KR101015759B1 - 전기 쌍극자를 갖는 분자 물질로부터 제조된 트랜지스터및 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기 쌍극자를 갖는 유기 물질을 포함하는 분극-의존성 장치에 관한 것이다. 본 분극-의존성 장치는 (a) 길이가 L인 채널 영역에 의해 분리되고, 기재상에 형성된 소스 영역 및 드레인 영역; (b) 채널 영역의 적어도 일부상의 유전성 층; 및 (c) 스위칭가능한 쌍극성 잔기를 갖는 분자를 포함하는, 상기 채널 영역 위의 분자 층을 포함한다. 분자 층 위에 게이트를 부가하여 트랜지스터를 제조할 수 있고, 한편으로는, 게이트를 생략하고, 환경에서의 다양한 변화에 민감한 적당한 물질을 이용하여, 다양한 센서를 제조할 수 있다. 본 발명의 분자 트랜지스터 및 센서는 고밀도 나노스케일 회로에 적당하고, 종래보다 더 저렴하다.
Description
본 발명은 일반적으로 기능적 길이 스케일이 나노미터로 측정되는 전자 장치에 관한 것이고, 보다 상세하게는 스위칭 쌍극자 기를 갖는 분자를 사용한 트랜지스터 및 센서에 관한 것이다.
공지된 바와 같이, 통상적인 필드 효과 트랜지스터(FET)는 반도체 물질로부터 주로 제조되며, 소스(source) 영역 및 드레인(drain) 영역 사이의 반도체 영역의 전기 캐리어가 게이트에 인가된 전압에 의해 영향을 받는다.
트랜지스터의 크기(도 1a의 L)가 나노미터 스케일(<15nm)로 감소되는 경우, 소스 영역 및 드레인 영역 사이의 간격이 너무 작아서 게이트가 캐리어 밀도에 효과적으로 영향을 줄 수 없다. 결과적으로, 나노크기의 FET는 반도체 FET와 동일한 방식으로 작동하지 않을 것이다.
종래의 하이브리드 유기 트랜지스터는 도 1b에 도시된 구조를 갖는데, 이 때 소스 영역 및 드레인 영역 사이의 유기 층의 컨덕턴스(conductance)는, 소스 영역 및 드레인 영역 사이의 컨덕턴스가 도 1a의 반도체 트랜지스터상의 게이트 전압에 의해 제어되는 것과 같은 방식으로 게이트에 인가된 전압에 의해 제어된다. 용어 "하이브리드(hybrid)"는, 채널은 유기 화합물이지만, 그 외 모든 것이 통상적인 Si 기술 레이아웃(layout)인 것을 의미한다(예를 들면, 카간(C.R. Kagan) 등의 문헌[Science, Vol. 286, pp. 945-947 (29 Oct 1999)] 참조). 일반적으로, 비교적 높은 게이트 전압이 유기 층의 컨덕턴스를 변화시키는데 필요하다. 유기 층에 대한 컨덕턴스 및 이동성은 낮고(보통 1cm2/(V·s) 미만), 게이트 전압은 크므로(30 내지 50V), 트랜지스터의 스위칭 속도는 느리다. 이런 디자인에서 전류 채널은 유기물이고, 게이트 산화물 및 게이트는 통상적인 규소 기술에서 사용되는 것들이다. 대조적으로, 본원에 개시된 실시양태에서, 유기 층은 인가된 외부 필드에 의해 제어되는, 분극을 갖는 절연체이다. 반도체 채널에 대한 게이팅 효과는, 채널과 직접 접촉될 수 있는 유기 강유전성 절연체에 의해 생성되거나 유전성 층에 의해 이로부터 분리될 수 있는 정전기적 포텐셜에 의해 수행된다.
종래의 강유전성 트랜지스터는 도 1c에 도시된 구조를 가지며, 하부 강유전성 층의 분극이 소스 영역 및 드레인 영역 사이의 하부 반도체 층의 컨덕턴스에 영향을 준다. 이런 트랜지스터는 비휘발성 메모리 용도에 사용될 수 있고, 보통 강유전성 메모리 필드 효과 트랜지스터(FEMFET)로 불린다. 짧은 게이트 장치(L이 100nm 미만) 제조시의 문제점은, 크기가 보다 작아지면 강유전성 요소의 스위칭 성질이 명백히 열화된다는 것이다.
종래의 화학적 FET(chemFET) 센서는 도 1d에 도시되어 있고, 이는 특정한 화학 종을 검출하기 위해 사용된다. chemFET는, 모두 절연 층상에 성장된 채널 영역 및 소스 영역 및 드레인 영역 전극을 포함한다. 채널 영역상에 직접 화학 흡착될 수 있는 주변 환경의 분자에 채널이 노출된다. 화학 흡착은 채널에서 캐리어의 밀도를 변화시켜, 결국 채널의 컨덕턴스를 변화시킨다. 컨덕턴스의 변화는 분자 종을 검출하는데 이용된다(따라서, "chemFET"이다). chemFET 장치는 예컨대 바바로(A. Barbaro) 등의 문헌[Advanced Materials, Vol. 4, pp. 402-408 (1992)]에 기술되어 있다.
구동용 분자 물질에 기반한 트랜지스터 및/또는 센서 요소에 대해서는 차후 기술한다.
발명의 요약
본원에 개시된 제 1 실시양태는 전기 쌍극자를 갖는 유기 물질을 포함하는 분자 분극-의존성 장치에 관한 것이다. 상기 분자 분극-의존성 장치는,
(a) 길이가 L인 채널 영역에 의해 분리되고, 기재상에 형성된 소스 영역 및 드레인 영역; 및
(b) 스위칭가능한 쌍극성 잔기를 갖는 분자를 포함하는, 상기 채널 영역 위의 분자 층
을 포함한다.
을 포함한다.
채널 영역의 적어도 일부상에 유전성 층이 있을 수도 있고 없을 수도 있다. 유전성 층이 존재하는 경우, 분자 층은 유전성 층상에 형성된다. 유전성 층이 존재하지 않는 경우, 분자 층은 채널 영역상에 형성된다.
본원에 개시된 제 2 실시양태는 전기 쌍극자를 갖는 유기 물질을 또한 포함하는 트랜지스터에 관한 것이다. 본 트랜지스터는,
(a) 길이(L)가 약 1 내지 100nm 범위이고 반도체 또는 유기 물질로부터 제조되고 반도체 물질을 포함하는 채널 영역에 의해 분리되고, 기재상에 형성된, 소스 영역 및 드레인 영역;
(b) 스위칭가능한 쌍극성 잔기를 갖는 분자를 포함하는, 상기 채널 영역 위의 분자 층; 및
(c) 두께(w)가 약 1 내지 100 nm의 범위인, 상기 분자 층상의 게이트 전극을 포함한다.
상기와 같이, 채널 영역의 적어도 일부상에 유전성 층이 있을 수도 있고 없을 수도 있다. 유전성 층이 존재하는 경우, 분자 층은 유전성 층상에 형성된다. 유전성 층이 존재하지 않는 경우, 분자 층은 채널 영역상에 직접 형성된다.
본원에 기술된 바와 같은, 전기 쌍극자를 갖는 유기 물질을 포함하는 분자 트랜지스터는 이전의 반도체 및 유기 트랜지스터에 비해 몇가지 장점을 갖는다. 즉, 이것은 고밀도 나노스케일의 회로에 적당하고, 트랜지스터의 게이트가 소스 영역 및 드레인 영역 사이의 컨덕턴스에 효과적으로 영향을 줄 수 있고, 종래의 것보다 덜 비싸다. 마찬가지로, 유사한 구성성분으로 제조된 센서는 종래의 센서에 비해 유사한 장점을 가질 것이다.
본원에 개시된 제 3 실시양태는 전기 쌍극자를 갖는 유기 물질을 또한 포함하는 센서에 관한 것이다. 본 센서는,
(a) 길이(L)가 약 1 내지 100nm 범위인 채널 영역에 의해 분리되고, 기재상에 형성된 소스 영역 및 드레인 영역; 및
(b) 스위칭가능한 쌍극성 잔기를 갖는 분자를 포함하는, 상기 채널 영역 위의 분자 층
을 포함한다.
을 포함한다.
상기와 같이, 채널 영역의 적어도 일부상에 유전성 층이 있을 수도 있고 없을 수도 있다. 유전성 층이 존재하는 경우, 분자 층은 유전성 층상에 형성된다. 유전성 층이 존재하지 않는 경우, 분자 층은 채널 영역상에 직접 형성된다.
센서는, (a) 센서를 광 센서로서 작동시키는 광자, (b) 센서를 화학적 또는 생물학적 센서로서 작동시키는 pH, 습기, 화학 종, 및 생물학제, (c) 센서를 열 센서로서 작동시키는 온도, 및 (d) 센서를 압력 센서로서 작동시키는 압력을 포함하지만, 이에 한정되지 않는 다양한 환경적 파라미터에 대해 적절하게 반응한다.
도 1a는 종래의 반도체 필드 효과 트랜지스터(FET)를 도시한 것이고;
도 1b는 종래의 유기 FET를 도시한 것이고;
도 1c는 종래의 강유전성 트랜지스터를 도시한 것이고;
도 1d는 종래의 화학적 FET를 도시한 것이고;
도 2는 나노-스케일의 분자 FET의 한 실시양태를 도시한 것이고;
도 2a는 도2의 다른 실시양태를 도시한 것이고;
도 3은 나노-스케일의 분자 센서의 한 실시양태를 도시한 것이고;
도 4a 내지 4b는 공지된 2개의 상이한 상의 비닐리덴 플루오라이드 및 트라이플루오로에틸렌의 공중합체를 도시한 것으로, 도 4a는 전(全)-트랜스(TTTT) 배열이고, 도 4b는 교대 트랜스-고쉬(gasuche)(
) 배열이다.
정의
본원에 사용된 용어 "자가-조립"은 시스템 구성성분 자체로 인해 일부 기하학적 패턴을 자연적으로 채택하는 시스템을 의미한다. 이 시스템은 이런 배열을 채택함으로써 적어도 국부적 최소 에너지 값을 달성한다.
용어 "단일 배열성"은, 스위치가 산화 또는 환원 반응과 같은 비가역적 공정을 통해 단 한 번만 그의 상태를 변경시킬 수 있음을 의미한다. 즉, 이런 스위치는 예컨대 프로그램가능한 판독-전용 메모리(PROM)의 기초가 될 수 있다.
용어 "재배열성"은, 스위치가 산화 또는 환원과 같은 가역적 공정을 통해 또는 전기장-유도 기계적 운동에 의해 그의 상태를 여러 번 변경시킬 수 있음을 의미한다. 즉, 이런 스위치는 예컨대 랜덤 액세스 메모리(RAM)의 메모리 비트와 같이 여러 번 개방 및 폐쇄될 수 있다.
분자에 적용되는 용어 "쌍안정성(bi-stable)"은 에너지(또는 활성화) 장벽에 의해 분리되는 비교적 낮은 두 개의 에너지 상태를 갖는 분자를 의미한다. 이 분자는 한 상태에서 다른 상태로 비가역적으로 스위칭되거나(단일 배열성) 또는 한 상태에서 다른 상태로 가역적으로 스위칭될 수 있다(재배열성).
마이크론-스케일 치수는 1 마이크로미터 내지 수 마이크로미터 범위의 크기의 치수를 의미한다.
서브-마이크론 스케일 치수는 1 마이크로미터 내지 0.05 마이크로미터 범위의 크기의 치수를 의미한다.
나노미터 스케일 치수는 0.1 나노미터 내지 50 나노미터(0.05 마이크로미터) 범위의 크기의 치수를 의미한다.
마이크론-스케일 및 서브마이크론-스케일 와이어는 0.05 내지 10 마이크로미터 치수의 폭 또는 직경, 수십 나노미터 내지 마이크로미터 범위의 높이, 수 마이크로미터 이상의 길이를 갖는 막대 또는 리본 형상의 도체 또는 반도체를 의미한다.
"호모(HOMO)"는 "최고 준위 점유 분자 오비탈(highest occupied molecular orbital)"의 통상적인 화학적 두문자인 반면, "루모(LUMO)"는 "최저 준위 점유 분자 오비탈(lowest occupied molecular orbital)"의 통상적인 화학적 두문자이다. 호모 및 루모는 분자의 전자 전도성을 제공한다.
종래 구조
도 1a에 도시된 바와 같이, 종래의 반도체 FET(10)는 채널 영역(16)에 의해 분리되고 반도체 기재(18)에 형성된 소스 영역(12) 및 드레인 영역(14)을 포함한다. 소스 영역(12) 및 드레인 영역(14)은 채널 영역(16)과 반대되는 도판트 전도성을 갖는다. 유전성 층(20)이 상기 소스 영역(12)과 상기 드레인 영역(14) 사이의 기재(18)의 표면상에 형성되고, 금속 게이트(22)가 상기 유전성 층상에 형성된다. 소스 영역(12)과 드레인 영역(14)에 접촉부(contact)(미도시)가 형성될 수 있다. 게이트(22)에 전압을 인가하여 소스 영역(12)과 드레인 영역(14) 사이의 캐리어(전자-정공) 흐름을 제어한다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 종래의 유기 FET(110)는, 모두 유전성 층(120)상에 형성된 소스 영역(112) 및 드레인 영역(114)을 포함한다. 유전성 층은 게이트(122)상에 형성된다. 유기 층(116)이 소스 영역(112) 및 드레인 영역(114)을 분리하고, 채널 영역 역할을 한다. 또한, 게이트(122)에 전압을 인가하여 소스 영역(112) 및 드레인 영역(114) 사이의 유기 층(116)을 통해 컨덕턴스를 제어한다.
도 1c에 도시된 바와 같이, 종래의 강유전성 FET(210)는 반도체 기재(218)상에 형성된 소스 영역(212), 드레인 영역(214) 및 이들 사이의 채널 영역(216)을 포함한다. 반도체 FET의 유전성 층(20) 대신 강유전성 층(220)을 사용하여 게이트(222)와 채널 영역(216)을 분리한다.
도 1d에 도시된 바와 같이, 종래의 chemFET(310)는 절연성 기재(318)상에 형성된 소스 영역(312), 드레인 영역(314), 이들 사이의 채널 영역(316)을 포함한다. 흡착된 분자(324)가 채널 영역(316)상에 직접 화학 흡착되고, 이들의 존재는 채널의 캐리어 밀도를 변화시켜, 결과적으로는 채널의 컨덕턴스를 변화시킨다.
본 실시양태의 장치의 구조
도 2에서, 본 트랜지스터 구조(410)의 실시양태는 채널 영역(416)에 의해 분리된 소스 영역(412) 및 드레인 영역(414)을 포함한다. 바람직하게는, 채널 영역(416)은 반도체를 포함한다. 유전성 층(420)이 소스 영역(412) 및 드레인 영역(414) 사이의 채널 영역(416)상에 형성되고, 게이트(422)가 유전성 층(420) 위에 형성된다. 그러나, 통상적인 트랜지스터 구조(도 1a)와 비교 시에, 추가의 유기 층(424)이 게이트(422) 및 유전성 층(420) 사이에 삽입된다. 유전성 층(420)은 반도체(채널 영역(416)) 및 유기 층(424) 사이의 계면 전하를 제거하기 위해 필요할 수 있다. 다른 한편, 분자 및 반도체 사이의 직접적인 결합과 같은 다른 어떤 방법에 의해 표면 전하가 제거된다면, 유전성 층(420)이 생략될 수 있다. 이런 경우, 분자 층(424)은 도 2a에 도시된 바와 같이 채널 영역(416)상에 직접 형성된다.
종래의 트랜지스터 구조와의 상기 차이점 외의 또다른 주된 차이점은, 본원에 개시되고 청구된 트랜지스터가 나노미터 스케일이라는 것이다; 즉, 게이트의 길이(L) 및 두께(w)가 각각 1 내지 100nm의 범위이다.
본원에 개시된 다양한 실시양태의 실시에 사용된 유전체 물질의 적당한 예는 Si02, Al203, MgO, CaO, ZrSi04, ZrO2, Y2
03, HfSi04, Y203, Hf02, Si3N
4, SrO, La203, Ta203, BaO, 및 Ti02를 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다.
이론
게이트(422) 및 드레인 영역(414) 사이에 전압(Vg)을 인가하는 경우, 게이트 하부의 쌍극자 모멘트를 갖는 분자가 분극될 수 있다. 게이트 전압(Vg) 및 반도체의 상부 표면 포텐셜(φs)은 다음과 같은 관계에 있다:
상기 식에서, C는 하기 수학식 2로 표시되는 커패시턴스이다:
상기 식에서,
및
이 때, εm은 분자 층(424)의 유전 상수이고, dm은 분자 층의 두께이고; εi는 유전성 층(420)의 유전 상수이고, di는 분자 층의 두께이다. 분자 층(424)의 분극도는 P로서, 전기장 및/또는 전기장(E)의 히스토리(history)의 함수이며 전기장에 의해 스위칭될 수 있다. 심볼 σs는 반도체 층(416)의 면적 당 전하 밀도를 의미한다. 금속(게이트 422) 및 분자 층(424)이 직접 접촉되기 때문에, 분자 층의 넷(net) 전하는 0으로 가정할 수 있다.
강유전성 고체 상태 물질과 비교시에, 분자내의 양전하 및 음전하의 많은 이동 때문에, 상기 분자는 보다 큰 쌍극자 모멘트를 가질 수 있다. 보통, 상기 분자는 작은 분자 체적(약 10-29m3) 내에 수 디바이(Debye)(약 3.3x10-30 쿨롬-미터)의 쌍극자 모멘트를 가질 수 있다. 잘-배열된 경우, 극성 분자의 어레이를 포함하는 분자 결정의 분극도는, 보고된 가장 좋은 강유전성 고체 상태 물질에 필적하는, 대략 0.1C/m2에 도달될 수 있다. 수학식 1로부터 계산된 바와 같이, 이런 분극도 및 약 1nm의 두께를 갖는 분자 박막은, 게이트 하부의 반도체의 전도율에 영향을 주기에 충분히 큰, 1V 보다 큰 반도체상의 표면 포텐셜(φs)을 발생할 것이다(하기 장치 분석 설명을 참조할 것).
강유전성 고체 상태 층은 일반적으로, 각각의 영역 내에서 분극이 동일한 방향인 도메인이라 불리는 영역으로 이루어진다. 일반적으로 도메인은, 강유전체의 표면에서의 분극 자체의 의해 생성된 구속 전하가 상부 또는 바닥 표면에서의 높은 전도성 전극에 의해 완전히 차폐되지 않을 때에 나타난다. 전기적 차폐가 매우 우수한 경우, 강유전성 필름 및 기재의 상이한 격자 상수에 의해, 부합되지 않는 변형(strain)이 일어나기 때문에, 도메인은 강유전성 에피택셜(epitaxial) 필름에 여전히 나타날 수 있다. 공지된 분자 강유전체는 "연질(soft)" 물질이고, 분자쇄가 서로 느슨하게 밀집되어 있기 때문에 응력을 완화시킬 수 있다. 이 경우, 크기가 나노미터 스케일로 줄어들면, 분자는 모노도메인 상태에 머무를 수 있고, 스위칭가능하다.
적용
1. 나노스케일의 비휘발성 메모리 트랜지스터
분자 층(424)의 분극 방향 및/또는 크기는, 한 방향으로 스위칭 되거나, 상이한 방향을 따라 게이트(422) 및 반도체 층(416) 사이에 전기장을 인가하여 다른 방향으로 스위칭될 수 있다. 전기장이 제거된 후, 분자 층(424)의 강유전체 분극은 남아 있으면서 반도체 층(416)의 내부의 캐리어의 밀도 및 유형에 영향을 주고, 이에 따라 소스 영역(412) 및 드레인 영역(414) 사이의 전류를 설정할 것이다. 이 전류로부터, 게이트(422)에 의해 기재된 분자 분극도가 검출 및 판독된다. 이것은 FEMFET와 유사하지만, 분자 층(424)을 가지며, 장치의 크기가 보다 작아져서, 고밀도 나노 스케일 회로에 적당하다.
2. 로직 어플리케이션(logic application)에 대해 이득(gain)을 갖는 나노스케일 트랜지스터
통상적인 트랜지스터(10)를 나노미터 스케일로 줄이면, 부역치(subthreshold) 전류는 동일하게 유지되지만, 약한 반전의 개시를 위한 표면 포텐셜은 측정되지 않는다. 그러므로, 트랜지스터(10)는 더 이상 기능할 수 없다. 즉, 이것은 로직 어플리케이션에 중요한 전압 이득을 잃게 될 것이다. 게이트(422) 및 반도체 층(416) 사이의 강유전체 쌍극자 모멘트를 갖는 분자 층(424)은, 수학식 1에 기초하여 P dm/(ε0 εm) 정도만큼 부역치 전압을 감소시킬 것이다. 자발적 분극이 크고(10-2 C/m2 초과), 유전 상수는 비교적 작은(예: εm가 대략 1 내지 100) 경우 큰 이득이 생긴다. 분자 층(424)을 갖는 경우, 유전성 층(420)의 두께가 감소 또는 제거될 수 있으면, 분자 전기 쌍극자 모멘트가 전기장의 함수로서 증가하여, 결과적으로 εi와 비교 시에 유전 상수 εm의 값이 보다 높게 되고, 수학식 1의 커패시턴스(C)의 값이 보다 크게 되어, 결국 보다 큰 φs 및 이득을 얻게 된다. 그러므로, 스케일이 나노미터 크기로 작아지는 경우, 큰 전기적 분극(P)을 갖는 분자 층(424)은 트랜지스터(410)의 이득을 증가시킬 것이다.
3. 센서
게이트(422)가 없는 경우(도 3), 소스 영역(412) 및 드레인 영역(414) 사이의 전류는 분자(424)의 분극에 의해 여전히 영향을 받을 수 있고, 환경에 의해 영향을 받는다. 분극은 광자 및 이들의 강도에 의해 변할 수 있으며, 결과적으로 장치(510)는 광 센서로서 작동할 것이다. 분극은 화학적 환경, 예컨대 pH 값, 습기, 화학 종, 및 생물학적 요소 등에 의해 변할 수 있으며, 결과적으로 장치(510)는 화학적 또는 생물학적 센서로서 작동할 것이다. 분극은 온도에 의해 변할 수 있으며, 결과적으로 장치는 열 센서로서 작동할 것이다. 분극은 주변 압력에 의해 변할 수 있으며, 결과적으로 장치는 압력 센서로서 작동할 것이다. 유사하게, 환경을 변화시켜 분자(424)의 분극에 영향을 주면 이런 변화를 검출 및 측정하기 위해 사용될 수 있는 센서(510)가 생성된다.
제조
트랜지스터(410) 또는 센서(510)의 제조에 사용되는 반도체 물질은 C, Si, Ge, GaAs, InP, InAs, GaP, AlAs, AlSb, GaSb, InSb, InN, AlN, GaN 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는 통상의 반도체 물질 중 임의의 것일 수 있다. 탄소는, 탄소 나노튜브가 반도체 특성을 보인다는 사실을 근거로 상기 리스트에 포함된다.
나노스케일 반도체 구조(410, 510)는 탄소 나노튜브(예: 조우(C. Zhou) 등의 문헌["Modulated Chemical Doping of Individual Carbon Nanotubes", Science, 290,1552 (2000)] 참고) 또는 화학적 및 물리적 방법에 의해 성장된 Si 나노와이어(예: 모랄레스(A.M. Morales) 등의 문헌["A Laser Ablation Method for the Synthesis of Crystalline Semiconductor Nanowires", Science, Vol. 279, pp. 208-211 (9 Jan 1998)] 참고)와 같이 자가-조립 방법에 의해 제조될 수 있다.
나노스케일 반도체 구조(410, 510)는, 먼저 2차원 반도체 층(416)을 성장시킨 후, 예컨대 e-빔과 같은 나노제작 공정 또는 임프린팅 리소그래피를 사용하여 나노스케일의 구조를 형성함으로써 제조된다(예: 초우(Stephen Y. Chou) 등의 문헌["Ultrafast and direct imprint of nanostructures in silicon", Nature, Vol. 417, pp. 835-837 (20 June 2002)] 참고).
분자가 안정적 결합으로 유전성 층(420) 또는 반도체 표면(416)에 부착되어 근접-밀집 분자 층을 형성하는 자가-조립 방법에 의해 분자 층(424)이 형성될 수 있다.
먼저 분자가 근접-밀집 층을 형성한 후 유전성 층(420) 또는 반도체 표면(416)으로 이동하는 랑무어-블로젯 방법에 의해 분자 층(424)이 형성될 수 있다.
열 증발법에 의해 분자 층(424)이 형성될 수 있다.
스핀-온 기술에 의해 분자 층(424)이 형성될 수 있다.
소스 영역(412), 드레인 영역(414) 및 게이트(422)는 통상적인 반도체 공정으로 e-빔 또는 임프린팅 리소그래피와 같은 나노제조 공정에 의해 제조되어 나노스케일의 구조를 형성함으로써 제조될 수 있다(상기 초우의 문헌을 참조).
분자
분자 층(424)에 사용된 분자는 스위칭가능한 쌍극성 잔기를 포함해야 한다. 바람직하게는, 분자는 쌍안정성 스위칭가능한 쌍극성 잔기를 포함한다. 쌍안정성은 로직 및 센서와 같은 비메모리 용도에서는 임의적이지만, 메모리 용도에서는 필수적이다.
스위칭가능한 쌍극성 잔기를 갖는 분자의 한 실시양태는 랑무어-블로젯 필름을 형성할 수 있는, 잘 알려진 분자 강유전체인 PVDF(폴리비닐리덴 플루오라이드, (CH2CF2)n-(CHF-CF2)m) 분자 랜덤 공중합체이다. PVDF는 도 4a 내지 4b에 도시된 바와 같은 2.6Å 간격의 선형 불화 탄화수소 구축(CH2-CF2) 단위이다. PVDF쇄는, 전자음성 불소로부터 전자양성 수소로 향하는 넷(net) 쌍극성 모멘트를 가지며, 거의 중합체 사슬에 수직인 넷 쌍극자 모멘트를 생성한다. 상기 쇄는, 분극도 P=0.13 cm-2를 생성하는 평행 쌍극자를 갖는 준-6각 근접-밀집 "베타-상" 구조로 결정화될 수 있다. 쇄에 직각인 큰 전기장을 인가함으로써 폴링(poling) 및 스위칭을 실시하여 분극 방향을 전환시킨다. PVDF의 상유전성(paraelectric)-강유전성 상 전이 온도는 이것의 융점 이상이다. 그러므로, 대부분의 강유전체 성질 연구는 (CH2-CF2)n-(CHF-CF2)m 구조를 갖는 비닐리덴 플루오라이드 및 트라이플루오로에틸렌 단량체의 랜덤 공중합체인 P(VDF-TrFE) 공중합체상에서 수행되었다. 50% 이하의 TrFE를 갖는 공중합체는 강유전성이지만, 중합체의 일부 수소가 불소로 치환되기 때문에 분극도 및 전이 온도가 감소되어 중합체 쇄의 넷 쌍극자 모멘트가 감소된다. 방사된 중합체 필름은 전기장 및 필름 두께에 좌우되는 빠른(약 1ms) 강유전성 스위칭을 보인다.
가장 연구가 많이 된 공중합체인 P(VDF-TrFE 70:30)은 P=0.1Cm-2의 최대 자발적 분극, Tc=100℃에서의 강유전성-상유전성 1차 상 전이, 및 큰 온도 이력현상(hysteresis)을 갖는다. 상 전이에서, 쌍극자-배열 구조(도 4a)로 정렬된 전-트랜스(TTTT) 배열에서, 비극성 구조(도 4b)로 정렬된 교대 트랜스-고쉬(
) 배열로 구조가 변한다. 또한, 쇄의 한 면상의 일부 수소 원자가 보다 큰 불소 원자로 치환되었기 때문에, 중합체는 순수한 PVDF보다 약간 큰 단위 셀을 갖는다. 강유전성 P(VDF-TrFE 70:30)의 고급 박막은 랑무어-블로젯 단층 이동 기술의 수평 샤퍼(Schaefer) 변형법에 의해 제조될 수 있다. 강유전성 LB 필름은 평행쇄 결정의 랜덤 배향 영역을 갖는 다결정성(polycrystalline)이다. 강유전성 LB 필름은 강한 벌크성 강유전성 1차 상 전이 및 Tc=80℃ 미만에서 완전 가역성 분극 스위칭을 갖는다(상기 내용은 블리노브(Blinov) 등의 문헌["Two-dimensional ferroelectrics", Uspeckhi Fizicheskikh Nauk (Physics-Uspekhi), Vol. 43, pp. 243-257 (2000)]을 참조).
스위칭가능한 쌍극성 잔기를 갖는 분자의 다른 예는 하기 설명된 분자들을 포함한다. 이런 극성 분자는 인가된 외부 전기장에 의해 배열될 수 있는 쌍안정성 극성 기를 갖는다. 이런 분자들은 본 발명의 실현에 바람직한 특성을 가질 수 있고, 본 실시양태를 제조하기 위해 사용되는 디자인의 예시로서 도시되고, 목적하는 분자를 제조하기 위해 사용되는 디자인의 예시로서 도시된다. 에너지 장벽은 쌍극자 로터(rotor)를 스테이터(stator)(분자의 골격 부분)에 결합시키는 수소 결합을 파괴 및 형성하는 에너지로 주어진다. 장벽은 0.2 내지 0.6 eV의 범위로 추정될 수 있고, 분자의 다양한 조성물에 의해 변할 수 있다. 보다 작은 장벽은, 강유전성 유형의 상이한 분자상의 쌍극자 사이의 상호작용이 있는 경우, 분자의 특정 배열 상태의 보다 짧은 수명 및 보다 작은 정렬(ordering) 온도에 상응한다. 분자는 외부 필드(field)에 의해 정렬될 수 있지만, 자발적 강유전성 정렬은 원칙적이기 보다는 특정 시스템의 예외적 경우에서 관찰될 것이다. 이런 파라미터에 좌우되어, 다양한 분자 시스템의 휘발성 및 비휘발성 용도로 개발될 수 있다.
상기 식에서,
A는 CH; N; C-알킬; C-할로겐; C-OH; C-OR(에테르); C-SR(티오에테르); C-아마이드; C-에스터 또는 티오에스터이고;
B는 CH; N; C-알킬; C-할로겐; C-OH; C-OR(에테르); C-SR(티오에테르); C-아마이드; C-에스터 또는 티오에스터이고;
D 및 G는 C이고;
E는 CH; N; C-알킬; C-할로겐; C-OH; C-OR(에테르); C-SR(티오에테르); C-아마이드; C-에스터 또는 티오에스터이고;
F는 CH; N; C-알킬; C-할로겐; C-OH; C-OR(에테르); C-SR(티오에테르); C-아마이드; C-에스터 또는 티오에스터이고;
J는 CH; N; C-알킬; C-할로겐; C-OH; C-OR(에테르); C-SR(티오에테르); C-아마이드; C-에스터 또는 티오에스터이고;
K는 CH; N; C-알킬; C-할로겐; C-OH; C-OR(에테르); C-SR(티오에테르); C-아마이드; C-에스터 또는 티오에스터이고;
M은 CH2; CF2; CCl2; CHOCH3; CHOH; CHF; CO; CH=CH; CH2-CH2; S; O; NH; NR; NCOR; 또는 NCOAr이고;
Q는 CH; 질소; 인; 또는 붕소이고;
Y는 O 또는 S이고;
Z는 R; NHR; OR; SR; CHR-NHR; CHR-OR; CHR-SR; CHR-X(할로겐); NR-NHR; NR-OR; 또는 NR-SR이고, 이때 R은 H 또는 알킬이다.
상기 분자는 알렉산드레(Alexandre M. Bratkovski) 등이 2001년 1월 12일에 출원한 출원 제 No.09/759,438호["Bistable Molecular Mechanical Device with an Ap- pended Rotor Activated by an Electric Field for Electronic Switching, Gating and Memory Applications"]에 개시되어 있다. 이 특허 출원에서, 조립되어 메모리, 로직 및 통신 기능을 제공하는 크로스바(crossbar) 회로를 제조할 수 있는 나노미터-스케일의 가역성 전자 스위치가 제공된다. 전자 스위치 또는 교차-와이어 장치는, 한 와이어가 다른 와이어와 0° 이외의 각으로 교차하는 교차점을 형성하는 한 쌍의 교차된 와이어, 및 교차점에서 교차된 와이어 쌍을 연결시키는 하나 이상의 커넥터 종을 포함한다. 교차점은 나노미터의 기능적 치수를 갖는다.
적당한 분자의 추가적 실시양태는 골격이 (a) 3개 초과의 융합 벤젠 고리, (b) 5-원 고리, (c) 7-원 고리, (d) 포화 고리 및 (e) 기타 포화 및 불포화기(쌍극자 기를 지지하고/지지하거나 분자의 골격의 일부를 구성함)를 함유할 수 있는 분자를 포함한다.
본원에 적당하게 사용되는 분자의 또 다른 예는 다이오드 및 스위치 기능 모두를 갖는 단일 분자 종을 포함한다. 상기 분자 종은 화학식 II에 의해 나타낸다.
상기 식에서,
A 및 B는 동일하거나 상이한, 전도성 또는 비전도성 잔기이고, I는 A와 B 사이의 절연 브릿지이고, CL 및 CR은 각각 좌측 및 우측 전극에 대한 커넥터이고, "+" 및 "-"는 쌍극성 잔기를 의미한다.
이런 구조를 갖는 분자 종의 특정 예는 다음에 도시된 예와 같다(상태 1 및 2):
다른 예는 다음과 같다:
추가적 예는 화학식 1a(구조 1a; 상태 1) 및 화학식 1b(구조 1b; 상태 2)의 두 상태를 도시한다.
화학식 1a(구조 1a)는 상태 1의 분자의 예를 도시한다. 쌍극자는 아마이드 기 -CONH2로 표기시되는데, 산소 카보닐(=O)은 "-"이며, 아마이드(-NH2)는 "+"이다. 기 A 및 B는 각각 나프탈렌 및 벤젠으로 표시된다. -CH2SH기(연결기 CL, CR)에 의해 (금) 전극(화학식 1a(구조 1a)에는 미도시)으로 연결된다.
화학식 1b(구조 1b)는 상태 1의 위치에 대해서 180° 회전된 쌍극자를 볼 수 있는 상태 2의 조합 분자를 도시한다.
이런 쌍극자-함유 분자의 추가적 예는 다음과 같다:
한 실시양태에서, 화학식 II의 A 및 B 잔기는 비전도성이다. 비전도성 A 및 B 잔기의 예는 쌍극자 기를 지지하기 위한 포화 탄화수소쇄 또는 고리이다. 상기 절연성 기는 공액결합 기보다 덜 분극성이고, 쌍극자에 의해 생성된 전기장을, 공액결합된 기와 동일한 정도로 차폐하지 않는 것으로 여겨진다.
다른 실시양태에서, A 및 B 잔기는 전도성이고, 비교적 작은 호모-루모 갭(약 2 내지 6 eV), 및 이들의 호모, 루모 및 이웃 분자 오비탈이 실질적으로 기의 전체 길이에 대해 비편재화(delocalization) 및 연장되는 특징을 갖는다. 전도성 기 A, B는 공액결합된 탄화수소 및 방향족 호모- 및 헤테로-카보사이클을 포함할 수 있다. 전도성 단위의 예는 다음과 같다:
또한, 기 A, B는 다양한 측쇄 기, 예컨대 알케인(예: -CH3) 또는 기타 작용성 기(예: -NH2, -NO2, -CN, -OH, -COOH 또는 -NO)를 부착시킴에 의해 개질될 수 있다. 중요한 디자인 특성은 전도성 기 A 및 B의 비등가성이다. 구체적으로, 이들은 상이한 에너지의 각각의 루모를 가져야 한다. 바람직하게는, 전도성 기 A 및 B의 루모 사이에서의 에너지 간격은 최소 0.1eV이다.
화학식 II에서, 절연 기(I)는 비교적 큰 호모-루모 갭(약 6 내지 10 eV)의 특성을 갖는다. 절연 기(I)는 고리형 또는 비고리형 포화 탄화수소를 포함한다. 절연 기(I)의 예는 다음과 같다:
화학식 II에서, 절연 잔기(I)는 다양한 측쇄 기, 예컨대 알케인(예: -CH3) 또는 기타 작용성 기(예: -NH2, -NO2, -CN, -OH, -COOH 또는 -NO)를 부착시킴에 의해 추가로 개질될 수 있다. 절연 브릿지(I)의 중요한 특성은, 이것에 의해 연결되는 두 개의 전도성 잔기 A와 B 사이에 충분한 전기 절연성을 제공하는 것이다. "충분한 전기 절연성"은 두 전도성 잔기 A, B의 분자 오비탈 사이의 혼성화가 작다(1% 미만)는 것을 의미한다. 이는 오비탈 에너지가 쌍극성 기의 전기장의 영향 하에 독립적으로 확실히 변하게 한다. 필요한 절연성은 절연 브릿지(I)의 길이를 적절하게 선택하여 달성된다. 이런 적절한 선택은 당업자의 능력 내에서 과도한 실험 없이 적절히 잘 수행될 수 있을 것으로 생각된다.
쌍극자는 큰 쌍극자 모멘트(4 Debye 초과)를 갖는다. 이는, 반대 측에 전자 공여체 및 수용체가 부착된 잔기를 사용하여 수행될 수 있다. 다르게는 쌍극자는 양쪽성이온 형태일 수 있다. 또한, 쌍극자는, 일반적으로 하나 이상의 산소 원자에 의해 강하게 국부적으로 집중된 음극을 가져 다이오드-스위치 분자의 고정 부분과 수소 결합을 형성해야 한다. 쌍극자의 중요한 마지막 특성은, 쌍극자 회전에 대한 낮은 에너지 장벽을 보증하는 단일 또는 삼중 결합을 통해 나머지 분자에 연결되는 것이다. 쌍극자 기의 예는 다음과 같다:
측쇄 또는 커넥터 기 CL, CR는 전극으로의 연결을 제공한다. 그러므로, 이들의 선택은 독립적이지 않고, 전극의 물질 및 장치 제조 방법과 조화되어야 한다. 예컨대, 금, 은 또는 다른 귀금속상의 자가-조립의 경우, 측쇄 기 CL, CR은 티올 또는 티올-말단 알켄일 수 있다. 랑무어-블로젯 조립의 경우, 측쇄 기 CL, CR은 -COOH로 종결된 쇄 또는 기일 수 있다. 예는 다음과 같다.
쌍극성 분자가 부착되는 전극은 금속 또는 반도체일 수 있다. 물질의 선택은 장치 제조 방법, 분자 종과의 화학적 혼화성(compatibility), 및 일함수 값에 따른다. 일함수는 분자 루모에 대한 전극의 페르미(Fermi) 수준의 위치를 결정한다. 또한, 분자의 양 면상에 상이한 두 전극을 사용하는 것도 본원에 개시된 실시양태의 범위 내인 것으로 고려된다.
본원에 개시된 트랜지스터 및 센서는 나노스케일의 장치에 사용될 것으로 기대된다.
Claims (32)
- (a) 1 내지 100nm의 길이(L)를 갖는 채널 영역에 의해 분리되고, 기재상에 형성된 소스(source) 영역 및 드레인(drain) 영역; 및(b) 스위칭가능한 쌍극성 잔기를 갖는 분자를 포함하는, 상기 채널 영역 위의 분자 층을 포함하되,상기 분자가 하기 화학식 II를 포함하는 분자 분극-의존성 장치:화학식 II
상기 식에서,A 및 B는 동일하거나 상이한, 전도성 또는 비전도성 잔기이고, I는 A와 B 사이의 절연성 브릿지이고, CL 및 CR은 각각 좌측 및 우측 전극 커넥터이고, "+" 및 "-"는 쌍극성 잔기를 나타낸다. - 제 1 항에 있어서,상기 분자 층상에 두께가 w인 게이트 전극을 추가로 포함하는 분자 분극-의존성 장치.
- 제 2 항에 있어서,w가 1 내지 100nm 범위의 값을 갖는 분자 분극-의존성 장치.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 채널 영역이 반도체 물질을 포함하는 분자 분극-의존성 장치.
- 제 5 항에 있어서,상기 반도체 물질이 C, Si, Ge, GaAs, InP, InAs, GaP, AlAs, AlSb, GaSb, InSb, InN, AlN, GaN 및 이들의 혼합 합금으로 구성된 군에서 선택되는 분자 분극-의존성 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 채널 영역의 적어도 일부상에 유전성 층을 추가로 포함하고, 상기 분자 층이 상기 유전성 층상에 형성된 분자 분극-의존성 장치.
- 제 7 항에 있어서,상기 유전성 층이 산화물을 포함하는 분자 분극-의존성 장치.
- 제 8 항에 있어서,상기 산화물이 Si02, Al203, MgO, CaO, ZrSi04, Zr02, Y203, HfSi04, Y203, Hf02, Si3N4, SrO, La203, Ta203, BaO, 및 Ti02로 구성된 군에서 선택되는 분자 분극-의존성 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 분자가 하기 화학식 I의 화합물을 포함하는 분자 분극-의존성 장치:화학식 I
상기 식에서,A는 CH; N; C-알킬; C-할로겐; C-OH; C-OR(에테르); C-SR(티오에테르); C-아마이드; C-에스터 또는 티오에스터이고;B는 CH; N; C-알킬; C-할로겐; C-OH; C-OR(에테르); C-SR(티오에테르); C-아마이드; C-에스터 또는 티오에스터이고;D 및 G는 C이고;E는 CH; N; C-알킬; C-할로겐; C-OH; C-OR(에테르); C-SR(티오에테르); C-아마이드; C-에스터 또는 티오에스터이고;F는 CH; N; C-알킬; C-할로겐; C-OH; C-OR(에테르); C-SR(티오에테르); C-아마이드; C-에스터 또는 티오에스터이고;J는 CH; N; C-알킬; C-할로겐; C-OH; C-OR(에테르); C-SR(티오에테르); C-아마이드; C-에스터 또는 티오에스터이고;K는 CH; N; C-알킬; C-할로겐 ; C-OH; C-OR(에테르); C-SR(티오에테르); C-아마이드; C-에스터 또는 티오에스터이고;M은 CH2; CF2; CCl2; CHOCH3; CHOH; CHF; CO; CH=CH; CH2-CH2; S; O; NH; NR; NCOR; 또는 NCOAr이고;Q는 CH; 질소; 인; 또는 붕소이고;Y는 O 또는 S이고;Z는 R; NHR; OR; SR; CHR-NHR; CHR-OR; CHR-SR; CHR-X; NR-NHR; NR-OR; 또는 NR-SR이고, 이때 R은 H 또는 알킬이고, X는 할로겐이다. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 스위칭가능한 쌍극성 잔기가 쌍안정성(bi-stable)인 분자 분극-의존성 장치.
- (a) 길이(L)가 1 내지 100nm 범위이고 반도체 물질을 포함하는 채널 영역에 의해 분리되고, 기재상에 형성된 소스 영역 및 드레인 영역;(b) 상기 채널 영역의 적어도 일부 위의 유전성 층;(c) 스위칭가능한 쌍극성 잔기를 갖는 분자를 포함하는, 상기 유전성 층 위의 분자 층; 및(d) 두께(w)가 1 내지 100 nm의 범위인, 상기 분자 층 위의 게이트 전극을 포함하는 트랜지스터.
- 제 13 항에 있어서,상기 반도체 물질이 C, Si, Ge, GaAs, InP, InAs, GaP, AlAs, AlSb, GaSb, InSb, InN, AlN, GaN 및 이들의 혼합 합금으로 구성된 군에서 선택되는 트랜지스터.
- 삭제
- 제 13 항에 있어서,상기 유전성 층이 산화물을 포함하는 트랜지스터.
- 제 16 항에 있어서,상기 산화물이 Si02, Al203, MgO, CaO, ZrSi04, Zr02, Y203, HfSi04, Y203, Hf02, Si3N4, SrO, La203, Ta203, BaO, 및 Ti02로 구성된 군에서 선택되는 트랜지스터.
- 제 13 항에 있어서,상기 분자가 하기 화학식 I의 화합물을 포함하는 트랜지스터:화학식 I
상기 식에서,A는 CH; N; C-알킬; C-할로겐; C-OH; C-OR(에테르); C-SR(티오에테르); C-아마이드; C-에스터 또는 티오에스터이고;B는 CH; N; C-알킬; C-할로겐; C-OH; C-OR(에테르); C-SR(티오에테르); C-아마이드; C-에스터 또는 티오에스터이고;D 및 G는 C이고;E는 CH; N; C-알킬; C-할로겐; C-OH; C-OR(에테르); C-SR(티오에테르); C-아마이드; C-에스터 또는 티오에스터이고;F는 CH; N; C-알킬; C-할로겐; C-OH; C-OR(에테르); C-SR(티오에테르); C-아마이드; C-에스터 또는 티오에스터이고;J는 CH; N; C-알킬; C-할로겐; C-OH; C-OR(에테르); C-SR(티오에테르); C-아마이드; C-에스터 또는 티오에스터이고;K는 CH; N; C-알킬; C-할로겐 ; C-OH; C-OR(에테르); C-SR(티오에테르); C-아마이드; C-에스터 또는 티오에스터이고;M은 CH2; CF2; CCl2; CHOCH3; CHOH; CHF; CO; CH=CH; CH2-CH2; S; O; NH; NR; NCOR; 또는 NCOAr이고;Q는 CH; 질소; 인; 또는 붕소이고;Y는 O 또는 S이고;Z는 R; NHR; OR; SR; CHR-NHR; CHR-OR; CHR-SR; CHR-X; NR-NHR; NR-OR; 또는 NR-SR이고, 이때 R은 H 또는 알킬이고, X는 할로겐이다. - 제 13 항에 있어서,상기 분자가 하기 화학식 II를 포함하는 트랜지스터:화학식 II
상기 식에서,A 및 B는 동일하거나 상이한, 전도성 또는 비전도성 잔기이고, I는 A와 B 사이의 절연성 브릿지이고, CL 및 CR은 각각 좌측 및 우측 전극 커넥터이고, "+" 및 "-"는 쌍극성 잔기를 나타낸다. - 제 13 항에 있어서,상기 스위칭가능한 쌍극성 잔기가 쌍안정성인 트랜지스터.
- 제 13 항에 있어서,상기 분자 층이 비휘발성 메모리 용도를 위한 강유전성 쌍극자 모멘트를 갖는 분자를 포함하는 트랜지스터.
- (a) 길이(L)가 1 내지 100nm 범위인 채널 영역에 의해 분리되고, 기재상에 형성된 소스 영역 및 드레인 영역; 및(b) 스위칭가능한 쌍극성 잔기를 갖는 분자를 포함하는, 상기 채널 영역 위의 분자 층을 포함하되,상기 분자가 하기 화학식 II를 포함하는 센서:화학식 II
상기 식에서,A 및 B는 동일하거나 상이한, 전도성 또는 비전도성 잔기이고, I는 A와 B 사이의 절연성 브릿지이고, CL 및 CR은 각각 좌측 및 우측 전극 커넥터이고, "+" 및 "-"는 쌍극성 잔기를 나타낸다. - 제 22 항에 있어서,상기 채널 영역이 반도체 물질을 포함하는 센서.
- 제 23 항에 있어서,상기 반도체 물질이 C, Si, Ge, GaAs, InP, InAs, GaP, AlAs, AlSb, GaSb, InSb, InN, AlN, GaN 및 이들의 혼합 합금으로 구성된 군에서 선택되는 센서.
- 제 22 항에 있어서,상기 채널 영역의 적어도 일부상에 유전성 층을 추가로 포함하고, 상기 분자 층이 상기 유전성 층상에 형성된 센서.
- 제 25 항에 있어서,상기 유전성 층이 산화물을 포함하는 센서.
- 제 26 항에 있어서,상기 산화물이 Si02, Al203, MgO, CaO, ZrSi04, Zr02, Y203, HfSi04, Y203, Hf02, Si3N4, SrO, La203, Ta203, BaO, 및 Ti02로 구성된 군에서 선택되는 센서.
- 제 22 항에 있어서,상기 분자가 하기 화학식 I의 화합물을 포함하는 센서:화학식 I
상기 식에서,A는 CH; N; C-알킬; C-할로겐; C-OH; C-OR(에테르); C-SR(티오에테르); C-아마이드; C-에스터 또는 티오에스터이고;B는 CH; N; C-알킬; C-할로겐; C-OH; C-OR(에테르); C-SR(티오에테르); C-아마이드; C-에스터 또는 티오에스터이고;D 및 G는 C이고;E는 CH; N; C-알킬; C-할로겐; C-OH; C-OR(에테르); C-SR(티오에테르); C-아마이드; C-에스터 또는 티오에스터이고;F는 CH; N; C-알킬; C-할로겐; C-OH; C-OR(에테르); C-SR(티오에테르); C-아마이드; C-에스터 또는 티오에스터이고;J는 CH; N; C-알킬; C-할로겐; C-OH; C-OR(에테르); C-SR(티오에테르); C-아마이드; C-에스터 또는 티오에스터이고;K는 CH; N; C-알킬; C-할로겐 ; C-OH; C-OR(에테르); C-SR(티오에테르); C-아마이드; C-에스터 또는 티오에스터이고;M은 CH2; CF2; CCl2; CHOCH3; CHOH; CHF; CO; CH=CH; CH2-CH2; S; O; NH; NR; NCOR; 또는 NCOAr이고;Q는 CH; 질소; 인; 또는 붕소이고;Y는 O 또는 S이고;Z는 R; NHR; OR; SR; CHR-NHR; CHR-OR; CHR-SR; CHR-X; NR-NHR; NR-OR; 또는 NR-SR이고, 이때 R은 H 또는 알킬이고, X는 할로겐이다. - 삭제
- 제 22 항에 있어서,상기 스위칭가능한 쌍극성 잔기가 쌍안정성인 센서.
- 제 22 항에 있어서,상기 소스 영역 및 드레인 영역 사이의 전류가 상기 분자의 분극에 의해 영향을 받는 센서.
- 제 31 항에 있어서,상기 분극이(a) 센서를 광 센서로서 작동시키는 광자(photon),(b) 센서를 화학적 또는 생물학적 센서로서 작동시키는 pH, 습기, 화학 종, 및 생물학제(biological agent),(c) 센서를 열 센서로서 작동시키는 온도, 및(d) 센서를 압력 센서로서 작동시키는 압력으로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 환경적 파라미터에 의해 영향을 받는 센서.
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