WO2005076379A1 - 機能性分子素子 - Google Patents

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WO2005076379A1
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functional molecular
molecular
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Eriko Matsui
Haruo Watanabe
Oliver Harnack
Nobuyuki Matsuzawa
Akio Yasuda
Tadashi Mizutani
Takae Yamauchi
Susumu Kitagawa
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Sony Corporation
Sony Deutschland G.M.B.H.
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549—Organic PV cells

Definitions

  • the present invention relates to a novel functional molecular device that develops a function under the action of an electric field.
  • a scanning tunneling microscope In the late 1980s, an ultra-high-precision microscope called a scanning tunneling microscope was invented, allowing one atom and one molecule to be seen. If a scanning tunneling microscope is used, it is possible to manipulate atoms and molecules one by one as much as possible to observe them. For example, there have been reports of writing characters by arranging atoms on the surface of a crystal. However, even though it is possible to manipulate atoms and molecules, it is not practical to manipulate huge numbers of atoms and molecules one by one to assemble new materials and devices.
  • One is a method that has been used in the manufacture of various semiconductor devices in the past, for example, a so-called top-down type, in which a large silicon wafer is cut down to the limit and precisely to create an integrated circuit. Is the way.
  • the other is a so-called bottom-up method, in which atoms and molecules, which are micro units, are used as parts to assemble small parts to produce the desired nanostructure.
  • SIA Semiconductor Industry Association
  • ITRS International rechnology Roadmap for semiconductor
  • the ITRS consists of a short-term roadmap to 2005 and a long-term roadmap to 2014.
  • the short-term roadmap states that in 2005, the process rule for semiconductor chips will be 100 nm and the gate length for microprocessors will be 65 nm.
  • the long-term roadmap states that the gate length in 2014 will be 20-22 nm.
  • the speed of the semiconductor chip is increased as the size thereof is reduced, and the power consumption can be suppressed at the same time. Furthermore, the number of products that can be obtained from a single ueno is increased, and production costs are reduced. That is why they compete for microprocessor manufacturers, process rules for new products, and transistor integration.
  • FinFETs on the other hand, effectively control the channel by making the gate a fork that extends on both sides of the channel.
  • the gate length and the transistor can be further reduced compared to the conventional structure.
  • the prototype FETs manufactured by the group have a gate length of 18 nm, one-tenth the current typical gate length, which is shown in the ITRS long-term roadmap. Equal to the size of four years. It is also said that half the gate length is possible.
  • Hu et al. Have said that they will not be patented in hopes of widespread adoption in the semiconductor industry, so FinFETs could become the dominant manufacturing technology.
  • a semiconductor chip is manufactured by printing a circuit pattern on a silicon wafer by lithography technology.
  • the resolution must be increased, and in order to increase the resolution, a technology utilizing light with a shorter wavelength must be put to practical use.
  • the heat generation per semiconductor chip becomes too large due to the increase in the degree of integration, and the semiconductor chip which has become hot may malfunction or be thermally damaged.
  • each molecule have a function as an electronic component.
  • An electronic device (such as a molecular switch) consisting of a single molecule, which is manufactured by a bottom-up method.
  • Research is also being conducted on bottom-up nanometer-sized structures for metals, ceramics, and semiconductors.
  • each individual molecule is originally independent, and there are millions of diverse molecules, such as different shapes and different functions. You can design and fabricate a device (molecular device) with a bottom-up method.
  • the width of the conductive molecule is only 0.5 nm.
  • This molecular wire material can realize high-density wiring several thousand times higher than the line width of about 100 nm realized by current integrated circuit technology.
  • one molecule is used as a storage element, it is possible to record more than 10,000 times of a DVD (Digital Versatile Disc).
  • Hewlett-Packard (HP) of the United States and a research group at the University of California at Los Angeles succeeded in manufacturing organic electronic devices, which was published in Science in July 1999, and in US Patent No. 6,256,767, It is disclosed in US Pat. No. 6,128,214. They made a switch using a molecular film consisting of millions of organic taxanes, and joined the molecular switches to create an AND gate, which is a basic logic circuit.
  • a conventional molecular device driven by an electric field is a device that utilizes a change in physical properties of the molecule itself under the action of an electric field, that is, considers the molecule itself as a single device, and considers the electronic state of the molecule. Only the element that changes the electric field by the electric field was used.
  • carrier movement in an organic molecule is modulated by a change in an electric field acting on the organic molecule in a channel region.
  • the purpose of the present invention is to provide a function based on a new principle.
  • An object of the present invention is to provide a functional molecular device that is effectively controlled by an electric field.
  • the present invention is a functional molecular device using a system in which dielectric anisotropy changes due to a change in molecular structure induced by an electric field.
  • the functional molecular element is configured using a system in which the dielectric anisotropy changes due to a change in molecular structure induced by an electric field.
  • the electrical properties of the device are obtained and are modulated by changes in molecular structure induced by changes in the electric field.
  • Such an action mechanism of the electric field is intended to modulate the function of the functional molecular element by directly controlling the dielectric constant of the functional molecular element by the electric field, and is not seen in the conventional functional molecular element such as a field effect transistor. It was a powerful force. Based on this new electric field action mechanism, a functional molecular element capable of controlling electric characteristics with good electric field response can be constructed.
  • FIGS. 1A to 1C are schematic diagrams illustrating three switching operation modes of a functional molecular element according to the present invention, and FIG. 1A shows an initial state in which no electric field is applied.
  • FIG. 1B shows a state where a low voltage is applied and electrolysis is applied, and
  • FIG. 1C shows a state where a high voltage is applied.
  • FIG. 2 is a diagram showing a structural formula of a biladienone metal complex constituting a functional molecular element.
  • Figure 3 shows a model of the chemical structure of the biladienone metal complex and its helical structure It is a schematic diagram.
  • FIG. 4A is a schematic sectional view of a field-effect molecular device to which the present invention is applied
  • FIG. 4B is a plan view of a comb-shaped electrode.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing an enlarged main part of the field-effect molecular device.
  • FIG. 6A is a schematic perspective view showing a behavior of a field-effect molecular device when a voltage is turned on
  • FIG. 6B is a schematic perspective view showing a behavior when a voltage is turned off.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between current and voltage of the field-effect molecular device according to Example 1 of the present invention for each ON and OFF time.
  • FIG. 8 is a graph showing the relationship between the dielectric constant and the voltage of the field-effect molecular device.
  • FIG. 9 is a graph showing a current-voltage relationship of the field-effect molecular device according to Comparative Example 1 of the present invention.
  • the functional molecular element according to the present invention has a dielectric anisotropy and undergoes a structural change under the action of an electric field, for example, preferably a disc-shaped organic molecule having a linear side chain, or an organic molecule close to a disc. It is preferable to use an organometallic complex molecule with a metal ion. The fact that this organic molecule has a dipole moment also has the same effect as dielectric anisotropy.
  • the molecule When such a discotic organic molecule having a side chain is used, the molecule exhibits the properties of a discotic liquid crystal, so that the molecule can be oriented and exhibit a high dielectric anisotropy.
  • the organic molecules have dielectric anisotropy and change in structure or orientation under the action of an electric field, conformation such as a complex forming portion changes in response to the change in the electric field,
  • the dielectric anisotropy that is, the electrical characteristics change.
  • a liquid crystal solution of an organometallic complex molecule having a substantially disk-like shape having side chains is arranged at least between the counter electrodes in a state of being aligned on the electrode for applying an electric field. It is preferable that the output corresponding to is output. Further, it is preferable to form a columnar array structure in which organometallic complex molecules having a side chain and having a shape close to a disk are arranged in a column between the pair of opposed electrodes.
  • the structure of the organometallic complex molecule changes due to a change in the electric field acting on the discotic organometallic complex molecule having a side chain, and the principal axis direction of the dielectric constant tensor and the surface on which the pair of counter electrodes are formed. It is preferable that the angle formed between them is changed.
  • an insulating layer is provided on the first electrode for applying an electric field
  • the second electrode and the third electrode are formed as the counter electrode on the insulating layer so as not to contact each other.
  • At least a columnar array structure is disposed between the second electrode and the third electrode, and the organic metal complex is close to a disk having side chains forming the columnar array structure.
  • a fourth electrode for applying the electric field may be provided directly on the molecule or via an insulating layer.
  • the organic molecule is a disk-like derivative having a side chain, such as pyriberdin'biladienone, and the metal ion is a zinc ion, a copper ion, a nickel ion, or the like.
  • the side chain may be a straight chain having 3 to 12 carbon atoms, for example, C10H21 and C8H17.
  • the side chain having such carbon atoms enables the organic molecules to be oriented well without crystallization and facilitates the synthesis. In other words, when the number of carbon atoms is 1 to 1, the organic molecules tend to crystallize easily and exhibit no liquid crystal-like physical properties, resulting in poor orientation.When the number of carbon atoms is 13 or more, it becomes more difficult to orient. However, synthesis is also difficult.
  • a biphenyl-based liquid crystal such as 4-pentyl-4-cyanobiphenyl (5CB) or a polar solvent such as tetrahydrofuran can be used.
  • concentration of organic molecules such as the biladienone metal complex in the liquid crystal solution is preferably 0.1 to 80% by mass, more preferably 10 to 30% by mass.
  • the above-mentioned “functional molecular element” is not limited to an element configured as an element, but also includes the above-described molecular device incorporating this element (the same applies hereinafter).
  • the above-mentioned “functional molecular element” is not limited to an element configured as an element, but also includes the above-described molecular device incorporating this element (the same applies hereinafter).
  • Embodiment 1 (functional molecular element)
  • FIGS. 1A to 1C show a functional molecular element 1 in which a metal ion 3 and a disk-like substance having a side chain 5 are formed into a complex 4 with an organic molecule 2 as an example.
  • FIG. 4 schematically illustrates a change occurring around the metal ion 3 when an electric field is applied.
  • the discotic organometallic complex molecule having a side chain 5 (functional molecule 1) has a plurality of active sites with the metal 3, and therefore has a plurality of structural isomers that have almost the same generation energy. As shown in Fig. 1A, in the initial state where no electric field is applied, the structure la with the lowest generated energy is taken.
  • FIG. 1B when a low electric field is applied, as shown in FIG. 1B, an attempt is made to align the dielectric anisotropy with the direction of the applied electric field.
  • the structure changes in proportion to the difference between the generated energy and the applied electric field strength.For example, when a higher electric field is applied, as shown in FIG.1C, the generated energy is higher and the dielectric The structure changes so that the rate anisotropy becomes a structure lc along the electric field application direction.
  • the discotic organometallic complex molecule la having the side chain 5 of the functional molecular element 1 tends to have a closed circular structure as much as possible.
  • the helical pitch expands and contracts and changes as if it were.
  • the structure or orientation of the discotic organometallic complex molecule 1 having a side chain is changed by the application of the electric field, and this causes a structural change of the complex forming part 4 with the metal ion 3, Changes the dielectric constant of the functional molecule 1, that is, the conductivity.
  • the functional molecule 1 is close to a disk shape having a side chain 5! ⁇ Organic molecule 2 ⁇ ⁇ ⁇ Several combinations are conceivable depending on the difference in the structure of the complex-forming portion 4.
  • R substituent
  • M metal ion
  • a spiral is formed in a spiral structure.
  • FIG. 3 shows a model of the molecular structure.
  • the helical structure is formed by a ⁇ -isomer or a ⁇ -isomer.
  • the pitch between the molecules of the helical structure changes due to the action of the electric field described above.
  • the organometallic complex for example, the biladienone metal complex, exhibits a blue color in a normal state without an electric field applied, changes from green to light brown by the application of an electric field, and reversibly returns to the original state when the electric field is cut off. . This change also occurs depending on the temperature, and it is thought that the molecular structure can be similarly changed by controlling both the electric field and the temperature.
  • Embodiment 2 Field effect type molecular device
  • a complex of the viladienone 2 used in FIG. 2 and the zinc (II) ion as the metal ion 3 is used as the organometallic complex molecule 1 having a nearly disk shape forming the columnar array structure.
  • a description will be given of a field-effect type molecular device 21 incorporating the same and a manufacturing process thereof.
  • FIG. 4A is a schematic cross-sectional view showing the structure of the field-effect molecular device 21, and FIG. 4B shows the comb electrodes 33 and 34 used therein.
  • FIG. 4A is a schematic cross-sectional view of the field-effect molecular device 21 taken along the line ⁇ ⁇ shown in FIG.
  • the first substrate 31 also serving as an electrode for applying a control electric field is used.
  • An insulating film 32 is formed thereon, and comb electrodes 33 and 34 for measuring the conductivity of the biladienone metal complex 1 are formed thereon.
  • an ITO (Indium Tin Oxide) film 36 which is another electrode for applying a control electric field, is formed, and a homogenous alignment film 37 (insulating film) is formed thereon.
  • the liquid crystal solution 22 of the organometallic complex 1 comprising viladienone and zinc (II) ions 3 is sandwiched between two substrates 31 and 35 together with a spacer (not shown), and the peripheral portion is sealed. Sealed by material 38.
  • the first substrate 31 serving also as a control electric field application electrode and the other ITO film 36 serving as the control electric field application electrode are electrically connected to a control electric field application power supply 41. Further, the comb electrodes 33 and 34 are electrically connected to a power supply 42 for measuring conductivity and an ammeter 43.
  • FIG. 5 is a conceptual schematic cross-sectional view for explaining the structure of the field-effect molecular device 21 at the molecular level.
  • Figure 5 shows only five units of a complex molecule 1 of biladienone 2 and zinc ( ⁇ ) ion 3. This is a representative representation and actually contains a large number of identical molecules. Needless to say, the liquid crystal molecules are not shown.)
  • the complex molecules 1 along the side surfaces of the comb electrodes for example, the gold electrodes 33 and 34, Are oriented in the vertical direction in the drawing to form a columnar array structure 44, and the above-mentioned structural change is caused by the application of the electric field.
  • electrodes 31 and 36 for applying a control electric field for applying a control electric field to the biladienone metal (zinc) complex, and comb electrodes 33 and 34 for measuring the conductivity of viladienone are prepared. .
  • the first substrate 31 which also serves as an electrode for applying a control electric field
  • a highly doped silicon substrate is used as the first substrate 31 which also serves as an electrode for applying a control electric field.
  • An insulating silicon film is formed on the surface of the first substrate 31 by thermal oxidation to form an insulating layer 32.
  • comb electrodes 33 and 34 such as gold electrodes are formed by sputtering or the like and pattern jungling.
  • a glass substrate is used as the second substrate 35, and an ITO (Indium Tin Oxide) film is formed on the surface thereof by vacuum evaporation or the like to form another electrode 36 for applying a control electric field.
  • an insulating layer 37 of polybutyl alcohol or the like is formed by coating or the like. This may be made into a liquid crystal alignment film by rubbing or the like.
  • the material of the functional molecular element is incorporated between the electrode 31 and the electrode 36, and the main part of the field-effect molecular device 21 capable of measuring the conductivity modulation is manufactured.
  • a zinc complex 1 of viladienone 2 is dissolved in a 4pentyl-4 ′ cyano biphenyl (5CB) liquid crystal 40 having a positive dielectric anisotropy, and the liquid crystal solution 22 is applied on the insulating layer 32.
  • the first substrate 31 and the second substrate 35 are adhered to the 4 pentyl-4, cyanobiphenyl (5CB) liquid crystal solution 22 of Viladienone such that the insulating film 37 formed on the second substrate 35 adheres tightly.
  • a sealing material 38 such as an epoxy resin to complete the field-effect molecular device 21.
  • the electric field strength for driving the biladienone metal complex is very low, for example, about two orders of magnitude lower than the electric field strength at which the 4-pentyl-4, cyanobiphenyl liquid crystal switches. Therefore, it goes without saying that the above-mentioned resistance modulation action is not due to the switching of 4 pentyl-4, -cyanobiphenyl liquid crystal molecules.
  • the voltage applied to the electrodes 31 and 36 for applying the control electric field is turned off, the measurement voltage is changed between the comb electrodes 33 and 34, and the biladienone metal complex between the comb electrodes 33 and 34 is changed. Measurement (equivalent to measurement of diode characteristics), the measured bias voltage Regardless, it shows a constant resistance value. That is, no diode characteristics are exhibited.
  • the conductivity changes due to the application of the control electric field (gate voltage).
  • the absence of diode characteristics means that this biladienone metal complex has a very excellent orientation state. It is nothing less than having a high order parameter.
  • the used biladienone molecules have liquid crystal properties, but switching does not require liquid crystal properties (a single molecule does not exhibit liquid crystal properties), so it is also used as a device at the molecular level. Of course, you can.
  • the molecular element according to this embodiment can be applied to various electronic device fields such as switches, transistors, memories, logic circuits, and displays.
  • the discotic organometallic complex molecule 1 forming the columnar array structure is changed in structure in the direction of the electric field, and the structure of the complex molecule is modulated.
  • a novel functional molecular element that controls dielectric anisotropy can be provided.
  • the functional molecular device based on the present invention can be constructed using the same material molecule from a device of a normal size to a device of a nanometer size, and can be formed from a wide variety of material molecules.
  • it has the following advantages.
  • the unit of operation is one molecule and one electron, it basically operates with low power consumption, and the above-mentioned Viradayenone has an order of magnitude higher than the energy at room temperature. Ultra low power consumption. Since the calorific value is small, even with high integration, the problem due to the heat hardly occurs.
  • the first substrate (electrode for applying a control electric field) 31 a heavily doped silicon substrate was used.
  • the surface of the first substrate 31 was subjected to a heat treatment to form a silicon oxide thin film, thereby forming an insulating layer 32.
  • comb electrodes 33 and 34 made of gold were formed as electrodes for measuring the conductivity of the biladienone metal complex 1 by sputtering and pattern jungling.
  • an ITO transparent electrode 36 was formed on the second substrate (glass substrate) 35 as another electrode for applying a control electric field by vacuum evaporation, and then an insulating layer 37 was formed on the ITO transparent electrode 36.
  • Polyvinyl alcohol is selected as this material, a 10% by mass aqueous solution of polybutyl alcohol is prepared, spin-coated on IT036, heat-treated at 110 ° C for 30 minutes, and then vacuumed for 72 hours. Let dry.
  • the first substrate 31 and the second substrate 35 were bonded via a spacer, and the gap between both substrates was set to 5 ⁇ m.
  • the periphery of the two substrates 31 and 35 bonded together was sealed with a sealing material 38 such as an epoxy resin to complete the field-effect molecular device 21.
  • the voltage applied to the control electric field application electrodes 31 and 36 of the field-effect molecular device 21 thus manufactured is turned on and off, and the conductivity of the viladienone 2 between the comb electrodes 33 and 34 is reduced.
  • a modulation action was observed in which the electric current was high when the electric field was turned off, but decreased in two steps due to the application of the electric field.
  • FIG. 7 shows a case where a DC electric field is applied between the electrodes 31 and 36 for applying a control electric field of the field-effect molecular device 21 manufactured in this manner, and the voltage between the comb electrodes 33 and 34 at that time.
  • 5 is a graph showing the results of measuring the flow value with respect to the magnitude of the applied voltage.
  • FIG. 7 a structural diagram of viladienone 2 between electrodes 31 and 36 is schematically added to each region. That is, when the applied voltage is in the region I where the applied voltage is off, a relatively high current value, that is, a low resistance is exhibited. In the region II where the applied voltage is 40 VZm, the first structural change occurs, and the resistance is moderate. In the region III where the applied voltage was 2 mVZwm, the second structural change occurred, and a relatively low current value, that is, high resistance was exhibited. In this case, the on-Z-off ratio was very good,> 100.
  • Example 1 in order to observe the diode characteristics, an electric field was not applied between the electrodes 31 and 36 for applying the control electric field, and the noise voltage applied between the comb electrodes 33 and 34 was increased or decreased. And the amount of current was measured.
  • the functional molecular element according to the present invention is used for an element such as a field effect type molecular device.

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Abstract

　本発明は、カラム状配列構造体を形成する円盤状に近い有機金属錯体分子（１）のコンフォメーションを、電界の印加によって変化させ、機能を発現する機能性分子素子であり、電界の印加により有機金属錯体分子の構造が変化し、誘電率異方性が変化する。したがって、測定電極間の導電性をスイッチすることができ、その安定値は３種類以上あり、その多値メモリ性を応用した素子を構成できる。

Description

機能性分子素子
技術分野
[0001] 本発明は、電界の作用下で機能を発現する新規な機能性分子素子に関する。
本出願は、日本国において 2004年 2月 10日に出願された日本特許出願番号 200 4 033055を基礎として優先権を主張するものであり、この出願は参照することによ り、本出願に援用される。
背景技術
[0002] 従来、ナノテクノロジ一は、大きさが 1億分の 1メートル（10—8m= 10nm)程度の微 細構造を観察、作製、利用する技術である。
1980年代後半に、走査型トンネル顕微鏡と称される超高精度の顕微鏡が発明さ れ、原子 1個、分子 1個を見ることができるようになった。走査型トンネル顕微鏡を用 いれば、原子や分子を観察できるば力りでなぐ 1個ずつ操作することができる。 例えば、結晶の表面に原子を並べて文字を書いた例等が報告されている。しかし、 原子や分子を操作できると言っても、莫大な個数の原子や分子を 1個ずつ操作して、 新材料やデバイスを組み立てるのは実際的ではない。
原子や分子やその集団を操作して、ナノメートルサイズの構造体を形成するには、 それを可能にする新 、超精密加工技術が必要である。そのようなナノメートル精度 の微細加工技術として、大きく分けて 2つの方式が知られて 、る。
1つは、従来力も様々な半導体デバイスの製造に用いられてきた方法で、例えば大 きなシリコンウェハを限界まで小さく精密に削り込んでいき、集積回路を作り込むよう な、所謂トップダウン型の方法である。他の 1つは、極微の単位である原子や分子を 部品として、小さな部品を組み上げて目的のナノ構造体を作製する、所謂ボトムアツ プ型の方法である。
トップダウン方式によって、どのくらい小さな構造体を作製できるかという限界に関し ては、インテル社の共同創設者であるゴードン 'ムーアが 1965年に提示した有名な ムーアの法則がある。これは、「トランジスタの集積度は 18か月で 2倍になる。」という 内容である。 1965年以後、半導体業界は、 30年以上にわたって、ムーアの法則ど おりにトランジスタの集積度を高めてきた。
米半導体工業会 (SIA)力 発表されている今後 15年間の半導体産業のロードマツ プ ITRS (International rechnology Roadmap for semiconductor)【ま、ム ~~ァの法 aili^ 弓 Iき続き有効であると 、う見解を示して 、る。
ITRSは、 2005年までの短期ロードマップと、 2014年までの長期ロードマップから なる。短期ロードマップは、 2005年に半導体チップのプロセスルールは lOOnmに、 マイクロプロセッサのゲート長は 65nmになるとしている。長期ロードマップは、 2014 年のゲート長は 20— 22nmになるとしている。
半導体チップは、微細化するほど高速化し、同時に電力消費を抑えられる。更に、 1枚のウエノ、から取れる製品数も多くなり、生産コストも下げられる。マイクロプロセッ サのメーカー力、新製品のプロセスルールとトランジスタ集積度を競うのもそのためで ある。
1999年 11月、米国の研究グループが微細化技術の画期的な研究成果を明らか にした。それは、米国カリフォルニア大学バークレー校でコンピュータサイエンスを担 当するチェンミン'フー教授らのグループによって開発された、 FinFETと名づけられ た FET (電界効果トランジスタ）上のゲートの設計方法である。この方法は、従来に比 ベ 400倍の個数のトランジスタを半導体チップの上に形成することを可能にする。 ゲートは、 FETのチャネルにおける電子の流れを制御する電極で、現在の一般的 な設計では半導体の表面に平行に置かれ、チャネルを片側力 制御する構造となつ ている。この構造では、ゲートが一定以上の長さがないと電子の流れを遮断すること ができないので、そのためのゲート長がトランジスタの微細化を制限する 1つの要因 になると考えられていた。
これに対し、 FinFETは、ゲートをチャネルの両側にまたがるフォーク型にして効果 的にチャネルを制御する。 FinFETの構造では、従来の構造に比べ、ゲート長とトラ ンジスタを更に小さくすることが可能となる。
同研究グループが製造したプロトタイプの FETのゲート長は、 18nmで、現在の一 般的なゲート長の 10分の 1であり、これは、 ITRSの長期ロードマップで示された 201 4年のサイズに匹敵する。更にこの半分のゲート長も可能だと言われている。フーら は、広く半導体業界で採用されていくことを期待して特許をとらないとしているため、 F inFETが製造技術の主流になっていく可能性もある。
しかしながら、「ムーアの法則」も、いずれは自然法則に基づく限界にぶっかるとも 指摘されている。
例えば、現在主流になっている半導体技術では、シリコンウェハ上にリソグラフィ技 術で回路パターンを焼き付けて、半導体チップを製造する。より微細化するためには 、解像度を上げねばならず、解像度を上げるためには、より波長の短い光を利用する 技術を実用化しなければならな 、。
また、集積度の増大によって半導体チップ当たりの発熱量が大きくなりすぎ、高温 になった半導体チップが誤動作したり、熱的に破壊されてしまうおそれもある。
更に、専門家の予測によると、半導体業界がこのままチップを小さくしつづければ、 設備コストやプロセスコストが膨らみ、歩留まりの悪化もあって、 2015年あたりで経済 的に成り立たなくなるとも考えられている。
上述のようなトップダウン方式の技術的な壁を打開する新たな技術として、個々の 分子に電子部品としての機能を持たせようとする研究が注目を集めている。単一分 子からなる電子デバイス (分子スィッチなど)であり、ボトムアップ方式で作製する。 金属やセラミックス、半導体についても、ボトムアップ方式でナノメートルサイズの構 造体を作る研究が行われている。しかし、もともと 1個 1個が独立していて、形の違い、 機能の違いなど、数 100万種類に及ぶ多様性のある分子こそ、それを生力せば、従 来とは全く異なる特徴を持つデバイス (分子デバイス)をボトムアップ方式で設計し、 作製することができる。
例えば、導電性分子の幅はわずか 0. 5nmである。この分子の線材は、現在の集積 回路技術で実現されている lOOnm程度の線幅に比べて、数千倍の高密度の配線を 実現できる。また、例えば、 1個の分子を記憶素子として使うと、 DVD (Digital Versatile Disc)の 1万倍以上の記録が可能となる。
分子デバイスは、従来の半導体シリコンとは異なり、化学的工程で合成する。 1986 年、三菱電機株式会社の肥塚裕至は、ポリチォフェン (高分子)からなる世界初の有 機トランジスタを開発した。
更に、米国ヒューレット 'パッカード（HP)社とカリフォルニア大学ロサンゼルス校の 研究グループは、有機電子デバイスの製造に成功し、 1999年 7月に Science誌に発 表するとともに、米国特許第 6256767号明細書、米国特許第 6128214号明細書に 開示されている。彼らは、有機分子である口タキサン数百万個からなる分子膜を使つ てスィッチを作り、この分子スィッチをつなぎ合わせて、基本的な論理回路である AN Dゲートを作製した。
また、米ライス大学とエール大学の共同研究グループは、電界印加下での電子注 入によって分子構造が変化してスイッチング動作を行う分子スィッチを作ることに成 功し、 1999年 11月に Science誌に発表した（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, 1551—1552、 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. 278,252-2) 0繰り返しオン、オフできる機能は、 HP社と カリフォルニア大学ロサンゼルス校のグループでは実現されていなかった機能である
。大きさは通常のトランジスタの 100万分の 1で、小さく高性能のコンピュータを作る基 礎となる。
合成に成功した J.Tour教授 (ライス大学'ィ匕学）は、分子スィッチの生産コストは、通 常の半導体製造に使われる高価なクリーンルームが不要のため、従来の数千分の 1 にできるとしている。 5— 10年以内に分子とシリコンのノ、イブリツド型コンピュータを作 る予定だとしている。
1999年にベル研究所 (ルーセントテクノロジ一社） 1S ペンタセン単結晶を用いて有 機薄膜トランジスタを作製し、これは、無機半導体に匹敵する特性を示した。
電子部品としての機能を持つ分子デバイスの研究が盛んに行われて 、るといって も、これまでの分子デバイスに関する研究は、ほとんどが、光、熱、プロトン、イオンな どで駆動するものであった（Benし Feringa, "Molecular Switches" , WILEY- VCH, Weinheim, 2001)。
発明の開示 発明が解決しょうとする課題
[0003] 電界で駆動される従来の分子素子は、電界の作用を受けた分子自身の物性の変 化を利用する素子、即ち、分子自体を 1個の素子と考えて、その分子の電子状態を 電界によって変化させる素子しかな力つた。例えば、有機 FETでは、チャネル領域の 有機分子に作用する電界の変化によって、有機分子中のキャリア移動が変調される 上述のような実情に鑑み、本発明の目的は、その機能が、新しい原理に基づいて 電界によって効果的に制御される機能性分子素子を提供することにある。
本発明は、電界で誘起される分子構造変化によって誘電率異方性が変化する系を 用いた機能性分子素子である。
本発明は、電界で誘起される分子構造変化によって、誘電率異方性が変化する系 を用いて機能性分子素子を構成するので、誘電率異方性によって、例えば導電性 等の機能性分子素子としての電気的特性が得られ、かつ、それが前記電界の変化 によって誘起される分子構造の変化によって変調される。
このような電界の作用機構は、電界によって機能性分子素子の誘電率を直接制御 してその機能を変調しょうとするものであって、従来の機能性分子素子、例えば電界 効果トランジスタ等には見られな力つたものである。この新しい電界の作用機構に基 づけば、電気的特性を電界応答性良く制御できる機能性分子素子を構成することが できる。
本発明の更に他の目的、本発明によって得られる利点は、以下において図面を参 照して説明される実施に形態から一層明らかにされるであろう。
図面の簡単な説明
[0004] [図 1]図 1 A—図 1Cは本発明に係る機能性分子素子が示す 3つのスイッチング動作 モードを例示した概略図であって、図 1 Aは電界を印加しない初期状態を示し、図 1B は低 、電解を印加した状態を示し、図 1Cは高 ヽ電荷を印加した状態を示す。
[図 2]図 2は、機能性分子素子を構成するビラディェノン金属錯体の構造式を示す図 である。
[図 3]図 3は、ビラディエノン金属錯体の化学構造のモデルとそのらせん構造を示す 模式図である。
[図 4]図 4Aは本発明が適用された電界効果型分子デバイスの概略断面図を示し、 図 4Bはくし型電極の平面図を示す。
[図 5]図 5は、電界効果型分子デバイスの要部を拡大して示す概略断面図である。
[図 6]図 6Aは電界効果型分子デバイスの電圧オン時の挙動を示す概略斜視図であ り、図 6Bはオフ時の挙動を示す概略斜視図である。
[図 7]図 7は、本発明の実施例 1による電界効果型分子デバイスの電流 電圧の関係 をオン、オフ時間毎に示すグラフである。
[図 8]図 8は、電界効果型分子デバイスの誘電率 電圧の関係を示すグラフである。
[図 9]図 9は、本発明の比較例 1による電界効果型分子デバイスの電流 電圧の関係 を示すグラフである。
発明を実施するための最良の形態
本発明に係る機能性分子素子は、誘電率異方性を有しかつ電界の作用下で構造 変化する、例えば直鎖状の側鎖を有する望ましくは円盤状、又は円盤に近い有機分 子と、金属イオンとの有機金属錯体分子を用いるのがよい。この有機分子が双極子 モーメントを有していることも、誘電率異方性と同等の作用をなす。
このような側鎖を有する円盤状に近い有機分子を使用すれば、ディスコティック液 晶の性質を示すため、分子が配向し、高い誘電率異方性を示すことができる。これに つ ヽて【ま、後 する T.Trzaska, H— F.Hsu and T.M.bwager, し ooperativeし hiralith in Columnar Liquid Crystals: Studies of Fluxional Octahedral Metallomesogens. ,J. Am. Chem. Soc.,1999,Vol.l21,4518-4519,清水 洋,"カラムナー液晶 その多様な 分子構造と分子間相互作用",液晶, 2002,Vol.6,147-159を参照することができる。 他方、この有機分子が誘電率異方性を有しかつ電界の作用下で構造又は配向変 化することによって、前記電界の変化に対応して錯体形成部等のコンフオメーシヨン が変化して、誘電率異方性、つまり電気的特性が変化する。
そして、前記側鎖を有する円盤状に近い有機金属錯体分子の液晶溶液が電界印 加用の電極上で配向した状態で少なくとも対向電極間に配置され、この対向電極の 少なくとも一方の電極力 前記電界に対応した出力が取り出されるのがよい。 また、これらの一対の対向電極間に、前記側鎖を有する円盤状に近い有機金属錯 体分子がカラム状に配列したカラム状配列構造体を形成して ヽるのがよ ヽ。
また、側鎖を有する円盤状に近い有機金属錯体分子に作用する電界の変化によつ て、前記有機金属錯体分子の構造が変化し、誘電率テンソルの主軸方向と一対の 対向電極の形成面とがなす角度が変化するのがよい。
この場合、電界印加用の第 1の電極上に絶縁層が設けられ、この絶縁層の上に互 いに接触しな ヽように第 2の電極と第 3の電極とが前記対向電極として形成され、少 なくともこれらの第 2の電極と第 3の電極との間にカラム状配列構造体が配され、この カラム状配列構造体を形成する側鎖を有する円盤状に近 、有機金属錯体分子上に 直接に若しくは絶縁層を介して前記電界印加用の第 4の電極が設けられてよい。 また、側鎖を有する円盤状に近 、有機分子がピリべルディン'ビラディエノン等のビ ラデイエノン誘導体であり、金属イオンが亜鉛イオン、銅イオン又はニッケルイオン等 であるのがよい。
このビラディェノン誘導体以外に、ビリン誘導体、フロリン誘導体、クロリン誘導体等 が使用可能である。上述の金属も、他の典型元素や遷移金属が使用可能である。 また、側鎖としては、炭素原子数 3— 12の直鎖状であればよぐ例えば C10H21 、 一 C8H17が挙げられる。このような炭素原子数を有する側鎖によって、有機分子が 結晶化することなしに良好に配向することができ、合成も容易となる。即ち、炭素原子 数が 1一 2であると、有機分子が結晶化し易くなつて液晶的な物性を示さなくなって配 向不良を生じ、また炭素原子数が 13以上になると、却って配向し難くなり、合成も困 難となる。
また、溶液に使用する触媒として、例えば 4 ペンチルー 4，ーシァノビフエ-ル（5CB )等のビフエニル系液晶ゃテトラヒドロフラン等の極性溶媒が使用可能である。この液 晶溶液中のビラディエノン金属錯体等の有機分子の濃度は 0.1— 80質量％とするの がよぐ 10— 30質量％とするのが望ましい。
なお、本発明において、上述の「機能性分子素子」とは、素子として構成されたもの に限らず、この素子を組み込んでなる既述したような分子デバイスも含むものとする（ 以下、同様)。 次に、本発明の好ましい実施の形態を図面参照下に具体的に説明する。
実施の形態 1 (機能性分子素子）
電界の印加により立体構造が変化して機能を発現する分子素子の機能の一例とし て、スイッチング動作が考えられる。図 1A—図 1Cは、金属イオン 3と、側鎖 5を有する 円盤状に近 、有機分子 2とが錯体 4を形成してなる機能性分子素子 1を例として、機 能性分子素子 1に電界の印加時に金属イオン 3の周辺で起こる変化をモデルィ匕して 概略図示したものである。
側鎖 5を有する円盤状に近い有機金属錯体分子 (機能性分子 1)は、金属 3との活 性部位を複数有するため、生成エネルギーをほとんど等しくする構造異性体が複数 存在する。図 1Aのように、電界を印加しない初期状態に置いては、最も低い生成ェ ネルギ一の構造体 laをとる。
ところが、例えば、低い電界が印加されると、図 1Bに示すように、誘電率異方性を その印加電界方向に揃えようとして、誘電率異方性が印加電界方向に沿った構造体 lbとなるように、その生成エネルギー差と印加電界強度につり合った構造変化をする そして、例えば、更に高い電界が印加されると、図 1Cに示すように、より生成エネル ギ一が高ぐかつ誘電率異方性が電界印加方向により沿った構造体 lcとなるように 構造変化する。
このように、電界印加時に機能性分子の示すスイッチング動作のダイナミクスにつ いては、電界強度の違いによって図 1B、図 1Cに示した少なくとも 2種類の動作モー ドが考えられる。これについて更に詳細に説明する。
図 1Aに示すように、電圧が印加されていない初期状態では、機能性分子素子 1の 側鎖 5を有する円盤状に近い有機金属錯体分子 laは、なるべく閉じた円状構造をと ろうとする。
この状態で、図 1Bに示すように、電界を印加すると、側鎖 5を有する円盤状に近い 有機金属錯体分子 1は誘電率異方性の方向を電界の向きに向けようとして、例えば 、開いた (伸びた）円状構造 lbをとろうとする。また、図 1Cに示すように、更に高い電 界を印加することにより、電界非印加時より生成エネルギーは高いが、誘電率異方性 の方向を更に電界印加方向に揃えるように、伸びた円状構造 1 cに変化する。
これをカラム全体で見れば、らせんピッチが伸縮して 、るかのような変化をする。 上述のように、電界の印加によって、側鎖を有する円盤状に近い有機金属錯体分 子 1の構造又は配向が変化し、これが金属イオン 3との錯体形成部 4の構造変化を生 じさせ、機能性分子 1の誘電率、つまり導電性を変化させる。
機能性分子 1には、側鎖 5を有する円盤状に近!ヽ有機分子 2ゃ錯体形成部 4の構 成等の違いにより、幾つかの組み合わせが考えられる。
例えば、図 2には、置換基 (R) (例えば C10H21)からなる側鎖 5を有する円盤状 に近い有機分子 2、例えば末端に C = 0基を対向して有するビラディエノン誘導体と 、金属イオン (M) ,例えば Ζη(Π)イオンとの有機金属錯体分子 1を示す。
この有機金属錯体分子 1にお 、て、対向し合う末端の C = 0基 (カルボ-ル基)の 存在によって分子が平面からねじれた構造を呈し、かつ複数の分子間が π— πスタ ック構造をなしてらせんを卷くようになる。図 3には、その分子構造のモデルを示すが 、らせん構造は Μ—体又は Ρ—体の光学異性体によって形成される。このらせん構造 の分子間のピッチが上記した電界の作用で変化するのである。
この有機金属錯体 1、例えばビラディエノン金属錯体は、電界無印加の通常の状態 では青色を呈し、電界の印加によって緑色→薄茶色に変化し、また電界を切ると元 の状態へと可逆的に戻る。なお、この変化は温度によっても生じ、電界と温度の双方 をコントロールすれば、分子構造を同様に変化させることもできるものと考えられる。 実施の形態 2 (電界効果型分子デバイス）
ここでは、カラム状配列構造体を形成する円盤状に近い有機金属錯体分子 1として 、図 2に用いたビラディエノン 2と、金属イオン 3としての亜鉛 (II)イオンとの錯体を用 い、図 4Α、図 4Βに示すように、これを組み込んだ電界効果型分子デバイス 21及び その作製工程を説明する。
図 4Αは、電界効果型分子デバイス 21の構造を示す概略断面図であり、図 4Βは、 それに用いられているくし型電極 33及び 34を示す。図 4Αは、図 4Βに示す Α— Α線 で電界効果型分子デバイス 21を切断した概略断面図である。
電界効果型分子デバイス 21では、制御電界印加用の電極を兼ねる第 1の基板 31 の上に絶縁膜 32が形成され、その上にビラディエノン金属錯体 1の導電率を測定す るためのくし型電極 33及び 34が形成されている。他方、第 2の基板 35の上には、もう 一方の制御電界印加用の電極である ITO (Indium Tin Oxide)膜 36が形成され、そ の上にホモジ-ァス配向膜 37 (絶縁膜)が積層されている。ビラデイエノンと亜鉛 (II) イオン 3とからなる有機金属錯体 1の液晶溶液 22は、 2枚の基板 31及び 35の間にス ぺーサ（図示は省略した。）とともに挟み込まれ、周辺部が封止材 38によって封止さ れている。
制御電界印加用の電極を兼ねる第 1の基板 31と、もう一方の制御電界印加用の電 極である ITO膜 36とは、制御電界印加用の電源 41に電気的に接続される。また、く し型電極 33及び 34は、導電性測定用の電源 42及び電流計 43に電気的に接続さ れる。
図 5は、電界効果型分子デバイス 21の構造を分子レベルで説明するための概念的 な概略断面図である。図 5には、ビラディェノン 2と、亜鉛 (Π)イオン 3との錯体分子 1 が 5単位のみ示されている力 これは、代表的に示したものであって実際には多数の 同分子が含まれていることは言うまでもない（但し、液晶分子は図示省略する。 ) o 図 5に示すように、電界オフの状態では、くし型電極、例えば金電極 33、 34の側面 に沿って錯体分子 1が図面上下方向に配向してカラム状の配列構造体 44を形成し、 この配向状態力 電界印加により上述した構造変化を生じる。
以下、図 5を参照しながら、電界効果型分子デバイス 21の作製工程を説明する。 初めに、ビラディェノン金属（亜鉛)錯体に制御用の電界を印加するための制御電 界印加用の電極 31及び 36と、ビラデイエノンの導電性を測定するためのくし型電極 33及び 34とを作製する。
制御電界印加用の電極を兼ねる第 1の基板 31としては、例えば高濃度にドープさ れたシリコン基板を用いる。第 1の基板 31の表面に熱酸ィ匕により酸ィ匕シリコン膜を形 成して絶縁層 32とする。その絶縁層 32上に、金電極等のくし型電極 33及び 34をス パッタリング等及びパターユングにより形成する。
一方、第 2の基板 35として例えばガラス基板を用い、その表面上に真空蒸着等によ り ITO (Indium Tin Oxide)膜を形成して、もう 1つの制御電界印加用の電極 36とする 。更に、 ITO膜 36上に、塗布等によりポリビュルアルコール等の絶縁層 37を形成す る。これは、ラビング等により液晶配向膜としてよい。
次に、上述の電極 31と電極 36間に機能性分子素子の材料を組み込み、導電性変 調の測定が可能な電界効果型分子デバイス 21の主要部を作製する。
まず、ビラディエノン 2の亜鉛錯体 1を誘電率異方性が正の 4 ペンチルー 4' シァノ ビフエ-ル（5CB)液晶 40に溶解させ、この液晶溶液 22を絶縁層 32上に塗布する。 このビラディェノンの 4 ペンチルー 4，ーシァノビフエ-ル（5CB)液晶溶液 22に、第 2の基板 35上に形成した絶縁膜 37が密着するように、第 1の基板 31と第 2の基板 35 とを貼り合わせる。
最後に、貼り合わせた 2枚の基板 31及び 35の周辺部をエポキシ榭脂等の封止材 3 8によって封止して、電界効果型分子デバイス 21を完成する。
このようにして作製された電界効果型分子デバイス 21の制御電界印加用の電極 3 1及び 36間に加える電圧をオン、オフして、くし型電極 33と 34との間のビラディエノン 金属錯体 2の導電率を測定 (トランジスタ特性の測定の相当）する。図 6Αには電界ォ フ時、図 6Βには電界オン時の分子の挙動 (構造変化)を模式的に示す。
この結果、例えば後述の図 7に示すように、電界オフ時には、低い抵抗値を示すが 、非常に低い電圧の印加でも、抵抗が 1ケタ以上増大し、更に電圧を高めると抵抗が 増大する変調作用が観測される。つまり、構造の安定状態は少なくとも 3種類、即ち、 ゲート電圧 0V、 40 μ ν/ μ m、 2mV/ μ mの 3段階が存在することになり、この多値 メモリ性を応用することができる。特に、低電圧であっても多値メモリを実現できること は極めて有利である。
このように、ビラディェノン金属錯体を駆動するための電界強度は、非常に低ぐ例 えば、 4 ペンチルー 4，ーシァノビフエニル液晶がスイッチングする電界強度と比べて 、 2桁ほど低い値である。したがって、上記の抵抗変調作用は、 4 ペンチルー 4，ーシ ァノビフエニル液晶分子のスイッチングによるものではな 、ことは言うまでもな 、。 また、制御電界印加用の電極 31及び 36に加える電圧をオフしておき、くし型電極 3 3と 34との間で測定電圧を変化させ、くし型電極 33と 34との間のビラディエノン金属 錯体の導電率を測定 (ダイオード特性の測定に相当）すると、測定バイアス電圧値に よらず、一定の抵抗値を示す。つまり、全くダイオード特性を示さない。
上述したように制御電界 (ゲート電圧）の印加によって導電率が変化するといぅトラン ジスタ特性を示す力 ダイオード特性を示さないということは、このビラディェノン金属 錯体が、非常に配向状態が優れており、高いオーダーパラメータを持つことを示して いることに他ならない。
使用したビラディエノン分子群は液晶性を有して 、るが、スイッチング自体に液晶 性 (単一分子では液晶性を発現することはない。）は必要ないことから、分子レベルで の素子としても活用できることは勿論である。
なお、本実施例による分子素子は、スィッチ、トランジスタ、メモリ、ロジック回路、デ イスプレイなど、種々の電子デバイス分野に応用が可能である。
以上に述べた本発明によれは、電界印加により、カラム状配列構造体を形成する 円盤状に近い有機金属錯体分子 1を電界方向に対して構造変化させ、錯体分子の 構造を変調し、その結果として、誘電率異方性を制御する、という新規な機能性分子 素子を提供することができる。
換言すれば、従来提案されてきたように、シリコン系の半導体を模倣して、分子自 体を n型又は p型半導体と考えてその分子の電子状態を変化させることにより導電性 の変化を引き起こすものとは異なり、全く新しい視点力 分子素子を実現するもので ある。
本発明に基づく機能性分子素子は、上述したことから、通常のサイズの素子からナ ノメートルサイズの素子まで同じ材料分子を用いて構築できることや、非常に多種類 の材料分子の中から目的に適したものを選択できる、という利点があることにカ卩えて、 次の諸点につ 、て利点を有して 、る。
1.低消費電力である。
動作の単位が分子 1個、電子 1個であるので、基本的に低消費電力で動作し、上 記にお!、て使用したビラデイエノンでは、室温のエネルギーと比較して一桁上回る程 度の超低消費電力である。発熱量が少ないので、高集積ィ匕しても、発熱による問題 が起こりにくい。
2.駆動周波数を選ばない。 最近の液晶の高速応答性の改善に見られるように、材料や構造を工夫することによ り、従来の無機半導体結晶以上の高速応答性も期待できる。
3.低公害性である。
通常の有機化合物の合成では、無機半導体の製造プロセスで使われるような、人 体や環境に有害な試薬等をほとんど必要としな 、。
次に、本発明の具体的な実施例について更に詳細に説明する。
実施例 1
図 5に示した電界効果型分子デバイス 21を作成した。まず、図 2に示した M=Zn、 R =— C 10H21を有するビラディエノン金属錯体 1に制御用の電界を印加するための 制御電界印加用の電極 31及び 36と、導電率を測定するための導電率測定用の電 極 33及び 34を形成した。
第 1の基板 (制御電界印加用の電極） 31としては、高濃度にドープされたシリコン基 板を用いた。第 1の基板 31の表面に、加熱処理を施して酸化シリコン薄膜を形成し て絶縁層 32とした。その絶縁層 32上に、ビラディエノン金属錯体 1の導電率測定用 の電極として金からなるくし型電極 33及び 34をスパッタリング及びパターユングにより 形成した。
次に、第 2の基板 (ガラス基板） 35上にもう 1つの制御電界印加用の電極として ITO 透明電極 36を真空蒸着によって形成した後、 ITO透明電極 36上に絶縁層 37を形 成した。この材料として、ポリビュルアルコールを選択し、ポリビュルアルコールの 10 質量％水溶液を調製して、 IT036上にスピンコート法で塗布し、 110°Cで 30分間加 熱処理した後、真空中で 72時間乾燥させた。
そして、第 1の基板 31と第 2の基板 35とをスぺーサを介して貼り合わせ、両基板の ギャップを 5 μ mとした。
次に、ビラディェノン 2の亜鉛錯体 1 10質量0 /0と、 4 ペンチルー 4，ーシァノビフエ- ル（5CB) 40 90質量％とからなる液晶溶液 22を、第 1の基板 31と第 2の基板 35との 間に毛細管現象を利用して注入した。
最後に、貼り合わせた 2枚の基板 31及び 35の周辺部をエポキシ榭脂等の封止材 3 8によって封止して、電界効果型分子デバイス 21を完成した。 このようにして作製された電界効果型分子デバイス 21の制御電界印加用の電極 3 1及び 36に加える電圧をオン、オフして、くし型電極 33と 34との間のビラディエノン 2 の導電率を交流バイアス電圧で測定すると、電界オフ時には高 、電流量を示すが、 電界印加によって電流量が 2段階に低下する変調作用が観測された。
図 7は、このようにして作製された電界効果型分子デバイス 21の制御電界印加用 の電極 31及び 36間に、直流電界を印加し、その際のくし型電極 33と 34との間の電 流値を測定した結果を、印加電圧の大きさに対して示したグラフである。
これによれば、印加電圧から見ると、全体は 3つの領域に分類できる。図 7中には、 それぞれの領域に対して、電極 31及び 36の間でのビラディエノン 2の構造図を模式 的に付加して示した。即ち、印加電圧がオフの領域 Iのときには、比較的高い電流値 、即ち、低抵抗性を示し、印加電圧が 40 VZ mの領域 IIでは、第 1の構造変化を 起こして、中程度の抵抗値を示し、更に印加電圧が 2mVZ w mの領域 IIIのときには 、第 2の構造変化を起こして、比較的低い電流値、即ち、高抵抗性を示した。この場 合、オン Zオフ比は > 100と非常に良好であった。
したがって、構造の安定状態は少なくとも 3種類は存在することになり、この多値メモ リ性を応用することができる。
また、この電流量測定と同時に、くし型電極 33と 34との間の誘電率測定も行った。 図 8の結果は、電流量変化に伴って、誘電率が変化しており、図 7に示した抵抗変化 が誘電率変化に誘発されているというメカニズムを証明するものである。
以上に述べたように、カラム状配列構造体を形成する円盤状に近!ヽ有機金属錯体 分子 1のコンフオメーションを電界の印加によって変化させて機能を発現する機能性 分子素子を構成したので、電界を印加すると、有機金属錯体分子 1の構造が変化す る。即ち、誘電率の異方性が変化する。したがって、測定電極間の導電性をスィッチ することができる。その安定値は、 2種類又は 3種類又はそれ以上あり、その多値メモ リ性を応用できる。
このような電界の作用機構は、電界によって機能性分子素子の電子状態を直接制 御してその機能を変調しょうとする従来の機能性分子素子、例えば電界効果トランジ スタ等には見られなかったものである。このような新しい電界の作用機構に基づけば 、電気的特性を電界応答性良く制御できる機能性分子素子を構成することができる。 比較例 1
実施例 1において、ダイオード特性を観測するために、制御電界印加用の電極 31 及び 36の間に電界を印加せず、くし型電極 33と 34との間に印加するノ ィァス電圧 を増減させて、電流量を測定した。
図 9に示すように、バイアス電界印加による変化は全く見られな力つた。この結果は 、ビラディエノン分子 2が、非常に高い配向性を持っているということを示している。図 7に示したように、トランジスタ特性を示すために制御電界印加用の電極 31と 36の間 に印加される電界には、 40 Vという非常に低い電圧に対して、センシティブに反応 するのに対し、くし型電極 33と 34との間の電界に対しては、全く応答しないからであ る。また、この結果は、印加電界の方向に対して構造変化しているという図 1に示した ような原理を裏付けるものである。
以上に述べた本発明の実施例 1、 2は、本発明を何ら限定するものではなぐ本発 明の主旨を逸脱しな 、範囲で適宜変更可能であることは言うまでもな 、。
本発明は、図面を参照して説明した上述の実施例に限定されるものではなぐ添付 の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなぐ様々な変更、置換又はその同等の ものを行うことができることは当業者にとって明らかである。
産業上の利用可能性
本発明に係る機能性分子素子は、電解効果型分子デバイス等の素子に用いられ る。

Claims

請求の範囲
[1] 1.電界で誘起される分子構造変化によって誘電率異方性が変化する系を用いたこ とを特徴とする機能性分子素子。
[2] 2.誘電率異方性又は双極子モーメントを有しかつ電界の作用下で構造変化する、 側鎖を有する有機分子と、金属イオンとの錯体力 なる請求の範囲第 1項記載の機 能性分子素子。
[3] 3.前記側鎖が直鎖状をなし、ほぼ円盤状の前記有機分子に結合されている請求の 範囲第 2項記載の機能性分子素子。
[4] 4.前記側鎖を有する前記有機分子力 なる有機金属錯体分子の液晶溶液が電界 印加用の電極上で配向した状態で少なくとも対向電極間に配置され、この対向電極 の少なくとも一方の電極力 前記電界に対応した出力が取り出される請求の範囲第 3 項記載の機能性分子素子。
[5] 5.前記一対の対向電極間に、前記有機金属錯体分子がカラム状に配列したカラム 状配列構造体を形成している請求の範囲第 4項記載の機能性分子素子。
[6] 6.前記有機金属錯体分子に作用する前記電界の変化によって、前記有機金属錯 体分子の構造が変化し、誘電率テンソルの主軸方向と前記一対の対向電極の形成 面とがなす角度が変化する請求の範囲第 4項記載の機能性分子素子。
[7] 7.前記電界印加用の第 1の電極上に絶縁層が設けられ、この絶縁層上に互いに接 触しないように第 2の電極と第 3の電極とが前記対向電極として形成され、少なくとも これらの第 2の電極と第 3の電極との間に前記カラム状配列構造体が配され、この力 ラム状配列構造体上に直接に若しくは絶縁層を介して前記電界印加用の第 4の電 極が設けられている請求の範囲第 5項記載の機能性分子素子。
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