功能性分子器件的制作方法

专利名称：功能性分子器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用功能性分子元件来说明其在电场操作下的功能的功能性分子器件。
本申请要求基于2004年6月23日在日本申请的日本专利申请2004-184589的优先权。通过引用将该日本专利申请的内容纳入本申请。
背景技术：
在功能性分子元件领域，实现它在电场施加下的功能，现在关于使用纳米技术的研究正在进行，其是观察、制造和应用具有一米的一亿分之一(10-8米＝10纳米)程度尺寸的微型化结构的一种技术。
接近八十年代末，被称为扫描型隧道显微镜的超高精度的显微镜被发明，凭此观察单个原子或分子变得可能。通过使用扫描型隧道显微镜，原子或分子不但能被观察，而且它们还能被单个地处理。例如，已经有用字母或字符的形式布置原子到晶体表面上的实例的报道。然而，即使原子或分子能用这样的方式进行处理，逐个地处理庞大数量的原子或分子以组装成一种新材料或器件是不实际的。
如果处理原子、分子或其组合以形成纳米级结构，一种新的使能超精密加工的技术是必需的。此纳米级超微细加工技术大致分为以下两种方法。
其一种是所谓的自上而下的方法，其中，较大尺寸的硅片被加工到小尺寸再到加工的极限并且在其上形成集成电路。迄今为止这种方法已经被用于各种各样的半导体器件的制造。另一种是所谓的自下而上的方法，其中，原子或分子，其作为细微的(miniscule)尺寸的单位，被当作部件使用，并且目标的纳米级结构通过将这些小部件组装到一起制造。
按照自上而下的方法，关于趋向缩小结构尺寸的限度，1965年有由INTEL公司的合伙创立者Gorden E.Moore提出的著名的摩尔定律。这个定律指出晶体管集成度在十八个月内加倍。自从1965以来，如同在摩尔定律中预言一样，在超过三十年的时间内半导体工业界成功地提高了晶体管的集成度。
用于未来十五年的蓝图ITRS(国际半导体技术蓝图)，其由美国半导体工业协会(SIA)公布，表达了摩尔定律将继续保持有效的一种见解。
ITRS由一个至2005年有效的短期蓝图和一个至2014年有效的长期蓝图组成。短期蓝图指出，到2005年，用于半导体芯片的处理标准(process rule)和微处理器的栅长度(gate length)将分别变成100纳米和65纳米。长期蓝图指出到2014年栅长度将变成20至22纳米。
半导体芯片微型化更进一步，其操作速度变得更高并且功率消耗变得更低。而且，由单块晶片能产生的部件数量变得更大，同时生产成本相应地降低。这就导致为了使处理标准微型化并且为了提高晶体管集成度，在微处理器厂商之间的竞争。
在1999年11月，美国实验室小组已经表明了在微型化技术方面划时代研究的成果。为了得到一种在称为FinFET的FET(场效应晶体管)上设计栅极的方法，由在美国加利福利亚大学贝克利分校专门研究计算机科学的Chenming Hu教授小组进行研究。该方法使大量晶体管，其大约是传统技术的400倍一样多，在一块半导体芯片上制造成为可能。
栅极是控制FET沟道中电子流动的电极。目前采取常规设计，为了从一侧控制沟道，栅极以与其平行的关系放置在半导体表面上。用这种结构，除了如果栅极具有超过某一长度的长度之外，电子流动不能中断。因此，迄今为止栅长度已经被认为是在限制晶体管微型化的因素之中。
用FinFET，另一方面，为了有效地控制沟道，栅极具有位于沟道两侧的叉形结构。用FinFET比用传统的晶体管结构更有可能进一步缩小栅长度和晶体管的尺寸。
由试验室小组研制的原型FET的栅长度是18纳米，其为目前认可的普通栅长度的十分之一。实验室小组的该栅长度与在ITRS的长期蓝图中指定的2014年的尺寸相比不逊色。声明该栅长度等于上述栅长度的二分之一是可能的。因为Hu教授及其他人声明，对于在半导体界得到广泛承认的期望中的技术，他们不愿意获取专利，因此在未来FinFET有望成为制造技术的主流。
然而，它也已经指出根据自然规律摩尔定律迟早将达到极限。
例如，在半导体技术中，现在的主流是，按照电路图案通过平版印刷技术被印刷在硅片上的方式，半导体芯片被制造。为了提高微型化的程度，不得不提出方案。为了提出方案，将应用较短波长的光的技术用于实际应用中是有必要的。既然物理局限被强加在能在平版印刷技术中被利用的光的波长上，为了克服强加在波长上的限制，从不同的方面进行突破是有必要的。
同样地担心随着集成度的增加每一半导体芯片释放的热量过度地增加，因此可能引起半导体芯片的故障或热破坏。
另外，根据专家的预测，如果半导体界继续他们在缩小芯片尺寸方面的努力，投资或加工成本增加，并且连带着降低收益，到大约2015年半导体工业将变得不能生存。
作为为了产生自上而下方法的固有工艺上的屏障的突破的新技术，关于赋予每一个分子电子部件的功能的研究引起注意。这些研究的对象是电子器件，例如由单一分子形成的、并且按照自下而上方法研制的分子开关。
依照自下而上的方法，用于制造金属、陶瓷或半导体的纳米级结构的研究同时进行。然而，如果彼此分离并且独立、以及在考虑外形上或功能上的差异的情况下可能是数百万种的分子被率直地开发，按照自下而上方法，重新设计并且制造具有完全不同于传统器件的特性的器件(分子器件)是可能的。
例如，电子导电的分子的宽度与0.5纳米一样小。用这些分子的线性阵列，得到具有高于用现有的集成电路技术实现的100纳米程度宽度的线的密度数千倍的密度的导线是可能的。另一方面，如果单独分子被用作存储元件，则大约高达DVD(数字化视频光盘)一万倍的记录密度能被得到。
以不同于传统的半导体硅的情况的方式，分子器件用化学方法合成。1986年，世界第一个由聚噻吩形成的有机晶体管，由日本三菱电气有限公司的YusiKoezuka开发。
另一方面，有机电子器件能被美国惠普(HP)和加利福尼亚大学洛杉矶学院的试验室小组研制成功，其报导于1999年7月在“Science(科学)”上作出。由试验室小组研究的内容在美国专利号6256767B1和6128214中具体公开。试验室小组使用数百万有机轮烷(rotaxane)分子的分子薄膜制造开关，并且将这些分子开关连接到一起以形成作为基本逻辑电路的与门。这些分子开关具有常规晶体管尺寸的百万分之一，并且因为它的微型尺寸，可能成为构造小型高性能计算机的构造块。
另一方面，美国的莱斯大学和耶鲁大学的联合试验室小组成功地制造了分子开关，在其中为执行开关操作在电场的施加下通过电子注入改变分子结构。试验室小组的研究内容在J.Chen，M.A.Reed，A.M.Rawlett和J.M.Tour，“Large on-off ratios and negative differential resistance in a molecular electronicdevice”，Science，1999，Vol.286，1552-1551，和J.Chen，M.A.Reed，C.Zhou，C.J.Muller，T.P.BurgIn和J.M.Tour，“Conductance of a molecularjunction”，Science，1997，vol.278，252-254中公开。重复开-关的功能还没有由HP公司和加利福尼亚大学洛杉矶学院的小组完成。此分子开关也具有常规晶体管尺寸的百万分之一，并且可能成为构造小型高性能计算机的构造块。
莱斯大学专门研究化学，并且其在合成方面取得成功的J.Tour教授，指出因为不需要通常被用于半导体制造的昂贵的净化室，因此分子开关的生产成本可能是传统方法的数千分之一，以及分子和硅的混合计算机将在未来的五至十年内制造。
在1999年，贝尔实验室(朗讯科技公司)利用并五苯单晶体制造了有机薄膜晶体管。此晶体管具有能与无机的半导体相比不逊色的特征。
虽然在具有电子部件功能的分子器件方面的研究正在迅速地进行，但是迄今为止所作的研究主要指向用光，热，质子或离子驱动(参考“MolecularSwitches”，WILEY-VCH，Weinheim，200，由Ben L.Feringa编辑)，并且只有有限数量的研究指向用电场驱动。
在由电场驱动的已知器件之中，如在日本申请公开专利公报2003-218360中所述，有在依靠在通过施加电场所产生的分子空间构造中的可逆变化的原则的基础上显示出电场响应函数的分子膜介电器件。此器件至少包括自组装单层，其包含在衬底上提供的介电各向异性分子、以及用于施加电场到自组装单层上的电场控制器。介电各向异性分子是具有三联苯骨架作为可移动部分用于在通过电场控制器施加电场的基础上可逆地改变三维构造的化合物。
同时，由电场驱动的、迄今为止在本技术领域提出的分子元件，只是利用分子本身的物理性能方面在电场的影响下产生的变化的那些分子元件。也就是说，分子本身作为单个元件考虑，并且电子的状态由电场改变。例如，在有机FET中，有机分子中载流子迁移通过施加到沟道区域中有机分子上的电场的改变来调整。然而，迄今为止还没有提出有效地应用分子元件到集成电路的方案。

发明内容
要解决的技术问题考虑到上述现有技术的情形，本发明的一个目标是提供一种功能性分子器件，其使用功能性分子元件最佳地构成，在新的原则的基础上其功能通过电场被有效地控制。
本发明提供一种功能性分子器件，其包括连接在一起的多个栅极，栅极的每一个由沟道部分、电场施加部分和输出部分形成。沟道部分由具有主要通过由电场引起的在分子结构方面的两类变化而改变的π电子共轭体系的化合物形成。电场施加部分施加电场，以及输出部分通过沟道部分相应于电场而输出。栅极通过电场显示各自不同的电特性，例如不同的电特性，例如不同的沟道电阻值或不同的导电率值。
在功能性分子器件中，根据本发明，沟道部分由具有通过电场引起的分子结构方面的改变而改变的π电子共轭体系的化合物组成，因此，用π电子共轭体系，能得到功能性分子器件的电特性，例如导电性。另外，电特性通过由电场改变引起的分子结构的改变来调节。
电场的这种操作机制不能在，例如，使用企图通过电场直接控制功能性分子的电子的状态以调节它的功能的传统的功能性分子元件的场效应晶体管中看到。如果电场的新的操作机制被利用，则使用高场响应特性控制电特性的这种功能性分子器件能被构成。
具体上，多个栅极，其每一个由功能性分子的化合物形成的沟道部分、电场施加部分和输出部分形成，能被连接在一起以有效地组成集成电路，特别是，逻辑门电路。具体地说，使用在多个栅极以外的这种栅极，其没有用电场处理方法处理，流过源-漏路径的电流相对于施加的电场增加。相反地，使用这种栅极，其由与首先提到的栅极同样的材料形成，并且其用电场处理方法处理，流过源-漏路径的电流相对于施加的栅极电压降低。从而，两个栅极显示出各自不同的特性。因此，如果这些栅极连接在一起，用同样的材料，有可能构成能与所谓的CMOS(互补MOS)相比拟的分子晶体管。也就是说，多个栅极能组成逻辑门电路，如反相器，其栅极通过电场显示出各自不同的沟道电阻。
也就是说，用本发明，传统的由无机半导体形成的CMOS晶体管，在新的原则下能被执行开关操作的功能性分子器件代替。就随机存取存储器来说，例如，与常规硅基半导体相比提高至少几个数量级的集成度是可能的，同时每一位的单元价格能降低至少几个数量级。
从以下与附图结合的优选实施例的说明中，本发明的其它目标和具体的优越性将变得更加明显。


图1A，1B和1C是表示通过体现本发明的功能性分子元件实现的开关的两种操作模式的侧视示意图。图1A表示初始状态，图1B表示电场I被施加时的操作模式，以及图1C表示电场II被施加时的操作模式。
图2A和2B分别是用于说明在分子水平上、元件在截止状态和导通状态时功能性分子元件的开关功能的实现的典型结构的解释性透视示意图。
图3A是表示场效应分子器件的平面视图，以及图3B是沿图3A的线III-III的剖视图。
图4是表示场效应分子器件的剖视示意图。
图5A和5B分别是表示通过电压施加，类型I和类型II场效应分子器件的导电率改变的示意图。
图6是在类型I场效应分子器件和类型II场效应分子器件的相互连接的栅极上获得的CMOS反相器的等效电路图。
图7是表示根据本发明在场效应分子器件中被施加的电压和导电率之间关系的图。
图8是表示通过施加电场场效应分子器件的导电率能被调节的图。
图9通过由与场效应分子器件相同的材料形成的吸收光谱测量单元来表示可见紫外光吸收光谱。
图10通过用本发明比较例子的伪吸收光谱测量单元来表示可见紫外光吸收光谱。
图11是表示体现本发明，在类型I场效应分子器件中在被施加的电场的强度与流过梳状电极的电流密度之间关系的图。
图12是表示在被施加的电场强度和在与场效应分子器件相同的材料形成的吸收光谱测量单元中红外光吸收强度之间关系的图。
图13A和13B是表示在场效应分子器件中π络合物和σ络合物的能量(理论计算值)与在吡咯环和5CB悬垂部分之间的相对角度θ之间关系的图。
图14是表示相对角度θ与场效应分子器件中σ络合物和π络合物的吡咯环之间的二面角α之间关系的图。
图15A和15B是分别表示在场效应分子器件中说明σ络合物的低电阻状态和高电阻状态的分子模型。
图16是表示在本发明比较例子的伪场效应分子器件中施加的电场与电流密度之间关系的图。
图17是表示在伪场效应分子器件中施加的电场与电流密度之间关系的图。
图18是表示在伪场效应分子器件中施加的电场和电流密度之间关系的另一个图。
图19是表示在伪场效应分子器件中施加的电场和电流密度之间关系的又一个图。
图20是表示根据本发明在流过梳状电极之间的电流的电流密度与在类型II场效应分子器件中施加的电场的强度之间关系的图。
图21A和21B是分别表示为了对由与场效应分子器件相同的材料形成的光吸收频谱测量单元进行预处理、高频电场施加之前以及之后的红外吸收光谱的图。
图22是体现本发明的CMOS反相器的平面示意图和等效电路图。
图23A是表示CMOS反相器的基本部分的平面视图，以及图23B是沿图23A的线XX-XX的剖视图。
图24A和24B分别是表示由电压施加的结果产生的类型I和类型II场效应分子器件的导电率的改变的图。
具体实施例方式
本发明形成一种功能性分子器件，其沟道部分包括显示出介电常数各向异性和/或偶极矩的分子，金属离子和共轭体系分子。金属离子、显示出介电常数各向异性和/或偶极矩的分子、和共轭体系分子形成络合物。功能性分子器件包括电场施加部分，其用于把电场施加到显示出介电常数各向异性和/或偶极矩的分子、以及输入/输出部分，该输入/输出部分用于输入电子到共轭体系分子或从共轭体系分子输出电子。
在这种情况下，显示出介电常数各向异性和/或偶极矩的分子布置在适合施加所述电场的电极上。金属离子和共轭体系分子布置在对面电极(facingelectrodes)之间。相应于电场的输出从至少一个对面电极输出。导电路径由共轭体系分子形成。导电路径具有由作用在显示出介电常数各向异性和/或偶极矩的分子上的电场的改变控制的导电率。
在控制导电率时，为了改变指定栅极的导电路径的导电率，在多个栅极的指定的一个中电场施加之前，优选地高频电场被施加于络合物。也就是说，优选地多个栅极显示出各自不同的沟道电阻或导电率的值。
优选地，相对于电场的方向显示出介电常数各向异性和/或偶极矩的分子的位置关系通过作用在分子上的电场的改变而改变，以引起该分子与共轭体系分子之间产生的角度即经由金属离子的键角中、金属离子的作用部位、或络合物的立体结构中的改变。
优选地，共轭体系层和显示出介电常数各向异性和/或偶极矩的分子层形成堆。优选地，绝缘层在第一电极上提供，第二和第三电极在绝缘层上以免于彼此接触的方式形成，以及堆至少布置在第二和第三电极之间。优选地，第四电极或者直接或者通过绝缘层在堆的显示出介电常数各向异性和/或偶极矩的分子层上提供。
在由显示出介电常数各向异性和/或偶极矩的分子，具体地说，在电场的作用下方向改变的路易斯碱分子、能够变成路易斯酸的金属离子、和共轭体系分子形成的络合物中，优选地金属离子与路易斯碱分子和共轭体系分子形成络合物。
在此情况下，功能性分子器件的电特性，例如导电性，能通过共轭体系分子获得。另一方面，显示出介电常数各向异性和/或偶极矩、以及在电场作用下改变方向的路易斯碱分子，与电场的改变保持一致地改变方向，凭此络合物形成部分，例如，构造被改变以改变共轭体系分子的导电性，即功能性分子器件的电特性。
在该功能性分子器件中，两个功能，即表示电特性的功能和通过电场来调节特性的功能，由不同的分子负责。因此，为共轭体系分子和显示出介电常数各向异性和/或偶极矩、以及在电场作用下改变方向的路易斯碱分子选择适合于各自的目标的材料。因此，这种功能性分子器件能被构成，其能够利用高场响应特性控制高性能电特性。
例如，优选地共轭体系分子是聚吡咯，显示出介电常数各向异性和/或偶极矩的分子是4-戊基-4’-氰基联苯以及金属离子是银离子。
参照附图，将详细描述本发明的优选的实施例。
功能性分子器件典型地功能性分子元件1的功能，其在施加电场时当它的空间结构改变时被实现，开关操作能被预期。在图1A，1B和1C中，功能性分子元件1，其路易斯碱分子和具有共轭体系的电子导电的主轴分子2围绕金属离子3形成络合物，被视为一个例子。在图1A，1B和1C中，当电场被施加到功能性分子元件1时围绕金属离子3发生的改变通过侧视示意图模型表示。为了说明，假定在图1A，1B和1C中路易斯碱分子是具有或者正的介电常数各向异性或者沿分子长轴的偶极矩的分子14。
这个具有或者正的介电常数各向异性或者沿分子长轴的偶极矩的分子14企图定向它本身在其长轴方向与被施加的电场的方向一致的方向。同时，如果路易斯碱分子是显示出负的介电常数各向异性的分子，分子企图定向它本身在其长轴方向与电场的方向一致的方向。因此，如果长轴方向和短轴方向互换，则类似于以下说明的说明保持有效。
至于开关操作的动态，在电场施加时通过分子14表示，依靠电场施加方向上的差别，可能考虑两种不同类型的操作模式。图1A表示初始状态，图1B表示当电场I被施加时的操作模式以及图1C表示当电场II被施加时的操作模式。
假定，在初始状态当如图1A所示的电场不被施加时，功能性分子元件1的路易斯碱分子14使它的长轴方向平行于共轭体系的线或膜状电子导电的主轴分子2的轴向排列，即平行于图1A的左右方向。
如果电场I在垂直于图纸平面的方向上被施加，路易斯碱分子14倾向于以图纸上下方向为轴，执行90°的摇摆运动，企图定向它的长轴方向与电场I的方向一致，如图1B所示。同时通过沿图1B的左右方向施加电场，路易斯碱分子14的方向也能被强迫恢复到图1B原始的左右方向。
如果，另一方面，电场II被施加在如图1C所示的上下方向，路易斯碱分子14倾向于以垂直于图纸方向为轴执行上下运动，企图定向它的长轴方向与电场II的方向一致，如图1C所示。如果电场停止施加，悬垂分子通过自然松弛回到它的初始状态方向，如图1A所示。
这种通过电场施加产生的路易斯碱分子14的结构或方向的改变，如上所述，使具有金属离子3的络合物形成部分的结构产生改变，其结果是具有金属离子3的π络合物形成部分的键的状态或电子导电的主轴分子2的分子结构被改变以改变电子导电的主轴分子2的导电率。
图2A和2B是用于说明在分子水平上，上述功能性分子元件1的开关功能的示范结构例子的解释性透视示意图。功能性分子元件1由线或膜状主轴分子2和以悬垂的形式通过能充当路易斯酸的金属离子3布置在主轴分子2上的路易斯碱分子4组成。这个主轴分子2具有共轭体系并且通过非定域的π电子显示导电性。路易斯碱分子4显示介电常数各向异性或偶极矩，如上所述。具有共轭体系的电子导电的主轴分子2和路易斯碱分子4围绕金属离子3组成络合物6。
形成悬垂部分的路易斯碱分子4，显示出介电常数各向异性或偶极矩，因此倾向于在电场中被定向，在相对于电场方向的指定方向上，即在其分子的长轴方向与电场的方向一致或垂直的方向上。
因此，通过改变作用在路易斯碱分子4上的电场，悬垂部分的位置能相对于电场的方向改变，结果是路易斯碱分子4和共轭体系的主轴分子2之间的角度、金属离子结合的配位体的位置，或者络合物形成部分6的结构例如三维结构能被改变以控制共轭体系的主轴分子2的导电率，即电子的流动。
例如，图2A表示路易斯碱分子4和共轭体系的主轴分子2之间的位置关系不适合于传导的情况。在这一状态，对于整个共轭体系，在主轴分子2中电子的流动被络合物形成部分6阻止，因此没有电子流动，然后功能性分子元件1处于截止状态。
另一方面，图2B表示路易斯碱分子4的方向已经改变，因此路易斯碱分子4和共轭体系的主轴分子2之间的位置关系已经变成适合于传导的情况。在这一状态，对于整个共轭体系，在主轴分子2中的电子的流动没有被络合物形成部分6阻止，因此电子能流动，然后功能性分子元件1处于导通状态。
也就是，使用功能性分子元件1，不是电场直接作用于电子导电的主轴分子2以调节它的导电率，而是电场作用并且引起路易斯碱分子4的运动，例如通过如此移动的路易斯碱分子以调节在络合物形成部分6中的电子6的流动。如果通过共轭体系的共轭体系2的电子的流动被比作在总水管中水的流动，传统有机FET的电场的作用试图改变总水管的直径。相反地，用接下来实施例，电场的作用可能被比作进行开启/关闭在总水管(相当于电子导电的主轴分子2)上提供的阀门(相当于络合物形成部分6)的处理(路易斯碱分子4)。
根据络合物形成部分6或悬垂部分的结构上的差别，考虑到几个功能性分子元件1结构的结合。
例如，悬垂部分可能由多个显示共轭性质的分子形成。假使组成悬垂部分的分子3是显示出介电常数各向异性的分子，它可能是正的介电常数各向异性或者可能是负的介电常数各向异性。
场效应分子器件这里，将描述场效应分子器件21，其中聚吡咯22被用作显示出导电率的共轭体系的主轴分子2，其银(I)离子23被用作金属离子3，以及其4-戊基-4’-氰基联苯，以下有时缩写成5CB，24被用作具有沿分子的长轴方向的偶极矩的路易斯碱分子14，并且其三部分组装到一起形成沟道部分。也将描述用于制造该器件的方法。
4-戊基-4’-氰基联苯24和吡咯的分子结构被表示如下[化学式1] 注意聚吡咯22是一种高分子材料其吡咯分子以链式聚合。
图3A描述表示用于场效应分子器件21中的梳状电极33和34的结构的平面视图。图3B描述沿图3A的线III-III的剖视图。
在这个场效应分子器件21中，绝缘层32在同时当作施加控制电场的电极使用的第一衬底31上形成。在绝缘层上，有被用来测量聚吡咯22的导电率的梳状电极33、34形成。在第二衬底35上，有当作施加控制电场的另一个电极的ITO(氧化铟锡)薄膜36形成。同质方向薄膜37被放置其上。聚吡咯22，银(I)离子23和4-戊基-4’-氰基联苯24与未示出的大量隔离物一起夹在两个衬底31、35中，并且周密封剂38使他们的末端密封。在实际中，聚吡咯22层和4-戊基-4’-氰基联苯24层可能堆在一起。
也被当作用于施加控制电场的电极使用的第一衬底31、以及作为用于施加控制电场的另一个电极的ITO薄膜36，电连接到用于施加控制电场41的电源。梳状电极33、34电连接到用于测量导电率42的电源和安培表43。
图4是用于说明场效应分子器件21的结构的剖视示意图。注意，虽然在图4中只示出每一个组成沟道部分51的聚吡咯22、银(I)离子23和4-戊基-4’-氰基联苯24的一个单元，这些只不过作为示例性表示，并且在实际中，会提供同样化学物种类的相当大量的单元。参考图4，将详细说明用于制造场效应分子器件21的过程。
最初，用于施加控制电场到4-戊基-4’-氰基联苯24的电极31、36和用于测量聚吡咯22的导电率的梳状电极33、34被制造。
例如，作为同时当作用于施加控制电场的电极使用的第一衬底31，掺杂到高浓度的硅衬底被使用。为了作为绝缘层32使用通过在第一衬底31的表面上热氧化形成氧化硅薄膜。例如，通过溅射在绝缘层32上形成梳状电极33、34。
作为第二衬底35，例如玻璃衬底被使用。为了作为施加控制电场36的另一个电极使用，在玻璃衬底的表面，例如通过在真空中气相沉积形成ITO薄膜。
例如，通过在ITO薄膜36上涂布，例如聚乙烯醇的同质方向薄膜37形成。当作为绝缘层同时被使用时，同质方向薄膜37起到将4-戊基-4’-氰基联苯在共面方向对齐的作用。同质方向薄膜37被加热处理以及随后被研磨处理。
功能性分子元件的材料被加入到上述电极之间的间隔里以形成场效应分子器件21的主体部分，以允许导电率的调节和测量。
通过电场聚合方法制造聚吡咯薄膜22之后，聚吡咯薄膜从用于电场聚合的电极处分开，并且粘到在第一衬底31的绝缘层32上形成的梳状电极33、34上。聚吡咯薄膜就地干燥以提高结合到电极的紧密性。其后，预先合成的4-戊基-4’-氰基联苯-银(I)络合物被涂布在聚吡咯薄膜22上。
第一和第二衬底31、35连接在一起，因此在第二衬底35上形成的同质方向薄膜37将紧密地连接到这个4-戊基-4’-氰基联苯-银(I)络合物层。
通过这个结合，与同质方向薄膜37连接的4-戊基-4’-氰基联苯分子24沿着研磨方向同质定向。这时，包含在聚吡咯链22中的部分氨基-NH与4-戊基-4’-氰基联苯的氰基-CN形成氢键，因此聚吡咯化学链22也被定向在研磨方向。区别于成随机线圈形状的聚吡咯薄膜，被定向的聚吡咯链22显示出高导电率。结果是，当电场的施加被接通/断开时，如稍后解释一样，适当调节聚吡咯链22的导电率是可能的。然而聚吡咯的π电子共轭体系不直接受上述氢键的影响。
同时，4-戊基-4’-氰基联苯(5CB)24的氰基-CN大多通过氰基的偶极-偶极相互作用结合在一起以形成5CB分子24的二聚体。部分氰基-CN被配位到银(I)离子或被氢键键合到相邻聚吡咯的氨基-NH。因为银(I)离子和氰基的配位键牢固，因此作为电场施加的结果，当5CB分子24配位改变时没有键断裂的风险。相反地，在氰基和氨基之间的氢键是弱的，由此当5CB分子24的配位改变时其有可能断裂。
最后，连接在一起的两个衬底31、35的未端用密封剂38例如环氧树脂密封，以完成场效应分子器件21。
施加到场效应分子器件21的用于施加控制电场的电极31、36上的电压被接通/断开，对布置在梳状电极33和34之间的聚吡咯薄膜22的导电率进行测量。能观察到在电场断开期间显示高电阻值而在电场施加时电阻值降低的调节作用。
在定向的初始状态期间，在电场施加之前，5CB 24的方向平行于定向薄膜，同质方向占优势。5CB分子24具有来源于氰基、并且沿着分子的长轴方向起作用的偶极矩。如图3和4所示，在场效应分子器件21中，电场被沿图纸的上下方向施加，由此参考图1C如前所述悬垂部分的操作模式是往复类型的运动。图4表示5CB分子24的直立状态，其在施加驱动电压时产生。
由于施加电场造成导电率调节的理由如下在电场施加以前，银(I)离子和吡咯环的π电子形成π络合物。既然由于通过施加电场造成5CB分子24的方向改变，相对于吡咯环5CB分子的位置被改变，因此5CB-银(I)络合物形成部分被移到吡咯环表面(π共轭体系)的外面。因此，银(I)离子和吡咯环形成σ络合物，所以在吡咯环之间的二面角的畸变能(distortion energy)降低，从而提高导电率。
所采用的4-戊基-4’-氰基联苯(5CB)分子通常具有如液晶的性质。然而，因为它本身的开关操作不需要液晶的性质，分子元件当然能被用作分子水平元件。同时，注意单独5CB分子未显示出液晶的性质。
简而言之，在本实施例中，提供一种新的功能性分子元件，其中，显示出介电常数各向异性或偶极矩的分子相对于线性或膜状电子导电的主轴分子，通过金属离子以悬垂的形式布置，并且其悬垂部分相对于电场方向被改变方向以调节络合物分子的结构，例如以控制电子导电的主轴分子的导电率(电子的流动状态)。
上述功能性分子元件引起悬垂部分4的分子的方向状态改变，如以致控制在电子导电的主轴分子2中的电子的流动，正如总水管的龙头被旋转以控制在总水管中的水的流动一样。也就是说，以不同于将分子本身认为是元件并且分子中电子的状态被改变以使导电率产生改变的现有技术的元件的方式，分子元件用全新的观点实现。
通常，显示出导电率的有机材料具有π电子共轭体系。因为任何具有π电子的材料必定能形成络合物，上述原则适用于所有显示出导电率的有机分子，即不但适用于上述的聚吡咯，而且适用于电子导电的高分子材料，例如聚对苯，聚萘，聚蒽，聚芘，聚，聚呋喃，聚噻吩，聚硒吩，聚(对苯硫醚)，聚(对苯醚)或聚苯胺。另外，上述高分子材料的聚合度不高于20的低聚物，或单体也能被使用。具有π电子共轭体系的碳分子，如碳纳米管，同样地能被使用。
对电场响应的路易斯碱分子，除上述的4-戊基-4’-氰基联苯分子外，还能枚举为全部包含氮分子的嘧啶-基液晶分子、吡啶-基液晶分子、和氰基-基液晶分子、以及包含磷原子的液晶分子。
除上述银(I)离子外，形成络合物的金属离子还能枚举为过渡金属，例如钒、铬、锰、铁、钴、铜、锌、钌、铷、镉或汞的离子。
分子元件能被应用到各种各样的电子器件，例如开关、晶体管、存储或逻辑电路。
除了上述从通常尺寸到纳米级元件范围内变化的可变尺寸的元件能从同样材料的分子制造，以及适于所考虑的目标的分子能从各种各样的材料的分子中被选择出来的优点之外，以下将指出根据本发明例如由有机分子形成的上述功能性分子元件的优点。
1.低功耗；2.对所使用的驱动频率没有限制；3.低污染；以及4.能得到多重功能。
关于上述1，因为操作单元是一个分子或一个电子，操作具有低的功耗和放出低的热量基本上是可能的，因此即使集成度增加也几乎没有出现与发热相关的问题。
关于上述2，期望单纯通过材料或结构的选择或设计得到超过传统的无机半导体晶体的高速响应特性，如近来的液晶的高速响应特性的改善所证明的。
关于上述3，因为作为功能性分子元件使用的有机分子可能通过用于合成有机化合物的常规方法合成，因此，使用可能对人类或环境有害的反应剂，如那些在无机半导体制造工艺上使用的反应剂，是不必要的。
关于上述4，在大量有机分子的特性被利用的前题下，实现未能在传统技术中实现的功能，如味觉传感器或气味传感器，是有可能的。
使用功能性分子元件的逻辑门电路如上所述，电场施加时其三维结构被改变以说明其功能的功能性分子元件，根据电场处理是否进行，显示出彼此相反的I-V(伏安)特性，如稍后所述。因此，功能性分子元件能组成由CMOS晶体管形成的反相器(非门)。
只要没有电场被施加，聚吡咯-银离子-5CB悬垂分子形成π络合物，如上所述。因为在聚吡咯的相邻环之间的二面角较大，即有一个缠绕的状态，因此π络合物导电率低，因此π电子几乎不能被共轭。现在如果栅极电压被施加到π络合物，5CB悬垂分子和吡咯之间的位置关系被改变，因此π络合物被转变为σ络合物。用这个σ络合物，聚吡咯的相邻环之间的二面角变小，由此π电子准备共轭。因此，σ络合物具有高的导电率。
也就是说，如果栅极电压VG断开，电流I(在源极和漏极之间的电流)不容易流动，反之，如果栅极电压接通，电流流量被增加，如图5A所示。这些I-V特性被称为类型I特性。
如果其共轭体系的主轴分子是聚吡咯、路易斯碱分子是5CB液晶分子以及金属离子是银离子的π络合物，使用通过高频电场的电场处理来处理一个小时，则所有的络合物排他地变成σ络合物。如果栅极电压被施加到σ络合物，与5CB悬垂分子形成配位键的吡咯环是一致旋转的，凭此相对于未形成配位键的吡咯环的二面角被改变。也就是说，电子导电的高分子材料的π共轭体系被定位以降低吡咯环的导电率。
也就是说，当栅极电压断开时，电流容易流动，以及当栅极电压接通时，电流流量降低，如图5B所示。显示出这些伏安特性的栅极被称为类型II。
这些栅极能被串联连接在电源VDD和地之间以形成CMOS结构(非门)的逻辑门电路，如图6所示。
也就是说，类型I和类型II被固定在同一个衬底上，并且公共输入电压Vin被施加于栅极。对于同样的输入电压，通过类型I执行和通过类型II执行的开关操作相互之间是相反的，因此，当类型II晶体管导通时，类型I晶体管截止。因此，输出电压VOUT＝VDD。相反地如果类型II晶体管截止，类型I晶体管导通，因此输出电压＝VOUT＝0。
如此，CMOS结构作为非电路操作。在集成电路中使用的各种逻辑门之中，非电路可以说是最基本的。
当类型I导通时，类型II必然截止，因此没有电流从VDD流过，由此没有功率消耗。这表现了CMOS结构的关键特性并且与它的低功耗有关。因为数百万的小尺寸晶体管被内置到大规模集成电路中，因此在电路中不但功率消耗增加，而且释放更多的热量，以致引起数字电路的故障。为此，CMOS结构适于集成电路的设计和制作。CMOS结构具有高能效率并且有助于微型化，因此它是现代集成电路中不可缺少的。
现在将详细描述本发明的几个例子。
<场效应分子器件>
场效应分子器件21，如图3和4所示，被制造。最初，用于施加控制电场到4-戊基-4’-氰基联苯24的电极31、36、以及用于测量聚吡咯22的导电率的电极33、34被形成。
作为第一衬底(用于施加控制电场的电极)31，掺杂到高浓度的硅衬底被使用。第一衬底31的表面被加热处理以形成将被用作绝缘薄膜32的氧化硅薄膜。金的梳状电极33、34通过溅散在作为测量聚吡咯22的导电率的电极使用的绝缘薄膜32上形成。
ITO电极36，作为用于施加控制电场的另一个电极，通过在第二衬底(玻璃衬底)35上真空沉积形成。同时作为绝缘薄膜使用的同质方向薄膜37，在ITO电极36上形成。聚乙烯醇被用作定向薄膜材料。准备10wt％的聚乙烯醇水溶液并且通过旋涂施加在ITO电极36上。得到的聚乙烯醇系统在110℃被加热30分钟。
加热获得的聚乙烯醇系统经受研磨处理。大量隔离物，每一个直径为3μm，被喷撒在加热的聚乙烯醇系统上并且在真空中干燥三天三夜。
ITO电极在玻璃衬底上形成，在其上以形成聚吡咯薄膜22，并且还原的聚吡咯薄膜22通过电场聚合方法形成。特别是，还原的聚吡咯薄膜按照恒流法准备。关于操作条件，在1.0mA/cm2和50mC/cm2聚合进行，然后降低到-0.5mA/cm2以及16mC/cm2。得到的薄膜被剥离并且结合到第一衬底上的梳状电极33、34上。第一和第二隔离物与中间的隔离物连接在一起，如此以至在两个衬底之间的间隙为40μm。
硫酸银的水溶液和4-戊基-4’-氰基联苯混合在一起并且在140℃反应三个小时。得到的4-戊基-4’-氰基联苯银(I)络合物溶液通过利用毛细现象被注入到第一衬底31和第二衬底35之间的间隔。注意，当聚吡咯、银(I)离子和4-戊基-4’-氰基联苯的络合物形成时，薄膜颜色略微改变，例如，从黄色到紫色。注意到这种颜色的变化，因此能说明络合物的形成。
最后，结合在一起的两个衬底31、35的未端，用例如，环氧树脂的密封剂38密封，以完成场效应分子器件21。
施加到如上所述形成的场效应分子器件21的用于施加控制电场的电极31、36的电压接通/断开，在直流偏压下对聚吡咯薄膜22在梳状电极33、34间的导电率进行测量。观察到在电源断开期间电阻值高以及在电场施加时降低的调节操作。
如果10kHz的高频电场以双极矩形波的形式，施加到用于施加场效应分子器件21的控制电场31、36的电极，则对梳状电极33、34间的电阻进行测量。测量的结果表示在图7的图中，其电阻测量值相对于施加电压的大小绘图。图的整个区域大致被分成三个独立的子区域。在图7的上面部分，是表示每一个子区域在电极31和36之间由5CB形成的悬垂部分的方向的状态的示意图。
在子区域I中其施加电压小于7到8V，相对于施加电压的增加，电阻值几乎不变，或仅稍微增加。虽然电阻值增加的原因不清楚，但因为施加电压的值极小，估计在子区域I中电场的操作是不够的，由此悬垂部分的方向从初始状态几乎不改变，如图7的上面部分所示。因此，电阻值的改变也很小。
在子区域II中，施加电压在9和20V之间变化，电阻值随着施加电压的增加略微地降低。估计，在子区域II中，施加电压足够地高并且悬垂部分的方向的状态确定为施加电压大小的函数，因此电阻值受施加电压的显著影响。
在子区域III中，其施加电压超过20V，电阻值随着施加电压的增加仅稍微地改变。估计，在子区域III中，悬垂部分的方向的改变变为饱和，由此如图7的上面部分所示悬垂部分的方向的改变变小，因此电阻值的改变也小。
在图8的图中，如果10kHz和1V/μm的高频电场以双极正弦波的形式，间歇地施加到用于施加场效应分子器件21的控制电场31的电极上，则在梳状电极33、34之间电阻测量值相对于时间绘图。从图中看出导电率通过电场的接通/断开被有效地调节。
为了对比，未包含银(I)离子的伪场效应分子器件用与以上同样的方法制造，除了用4-戊基-4’-氰基联苯单独代替4-戊基-4’-氰基联苯银(I)络合物而注入到两个衬底之间的间隔，并且对得到的结构的导电率进行测量。这时，还原的聚吡咯薄膜的颜色保持黄色，然而注意到作为电场施加的结果导电率没有改变。原因可能是这样，因为没有银(I)离子23，由此在4-戊基-4’-氰基联苯24和聚吡咯22之间没有形成键，在4-戊基-4’-氰基联苯24上电场的操作不足够强以对聚吡咯22的导电率产生变化。
由与场效应分子器件21同样的材料形成的用于可见紫外光吸收光谱的测量单元被制造，以澄清基于可见紫外光吸收光谱的电场施加的效果的操作机制。除了使用氟化钙衬底作为第一衬底31和第二衬底35，以及除了在那些衬底上提供由透明的电子导电的薄膜形成的、作为用于施加控制电场的电极的透明电极之外，该单元用和例子1中同样的方法制造。没有提供梳状电极，例如梳状电极33、34。
4-戊基-4’-氰基联苯银(I)络合物溶液通过利用毛细管现象被注入到第一衬底31和第二衬底36之间的间隔。提供这样操作，聚吡咯、银(I)离子和4-戊基-4’-氰基联苯络合物被形成。薄膜颜色从黄色略微改变到紫色，其表明络合物已经形成的事实。
10kHz和1V/μm的高频电场，以双极正弦波的形式，间歇地施加到用于施加测量可见紫外光吸收光谱的测量单元的控制电场的电极上，并且对这时的可见紫外光的吸收光谱进行测量。测量结果表明吸收的局部最大值通过电场的接通/断开而变换，如图9所示。
为了对比，除了只用4-戊基-4’-氰基联苯代替4-戊基-4’-氰基联苯银(I)络合物注射到衬底之间的间隔外，用于吸收光谱测量的伪单元用和如上所述同样的方法制造，因此在如此制造的单元中没有包含银(I)离子。10kHz的高频电场，以双极正弦波的形式，间歇地施加到用于施加伪单元的控制电场的电极上，用和如上所述同样的方法，对伪单元的可见紫外光的吸收光谱进行测量。测量的结果如图10所示。
参考图10，其表示在覆盖状态、0V到40V的多种施加电压下测量的光谱，观察不到表明吸收光谱的局部最大值的波长由于电场的接通/断开而被变换的现象。原因可能是这样的，因为现在没有银(I)离子23，并且在4-戊基-4’-氰基联苯24和聚吡咯22之间没有键形成，因此在4-戊基-4’-氰基联苯24上的电场操作不能将它自己转化成聚吡咯22的导电率的改变。
<类型I场效应分子器件的I-V特性>
被施加到用于施加以与如上所述同样的方法制造的场效应分子器件21的控制电场的电极31、36的电场Vg，从零逐渐地增加，并且在交流偏压下，对流过布置在梳状电极33、34之间的聚吡咯薄膜22的电流的电流密度Ids进行测量。注意到这样的调节作用，其中当电场Vg断开时很小的电流密度Ids随施加的电场Vg的增加逐渐地增加。同样，当施加的电场Vg逐渐地降低时，电流密度Ids降低，然而，注意到滞后施加现象。即，当施加的电场Vg从电场Vg的值降低时的电流密度Ids的测量值大于当施加的电场Vg从与施加的电场Vg相同的值增加时的电流密度Ids的测量值。
图11描述表示在10kHz高频电场以双极矩形波形式施加到用于施加场效应分子器件21的控制电场的电极31、36上的情况下，在电场Vg的强度和电流密度Ids之间的关系的图。参考图11，如果施加的电场Vg增加，则只有当Vg刚刚超过0.4V/μm时Ids开始呈现有意义的数值，然而，在Ids达到最大值(大约0.3mA/μm)之后当施加的电场Vg降低时，即使在Vg降低到0.4(V/μm)的情况下，Ids保持在最大值的60％程度的值，只有当Vg降低到0.1(V/μm)程度的值时Ids回到接近于零的值。这证实了滞后现象。上述I/V特性对类型I栅极是正确的。
为了在红外吸收光谱测量的基础上澄清上述电场施加的效果的操作机制，用于测量红外吸收光谱的测量单元用与场效应分子器件21同样的材料制造。除了使用氟化钙衬底作为第一衬底31和第二衬底35，以及除了在那些衬底上提供由透明的电子导电的薄膜形成的、作为用于施加控制电场的电极的透明电极之外，测量单元用和例子1中同样的方法制造。没有提供梳状电极，例如梳状电极33、34。
如在上述的例子中，10kHz的高频电场以双极矩形波的形式施加到用于施加用于测量红外吸收光谱的测量单元的控制电场的电极。电场从零逐渐地增加，并且在这一期间对红外吸收光谱进行观察。可看出在作为聚吡咯和银(I)离子形成σ络合物的证明的N+H膨胀/收缩振动带(2337cm-1)和作为聚吡咯和银(I)离子形成π络合物的证明的CH膨胀/收缩振动带(3185cm-1)中产生改变。即，如果控制电场增加，则证明π络合物的形成的CH膨胀/收缩振动带的强度降低，而证明σ络合物的形成的N+H膨胀/收缩振动带的强度增加，如图12所示。
从上述事实可知，推测能够说明流过聚吡咯薄膜22的电流的电流密度Ids增加的、从π络合物占优势的状态到σ络合物占优势的状态的转换，当施加到场效应分子器件21的电场Vg增加时能被观察到。也能推测聚吡咯薄膜22的导电率在σ络合物已经形成的状态比在π络合物已经形成的状态能更显著地改善。
图13A表示σ络合物和π络合物的能量的理论计算结果，对此两种络合物显示结构稳定性。在5CB悬垂和吡咯环之间相对角度θ改变时进行那些理论计算。根据计算的结果，明显地π络合物和σ络合物两者都能稳定地存在，并且在悬垂部分相对于可以在每一络合物中实现可能的最低能量的吡咯环的相对角度为θ的情况下，π络合物比σ络合物更稳定大约10kcal/mol。因此能预期在没有电场施加的情况下，π络合物比σ络合物更普遍地存在。
然而，同样明显地，当悬垂部分和吡咯环之间的相对角度θ增加时，在π络合物和σ络合物之间的能量差逐渐地降低，而且，当角度θ变得大于150°时，σ络合物和π络合物具有大约相同的能量。这意味着，在通过外部施加力强加相对角度θ的较大值的情况下，可能导致从π络合物到σ络合物的转换。
图14表示用于发现σ络合物和π络合物中吡咯环之间的二面角(形成感兴趣的络合物的吡咯环的平面和相邻吡咯环的平面的角度)和悬垂部分与吡咯环产生的相对角度θ之间的关系的理论计算结果。计算结果表明，对于π络合物，在吡咯环之间的二面角α几乎不依赖于相对角度θ并且总是大于20°。如果在吡咯环之间的二面角α大，吡咯环之间的共轭关系被减弱，因此通过整个共轭体系的导电率也被损害，从而处于高电阻状态。
相反，对于σ络合物，吡咯环之间的畸变能和二面角随着相对角度θ的改变而略微改变。图15A和15B分别表示表明σ络合物的低电阻状态和高电阻状态的分子模型。如果相对角度θ是130°，例如，如图15A所示，二面角α是5°，从图14中，两个吡咯环的方向实质上相互重合。因此，吡咯环之间的共轭关系没有丧失，由此整个共轭体系的导电率是最佳的，而且阻抗值低。另一方面，如果相对角度θ是50°，例如，如图15B所示，从图14中能看出，在吡咯环的方向相互之间略微不同的情况下，二面角α是17°。因此，吡咯环之间的共轭关系被损害，由此整个共轭体系的导电率也减弱，而且阻抗值高。
上述理论计算的结果概括如下在没有电场被施加时的通常状态，具有高电阻的π络合物存在占优势。然而，如果通过外部施加力强加较大的相对角度θ，则导致从π络合物到σ络合物的转换。另外，σ络合物在吡咯环之间具有小的二面角，并且整个共轭体系显示出最佳的导电率，而且阻抗值低。
上述理论计算结果与从红外吸收光谱的测量获得的预测一致。结合两者，可以推断，注意当施加到场效应分子器件21的电压Vg增加时，流过聚吡咯薄膜22的电流增加的电流密度Ids归因于这样的事实，由于施加的电场Vg的增加4-戊基-4’-氰基联苯(5CB)分子改变方向。然后在悬垂部分和吡咯环之间的相对角度θ增加，以不但导致从π络合物到σ络合物的转换，而且降低二面角α，结果吡咯链的导电性从高电阻状态调节到低电阻状态。
为了对比，不包含聚吡咯薄膜也不包含银(I)离子的伪场效应分子器件，除了不形成聚吡咯薄膜并且用4-戊基-4’-氰基联苯单独代替4-戊基-4’-氰基联苯银(I)络合物注入到两个衬底之间的间隔以外，用和如上所述同样的方法制造。然后，当控制电场改变时，用和如上所述同样的方法，测量电流密度的改变，以检查如此产生的结构的导电率。注意没有变化可归因于电场的施加，如图16所示。同时，在图16的上面部分的标记“仅仅5CB”意图指定伪场效应分子器件的部件。同样适用本说明书的以下部分。
为了对比，不包含聚吡咯薄膜的伪场效应分子器件，除了不制造聚吡咯薄膜之外，用和如上所述同样的方法制造。具体地说，当4-戊基-4’-氰基联苯银(I)络合物注入到两个衬底之间的间隔时，伪场效应分子器件被制造。用和如上所述同样的方法，当施加的控制电场改变时，测量电流密度的改变，以检查如此产生的结构的导电率。注意没有变化可归因于电场的施加，如图17所示。
再次，为了对比，除了还原制造的聚吡咯薄膜，以及也除了不注射4-戊基-4’-氰基联苯银(I)络合物到两个衬底之间的间隔之外，伪场效应分子器件用和如上所述同样的方法制造。用和如上所述同样的方法，当施加的控制电场改变时，测量电流密度的改变，以检查如此产生的结构的导电率。注意没有变化可归因于电场的施加，如图18所示。同时，如图18中所示的标记“redPPy”，表示“还原的聚吡咯薄膜”，稍后将在比较的例子中解释。
类似地，为了对比，除了还原如此制造的聚吡咯薄膜，以及也除了用4-戊基-4’-氰基联苯单独代替4-戊基-4’-氰基联苯银(I)络合物注射到两个衬底之间的间隔之外，伪场效应分子器件用和如上所述同样的方法制造。用和如上所述同样的方法，当施加的控制电场改变时，测量电流密度的改变，以检查如此产生的结构的导电率。注意到没有变化可归因于电场的施加，如图19所示。
从上述比较的例子的对比可看出，聚吡咯薄膜的导电率在场效应分子器件的导电率的调节中起了关键的作用，其通过电场施加产生，并且4-戊基-4’-氰基联苯银(I)络合物与导电率有关。
<类型II场效应分子器件的I/V特性>
除了施加高频电场(10kHz，100V，一个小时)到用和上述例子同样的方法制造的聚吡咯-银(I)-5CB络合物的预处理在使用该器件之前进行之外，场效应分子器件21用和如上所述同样的方法制造。对于预处理电场施加的时间为十分钟或更久就足够了。
施加到场效应分子器件21的用于施加控制电场31、36的电极的、在预处理时获得的电场Vg，如上所述，从零逐渐地增加，并且在交流偏压下，对流过布置在梳状电极33、34之间的聚吡咯薄膜22的电流的电流密度Ids进行测量。注意到这样的调节作用，其中，只要电场Vg断开，电流密度Ids就高，并且随施加的电场Vg增加电流密度Ids逐渐地降低。在施加的电场然后逐渐地降低的情况下，电流密度增加，然而，注意到滞后现象。对于上述类型II栅极，上面的I/V特性是正确的。
图20描述表示在高频电场以双极矩形波的形式施加到用于施加场效应分子器件21的控制电场31、36的电极的情况下，电场Vg和电流密度Ids的幅值之间关系的图。
上述调节作用具有与通过类型I栅极注意到的相反的倾向。电流密度Ids本身的幅值也略微不同于类型I栅极。因此，通过包括施加高频电场的预处理，改变场效应分子器件导电率的可能性已经显示出来。原因可能是这样，金属(银)离子被氧化并且在高频电场下还原，因此导致上述络合物的分解。
为了澄清在红外吸收光谱测量的基础上，上述电场施加的效果的操作机制，用于测量红外吸收光谱的测量单元用如场效应分子器件21的同样的材料制造。除了利用氟化钙衬底作为第一和第二衬底31、35、提供由透明的电子导电的薄膜形成的透明电极作为施加控制电场的电极、以及不提供梳状电极33、34之外，测量单元用与类型I情况中同样的方法制造。
图21A，21B描述表示在用于预处理的高频电场施加前后用于测量红外吸收光谱的测量单元的红外光吸收光谱的图。用于预处理在高频电场施加之前，证明从聚吡咯和银(I)离子形成σ络合物的N+H膨胀/收缩振动带(2337cm-1)是相当弱的，如图21A所示。相反地，用于预处理的高频电场施加之后，证明从聚吡咯和银(I)离子形成σ络合物的N+H膨胀/收缩振动带(2337cm-1)注意到具有高强度，如图21B所示。另一方面，几乎注意不到证明π络合物形成的CH膨胀/收缩振动带(3185cm-1)。
<CMOS反相器>
参考图22，23A和23B，绝缘层(SiO2)32在由大量并列源极S(33)和漏极D(34)、以及与其直交的大量栅极G(31a，31b)限定的间隔中形成。上述的聚吡咯-银(I)-5CB络合物被注入上衬底表面以形成沟道区51。更大量的CMOS反相器由源极S和漏极D与分别作为类型I栅极(开关部分S)50a和作为类型II栅极(开关部分S)50b的栅极G的交叉集合形成。这种制造方法与上述与场效应分子器件有关的方法相似，因此这里不详细描述。类型II栅极通过施加10kHz、100V、一个小时的高频电压到栅极来进行预处理。
图24A和24B描述表示反相器的各个栅极的I-V特性的图。在输入a设置为0V的情况下，吡咯开关I截止，而吡咯开关II导通。输出q通过吡咯开关II拉到VDD，因此10kHz和1V的信号输出。在输入a设置为10kHz和1V的信号的情况下，吡咯开关I导通，而吡咯开关II截止。输出q通过吡咯开关I拉到地，因此0V信号输出。
因为沟道部分用化合物(络合物)形成，其π电子共轭体系通过由电场引起分子结构的改变而改变，因此功能性分子器件的电特性，例如导电性，由π电子共轭体系获得。另外，因此获得的电特性通过电场改变导致的分子结构的改变来调节。
多个栅极，每一个由沟道部分、栅极、源极和漏极形成、并由上述功能性分子元件的化合物形成，能相互连接以组成集成电路，尤其是逻辑门电路。更具体地说，在不受到电场处理的栅极中，在上述多个栅极以外，通过源极和漏极的电流相对于施加的栅极电压而增加，然而，在受到电场处理的栅极中，通过源极和漏极的电流相对于施加的栅极电压降低，因此两类栅极显示出各自不同的特性。因此，这两类栅极能被连通到一起以形成分子晶体管，与相同材料的所谓的MOS相比不逊色。本发明不仅能应用到CMOS反相器，如上所述，而且能应用到大量种类的逻辑门电路。
虽然迄今为止参考优选的实施例已经说明本发明，但本发明不局限于这些实施例的特定结构。容易理解，本发明包括了在本发明的范围和原理内本领域技术人员能容易得到的各种变化或修正。
工业实用性根据本发明，基于上述电场的新的操作机制、由功能性分子元件形成的多个栅极，被相互连接以应用到各种各样的电子器件，例如开关，晶体管，存储器或逻辑电路。从传统的大尺寸元件到纳米尺寸元件的宽尺寸范围的电子器件能够使用相同的材料并且基于相同的原理被制造。
权利要求
1.一种功能性分子器件，包括连接在一起的多个栅极；每一个所述栅极，由具有通过由电场引起的分子结构的改变而改变的π电子共轭体系的化合物形成的沟道部分、用于施加所述电场的电场施加装置、以及通过所述沟道部分输出相应于所述电场的输出的输出装置形成，所述栅极通过所述电场显示出各个不同的电特性。
2.根据权利要求1所述的功能性分子器件，其中，逻辑门电路由多个所述栅极形成。
3.根据权利要求2所述的功能性分子器件，其中，所述逻辑门电路形成为反相器，所述反相器由通过所述电场显示各个不同的沟道电阻值的多个所述栅极形成。
4.根据权利要求1所述的功能性分子器件，其中所述沟道部分包括显示出介电常数各向异性和/或偶极矩的分子、金属离子以及共轭体系的分子；所述金属离子、显示出介电常数各向异性和/或偶极矩的所述分子、以及共轭体系的所述分子形成络合物，包括所述电场施加装置施加电场到显示出介电常数各向异性和/或偶极矩的所述分子；以及输入/输出装置是用于共轭体系的所述分子。
5.根据权利要求4所述的功能性分子器件，其中，所述输入/输出装置输入/输出电子。
6.根据权利要求4所述的功能性分子器件，其中，显示出介电常数各向异性和/或偶极矩的所述分子布置在适于施加所述电场的电极上，所述金属离子和所述共轭体系的分子被布置在对面电极之间，以及与所述电场相对应的输出从至少一个所述对面电极输出。
7.根据权利要求6所述的功能性分子器件，其中，导电路径由共轭体系的所述分子形成，以及所述导电路径具有由作用在显示出介电常数各向异性和/或偶极矩的所述分子上的所述电场的改变来控制的导电性。
8.根据权利要求7所述的功能性分子器件，其中，在所述多个栅极的指定的一个中，先于施加所述电场，高频电场被施加到所述络合物上，以改变所述指定栅极的所述导电路径的电导率。
9.根据权利要求7所述的功能性分子器件，其中，相对于电场的方向显示出介电常数各向异性和/或偶极矩的所述分子的位置关系由作用在显示出介电常数各向异性和/或偶极矩的所述分子上的所述电场的改变而改变，由此，所述分子与共轭体系的所述分子之间产生的角度、所述金属离子的作用位置、或所述络合物的三维结构被改变。
10.根据权利要求7所述的功能性分子器件，其中，所述共轭体系层和显示出介电常数各向异性和/或偶极矩的所述分子层形成堆。
11.根据权利要求10所述的功能性分子器件，其中，绝缘层在第一电极上提供，第二和第三电极以免于彼此接触的方式在所述绝缘层上形成，所述堆至少布置在所述第二和第三电极之间，以及第四电极或者直接或者经由绝缘层提供在所述堆的显示出介电常数各向异性和/或偶极矩的所述分子层上。
12.根据权利要求4所述的功能性分子器件，其中，显示出介电常数各向异性和/或偶极矩的所述分子是路易斯碱分子。
13.根据权利要求4所述的功能性分子器件，其中，所述金属离子是路易斯酸。
14.根据权利要求4所述的功能性分子器件，其中，显示出介电常数各向异性和/或偶极矩的所述分子在电场作用下使方向改变。
15.根据权利要求14所述的功能性分子器件，其中，显示出介电常数各向异性和/或偶极矩的所述分子在电场的作用下使方向改变，以引起共轭体系的所述分子的电导率的改变。
16.根据权利要求4所述的功能性分子器件，其中，共轭体系的所述分子是聚吡咯。
17.根据权利要求4所述的功能性分子器件，其中，显示出介电常数各向异性和/或偶极矩的所述分子是4-戊基-4′-氰基联苯。
18.根据权利要求4所述的功能性分子器件，其中，所述金属离子是银离子。
全文摘要
提供一种功能性分子元件，其在电场作用下能够发挥它的功能，包括线或膜状基轴分子(2)，具有共轭体系并且显示出电导率；以及以悬垂的形式经由能够充当路易斯酸的金属离子(3)安装到其的路易斯碱分子(14)，具有正的介电常数各向异性或具有分子的长轴方向的偶极矩，因此在电场施加下结构改变发生以导致功能的体现。导电的基轴分子(2)以及路易斯碱分子(14)和金属离子(3)一起形成络合物(6)。在电场的施加下路易斯碱分子(14)进行摇摆或往复运动，从而影响基轴分子(2)的导电性开关。因此获得的分子根据电场施加或不施加而显示出相反电特性，因此从单一材料，能实现具有与那些CMOS相同功能的分子器件。
文档编号B82B1/00GK1973385SQ20058002098
公开日2007年5月30日 申请日期2005年6月23日 优先权日2004年6月23日
发明者松居惠理子, 松泽伸行, 安田章夫, 奥利弗·哈纳克 申请人:索尼株式会社, 索尼德国有限责任公司