KR101193581B1 - 기능성 분자 소자 및 기능성 분자 장치 - Google Patents

기능성 분자 소자 및 기능성 분자 장치 Download PDF

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노부유키 마츠자와
아키오 야스다
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소니 도이칠란트 게엠베하
소니 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 전계(電界)의 작용하(作用下)에서 기능을 발현(發現)하는 기능성 분자 소자(素子)이며, 공역계(共役系; conjugated system)를 가지고, 도전성(導電性)을 나타내는 선모양(線狀; linear) 또는 막모양(膜狀; membranous)의 기축 분자(基軸分子; base axial molecule)(2)에 대해서, 정(正)의 유전율 이방성(誘電率異方性)을 가지거나, 또는 분자의 장축(長軸) 방향에 쌍극자(雙極子) 모멘트를 가지는 4-펜틸-4′-시아노비페닐로 이루어지는 펜던트(pendant) 분자(3)가 공유 결합(共有結合; convalently bond)한 화합물을 이용해서, 전계(電界)의 인가에 의해 펜던트 분자(3)이 배향(配向; orientation) 변화해서 콘포메이션(conformation)이 변화하고, 도전성 기축 분자(2)의 도전성을 전환(切替; switching)한다.

Description

기능성 분자 소자 및 기능성 분자 장치 {FUNCTIONAL MOLECULE ELEMENT AND FUNCTIONAL MOLECULE APPARATUS}
본 발명은 전계(電界)의 작용하(作用下)에서 기능을 발현(發現)하는 신규한 기능성 분자 소자(素子)를 이용한 기능성 분자 장치에 관한 것이다.
본 출원은, 일본에서 2004년 6월 24일에 출원된 일본 특허출원 번호2004-185829 및 2005년 6월 13일에 출원된 일본 특허출원 번호2005-172628을 기초로 해서 우선권을 주장하는 것이며, 이들 출원은 참조하는 것에 의해, 본 출원에 원용(援用)된다.
종래, 전계의 작용하에서 기능을 발현하는 기능성 분자 소자의 분야에서, 크기가 1억분(億分)의 1미터(10-8m=10㎚) 정도의 미세 구조를 관찰, 제작(作製), 이용하는 기술인 나노테크놀로지를 이용하는 것이 연구되어 있다.
1980년대 후반에, 주사형(走査型) 터널 현미경(scanning tunneling microscope)이라 불리는 초고정밀도(超高精度)의 현미경이 발명되고, 원자 1개(個), 분자 1개를 볼 수 있도록 되었다. 주사형 터널 현미경을 이용하면, 원자나 분자를 관찰할 수 있을 뿐만 아니라, 1개씩 조작할 수가 있다. 예를 들면, 결정(結晶)의 표면에 원자를 늘어놓고(竝; arraying) 문자를 쓴 예 등이 보고되어 있다. 그러나, 원자나 분자를 조작할 수 있다고 해도, 막대(莫大)한 개수의 원자나 분자를 1개씩 조작해서, 신재료(新材料)나 디바이스를 조립(組立; assemble)하는 것은 실제적이지 않다.
원자나 분자나 그 집단(集團; group)을 조작해서, 나노미터 사이즈의 구조체를 형성하려면, 그것을 가능하게 하는 새로운 초미세(超微細; ultra-fine) 가공 기술이 필요하다. 그와 같은 나노미터 정밀도의 미세 가공 기술로서, 크게 나누어 2개의 방식이 알려져 있다.
하나는, 종래부터 여러가지 반도체 디바이스의 제조에 이용되어 온 방법으로, 예를 들면 큰 실리콘 웨이퍼를 한계까지 작고 정밀하게 깎아들어(削入; machined; 가공해) 가고, 집적 회로를 만드는(作入; 형성하는) 바와 같은, 이른바 톱다운형 방식(top-down system)이다. 다른 하나는, 극미(極微; miniscule size)의 단위인 원자나 분자를 부품으로 해서, 작은 부품을 쌓아올려서(組上; assemble; 조립해서) 목적(目的)의 나노 구조체를 제작하는, 이른바 보텀업형 방식(bottom-up system)이다.
톱다운형 방식에 의해서, 어느 정도 작은 구조체를 제작할 수 있는가라고 하는 한계에 관해서는, 인텔사(Intel Corporation)의 공동 창설자인 고든?무어(Gordon E. Moore)가 1965년에 제시한 유명한 무어의 법칙이 있다. 이것은, 「트랜지스터의 집적도(集積度)는 18개월에 2배(倍)로 된다」고 하는 내용이다. 1965년 이후, 반도체 산업계는, 30년 이상에 걸쳐서, 무어의 법칙대로 트랜지스터의 집적도를 높여 왔다.
미(美)반도체 공업회(SIA), 유럽 반도체 공업회, 일본 전자정보 기술 공업회, 한국 반도체 공업회 및 대만 반도체 공업회에서 발표한 금후(今後) 15년간의 반도체 산업의 로드맵 ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductor)는, 무어의 법칙은 계속해서 유효하다고 하는 견해를 나타내고 있다.
ITRS는, 2013년까지의 단기(短期) 로드맵과, 2020년까지의 장기(長期) 로드맵으로 이루어진다. 단기 로드맵은, 2013년에 반도체 칩의 프로세스 룰은 32㎚로, 마이크로 프로세서의 게이트 길이(長)는 13㎚로 된다고 하고 있다. 장기 로드맵은, 2020년에 반도체 칩의 프로세스 룰은 14㎚로, 마이크로 프로세서의 게이트 길이는 6㎚로 된다고 하고 있다.
반도체 칩은, 미세화할 수록 고속화하며, 동시에 전력(電力) 소비를 억제할 수 있다. 또, 1매(枚)의 웨이퍼로부터 취할(생산할) 수 있는 제품수도 많아지며, 생산 코스트도 내릴 수가 있다. 마이크로 프로세서의 메이커가, 신제품의 프로세스 룰과 트랜지스터 집적도를 겨루는 것도 그 때문이다.
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1999년 11월, 미국의 연구 그룹이 미세화 기술의 획기적인 연구 성과를 밝혔다(명확하게 했다). 그것은, 미국 캘리포니아대학 버클리교(校)에서 컴퓨터 사이언스를 담당하는 첸밍?후(Chenming Hu) 교수 등의 그룹에 의해서 개발된, FinFET라고 이름지어진(명명된) FET(전계 효과 트랜지스터) 상(上)의 게이트의 설계 방법이다. 이 방법은, 종래에 비해서 400배의 개수의 트랜지스터를 반도체 칩 상에 형성하는 것을 가능하게 한다.
게이트는, FET의 채널에서의 전자(電子)의 흐름을 제어하는 전극(電極)으로, 현재의 일반적인 설계에서는 반도체의 표면에 평행하게 놓여지고, 채널을 한쪽측( 片側)에서 제어하는 구조로 되어 있다. 이 구조에서는, 게이트가 일정(一定) 이상의 길이가 아니면 전자의 흐름을 차단할 수 없으므로, 그것을 위한 게이트 길이가 트랜지스터의 미세화를 제한하는 하나의 요인(要因)으로 된다고 생각되고 있었다.
이것에 대해서, FinFET는, 게이트를 채널의 양측에 걸치는(lying) 포크형(forked configuration)으로 해서 효과적으로 채널을 제어한다. FinFET의 구조에서는, 종래의 구조에 비해서, 게이트 길이와 트랜지스터를 더욱 작게 하는 것이 가능하게 된다.
같은(同) 연구 그룹이 제조한 프로토타입(prototype) FET의 게이트 길이는, 18㎚로, 현재의 일반적인 게이트 길이의 10분의 1이며, 이것은, ITRS의 장기 로드맵에서 나타내어진(제시된) 2020년의 사이즈에 필적(匹敵)한다. 또, 이 절반(半分)의 게이트 길이도 가능하다고 한다. 후(Hu) 교수 등은, 널리 반도체 업계에서 채용되어 갈 것을 기대해서 특허를 취득하지 않는다고 하고 있기 때문에, FinFET가 제조 기술의 주류(主流)로 되어 갈 가능성도 있다.
그렇지만, 「무어의 법칙」도, 얼마 안 있어(일간에는) 자연 법칙에 의거하는 한계에 부딪친다고도 지적되고 있다.
예를 들면, 현재 주류로 되어 있는 반도체 기술에서는, 실리콘 웨이퍼 상에 리소그래피 기술로 회로 패턴을 소부(燒付; print)해서, 반도체 칩을 제조(製造)한다. 보다 미세화하기 위해서는 해상도(解像度)를 올리지 않으면 안되고, 해상도를 올리기 위해서는, 보다 파장이 짧은 광을 이용하는 기술을 실용화하지 않으면 안 된다. 리소그래피 기술에서 이용할 수 있는 광의 파장에는 물리적인 한계가 있기 때문에, 그 한계를 돌파(突破)하기 위해서는, 별도(別; 다른)의 각도로부터의 브레이크스루(breakthrough)가 필요하게 된다.
또, 집적도의 증대에 의해서 반도체 칩 당(當)의 발열량이 너무 커지고, 반도체 칩이 오동작하거나, 열적(熱的)으로 파괴되어 버릴 염려도 있다.
또, 전문가의 예측에 따르면, 반도체 업계가 이대로 칩을 계속해서 작게 하면, 설비 코스트나 프로세스 코스트가 불어나고, 수율(步留; yield)의 악화도 있어서, 2020년 쯤에 경제적으로 성립되지 않게 된다고도 생각되고 있다.
상기와 같은 톱다운형 방식의 기술적인 벽을 타개하는 새로운 기술로서, 개개의 분자에 전자 부품으로서의 기능을 갖게 하려고 하는 연구가 주목을 모으고 있다. 단일 분자로 이루어지는 전자 디바이스(분자 스위치 등)이며, 보텀업형 방식으로 제작한다.
금속이나 세라믹스, 반도체에 대해서도, 보텀업형 방식으로 나노미터 사이즈의 구조체를 만드는 연구가 행해지고 있다. 그러나, 원래 1개 1개가 독립해 있어서, 형(形)의 틀림(違; difference; 차이), 기능의 틀림 등 수(數) 100만 종류에 이르는 다양성이 있는 분자야말로, 그것을 살리면(활용하면), 종래와는 전혀 다른(異) 특징을 가지는 디바이스(분자 디바이스)를, 보텀업 방식으로 설계하고 제작할 수가 있다.
예를 들면, 도전성(導電性) 분자의 폭은 불과(僅; slightly, minutely) 0.5㎚이다. 이 분자의 선재(線材)는, 현재의 집적 회로 기술로 실현되고 있는 100㎚ 정도의 선폭에 비해서, 수천배의 고밀도 배선(配線)을 실현할 수 있다. 또, 예를 들면 1개의 분자를 기억 소자로서 사용하면, DVD(Digital Video Disc)의 1만배 이상의 기록이 가능하게 된다.
분자 디바이스는, 종래의 반도체 실리콘과는 달리, 화학적 공정에서 합성한다. 1986년, 미츠비시 전기(三菱電氣)의 코에즈카 유지(肥塚裕至)는, 폴리티오펜(고분자)으로 이루어지는 세계 최초(世界初)의 유기(有機) 트랜지스터를 개발했다.
또, 미국 휴렛 팩커드(HP)사(社)와 캘리포니아대학 로스앤젤레스교의 연구 그룹은, 유기 전자 디바이스의 제조에 성공하고, 1999년 7월에 Science지(誌)에 발표되며, 그 내용은, 미국 특허 No. 6256767B1, 미국 특허 No. 6128214에서 구체적으로 개시되어 있다. 그들은, 유기 분자인 로택산(rotaxane) 수백만개로 이루어지는 분자막을 사용해서 스위치를 만들고, 이 분자 스위치를 서로 연결(繫合)해서, 기본적인 논리 회로인 AND 게이트를 제작했다.
또, 미(美)라이스대학과 예일대학의 공동 연구 그룹은, 전계 인가하(印加下)에서의 전자 주입(注入)에 의해서 분자 구조가 변화하여 스위칭 동작을 행하는 분자 스위치를 만드는 것에 성공했다. 그 내용은, 「J. Chen, M.A.Reed, A.M.Rawlett and J.M.Tour, "Large on-off ratios and negative differential resistance in a molecular electronic device", Science, 1999, Vol. 286, 1552-1551」, 「J.Chen, M.A.Reed, C.Zhou, C.J.Muller, T.P.Burgin and J.M.Tour, "Conductance of a molecular junction", Science, 1997, Vol. 278, 252-254」에서 개시되어 있다. 되풀이(繰返; 반복)해서 온, 오프할 수 있는 기능은, HP사와 캘리포니아대학 로스앤젤레스교의 그룹에서는 실현되어 있지 않았던 기능이다.
합성에 성공한 J.Tour 교수(라이스대학?화학)는, 분자 스위치의 생산 코스트는, 통상 반도체 제조에 사용되는 고가의 크린룸이 불필요하기 때문에, 종래의 수천분의 1로 할 수 있다고 하고 있다. 5～10년 이내에 분자와 실리콘의 하이브리드형(型) 컴퓨터를 만들 예정이라고 하고 있다.
1999년에 벨 연구소(루이센트 테크놀로지사)가, 펜타센 단결정을 이용해서 유기 박막 트랜지스터를 제작하고, 이것은, 무기(無機) 반도체에 필적하는 특성을 나타내었다.
전자 부품으로서의 기능을 가지는 분자 디바이스의 연구가 활발히 행해지고 있다고 해도, 지금까지의 분자 디바이스에 관한 연구는, 대부분이, 광?열?프로톤?이온 등으로 구동하는 것이며(Ben L.Feringa편(編), "Molecular Switches", WILEY-VCH, Weinheim, 200 참조), 전계에 의해서 구동하는 것은 한정되어 있었다.
그런데, 종래 제안되어 있는 전계로 구동되는 분자 소자는, 전계의 작용을 받은 분자 자신(自身)의 물성의 변화를 이용하는 소자, 즉 분자 자체(自體)를 1개의 소자라고 생각해서, 그 분자의 전자 상태를 전계에 의해서 변화시키는 소자밖에 없었다. 예를 들면, 유기 FET에서는, 채널 영역의 유기 분자에 작용하는 전계의 변화에 의해서, 유기 분자 중(中)의 캐리어 이동이 변조(變調)된다.
[발명의 개시]
[발명이 해결하고자 하는 과제]
본 발명의 목적은, 상기와 같은 실정을 감안하고, 그 기능이, 새로운 원리에 의거해서 전계에 의해서 효과적으로 제어되는 기능성 분자 소자 및 이 기능성 소자를 이용한 기능성 분자 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 관련된 기능성 분자 소자는, 유전율 이방성(誘電率異方性) 또는/및 쌍극자(雙極子) 모멘트를 가지고 또한 전계의 작용하에서, 배향(配向; orientation) 변화하는 분자와, 이 분자의 배향 변화에 의해서 구조 변화해서 도전성이 변화하는 공역계(共役系; conjugated system) 분자가 공유 결합(共有結合; convalently bond)해서 이루어지는 계(系)를 이용하고 있다.
또, 본 발명에 관련된 기능성 분자 장치는, 유전율 이방성 또는/및 쌍극자 모멘트를 가지고 또한 전계의 작용하에서 배향 변화하는 분자와, 이 분자의 상기 배향 변화에 의해서 구조 변화해서 도전성이 변화하는 공역계 분자가 공유 결합해서 이루어지는 계와, 유전율 이방성 또는/및 쌍극자 모멘트를 가지는 분자에 전계를 인가하는 전계 인가부와, 공역계 분자에 대한 입출력부를 가진다.
본 발명에 있어서, 공역계 분자로 이루어지는 주쇄(主鎖)에, 유전율 이방성 또는/및 쌍극자 모멘트를 가지는 펜던트(pendant) 분자로 이루어지는 측쇄(側鎖)가 공유 결합하고 있는 것이 좋다. 이와 같이 구성하면, 공역계 분자에 의해서, 예를 들면 도전성 등의 기능성 분자 소자의 전기적 특성이 얻어지고, 한편, 유전율 이방성 또는/및 쌍극자 모멘트를 가지고 또한 전계의 작용하에서 배향 변화하는 펜던트 분자(측쇄)에 의해서, 전계의 변화에 대응해서 공역계 분자(주쇄) 등의 콘포메이션(conformation)이 효과적으로 변화해서, 전기적 특성이 고성능(高性能)으로 되어 전계 응답성 좋게 변화하게 된다.
이 소자에서는, 전기적 특성의 발현과 전계에 의한 그의 변조와의 2개의 기능이 각각 다른(別別; 따로따로의) 분자에 의해 담당되므로, 공역계 분자(주쇄), 및 상기 펜던트 분자(측쇄)로서, 각각의 목적에 적합한 재료를 선택할 수 있다. 이 때문에, 고성능의 전기적 특성을 전계 응답성 좋게 제어할 수 있는 기능성 분자 소자를 구성할 수가 있다.
그리고, 펜던트 분자가 상기 전계를 인가하기 위한 전극 상에서 배향하고 있고, 공역계 분자가 적어도 대향 전극 사이에 배치되어, 이 대향 전극의 적어도 한쪽으로부터 전계에 대응한 출력이 취출(取出; extract, take out)되는 것이 좋다.
예를 들면, 공역계 분자에 의해서 도전로(導電路)가 형성되고, 펜던트 분자에 작용하는 전계의 변화에 의해서, 도전로의 도전성이 제어된다.
또, 펜던트 분자에 작용하는 전계의 변화에 의해서, 펜던트 분자와 전계 방향과의 위치 관계가 변화하고, 이 펜던트 분자와 공역계 분자의 입체 구조, 또는 양(兩) 분자가 이루는 각도가 변화하는 것이 좋다.
또, 공역계 분자의 층과, 유전율 이방성 또는/및 쌍극자 모멘트를 가지는 분자의 층이 적층체를 이루고 있는 것이 좋지만, 이 경우, 제1 전극 상에 절연층이 설치(設; provide)되고, 이 절연층 상에 서로 접촉하지 않도록 제2 전극과 제3 전극이 형성되고, 적어도 이들 제2 전극과 제3 전극 사이에 적층체가 배치되고, 이 적층체의 유전율 이방성 또는/및 쌍극자 모멘트를 가지는 분자의 층 상에 직접 혹은 절연층을 거쳐서 제4 전극이 설치되어도 좋다.
또, 공역계 분자가 플루오렌 골격(骨格)을 가지는 예를 들면 올리고플루오렌이고, 펜던트 분자가 시아노비페닐 골격을 가지는 예를 들면 4-펜틸-4′-시아노비페닐인 것이 좋다.
본 발명에 관련된 기능성 분자 소자 및 이 기능성 소자를 이용한 기능성 분자 장치는, 유전율 이방성 또는/및 쌍극자 모멘트를 가지는 분자가 전계의 작용하에서 배향 변화하는 것에 의해서, 공역계 분자의 구조 변화(콘포메이션의 변화 )가 야기(誘起; induce)되고, 이것에 의해서 전기적 특성이 변조된다. 이러한 변조는, 전계의 작용하에서 배향 변화하는 분자와, 공역계 분자가 공유 결합하고 있기 때문에, 전계 응답성 좋게 실현할 수 있음과 동시에, 전계의 작용에 따른 콘포메이션 변화가 항상 안정적으로 행해지게 된다.
이와 같은 전계의 작용 기구는, 전계에 의해서 기능성 분자 소자의 전자 상태를 직접 제어해서 그 기능을 변조하려고 하는 종래의 기능성 분자 소자, 예를 들면 전계 효과 트랜지스터 등에는 보이지 않았던 것이며, 이 새로운 전계의 작용 기구에 의거하면, 전기적 특성을 전계 응답성 좋게 제어할 수 있는 기능성 분자 소자 및, 이것을 이용한 기능성 분자 장치를 구성할 수가 있다.
본 발명에 있어서, 상술한 기능성 분자 장치는, 상술한 기능성 분자 소자를 실장(組入; incorporate, assemble, inserting)해서 이루어지는 분자 디바이스도 포함하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적, 본 발명에 의해서 얻어지는 구체적인 이점은, 이하에서 도면을 참조해서 설명되는 실시형태로부터 한층더 명확하게 될 것이다.
도 1의 (a), (b), (c)는 본 발명을 적용한 기능성 분자 소자가 나타내는 2개의 스위칭 동작 모드를 예시한 개략 측면도이며, 도 1의 (a)에는 초기 상태를 도시하고, 도 1의 (b)에는 전계Ⅰ을 인가했을 때의 동작 모드를 도시하고, 도 1의 (c)에는 전계Ⅱ를 인가했을 때의 동작 모드를 도시하고 있다.
도 2의 (a), (b)는 기능성 분자 소자의 스위칭 기능이 발현하는 형태의 1예를 분자 레벨로 설명하기 위한 개념적인 개략 사시도이며, 도 2의 (a)에는 오프 상태를 도시하고, 도 2의 (b)에는 온 상태를 도시한다.
도 3의 (a)는 전계 효과형 분자 디바이스를 도시하는 평면도이고, 도 3의 (b)는 도 3의 (a)의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도이다.
도 4는 전계 효과형 분자 디바이스를 도시하는 개략 단면도이다.
도 5는 본 발명에 관련된 전계 효과형 분자 디바이스에서의 외부 전계에 의한 π전자 공역계 분자(올리고플루오렌: 주쇄)의 이면각의 제어의 메커니즘을 도시하는 개념도이다.
도 6의 (a)～(d)는 본 발명과 대비되는 비교예로서의 전계 효과형 분자 디바이스의 제조 공정을 도시하는 평면도이며, 도 6의 (a)에는 전자선 리소그래피에 의해 매크로 브리지를 작성하는 공정을 도시하고, 도 6의 (b)에는 테트라히드로푸란(TFT) 용액을 적하 후의 방치에 의해 π전자 공역계 분자층을 형성한 상태를 도시하고, 도 6의 (c)에는 일렉트로 마이그레이션(electron migration; 전자 이동)에 의해 마이크로 브리지에 나노갭을 형성한 상태를 도시하고, 도 6의 (d)에는 열처리 에 의해 나노갭에 π전자 공역계 분자를 분자 배향시킨 상태를 도시한다.
도 7은, 도 6의 (d)의 ⅡⅤ-ⅡⅤ선 단면도이다.
도 8은 분자 디바이스의 FET 특성도(Id-Vds 커브)이다.
도 9는 본 발명의 실시예 2의 분자 디바이스의 FET 특성도(Id-Vds 커브)이다.
도 10은 본 발명의 실시예 2의 분자 디바이스의 FET 특성도에서의 Id-Vds 커브의 이력을 도시하는 특성도이다.
[발명을 실시하기 위한 최량의 형태]
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태를 도면을 참조해서 구체적으로 설명한다.
기능성 분자 소자
우선, 본 발명에 관련된 기능성 분자 소자를 설명한다.
전계의 인가에 의해 입체 구조가 변화해서 기능을 발현하는 분자 소자(1)의 기능의 1예로서, 스위칭 동작이 생각된다. 도 1의 (a), (b), (c)는, 유전율 이방성 또는/및 쌍극자 모멘트를 가지고 또한 전계의 작용하에서, 배향 변화하는 측쇄의 펜던트 분자(3)와, 이 펜던트 분자(3)의 배향 변화에 의해서 구조 변화해서 전기적 특성이 변화하는 주쇄의 공역계 분자(2)가 공유 결합해서 이루어지는 계를 이용한 기능성 분자 소자(1)를 예로 하는 것이다.
여기서, 도 1의 (a), (b), (c)는, 기능성 분자 소자(1)에 전계를 인가했을 때, 펜던트 분자(3)와 공역계 주쇄(2)와의 공유 결합부 주변에서 일어나는 변화를 모델화(化)해서 개략 측면도로서 도시했지만, 설명을 위해서, 펜던트 분자(3)는 정(正)의 유전율 이방성을 가지는 분자, 또는 분자의 장축 방향에 쌍극자 모멘트를 가지는 분자라고 한다.
정의 유전율 이방성을 가지는 분자, 또는 분자의 장축 방향에 쌍극자 모멘트를 가지는 분자로 이루어지는 펜던트 분자(3)는, 도 1의 (b)에 도시하는 바와 같이 인가된 전계Ⅰ에 대해서, 그의 장축 방향을 전계의 방향과 일치시키도록 배향하려고 한다. 펜던트 분자(3)가, 부(負)의 유전율 이방성을 가지는 분자인 경우에는, 도 1의 (c)에 도시하는 바와 같이 단축(短縮) 방향을 전계Ⅱ의 방향과 일치시키도록 배향하려고 하기 때문에, 장축 방향과 단축 방향을 바꿔 넣고(入替; interchange, replace) 생각하면, 하기(下記)의 설명과 같은 설명이 성립된다.
전계 인가시에 펜던트 분자(3)가 나타내는 스위칭 동작의 다이나믹스에 대해서는, 전계의 인가 방향의 틀림(차이)에 의해서 2종류의 동작 모드가 생각되고, 그 틀림을 도 1의 (b), (c)에 도시하고 있다.
예를 들면, 도 1의 (a)에 도시하는 바와 같이, 전계가 인가되고 있지 않은 초기 상태에서는, 기능성 분자 소자의 펜던트 분자(3)는, 그의 장축 방향이 공역계 분자(주쇄)(2)의 축방향(도 1의 (a)중 좌우 방향)과 직교하도록 배열되어 있는 것으로 한다.
이것에, 도 1의 (b)에 도시하는 바와 같이, 도면의 면(面)에 직교하는 방향 으로 전계Ⅰ을 인가하면, 정의 유전율 이방성을 가지는 펜던트 분자(3)는, 그의 장축 방향을 전계의 방향으로 향하려고 해서, 도 1의 (b)에 도시하는 바와 같이, 90도의 목흔들기 운동(首振運動; swing motion)을 행하려고 한다. 전계의 인가를 중단하면, 자연스럽게 완화(緩和)해서, 도 1의 (a)에 도시하는 원래(元)의 배향 상태로 되돌아간다.
한편, 도 1의 (c)에 도시하는 바와 같이, 도 1중 상하 방향으로 전계를 인가하면, 부의 유전율 이방성을 가지는 펜던트 분자(3)는, 그의 단축 방향을 전계의 방향으로 향하려고 해서, 시소형(型) 운동(seesaw motion)을 행하려고 한다. 전계의 인가를 중단하면, 자연스럽게 완화해서, 도 1의 (a)에 도시하는 원래의 배향 상태로 되돌아간다.
상술한 바와 같은 전계 인가에 의한 펜던트 분자(3)의 구조 또는 배향 변화가, 공역계 주쇄(2)와의 공유 결합부 주변의 구조 변화를 일으키고, 그 결과로서, 공역계 주쇄(2)의 분자 구조를 변화시키고, 예를 들면 공역계 분자(2)가 이루는 이면각(二面角)을 변화시키며, 공역계 주쇄(2)의 도전성을 변화시킨다.
도 2의 (a), (b)는, 상술한 기능성 분자 소자(1)의 스위칭 기능이 발현하는 형태의 1예를 분자 레벨로 설명하기 위한 개념적인 개략 사시도이다. 기능성 분자 소자(1)에서는, 공역계를 가지고 있어서 비국재화(非局在化; delocalized)한 π전자에 의해 도전성을 나타내는 선모양(線狀; linear) 또는 막모양(膜狀; membranous)의 주쇄(2)에 대해서, 유전율 이방성 또는 쌍극자 모멘트 등을 가지는 펜던트 분자(측쇄)(3)가 펜던트 모양(狀)(pendant form)으로 배치되어 있다.
펜던트 분자(3)는, 유전율 이방성 또는 쌍극자 모멘트 등을 가지기 때문에, 전계 중에서는 전계의 방향에 대해서 특정(特定) 방향, 구체적으로는, 분자의 장축 방향이 전계의 방향과 일치하는 평행한 방향 또는 직교하는 방향으로 배향하려고 하는 경향을 가진다.
따라서, 펜던트 분자(3)에 작용시키는 전계를 변화시키는 것에 의해, 펜던트부의 위치를 전계 방향에 대해서 변화시켜, 그 결과로서, 펜던트 분자(3)와 공역계 분자(주쇄)(2)가 이루는 구조를 변화시키고, 이것을 통해서, 공역계 분자(2)의 도전성(전자의 흐름)을 제어할 수가 있다.
예를 들면, 도 2의 (a)에는, 공역계 분자(2)의 이면각이 보다 평면인 경우를 도시한다. 이 상태에서는, 공역계를 통해서 행해지는 공역계 분자내의 전자의 흐름(E)은, 방해받는 일없이 흐를 수 있고, 기능성 분자 소자(1)는 ON 상태에 있다.
한편, 도 2의 (b)에는, 펜던트 분자(3)의 배향이 변화했기 때문에, 공역계 분자(2)의 이면각의 평면성(平面性)이 소실된(없어진) 경우를 도시한다. 이 상태에서는, 공역계를 통해서 행해지는 공역계 분자내의 전자의 흐름은, 이면각의 비틀림(捻; torsion)에 차단되어서 흐를 수 없고, 기능성 분자 소자(1)는 OFF 상태에 있다.
이와 같이, 본 실시형태에서의 기능성 분자 소자(1)에서, 전계는 공역계 분자(주쇄)(2)에 직접 작용해서 그의 도전성을 변조하는 것이 아니라, 펜던트 분자(측쇄)(3)를 움직여서, 그것을 거쳐서 전자의 흐름을 변조한다. 기축 분자(基軸分子; base axial molecule)인 공역계 분자(2)를 통하는 전자의 흐름을 수도관에서의 물의 흐름에 비유한다면, 종래의 유기 FET 등에서의 전계의 작용은, 수도관의 굵기(太)를 변화시키려고 하는 것이다. 그에 대해서, 본 실시형태에 의거하는 전계의 작용은, 핸들(루이스 염기(鹽基) 분자(Lewis base molecule)(4)에 대응한다)을 조작하는 것에 의해서 수도관(펜던트 분자(측쇄)(3)에 대응한다)을 조작하는 것에 의해서 수도관(공역계 분자(주쇄)(2)에 대응한다)을 비틀어서 개폐(開閉)하는 작용에 비유할 수 있다.
기능성 분자 소자(1)에는, 공역계 분자나 펜던트부의 구성 등의 틀림에 의해, 몇 개의 조합(組合)이 생각된다.
예를 들면, 주쇄(2)는, 공역성을 가지는 복수(複數)의 분자로 구성되어 있어도 좋다. 또, 펜던트부를 구성하는 분자(3)는, 유전율 이방성을 가지는 분자인 경우, 그것이 정의 유전율 이방성이더라도, 부의 유전율 이방성이더라도 좋다.
전계 효과형 분자 디바이스
다음에, 전계 효과형 분자 디바이스의 실시형태를 설명한다.
여기에서는, 공역계 분자(주쇄)로서 올리고플루오렌을 이용하고, 분자의 장축 방향에 쌍극자 모멘트를 가지는 펜던트 분자(측쇄)로서 4-펜틸-4′-시아노비페닐(이하, 5CB라고 약기(略記)하는 일도 있다)을 이용해서, 이들을 실장한 전계 효과형 분자 디바이스 및 그 제작 공정을 설명한다.
4-펜틸-4′-시아노비페닐을 측쇄로서 공유 결합시킨 올리고플루오렌의 분자 구조는 하기와 같다.
[화학식 1]
Figure 112006094437254-pct00001
도 3의 (a)는 전계 효과형 분자 디바이스(21)에 이용되어 오는 빗형 (櫛形; comb shape) 전극(33 및 34) 구조를 도시하는 평면도이고, 도 3의 (b)는 도 3의 (a)의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도이다.
이 전계 효과형 분자 디바이스(21)에서는, 제어 전계 인가용 전극을 겸하는 제1 기판(31) 상에 절연층(32)이 형성되고, 그 위(上)에 올리고플루오렌의 도전율(導電率)을 측정하기 위한 빗형 전극(33 및 34)이 형성되어 있다. 한편, 제2 기판(35) 상에는, 또다른 한쪽의 제어 전계 인가용 전극인 ITO(Indium Tin Oxide)막(36)이 형성되고, 그 위에 호모지니어스(homogeneous) 배향막(37)이 적층되어 있다. 올리고플루오렌(2) 및 4-펜틸-4′-시아노비페닐(3)은, 2매(枚)의 기판(31 및 35) 사이에 스페이서(도시는 생략했다)와 함께 끼워넣어지고(挾入; interpose, sandwich, hold), 단부(端部; end portion)는 봉지재(封止材; sealing material)(38)에 의해서 봉지(밀봉, 실링)되어 있다.
제어 전계 인가용 전극을 겸하는 제1 기판(31)과, 또다른 한쪽의 제어 전계 인가용 전극인 ITO 막(36)은, 제어 전계 인가용 전원(電源)(41)에 전기적으로 접속된다. 또, 빗형 전극(33, 34)이라 함은, 도전성 측정용 전원(42) 및 전류계(電流計)(43)에 전기적으로 접속된다.
도 4는, 전계 효과형 분자 디바이스(21)의 구조를 분자 레벨로 설명하기 위한 개념적인 개략 단면도이다. 도 4에서, 올리고플루오렌(2) 및 4-펜틸-4′-시아노비페닐(3)은, 각각 1단위만 도시되어 있지만, 이것은 대표로서 도시한 것이며, 실제로는 다수의 동종(同種) 화학종(化學種)이 포함되어 있는 것은 말할 필요도 없다(물론이다).
이하, 도 4를 참조하면서, 전계 효과형 분자 디바이스(21)의 제작 공정을 설명한다.
처음에, 4-펜틸-4′-시아노비페닐(3)에 제어용 전계를 인가하기 위한 제어 전계 인가용 전극(31 및 36)과, 올리고플루오렌(2)의 도전성을 측정하기 위한 빗형 전극(33 및 34)을 제작한다.
제어 전계 인가용 전극을 겸하는 제1 기판(31)으로서는, 예를 들면 고농도로 도프된(doped) 실리콘 기판을 이용한다. 제1 기판(31)의 표면에 열산화(熱酸化)에 의해 산화 실리콘막을 형성해서 절연층(32)으로 한다. 그 절연층(32) 상에 금(金) 전극 등의 빗형 전극(33 및 34)을 스퍼터링 등에 의해 형성한다.
한편, 제2 기판(35)으로서 예를 들면 유리(glass) 기판을 이용하고, 그의 표 면상에 진공 증착 등에 의해 ITO(Indium Tin Oxide)막(36)을 형성해서, 또다른 하나의 제어 전계 인가용 전극으로 한다.
또, ITO막(36) 상에, 유기 고분자막(폴리비닐알코올, 폴리이미드 등)을 도포(塗布)하거나, 또는 산화 실리콘막을 증착하는 등 해서, 절연막(37)으로 한다.
다음에, 상술한 전극 사이에 기능성 분자 소자의 재료를 실장하고, 도전성 변조 측정이 가능한 전계 효과형 분자 디바이스(21)의 주요부를 제작한다.
상술한 화학식에 나타낸 바와 같이, 5CB로 이루어지는 펜던트 분자(3)를 측쇄로 하는 올리고플루오렌(2)의 말단(末端)에, 티올기(基) 등 금 전극(33, 34)와 결합하기 쉬운 기(基)를 결합시킨 올리고플루오렌(유도체)을, 테트라히드로푸란을 용매로 해서, 1mM으로 조정한다.
그리고, 제1 기판(31)을 테트라히드로푸란 증기로 포화(飽和)한 데시케이터(desiccator; 건조기) 내에 배치하고, 상기한 올리고플루오렌(유도체(誘導體))의 용액을 적하(滴下)하고, 10분 정도 방치(放置)한다. 그 후, 테트라 히드로푸란액(液)으로 세정하고, 과잉의 올리고플루오렌을 제거한다.
이 제1 기판(31) 상의 올리고플루오렌(유도체)층(5CB층과 올리고플루오렌층과의 적층체)에, 제2 기판(35) 상에 형성한 절연막(37)이 밀착하도록, 제1 기판(31)과 제2 기판(35)을 서로 붙인다(貼合; bond).
최후(最後)에, 서로 붙인 2매의 기판(31 및 35)의 단부를 에폭시 수지(樹脂) 등의 봉지재(38)에 의해 봉지해서, 전계 효과형 분자 디바이스(21)를 완성한다.
이와 같이 해서 제작된 전계 효과형 분자 디바이스(21)의 제어 전계 인가용 전극(31 및 36)에 가하는 전압을 온, 오프해서, 빗형 전극(33과 34) 사이의 올리고플루오렌 분자쇄(分子鎖)의 도전율을 측정하면, 전계 인가시에는 낮은 저항값을 나타내지만, 전계 오프에 의해서 저항이 증가하는 변조 작용이 관측된다.
전계 인가 전의 초기 배향 상태에서는, 5CB 측쇄의 비페닐고리(環) 사이에서 π-π스태킹(stacking)해서 거의 같은(同) 방향으로 배향한다. 올리고플루오렌 주쇄는, 거의 72°의 이면각으로 비틀려서 안정된다. 5CB는, 분자 장축 방향에 시아노기(基) 유래(由來)의 쌍극자 모멘트를 가지는 분자이며, 도 3 및 도 4에 도시한 전계 효과형 분자 디바이스(21)에서는, 전계는 도면의 상하 방향으로 인가되므로, 펜던트부(3)의 동작 모드는, 앞서(先) 도 1의 (c)에 도시한 시소형의 동작으로 된다. 도 4에 도시한 5CB의 상태는, 구동 전압의 인가에 의해서 도 2의 (a)에 도시하는 상승(立上; rising, raising, change)한 상태(저저항의 온 상태)를 나타내고, 이것이 전계 오프에 의해서 도 2의 (b)의 상태(고저항의 오프 상태)를 나타낸다.
전계의 인가에 의한 도전율의 변조가 관측되는 원인은, 다음과 같다. 즉, 도 5에 개략적으로 도시하는 바와 같이, 전계 인가 전(게이트 전압 Vg=0V), 올리고플루오렌 주쇄는 5CB 측쇄 사이의 패킹에 의해서 안정화한 상태에서 느슨(緩)하게 비틀린 나선 구조를 하고 있다. 전계의 인가에 의한 5CB의 배향의 변화로, 올리고플루오렌 주쇄를 포함하는 전체가 안정된 구조가 변화하며, 게이트 전압의 증대에 따라서 올리고플루오렌 주쇄의 이면각이 변화하며, 그 결과, 도전성이 발현한다. 또한, 올리고플루오렌은, 측쇄가 다르면, 안정된(안정적인) 이면각이 변화하는 것은 알려져 있다.
이번에(今回) 사용한 올리고플루오렌의 중합도(重合度)는 약(約) 7이므로, 올리고플루오렌 길이는 7나노미터 이하, 다시말해 분자 레벨로의 소자이다.
이와 같이 본 실시형태에 따르면, 선모양 공역계 분자에, 유전율 이방성 또는 쌍극자 모멘트를 가지는 분자를 펜던트 모양으로 공유 결합시키고, 전계 인가에 의해 펜던트부의 배향을 전계 방향에 대해서 변화시키고, 분자 전체의 구조를 변조하고, 그 결과로서, 도전성 기축 분자의 도전성(전자의 플로(흐름) 상태)을 제어하는, 신규한 기능성 분자 소자를 제기(提起)하는 것이다.
상술한 기능성 분자 소자는, 마치 수도(水道)의 수도꼭지(蛇口)를 비트는 것에 의해서, 수도 파이프 중의 물의 흐름을 제어하도록, 펜던트부(3)의 분자의 배향 상태를 변화시키는 것에 의해, 도전성 기축 분자(2) 중의 전자의 흐름을 제어하는 것이다. 분자 자체를 1개의 소자라고 생각해서, 그 분자의 전자 상태를 변화시켜서 도전성의 변화를 일으키는 지금까지 제안되어 온 소자와는 달리, 완전히 새로운 시점(視点)으로부터 분자 소자를 실현하는 것이다.
상술한 원리는, 공역계 분자 모두에 적용할 수 있다. 즉, 상기한 올리고플루오렌 이외에도, 올리고피리딘, 포르피린 1차원 올리고머, 올리고페닐렌비닐렌, 올리고파라페닐렌, 올리고나프탈렌, 올리고안트라센, 올리고피렌, 올리고아즈렌, 올리고푸란, 올리고티오펜, 올리고셀레노펜, 올리고(파라페닐렌설피드), 올리고(파라페닐렌옥시드), 및 올리고아닐린 등의 도전성 올리고머를 사용할 수 있고, 물론 고분자라도 상관없다. 그 밖에, 이들 고분자의 중합도가 20이하인 올리고머라도 좋으며, 모노머라도 좋은 경우도 있다. 또, 카본나노튜브 등의 파이 전자 공역계를 가지는 탄소 분자에도 적용할 수가 있다.
또, 전계에 응답하는 펜던트 분자로서, 상술한 4-펜틸-4′-시아노비페닐 이외의 시아노기 계의 분자 이외에도, 쌍극자 모멘트를 가지는 카르보닐기(C=O), 할로겐(-Cl 등), =N-H기, -OH기, =C=S기 등을 가지는 분자 등을 들 수가 있다.
또, 이 분자 소자는 스위치, 트랜지스터, 메모리, 로직 회로 등 여러 가지 전자 디바이스 분야에 응용이 가능하다.
본 발명을 적용한 유기 분자 등으로 이루어지는 상술한 기능성 분자 소자 및 장치의 우수한 점으로서, 통상 사이즈의 소자부터 나노미터 사이즈의 소자까지 같은 재료 분자를 이용해서 구축(構築)할 수 있는 것이나, 매우 많은 종류(多種類)의 재료 분자 중에서 목적에 적합한 것을 선택할 수 있는 것에 더하여, 다음의 점을 지적할 수가 있다.
1. 저소비 전력이다.
동작의 단위가 분자 1개, 전자 1개이므로, 기본적으로 저소비 전력으로 동작하고, 발열량이 적으므로, 고집적화해도 발열에 의한 문제가 일어나기 어렵다.
2. 구동 주파수를 가리지(선택하지) 않는다.
최근의 액정의 고속 응답성의 개선에 보여지는 바와 같이, 재료나 구조를 연구(工夫; device, design)하는 것에 의해, 종래의 무기 반도체 결정 이상의 고속 응답성도 기대할 수 있다.
3. 저공해성(低公害性)이다.
통상의 유기 화합물의 합성법에 의해서 기능성 분자 소자용의 유기 분자를 합성할 수 있으므로, 무기 반도체의 제조 프로세스에서 사용되는 바와 같은 인체나 환경에 유해한 시약(試藥) 등을 필요로 하지 않는다.
4. 다기능성(多機能性).
다양한 유기 분자의 특성을 살리면, 예를 들면 미각 센서나 냄새 센서 등, 종래 실현할 수 없었던 기능을 실현할 수가 있다.
실시예1
다음에, 본 발명의 바람직한 실시예로서 도 3 및 도 4에 도시한 전계 효과형 분자 디바이스(21)를 제작한 예를 보다 구체적으로 설명한다.
우선, 4-펜틸-4′-시아노비페닐(3)에 제어용의 전계를 인가하기 위한 제어 전계 인가용 전극(31 및 36)과, 올리고플루오렌(2)의 도전도를 측정하기 위한 도전도 측정용 전극(33 및 34)을 제작했다.
제1 기판(제어 전계 인가용 전극)(31)으로서는, 고농도로 도프된 실리콘 기판을 이용했다. 제1 기판(31)의 표면에, 가열 처리를 행해서 산화 실리콘 박막을 형성해서 절연막(32)으로 했다. 그 절연막(32) 상에 올리고플루오렌(2)의 도전도 측정용 전극으로서 금(金)의 빗형 전극(33 및 34)을 스퍼터링에 의해 형성했다.
다음에, 제2 기판(유리 기판)(35) 상에 또다른 하나의 제어 전계 인가용 전극으로서 ITO 전극(36)을 진공 증착에 의해서 형성한 후, ITO 전극(36) 상에 호모지니어스 배향막(절연막을 겸한다)(37)을 형성했다. 배향막의 재료로서, 폴리비닐알콜을 선택하고, 폴리비닐알콜의 10질량% 수용액을 조제(調製)해서, ITO 전극(36) 상에 스핀코트법(spin coating method)으로 도포하고, 110℃에서 30분간 가열 처리했다.
올리고플루오렌막(2) 제작용의 기판 상에, 4-펜틸-4′-시아노비페닐(5CB)로 이루어지는 펜던트 분자(3)를 측쇄로 하는 올리고플루오렌(2)의 말단에, 금 전극과 결합하기 쉬운 티올기를 결합시킨 올리고플루오렌 유도체 분자를, 테트라히드로푸란을 용매로 해서, 1mM으로 조정했다.
그리고, 제1 기판(31)을 테트라히드로푸란 증기로 포화한 데시케이터 내에 배치하고, 상기한 올리고플루오렌 유도체 분자의 용액을 적하하고, 10 분 정도 방치했다. 그 후, 테트라히드로푸란액으로 세정하고, 과잉의 올리고플루오렌을 제거했다.
이 제1 기판(31) 상의 올리고플루오렌 유도체 분자층(5CB층과 올리고플루오렌층과의 적층체)에, 제2 기판(35) 상에 형성한 절연막(37)이 밀착하도록, 제1 기판(31)과 제2 기판(35)을 스페이서를 거쳐서 서로 붙였다.
최후에, 서로 붙인 2매의 기판(31 및 35)의 단부를 에폭시 수지 등의 봉지재에 의해서 봉지해서, 전계 효과형 분자 디바이스(21)를 완성했다.
이와 같이 해서 제작된 전계 효과형 분자 디바이스(21)의 제어 전계 인가용 전극(31 및 36)에 가하는 전압을 온, 오프해서, 빗형 전극(33과 34) 사이의 올리고플루오렌 분자쇄의 도전율을 측정하면, 전계 오프시에는 높은 저항값을 나타내지만, 전계 인가에 의해서 저항이 감소하는 변조 작용이 관측되었다.
비교예1
다음에, 본 발명의 실시예에 대한 비교예를 나타낸다.
이 비교예는, 공역계 분자(주쇄)로서, 측쇄에 영구 쌍극자 모멘트를 가지지 않는 에틸헥실올리고플루오렌(중합도 20정도)을 실장한 도 4에 도시하는 것과 마찬가지의 전계 효과형 분자 디바이스를 제작했다. 이 디바이스는, 다음과 같이 제작된다.
여기서 이용하는 티올 말단을 가지는 에틸헥실올리고플루오렌의 분자 구조는, 하기와 같다.
[화학식 2]
Figure 112006094437254-pct00002
우선, 대향 전극으로서의 소스 전극과 드레인 전극 사이에는 채널부로 되는 나노갭을 형성하지만, 그러한 전극의 제작 방법은 H.Park, et.al., Applied Physics Letters, Vol.75, 301(1999)을 참고로 해서 행했다. 즉, 도 6의 (a)에 도시하는 바와 같이, 우선, 도전성 실리콘 기판(31) 상에 SiO2층(32)(두께 500㎚), 그 위에 크롬층(두께 5㎚), 금 전극층(두께 30㎚)을 형성한 후, 크롬층/금 전극층은 폭 20～30㎚의 마이크로 브리지의 형상(50)으로 전자선 리소그래피에 의해서 가공했다.
다음에, 그 마이크로 브리지 상에, 에틸헥실올리고플루오렌 0.1mM의 테트라 히드로푸란(TFT) 용액을 1μL 적하하고, TFT 포화 증기압 중에서 48시간 방치해서, 도 6의 (b)에 도시하는 바와 같이, Self-assembled monolayer(SAM)(51)을 형성했다.
다음에, 이 건조시킨 마이크로 브리지(50)의 양단에 전압 15V 정도를 인가해서, 마이크로 브리지(50)를 일렉트로 마이그레이션에 의해서 단선(斷線)시키고, 도 6의 (c)에 도시하는 바와 같이, 나노갭(52)을 분단(分斷)된 대향 전극(33, 34) 사이에 형성했다.
다음에, 아르곤 분위기 하에서 350K까지 상승시키는 것에 의해서, 공역계 분자(51)는 액정상(液晶相)으로 되고, 나노갭(52)에는, 도 6의 (d)에 도시하는 바와 같이, 대향 전극(33, 34)의 대향 방향을 따라서 배열한 양호한 분자 배향을 얻을 수 있었다.
여기서, 제작된 전계 효과형 분자 디바이스의 단면도를 도 7에 도시한다.
이와 같이 해서 제작한 샘플 디바이스의 FET 특성을 측정한 바, 측쇄에 쌍극자 모멘트를 가지지 않는 에틸헥실올리고플루오렌의 FET 특성은, 도 8에 도시하는 바와 같이, 매크로 스케일로의 FET 특성(M. Heeney, et.al., Macromolecules, 37, 5250, (2004) 참조)와 마찬가지로, p형 반도체 특성을 나타내었다.
실시예2
다음에, 본 발명의 다른 실시예를 설명한다. 이 실시예는, 공역계 분자(주쇄)가 올리고플루오렌으로 이루어지고, 분자의 장축 방향에 쌍극자 모멘트를 가지는 펜던트 분자(측쇄)로서 4-펜틸-4′-시아노비페닐(5CB)을 이용한 상술한 실시형 태 2에서 나타낸 분자를 사용하고, 이것을 실장한 전계 효과형 분자 디바이스를 상술한 비교예 1에서 기술한 것과 마찬가지 방법으로 제작했다.
본 실시예에서 제작된 분자 디바이스는, 측쇄에 쌍극자 모멘트를 가지는 5CB 올리고플루오렌을 이용하는 것에 의해서, 도 9, 도 10에 도시하는 바와 같은 특이한 FET 특성을 나타내었다. 즉, 게이트 전압을 인가하고 있지 않을 때에는, 드레인 전압(Vds)의 승압(昇壓)에 따라서 전류는 단조롭게 증가하지만, 게이트 전압을 인가하면, 어떤 Vds에서 급준(急峻)하게 전류값(電流値)을 증가시킨다고 하는 것이다. 그 급준한 임계(threshold, critical) 특성은 게이트 전압에 의(依)하며, 또 도달 전류값도 게이트 전압에 의존한다. 또, 이력(履歷) 커브(curve)를 계측하면, 승압시에는 급준한 임계 특성을 나타내지만, 강압(降壓)시에는 도달한 전류값으로부터 완만한 단조(單調) 감소로 된다.
또한, 본 발명은, 도면을 참조해서 설명한 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니며 첨부하는 청구의 범위 및 그 주지를 일탈하는 일 없이, 여러 가지 변경, 치환 또는 그 동등의 것을 행할 수 있는 것은 당업자에게 있어서 명확하다.
본 발명의 신규한 전계의 작용 기구에 의거하는 기능성 분자 소자 및 장치는, 스위치, 트랜지스터, 메모리, 로직 회로 등 여러가지 전자 디바이스 분야에 응용이 가능하며, 종래의 매크로 사이즈의 소자부터 나노 사이즈의 소자까지, 동일한 재료와 원리로 제작 가능하다.

Claims (13)

  1. 고리모양 공역계(共役系; conjugated system) 분자가 복수 결합해서 이루어지는 공역 올리고머 또는 공역 폴리머와, 상기 고리모양 공역계 분자의 각각에 결합하고, 유전율 이방성(誘電率異方性) 또는 쌍극자(雙極子) 모멘트를 가지는 복수의 펜던트 분자로 이루어지는 계(系)를 이용하고,
    전계(電界) 미인가시에는, 상기 펜던트 분자에 결합하고 있는 상기 고리모양 공역계 분자와 이것에 서로 인접하는 상기 고리모양 공역계 분자와의 이면각(二面角)이 비틀어져 있는 것에 의해, 기능성 분자가 고저항의 상태이며, 또한 상기 펜던트 분자에 작용하는 전계를 인가하는 것에 의해서, 상기 이면각이 변화해서 평면화하는 것에 의해, 기능성 분자의 도전성이 향상하는, 기능성 분자 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공역계 분자로 이루어지는 주쇄(主鎖)에, 상기 유전율 이방성 또는 쌍극자 모멘트를 가지는 펜던트 분자로 이루어지는 측쇄(側鎖)가 공유 결합하고 있는 기능성 분자 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 공역계 분자가 플루오렌 골격(骨格)을 가지는 기능성 분자 소자.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 펜던트 분자가 시아노비페닐 골격을 가지는 기능성 분자 소자.
  5. 고리모양 공역계 분자가 복수 결합해서 이루어지는 공역 올리고머 또는 공역 폴리머와, 상기 고리모양 공역계 분자의 각각에 결합하고, 유전율 이방성 또는 쌍극자 모멘트를 가지는 복수의 펜던트 분자로 이루어지는 계(系)와; 상기 펜던트 분자에 전계를 인가하는 전계 인가 수단과; 상기 고리모양 공역계 분자에 대한 입출력 수단; 을 가지고,
    전계 미인가시에는, 상기 펜던트 분자에 결합하고 있는 상기 고리모양 공역계 분자와 이것에 인접하는 상기 고리모양 공역계 분자와의 이면각이 비틀어져 있는 것에 의해, 기능성 분자가 고저항의 상태이며, 또한 상기 펜던트 분자에 작용하는 전계를 인가하는 것에 의해서, 상기 이면각이 변화해서 평면화하는 것에 의해, 기능성 분자의 도전성이 향상하도록 구성된, 기능성 분자 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유전율 이방성 또는 쌍극자 모멘트를 가지는 분자가 상기 전계를 인가하기 위한 전극 상(上)에서 배향되어 있고, 상기 공역계 분자가 적어도 대향 전극 사이에 배치되어, 이 대향 전극의 적어도 한쪽으로부터 상기 전계에 대응한 출력이 취출(取出; extract, take out)되는 기능성 분자 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 공역계 분자에 의해서 도전로(導電路)가 형성되고, 상기 유전율 이방성 또는 쌍극자 모멘트를 가지는 분자에 작용하는 상기 전계의 변화에 의해서, 상기 도전로의 도전성이 제어되는 기능성 분자 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 유전율 이방성 또는 쌍극자 모멘트를 가지는 분자에 작용하는 상기 전계의 변화에 의해서, 이 분자의 전계 방향과의 위치 관계가 변화하고, 이 분자와 상기 공역계 분자가 이루는 각도가 변화하는 기능성 분자 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 공역계 분자의 층과 상기 유전율 이방성 또는 쌍극자 모멘트를 가지는 분자의 층이 적층체를 이루고 있는 기능성 분자 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    제1 전극 상에 절연층이 설치(設; provide)되고, 이 절연층 상에 서로 접촉하지 않도록 제2 전극과 제3 전극이 형성되고, 적어도 이들 제2 전극과 제3 전극 사이에 상기 적층체가 배치되고, 이 적층체의 상기 유전율 이방성 또는 쌍극자 모멘트를 가지는 분자의 층 상에 직접 혹은 절연층을 거쳐서 제4 전극이 설치된 기능성 분자 장치.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 공역계 분자로 이루어지는 주쇄에 상기 유전율 이방성 또는 쌍극자 모멘트를 가지는 펜던트 분자로 이루어지는 측쇄가 공유 결합하고 있는 기능성 분자 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 공역계 분자가 플루오렌 골격을 가지는 기능성 분자 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 펜던트 분자가 시아노비페닐 골격을 가지는 기능성 분자 장치.
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