專利名稱：功能性分子元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在電場(chǎng)作用(施加)下發(fā)揮功能的新的功能性分子元件。
本申請(qǐng)要求2004年2月10日遞交的日本專利申請(qǐng)No.2004-033055(其整個(gè)內(nèi)容在此作為參考并入本發(fā)明)的優(yōu)先權(quán)。
背景技術(shù)：
迄今，納米技術(shù)是用于觀察、制備(制造)和采用尺寸約萬萬分之一(10-8m＝10nm)的精細(xì)結(jié)構(gòu)的技術(shù)。
在1980年的后半年，已發(fā)明出稱作掃描型隧道顯微鏡的超高精度顯微鏡，由此可觀察到一個(gè)原子和/或一個(gè)分子。如果使用這種掃描型隧道顯微鏡，不僅可觀察到原子或分子，而且可逐個(gè)操作(利用)原子或分子。
例如，已經(jīng)報(bào)道了原子排列在晶體表面以寫入字母等的例子。但是，即使是據(jù)說原子或分子是可操作或利用的，逐個(gè)操作或利用大量的原子或分子以組裝新材料(物質(zhì))或器件也是不切實(shí)際的。
為了操作或利用原子或分子或它們的集合體以形成納米尺寸的結(jié)構(gòu)，需要一種新的超精度處理技術(shù)以實(shí)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)。作為納米精度的這種精細(xì)處理技術(shù)，已知大致分為兩種體系。
一種體系是常在各種半導(dǎo)體器件的制造工藝中所使用的方法。該方法是，如所謂自上而下型的這樣一種方法，其中將大硅片精確地切成最小尺寸以制備集成電路。另一體系是自下而上型方法，將原子或分子作為用作微小(非常小)元件的小部件或元件加以組裝以制造目標(biāo)納米結(jié)構(gòu)。
關(guān)于自上而下體系能制造小尺寸的什么結(jié)構(gòu)的限制問題，英特爾公司共同創(chuàng)始人Gordon Moore在1965年提出著名的Moore定律。該定律內(nèi)容為“晶體管的集成度每十八個(gè)月加倍”。從1965(年)以來的三十多年中，半導(dǎo)體企業(yè)界根據(jù)Moore定律已提高了晶體管的集成度。
U.S.半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)(SIA)宣布的今后十五年的半導(dǎo)體國(guó)際技術(shù)路線圖(ITRS)表明，Moore定律仍有效。
ITRS由2005(年)之前的短程路線圖和2014(年)之前的長(zhǎng)程路線圖組成。按照短程路線圖，半導(dǎo)體芯片的加工標(biāo)準(zhǔn)被假定為等于約100nm且微處理器的柵極(gate)長(zhǎng)度被假定為等于65nm(在2005年)。按照長(zhǎng)程路線圖，柵極長(zhǎng)度被假定為等于20-22nm(在2014年)。
隨著半導(dǎo)體芯片微型化的進(jìn)展，操作速度變高，同時(shí)抑制功率消耗。另外，從單個(gè)晶片取得的產(chǎn)品(芯片)的數(shù)目增加，而且生產(chǎn)成本也下降。這是因?yàn)?，微處理器的制造者?jìng)爭(zhēng)該加工標(biāo)準(zhǔn)和新產(chǎn)品的晶體管集成度。
在1999年11月，USA的科研小組提出了劃時(shí)代的微型化技術(shù)研究成果。該研究成果涉及一種設(shè)計(jì)稱作FinFET的FET(場(chǎng)效應(yīng)晶體管)柵極的方法，Chainmin Fuh教授(在加利福尼亞大學(xué)的Barkley分校負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)科學(xué))等的小組開發(fā)了這種方法。該方法能夠在半導(dǎo)體芯片上形成比已有技術(shù)大400倍的晶體管。
柵極是控制電子在FET的通道處流動(dòng)的一種電極，和根據(jù)目前的典型設(shè)計(jì)而具有這樣的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中柵極平行于半導(dǎo)體的表面而放置和用于控制一側(cè)的通道。對(duì)于該結(jié)構(gòu)，人們認(rèn)為，如果柵極不具有預(yù)定長(zhǎng)度或較長(zhǎng)，那么不可能截?cái)?中斷)電子的流動(dòng)，因此柵極長(zhǎng)度是限制晶體管微型化的一個(gè)原因(因素)。
相反，在FinFET的情況下，柵極是跨越在通道兩面上的叉型，這樣有效地控制通道。在FinFET的結(jié)構(gòu)中，與常規(guī)結(jié)構(gòu)相比，柵極長(zhǎng)度和晶體管可進(jìn)一步減小。
如上相同的科研小組已制造出的原型FET的柵極長(zhǎng)度是18nm，這是目前典型的柵極長(zhǎng)度的十分之一。該柵極長(zhǎng)度相當(dāng)于ITRS的路線圖所指出的2014(年)的尺寸。另外據(jù)說，可實(shí)現(xiàn)其一半的柵極長(zhǎng)度。由于Fuh等人無意于先行獲得專利，使得這些結(jié)構(gòu)被廣泛用于半導(dǎo)體企業(yè)界，F(xiàn)inFET，也有可能成為制造技術(shù)的主流。
但是，還要指出，“Moore’s Law”終究能達(dá)到該自然定律的極限。
例如，在目前成為主流的半導(dǎo)體技術(shù)中，電路圖案在硅晶片上通過平版印刷技術(shù)而烘烤以制造半導(dǎo)體芯片。為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步微型化(精細(xì)結(jié)構(gòu))，必須增加分辨率。為了增加分辨率，必須使用具有較短波長(zhǎng)的光的技術(shù)。
另外，每個(gè)半導(dǎo)體芯片的卡值隨著集成度的增加而可能變得太大。結(jié)果，造成高溫的半導(dǎo)體芯片可能發(fā)生操作錯(cuò)誤，或熱破碎。
另外按照專家的預(yù)計(jì)認(rèn)為，如果半導(dǎo)體企業(yè)界繼續(xù)實(shí)際上使芯片微型化(縮小)，器件成本和/或加工費(fèi)增加，這樣從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)上在約2015年半導(dǎo)體芯片的制造將變得不可能，除了上述原因，還由于產(chǎn)率的下降。
作為一種克服如上所述的自上而下體系的技術(shù)障礙的新技術(shù)，注意力的焦點(diǎn)集中在研究如何使各個(gè)分子具有作為電子部件(元件)的功能?；谶@樣研究的器件是由單個(gè)分子(分子開關(guān)等)組成的電子器件，并通過自下而上體系而制造(裝配)。
另外對(duì)于金屬、陶瓷和/或半導(dǎo)體，正在進(jìn)行通過自下而上體系來制備(制造)納米尺寸的結(jié)構(gòu)的研究。但如果注意力被吸引到原本各自獨(dú)立且具有多達(dá)數(shù)百萬種形狀各異和/或功能各異等以顯示其性能的分子上，那么可通過自下而上體系設(shè)計(jì)制造出這樣的器件(分子器件)，其特點(diǎn)完全不同于常規(guī)器件。
例如，導(dǎo)電分子的寬度僅是0.5nm。該分子的線能夠?qū)崿F(xiàn)的布線密度是目前集成電路技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的約100nm線寬度的數(shù)千倍。另外，如果例如一個(gè)分子用作存儲(chǔ)元件(器件)，則可記錄的量可以是DVD(數(shù)字通用盤)的一萬倍或更多倍。
分子器件的合成方法是不同于常規(guī)半導(dǎo)體硅的化學(xué)方法。1986年，Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha的Yuji Hizuka開發(fā)出世界上第一個(gè)由聚噻吩(聚合物)組成的有機(jī)晶體管。
另外，U.S.Hewlett-Packard(HP)公司和加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校的研究小組成功地制造出有機(jī)電子器件并將其內(nèi)容在1999年7月的ScienceMagazine上宣布。這些有機(jī)器件公開于U.S.專利No.6256767說明書和U.S.專利No.6128214說明書。它們?cè)谥苽?制造)開關(guān)時(shí)使用由數(shù)百萬個(gè)輪烷作為有機(jī)分子組成的分子膜連接這些分子開關(guān)，制成用作基本邏輯電路的AND柵極。
另外，U.S.A.的Rice大學(xué)和耶魯大學(xué)的合作研究小組成功地制成分子開關(guān)，其中分子結(jié)構(gòu)通過在電池作用下注射電子而改變以進(jìn)行切換操作并在1999年11月在Science Magazine上宣布了這些分子開關(guān)(J.Chen，M.A.Reed，A.M.Rawlett和J.M.Tour，“Large on-off ratios and negative differential resistancein a molecular electronic device”，Science，1999，Vol.286，1551-1552，J.Chen，M.A.Reed，C.Zhou，C.J.Muller，T.P.Burgin和J.M.Tour，“Conductance of amolecular junction”，Science，1997，Vol.278，252-2)。重復(fù)執(zhí)行開-關(guān)操作的功能是HP(Hewlett-Packard)公司和加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校的小組所沒有實(shí)現(xiàn)的功能。其尺寸是普通晶體管的百萬分之一，并構(gòu)成了用于制造小型高性能計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。
Professor J.Tour(Rice大學(xué)，化學(xué))在成功合成后表明，因?yàn)闊o需高成本的清潔室用于普通半導(dǎo)體制造工藝，分子開關(guān)的生產(chǎn)成本可被降低至已有技術(shù)的數(shù)千分之一。在五至十年內(nèi)，他計(jì)劃制造分子和硅的混合型計(jì)算機(jī)。
1999年，Bell實(shí)驗(yàn)室(Lucent技術(shù)公司)通過使用并五苯單晶而制造出有機(jī)薄膜晶體管。該有機(jī)薄膜晶體管具有相當(dāng)于無機(jī)半導(dǎo)體的特性。
盡管說對(duì)用作電子元件的分子器件的研究正在進(jìn)行，但迄今涉及分子器件的大多數(shù)研究是與通過光、熱、質(zhì)子或離子等進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的研究有關(guān)(BenL.Feringa，“Molecular Switches”，WILEY-VCH，Weinheim，2001)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題作為電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的常規(guī)分子元件，現(xiàn)在只有利用已經(jīng)歷電場(chǎng)作用(施加)的分子自身的材料性能變化的元件，即其中被認(rèn)為是單個(gè)元件的分子自身的電子態(tài)通過電場(chǎng)而改變的元件。例如，在有機(jī)FET中，有機(jī)分子中的載流子轉(zhuǎn)移(運(yùn)動(dòng))通過作用在通道區(qū)域內(nèi)的有機(jī)分子上的電場(chǎng)變化而調(diào)節(jié)。
考慮到上述實(shí)際情況，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種在新原理的基礎(chǔ)上有效地通過電場(chǎng)而控制的功能性分子元件(器件)。
本發(fā)明涉及一種功能性分子元件，其中介電常數(shù)的各向異性是由電場(chǎng)所引起的分子結(jié)構(gòu)的改變而改變的。
在本發(fā)明中，因?yàn)楣δ苄苑肿釉ㄟ^使用這樣的體系而構(gòu)成，其中介電常數(shù)的各向異性通過電場(chǎng)所引起的分子結(jié)構(gòu)改變而改變，因而可得到作為功能分子元件的電特性，如，導(dǎo)電性，等，且其電特性可通過電場(chǎng)改變所引起的分子結(jié)構(gòu)改變而調(diào)節(jié)。
這種電場(chǎng)作用機(jī)理涉及一種適合于通過電場(chǎng)直接控制功能性分子元件的介電常數(shù)以調(diào)節(jié)其功能的機(jī)理，并且該機(jī)理不存在于在常規(guī)功能性分子元件或器件中，如，場(chǎng)效應(yīng)晶體管等。在新電場(chǎng)作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，可組成功能性分子元件，該元件能以電池的高響應(yīng)控制電特性。
根據(jù)以下參考附圖解釋的實(shí)施方案更顯然得出本發(fā)明的其它目的和通過本發(fā)明得到的優(yōu)點(diǎn)。


圖1A至1C是示意圖，說明根據(jù)本發(fā)明的功能性分子元件所顯示的三種切換操作模式，其中圖1A顯示其中沒有施加電場(chǎng)的起始態(tài)，圖1B顯示其中施加低電場(chǎng)(電壓)的狀態(tài)，和圖1C顯示其中施加高電場(chǎng)(電壓)的狀態(tài)。
圖2顯示構(gòu)成功能性分子元件的二次甲基膽色素酮(biladienone)金屬絡(luò)合物的結(jié)構(gòu)式。
圖3是模型圖，顯示二次甲基膽色素酮金屬絡(luò)合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)和其螺旋結(jié)構(gòu)的模型。
圖4A顯示采用本發(fā)明的場(chǎng)效應(yīng)型分子器件的示意橫截面視圖，和圖4B是梳形電極的平面視圖。
圖5是示意橫截面視圖，以放大方式顯示場(chǎng)效應(yīng)型分子器件的基本部分。
圖6A是示意透視圖，顯示當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)型分子器件的電壓接通時(shí)的行為，和圖6B是示意透視圖，顯示當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)型分子器件的電壓關(guān)閉時(shí)的行為。
圖7顯示，每次開/關(guān)時(shí)，根據(jù)本發(fā)明實(shí)際實(shí)施例1的場(chǎng)效應(yīng)型分子器件的電流和電壓之間的關(guān)系。
圖8顯示場(chǎng)效應(yīng)型分子器件的介電常數(shù)和電壓之間的關(guān)系。
圖9顯示根據(jù)本發(fā)明對(duì)比例1的場(chǎng)效應(yīng)型分子器件的電流和電壓之間的關(guān)系。
具體實(shí)施例方式
作為根據(jù)本發(fā)明的功能性分子元件，優(yōu)選使用具有，如，正(直)鏈形式的側(cè)鏈的期望為圓盤形或類圓盤狀有機(jī)分子和金屬離子的有機(jī)金屬絡(luò)合物分子，該有機(jī)分子具有介電常數(shù)各向異性和適合在電場(chǎng)的作用(施加)下改變結(jié)構(gòu)。有機(jī)分子具有偶極矩的事實(shí)也導(dǎo)致相當(dāng)于介電常數(shù)各向異性的作用。
如果使用在形式上類似于圓盤形狀的具有這些側(cè)鏈的有機(jī)分子，那么表現(xiàn)出盤形液晶的性能，從而使分子發(fā)生取向。因此，可表現(xiàn)出高介電常數(shù)的各向異性。關(guān)于此可參見‘S.T.Trzaska，H-F.Hsu和T.M.Swager，“CooperativeChiralith in Columnar Liquid CrystalsStudies of Fluxional OctahedralMetallomesogens.”，J.Am.Chem.Soc.，1999，Vol.121，4518-4519，和Yo Shimizu，“Columnar Liquid CrystalsVersatile molecular structures thereof andIntermolecular interaction”，Liquid Crystal，2002，Vol.6，147-159，以下進(jìn)行描述’。
另一方面，因?yàn)橛袡C(jī)分子具有介電常數(shù)各向異性和其結(jié)構(gòu)或取向在電場(chǎng)作用下改變，這樣其中形成絡(luò)合物的部分等的構(gòu)象根據(jù)電場(chǎng)改變而改變。因此，介電常數(shù)各向異性，即，電特性改變。
另外，優(yōu)選的是，將具有側(cè)鏈的圓盤狀有機(jī)金屬絡(luò)合物分子的液晶溶液以在用于施加電場(chǎng)的電極上進(jìn)行取向的狀態(tài)配置在至少相對(duì)的電極之間，這樣從相對(duì)電極的至少一個(gè)電極上得到對(duì)應(yīng)于該電場(chǎng)的輸出。
另外優(yōu)選的是，在形成的柱狀排列結(jié)構(gòu)體中具有側(cè)鏈的圓盤狀有機(jī)金屬絡(luò)合物分子以柱狀形式排列在這些相對(duì)的電極對(duì)之間。
另外優(yōu)選的是，有機(jī)金屬絡(luò)合物分子的結(jié)構(gòu)通過改變施加在具有側(cè)鏈的圓盤狀有機(jī)金屬絡(luò)合物分子上的電場(chǎng)的改變而改變，因此使介電常數(shù)張量的主軸與相對(duì)電極對(duì)的形成平面形成的角度發(fā)生改變。
在這種情況下，優(yōu)選的是，絕緣層被提供在用于施加電場(chǎng)的第一電極上，第二和第三電極作為相對(duì)電極以它們相互不接觸的方式形成在絕緣層上，在至少這些第二和第三電極之間配置柱狀排列結(jié)構(gòu)體，和用于施加電場(chǎng)的第四電極直接或通過絕緣層被提供在具有形成柱狀排列結(jié)構(gòu)體的側(cè)鏈的圓盤狀有機(jī)金屬絡(luò)合物分子上。
另外，優(yōu)選的是，具有側(cè)鏈的圓盤狀有機(jī)分子是二次甲基膽色素酮衍生物如膽綠素或二次甲基膽色素酮，等，和金屬離子是鋅離子、銅離子或鎳離子，等。
除了二次甲基膽色素酮衍生物，可以使用膽汁三烯衍生物、氟(florine)衍生物或氯衍生物等作為上述金屬，可以使用其它典型的元素和/或過渡金屬。
另外，側(cè)鏈可具有3至12個(gè)碳原子數(shù)的直鏈形狀。例如，可以提及-C10H21或-C8H17。因?yàn)閭?cè)鏈具有這樣數(shù)目的碳原子，有機(jī)分子可令人滿意地取向而不結(jié)晶。合成也變得容易了。即，如果碳原子的數(shù)目1～2，有機(jī)分子變得容易結(jié)晶，這樣不能表現(xiàn)出液晶狀的材料性能。結(jié)果，發(fā)生令人滿意的取向。另外，如果碳原子的數(shù)目變得等于13或更多，有機(jī)分子難以經(jīng)歷取向。合成也變得困難。
另外，作為用于溶液的溶劑，可以使用的如極性溶劑如聯(lián)苯體系液晶如4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯(5CB)或四氫呋喃等。優(yōu)選的是，有機(jī)分子如二次甲基膽色素酮金屬絡(luò)合物等在該液晶溶液中的濃度是0.1～80％重量。另外理想的是，這些濃度是10～30％重量。
應(yīng)該注意，上述“功能分子元件”不限于作為元件而構(gòu)成的元件，而且可包括如上所述的分子器件，該器件中這些元件被組裝起來(這同樣適用于下述)。
以下根據(jù)附圖具體說明本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案。
實(shí)施方案1(功能分子元件)作為其中三維結(jié)構(gòu)通過施加電場(chǎng)而改變以顯示功能的分子元件的功能的一個(gè)例子，切換操作是可想得到。圖1A至1C以其中金屬離子3和具有側(cè)鏈5的圓盤狀有機(jī)分子2形成絡(luò)合物4的功能分子元件1為例，在一個(gè)模型中，示意地說明當(dāng)向功能分子元件1施加電場(chǎng)時(shí)在金屬離子3的外周所發(fā)生的改變。
因?yàn)榫哂袀?cè)鏈5的圓盤狀有機(jī)金屬絡(luò)合物分子(功能分子1)具有多個(gè)針對(duì)金屬3的活性部分，存在多個(gè)產(chǎn)生能量基本上彼此相等的結(jié)構(gòu)異構(gòu)體。在圖1A所示沒有施加電場(chǎng)(電壓)的起始態(tài)中，有機(jī)金屬絡(luò)合物分子呈現(xiàn)具有最低產(chǎn)生能量的結(jié)構(gòu)1a。
但是，當(dāng)例如施加低電場(chǎng)(電壓)時(shí)，有機(jī)金屬絡(luò)合物分子1進(jìn)行結(jié)構(gòu)改變，與其生成能量差異和所施加的電場(chǎng)(電壓)強(qiáng)度相平衡由此得到結(jié)構(gòu)1b，其中介電常數(shù)的各向異性沿著所施加的電場(chǎng)方向(電場(chǎng)施加方向)以使介電常數(shù)各向異性與圖1B所示的所加電場(chǎng)方向相一致。
另外，當(dāng)例如施加較高電場(chǎng)(電壓)時(shí)，有機(jī)金屬絡(luò)合物分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)改變以得到結(jié)構(gòu)1c，其中其生成能量高和介電常數(shù)各向異性變得更大程度上與圖1C所示的電場(chǎng)施加方向相一致。
如上所述，關(guān)于功能分子在施加電場(chǎng)時(shí)所進(jìn)行的切換操作的動(dòng)力學(xué)，可想得到的有至少兩種圖1B，1C所示的操作模式，這取決于電場(chǎng)強(qiáng)度的差異。這將進(jìn)一步詳細(xì)描述。
在圖1A所示的沒有施加電壓的起始態(tài)中，具有功能分子元件1的側(cè)鏈5的盤狀有機(jī)金屬絡(luò)合物分子1a傾向呈現(xiàn)盡可能閉合的圓形結(jié)構(gòu)。
如果在該狀態(tài)下如圖1B所示施加電場(chǎng)(電壓)，那么具有側(cè)鏈5的盤狀有機(jī)金屬絡(luò)合物分子1傾向呈現(xiàn)如打開的(展開的)圓形結(jié)構(gòu)1b使得介電常數(shù)各向異性的方向傾向變得與電場(chǎng)方向相一致。另外，如果如圖1C所示施加較高電場(chǎng)(電壓)，那么有機(jī)金屬絡(luò)合物分子1的結(jié)構(gòu)改變成展開的圓形結(jié)構(gòu)1c，使得介電常數(shù)各向異性的方向進(jìn)一步與電場(chǎng)施加方向相一致，同時(shí)生成能量高于沒有施加電場(chǎng)時(shí)的值。
如果這種狀態(tài)被視為圓柱的全部，那么進(jìn)行的變化似乎是螺旋節(jié)距在膨脹或收縮。
如上所述，具有側(cè)鏈的圓盤狀有機(jī)金屬絡(luò)合物分子1的結(jié)構(gòu)或取向通過施加電場(chǎng)而改變。這造成針對(duì)金屬離子3的絡(luò)合物形成部分4的結(jié)構(gòu)的變化以改變功能分子1的介電常數(shù)，即，導(dǎo)電率。
作為功能分子1，根據(jù)具有側(cè)鏈5的圓盤狀有機(jī)分子2或絡(luò)合物形成部分4等的構(gòu)型等的不同，可能有幾種組合，。
例如，圖2顯示具有由取代基(R)(如，-C10H21)組成的側(cè)鏈5的圓盤狀有機(jī)分子2的有機(jī)金屬絡(luò)合物分子1，例如具有在其末端相互面對(duì)的C＝O基團(tuán)和金屬離子(M)，如，Zn(II)離子的二次甲基膽色素酮衍生物。
在該有機(jī)金屬絡(luò)合物分子1中，分子通過存在相互面對(duì)的末端的C＝O基團(tuán)(羰基基團(tuán))而呈現(xiàn)扭曲結(jié)構(gòu)，和多個(gè)分子在它們之間呈現(xiàn)π-π堆疊結(jié)構(gòu)以卷繞成螺旋。在圖3中，顯示其分子結(jié)構(gòu)的模型。在這種情況下，螺旋結(jié)構(gòu)通過M-基團(tuán)或P-基團(tuán)的光學(xué)異構(gòu)體而形成。螺旋結(jié)構(gòu)的分子之間的節(jié)距通過電場(chǎng)的作用(施加)而改變。
該有機(jī)金屬絡(luò)合物1，如，二次甲基膽色素酮金屬絡(luò)合物在沒有施加電場(chǎng)(電壓)的普通態(tài)下呈現(xiàn)藍(lán)色，和在電場(chǎng)作用下由綠色改變?yōu)榈厣?。另外，如果電?chǎng)被關(guān)閉，有機(jī)金屬絡(luò)合物1可逆地返回至原始態(tài)。應(yīng)該注意，這些變化還因?yàn)闇囟榷l(fā)生，因此認(rèn)為，如果電場(chǎng)和溫度都被控制，同樣也可改變分子結(jié)構(gòu)。
實(shí)施方案2(場(chǎng)效應(yīng)型分子器件)在此，作為形成柱狀排列結(jié)構(gòu)體的圓盤狀有機(jī)金屬絡(luò)合物分子1，使用圖2中所用的二次甲基膽色素酮2和作為金屬離子3的鋅(II)離子的絡(luò)合物，并解釋如圖4A和4B所示而組裝的這些絡(luò)合物的場(chǎng)效應(yīng)型分子器件21和其制造工藝。
圖4A是示意橫截面視圖，顯示場(chǎng)效應(yīng)型分子器件21的結(jié)構(gòu)，和圖4B顯示其中使用的梳形電極33和34。圖4A是示意橫截面視圖，其中場(chǎng)效應(yīng)型分子器件21沿著圖4B所示的A-A線切開。
在場(chǎng)效應(yīng)型分子器件21中，絕緣層32形成在兼任作為用于施加控制電場(chǎng)的電極的第一基底(基材)31上，和在其上形成用于測(cè)量二次甲基膽色素酮金屬絡(luò)合物1的導(dǎo)電率的梳形電極33和34。另一方面，用作控制電場(chǎng)的另一電極的ITO(氧化銦錫)膜36在第二基底(基材)35上形成，和在其上層壓均一取向膜(絕緣膜)。將由二次甲基膽色素酮和鋅(II)離子3組成的有機(jī)金屬絡(luò)合物1的液晶溶液22與墊片(省略其例示)一起放在兩個(gè)基底31和35之間，和外周部分通過密封材料38而密封。
兼任作為用于施加控制電場(chǎng)的電極的第一基底31和用作用于施加控制電場(chǎng)的另一電極的ITO膜36被電連接到用于施加控制電場(chǎng)的電源41上。另外，梳形電極33和34被電連接到適用于測(cè)量導(dǎo)電率的電壓表42和電流計(jì)43上。
圖5是概念性的橫截面示意圖，用于在分子水平基礎(chǔ)上解釋場(chǎng)效應(yīng)型分子器件21的結(jié)構(gòu)。盡管圖5中舉例說明的只有二次甲基膽色素酮2和鋅(II)離子3的絡(luò)合物分子1的5個(gè)元件，這種例示是代表性的，因此理所當(dāng)然的是，實(shí)際上包括大量的如上相同的分子(注意，省略了液晶分子的例示)。
如圖5所示，在電場(chǎng)被關(guān)閉的狀態(tài)下，絡(luò)合物分子1在上和下方向上在圖中沿著梳形電極，如，金電極33，34的側(cè)表面進(jìn)行取向以形成柱狀排列結(jié)構(gòu)體44，因此上述結(jié)構(gòu)改變通過施加電場(chǎng)從該取向態(tài)發(fā)生。以下參考圖5解釋一種場(chǎng)效應(yīng)型分子器件21的制造方法。
首先制造出用于向二次甲基膽色素酮金屬(鋅)絡(luò)合物施加控制電場(chǎng)的控制電場(chǎng)施加電極31和36，和用于測(cè)量二次甲基膽色素酮導(dǎo)電率的梳形電極33和34。
作為兼任作為用于電極以施加控制電場(chǎng)的電極的第一基底(基材)31，使用如，高濃度摻雜的硅基材。氧化硅膜通過熱氧化在第一基底31的表面上形成，從而提供絕緣層32。梳形電極33和34如金電極等通過濺射或圖案化在絕緣層32上形成。
另一方面，作為第二基底35，使用如玻璃基底。ITO(氧化銦錫)膜在其表面上通過真空沉積等方法形成，使得如此形成的ITO膜成為用于施加控制電場(chǎng)的另一電極36。另外，絕緣層37如聚乙烯醇等在ITO膜36上通過涂覆等方法而形成。這些絕緣層37可以是通過摩擦等的液晶取向膜。
然后，將功能分子元件的材料組裝到上述電極31和36之間的部分，以制備(制造)可測(cè)量導(dǎo)電率調(diào)節(jié)的場(chǎng)效應(yīng)型分子器件21的主要部分。
首先將二次甲基膽色素酮2的鋅絡(luò)合物1溶解到具有正介電常數(shù)各向異性的4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯(5CB)液晶40中，將液晶溶液22涂覆到絕緣層32上。
將第一和第二基底31和35堆疊使得在第二基底35上形成的絕緣膜37變得與二次甲基膽色素酮的4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯(5CB)液晶溶液22緊密接觸。
最后，將已被堆疊的兩個(gè)基底31和35的外周部分周密封材料38如環(huán)氧樹脂等密封，完成了場(chǎng)效應(yīng)型分子器件21。
將如此制造的場(chǎng)效應(yīng)型分子器件21的用于施加控制電場(chǎng)的電極31和36之上所施加的電壓變成開和關(guān)以進(jìn)行梳形電極33和34之間的二次甲基膽色素酮金屬絡(luò)合物2的導(dǎo)電率測(cè)量(對(duì)應(yīng)于晶體管特性的測(cè)量)。圖6A以模型的形式顯示在電場(chǎng)處于關(guān)狀態(tài)時(shí)的分子行為(結(jié)構(gòu)改變)，和圖6B以模型的形式顯示在電場(chǎng)處于開狀態(tài)時(shí)的分子行為(結(jié)構(gòu)改變)。
結(jié)果，如以下要描述的圖7所示，例如，觀察到一種調(diào)節(jié)作用使得在電場(chǎng)處于關(guān)狀態(tài)時(shí)顯示低電阻值，但即使施加非常低的電壓，電阻值仍增加了一位(數(shù)位)或更多，和如果電壓進(jìn)一步增加，電阻值增加。即，作為該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài)，存在至少三種穩(wěn)定狀態(tài)，即，具有柵壓0V、40μV/μm和2mV/μm的三個(gè)階段，因此能夠應(yīng)用這些多值記憶特性。尤其非常有利的是，該多值記憶甚至在低電壓下也可實(shí)現(xiàn)。
如上所述，用于驅(qū)動(dòng)二次甲基膽色素酮金屬絡(luò)合物的電場(chǎng)強(qiáng)度非常小，而且例如與4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯液晶進(jìn)行切換操作時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度相比，大約低了兩位(數(shù)位)。因此，上述電阻調(diào)制作用當(dāng)然不基于4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯液晶分子的切換。
另外，當(dāng)施加在用于施加控制電場(chǎng)電極31和36上的電壓被置于關(guān)閉狀態(tài)以改變梳形電極33和34上的測(cè)量電壓來進(jìn)行梳形電極33和34之間的二次甲基膽色素酮金屬絡(luò)合物的導(dǎo)電率測(cè)量(對(duì)應(yīng)于二極管特性的測(cè)量)時(shí)，顯示與測(cè)量偏壓值無關(guān)的預(yù)定電阻值。即，不顯示任何二極管特性。
如上所述，沒有事實(shí)表示上述是顯示出導(dǎo)電率通過施加控制電場(chǎng)(柵壓)而改變的晶體管特性，而二極管特性不被顯示的事實(shí)表明，二次甲基膽色素酮金屬絡(luò)合物具有非常優(yōu)異的取向態(tài)和具有高階參數(shù)。
因?yàn)樗玫亩渭谆懮赝肿踊鶊F(tuán)具有液晶特性，但無需自身進(jìn)行切換以顯示液晶性能(液晶性能可不通過單個(gè)分子顯示，這是不可能的)，當(dāng)然，二次甲基膽色素酮金屬絡(luò)合物也可用作基于分子水平的元件。
應(yīng)該注意，根據(jù)該實(shí)施方案的分子元件可應(yīng)用于各種電子器件領(lǐng)域如開關(guān)，晶體管，儲(chǔ)存器，邏輯電路和/或顯示器，等。
按照上述的本發(fā)明，能提供一種新穎的功能性分子元件，其適合于通過施加電場(chǎng)而相對(duì)電場(chǎng)方向進(jìn)行形成柱狀排列結(jié)構(gòu)體的圓盤狀有機(jī)金屬絡(luò)合物分子1的結(jié)構(gòu)改變，以調(diào)節(jié)絡(luò)合物分子的結(jié)構(gòu)，最終控制介電常數(shù)的各向異性。
換句話說，本發(fā)明從完全嶄新的觀點(diǎn)提出了實(shí)現(xiàn)分子元件的一種體系，該體系與分子本身被認(rèn)為是n-型或p-型半導(dǎo)體的類似于硅體系半導(dǎo)體通常通過改變分子的電子態(tài)而改變導(dǎo)電率的體系不同。
根據(jù)以上事實(shí)，基于本發(fā)明的功能分子元件的優(yōu)點(diǎn)，除了能用相同材料的分子構(gòu)成從標(biāo)準(zhǔn)尺寸到納米尺寸的元件和/或能從很多種材料分子中選擇適合于目標(biāo)的材料分子之外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)。
1.低能量消耗因?yàn)槭褂靡粋€(gè)分子或一個(gè)電子作為元件而進(jìn)行操作，所以功能分子元件基本上在低功率消耗下操作。在以上使用的二次甲基膽色素酮中，與室溫能量相比僅有超過一位(數(shù)位)的非常小的功率消耗。由于熱量小，即使進(jìn)行高集成，也難以發(fā)生熱問題。
2.無需選擇驅(qū)動(dòng)頻率從最近液晶在高速響應(yīng)特性方面的改進(jìn)可以看出，材料或結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成可預(yù)期大于常規(guī)的無機(jī)半導(dǎo)體的高速響應(yīng)。
3.低環(huán)境污染特性在合成普通有機(jī)化合物時(shí)，幾乎不需要用于無機(jī)半導(dǎo)體制造工藝的對(duì)人類或環(huán)境有害的試劑，等。
以下更詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例。
實(shí)施例1制備圖5所示的場(chǎng)效應(yīng)型分子器件21。首先，形成用于向具有M＝Zn，R＝-C10H21(示于圖2)的二次甲基膽色素酮金屬絡(luò)合物1施加控制電場(chǎng)的控制電場(chǎng)施加電極31和36，和用于測(cè)量導(dǎo)電率的導(dǎo)電率測(cè)量電極33和34。
作為第一基底(基材)(用于施加控制電場(chǎng)的電極)31，使用高濃度摻雜的硅基材。在第一基底31的表面上進(jìn)行熱處理以形成氧化硅薄膜，這樣使如此形成的氧化硅膜成為絕緣層32。由金組成的梳形電極33和34在絕緣層32上通過濺射或圖案化而形成為用于測(cè)量二次甲基膽色素酮金屬絡(luò)合物1的導(dǎo)電率的電極。
然后，ITO透明電極36在第二基底(玻璃基底)35上通過真空沉積而形成作為用于施加控制電場(chǎng)的另一電極，隨后在ITO透明電極36上形成絕緣層37。作為該材料，選擇聚乙烯醇。制備聚乙烯醇的10％重量水溶液，通過旋涂工藝將如此制備的水溶液涂覆到ITO36上，在110攝氏度下進(jìn)行熱處理30分鐘，然后在真空中干燥72小時(shí)。
另外，第一和第二基底31和35通過墊片相互粘附，使這兩個(gè)基底之間的間隙變得等于5mm。
然后，將由10％重量二次甲基膽色素酮2的鋅絡(luò)合物1和90％重量4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯(5CB)40組成的液晶溶液22利用毛細(xì)管現(xiàn)象注入第一和第二基底31和35之間的部分。
最后，將已被粘附的兩個(gè)基底31和35的外周部分通過密封材料38密封，完成了場(chǎng)效應(yīng)型分子器件21。
當(dāng)如此制成的場(chǎng)效應(yīng)型分子器件21的控制電場(chǎng)施加電極31和36上所施加的電壓變成開和關(guān)以通過交流偏壓測(cè)定梳形電極33和34之間的二次甲基膽色素酮2的導(dǎo)電率時(shí)，在電場(chǎng)處于切斷狀態(tài)時(shí)顯示大的電流量，但觀察到調(diào)制作用使得電流量通過施加電場(chǎng)而在兩個(gè)階段下降。
圖7顯示了對(duì)于施加電壓大小，通過在如此制成的場(chǎng)效應(yīng)型分子器件21的控制電場(chǎng)施加電極31和36上施加直流電場(chǎng)來測(cè)定在這種情況下梳形電極33和34之間的電流值所得的結(jié)果。
按照該圖，如果從外加電壓來看，整體被劃分為三個(gè)區(qū)域。在圖7中例證，電極31和36之間的二次甲基膽色素酮2的結(jié)構(gòu)圖被加到相關(guān)的模式區(qū)域。即，在外加電壓處于切斷狀態(tài)的區(qū)域I時(shí)，顯示相對(duì)高的電流值，即，低電阻特性。在外加電壓是40μV/μm的區(qū)域II內(nèi)，發(fā)生第一結(jié)構(gòu)改變顯示中間電阻值。另外，在外加電壓是2mV/μm的區(qū)域III時(shí)，發(fā)生第二結(jié)構(gòu)改變，顯示相對(duì)低的電流值，即，高電阻特性。在這種情況下，得到開/關(guān)比率＞100。這非常令人滿意。
因此，該結(jié)構(gòu)存在至少三種穩(wěn)定狀態(tài)。因此，可以應(yīng)用這樣的多值記憶特性。
另外，梳形電極33和34之間的介電常數(shù)的測(cè)量與電流量測(cè)量同時(shí)進(jìn)行。圖8的結(jié)果檢驗(yàn)了介電常數(shù)改變之后電流量改變的機(jī)理且圖7所示的電阻變化由介電常數(shù)改變而引起。
如上所述，因?yàn)樾纬闪诉m合通過施加電場(chǎng)而改變圓盤狀有機(jī)金屬絡(luò)合物分子1(其形成柱狀排列結(jié)構(gòu)體以顯示功能)的構(gòu)型的功能性分子元件，有機(jī)金屬絡(luò)合物分子1的結(jié)構(gòu)在施加電場(chǎng)時(shí)改變。即，介電常數(shù)的各向異性改變。因此，測(cè)量電極之間的導(dǎo)電率允許被切換。作為其穩(wěn)定值，有兩種或三種穩(wěn)定狀態(tài)，和/或超過三種。因此，可以應(yīng)用其多值記憶特性。
這樣的電場(chǎng)作用機(jī)理不存在于通過電場(chǎng)直接控制功能分子元件的電子態(tài)的常規(guī)功能分子元件或器件，如，場(chǎng)效應(yīng)晶體管等。在這種新電場(chǎng)作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，可形成一種能夠以良好的電場(chǎng)響應(yīng)的控制電特性的功能性分子元件。
對(duì)比例1將在梳形電極33和34上施加的偏壓增加或下降而在控制電場(chǎng)施加的電極31和36上不施加電場(chǎng)，由此來觀察實(shí)施例1的二極管特性以測(cè)定電流量。
如圖9所示，沒有發(fā)現(xiàn)(觀察到)基于施加偏移電場(chǎng)的任何變化。該結(jié)果表明，二次甲基膽色素酮分子2具有非常高的取向。這是因?yàn)槎渭谆懮赝肿?功能性分子元件)顯示如圖7所示的晶體管特性，它對(duì)施加到控制電場(chǎng)施加電極31和36上的電場(chǎng)，即，甚至40μV的非常低的電壓也高靈敏度地響應(yīng)，但對(duì)施加到梳形電極33和34上的電場(chǎng)無論如何也不響應(yīng)。另外，該結(jié)果檢驗(yàn)了如圖1所示的原理，其中結(jié)構(gòu)改變根據(jù)所加電場(chǎng)的方向而發(fā)生。
當(dāng)然，本發(fā)明的上述實(shí)施方案1，2不以任何方式限制本發(fā)明，但可在不背離本發(fā)明主旨的范圍內(nèi)根據(jù)情況需要進(jìn)行改變或改進(jìn)。
應(yīng)該注意，盡管本發(fā)明已根據(jù)在附圖中說明和被詳細(xì)描述的某些優(yōu)選的實(shí)施方案已描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，本發(fā)明不限于這些實(shí)施方案，而是可在不背離由所附權(quán)利要求所給出的本發(fā)明的范圍和構(gòu)思的情況下實(shí)現(xiàn)各種改進(jìn)，替代結(jié)構(gòu)或等同物。
工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明的功能性分子元件用于元件或器件如場(chǎng)效應(yīng)型分子器件等。
權(quán)利要求
1.一種功能性分子元件，其使用由電場(chǎng)引起的分子結(jié)構(gòu)改變而使介電常數(shù)的各向異性發(fā)生改變的體系。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的功能性分子元件，所述功能性分子元件由有機(jī)分子和金屬離子的絡(luò)合物組成，該有機(jī)分子具有介電常數(shù)的各向異性或偶極矩并且包括側(cè)鏈，每個(gè)側(cè)鏈的結(jié)構(gòu)在電場(chǎng)作用下發(fā)生改變。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的功能性分子元件，其中該側(cè)鏈呈現(xiàn)直鏈形狀，并與大體上為圓盤形的有機(jī)分子結(jié)合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的功能性分子元件，其中由具有側(cè)鏈的有機(jī)分子組成的有機(jī)金屬絡(luò)合物分子的液晶溶液以用于施加電場(chǎng)的電極上進(jìn)行有機(jī)絡(luò)合物取向的狀態(tài)配置在至少相對(duì)的電極之間，并從該相對(duì)電極的至少一個(gè)電極上輸出相應(yīng)于該電場(chǎng)的功率。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的功能性分子元件，其中在上述一對(duì)相對(duì)電極之間形成柱狀排列結(jié)構(gòu)體，該結(jié)構(gòu)體中的有機(jī)金屬絡(luò)合物分子以柱狀排列。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的功能性分子元件，其中有機(jī)金屬絡(luò)合物分子的結(jié)構(gòu)通過作用在該有機(jī)金屬絡(luò)合物分子上的電場(chǎng)的改變而改變，從而改變介電常數(shù)張量的主軸方向與上述一對(duì)相對(duì)電極的形成平面形成的角度。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的功能性分子元件，其中絕緣層被提供在用于施加電場(chǎng)的第一電極上，第二和第三電極作為相對(duì)電極形成在該絕緣層上，且它們相互不接觸，至少在這些第二和第三電極之間配置柱狀排列結(jié)構(gòu)體，和用于施加電場(chǎng)的第四電極直接或通過絕緣層被提供在該柱狀排列結(jié)構(gòu)體上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種功能性分子元件，其中形成柱狀排列結(jié)構(gòu)且形狀近似于圓盤的有機(jī)金屬絡(luò)合物分子(1)的構(gòu)型通過施加電場(chǎng)而改變，由此來表達(dá)功能，更具體地說，該有機(jī)金屬絡(luò)合物分子的結(jié)構(gòu)因?yàn)槭┘与妶?chǎng)而改變，它誘導(dǎo)該分子介電常數(shù)各向異性的變化。因此，上述功能性分子元件能切換被測(cè)電極之間的導(dǎo)電率，具有三個(gè)或更多的穩(wěn)定值，并因此能利用它的多值存儲(chǔ)性能來形成實(shí)際應(yīng)用元件。
文檔編號(hào)H01L29/786GK1938875SQ200580009979
公開日2007年3月28日 申請(qǐng)日期2005年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月10日
發(fā)明者松居惠理子, 渡辺春夫, 奧利弗·哈納克, 松澤伸行, 安田章夫, 水谷義, 山內(nèi)貴惠, 北川進(jìn) 申請(qǐng)人:索尼株式會(huì)社, 索尼德國(guó)有限責(zé)任公司