JPS63238166A - 有機電子素子材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は電子素子に用いる電子材料に関するもので、
電子伝達能をもつ機能団を利用して電機伝導の異方性を
分子レベルの超微細な大きさく数十〜数百人）で制御す
ることができるようにしたものである。

〔従来の技術〕

従来、例えば青木昌治著“電子物性工学“電子通信学会
Ｗ　Ｐ　、　２８４に示されるように電子素子に用いら
れている電子材料、例えば３１半導体では、結晶の帯理
論により導電性が発現することが知られている。第８図
にＰ形シリコンのエネルギ一単位図を示す。Ｓ五結晶中
にインジウムなどの不純物が存在すると図に示すように
不純物準位を形成し、充満帯から電子を受けとり充満帯
に正孔が生しこれがキャリアとなり導電性を呈する。

このように、Ｓ、半導体では結晶基の中での帯構造で電
気伝導の性質が規定されている。このため、導電性をも
たらすキャリア（電子或は正孔）は、結晶構造の中を拡
散してランダムに移動するため、伝導方向の分子レベル
の超微細な大きさく数十〜数百人）での制御は不可能で
ある。

Ｓ、半導体に限らず、現在名に使用されている電子材料
では、伝導方向を分子レベルで制御可能なものは知られ
ていない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の電気伝導性電子材料は、以上のような帯理論を伝
導機構とするものが大半であり、又、そうでない場合も
キャリアの存在空間が１０００Å以上の広がりをもって
いるために、伝導方向を分子レベルの大きさに制御する
ことが不可能であった。

このため、イオン注入を微細領域に行うなどの微細加工
技術を駆使して素子としての微細化を図ってきた。ＬＳ
Ｉはその良い例である。

ところでＬＳＩのメモリ容量と演算速度を上昇させるに
は、素子そのものの微細化が不可欠であるが、Ｓ、を電
子材料とする素子では０．２μｍ程度の微細パターンで
電子の平均自由行程度と素子サイズとがほぼ等しくなり
、素子の独立性が保たれなくなるという限界を抱えてい
る。このように、現行の素子材料を用いることでは、素
子の微細化の点で限界があるため、新しい電気伝導の機
構に基づ（電子素子材料であって上記０．２μｍの壁を
破ることができる材料が求められている。

この発明は上記のような要求に答えるためになされたも
のであり、電気伝導の方向異方性を分子レベルで制御で
きる電子素子材料を得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

ところで、微生物の生体膜及び高等生物のミトコンドリ
アの内膜中には、それぞれ機能は異なるが、Ｈｚ、有機
酸、　Ｎ　Ａ　Ｄ　（Ｐ　）　Ｈ（Ｎｉｃｏｔｉｎｅａ
ｍｉｄｅ八ｄｅｎｉｎｅ　Ｄｉｎｕへｌｅｏ口ｄｅ　（
Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ））などの還元性の化学物質から電
子を引き抜く酵素蛋白質とともに、その引き抜かれた電
子を生体膜の定められた方向に運ぶ電子伝達能を有する
蛋白質（以下、電子伝達蛋白質と記す）が複数種類存在
している。

そしてこれらの電子伝達蛋白質は生体膜中に一定の配向
性をもって埋め込まれ、分子間で電子・伝達が起こるよ
うに特異的な分子間配置をとっている。

このように、電子伝達蛋白質は生体膜中で精巧な配置を
もって連鎖状に並んでいるため、電子を蛋白質連鎖に沿
って流すことが可能で、電子の動きの方向を分子レベル
で制御することができる。

第９図に電子伝達蛋白質の連鎖（電子伝達系）の−例と
して、ミトコンドリアの内膜の電子伝達系を模式的に示
す。図において、（８）はミトコンドリアの内膜、（９
）〜０５１は電子伝達蛋白質であり、還元性有機物であ
るＮＡＤ、Ｈ（図中Ｌ）、コハク酸（図中Ｍ）からそれ
ぞれＮＡＤＨ−Ｑ還元酵素（９）。

コハク酸脱水素酵素０ωにより引き抜かれた電子は、Ｎ
ＡＤＨ−Ｑ還元酵素（９）、コハク酸脱水素酵素αｌ→
チトクロームｂａυ→チトクロームＣ１（２）→チトク
ロームｃ０濠→チトクロームａ０４）→チトクロームａ
３Ｑｓｌの経路で伝達し、出口側Ｎで最終的に酸素に渡
され、水を生ずる。

第９図に示した電子伝達蛋白質は電子伝達時に酸化還元
（レドックス）反応を伴い、各電子伝達蛋白質のレドッ
クス電位の負の準位から正の準位へと分子レベルで方向
を制御して電子を流すことができる。

最近の知見によれば、分子レベルで方向を制御して電子
を流すことができる生体の電子伝達系の機能は、電子伝
達蛋白質の中に存在するヘムなどの電子伝達能を有する
機能団の特性によって量子力学的トンネリング機構（例
えば文献Ｊ、Ｊ、１Ｉｏｐｆｉｅ１ｄ：Ｐｒｏｃ、　　
Ｎａｔｈ、　　Ａｃｏｄ、　　Ｓｃｉ、、ＵＳＡ、７１
．３６４０（１９７４）。

に記載）に従って実現されていることが知られている。

したがって、生体内の電子伝達蛋白質と同様の機能分子
、すなわち電子伝達能をもつ機能団とその空間配置を規
定する骨格部分からなる機能分子を人工的に合成し、そ
れを単独あるいは複数分子組合せることにより、生体内
の電子伝達系と同様に電子の移動方向を分子レベルで制
御できると考えられる。

すなわち、この発明に係る有機電子素子材料は、分子内
に電子伝達能を持つ機能団を１個以上有する機能分子を
構成材料とし上記機能間の電子伝達を量子力学的トンネ
リング機構に従わせることにより、上記・電子伝達の方
向に異方性を持たせ、その異方性を制御可能としたもの
である。

〔作用〕

第１図は、電子伝達能をもつ機能団（３）を分子内に２
個もつ機能分子（２）の単分子膜に２つの電極（２ａ）
、　（２ｂ）を設けた場合の模式図である。電子移動は
、機能団間の距離と機能団の電子の波動関数の重なりに
大きく依存するため、図中の実線で示した矢印の領域で
電子が流れるが破線の矢印の領域では電子が流れない。

これにより第２図の如く電極を形成した場合、電極（ｌ
ａ）　−（ｌｂ）間或いは電極（ｌｃ）　−（Ｉｄ）間
では電子が流れるが、電ＦＭ（ｌａ）−（ｌｃ）間、　
（１ａＬ　（ｌｄ）間、　（ｌｂ）−（ｌｄ）間、　（
ｌｂ）　−（ｌｃ）間では電子が流れない、このように
、本件の有機電子素子材料により電子移動の方向性を分
子レベルで制御することができる。この作用を実現でき
る。

生体物質以外の電子材料は現在迄知られていない。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図について説明する。

第３図は、電子伝達能をもつ機能団（３）を分子内に１
個もつ機能分子（３）の三層累積膜を示している。

三層の機能分子（２）を同一の分子で構成すると電子　
。

の移動度は分子（２ａ）から（２ｃ）の方向と分子（２
ｃ）から（２ａ）の方向で同等であるが、三層の機能分
子をそれぞれ異なる分子で構成すると分子（２ａ）から
（２ｃ）の方向と（２ｃ）から（２ａ）の方向の電子の
移動度を異なるものにすることが可能である。本図の場
合も、第２図の場合と同様の原理により電子移動は図中
実線の矢印部分で行なわれ、破線の矢印部分では行なわ
れない。

第４図は、電子伝達能をもつ機能団（３ａ）　、　（３
ｂ）。

（３ｃ）を分子内に３個もつ機能分子（２）の単分子膜
を示している０図中の実線矢印部分で電子移動が起こる
。このように、４ａ能団を電子の量子力学的トンネリン
グが起こる範囲内で任意に配置することにより、電子移
動の通路（バス）を分子レベルで任意に設定することが
できる。

第５図は、電子伝達機能分子を三次元的に配列した場合
の模式図である。機能分子を適当に配列させることによ
り電子は、機能団間を電子移動することが可能であるた
め、例えば矢印で示すように三次元的な電子の移動方向
を分子レベルで制御することができる。

なお、この発明の有機電子素子材料は、機能分子の骨格
部分と機能団とが化学結合しており、さらに機能団の周
囲の骨格部分と機能団とが三次元的な分子間相互作用を
するように作成する。三次元的な分子間相互作用には、
■静電相互作用、■配位結合、■水素結合、■疎水相互
作用などの近距離力がある。これによって機能団の分子
内の位置と配向性を規定でき、任意に異方性を制御でき
る。

第６図は配位結合を利用した場合の機能団と骨格部の相
互作用を示す説明図であり、この例では機能団がヘム、
骨格部がポリペプチドである。図面左側のヘムはポリペ
プチドのヒスチジン残基２個と配位結合しており、右側
のヘムはポリペプチドのヒスチジンおよびメチオニン残
基と配位結合している。このような構成にすることによ
り、２個のヘム間の距離を固定し、かつヘム間の配向性
を相互に同一面内で平行に配位させることができ、量子
力学的トンネリングを起こさせることができる。

第７図は静電作用を利用した場合の２個の機能分子間の
相互作用を示す説明図であり、この例では機能団がヘム
、骨格部がポリペプチドである。

図面左側の分子のヘムはヒスチジン残基と配位結合し、
右側の分子のヘムはヒスチジン残基およびメチオニン残
基と配位結合している。これら２個の機能分子を組合せ
るのに、左側の分子のアミノ酸残基のアンモニウム基と
が−と十の静電作用で接合する分子間力を利用している
。このように構成することにより、機能団間の距離と配
向性を規定できる。

なお、機能団としては、例えばポルフィリン誘導体、フ
タロシアニン誘導体、イソアロキサジン誘専体、ビオロ
ゲン頚、有機金属錯体等の酸化還元物質等が用いられ、
骨格部としては、例えばポリペプチド、ポリヌクレオチ
ド、ポリアミド、ビニルポリマー、ポリエステル、Ｘ電
子共役系ポリマー、ポリイミド、ポリアミドイミド、フ
ェノール系ポリマー等の高分子化合物や、ステアリン酸
。

ドデカン酸等の脂肪酸や、シクロデキストリン等の環状
有機化合物等が用いられる。また、特に、ＸＮ子共役系
ポリマーとしては、ポリアセチレン。

ポリピロール、ポリパラフェニレン等が用いられる。

さらに、骨格部に、金属と直接化学結合する例えばＳ　
Ｈ基、ＳｉＣｌ基等の官能基を有していると化学修飾へ
の利用が容易となる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、分子内に電子伝達能
を持つ機能団を１個以上有する機能分子を構成材料とし
、上記機能団間の電子伝達を量子力学的トンネリング機
構に従わせることにより、上記電子伝達の方向に異方性
を持たせ、その異方性を制御可能としたので、電気伝導
の方向異方性を分子レベルで制御できる有機電子素子材
料が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図はこの発明による有機電子素子材料の作
用を説明する模式図、第３図はこの発明の一実施例によ
る機能団を分子内に一個持つ機能分子の三層累積膜を示
す模式図、第４図はこの発明の他の実施例による機能団
を分子内に３個持つ機能分子の単分子膜を示す模式図、
第５図はこの発明の他の実施例による機能分子を三次元
的に配列した場合を示す模式図、第６図は配位結合を利
用した場合の機能団と骨格部の相互作用を示す説明図、
第７図は静電作用を利用した場合の２個の機能分子間の
相互作用を示す説明図、第８図はＰ形シリコンのエネル
ギー準位を示す説明図、第９図は電子伝達蛋白質の電子
伝達の様子を示す説明図である。 図において、（ｌａ）　〜（ｌｄ）は電極、ｔ２）、　
（２ａ）〜（２ｃ）は機能分子、（３１，（３ａ）〜（
３ｃ）は機能団である。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示すもの
とする。 代理人　　　大　　岩　　増　　雄 第５図 第６図 第７図 第８図 た悄千

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）分子内に電子伝達能を持つ機能団を１個以上有す
   る機能分子を構成材料とし、上記機能団間の電子伝達を
   量子力学的トンネリング機構に従わせることにより、上
   記電子伝達の方向に異方性を持たせ、その異方性を制御
   可能とした有機電子素子材料。
2. （２）機能分子は、分子内に電子伝達能を持つ機能団を
   複数個有し、これらの機能団を相互に電子伝達が可能な
   ように配置したものである特許請求の範囲第１項記載の
   有機電子素子材料。
3. （３）機能分子は分子内に電子伝達能を持つ機能団を１
   個有するものであり、上記機能分子を複数個組合せて上
   記機能団間で電子伝達が可能なように配置した特許請求
   の範囲第１項記載の有機電子素子材料。
4. （４）電子伝達能を持つ機能団は、ポルフィリン誘導体
   、フタロシアニン誘導体、イソアロキサジン誘導体、ビ
   オロゲン類、および有機金属錯体のうちの少なくとも１
   種よりなる酸化還元物質である特許請求の範囲第１項な
   いし第３項の何れかに記載の有機電子素子材料。
5. （５）機能分子は骨格部として、高分子化合物、脂肪酸
   、環状有機化合物、またはこれらの物質の誘導体を有す
   る特許請求の範囲第１項ないし第４項の何れかに記載の
   有機電子素子材料。
6. （６）高分子化合物は、ポリペプチド、ポリヌクレオチ
   ド、ポリアミド、ビニルポリマー、ポリエステル、Π電
   子共役系ポリマー、ポリイミド、ポリアミドイミド、ま
   たはフェノール系ポリマーである特許請求の範囲第５項
   記載の有機電子素子材料。
7. （７）Π電子共役系ポリマーは、ポリアセチレン、ポリ
   ピロール、またはポリパラフェニレンである特許請求の
   範囲第６項記載の有機電子素子材料。
8. （８）脂肪酸は、ステアリン酸またはドデカン酸である
   特許請求の範囲第５項記載の有機電子素子材料。
9. （９）環状有機化合物は、シクロデキストリンである特
   許請求の範囲範囲第５項記載の有機電子素子材料。
10. （１０）骨格部に、金属と直接化学結合を行う官能基を
    有する特許請求の範囲第１項ないし第９項の何れかに記
    載の有機電子素子材料。
11. （１１）官能基はＳＨ基またはＳｉＣｌ基である特許請
    求の範囲第１０項記載有機電子素子材料。