專利名稱：分子器件和陣列、整流器件和方法、傳感器件及相關(guān)器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分子器件、分子陣列、整流(rectifier)器件、整流方法、傳感器件、開關(guān)器件、電路器件、邏輯電路器件、操作器件和信息處理器件。
背景技術(shù)：
自從A.Aviram，M.A.Ratner等人于1974年(非專利文獻(xiàn)1ChemicalPhysics Letter，vol.29，277(1974))提出對基于完全不同于傳統(tǒng)電子器件(非專利文獻(xiàn)2Y.Wada，M.Tsukada，M.Fujihira，K.Matsushige，T.Ogawa，M.Haga和S.Tanaka，Japanese Journal of Applied Physics，vol.39，p.3835(2000))的概念的復(fù)雜并且高度集成的器件的預(yù)測以來，用于建立使分子電子器件作為它們組件的器件以完成所需功能的分子電子學(xué)已經(jīng)持續(xù)引起濃厚的興趣。另外，分子電子學(xué)最近已經(jīng)被作為納米科學(xué)與技術(shù)的中心問題之一。
迄今為止提出的分子電子器件(或分子納米電子器件)包括由結(jié)合供體(donor)和原始粒子(ancestor)的分子組成的分子開關(guān)；由直鏈共軛(linear-chain conjugate)分子組成的分子導(dǎo)體等等(非專利文獻(xiàn)3Y.Wada，H.Yamada，K.Matsushige，Applied Physics，vol.70，p.1396(2001))。
非專利文獻(xiàn)4(Y.Kobuke，“Supermolecular Porphyrin Functional Arrays”，Material Integration，vol.14，No.5，p.59(2001))和非專利文獻(xiàn)5(K.Ogawa和Y.Kobuke，Angewandte Chemie International Edition，vol.39，p.4070(2000))報道了中間耦合咪唑基卟啉二聚體(meso-coupled imidazolyl porphyrin dimers)。非專利文獻(xiàn)4同時評述了卟啉陣列的光電增強作用。
專利文獻(xiàn)1(JP2001-213945A)公開了至106nm的極長低聚(oligo)(5，15-二芳基取代的卟啉亞基合Zn(II))化合物，例如，其組成具有準(zhǔn)確長度和結(jié)構(gòu)的單分散(monodisperse)聚合物棒。專利文獻(xiàn)2公開了一種新的巰基取代的咪唑基卟啉金屬絡(luò)合物單體和具有相同重復(fù)單元的聚合物以及其制備方法。專利文獻(xiàn)3公開了使咪唑基卟啉金屬絡(luò)合物作為單體的卟啉二聚體。專利文獻(xiàn)4公開了咪唑基卟啉金屬絡(luò)合物作為單元的聚(卟啉)。
非專利文獻(xiàn)6(I.V.Rubtsov，Y.Kobuke，H.Miyaji，K.Yoshihara.“卟啉螯合組件中的能量轉(zhuǎn)移(Energy Transfer in a Porphyrin Chelate Assembly)”，Chemical Physics Letters，vol.308，323(1999))報道了發(fā)生在約10皮秒內(nèi)的分子間的能量轉(zhuǎn)移。非專利文獻(xiàn)7(Kobuke實驗室主頁，互聯(lián)網(wǎng)，<URLmswebs.aist-nara.ac.jp/LABs/kobuke/index-j.html>2002年5月20日訪問)大致說明了卟啉陣列在電子學(xué)的應(yīng)用。
非專利文獻(xiàn)8(Imahori等人，“光活性三維單層；卟啉-鏈烷硫醇酯穩(wěn)定的金簇(Photoactive three dimensional monolayers；Porphyrin-Alkanthiolate-stabilized gold cluster)”(Imahori-jacs2001.pdf)和非專利文獻(xiàn)9(H.Imahori和S.Fukuzumi，“分子太陽能電池的評述(Review onmolecular solar cells)”，Kagaku Kogyo，vol.July 2001，p.41)報道了通過組合金、硫醇(thiol)和C60的光電轉(zhuǎn)化。
非專利文獻(xiàn)10(N.Aratani，A.Osuka，Y.H.Kim，D.H.Jeong，D.Kim，“極長、分散的中間-中間耦合卟啉陣列(meso-meso-Coupled Porphyrin Arrays)”，Angewandte Chemie International Edition，39，No.8，p.1458(2000))報道了共價卟啉陣列的合成及吸收光譜。在AgI促進(jìn)下，用于合成的是5，15-二芳基卟啉(含Zn作為中心金屬)的中間-中間耦合反應(yīng)。
非專利文獻(xiàn)11(N.Ohta，Y.Iwaki，T.Ito，I.Yamazaki，A.Osuka，“沿中間-中間連接卟啉陣列的光誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移(Photoinduced Charge Transfer along ameso-meso-linked Porphyrin Array)”，Journal of Physical Chemistry，B.vol.103.p.11242(1999))報道了共價卟啉陣列中關(guān)于能量轉(zhuǎn)移(激子)的測定。這里測定的是平行和垂直于對整流器件很重要的長分子軸的激子的特性。
非專利文獻(xiàn)12(A.Tsuda，H.Furuta和A.Osuka，“Completely FusedDiporphyrins and Triporphyrin”，Angewandte Chemie，International Edition，39，No.14，p.2549(2000))和非專利文獻(xiàn)13(A.Ishida，“從電子和能量的流動觀察分子的行為(Observe behaviors of molecules from flows of electrons andenergy)”，www.jst.go.jp/pr/announce/20000301/bessi3/kadai2.html)報道了卟啉聚合物的水平改性(flatly modified)。
非專利文獻(xiàn)14(K.Yamashita，“通過卟啉進(jìn)行的光能轉(zhuǎn)化(Conversion ofLight Energy by Porphyrin)”，Hyomen，vol.21，No.7，p.406(1983))詳細(xì)描述了具有其中心金屬的卟啉分子的電子態(tài)的變化。
非專利文獻(xiàn)15(K.Matsushige和K.Tanaka，“分子納米技術(shù)(MolecularNanotechnology)”，Kagaku Dojin，1992)在第13章中對單分子器件的設(shè)計和合成、在第10章中對通過納米耦合系統(tǒng)的能量/電子輸送器件以及在第17章中對建立分子計算機(jī)給出了說明。
非專利文獻(xiàn)16(A.K.Burrell，D.L.Officer，P.G.Plieger和D.C.W.Reid，“Synthetic Routs to Multiporphyrin Arrays”，Chemical Review，101，p.2751(2001))描述了多卟啉陣列的許多例子。
非專利文獻(xiàn)17(Tetrahedron，vol.50，No.39，p.11427(1994))描述了一種合成中間耦合咪唑基卟啉二聚體的方法。
非專利文獻(xiàn)18(A.Ishida和T.Majima，“在金表面卟啉自組裝單層的表面等離子體振元激發(fā)(Surface Plasmon Excitation of Porphyrin self-assemblymonolayers on an Au surface)”Nanotechnology 10，p.308(1999))報道了卟啉的表面等離子體振元激發(fā)。
非專利文獻(xiàn)19(R.W.Wagner和J.S.Lindsey，“分子光導(dǎo)線(A MolecularPhotonic Wire)”，J.Am.Chem.Soc.1994，116，9759-9760.)報道了一種改性卟啉陣列終端(terminal end)及以此作為輸入端使用光激發(fā)的方法。
非專利文獻(xiàn)20(“Works of the group of Professor T.Tanagida in OsakaUniversity”，<URLhttp//www.jst.go.jp/erato/project/ysu p/syn/index.html>2002年5月20日訪問)和非專利文獻(xiàn)21(Hamamatsu Photonics的產(chǎn)品目錄，<URLhttp//www.hpk.co.jp/jpn/products/SYS/C8600J.htm>2002年5月20日訪問)報道了單分子成像方法。
非專利文獻(xiàn)22(Y.Kobuke和H.Miyaji，Journal of American ChemicalSociety 116，p.4111(1994))描述了來自卟啉的熒光具有約600±20nm的波長。

發(fā)明內(nèi)容
對于分子電子器件的實際應(yīng)用，存在各種問題，包括分子器件的合成、器件功能的確認(rèn)、分子器件的定向控制、通過在分子器件間或分子器件和外部電路間布線(wiring)的電路制造、由密集集成引起的分子間相互作用的控制、可靠性、運行速度、熱產(chǎn)生、環(huán)境耐受性、器件壽命等。由于這些問題的存在，分子電子學(xué)還遠(yuǎn)離實際應(yīng)用。目前，使用宏觀有機(jī)材料(如有機(jī)薄膜)作為組件而建立器件(如有機(jī)EL(電致發(fā)光)器件)的有機(jī)電子學(xué)(organicelectronics)，被認(rèn)為比分子電子學(xué)更接近實際應(yīng)用。
本發(fā)明試圖通過一種新的觀念克服傳統(tǒng)分子電子學(xué)現(xiàn)有的狀況從而揭示分子電子學(xué)的潛在可能性。更具體地說，通過考察生物系統(tǒng)中的特性三原理如光合成即能量轉(zhuǎn)移、激子耦合和自組裝并積極引入它們，本發(fā)明提出了一種新的超越傳統(tǒng)分子電子學(xué)的納米電子學(xué)的實現(xiàn)方法。
即，本發(fā)明的目的之一是提供一種基于完全不同于傳統(tǒng)分子電子器件的新的工作原理的分子器件、分子陣列、整流器件、整流方法、傳感器件、開關(guān)器件、電路器件、邏輯電路器件、操作器件和信息處理器件。
通過各種研究，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)一種新的現(xiàn)象。即，在耦合兩個或多個分子或分子陣列(特別是有機(jī)分子或有機(jī)分子陣列)或兩種或多種這樣的分子或分子陣列的系統(tǒng)中，在一個或多個一定的接合點處，由于在它們接合點處的空間不對稱性，激發(fā)態(tài)或激子從一個分子或分子陣列轉(zhuǎn)移至與其耦合的另一個分子或分子陣列不對稱地進(jìn)行。因此，發(fā)明人發(fā)明了一種具有整流功能的器件作為使用該新現(xiàn)象的器件，該整流功能涉及激發(fā)態(tài)或激子的轉(zhuǎn)移，并且使用整流功能或控制整流特性的功能，本發(fā)明人還發(fā)明了各種器件，如開關(guān)器件、傳感器件和邏輯電路器件。
為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種具有整流功能以引起激發(fā)態(tài)或激子的轉(zhuǎn)移不對稱進(jìn)行的分子器件。
激發(fā)態(tài)或激子可以通過從外部激勵器件形成或產(chǎn)生。或者，可以注入外部產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)或激子?；蛘撸@兩種方式結(jié)合使用。如可見光的光通常用作外部激勵。
本分子器件一般包括至少兩個(一種或兩種或更多種)分子或分子陣列(特別是有機(jī)分子或有機(jī)分子陣列)作為其組件。這些分子或分子陣列的數(shù)目、種類、放置及其它特征取決于分子器件的想要的功能。更具體地說，至少兩個分子或分子陣列可以是具有直型或線型的，并且例如可以通過光直接激發(fā)或者通過來自相鄰分子或分子陣列的激發(fā)能的轉(zhuǎn)移得到激發(fā)態(tài)。直型或線型分子或分子陣列可以是直鏈形式的共軛聚合物、直鏈形式的非共軛聚合物或者由相同或不同種由花青(cyanine)族染料的集聚體表示的分子組成的線型分子集聚體?；蛘撸辽賰蓚€分子或分子陣列可以是環(huán)或橢圓型的，并且例如可以通過光直接激發(fā)或者通過來自相鄰分子或分子陣列的激發(fā)能的轉(zhuǎn)移得到激發(fā)態(tài)。環(huán)或橢圓型分子或分子陣列可以是環(huán)狀共軛聚合物、環(huán)狀非共軛聚合物或者由相同或不同種由光合成的光收集結(jié)構(gòu)表示的分子組成的環(huán)狀分子集聚體。分子或分子陣列的例子有卟啉分子或酞菁染料分子。
在分子器件的典型結(jié)構(gòu)中，一個分子或分子陣列與至少一個其它分子或分子陣列通過共軛鍵、非共軛共價鍵(飽和鍵)、電荷轉(zhuǎn)移鍵、離子鍵、氫鍵、通過π電子的相互作用的堆垛、范德華力或其中間力物理或化學(xué)地耦合。然后，通常地，通過使用現(xiàn)象——激發(fā)態(tài)或激子的轉(zhuǎn)移在至少兩個物理或化學(xué)鍵合的分子或分子陣列之間不對稱或不可逆轉(zhuǎn)地進(jìn)行，產(chǎn)生整流功能。最典型地，作為在物理或化學(xué)鍵下這些兩個或多個分子或分子陣列在其接合點處不平行的結(jié)果，激發(fā)態(tài)或激子的轉(zhuǎn)移不對稱地進(jìn)行。換句話說，由于至少兩個分子或分子陣列鍵合在一起形成接合點并且該接合點在耦合位置表現(xiàn)出空間不對稱性，激發(fā)態(tài)或激子的轉(zhuǎn)移在分子器件中不對稱地進(jìn)行。
在至少兩個分子或分子陣列(特別是有機(jī)分子或有機(jī)分子陣列)被用作分子器件中的組件的情況中，它們可以通過插入在它們之間的電阻器件進(jìn)行耦合。電阻器件可以是分子或分子陣列，特別是有機(jī)分子或有機(jī)分子陣列，(一般不同于組成分子器件的分子或分子陣列)，并且它們與組成分子器件的分子或分子陣列形成共價鍵。取決于必要性，用作電阻器件的分子或分子陣列可以是一種通過電磁波照射而改變結(jié)構(gòu)的分子或分子陣列(光反應(yīng)性分子等)或者隨溫度而改變結(jié)構(gòu)的分子或分子陣列(熱反應(yīng)性分子等)。雖然分子的選擇取決于具體目的，其例子是苯、偶氮苯、炔、環(huán)烷烴(如環(huán)己烷)、二-環(huán)[2，2，2]烷烴(如二-環(huán)[2，2，2]己烷)以及其它。在一些情形，如肽鍵的各種鍵或如以前基(ago group)的各種基可以用作電阻器件。例如，通過改變用作電阻器件的分子或分子陣列的大小以及組成分子器件并耦合到作為電阻器件的分子或分子陣列的兩端的分子或分子陣列間的耦合方向的相對角度，耦合在電阻器件兩端的分子或分子陣列間的距離可以改變。既然兩個躍遷偶極矩間的躍遷偶極相互作用與它們之間的距離的六次方成反比，就有可能控制躍遷偶極相互作用并因此通過控制分子或分子陣列之間的距離而控制激發(fā)態(tài)或激子的轉(zhuǎn)移。
為了將激發(fā)態(tài)或激子從外部輸入到分子器件中，通常在至少一個組成分子器件的分子或分子陣列中形成至少一個輸入端。輸入端的數(shù)目和位置取決于分子器件的想要的功能。輸入方法的例子是通過光在輸入端誘導(dǎo)表面等離子體振元激發(fā)并因此輸入激發(fā)態(tài)或激子；用具有預(yù)定分子軌道能量的染料分子改性分子或分子陣列的終端并用它作為輸入端以便輸入在那里通過光激發(fā)的激發(fā)態(tài)或激子。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，本發(fā)明提供一種具有整流功能以引起激發(fā)態(tài)或激子的轉(zhuǎn)移不對稱進(jìn)行的分子陣列。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，本發(fā)明提供一種具有整流功能以引起激發(fā)態(tài)或激子的轉(zhuǎn)移不對稱進(jìn)行的整流器件。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，本發(fā)明提供一種整流方法，其特征在于引起激發(fā)態(tài)或激子的轉(zhuǎn)移不對稱進(jìn)行。
根據(jù)本發(fā)明的第五方面，本發(fā)明提供一種傳感器件，具有引起激發(fā)態(tài)或激子的轉(zhuǎn)移不對稱進(jìn)行的整流功能以及具有控制整流特性的功能。
傳感器件一般包括至少兩個分子或分子陣列作為其組件。通常，這些分子或分子陣列的至少一個具有離子識別功能，并且該器件通過使用以下現(xiàn)象實現(xiàn)離子傳感，該現(xiàn)象即整流特性隨是否存在依附于(adhere to)具有離子識別功能的位置的任何離子而改變。
根據(jù)本發(fā)明的第六方面，本發(fā)明提供一種開關(guān)器件，具有引起激發(fā)態(tài)或激子的轉(zhuǎn)移的不對稱進(jìn)行的整流功能以及具有控制整流特性的功能。
開關(guān)器件一般包括至少兩個分子或分子陣列作為其組件。通常，這些分子或分子陣列的至少一個具有離子識別功能，并且該器件通過使用以下現(xiàn)象實現(xiàn)離子傳感，該現(xiàn)象即整流特性隨是否存在粘附于具有離子識別功能的位置的任何離子而改變。
根據(jù)本發(fā)明的第七方面，本發(fā)明提供一種包含開關(guān)器件作為其組件的電路器件，該開關(guān)器件具有整流功能以引起激發(fā)態(tài)或激子轉(zhuǎn)移的不對稱進(jìn)行以及具有控制整流特性的功能。
電路器件可用于各種目的，并且根據(jù)其預(yù)定的用途和功能，包括一個或多個開關(guān)器件。例如，電路器件可以是邏輯電路器件。
根據(jù)本發(fā)明的第八方面，本發(fā)明提供一種包含開關(guān)器件作為其組件的邏輯電路器件，該開關(guān)器件具有整流功能以引起激發(fā)態(tài)或激子轉(zhuǎn)移的不對稱進(jìn)行以及具有控制整流特性的功能。
根據(jù)其預(yù)定的功能，邏輯電路器件包括一個或多個開關(guān)器件。
根據(jù)本發(fā)明的第九方面，本發(fā)明提供一種包括開關(guān)器件作為其組件的操作器件，該開關(guān)器件具有整流功能以引起激發(fā)態(tài)或激子的轉(zhuǎn)移的不對稱進(jìn)行以及具有控制整流特性的功能。
根據(jù)其預(yù)定的操作功能，操作器件包括一個或多個開關(guān)器件。
根據(jù)本發(fā)明的第十方面，本發(fā)明提供一種包括開關(guān)器件作為其組件的信息處理器件，該開關(guān)器件具有整流功能以引起激發(fā)態(tài)或激子的轉(zhuǎn)移的不對稱進(jìn)行以及具有控制整流特性的功能。
根據(jù)其預(yù)定的信息處理功能，信息處理器件包括一個或多個開關(guān)器件。
在不抵觸其性質(zhì)的范圍內(nèi)，上述參考本發(fā)明第一方面給出的說明也適用于本發(fā)明第二到十方面。
類似地，在不抵觸其性質(zhì)的范圍內(nèi)，上述參考本發(fā)明第六方面給出的說明也適用于本發(fā)明第七到十方面。
通過使用分子或分子陣列作為其基礎(chǔ)，具有以上概括特征的本發(fā)明可以得到一種整流功能，引起激發(fā)態(tài)或激子的轉(zhuǎn)移的不對稱進(jìn)行。
本發(fā)明的上述及其它目的以及特征從下面參考附圖的詳細(xì)描述和附加的權(quán)利要求將變得清楚。


圖1A-1C是表示根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的整流器件的示意圖；圖2A-AD是用來說明根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的整流器件的具體結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3A-3C是用來說明根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的整流器件的具體結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4是用來說明根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的整流器件的具體結(jié)構(gòu)的示意圖；圖5是用來說明用于制造根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的整流器件的卟啉(porphyrin)族物質(zhì)的合成例的示意圖；圖6是用來說明用于制造根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的整流器件的卟啉族物質(zhì)的合成例的示意圖；圖7是用來說明根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的整流器件的具體結(jié)構(gòu)的示意圖；圖8是用來說明根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的整流器件的具體結(jié)構(gòu)的示意圖；
圖9是用來說明根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的整流器件的具體結(jié)構(gòu)的示意圖；圖10是用來說明根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的整流器件的示范性輸入端的示意圖；圖11是用來說明根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的整流器件的示范性輸入端的示意圖；圖12是表示用根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的整流器件進(jìn)行的模擬(simulation)的結(jié)果的示意圖；圖13是表示用根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的整流器件進(jìn)行的模擬(simulation)的結(jié)果的示意圖；圖14是表示具有與軸平行放置的躍遷偶極的系統(tǒng)的能級圖的示意圖；圖15是表示具有與軸垂直放置的躍遷偶極的系統(tǒng)的能級圖的示意圖；圖16A和16B是用來說明根據(jù)本發(fā)明第二實施方式的離子傳感器件的操作的示意圖；圖17是表示根據(jù)本發(fā)明第四實施方式的整流器件的示意圖；圖18是表示根據(jù)本發(fā)明第四實施方式的整流器件的示意圖；圖19是用來說明根據(jù)本發(fā)明第四實施方式的整流器件的具體結(jié)構(gòu)的示意圖；圖20是表示根據(jù)本發(fā)明第七實施方式的整流器件的示意圖；圖21是用來說明根據(jù)本發(fā)明第七實施方式的整流器件的具體結(jié)構(gòu)的示意圖；圖22A和22B是表示根據(jù)本發(fā)明第十實施方式的整流器件的示意圖；圖23是用來說明根據(jù)本發(fā)明第十實施方式的整流器件的具體結(jié)構(gòu)的示意圖；圖24A和24B是表示根據(jù)本發(fā)明第十一實施方式的整流器件的示意圖；以及圖25是用來說明根據(jù)本發(fā)明第十一實施方式的整流器件的具體結(jié)構(gòu)的示意圖。
具體實施例方式
下面將參考

本發(fā)明的實施方式。在所有表示本發(fā)明的實施方式的附圖中，相同或相應(yīng)的元件用相同的參考數(shù)字標(biāo)示。
圖1A-1C表示本發(fā)明的第一實施方式。這里將說明當(dāng)兩個直型(straight)或線型分子或分子陣列以直角鍵合(bond)在一起時出現(xiàn)的整流作用。
參考圖1A和1B，對由具有與直型或線型分子或分子陣列(雙鍵頭表示極化方向)的長軸垂直(圖1A)和平行(圖1B)的躍遷偶極矩的一個或多個電子躍遷組成的激子12進(jìn)行評述。這兩種狀態(tài)的激子12的能級由躍遷偶極矩間的相互作用的大小和位置決定。
圖1C表示整流器件的結(jié)構(gòu)，該整流器件通過在它們的終端以直角耦合兩個相同的直型或線型分子或分子陣列11得到。在這種情況中，當(dāng)沿與分子或分子陣列11(圖1A)的長軸垂直的方向極化的激子12具有較高能級時，激子12沿箭頭A和B方向轉(zhuǎn)移具有更高的概率。也就是說，在激子12的轉(zhuǎn)移中發(fā)生不對稱性，關(guān)于激子12的轉(zhuǎn)移獲得整流作用。
在當(dāng)沿與分子或分子陣列11(圖1B)的長軸平行的方向極化的激子12具有較高能級的情況中，激子12沿與箭頭A和B相反方向轉(zhuǎn)移具有更高的概率。這里再一次，在激子12的轉(zhuǎn)移中發(fā)生不對稱性，關(guān)于激子12的轉(zhuǎn)移獲得整流作用。
上述說明的激子12轉(zhuǎn)移的不對稱性，即通過在兩個直型或線型分子或分子陣列11的耦合位置處的接合點的空間不對稱性，產(chǎn)生關(guān)于激子12轉(zhuǎn)移的整流作用。
接下來說明整流器件的一個具體結(jié)構(gòu)。
圖2A表示中間耦合咪唑基卟啉二聚體(非專利文獻(xiàn)4)。這種中間耦合咪唑基卟啉二聚體通過圖2B(非專利文獻(xiàn)5)中所示的補充配位鍵組成線型分子陣列。
在圖2B中所示的線型分子陣列中，存在由具有與分子的長軸垂直和平行的躍遷偶極矩的電子躍遷組成的兩種激子(分別在圖2C和2D中所示)，并且與分子的長軸平行而極化的激子(圖2D中的激子)具有更高的能級。
圖3A表示中間耦合非線型咪唑基卟啉三聚體。通過在兩個相互垂直的方向配位鍵合可以得到線型分子陣列，從圖3B中所示的中間耦合非線型咪唑基卟啉三聚體作為起點形成如圖1C所示的整流器件。在這種情況中，形成線型部分的構(gòu)件塊可以由圖3C中所示的中間耦合線型咪唑基卟啉三聚體或圖2A中所示的中間耦合線型咪唑基卟啉二聚體組成。在圖3B的例中，使用后者中間耦合線型咪唑基卟啉二聚體。
對卟啉系物質(zhì)以及它們的應(yīng)用已經(jīng)有許多研究(專利文獻(xiàn)1-4和非專利文獻(xiàn)4-22)。
非專利文獻(xiàn)14描述了使用中心金屬的卟啉分子的電子態(tài)的詳細(xì)變化。結(jié)合該文獻(xiàn)圖11(第412頁)參考表4(第414頁)中的第一還原(reduction)電位(E(P/P...))，Pd是E(P/P...)值小于H2的唯一中心金屬。在具有任何其它中心金屬的卟啉用作激子整流器件的交叉點的情況中，那么激子將在它們的位置被捕獲并引起通過離子的傳感或轉(zhuǎn)換。
對于形成整流器件基本結(jié)構(gòu)的分子的合成，例如，使用非專利文獻(xiàn)16的方案17、方案19和方案21。特別是在合成整流器件的交叉點時，在方案21中從分子53形成分子54的反應(yīng)過程中，除分子53外，圖4中所示的類似分子53的分子用一半量的分子53混合。因此，可以制得一個直角的三聚體彎曲。圖4中，BP是烯丙基(包括供體或受體性質(zhì)的取代基)或烷基。
例如(非專利文獻(xiàn)17)，作為配位鍵合分子陣列的基本結(jié)構(gòu)組件的中間耦合咪唑基卟啉二聚體可以通過圖5中所示的反應(yīng)合成。如果在該合成的最終反應(yīng)(二聚體的形成)通過加入0.5倍圖6中所示的分子以引起進(jìn)一步的反應(yīng)從而進(jìn)行改性，那么可以合成圖3A中所示的彎曲中間耦合非線型咪唑基卟啉三聚體。圖5中的取代基不必是C7H15，也可以使用烷氨基(烷基是支鏈烷基或直鏈烷基)、硝基、氰基等。
這里參考圖7說明將取代基引入配位鍵合的卟啉陣列(Kobuke型)的例子。
取代基Xai、Xbi、Ya(1，2，3，...，n，...，N)、Yb(1，2，3，...，n，...，N)、Za(1，2，3，...，n，...，N)和Zb(1，2，3，...，n，...，N)包括下面供體或受體性質(zhì)的取代基。
供體性質(zhì)的取代基-NR2，R是由C、H和C組成的分枝或線型取代基(烷基和烷氧基)。
受體性質(zhì)的取代基具有-CN(氰基)、NO2(硝基)和SO3H(磺基)。
接下來說明將取代基引入共價卟啉陣列(Osuga型)并且不包括中心金屬的例子(圖8)。
具有供體或受體性質(zhì)的取代基的下面的苯環(huán)(烯丙基)作為取代基Xai、Xbi、Ya(1，2，3，...，n，...，N)、Yb(1，2，3，...，n，...，N)、Za(1，2，3，...，n，...，N)和Zb(1，2，3，...，n，...，N)被引入。
具有供體性質(zhì)的取代基的烯丙基-NR2和R是由C、H和C組成的分枝或線型取代基(烷基和烷氧基)。
具有受體性質(zhì)的取代基的烯丙基具有-CN(氰基)、NO2(硝基)和SO3H(磺基)。
接下來說明將取代基引入共價卟啉陣列(Osuga型)并包括中心金屬的例子(圖9)。
具有供體或受體性質(zhì)的取代基的下面的苯環(huán)(烯丙基)作為取代基Xai、Xbi、Ya(1，2，3，...，n，...，N)、Yb(1，2，3，...，n，...，N)、Za(1，2，3，...，n，...，N)和Zb(1，2，3，...，n，...，N)被引入。
具有供體性質(zhì)的取代基的烯丙基-NR2和R是由C、H和C組成的分枝或線型取代基(烷基和烷氧基)。
具有受體性質(zhì)的取代基的烯丙基具有-CN(氰基)、NO2(硝基)和SO3H(磺基)。
例如，激發(fā)態(tài)或激子可以按下面的方式輸入到整流器件中。
圖10表示這種例子。如圖10所示，分子或分子陣列11的終端與由Au、Ag或Pt等制成的金屬薄膜13的一個表面用硫醇相連。金屬薄膜13的其它表面與矩形棱鏡14緊密接觸。分子或分子陣列11的聚體結(jié)構(gòu)表示在圖11中。
當(dāng)光15在具有上述結(jié)構(gòu)的輸入端從外部引入到矩形棱鏡14的兩矩形交叉表面的一個表面上時，表面等離子體振元在金屬薄膜13中激發(fā)，因此激子12在分子或分子陣列11的終端產(chǎn)生。
不僅光而且如電子的帶電粒子可以產(chǎn)生表面等離子體振元激發(fā)。
在非專利文獻(xiàn)18中報道了卟啉的表面等離子體振元激發(fā)。
輸入激子的激發(fā)態(tài)的另一種方法，不同于上述表面等離子體振元激發(fā)，例如用一種具有足夠分子軌道能量的染料分子(硼-二吡咯亞甲基)改性如卟啉陣列的分子或分子陣列11的終端，并在那里使用光激發(fā)作為輸入(非專利文獻(xiàn)19)。
從整流器件輸出的一種方法是用足夠的發(fā)射熒光的分子改性用于從形成整流器件的分子或分子陣列11提取的信號的位置。該方法的一個具體過程如下。形成整流器件的分子或分子陣列11的一個終端用熒光染料改性。引入到分子或分子陣列11的激發(fā)態(tài)或激子最終到達(dá)熒光染料，并且該熒光染料發(fā)射熒光。然后通過使用單分子成像方法(例如在非專利文獻(xiàn)20、21中所示)，從單個熒光染料出來的熒光用CCD照相機(jī)成像。至于用于改性分子或分子陣列11的終端的熒光染料的例子，在分子或分子陣列11是卟啉陣列的情況中，例如，從卟啉陣列自身使用其一將會是最簡單的方法。關(guān)于從卟啉出來的熒光，非專利文獻(xiàn)22說明了其具有約600±20nm的波長。在用熒光染料而不是卟啉改性分子或分子陣列11的終端的情況中，染料有必要是具有引起從卟啉產(chǎn)生能量的最低未占據(jù)分子軌道(LUMO)的分子。C60，雖然不發(fā)射熒光，卻是一種允許從卟啉轉(zhuǎn)移能量的分子。
接下來說明用整流器件進(jìn)行模擬的結(jié)果。結(jié)果表示在圖12和13中。圖12表示激子12在以直角交叉的線型分子或分子陣列11上的轉(zhuǎn)移的方面，并且當(dāng)分枝置于原點時，x和y是每個分子和分子陣列11的長軸的坐標(biāo)。圖13表示激發(fā)態(tài)數(shù)目和激發(fā)能的相互關(guān)系。
從圖12和13中可以理解，當(dāng)激子12的極化處在高能級狀態(tài)(激發(fā)能)即狀態(tài)1時，激子12在變化成為低能級狀態(tài)即狀態(tài)3的極化下通過中間能級狀態(tài)即狀態(tài)2在其它分子或分子陣列11上移動。
這里說明配位鍵合卟啉陣列的光物理性質(zhì)的評述結(jié)果。作為初步研究，首先討論彼此平行放置的一維躍遷偶極系統(tǒng)的激發(fā)能(能級)，可觀察到激發(fā)能遷移的符號隨系統(tǒng)的方向和每個躍遷偶極的方向是垂直還是平行而改變。如已經(jīng)說明地，這對應(yīng)于現(xiàn)象能級即激發(fā)能隨激子12是沿與分子或分子陣列11的長軸的方向垂直還是平行極化而改變。下面，基于這些觀察，將計算配位鍵合的卟啉陣列的光吸收譜，并討論其性質(zhì)。
關(guān)于包括多個躍遷偶極的系統(tǒng)的光吸收，采用一種簡單的情況。這里假設(shè)電子系統(tǒng)其中位置以一維方向的晶格間隔a排列。每個位置具有兩種狀態(tài)，即基態(tài)和激發(fā)態(tài)。下來，僅考慮單激發(fā)的情況。因此，自旋的作用不顯著。讓系統(tǒng)的大小比光的波長足夠短，該光具有在各自位置引起激發(fā)而需要的能量。在這種情況中，取決于系統(tǒng)內(nèi)部位置的光的電場大小不同可忽略。系統(tǒng)的電子和光的電場(表示為E(t))之間的相互作用用下面方程式的哈密頓函數(shù)(Hamiltonian)給出。
H^′=-d^·E(t)---(1)]]>
在上面方程式中，d^]]>是躍遷偶極算子，并使用下面位置算子r^]]>躍遷偶極算子用下面方程式定義。
d^=(-e)r^---(2)]]>在上面方程式中，(-e)是電子的電荷。一般地，關(guān)于從狀態(tài)|k>躍遷至狀態(tài)|j>的躍遷偶極矩由下面方程式給出。
djk＝<j|d|k> (3)與相應(yīng)光的電場的相互作用的大小由下面方程式給出。
<j|H^|k>=djk·E(t)---(4)]]>為了簡化，假設(shè)所有位置的激發(fā)能都相等(該激發(fā)能用Eg表示)，但是擴(kuò)展將會容易。僅僅考察一個激發(fā)態(tài)，整個系統(tǒng)具有的激發(fā)態(tài)的數(shù)目與位置(N)的數(shù)目相等。當(dāng)躍遷偶極間的相互作用可忽略時，其激發(fā)能簡并(degenerate)。當(dāng)躍遷偶極相互作用是有限(finite)時，去除簡并，并且各個激發(fā)態(tài)具有不同的躍遷偶極矩。當(dāng)通過相互作用的能量分裂的大小小于Eg時，僅僅這N個激發(fā)態(tài)具有Eg附近的激發(fā)能。下面，專門討論激發(fā)態(tài)，但是包括兩個或多個激發(fā)態(tài)的擴(kuò)展將會容易。
整個系統(tǒng)的狀態(tài)表達(dá)如下。
|s1，…，sj，…，sN>＝|s1>…|sj>…|sN>(5)在上面表達(dá)式中，sj是位置j的狀態(tài)，并且當(dāng)它處于基態(tài)時用gj表示，當(dāng)它處于激發(fā)態(tài)時用ej表示。整個系統(tǒng)的基態(tài)|Ψ0>用下面方程式給出。
|Ψ0>＝|g1，...，gj，...，gN> (6)整個系統(tǒng)的激發(fā)態(tài)|Ψν>(ν＝1，...，N)
是激發(fā)態(tài)在各個位置的線性組合，并用方程式(7)表達(dá)。
Ψν>=Σj=1NCν(j)|g1,g2,···,gj-1,ej,gj+1,···,gN>---(7)]]>在上面的方程式中，|g1，g2，…，gj-1，ej，gj+1，…，gN>
是在第j位置的激發(fā)態(tài)，而Cν(j)]]>是系數(shù)。
Ψν>
滿足下面的薛定鄂方程式。
H|Ψν>＝Eν|Ψν>(8)在上面的方程式中，Eν是|Ψν>
的本征能量。
哈密頓函數(shù)H的矩陣元根據(jù)基態(tài)和激發(fā)態(tài)分塊(block)，并由下面方程式給出。
<g1，…，gj，…，gN|H|g1，…，gj，…，gN>＝0<g1，…，ej，…，gN|H|g1，…，ek，…，gN>＝δj，kEg+(1-δj，k)Vdd(ej，gj；gk，ek)(9)j，k＝1，…，N在上面方程式中，Vdd(sj，sj′；sk，sk′)是躍遷偶極
dsj.sj′,dsk,sk′]]>間的相互作用，其各自位于位置i和j，并且它由下面方程式給出。
Vdd(sj,sj′;sk,sk′)=14πϵ|rij|3[dsj,sj′·dsk,sk′-3(dsj,sj′·rij)(dsk,sk′·rij)|rij|2]...(10)]]>在這個方程式中，ε是介電常數(shù)。另外，ri和rj是位置i和j的坐標(biāo)，rij＝ri-rj。
從狀態(tài)|Ψν>躍遷至狀態(tài)|Ψμ>的躍遷偶極矩的大小一般用下面方程式給出。
dμν=<Ψμ|d^|Ψν>]]>=Σs1=g1e1Σs2=g2e2···ΣsN=gNeNΣs′1=g1e1Σs′2=g2e2···Σs′N=gNeN---(11)]]><Ψμ|s1,s2,···,sN>dsj,s′j(N)<s′1,s′2,···,s′N|Ψν>]]>在上面方程式中，dsj,sj′(N)]]>用下面方程式定義。
dsj,sj(N)=δs1,s′1···δsj-1,s′j-1dsj,s′jδsj+1,s′j+1···δsN,s′N---(12)]]>從方程式(10)可以看出，躍遷偶極間的相互作用大大依賴于其位置，并且這影響整個系統(tǒng)的激發(fā)態(tài)并因此影響系統(tǒng)的光學(xué)響應(yīng)。下面，考慮兩種不同的情況，其中每個位置的躍遷偶極與系統(tǒng)的方向平行和垂直(并且位于共同平面上)，計算每種情況的激發(fā)態(tài)的躍遷偶極矩和它們的光吸收。
平行的情況為了方便，坐標(biāo)原點定為rj＝(ja，0，0)。這并沒有喪失一般性。下面采用的是一種簡單的情況，在其中各個位置的躍遷偶極相等，并且位置j的躍遷偶極用下面方程式表示dej，gj＝(d，0，0)在這種情況中，出現(xiàn)在方程式(9)中的躍遷偶極相互作用從方程式(10)給出如下。
Vdd(ej，gj；gk，ek)＝-2Vd(j，k)(13)在這個方程式中，Vd(j，k)由下式給出
Vd(j,k)=|d|24πϵ|rjk|3---(14)]]>當(dāng)方程式(8)在N＝2時被求解時，顯示系統(tǒng)具有下面兩個激發(fā)態(tài)。
|Ψ1>=12(|e1g2>+|g1e2>),|Ψ2>=12(|e1g2>-|g1e2>)---(15)]]>它們的激發(fā)能如下。
E1＝Eg-2Vd(1，2)E2＝Eg+2Vd(1，2) (16)根據(jù)方程式(11)計算狀態(tài)間的躍遷偶極矩。作為一個例子，對應(yīng)于從|Ψ0>躍遷至|Ψ1>的d10計算如下。
d10=<Ψ1|(|g1g2>dg1,e1<e1g2|+|g1g2>dg2,e2<g1e2|]]>+|e1g2>de1,g1<g1g2|+|g1e2>de2,g2<g1g2|)|Ψ0>]]>=12(<e1g2|+<g1e2|)(de1,g1|g1g2>+de2,g2|g2g2>)<g1g2|g1g2>---(17)]]>=12(de1,g1+de2,g2)]]>=(2d,0,0)]]>以基本相同的方式，得到以下。
d00＝d11＝d22＝(0，0，0)d01=(d10)*=(2d*,0,0)---(18)]]>d20＝d02＝(0，0，0)d21＝d12＝(0，0，0)因此，光學(xué)活性態(tài)的激發(fā)能遷移至比Eg低的能量側(cè)。當(dāng)兩個躍遷偶極與軸平行排列時，具有相反符號的電荷相反時的庫侖相互作用能量要比具有相同符合的電荷相反時低。在前一種放置的情況下，剩余有限的躍遷偶極矩；然而在后一種放置的情況下，躍遷偶極矩彼此抵消并變?yōu)榱恪?br> 垂直的情況這里觀察一種情況，其中躍遷偶極平行并因此位于共同平面上。在這種情況中，不喪失一般性，使用dj＝(0，d，0)(j＝1，...，N)。方程式(9)的躍遷偶極相互作用由下面方程式給出。
Vdd(ej，gj；gk，ek)＝+Vd(j，k) (19)
在這個方程式，Vd與方程式(14)中的相同。
當(dāng)N＝2時，系統(tǒng)具有方程式(15)的激發(fā)態(tài)，并且各激發(fā)能和躍遷偶極如下。
E1＝Eg+Vd(r1，r2) (20)E2＝Eg-Vd(r1，r2)d00＝d11＝d22＝(0，0，0)d10=(0,2d,0),d01=(0,2d*,0)---(21)]]>d20＝d02=(0，0，0)d21＝d12=(0，0，0)因此，光學(xué)活性態(tài)的激發(fā)能遷移至比Eg高的能量側(cè)。高能態(tài)具有更高的光學(xué)活性。類似于平行的情況，這種情況可以理解。即，由于在躍遷偶極相反方向排列放置的情況中電荷間的排斥小，并且躍遷偶極矩抵消為零，因而能量更低。
光吸收E稱為入射光的電場，P稱為由此引起的極化。光易感性χ用下面方程式定義。
P=εχE(22)在電場不強的情況中，可以線性響應(yīng)程度描述光易感性χ。當(dāng)入射光能量為ω且極化方向為α(＝x，y，z)，χ由下面方程式給出。
在這個方程中，dν0α,Eν]]>分別表示從基態(tài)0至激發(fā)態(tài)ν的躍遷偶極矩的α分量和激發(fā)能，而τν表示激發(fā)態(tài)ν的馳豫時間。N是總的狀態(tài)數(shù)。光吸收由lmχ(ω)給出。
通常，在具有與軸平行放置的躍遷偶極的系統(tǒng)中，光活性激發(fā)態(tài)的能量遷移至低能側(cè)(圖14)，而在具有與軸垂直放置的躍遷偶極的系統(tǒng)中，光活性激發(fā)態(tài)的能量遷移至高能側(cè)(圖15)。
如上面說明，根據(jù)第一實施方式，可以實現(xiàn)基于新的迄今未認(rèn)識的工作原理的激子的整流器件。
接下來說明本發(fā)明的第二實施方式。
在第二實施方式中，將會說明使用根據(jù)第一實施方式的整流器件建立離子傳感器件的例子。
雖然圖16A與第一實施方式的圖3B相同，激子的整流作用隨卟啉環(huán)在對應(yīng)整流器件的接合點的中間耦合非線型咪唑基卟啉三聚體的中心處是否有作為中心金屬的Zn而變化。即，在圖16A所示的狀態(tài)中，卟啉環(huán)在中間耦合非線型咪唑基卟啉三聚體的中心有作為中心金屬的Zn。然而，如果卟啉環(huán)在中間耦合非線型咪唑基卟啉三聚體的中心沒有作為中心金屬的Zn，如圖16B所示，那么激子的整流作用在這兩個狀態(tài)之間是不同的。通過使用該原理，可以實現(xiàn)離子傳感器功能。
在其它方面，第二實施方式與第一實施方式相同，這里省略了相同特征的說明。
根據(jù)第二實施方式，可以實現(xiàn)基于新的迄今未認(rèn)識的工作原理的離子傳感器件。
接下來說明本發(fā)明的第三實施方式。
在第三實施方式中，將說明通過使用根據(jù)第一實施方式的整流器件建立一種開關(guān)器件的例子。
第二實施方式說明了通過使用激子整流作用的變化來實現(xiàn)離子傳感器件，該激子的整流作用隨卟啉環(huán)在對應(yīng)根據(jù)第一實施方式的整流器件的接合點的中間耦合非線型咪唑基卟啉三聚體的中心處是否有作為中心金屬的Zn而變化。然而，在第三實施方式中，該原理用于制造通過離子能控制整流的開關(guān)器件。即，在圖16A所示的狀態(tài)中，卟啉環(huán)在中間耦合非線型咪唑基卟啉三聚體的中心有作為中心金屬的Zn。然而，如果卟啉環(huán)在中間耦合非線型咪唑基卟啉三聚體的中心沒有作為中心金屬的Zn，如圖16B所示，那么激子的整流作用在這兩個狀態(tài)之間是不同的。因此，通過控制Zn2+在中心進(jìn)入或離開卟啉環(huán)，有可能控制通過激子的整流作用從而得到一種開關(guān)功能。
在其它方面，第三實施方式與第一實施方式相同，這里省略了相同特征的說明。
根據(jù)第三實施方式，可以實現(xiàn)基于新的迄今未認(rèn)識的工作原理的開關(guān)器件。
圖17表示本發(fā)明的第四實施方式，這里說明的是一種當(dāng)三個線型分子或分子陣列耦合時引起的整流作用。
如圖17所示，在第四實施方式中，通過耦合三個相同的線型分子或分子陣列11，整流元件被做成整體T型。
在激子12沿分子或分子陣列11的長軸垂直極化時要比平行極化時具有更高的能級的情形，沿箭頭A方向移動并進(jìn)入結(jié)合點的激子12如箭頭B和C所示分開的概率更高。在這種情況下，如果分子或分子陣列11的組分的激發(fā)態(tài)或激子在箭頭B和C的方向之間的能級相同，那么，激子12分枝到箭頭B和C方向的概率相同。這是因為，當(dāng)從在箭頭A方向延伸的分子或分子陣列11觀察三個分子或分子陣列11當(dāng)中的在箭頭B和C方向延伸的分子或分子陣列11的接合位置時，在接合位置的接合點具有空間對稱性。
在圖18的情況中，其中激子12沿分子或分子陣列11的長軸垂直極化要比平行極化具有更高的能級，沿箭頭A方向移動并進(jìn)入接合點的激子12如箭頭B和C所示分開具有更高的概率。然而，在這種情況中，沿箭頭B和C方向分開的概率是不同的。這是因為，當(dāng)從在箭頭A方向延伸的分子或分子陣列11觀察三個分子或分子陣列11當(dāng)中的在箭頭B和C方向延伸的分子或分子陣列11的接合位置時，在接合位置的接合點具有空間不對稱性。
接下來說明整流器件的一個具體結(jié)構(gòu)。
圖19表示中間耦合非線型咪唑基卟啉四聚體。使用該中間耦合非線型咪唑基卟啉四聚體作為起點，通過配位鍵合在三個方向延伸可以整體形成字母T型的線型分子陣列，并可以制得圖17和18所示的整流器件。這里再一次，如已經(jīng)結(jié)合第一實施方式說明地，形成線型部分的構(gòu)件塊可以由圖3C所示的中間耦合線型咪唑基卟啉三聚體或圖2A所示的中間耦合線型咪唑基卟啉二聚體組成。
在其它方面，第四實施方式與第一實施方式相同，這里省略了相同特征的說明。
根據(jù)第四實施方式，可以實現(xiàn)基于新的迄今未認(rèn)識的工作原理的開關(guān)器件。
接下來說明本發(fā)明的第五實施方式。
在第五實施方式中，將會說明通過使用根據(jù)第四實施方式的整流器件制造離子傳感器件的例子。
激子的整流隨卟啉環(huán)在對應(yīng)整流器件的接合位置的中間耦合非線型咪唑基卟啉四聚體的中心處是否有作為中心金屬的Zn而變化。即，在圖19所示的狀態(tài)中，卟啉環(huán)在中間耦合非線型咪唑基卟啉四聚體的中心有作為中心金屬的Zn。然而，如果卟啉環(huán)在中間耦合非線型咪唑基卟啉四聚體的中心沒有作為中心金屬的Zn，那么激子的整流作用在這兩個狀態(tài)之間是不同的。通過使用該原理，可以實現(xiàn)離子傳感器功能。
在其它方面，第五實施方式與第一實施方式相同，這里省略了相同特征的說明。
根據(jù)第五實施方式，可以實現(xiàn)基于新的迄今未認(rèn)識的工作原理的離子傳感器件。
接下來說明本發(fā)明的第六實施方式。
在第六實施方式中，將說明一個通過使用根據(jù)第四實施方式的整流器件制造開關(guān)器件的例子。
第五實施方式說明了通過使用激子整流作用的變化來實現(xiàn)離子傳感器件，該激子的整流隨卟啉環(huán)在對應(yīng)整流器件的接合位置的中間耦合非線型咪唑基卟啉四聚體的中心處是否有作為中心金屬的Zn而變化。然而，在第六實施方式中，該原理用于制造一個通過離子能控制整流的開關(guān)器件。即，在圖19所示的狀態(tài)中，卟啉環(huán)在中間耦合非線型咪唑基卟啉四聚體的中心有作為中心金屬的Zn。然而，如果卟啉環(huán)在中間耦合非線型咪唑基卟啉四聚體的中心沒有作為中心金屬的Zn，那么激子的整流作用在這兩個狀態(tài)之間是不同的。因此，通過控制Zn2+在中心進(jìn)入或離開卟啉環(huán)，有可能控制通過激子的整流作用并得到開關(guān)功能。
在其它方面，第六實施方式與第一實施方式相同，這里省略了相同特征的說明。
根據(jù)第六實施方式，可以實現(xiàn)基于新的迄今未認(rèn)識的工作原理的開關(guān)器件。
圖20表示本發(fā)明的第七實施方式。這里說明的是當(dāng)四個線型分子或分子陣列以直角耦合時導(dǎo)致的一種整流作用。
如圖20所示，在第七實施方式中，通過耦合四個相同的線型分子或分子陣列11，整流元件被做成整體十字型。
在激子12沿分子或分子陣列11的長軸垂直極化時要比平行極化時具有更高的能級，沿箭頭A方向移動并進(jìn)入接合點的激子12如箭頭B、C和D所示分開的概率更高。在這種情況下，如果箭頭C和D方向在能量上對稱，那么，激子12沿箭頭C和D方向分開的概率相同并具有更高的可能性，而激子12沿箭頭B方向分開的概率與它們不同。
接下來說明整流器件的一個具體結(jié)構(gòu)。
圖21表示中間耦合非線型咪唑基卟啉五聚體。使用該中間耦合非線型咪唑基卟啉五聚體作為起點，通過配位鍵合在四個方向延伸可以形成整體十字型的線型分子陣列，并可以制得圖20所示的整流器件。這里再一次，如已經(jīng)結(jié)合第一實施方式說明地，形成線型部分的構(gòu)件塊可以由圖3C所示的中間耦合線型咪唑基卟啉三聚體或圖2A所示的中間耦合線型咪唑基卟啉二聚體組成。
在其它方面，第七實施方式與第一實施方式相同，這里省略了相同特征的說明。
根據(jù)第七實施方式，可以實現(xiàn)基于新的迄今未認(rèn)識的工作原理的整流器件。
接下來說明本發(fā)明的第八實施方式。
在第八實施方式中，將說明一個通過使用根據(jù)第七實施方式的整流器件制造離子傳感器件的例子。
激子的整流隨卟啉環(huán)在對應(yīng)整流器件的接合位置的中間耦合非線型咪唑基卟啉四聚體的中心處是否有作為中心金屬的Zn而變化。即，在圖21所示的狀態(tài)中，卟啉環(huán)在中間耦合非線型咪唑基卟啉四聚體的中心有作為中心金屬的Zn。然而，如果卟啉環(huán)在中間耦合非線型咪唑基卟啉四聚體的中心沒有作為中心金屬的Zn，那么激子的整流作用在這兩個狀態(tài)之間是不同的。通過使用該原理，可以實現(xiàn)離子傳感器功能。
在其它方面，第八實施方式與第一實施方式相同，這里省略了相同特征的說明。
根據(jù)第八實施方式，可以實現(xiàn)基于新的迄今未認(rèn)識的工作原理的離子傳感器件。
接下來說明本發(fā)明的第九實施方式。
在第九實施方式中，將說明一個通過使用根據(jù)第七實施方式的整流器件制造開關(guān)器件的例子。
第八實施方式說明了通過使用激子整流作用的變化來實現(xiàn)離子傳感器件，該激子的整流作用隨卟啉環(huán)在對應(yīng)根據(jù)第七實施方式的整流器件的接合位置的中間耦合非線型咪唑基卟啉四聚體的中心處是否有作為中心金屬的Zn而變化。然而，在第九實施方式中，該原理用于制造一個通過離子能控制整流的開關(guān)器件。即，在圖21所示的狀態(tài)中，卟啉環(huán)在中間耦合非線型咪唑基卟啉四聚體的中心有作為中心金屬的Zn。然而，如果卟啉環(huán)在中間耦合非線型咪唑基卟啉四聚體的中心沒有作為中心金屬的Zn，那么激子的整流作用在這兩個狀態(tài)之間是不同的。因此，通過控制Zn2+在中心進(jìn)入或離開卟啉環(huán)，有可能通過激子控制整流作用從而得到開關(guān)功能。
在其它方面，第九實施方式與第一實施方式相同，這里省略了相同特征的說明。
根據(jù)第九實施方式，可以實現(xiàn)基于新的迄今未認(rèn)識的工作原理的開關(guān)器件。
接下來說明本發(fā)明的第十實施方式。
在第十實施方式中，將說明在分子或分子陣列之間插入一個電阻器件的例子，該分子或分子陣列組成在第一到九實施方式中的整流器件。
即，在第十實施方式中，相鄰分子或分子陣列11通過如圖22B中所示的電阻器件16間接耦合，而不是如圖22A所示的相鄰分子或分子陣列直接耦合，以靜態(tài)改變(在此情形，增加)在電阻器件16相對兩端的分子或分子陣列11間的距離。在圖22A和22B中，在分子或分子陣列11上的箭頭表示躍遷偶極矩(同樣，在后面說明的圖24A和24B中也一樣)。用作電阻器件16的是另一種分子或分子陣列，特別是一種有機(jī)分子或有機(jī)分子陣列，其能與分子或分子陣列11在相對兩端共價鍵合。
在激發(fā)態(tài)中電阻器件16附近的躍遷偶極矩大小隨電阻器件16相對兩端的分子或分子陣列11間的距離改變而改變，并且它充當(dāng)電阻以阻止激發(fā)轉(zhuǎn)移。此外，由于整個激發(fā)態(tài)的躍遷偶極矩也變化，可激發(fā)的激子狀態(tài)的數(shù)目隨電磁波(如光，特別是可見光)輻射而變化。
圖23表示電阻器件16插入其中的整流器件的一個具體結(jié)構(gòu)。在這個例子中，卟啉分子用作制造整流器件的分子或分子陣列11，并且苯用作電阻器件16。
通過耦合多個相同的分子或分子陣列11例如有機(jī)分子以形成整流器件時，它們的耦合距離是不變的。然而，在第十實施方式中，由于電阻器件16插在整流器件中，在電阻器件16相對兩端的分子或分子陣列11之間的距離可以改變，并且使得可能形成激子狀態(tài)并因此控制激發(fā)轉(zhuǎn)移。
接下來說明本發(fā)明的第十一實施方式。
與第十實施方式類似，這里又是說明在制造整流器件的分子或分子陣列之間插入電阻器件的例子。
即，在第十一實施方式中，相鄰分子或分子陣列11通過插入其中的電阻器件16連接，如圖24A所示。在這種情況中，用作電阻器件16的是另一種分子或分子陣列，特別是一種有機(jī)分子或有機(jī)分子陣列，其通過共價鍵能與分子或分子陣列11在相對兩端耦合并且在電磁波例如光照射下改變?nèi)S結(jié)構(gòu)。因此，當(dāng)使用電磁波時，整流器件從其中分子或分子陣列11是直排的圖24A所示的狀態(tài)彎曲到圖24B所示的狀態(tài)，其中分子或分子陣列11與電阻器件16的一端耦合的耦合方向從分子或分子陣列11與電阻器件16的另一端耦合的耦合方向彎曲。因此，在電阻器件16相對兩端的分子或分子陣列11間的距離是動態(tài)變化的(在這種情況中，增加)。
響應(yīng)在電阻器件16相對兩端的分子或分子陣列11間的距離改變，在激子狀態(tài)中電阻器件16附近的躍遷偶極矩大小是變化的，并且充當(dāng)電阻以阻止激發(fā)躍遷。此外，由于整個激子狀態(tài)的躍遷偶極矩也變化，可激發(fā)的激子狀態(tài)的數(shù)目隨電磁波的照射而變化。
圖25表示有電阻器件16插入其中的整流器件的一個具體結(jié)構(gòu)的例子。在這個例子中，卟啉分子用作制造整流器件的分子或分子陣列11，并且具有順-和反-型立體異構(gòu)體的偶氮苯用作電阻器件16。在這種情況中，紫外光可以用作電磁波照射以引起從圖24A所示的狀態(tài)躍遷至圖24B所示的狀態(tài)并通過可見光的照射或熱可以實現(xiàn)相反的躍遷。當(dāng)使用具有能引起順-反躍遷的鍵的如苯的分子時，可以使用通過pH值改變共軛長度的方法，如某些指示劑(甲基橙、甲基黃或甲基紅等)。
通過耦合多個相同的分子或分子陣列11例如有機(jī)分子以形成整流器件時，它們的耦合距離是不變的。然而，在第十一實施方式中，由于電阻器件16插在整流器件中，使得通過電磁波的照射在結(jié)構(gòu)中引入變化，可以改變在電阻器件16相對兩端的分子或分子陣列11之間的距離，因而可能形成激子狀態(tài)并因此控制激發(fā)轉(zhuǎn)移。
已經(jīng)參考附圖描述了本發(fā)明的具體的優(yōu)選實施方式，可以理解，本發(fā)明并不受那些明確的實施方式的限制，在不脫離如所附權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的范圍或精神的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在其中實施各種變化和修飾。
例如，數(shù)值、結(jié)構(gòu)、物質(zhì)、原材料、反應(yīng)等僅用于例示，在必要時，可以使用其它數(shù)值、結(jié)構(gòu)、物質(zhì)、原材料、反應(yīng)等。
根據(jù)本發(fā)明，可以實現(xiàn)基于新的工作原理的分子器件、分子陣列、整流器件、整流方法、傳感器件、開關(guān)器件、電路器件、邏輯電路器件和信息處理器件。
權(quán)利要求
1.一種分子器件，具有引起激發(fā)態(tài)或激子轉(zhuǎn)移的不對稱進(jìn)行的整流功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分子器件，其中所述激發(fā)態(tài)或激子通過光形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分子器件，其中所述激發(fā)態(tài)或激子從外部注入。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分子器件，包含至少兩個分子或分子陣列作為其組件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的分子器件，其中每個所述至少兩個分子或分子陣列具有直型或線型，并且可以通過光直接激發(fā)或者可以通過來自相鄰的一個所述分子或分子陣列的激發(fā)能的轉(zhuǎn)移而得到激發(fā)態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的分子器件，其中所述分子或分子陣列是直鏈形式的共軛聚合物、直鏈形式的非共軛聚合物或者是由所述相同或不同種分子組成的線型分子聚集體。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的分子器件，其中所述至少兩個分子或分子陣列具有環(huán)或橢圓型，并且可以通過光直接激發(fā)或者可以通過來自相鄰的一個所述分子或分子陣列的激發(fā)能的轉(zhuǎn)移而得到激發(fā)態(tài)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的分子器件，其中所述環(huán)或橢圓型分子或分子陣列是環(huán)狀共軛聚合物、環(huán)狀非共軛聚合物或者是由所述相同或不同種分子組成的環(huán)狀分子聚集體。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的分子器件，其中所述分子或分子陣列之一與至少另一個所述分子或分子陣列通過共軛鍵、非共軛共價鍵、電荷轉(zhuǎn)移鍵、離子鍵、氫鍵、通過π電子的相互作用的堆垛、范德華力或其中間力進(jìn)行物理或化學(xué)耦合。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的分子器件，其中所述整流功能通過使用在所述至少兩個物理或化學(xué)耦合在一起的分子或分子陣列之間的激發(fā)態(tài)或激子的不可逆轉(zhuǎn)移而獲得。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的分子器件，其中所述激發(fā)態(tài)或激子的轉(zhuǎn)移不對稱地進(jìn)行，因為所述至少兩個物理或化學(xué)耦合的分子或分子陣列在其接合點處不平行。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的分子器件，其中所述至少兩個物理或化學(xué)耦合的分子或分子陣列耦合以形成接合點，并且該接合點在接合位置表現(xiàn)出空間不對稱性并且因此引起所述激發(fā)態(tài)或激子轉(zhuǎn)移的不對稱進(jìn)行。
13.根據(jù)權(quán)利要求4所述的分子器件，還包含其中所述分子或分子陣列通過插入其間的電阻器件耦合的部分。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的分子器件，其中所述電阻器件是分子或分子陣列并與制造所述分子器件的分子或分子陣列通過共價鍵合而耦合。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的分子器件，其中用作所述電阻器件的所述分子或分子陣列通過電磁波的照射而改變結(jié)構(gòu)。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的分子器件，其中用作所述電阻器件的所述分子或分子陣列通過溫度而改變結(jié)構(gòu)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分子器件，還包含在至少一個所述分子或分子陣列中形成的至少一個輸入端。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的分子器件，其中所述輸入端通過光誘導(dǎo)表面等離子體振元激發(fā)輸入所述激發(fā)態(tài)或激子。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的分子器件，其中所述分子或分子陣列的終端用具有預(yù)定分子軌道能量的染料分子改性。
20.一種分子陣列，具有引起激發(fā)態(tài)或激子的轉(zhuǎn)移不對稱進(jìn)行的整流功能。
21.一種整流器件，具有引起激發(fā)態(tài)或激子的轉(zhuǎn)移不對稱進(jìn)行的整流功能。
22.一種整流方法，允許激發(fā)態(tài)或激子轉(zhuǎn)移不對稱進(jìn)行。
23.一種傳感器件，具有引起激發(fā)態(tài)或激子的轉(zhuǎn)移不對稱進(jìn)行的整流功能和控制整流特性的功能。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的傳感器件，包含至少兩個分子或分子陣列作為其組件。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的傳感器件，其中所述至少兩個分子或分子陣列的至少一個具有離子識別功能。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的傳感器件，其中所述整流特性隨存在或不存在依附于(adhere to)具有所述離子識別功能的位置的任何離子而改變。
27.一種開關(guān)器件，具有引起激發(fā)態(tài)或激子的轉(zhuǎn)移不對稱進(jìn)行的整流功能和控制整流特性的功能。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的開關(guān)器件，包含至少兩個分子或分子陣列作為其組件。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的開關(guān)器件，其中所述至少兩個分子或分子陣列的至少一個具有離子識別功能。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的開關(guān)器件，其中所述整流特性隨存在或不存在依附于具有所述離子識別功能的位置的任何離子而改變。
31.一種包含開關(guān)器件作為其組件的電路器件，所述開關(guān)器件具有整流功能以引起激發(fā)態(tài)或激子的轉(zhuǎn)移不對稱進(jìn)行并且具有控制整流特性的功能。
32.一種包含開關(guān)器件作為其組件的邏輯電路器件，所述開關(guān)器件具有整流功能以引起激發(fā)態(tài)或激子的轉(zhuǎn)移不對稱進(jìn)行并且具有控制整流特性的功能。
33.一種包含開關(guān)器件作為其組件的操作器件，所述開關(guān)器件具有整流功能以引起激發(fā)態(tài)或激子的轉(zhuǎn)移不對稱進(jìn)行并且具有控制整流特性的功能。
34.一種包含開關(guān)器件作為其組件的信息處理器件，所述開關(guān)器件具有整流功能以引起激發(fā)態(tài)或激子的轉(zhuǎn)移不對稱進(jìn)行并且具有控制整流特性的功能。
全文摘要
一種基于新的完全不同于傳統(tǒng)分子電子器件的工作原理的整流器件，通過在某接合點處耦合兩個或多個分子或分子陣列(11)制得。通過使用現(xiàn)象由于在接合點處的空間不對稱性，從一個分子或分子陣列至與其耦合的另一分子或分子陣列的激發(fā)態(tài)或激子的轉(zhuǎn)移不對稱地進(jìn)行，從而獲得與激子的激發(fā)態(tài)的轉(zhuǎn)移有關(guān)的整流功能。此外，除整流功能外，通過控制整流特性，制得一種離子傳感器件或開關(guān)器件。在整流器件中可以插入電阻器件。
文檔編號H01L27/28GK1495908SQ03125570
公開日2004年5月12日 申請日期2003年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月11日
發(fā)明者小田正雄, 松村啟 申請人:索尼公司