JPH11112060A

JPH11112060A - 電子移動型素子

Info

Publication number: JPH11112060A
Application number: JP9266517A
Authority: JP
Inventors: Shigenori Tanaka; 成典田中
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1997-09-30
Publication date: 1999-04-23
Anticipated expiration: 2017-09-30
Also published as: JP3761300B2

Abstract

(57)【要約】【課題】外部からの電圧印加と光照射により駆動する分
子サイズの記憶素子を提供することを目的とする。【解決手段】分子間の光誘起電子移動機能を利用したシ
フトレジスター型メモリーにおいて、素子を構成する繰
り返しユニットのそれぞれに光エネルギー捕獲のための
アンテナ原子団を結合させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子移動機能を有
する電子移動型素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、サイズが分子レベル（約１ｎｍか
ら１００ｎｍ）の素子を人工的に実現しようとする試み
が活発化している。分子の示す特性のうち、デバイス化
を考える上で特に注目に値するのが植物の光合成系など
に見られる電子移動機能である。電子移動機能は、ある
分子ユニットから別の分子ユニットに電子が移動する機
能で、通常１ピコ秒から１ナノ秒という極めて高速な反
応である。この植物の光合成系などの生体分子系に見ら
れる電子移動機能は、以下に挙げる特徴を有している。（１）電子移動反応は、エネルギーや情報の変換や伝達
が、高速・高効率・高選択的に行われる。（２）電子移動反応は、化学結合の形成や破壊を伴わ
ず、可逆的で、方向性を持ち、さらに、その速度を比較
的容易に制御できる。（３）光合成に見られるように、電子移動反応は、エネ
ルギーソースとして光を用いることができる。このような特徴を利用したものに、光パルスとクロック
機能を結び付けた電子移動型素子が提案されている。こ
の電子移動型素子の一例として、J.J. Hopfield, J.
N. Onuchic, and D.N. Beratan, Science 241
(1988) 817 に記載されたシフトレジスター型メモリー
が知られている。図１はこのシフトレジスター型メモリ
ーのエネルギーバンド図である。このシフトレジスター
型メモリーは、一列に接合されたメモリーセル１、２、
３からなり、それぞれのメモリーセルは３つの原子団
（分子）α、β、γからなっている。各メモリーセル
１、２、３は原子団αの基底状態に１ビットの情報を蓄
え、電子がある状態を１、電子がない状態を０で表して
いる。図１ではメモリーセル２の原子団αに電子が存在
し、（０１０）の状態を表している。この状態のシフト
レジスター型メモリーに、原子団αのエネルギーギャッ
プに相当する光を入力すると、メモリーセル２の原子団
αにある電子が励起され、順次隣の原子団β、原子団γ
のエネルギー準位に移動し、最終的にメモリーセル３の
原子団αの基底状態のエネルギー準位に移動する。また
最初のメモリーセル１および最後のメモリーセル３に
は、それぞれ電極が接続されている。メモリーセル１に
電極から電子を注入することで、「１」の情報を与える
ことができ、メモリーセル３から電子を受け取ることで
「１」の情報を取り出すことができる。照射する光のパ
ルスをクロックとして、０（電子がない状態）１（電子
がある状態）を書き込んだり読み出したりできる。この
シフトレジスター型メモリーは、図１の実線で示した過
程ｋ₁、ｋ₂、ｋ₃が、それぞれ破線で示した過程ｋ_d、ｋ
_-1、ｋ_-2よりずっと速いなら、書き込まれた内容が次の
メモリーセルに移動できる。このシフトレジスター型メ
モリーを実現させるためには、電子が光のパルス１回当
たり１回隣のメモリーセルに単一方向移動する高分子鎖
状構造を作る必要がある。目的に合致しそうな高分子鎖
を構成するメモリーセルα−β−γの具体例として、ホ
ップフィールド等は図２のような、ポルフィリン、キノ
ンとブリッジ原子団よりなるメモリーセル構造を提案し
た。しかしながら図２に示すメモリーセルでは、図１の
過程ｋ₁、ｋ₂、ｋ₃が、それぞれ破線で示した過程ｋ_d、
ｋ_-1、ｋ_-2より十分に速くならず、順方向のメモリー間
の電子の移動の確率が低いという問題があった。１９９
４年になって、ハリマン等がこの目的に合致するような
超分子系（ユニット）の合成に成功した（A. Harrima
n, F. Odobel, and J.-P. Sauvage,J. Am. Che
m. Soc. 116 (1994) 5481 ）。このユニットは、図
３に示すようなポルフィリン（α）―ビス（ターピリジ
ル）（β）―ポルフィリン（γ）系であり、そのエネル
ギーダイヤグラムと光励起後の電荷分離・再結合過程の
速度定数は図４のようになる。図４のようにαサイトの
励起状態からβサイトに移る過程（５０ｐｓ）の方がα
サイトの励起状態からαサイトの基底状態に移る過程
（２．２ｎｓ）よりも速い。同様にβサイトの励起状態
からγサイトに移る過程（１．６ｎｓ）の方がβサイト
の励起状態からβサイトの基底状態に移る過程（２ｎ
ｓ）よりも速い。このようにして、電子移動反応を利用
したシフトレジスター型メモリーが実現されることにな
った。この分子サイズのシフトレジスター型メモリー
は、１ｎｍから４ｎｍ程度四方の面領域に情報を蓄える
ことができる。またこの面領域に対して垂直方向に各ユ
ニットを接続した高分子鎖が形成され、上下に電極を形
成することで、同一面内に多重に記録が可能となる。し
かしながら、このシフトレジスター型メモリーは、各メ
モリーセル（ユニット）の原子団αの光の吸収効率は必
ずしも高くないという問題がある。またこのシフトレジ
スター型メモリーは、複数のα−β−γユニットよりな
る高分子鎖構造を多数（例えば数百から数千本）並列に
束ねる場合、各高分子鎖が接近し、同一高分子鎖内でな
く隣接する別の高分子鎖間で電子の移動が起きてしま
う。したがって正しく書き込み読み取りができなくな
り、情報の損失・誤謬が生じるという問題がある。また
このシフトレジスター型メモリーは、αサイトの吸収エ
ネルギーを有する光パルスにより、全てのユニットの電
子が同時に隣のユニットに移動するため、書き込みや読
み出しに自由度がないという問題がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記問題を解
決するためになされたもので、光の吸収効率が高い電子
移動型素子を提供することを目的とする。また本発明
は、隣接する隣の高分子鎖間で電子の移動が起きず、同
一高分子鎖間で確実に電子が移動する電子移動型素子を
提供することを目的とする。また本発明は、各ユニット
を個別に識別しうる電子移動型素子を提供することを目
的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、光照射により隣のユニットに電子が移動す
る第１のユニットと、前記第１のユニットの主鎖に接続
され、前記第１のユニットから電子を受けとる第２のユ
ニットと、前記第１のユニットの側鎖に接続され、光エ
ネルギーを捕獲し、この光エネルギーを前記第１のユニ
ットに伝達するアンテナ機能を有する第１の原子団とを
具備することを特徴とする電子移動型素子を提供する。
ここで主鎖とは各ユニットが直列に繰り返し接続された
高分子鎖のことである。また側鎖とはこの高分子鎖の側
鎖に接続されることを意味する。また本発明は、前記第
１のユニットは、さらにαサイト−βサイト−γサイト
の鎖状結合を有し、前記アンテナ機能を有する第１の原
子団は前記αサイトに接続され、光照射により前記αサ
イトにある電子が順次前記βサイト、前記γサイトを移
動し、前記第２のユニットに至ることを特徴とする電子
移動型素子を提供する。また本発明は、前記第２のユニ
ットは、さらにαサイト−βサイト−γサイトの鎖状結
合および前記αサイトに接続された、光エネルギーを捕
獲し、この光エネルギーを前記第２のユニットに伝達す
るアンテナ機能を有する第２の原子団を有し、光照射に
より前記第２のユニットの前記αサイトにある電子が順
次前記第２のユニットの前記βサイト、前記第２のユニ
ットの前記γサイトを移動することを特徴とする電子移
動型素子を提供する。また本発明は、アンテナ機能を有
する前記第１の原子団と前記第２の原子団は、それぞれ
異なる波長の光のエネルギーを伝達することを特徴とす
る電子移動型素子を提供する。

【０００５】また本発明は、アンテナ機能を有する前記
第１および前記第２の原子団の少なくとも一方は、光エ
ネルギーを捕獲後、１ピコ秒から１ナノ秒間でそれぞれ
のユニットに伝達することを特徴とする電子移動型素子
を提供する。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施形態を図面を用
いて説明するが、本発明はこれら実施形態に限定される
ことなく種々工夫して用いることができる。本発明の電
子移動型素子は、図１のバンド構造を示すメモリーセル
をひとつのユニットとし、このユニットをそれぞれ鎖状
に複数接続した構造となっている。この鎖状構造の最初
のユニットおよび最後のユニットには電極が接続されて
いる。最初のユニットに接続された電極はこのユニット
に電子を注入可能であり、最後のユニットに接続された
電極はこのユニットから電子を受け取ることができる。
さらにそれぞれのユニットには外部からの光エネルギー
を受取、それぞれのユニットにエネルギーを伝達するア
ンテナ機能を持つ原子団が接続されている。このように
構成することで、各ユニットはアンテナ機能を持つ原子
団からエネルギーを受け電子を励起しやすくし、弱い光
エネルギーでも効率的に電子を隣のユニットに移動させ
ることができる。また本発明の電子移動型素子は、例え
ば光パルスをクロックとして、情報（電子の有無）を書
き込んだり読み込んだりできるシフトレジスター型メモ
リーとして用いることができる。また本発明の電子移動
型素子は、それぞれのユニットをαサイト−βサイト−
γサイトとなるように構成している。さらにそれぞれの
ユニットのαサイトには、外部からの光エネルギーを受
取、それをαサイトに伝達するアンテナ機能を持つ原子
団（分子）が結合している。このように構成することに
よって、各ユニットのαサイトはアンテナ機能を持つ原
子団からエネルギーを受け電子を励起しやすくし、弱い
光エネルギーでも効率的に電子を隣のユニットのαサイ
トに移動させることができる。アンテナ機能を持つ原子
団としては、自然界の植物・バクテリアの光合成系にお
いて、太陽光エネルギーを用いた電荷分離とそれによる
電気的および化学エネルギーの生成を行う原子団を用い
ることができる。この原子団として、例えば光合成反応
中心およびその周囲にあるアンテナ分子系に存在するカ
ロテノイドやポルフィリンなどがある。図５にアンテナ
機能を持つαサイトの図を示す。中心にあるフリー・ベ
ース（中心に金属元素を含まず水素を含む）ポルフィリ
ン４がαサイトである。このαサイト４のまわりには、
アンテナ機能を持つ原子団５がアセチレンボンドによっ
て結合している。アンテナ機能を持つ原子団５は、亜鉛
ベース（中心に亜鉛を含む）ポルフィリンからなってい
る。また図示はしないがこのαサイト４には図３に示す
ようなβサイトおよびγサイトが鎖状に接続され１ユニ
ットを形成し、このユニットがさらに複数鎖状に接続さ
れている。この電子移動型素子に可視光（波長５００ｎ
ｍから６５０ｎｍ程度）をあてると、まず周囲の亜鉛ポ
ルフィリン５（アンテナ機能を持つ原子団）が光励起さ
れる。次いで、１００ｐｓ以内に９５％以上の効率でそ
のエネルギーが、フェルスター機構［Th. F〓ster, A
nn. Physik (Leipzig) 2 (1948) 55 ］により中心
のフリー・ベース・ポルフィリン４（αサイト）に伝達
されて、このフリー・ベース・ポルフィリンの電子励起
が起こる。通常このときの光エネルギーの伝達時間は１
ピコ秒から１ナノ秒程度である。また本発明の電子移動
型素子は、アンテナ機能を持つ原子団をαサイトに複数
個結合することにより光子の吸収断面積を増やせ、より
光の吸収効率を上げることができる。また本発明の電子
移動型素子は、各ユニットに結合するアンテナ機能を持
つ原子団は鎖状高分子鎖と直交する方向（側鎖方向）の
構成に広がりを与えるので、鎖間距離を増大させ、隣り
合う別の高分子鎖間の電子移動を阻止する役目も果た
す。また本発明の電子移動型素子は、各ユニットに接続
されたアンテナ機能を持つ原子団の、吸収できる光の吸
収波長を異ならせることができる。例えばαサイト−β
サイト−γサイトの構成は各ユニットで共通とし、各α
サイト毎に吸収波長の異なるアンテナ機能を持つ原子団
を結合させることができる。このように構成すること
で、照射する光の波長を変えることにより特定のユニッ
トのみで選択的に電子励起とそれに引き続く電子移動
（情報「１」の右隣のユニットへのシフト）を起こすこ
とが可能となる。また別々の波長の光を吸収するアンテ
ナ機能を持つ原子団のおかげで任意の特定のユニットに
アクセスでき、そこでのみ電子移動を起こすことができ
る。またこの構成によって、特定のアンテナ機能を持つ
原子団を光励起し、励起子の再結合により初期状態に戻
ることによる蛍光の有無を調べることにより、そのユニ
ットに書き込まれていた情報が「１」であるか「０」で
あるかを検知することができる。（蛍光を発すれば
「０」）。この蛍光は、αサイトに電子がない場合（情
報０）、アンテナ機能を持つ原子団のエネルギーはαサ
イトに伝わらず、この原子団で再結合することによって
発生するものである。またアンテナ機能を持つ原子団
は、ポルフィリン間の中心に位置する元素（水素・亜鉛
・金等）の種類を変えたり、ポルフィリン環に適当な側
鎖（基）を付加することで、その吸収波長を異ならせる
ことができる。但し、アンテナ・ポルフィリンの励起エ
ネルギーがαサイトのポルフィリンの励起エネルギーよ
りも大きいことが望ましい。

【０００７】また本発明の電子移動型素子は、αサイト
−βサイト−γサイトのユニットの繰り返しからなる高
分子鎖を電極で挟んで、これに１０⁵から１０⁷Ｖ／ｃｍ
程度の強い電場を印加してもよい。このとき、移動する
電子の場所に応じて各ユニットがもつ双極子モーメント
が異なるためα、β、γサイトのエネルギー準位が相対
的に変化し、図１に示した個々の反応素過程の速度定数
が変化する。印加する電圧を最適化し、順方向の電子移
動反応に対して逆反応をできるだけ抑え、各ユニットか
ら次のユニットへの電子移動量子収率を１００％に近づ
けることも可能である。また本発明の電子移動型素子
は、アンテナ機能を持つ原子団の吸収波長にあわせた光
パルスを印加せず、αサイトのバンドギャップに相当す
る光パルスを印加すると、全てのユニットの電子移動を
同時に起こしてやることもできる。上述したように任意
のユニットのみ移動させたり、全てのユニットを移動さ
せたりすることで、所望の情報を書き込んだり、読み出
したりできる。

【０００８】本発明の分子メモリーの情報の書き込みな
らびに読み出しの方法は以上に述べた手段に限るもので
はない。例えば、走査型プローブ顕微鏡や近接場光ファ
イバーといった極微小サイズのプローブによって電気的
あるいは光学的に各ユニットあるいはユニットの少数個
に直接アクセスすることも有効である。本発明のαサイ
ト−βサイト−γサイトのユニットは、図３に示したポ
ルフィリン（αサイト）―ビス（ターピリジル）（βサ
イト）―ポルフィリン（γサイト）超分子系に限られる
ものではない。例えば図６に示すような、大須賀ら（A.
Osuka et al., Angew. Chem. Int. Ed. Engl.
35 (1996) 92）により合成されたポルフィリンダイマ
ー（αサイト）―ポルフィリンモノマー（βサイト）―
ピロメリットイミド（γサイト）３元超分子系も図４と
同様のエネルギー・ダイヤグラムを有し、ポルフィリン
ダイマー光照射後の順方向電子移動反応の量子収率は８
０％以上を達成できる。また本発明の電子移動型素子
は、基本ユニットとしてαサイト−βサイト−γサイト
の３元超分子系に限らず、基本ユニットとしてαサイト
−βサイトの２元系やαサイトだけの１元系を用いて
も、隣のユニットへの高効率の光誘起電子移動が可能で
ありさえすれば、何ら問題はない。

【０００９】（実施例１）図７は本発明の電子移動型素
子の記憶素子の断面図である。ガラス基板６上に下部電
極７が形成されている。この下部電極７上には、図３に
示すフリー・ベース・ポルフィリン（αサイト）―ビス
（ターピリジル）（βサイト）―金ポルフィリン（γサ
イト）からなる基本ユニットが８個つながった同種の高
分子鎖が、膜厚方向に設けられた高分子鎖層８が形成さ
れている。またαサイトには、それぞれ図５に示すアン
テナ機能を持つ原子団５が結合している。この素子で
は、前記高分子鎖を縦２０列横×５０列の１０００本並
べた。このときの高分子鎖層８の膜厚は約３０ｎｍであ
った。この高分子鎖層８上には、上部電極９が形成され
ている。上部電極４側にαサイト側下部電極２側にγサ
イト側がくるように成膜している。下部電極７は膜厚１
００ｎｍのＩＴＯ透明電極、上部電極９は膜厚２０ｎｍ
の半透明のＡｕ電極を用いる。図８に示すように、高分
子鎖層８の各高分子鎖の８個のαサイトのフリー・ベー
ス・ポルフィリンにはそれぞれ２個の同種のポルフィリ
ン５がアセチレン・ボンドにより結合している。このポ
ルフィリン５は中心原子を水素、亜鉛、マグネシウム、
パラジウム、金などに置換することによって、それぞれ
吸収波長の異なる光エネルギーを伝達するアンテナ機能
を有する。またポルフィリン５の側鎖に水素、メチル
基、エチル基、フェニル基などの結合機を結合させるこ
とによっても、それぞれ吸収波長が異なる光エネルギー
を伝達できる。本実施例では、それぞれのαサイトのポ
ルフィリン毎に吸収波長の異なる光エネルギーを伝達す
るように、ポルフィリン５を選択した。このような高分
子鎖は、ハリマン等の開発した方法（A. Harriman,
F. Odobel, and J.-P. Sauvage, J. Am. Chem.
Soc. 117 (1995) 9461 ）により合成することもで
きるし、α−β−γユニットを合成した後、ラングミュ
ア・ブロジェット法（垂直浸積法）により積層してもよ
い。また高分子鎖を下部電極７上に並列に並べるにはラ
ングミュア・ブロジェット法を用いる。

【００１０】（実施例２）本実施例では図７に示す素子
構造で、αサイトに結合するアンテナ機能を持つ原子団
を全て同じにした。先ずこの電子移動型素子に上部電極
９に正の電位をかけて高分子鎖層８の全てのαサイトに
電子が存在しない（００００００００）の状態をつくっ
た。次に、上部電極９の電位を変化させ、最初のαサイ
トに電子を注入し（１０００００００）の状態をつくっ
た。次にレーザ光を照射させながら上部電極９の電位を
変化させ最初のαサイトに電子を注入しながら、ひとつ
電子の移動を生じさせて（１１００００００）の状態を
つくった。次に上部電極９の電位を変化させず、レーザ
光を照射し電子をひとつ移動させて（０１１００００
０）の状態をつくった。この操作を繰り返し、（０１０
００１１０）の状態を書き込んだ。照射するレーザ光
は、アンテナ・ポルフィリン５の励起エネルギーに対応
した波長５００から６５０ｎｍの単色光を用いた。この
レーザ光は、例えば、モード・ロックNd−YAG レーザ
ー、ローダミン560 ダイ・レーザー、アルゴン・イオン
・レーザー、Cuガス・レーザー等とフィルターを適当に
組み合わせて用いた。光パルスの照射時間は１回につき
約１００ｐｓとし、上部電極９の全面にむらなく照射さ
れるようにした。次に、このようにして書き込まれた情
報の読み出しを以下に示す工程で行った。ここでは、α
サイトのポルフィリンの励起エネルギー（この場合は
２．０４ｅＶ）に対応した単色光（この場合は波長６０
８ｎｍ）のパルスをあてて高分子鎖上の全ての「１」を
同時に１つ右に移動させる操作を８回繰り返し、１回毎
に下部電極７の電流あるいは電位変化を調べて下部電極
に電子が注入されたかどうかを判断し、書き込まれてい
た情報を１ビットずつ右から読み出した。上の例だと、
０→１→１→０→０→０→１→０の順に情報が読み出せ
た。この場合読み出し用のレーザ光の波長はアンテナ機
能を持つ原子団の吸収波長にしてもよい。

【００１１】（実施例３）本実施例では、上部電極９か
ら２つめのユニットのαサイトのフリー・ベース・ポル
フィリンに結合するアンテナ原子団として、中心に亜鉛
がある亜鉛ポルフィリンを用いた。この電子移動型素子
に実施例２と同様にして、電荷状態（０１０００１１
０）の状態を書き込んだ。次にこれを、状態（００１０
０１１０）に書き換えることを試みた。先ず左から２つ
めのユニットのαサイトのフリー・ベース・ポルフィリ
ンには、アンテナ原子団として同種の亜鉛ポルフィリン
が２個結合したものを合成したので、この亜鉛ポルフィ
リンの励起エネルギー２．１０ｅＶに対応する波長５９
０ｎｍの光パルスを照射した。すると、左から２番目の
ユニットの「１」のみが１つ右に移動して、所望の状態
が得られた。

【００１２】（実施例４）本実施例では、上部電極９か
ら１つめのユニットのαサイトのフリー・ベース・ポル
フィリンに結合するアンテナ原子団として、中心にパラ
ジウムがあるパラジウム・ポルフィリンを用いた。この
電子移動型素子に実施例２と同様にして、電荷状態（０
１０００１１０）を書き込んだ。次に上部電極９から１
つめのユニットのαサイトのフリー・ベース・ポルフィ
リンには、アンテナ原子団として同種のパラジウム・ポ
ルフィリンが２個結合しているので、波長５７０ｎｍの
光パルスを照射してこのアンテナ原子団を選択的に励起
した。すると、約２ｎｓの時定数で波長約６００ｎｍの
蛍光が観測された。この蛍光のフォトン数はアンテナ機
能を有する原子団のない場合の１００倍以上であった。
この蛍光の発生は、アンテナ・ポルフィリンの励起エネ
ルギーがαサイトのポルフィリンに伝達できなかったた
め、１番左のユニットに書き込まれていた情報は「０」
であることがわかった。

【００１３】（比較例１）図７に示されている素子構造
で、高分子鎖の全てのユニットのαサイトにアンテナ・
ポルフィリンをもたない電子移動型素子（比較例）を作
成した。この電子移動型素子に、実施例２と同様に、
（０１０００１１０）を書き込んだ。ただし照射するレ
ーザ光の波長はαサイトのフリー・ベース・ポルフィリ
ンの吸収波長にした。レーザー光強度は実施例２、比較
例両方の電子移動型素子について、約１ＭＷ／ｃｍ²を
用い、両方の素子に対して、それぞれ１０回ずつ同じ書
き込み実験を行った。書き込み終了後、実施例２、比較
例の電子移動型素子の読み出しを行ったところ、実施例
２の素子が１０個とも所望の電荷状態（０１０００１１
０）になっていたのに対し、比較例の素子は、１０個中
３個がこれ以外の電荷状態に書き込まれていたことがわ
かった。これは比較例の素子は光パルスの照射による電
子移動が完全には起こっていなかったことを示してお
り、実施例２の素子は光吸収断面積が増大し光吸収効率
が向上したことを示している。

【００１４】（比較例２）実施例１と同様の実験を、今
度はレーザー光強度として約１０ＭＷ／ｃｍ²のパルス
を用いて行ったところ、実施例２の素子が１０個とも所
望の電荷状態（０１０００１１０）になっていたのに対
し、比較例の素子は１０個中１個がこれ以外の電荷状態
に書き込まれていた。実施例２のアンテナ・ポルフィリ
ンとαサイト・ポルフィリンの個数の比は今の場合２：
１であるので、光吸収断面積のことだけを考えるなら
ば、今回の実験ではレーザー光強度が大きいことから、
アンテナ・ポルフィリンをもたない素子においても完全
な書き込みが行われていいはずである。しかし比較例の
素子の書き込みが不完全であったという事実は、接近し
た高分子鎖間の余計な電子移動が正確な書き込みを阻害
しており、アンテナ・ポルフィリンが鎖の間を空間的に
引き離す効果が鎖間電子移動を抑制して書き込みの歩留
り向上に寄与していることを示している。

【００１５】（実施例５）図７に示す素子構造で、高分
子鎖を縦３本×横５本成膜した電子移動型素子を作成し
た。高分子鎖はそれぞれ８個のユニットに分かれ各ユニ
ットにはαサイト−βサイト−γサイト結合している。
各αサイトには図８に示すようにアンテナ機能を持つ原
子団５が２個結合している。この電子移動型素子に、実
施例１と同様の方法でレーザー光強度として約１０ＭＷ
／ｃｍ²のパルスを用いて（０１０００１１０）を書き
込んだ。このとき書き込み実験を繰り返し１０回行った
ところ、１０回のうち２回、所望の電荷状態（０１００
０１１０）以外の状態が書き込まれていた。ハリマンら
の合成したポルフィリン―ビス（ターピリジル）―ポル
フィリン超分子系では、αサイトで励起された電子が右
隣のユニットのαサイトに移動する量子収率は高々６０
％程度である。高分子鎖を多数本（１０００本程度）並
列に並べた実施例２の場合には個々の鎖での所望以外の
電子移動動作が仮にあっても、統計的にはその効果が打
ち消されていたものが、少数本（１０本程度）の場合に
は、素子全体の誤動作として発現してしまう。こういっ
た誤動作を抑制するために、個々のユニットの電子移動
量子収率の向上を、高分子鎖を挟む電極間に電圧をかけ
ることにより図った。図７の下部電極７、上部電極９間
にα−β−γユニットのα側が高電位になるように３Ｖ
の電圧（電場として約１０⁶Ｖ／ｃｍ）をかけながら上
と同様の書き込み実験を繰り返し１０回行ったところ、
１０回とも所望の電荷状態を書き込むことができた。こ
れは、電場により、α、β、γサイトのエネルギー準位
の相対関係が変化し、順方向の電子移動反応に比べて逆
方向の反応が抑制され、個々のユニットの電子移動量子
収率が向上したことを示している。

【００１６】（実施例６）実施例２と同様の電子移動型
素子を作成し、同様の方法を用いて（０１０００１１
０）を書き込んだ。次に走査型トンネル顕微鏡の探針を
弘文氏鎖層８の側面から、正のバイアス電圧をかけなが
ら、上部電極９に最も近いユニットから順にαサイトの
ポルフィリンにあてていった。上部電極９に最も近いユ
ニットは電流は流れず、このユニットが「０」と書き込
まれていることがわかった。次のユニットに探針をあて
ると電流が流れ、このユニットが「１」と書き込まれて
いることがわかった。このようにして、各ユニットに書
き込まれている情報を走査型トンネル顕微鏡を用いて局
所的に読み取ることが可能である。

【００１７】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、外
部から加える電圧と光パルスによる素子の制御性および
信頼性が著しく向上した分子レベルのシフトレジスター
型超高密度記憶素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】電子移動型シフトレジスターの３繰り返しユニ
ットのエネルギー準位ダイヤグラム。

【図２】本発明に用いるαサイト−βサイト−γサイト
からなるユニット。

【図３】本発明に用いるポルフィリン―ビス（ターピリ
ジル）―ポルフィリン超分子系。

【図４】図３で示した超分子系の電子エネルギー準位の
ダイヤグラム。

【図５】本発明に用いる超分子系。

【図６】本発明に用いるポルフィリンダイマー（Ｄ）―
ポルフィリンモノマー（Ｈ）―ピロメリットイミド
（Ｉ）３元超分子系。

【図７】本発明に係わる電子移動型素子の断面図。

【図８】本発明に用いるαサイト−βサイト−γサイト
からなるユニット。

【符号の説明】

１、２、３…ユニット４…αサイトのポルフィリン５…アンテナ機能を持つ原子団６…ガラス基板７…下部電極８…高分子鎖層９…上部電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光照射により隣のユニットに電子が移動す
る第１のユニットと、前記第１のユニットの主鎖に接続
され、前記第１のユニットから電子を受けとる第２のユ
ニットと、前記第１のユニットの側鎖に接続され、光エ
ネルギーを捕獲し、この光エネルギーを前記第１のユニ
ットに伝達するアンテナ機能を有する第１の原子団とを
具備することを特徴とする電子移動型素子。
【請求項２】前記第１のユニットは、さらにαサイト−
βサイト−γサイトの鎖状結合を有し、前記アンテナ機
能を有する第１の原子団は前記αサイトに接続され、光
照射により前記αサイトにある電子が順次前記βサイ
ト、前記γサイトを移動し、前記第２のユニットに至る
ことを特徴とする請求項１記載の電子移動型素子。
【請求項３】前記第２のユニットは、さらにαサイト−
βサイト−γサイトの鎖状結合および前記αサイトに接
続された、光エネルギーを捕獲し、この光エネルギーを
前記第２のユニットに伝達するアンテナ機能を有する第
２の原子団を有し、光照射により前記第２のユニットの
前記αサイトにある電子が順次前記第２のユニットの前
記βサイト、前記第２のユニットの前記γサイトを移動
することを特徴とする請求項１および請求項２記載の電
子移動型素子。
【請求項４】アンテナ機能を有する前記第１の原子団と
前記第２の原子団は、それぞれ異なる波長の光のエネル
ギーを伝達することを特徴とする請求項３記載の電子移
動型素子。
【請求項５】アンテナ機能を有する前記第１および前記
第２の原子団の少なくとも一方は、光エネルギーを捕獲
後、１ピコ秒から１ナノ秒間でそれぞれのユニットに伝
達することを特徴とする請求項１、請求項２、請求項
３、請求項４或いは請求項５記載の電子移動型素子。