３）
で表される２価のルテニウム錯体を反応させることによって、一般式（１２）
で表される構造を示す｝
で表される有機金属錯体を製造する工程と、
上記有機金属錯体におけるＲで表される置換基を加水分解する工程とを含むことを特徴とする有機金属錯体の製造方法。 - Ｒ １ は、メチル基（−ＣＨ ３ ）、ｔ−ブチル基、およびベンジル基（−ＣＨ ２ Ｃ ６ Ｈ ５ ）からなる群から選択される置換基である、請求項５に記載の有機金属錯体の製造方法。
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