功能性分子元件、其制造方法以及功能性分子装置的制作方法

专利名称：功能性分子元件、其制造方法以及功能性分子装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有特异导电性(specific conductivity )的功能 性分子元件、其制造方法以及功能性分子装置。
背景技术：
纳米才支术是一种用于观察、制造和使用尺寸为约1亿分之一米 (l(T8 m = 10 nm )的精细结构的才支术。
在二十世纪八十年代的后半期，发明了称作扫描隧道显樣"竟的 超高精度显微镜，使得可以看见单个原子和单个分子。扫描隧道显 微镜的使用使得不仅可以观察原子和分子，而且可以逐一操作(操 纟从)它们。
例如，已经报道了其中将原子布置在晶体的表面上以绘制文字 等的实例。虽然可以才乘作原子和分子，然而通过逐一才喿作大量原子 或分子来制造或组装新材料或新装置是不切实际的。
为了通过操作原子或分子或它们的集合来形成纳米尺寸的结 构，需要用于实现这样的操作的新型超精度加工技术。已经已知的 用于具有这样的纳米4青度的加工的孩i加工纟支术通常分为两种方式 (system )。两种方式中的一种包括那些至今已被用于制造各种半导体器 件的方法，例如，其中硅晶片被微小且精确地切割或加工到极限，
从而制造集成电路的所谓的自顶向下(top-down)方法。两种方式 种的另一种包括所谓的自底向上(bottom-up)方法，其中作为极微 小单元的原子或分子^皮用作构成部件，并且组装樣i小的构成部件以 制造期望的纳米结构。
关于通过自顶向下方式能够制造小至何种程度的结构体的问 题，戈登摩尔(英特尔公司的共同创立者)在1965年提出了著名 的摩尔定律。该定律指出"晶体管的集成度每18个月加倍"。从1965 年以后超过至少30年的时间里，半导体工业如摩尔定律所预言那 样使晶体管的集成度增加。
由美国半导体工业协会(SIA )发表的今后15年内的半导体工 业蓝图(发展路线图)ITRS (国际半导体技术蓝图)提出摩尔定律 将保持有效的观点。
ITRS的2005年版本包括到2013年的短期蓝图和到2020年的 长期蓝图。短期蓝图估计在2013年半导体芯片的加工规则(process rule)将为32nm，并且微处理器的栅极长度为13 nm。长期蓝图估 计在2018年半导体芯片的加工头见则4寻为18nm,并且4册才及长度为7 nm，而在2020年它CM夸分另'J为14 nm和6 nm。
半导体芯片的小型化使得可以增加操作速度，并且同时减小功 率消身毛。而且，小型化增加由单个晶片获得的产品凄t量，由此可以 降低生产成本。这就是对于新产品来说，孩i处理器制造商在晶体管 的加工规则和集成速度上彼此竟争的原因。
1999年11月，美国的研究小组揭示了小型化技术的划时代研 究结果。它是一种在由担任加利福尼亚大学伯克莱分校(Barkeley)
9计算机科学的主管Chenming Hu教授以及他的小组开发的称为 FinFET的FET (场效应晶体管)上设计栅4及的方法。该方法4吏得可 以在半导体芯片上形成比过去多400倍的晶体管。
栅极是在FET中用于控制电子通过沟道(channel)流动的电 极。在目前的一般设计中，栅极平行地设置于半导体的表面，用于 从其一侧控制沟道。在这种结构中，不能切断电子的流动，除非栅 极长度等于或大于预定长度。因此，栅极长度被认为是限制晶体管 小型化的因素之一。
另一方面，在FinFET中，栅4及形成为在沟道的两侧上延伸的 叉形形状，由此沟道被有效地控制。与那些过去的结构相比，FinFET 结构使得可以进一 步减小栅极长度和晶体管的尺寸。
由研究小组制造的原型FET中的栅才及长度为18nm,该^直为现 在普通栅极长度的十分之一，并且与在ITRS的长期蓝图中所示的 2014年的尺寸相当。此外，其宣称为该值的一半的棚4及长度也是可 以的。Hu以及他的小组宣称关于这一点他们并没有提交专利申请， 期待FinFET在半导体工业中被广泛采用。因此，FinFET可能会变 成制造^支术中的主流。
然而，还指出即使"摩尔定律"也迟早会遇到基于自然法则的限制。
例如，在目前作为主流的半导体技术中，通过光刻技术在硅晶 片上加工电路图案，以制造半导体芯片。为了提高小型化程度，必 须提高分辨率。为了提高分辨率，用于利用更短波长的射线的技术 必须4殳入实际4吏用。此外，晶体管的集成度的增加可能会使每半导体芯片产生的热 量太大，可能导致加热至高温的半导体芯片的故障或芯片的热石皮坏。
而且，专家预言如果芯片的小型化在半导体工业中^皮进一步才是 高，则设备成本和工艺成本将扩大，并且还由于产量恶化，在大约
2015年半导体工业可能会变成无利可图的。
最近，指出了更为严重的问题，在图案边缘微小凹凸、或线边 缘粗糙的问题。关于光刻胶掩模表面的凹凸，人们认为随着图案小 型化提高，构成光刻胶的分子大小、化学增幅型光刻胶中酸的扩散 距离等将成为问题。还已经评价了图案边缘凹凸的周期幅度与装置 特性之间的相互关系，并且成为仍要解决的重要i果题。
作为用于突破上述自顶向下方式的技术障碍的新技术，旨在为 单个分子提供作为电子构成部件的功能的研究已经被关注。该研究 涉及一种由单个分子构成的电子装置(分子开关等)，其通过自底 向上方式来制造。
关于金属、陶瓷和半导体，通过自底向上方式来制造纳米尺寸 的结构的研究也正在进行。然而，彼此内在独立并冲艮据形状和功能 不同显示出达到几百万种的较大多样性的分子将是4艮好的资源，其 如果^皮充分利用，则将使得可以通过自底向上方式来^殳计和制造具 有与过去那些完全不同特性的装置(分子装置)。
例如，导电分子的宽度可小至0.5nm。与目前在集成电路技术 中实现的约100 nm的线宽相比，这种分子布线使得可以实现密度 l是高几千倍的布线。此外，例如，在使用单个分子作为存储元件的 情况下，与DVD相比，记录密度可以提高一万倍以上。与过去半导体石圭不同，分子装置通过化学步骤来合成。在1986 年，三菱电气公司的Hiroshi Koezuka开发了 一种包括聚瘗吩(聚合 物)的有机晶体管(在世界上首次)。
而且，Hewlett-Packard ^>司(HP)和美国洛杉石几的加利福尼亚大 学的研究小组成功制造有机电子器件，其在1999年7月被发表在 《科学》上，并提交了专利申请(参见美国专利第6256767 Bl号 和美国专利第6128214号)。他们通过使用由几百万个轮烷分子(其 是有机分子)构成的分子膜制造开关，并通过使这样的开关彼此连 接来制造作为基本逻辑电路的AND栅极。
此夕卜，美国的赖斯大学和耶鲁大学的共同合作研究小组成功制 造了分子开关，该分子开关通过在施加电场下由电子注入引起的分 子结构的变化而可操作性地执行开关动作(switching action),并且 其在1999年11月被发表在《科学》上(参见J. Chen， M.A. Reed， A.M. Rawlett and J.M. Tour ， "Large on-off ratios and negative differential resistance in a molecular electronic device," Science, 1999， Vol. 286, 1552-1551 )。能够重复开-关操作的功能是一种不能通过 HP和洛杉矶加利福尼亚大学的小组实现的功能。分子开关的大小 为普通晶体管大小的一百万分之一，使得分子开关可以成为制造小
尺寸高性能计算机的基础。
在合成方面成功的J.Tour (赖斯大学，化学)教授指出，由于 不需要常规用于半导体制造的昂贵洁净室，因此与现有技术相比， 分子开关的生产成本可以被削减几千倍。他还指出，他计划在5-10年内制造分子-硅混合计算机。
在1999年，贝尔实-弓企室(Lucent Technologies )通过4吏用并五 苯的单晶制造了 一种有机薄膜晶体管。虽然已经积极地进行了对具有作为电子构成部件的功能的分 子装置的研究，但是过去大多数对分子装置的研究涉及那些通过
光、热、质子、离子等驱动的装置(参见例如"Molecular Switches," edited by Ben L. Feringa, WILEY-VCH， Weinheim, 2001 )，并且有
限的研究之一涉及那些通过电场驱动的装置。
即使在这些分子装置中，上述线边缘粗糙的问题也依然是个严 重的问题，并且认为随着图案小型化进步，该问题将变得更突出。 在分子装置中，作为避免该问题的方法，通常尝试其中将硫醇基引 入到分子的末端并且直接连接至金电极的方法(参见，例如，M.A. Reed， C. Zhou, C丄Muller, T.P, Burgin and J.M. Tour, "Conductance of a molecular junction," Science, 1997, Vol.278, 252-254)。分子
本身优于无枳i材一牛，因为与相4造问题相比它们的最小单元更小，并 且它们在再现性方面是良好的。
然而，在通过硫醇基与金电极之间的连接而电连接中涉及的问 题在于，分子本身具有的电特性无论如何良好，其石克醇基端与电极 之间的连接部分具有高电阻，并且该高电阻限制分子装置特性的提
高(参见，J.M. Wessels， H.G. Nothofer, W.E. Ford, F. von Wrochem， F. Scholz， T. Vossmeyer， A. Schroedter, H. Weller and A. Yasuda， "Optical and electrical properties of three-dimensional interlinked gold nanoparticle assemblies," Journal of the American Chemical Society, 126(10)， 3349-3356, Mar 17, 2004)。
现有技术中通过电场驱动的分子元件大多数具有这样的构造，
多个)电极之间的导电性改变。例如，在有机场效应晶体管(有机 FET)中，有才几分子中载流子的移动通过作用于沟道区域中的有枳j 分子的电场变化来调整。在这种情况下，如上所述，在构成分子与
13电极之间的界面处的接触电阻非常高，并且该接触电阻强烈地影响 分子元件的操作特性。
此外，本发明的发明人之一提出了一种基于新原理的功能性分 子元件，其用作通过电场的作用^f吏其分子结构变化而4妄通电流和切
断电流的分子开关(日本专利公开第2004-221553号)。显然的是， 分子元件可以基于任何操作原理，如果在构成分子与电极之间的界 面处的接触电阻较高，则该接触电阻影响分子元件的操作特性。
此外，在允i午电流流过的分子层"i殳置在只于向电才及(opposed electrode)之间的情况下，如在太阳能电池中，还要求有才几分子与 电极之间的界面处的接触电阻尽可能低。
考虑到上述，本发明的发明人之一提出了一种具有新型结构的
元件、其制造方法以及功能性分子装置(日本专利公开第 2006-351623号)。这种功能性分子元件是例如一种这样的功能性分 子元件，其包括具有连接至骨架部分(具有由兀电子共轭体系构成 的平面形或大致平面形结构)的侧链部分的兀电子共轭分子，该兀 电子共轭分子在侧链部分吸附在电才及上，以形成如此i殳置4吏得骨架 部分的平面形或大致平面形结构基本上平行于电才及的^皮吸附分子 (吸附质分子)，其中至少包括;故吸附分子和电极的结构体具有允 许电流沿与平面或大致平面形结构交叉的方向流动的功能。这才羊的 功能性分子元件的研究刚刚开始，并且认为，当研究取得进展后， 可以提出各种具有新特性的功能性分子元件。
考虑到上述情形，本发明的目的在于提供一种具有使得构成分 子与电极之间的界面处的接触电阻可以降低的结构并且具有特异 导电性的功能性分子元件、其制造方法以及功能性分子装置。

发明内容
具体地，本发明涉及第一功能性分子元件，包括包含多个彼 此相对-没置的电纟及的对向电纟及以及相对于各个对向电纟及形成的祐L 吸附分子，该被吸附分子包括具有连接至骨架部分(骨架部分具有 由兀电子共扼体系构成的大致平面形结构)的侧链部分的兀电子共 轭分子，该71电子共扼分子如此设置使得通过兀电子共扼分子在侧 纟连部分吸附在电才及上而<吏骨架部分的大致平面形结构基本上平4亍 于对向电极，其中至少包括被吸附分子和对向电极的结构体具有根 据施加在对向电极之间的偏压而使得电流沿与大致平面形结构交 叉的方向流动的功能，其中元件具有在室温下呈现出负樣t分电阻的 偏压区域。
此外，本发明涉及一种功能性分子装置，其中沿上述结构体的 堆叠方向设置有通过将电场施加于第一功能性分子元件来控制上 述电流的控制电才及。
此外，本发明涉及第二功能性分子元件，包括包含多个彼此 相对i殳置的电4及的对向电才及以及相对于各对向电才及形成的#皮吸附 分子，该-故吸附分子包括具有连4妄至骨架部分(骨架部分具有由兀 电子共扼体系构成的大致平面形结构)的侧链部分的7C电子共扼分
子，该71电子共轭分子如此设置使得通过7t电子共轭分子在侧链部 分吸附在电4及上而^f吏骨架部分的大致平面形结构基本上平4于于对 向电纟及，至少包括纟皮吸附分子和对向电极的结构体具有4艮据施加在 只于向电4及之间的偏压而仅j寻电流在与大致平面形结构交叉的方向 流动的功能，其中通过由功能性分子元件的电流-电压特性换算获得
的体积电导率不小于0.1 S/cm。
此外，本发明涉及一种用于制造第一功能性分子元件和第二功 能性分子元件的方法，包括以下步骤制备兀电子共轭分子的浓度被调节的兀电子共轭分子的溶液，使该溶液与电极接触，以及从溶 液中蒸发溶剂以便在电极的表面上形成兀电子共辄分子的层，其中
由此堆叠的分子层的数量与浓度相对应。
才艮据本发明的功能性分子元件，兀电子共轭分子形成为具有连 接至骨架部分的侧链部分，其中骨架部分具有由兀电子共扼体系构 成的大致平面形结构。因此，在^皮吸附分子中，可以获得一种这样 的结构，其中侧链部分吸附在电极上，由此骨架部分的大致平面形 结构基本上平^f亍于电招j殳置，并且紧密地附着于电才及。因此，可以 改善构成兀电子共扼体系的兀电子与电极之间的电相互作用，并且
根据本发明的功能性分子元件均是其中至少包括被吸附分子 和对向电极的结构体具有4艮据施加在对向电极之间的偏压而使得 电流在与大致平面形结构交叉的方向流动的功能。在这种情况下， 对向电极处的接触电阻被抑制到如上所述的低水平，并且其影响被 降<氐。因此，功能性分子元件的电流-电压特性主要由在对向电极之
间存在的一皮吸附分子、兀电子共辄分子等的装配体(assembly)的 电性能来决定。
鉴于此，本发明的发明人进行了深入细致的研究。作为他们的 研究结果，他们成功地获得具有在室温下呈现负樣t分电阻的偏压区 域的第 一功能性分子元件，以及通过由功能性分子元件的电流-电压 特性换算获得的体积电导率不小于0.1 S/cm的第二功能性分子元 件，并且完成了本发明。已经发现，在用于制造#4居本发明的功能 性分子元件的上述方法中，具有特异导电性的两种功能性分子可以 容易地通过使用相同的兀电子共轭分子和简单地改变溶剂而分别制 造。在根据本发明的功能性分子装置中，沿上述结构体的堆叠方向 而设置通过将电场施加至第一功能性分子元件来控制电流的控制
电极。因此，可以构造在室温下呈现负《敛分电阻(NDR)的功能性 分子装置，使得存在这样的可能性，即，可以成功地构造新型的分 子开关和分子计算机。


图1示出了基于本发明的实施方式1的功能性分子元件的说明 图(a)，以及示出了在阵列结构体的第一层中兀电子共轭分子(被 吸附分子)的取向结构的说明图(b)。
图2示出了示出构成实施方式1中阵列结构体的7T电子共辄分 子的分子结构的实例的结构式(a)，以及示出了 ；i电子共轭分子的 基本上盘形骨架部分的立体结构的示意图(b)。
图3是基于本发明的实施方式2的绝缘栅极场效应晶体管的截 面图。
图4示出了示出在本发明的实施例中用于制造功能性分子元件 的分子的结构的结构式。
图5示出了实施例中的功能性分子元件的截面图(a)，以及电 才及的电子显樣i照片(b)。
图6是示出了在本发明的实施例中由5CB溶液制备的功能性分 子装置的电流-电压特性的曲线图。
图7是示出了在本发明的实施例中由THF溶液制造的功能性 分子元件的电流-电压特性的曲线图。图8示出了在本发明的实施例中其上分别连接有5CB分子和 THF分子的兀电子共扼分子7的结构的i兌明图。
图9示出了在本发明的实施例中在由5CB溶液制造的功能性分 子元件中呈现出负樣t分电阻(NDR)的区域的产生才几理的"i兑明图。
具体实施例方式
在#4居本发明的第一功能性分子元件中，优选地，作为结构体 的一部分，其中与被吸附分子相同种类的兀电子共辄分子和/或与被
吸附分子不同种类的71电子共辄分子通过在骨架部分中分子间兀-兀
堆叠而在一个方向上堆叠在被吸附分子的骨架部分上的阵列结构 体形成在对向电极之间，并且具有允许电流沿阵列结构体的堆叠方
向流动的功能。如上所述，随着通过分子间71-71堆叠形成阵列结构 体，通过7C电子之间的相互作用可以有效地使电流在阵列结构体的
i侓叠方向;^动。
此夕卜，优选地，在各个正偏压区域和负偏压区域中对称地存在 一个呈现出负微分电阻的偏压区域。此外，优选地，通过栅极电场 的作用来改变其中呈现出负孩i分电阻的偏压区域。通过利用这样的
独净争电特性，可以构造其中负孩t分电阻的峰顶电压(peak top voltage)的位置通过第三电极(栅电极)来调节以及过去通过使用 任何材料通过单个元件不能实现的功能性分子元件。
此外，优选地，71电子共轭分子的各个侧链部分具有柔性结构。 如果这样的话，侧链部分更易于吸附在电才及上，/人而降^氐电4及与它 们之间的电阻。优选地，侧链部分各自包括烷基、烷氧基、硅烷基 (silanyl)、或其上连接有烷基、烷氧基或硅烷基的芳香环。此夕卜，优选地，71电子共轭分子和/或其他种类的7T电子共轭分
子均是中心金属离子与线性四吡咯(linear tetrapyrrole )书f生物的络 合物。特别地，如上所述的包括具有锌离子作为中心金属离子的络 合物的阵列结构体根据存在或不存在施加在其上的电场呈现出具 有良好导电性的ON-OFF开关特性，因此可以由其制造晶体管等。 作为中心金属离子，除了锌离子之外，还可以l吏用过渡元素和典型 元素的金属离子，诸如铜离子和镍离子。
此外，优选地，至少7E电子共扼分子是由以下通式(1)表示 的二次甲基胆色素酮右f生物。
通式(1 ): [化学式1]
在该通式(l)中，R1、 R2、 F^和f^分别独立为相同的或不同 的3 ~ 12个碳原子的烷基。
在这种情况下，R1、 R2、 W和R"可以各自是具有3~ 12个碳
原子的任何烷基，其实例包括-C,oH^和-d2H25。在侧4连具有这样的
碳原子数的情况下，兀电子共轭分子以良好的定向状态被固定到电
19极上而没有结晶，并且易于合成。另一方面，如果石灰原子数为l或
2，则兀电子共轭分子将容易结晶并且将不会显示液晶状物理性能， 使得其不期望的取向容易发生。此外，如果碳原子数达到或超过13, 则难以获得兀电子共扼分子的取向，并且其合成将是困难的。
在用于制造根据本发明的第一功能性分子元件的方法中，优选 地，使用具有棒状分子骨架并且在其一端具有高极性官能团的有机 分子作为构成溶液的溶剂分子。在这种情况下，优选地，使用高极 性官能团是氰基或羰基的有机分子作为溶剂分子。此外，优选地， 使用选自由氰基联苯类、环己基取代的千腈类、对氰基苯曱酸酯类、 烷基取代的苯曱酸和环己烷羧酸酯类以及席夫石咸组成的组中的至 少 一种物质作为溶剂分子。
在根据本发明的功能性分子装置中，优选地，该装置被配置为 绝缘栅极场效应晶体管，其中栅极绝缘层设置在控制电极之上，源 电极和漏电极形成在绝缘层之上作为对向电极，并且至少在源电极 和漏电极之间设置结构体。
在根据本发明的第二功能性分子元件中，优选地，其中与被吸 附分子相同种类的兀电子共轭分子和/或与被吸附分子不同种类的兀
电子共辄分子通过在骨架部分分子间7t-兀堆叠而在一个方向上堆叠
在^L吸附分子的骨架部分上的阵列结构体(作为结构体的 一部分) 形成在对向电极之间，并且具有使电流沿阵列结构体的堆叠方向流 动的功能。如上所述，在阵列结构体通过分子间兀-兀堆叠形成的情
况下，通过7T电子之间的相互作用可以有效地4吏电流沿阵列结构体
的i,叠方向:^u动。
此外，优选地，兀电子共辄分子的各侧链部分具有柔性结构。 如果这样的话，侧链部分将容易吸附在电极上，由此可以降低电极与它们之间的电阻。优选地，侧链部分各自包括烷基、烷氧基、硅 烷基、或其上连接有烷基、烷氧基或硅烷基的芳香环。
此外，优选地，兀电子共轭分子和/或其他种类的兀电子共轭分 子各自是中心金属离子与线性四吡咯衍生物的络合物。作为中心金 属离子，可以使用过渡元素的金属离子，诸如锌离子、铜离子和镍 离子，以及典型元素的金属离子。
在用于制造根据本发明的第二功能性分子元件的方法中，作为
构成溶液的溶剂分子，优选地，使用体积小(non-bulky)的极性分 子。在这种情况下，作为溶剂分子，优选地，可以4吏用选自由四氢 呋喃、碳酸亚丙酯、碳S臾亚乙酯、千腈、吡啶和水组成的组中的至 少一种物质。
在根据本发明的功能性分子装置中，优选地，该装置被配置为 绝缘栅极场效应晶体管，其中栅极绝缘层设置在上述控制电极之 上，源电极和漏电极形成在绝缘层之上作为对向电极，并且上述结 构体^皮至少布置在源电4及和漏电才及之间。
现在，将通过参照附图来具体地描述本发明的优选实施方式。
实施方式1
在实施方式1中，将描述主要对应于权利要求1和2以及权利 要求16和17的功能性分子元件的实例。
在图2的(a)中，示出了在实施方式1中构成上述阵列结构 体的兀电子共轭分子1的分子结构的一个实例的结构式。在图2的 (b)中，示意性示出了用于主要示出图2的(a)中所示的兀电子 共轭分子1的基本上为盘形骨架部分2的立体结构。在图2的(b)中，构成骨架部分2的金属离子M、氮原子、碳原子和氧原子以圓 球示出，同时省略了氢原子，并且侧链部分3以极简单的省略方式 示出。
如图2的(a)和(b)所示，兀电子共轭分子1的骨架部分2 具有二次曱基胆色素酮(biladienone)(具体地，4,9-二次曱基胆色 素-l-酮)作为其基本结构。二次曱基胆色素酮是一种具有对应于开 ;故吟啉环的结构的线性四吡咯。骨架部分2通过兀电子共辄体系形 成叫、啉状刚性的大致平面形结构。此处应当注意到，由于两个羰基 (OO基)在开放卟啉环的裂开部分形成，并且它们彼此相对，因 此骨架部分2具有已经稍微由平面形状扭曲并保持柔性的螺旋巻绕 的基本上盘状形状。基本上盘形结构的中心部分中的M是金属离 子，诸如锌离子，其可用于功能性分子元件以呈现开关特性。
兀电子共轭分子1具有各自由对烷基苯基构成并连接至骨架部 分2的侧链部分3。由于绕C-C轴分子内旋转，侧《连部分3形成为 柔性的链结构。
在图1的(a)中，示出了用于示出^^艮据基于实施方式1的功 能性分子元件10的结构的才莫型示意图。在图1的(b)中，示出了
示出在构成分子元件10的阵列结构体4的第一层中7T电子共轭分
子l (上述纟皮吸附分子9吸附在电极表面上)的定向结构(相对于 电才及定向)的i兌明图。
在图1的(a)中，示出了功能性分子元件10,其中均具有基 本上盘形骨架部分2的71电子共扼分子1沿一个方向排列在由例如 金构成并且之间具有纳米级间隙的两个电极5和6之间，它们的盘 平面平4亍于电才及5和6的表面定向，以形成柱状阵列结构体4。已知当阵列结构体通过使用均具有刚性盘形或基本上盘形的 骨架部分的71电子共辄分子诸如兀电子共扼分子1形成时，各分子 的盘形或基本上盘形的骨架部分通过71-71电子相互作用彼此平行地 堆叠H吏得以面对面方式相对)，并且兀电子在由此堆叠的骨架部 分之间离域。特别地，在具有长链(6个以上碳原子)烷基作为侧 链的分子(盘形液晶等)的情况下，71电子共轭分子以柱状形式堆
叠并且在堆叠方向上呈现高导电性(参见Yo Shimizu ， T. Higashiyama and T. Fuchita ， "Photoconduction of a mesogenic long-chain tetraphenylporphyrin in a symmetrical sandwich-type cell," Thin Solid Films, 331 (1998)， 279-284)。
此外，人们认为通过配位在盘形或基本上盘形的骨架部分的中 心附近可以存在金属离子(参见Yo Shimizu, "Photoconductivity of Discotic Liquid Crystals: a Mesogenic Long-Chain Tetraphenylporphyrin and Its Metal Complexes," Molecular Crystals and Liquid Crystals, 370(2001), 83-91, S.T. Trzaska, H画F. Hsu and T.M. Swager， "Cooperative Chiralith in Columnar Liquid Crystals: Studies of Fluxional Octahedral Metallomesogens，" J. Am. Chem. Soc., 121 (1999), 4518-4519， and Yo Shimizu ， "Columnar Liquid Crystals: Their Diverse Molecular Structures and Intermolecular Interactions," Liquid Crystal ， 6 (2002) ， 147-159 )。
作为如上所述其中线性四吡咯等的基本上盘形的兀电子共辄分
子通过兀-7T堆叠而堆叠的阵列结构体的功能的一个实例，可以考虑 作为用于电流沿堆叠方向流动的管道(沟道链)的功能。只于以下分 子进行了积极的研究，与普通导电链状分子相比，该分子的电流通 道直径更大并且能够-使更多的电流通过，并且其一皮用作太阳能电池 中的电子沟道。
23然而，此处应当注意到，在〗吏用上述阵列结构体作为导体的情
况下，如图1的(a)所示，必须确併"吏电流流动的方向(连接电 极5和电极6的方向)与阵列结构体4的堆叠方向一致，并且阵列 结构体4的末端部分分别附着于电极5和6的表面以便降〗氐在电^L 5详口 6处的4妻触电阻。
然而，如果使用没有侧链的分子作为构成阵列结构体的兀电子 共轭分子，则不存在具有控制电极表面上的分子的吸附状态从而使 分子的盘平面选择性平行于电极表面定向的功能的基团。因此，不 化 、 、o 、 、，
为了解决该问题，在本实施方式中，使用图2的(a)中所示 的具有柔性侧《连部分3的兀电子共扼分子1作为兀电子共扼分子。 制备兀电子共轭分子1的浓度已被调节至适当水平的兀电子共轭分 子1的溶液，并且通过涂H法诸如浇铸法将该溶液施加至电4及5或 6，接着乂人溶液中蒸发溶剂，并且必要时可进行退火处理。结果， 作为上述被吸附分子的被吸附分子9粘着地设置于电极5或6的表 面，并且7T电子共轭分子通过兀-兀堆叠而堆叠在4皮吸附分子9上， 以形成阵列结构体4。此处堆叠的兀电子共轭分子没有特别限制， 只要它们是能够在兀电子共轭分子1上形成兀-兀堆叠的分子。虽然 在图1的(a)中已经示出了与7T电子共辄分子1相同种类的分子 的实例，^f旦是可以堆叠上述其他种类的兀电子共專厄分子。
在这种情况下，如图1的(b)所示，重要的是，用于形成阵 列结构体4的第一层的7c电子共轭分子1 (被吸附分子9)具有吸 附在电极5(或6)的表面上的柔性侧链部分3，从而骨架部分2的 基本上盘形面基本上平行地固定于并粘附于电极5 (或6)的表面。 因此，骨架部分2中的71电子可以在电极上离域，由此可以将在阵列结构体4与电极5 (或6)之间的界面处的接触电阻降低至低水平。
此外，通过兀-兀相互作用来控制阵列结构体4中的第二层和其 后层的堆叠方向使得上分子层的骨架部分的基本盘面平行地堆叠 在下分子层的骨架部分的基本盘面上，其中作为基准的被吸附分子 9的骨架部分2的基本盘面平行地设置在电极平面上。通过兀电子 之间的相互作用阵列结构体4可以有岁文;也z使电流在堆叠方向流动。
以上述方式，可以获得坚固的功能性分子元件10，其中在其与 电极的界面处的接触电阻非常低，并且可以控制阵列结构体4的堆 叠方向(电流的流动方向)。
实施方式2
在实施方式2中，作为主要对应于权利要求14和15的功能性 分子装置的实例，将描述在上述实施方式1中描述的功能性分子元 件10形成在对向电极之间并且被构造为绝缘4册极场效应晶体管的 功能性分子装置。图3是在本实施方式中用于说明绝缘栅极场效应 晶体管20的结构的截面图。
如图3所示，在绝缘栅极场效应晶体管20中，掺杂石圭基板11 还用作作为上述控制电极的栅电极13。在硅基4反11的表面上形成 作为栅极绝缘膜12的氧化硅层。由金构成的源电极14和漏电极15 例如形成在氧化硅层上作为上述对向电才及，并且将在实施方式l中 描述的阵列结构体4 i殳置在这些电才及之间。
那些最紧密分别定位至源电才及14和漏电才及15并且^f应于第一 层分子的那些构成阵列结构体4的兀电子共轭分子l分别固定在电 极上作为上述被吸附分子9。具体地，如上面已经参照图1的(b)
25所描述的，^皮吸附分子9具有其吸附在电才及14或15的表面上的柔 性侧链部分3，导致其骨架部分2的基本盘面平行于电极14或15 的表面固定并附着于电极14或15的表面。因此，骨架部分2的兀 电子可以在电才及上离域，并且可以将在阵列结构体4与电才及14或 15之间的界面处的接触电阻抑制到低水平。
此外，阵列结构体4中第二层和后面层的堆叠方向以这样的方 式通过兀-兀相互作用来控制使得上分子层中骨架部分的基本盘面 平行地堆叠在下分子层中骨架部分的基本盘面上，其中作为基准的 被吸附分子9的骨架部分2的基本盘面平行地设置在电才及平面上。
以这种方式，在界面处与电才及的4妾触电阻非常小并且堆叠方向 (电流的流动方向)被控制的刚性阵列结构体4设置在由源电极14 和漏电极15构成的对向电极之间。
此外，沿阵列结构体4的堆叠方向或导电方向设置作为上述控 制电极的栅电极13。在栅电极13上施加电压的情况下，沿与阵列 结构体4的导电方向正交的方向施加电场，由此控制阵列结构体4 的电导率。
对应于4册才及长度的源电才及14与漏电才及15之间的间3巨(间隙) 为约10nm (在分子层的数量方面，为约10层)。
根据该实施方式的功能性分子装置具有其中构成功能性分子 元件10的阵列结构体4形成并设置在对向电极之间的构造。因此， 在源电极14与漏电极15之间可以显示在兀电子共轭分子1与源电
电阻被降低至低水平并且使电流可以有效地在阵列结构体4的堆叠 方向流动的特性特征，上面已经参照功能性分子元件10描述了其特征。因此，可以获得电性能优异的纳米尺寸的绝缘栅;fel场效应晶 体管20。
实施例
现在，下面将详细地描述本发明的实施例。
<兀电子共轭分子的选择>
在图4的(a)中，示出了在本实施例中用于制造功能性分子 元件10的具有基本上盘形的骨架部分2的兀电子共轭分子7(对应 于上述兀电子共轭分子1)的结构式。在图4的(b)和(c)中， 示出了作为用于制造功能性分子元件10的溶剂的4-戊基-4，-氰基联 苯(5CB)和四氢呋喃(THF)的结构式。兀电子共轭分子7是具有在对 位连接有十二烷基-C^H25的苯基作为各柔性侧链部分3的二次曱基 胆色素酮书f生物的《辛纟各合物。
为了正确评价功能性分子元件10的特性，应该制造具有良好 再现性的功能性分子元件10。为此，首先，必要的是，可以制造具 有良好再现性的可用于制造功能性分子元件10的之间间隙为10 ~ 20 nm的对向电极。很难以良好的产率制造之间具有20 nm以下的 纳米间隙的7于向电才及。
目前，通过4吏用电子束光刻，可以以基本上足够的供应量来制 造可用于制造诸如分子开关的功能性分子元件10的纳米间隙电^L (参见图5的(b))。由于高度可靠的电极，此处报道了4吏用兀电 子共轭分子7作为有源元件的新功能性分子元件10。
至今，已经进行了许多尝试以通过使用具有长烷基4连的盘形分 子来制造分子开关。在这种情况下，已经使用卟啉、酞菁(S. Cherian，C. Donley， D. Mathine， L LaRussa, W. Xia， N. Armstrong, J. Appl. Phys.， 96, 5638 (2004)， and A.M. van de Craats， N. Stutzmann， O. Bunk, M.M. Nielsen, M. Watson, K. Mullen, H.D. Chanzy, H. Sirringhaus, R.H. Friend, Adv. Mater., (Weinheim， Ger.)， 15， 495 (2003))和六苯并蔻(J. Wu, M.D. Watson， K. Muellen， Angew. Chem.， Int. Ed.， 42, 5329 (2003))作为盘形分子，并且已关注通过这些4匕 合物据有的自组装形成聚集体的特性。
与刚提及的具有对称完全刚性中心骨架结构的化合物相反，兀 电子共轭分子7的中心骨架结构具有柔性螺旋构造，其是不对称的 并且兀电子体系在位于间位的石友上是不连续的且具有sp3杂化轨道， 如参照图2已经描述的(参见参考文献G Struckmeier, U. Thewalt， J.H. Fuhrhop, J.Am. Chem. Soc.， 98， 278 (1976》J.A.S. Cavaleiro， M丄E. Hewlins, A.H.Jackson, M.G.P.M.S. Neves ， Tetrahedron Lett., 33, 6871 (1992); T. Mizutani， S. Yagi， A. Honmaru, H. Ogoshi, J.Am. Chem. Soc., 118， 5318 (1996); L. Latos-Grazynski ， J. Johnson, S. Attar, M.M. Olmstead, A丄.Balch, Inorg. Chem., 37， 4493， (1998); J.A.Johnson, M.M. Olmstead ， A丄.Balch, Inorg. Chem. ， 38, 5379 (1999); T. Mizutani, S.Yagi, J. Porphyrins and Phthalocyanines， 8， 226 (2004))。
由于在光感受体蛋白中已经发现了具有类似结构的线性四吡 咯，因此通过利用其柔性构造期望二次曱基胆色素酮可应用于开关 元件(参见上述参考文献)。
<功能性分子元件的制造>
在图5的(a)中，示出了在基板上方形成的功能性分子元件 10的截面图。以下列方式由分别使用5CB和THF作为溶剂并具有2 mM浓度的溶液来制造包括兀电子共辄分子7的两种功能性分子 元件10。
首先，通过使没有相应中心金属离子的二次曱基胆色素酮与醋 酸锌反应来合成7c电子共辄分子7。 4要照在参考文献(T. Yamauchi， T. Mizutani, K. Wada， S. Horii， H. Fumkawa, S. Masaoka, H.-C. Chang， S. Kitagawa， Chem. Commun., 1309 (2005))中4苗述的方、法 来合成无中心金属离子的二次曱基胆色素酮。
接着，如图5的(a)所示，制备掺杂硅基板ll,并且在基板 的表面上形成由70nm厚的氧化硅(Si02)层构成的绝缘层12。硅 基板11还用作栅电极，并且氧化硅绝缘层用作棚-极绝缘膜12。
随后，形成5nm厚的铬(Cr)层和20nm厚的金(Au )层， 并且通过电子束光刻加工以形成之间具有16 nm间隙的对向电才及5 和6。在图5的(b)中，示出了电极5和6的电子显微照片。图5 的(a)中的截面图是沿图5的(b)中的线5A-5A截取的。
接着，将l pL的溶液滴加到对向电极之间的间隙位置。在功 能性分子元件由5CB溶液制造的情况下，保存装配体(assembly) 7天，接着在室温下真空蒸发，以从功能性分子元件中除去5CB溶 剂分子。在功能性分子元件由THF溶液制造的情况下，装配体在 THF的^^包和蒸汽中4呆存7天，4矣着在空气中在不少于24小时的时 间内蒸发，以从功能性分子元件中除去THF溶剂分子。
<电气测量>
在电气测量之前，对这两个功能性分子元件10均进4亍预处理 用于使ti电子共轭分子7进入预定定向状态，其中在不小于2小时 的时间内施力口乂人—2 V变化到+2 V的偏压。在这种十青况下，为了 S夺兀电子共轭分子7引导到预定定向状态，重要的是，施加的偏压以每 次50mV来逐步增加。鉴于此，首先施加-2V的偏压，并且以每 个步骤50 mV的幅度来逐步增加偏压，直到在80个步骤后偏压达 到+2 V。
对于功能性分子元件10的电气测量，使用了配备有纳米探针 系 统 (Nagase Electronic Equipments Service Co., Ltd. BCT-11MDC画4K)的半导体参数分析装置(Agilent 4156B )。在该装 置中，可以以可编程的方式来设定偏压。在将预置偏压施加在功能 性分子元件10上的同时，测量功能性分子元件10的电流-电压曲线。 此外，纳米探针系统具有通过气密封(hermetic seal)与外部空气隔 离的样品室，并且被如此构造使得通过用氮气的射流清洗样品室而 可以使氧或水分的污染最小化。
图6示出了由5CB溶液制造的功能性分子元件10的电流-电压 曲线。当没有施加4册才及电压时，在负偏压侧和正偏压侧上对称地存 在其中呈现出负微分电阻(NDR)的两个区域。当施加负栅极电压 时，在正偏压侧上与刚提及的NDR区域相比偏压更小的区域中出 i见两个另外的NDR峰。在施加正4册4及电压的情况下，不存在呈玉见 负4效分电阻(NDR)的区域(在图中省略了其数据)。
图7示出了对于由THF溶液制造的功能性分子元件10在没有 施加栅极电压的情况下测量的电流-电压曲线。这些曲线几乎没有直 线部分，并且在负偏压侧和正偏压侧上是不对称的。在施加正偏压 的区域中，在施加不小于3V的电压时电流急剧增加，并且当施加 更高的电压时，电流-电压曲线失去再现性。在施加负偏压的区域中， 出现滞后，即，取决于偏压是增加还是降低而获得不同的电流-电压 曲线。
30流过由THF溶液制造的功能性分子元件的电流大小在微毫安 级，其比流过由5CB溶液制造的功能性分子元件的电流大小至少大 6个数量级。通过换算由在没有施加图7所示的任何栅极电压的情 况下测量的电流-电压曲线获得高达不小于0.1 S/cm的体积电导率。 附带地，在该计算(换算)中，假定阵列结构体具有20nm的长度、 20 nm的宽度以及20 nm的厚度，并且可以4吏用偏压为-2.5 V ~ +2.5 V的区域中的电流值。因此，作为体积电阻，在正偏压侧上获得0.15 S/cm的值。此夕卜，4艮定在—2.5 V的偏压下的电流为—2.0 ^lA，则在 负偏压侧上，获得0.40 S/cm的体积电阻。
此外，当施加栅极电压时，功能性分子元件的电流-电压曲线并 没有显示出任何显著的变化，而是仅显示曲线倾斜的稍微变化。例 如，在偏压为+2.5 V的情况下，与在没有施加4壬^f可^H及电压的情况 下获得的电流值相比，施力。+2.0 V的栅4及电压^f吏电流4又增加至1.2倍。
<阵列结构体的构造〉
分别示于图6和图7中的两个电流-电压曲线之间的不同表明， 用于形成功能性分子元件10的的工艺中所使用的溶剂对功能性分 子元件10中的兀电子共辄分子7的定向施加影响。为了阐明由5CB 溶液制造的功能性分子元件与由THF溶液制造的功能性分子元件 之间的分子取向的不同，本发明人注意到溶剂分子与兀电子共辄分 子7締合(associate )的现象。
Kita等人才艮道了 一种通过与兀电子共扼分子7締合的溶剂分子 支配兀电子共轭分子7的聚集状态的现象(K. Kita， T. Tokuoka, E. Monno, S. Yagi, H. Nakazumi and T. Mizutani, Tetrahedrons Lett., 47， 1533 (2006))。才艮据该才艮道，耳又决于溶剂，丌电子共辄分子7在 溶液中或者以单体存在或者形成二聚体；在这种情况下，溶剂是极性的还是非极性的并不重要，重要的是溶剂分子是否与兀电子共轭
分子7締合。同时，在5CB和THF两者中，兀电子共專厄分子7的 脱水反应的反应速率对于71电子共扼分子7的浓度显示出线性浓度 依赖性。这表明，在这些溶液中，由于5CB和THF各自与兀电子 共辄分子7的締合，兀电子共辄分子7之间的締合状态一皮解除
根据上述情况，可以认为在由5CB溶液制造的功能性分子元件 中和在由THF溶液制造的功能性分子元件中的分子耳又向分别由已 締合有5CB分子的7i电子共辄分子7的性质以及由已締合有THF 分子的兀电子共轭分子7的性质来决定。本发明人进行关于除去来 自溶剂的溶剂分子的步骤的设计，但是发现在分子基础上很难完全 除去与兀电子共轭分子7締合的溶剂分子。
图8是示出了分别締合有5CB分子和THF分子的7i电子共轭 分子7的结构的说明图。根据图4的(b)和(c)中所示的结构式， 可以看出5CB分子体积远比THF分子要大并且比THF分子更庞大 (bulkier )。如图8的(a)所示，在庞大的5CB分子与ti电子共轭 分子7締合的情况下，在阵列结构体中相邻7i电子共轭分子7之间 存在长距离,使得在相邻兀电子共轭分子7之间很难获得;i-兀堆叠。 另 一方面，在体积小的THF分子与兀电子共專厄分子7締合的情况下， 如图8的(b)所示，在阵列结构体中相邻兀电子共扼分子7之间 的距离很小，使得能够在相邻兀电子共辄分子7之间形成兀-兀堆叠。
因此，兀电子共轭分子7与5CB分子之间的分子间相互作用显 著不同于兀电子共辄分子7与THF分子之间的分子间相互作用。因 此，兀电子共扼分子7在功能性分子元件10中的取向在两种情况之 间也是不同的。分子取向的不同导致功能性分子元件10的电导率 以及由施加4册4及电压引起的构象(conformation)和/或分子取向的 变化程度的显著不同。兀电子共辄分子7具有多个均具有偶才及矩的官能团，并且5CB 分子具有大的《禺才及头巨(I. Gnatyuk, G Puchkovskaya， O. Yaroshchuk， Y. Goltsov, L. Matkovskaya， J. Baran， T. Morawska-Kowal and H. Ratajczak, J. Molecular Structure, 511-512， 189-197 (1999))。因此， 如果5CB分子保留在功能性分子元件10中，则认为与5CB分子締 合的7c电子共轭分子7具有大的偶才及矩，如图8的(a)所示。另 外，才艮据基于乂人头计算(ab initio )的分子4九道计算(B3LYP/6-31G(d)) 的模拟，在兀电子共轭分子7的永久偶极矩与由在共辄的吡咯环中 的三个氮原子限定的平面之间形成的角度计算为12.1度。
图9是说明通过由5CB溶液制造的功能性分子元件呈现的负微 分电阻的产生机理的说明图。如上面已经参照图6所描述的，在没 有施加任何栅极电压的情况下测量的电流-电压曲线中，对于由5CB 溶液制造的功能性分子元件，在负偏压侧和正偏压侧上对称地存在 两个NDR区域。如图9中的(1 )和(4 )所示，该一对NDR区&戈 被认为是由于类似于在铁电液晶中的极化反转的极化反转而逐渐 产生的，并且由偏压的变化引起。
此夕卜，在施加负斗册极电压下出现的两个另外的NDR峰认为是 以以下方式产生的。4册纟及电压的施加导f丈5CB分子在构成阵列结构 体4的兀电子共扼分子7的一部分分子中的取向变化。这导致分子 结构和/或分子取向变化，诸如71电子共扼分子7的大致盘形的中心 骨架变形为椭圓形形状，导致产生新的^U匕取向，因此产生了新的 另外的NDR峰。此外，阵列结构体4中的极化被如此定向使得通 过预先进行电场处理而符合正偏压方向。这被认为是为什么在施加 正栅极电压的情况下，偏压的变化并不引起极化反转且不可I起任何 NDR区i或产生的原因。
另一方面，如上面参照图7已经描述的，由THF溶液制造的 功能性分子元件的电导率比由5CB溶液制造的功能性分子元件的电导率大至少6个数量级。这种电导率与在其两端通过硫醇基连接 至金电才及的2 nm长的共辄分子的电导率相当(J. Reichert, R. Ochs, D. Beckmann, H.B. Weber, M. Mayor and H.v. Lohneysen, Phys. Rev. Lett., 88, 176804, 2002)。
本发明的发明人通过红外反射吸收光谱清楚地了解到，与预期 相反，在玻璃基板上的金层上形成的兀电子共轭分子7通过烷基与 金层表面之间的固定(锚定)而附着于金层表面(E. Matsui， N.N. Matsuzawa， O. Harnack, T. Yamauchi， T. Hatazawa， A. Yasuda and T. Mizutani;即将才是交)。
在本实施例中的16nm长间隙不能由单个分子充满，因此电^L 之间的导电通^各是通过多个分子延伸的导电通路。假定ti电子共轭 分子7与电极5的表面之间以及该分子与电极6的表面之间的接触 电阻与Reichert等人的共轭分子体系中石克醇基的石克原子S与电极的 金原子Au之间的4妾触电阻相当，则由7i电子共4厄分子7构成的阵 列结构体4的电导率太高而不能当作通过多个分子延伸的导电通路 的电导率。
上述情况是在用于传输电子的多个导电通3各存在于兀电子共轭 分子7中，这些导电通路在电性能方面是类似的并且该导电通路显 示出良好再现性的证据。
如图7所示，由THF溶液制造的功能性分子元件的电流-电压 曲线没有呈现出NDR的区i或。存在滞后的区域，即，取决于偏压 是增加还是降低而出现不同的电流-电压曲线的区域被认为表明在 阵列结构体4中存在极化。然而，棚4及电压的施加没有使得在电流 —电压曲线中出J见重大变^匕。由此来看，^惟测在由THF 、溶液制造的 功能性分子元件10中，阵列结构体4中的兀电子共轭分子7的分》口才册^l电压而？文
变的状态,
如上面已经描述的，在本发明的实施例中，可以提供功能性分
子元件10，其中通过将兀电子共轭分子7的烷基侧链吸附在电极表 面上来降低在构成柱状阵列结构体4的兀电子共轭分子7与电极5
这种情况下，取决于待用于制造功能性分子元件10的溶剂，可以 获得两种具有特异导电性的功能性分子元件10。
虽然已经基于实施方式和实施例描述了本发明，但本发明绝不 限于这些实施方式和实施例，当然，也可以在本发明的实质范围内 进4亍适当变化。
工业实用，法
才艮据本发明的具有 <吏得在构成分子与电才及之间的界面处的接 触电阻可以被降低的新型结构的功能性分子元件、其制造方法以及 功能性分子装置可以应用于各种电子装置诸如开关、晶体管、存储 器和逻辑电路的领域，并且由相同的材料并通过相同的原理可以制
造/人宏^见尺寸到纳米尺寸的元件。
3权利要求
1. 一种功能性分子元件，包括包含多个彼此相对设置的电极的对向电极，以及相对于各所述对向电极形成的被吸附分子，所述被吸附分子包括具有连接至骨架部分的侧链部分的π电子共轭分子，所述骨架部分具有由π电子共轭体系构成的大致平面形结构，所述π电子共轭分子如此设置使得通过在所述侧链部分的所述电极上吸附所述π电子共轭分子而使所述骨架部分的所述大致平面形结构基本上平行于所述对向电极，至少包括所述被吸附分子和所述对向电极的结构体具有根据施加在所述对向电极之间的偏压而使电流在与所述大致平面形结构交叉的方向流动的功能，其中所述功能性分子元件具有在室温下呈现出负微分电阻的偏压区域。
2. 根据权利要求1所述的功能性分子元件，其中，作为所述结构体的 一 部分，阵列结构体形成在所述对向电极之间，所述阵列结构体包括与所述被吸附分子相同种类的扼分子，所述相同或不同种类的兀电子共辄分子相对于所述详皮吸附分子的所述骨架部分通过在所述骨架部分中分子间兀-兀堆叠而在一个方向上堆叠；并且所述元4牛具有4吏电流在所述阵列结构体的i,叠方向流动的功能。
3. 根据权利要求1或2所述的功能性分子元件，其中，在各个正偏压区域和负偏压区i或中对称;也存在一个呈现出所述负孩史分电阻的所述偏压区i或。
4. 根据权利要求1或2所述的功能性分子元件，其中，通过栅极电场的作用使呈现出所述负微分电阻的所述偏压区域变化。
5. 根据权利要求1所述的功能性分子元件，其中，所述兀电子共轭分子的所述侧链部分具有柔性结构。
6. 根据权利要求1所述的功能性分子元件，其中，所述侧链部分均包括烷基、烷氧基、硅烷基、或其上连接有烷基、烷氧基或硅烷基的芳香环。
7. 根据权利要求1所述的功能性分子元件，其中，所述兀电子共轭分子是中心金属离子与线性四吡咯衍生物的络合物。
8. 根据权利要求7所述的功能性分子元件，其中，至少所述兀电子共轭分子是由以下通式(1 )表示的二次曱基胆色素酮书亍生物通式(1 ):[化学式1]其中，R1、 R2、 113和114分别独立为具有3~12个碳原子的相同的或不同的烷基。
9. 一种用于制造权利要求1至8中任一项所述的功能性分子元件的方法，包4舌以下步艰艮制备所述兀电子共轭分子的浓度^皮调节的所述7i电子共轭分子的溶液； -使所述溶液与所述电核j妄触；以及/人所述》容液中蒸发〉容剂以1"更在所述电才及的表面上形成所述兀电子共轭分子的层，并且由此堆叠的分子层的数量与所述浓度相7于应。
10. 根据权利要求9所述的用于制造功能性分子元件的方法，其中，使用具有棒状分子骨架并且在其一端具有高^l性官能团的有才几分子作为构成所述溶液的;容剂分子。
11. 根据权利要求IO所述的用于制造功能性分子元件的方法，其中，所述高极性官能团是氰基或羰基。
12. 根据权利要求10所述的用于制造功能性分子元件的方法，其中，使用选自由氰基联苯类、环己基取代的苄腈类、对氰基苯曱酸酯类、烷基取代的苯曱酸、环己烷羧酸酯类以及席夫石咸组成的组中的至少 一种物质作为所述溶剂分子。
13. 根据权利要求12所述的用于制造功能性分子元件的方法，其中，使用4-戊基-4，-氰基联苯作为所述氰基联苯。
14. 一种功能性分子装置，其中，沿所述结构体的堆叠方向设置通过将电场施加于根据权利要求1至8中任一项所述的功能性分子元件来控制所述电流的控制电极。
15. 根据权利要求14所述的功能性分子装置，被配置为绝缘4册极场效应晶体管，其中栅极绝缘层设置在所述控制电极之上，源电极和漏电极形成在所述绝缘层之上作为所述对向电极，并且所述结构体至少i殳置在所述源电极和所述漏电才及之间。
16. —种功能性分子元件，包括包含多个彼此相对设置的电极的对向电极，以及相对于各所述对向电才及形成的#1吸附分子，所述^^皮吸附分子包括具有连接至骨架部分的侧链部分的兀电子共轭分子，所述骨架部分具有由兀电子共轭体系构成的大致平面形结构，所述兀电子共轭分子如此设置使得通过在所述侧链部分的所述电才及上吸附所述兀电子共辄分子而4吏所述骨架部分的所述大致平面形结构基本上平行于所述对向电极，至少包括所述被吸附分子和所述对向电极的结构体具有根据施加在所述对向电极之间的偏压而使电流在与所述大致平面形结构交叉的方向流动的功能，其中通过由所述功能性分子元件的电流-电压特性换算获4寻的体积电导率不小于0.1 S/cm。
17. 根据权利要求16所述的功能性分子元件，其中，作为所述结构的一部分，阵列结构体形成在所述对向电极之间，所述阵列结构体包括与所述被吸附分子相同种类的兀电子共轭分子和/或与所述被吸附分子不同种类的71电子共轭分子，所述相同或不同种类的兀电子共轭分子相对于所述被吸附分子的所述骨架部分通过在所述骨架部分中分子间兀-兀堆叠而在一个方向上堆叠；并且所述元件具有<吏电流在所述阵列结构体的堆叠方向流动的功能。
18. 根据权利要求16所述的功能性分子元件，其中，所述兀电子共轭分子的所述侧链部分具有柔性结构。
19. 4艮据^K利要求16所述的功能性分子元件，其中，所述侧链部分均包括烷基、烷氧基、硅烷基、或其上连接有烷基、烷氧基或硅烷基的芳香环。
20. 根据权利要求16所述的功能性分子元件，其中，所述兀电子共辄分子是中心金属离子与线性四吡咯衍生物的络合物。
21. 根据权利要求20所述的功能性分子元件，其中，至少所述兀电子共轭分子是由上述通式(1 )表示的二次曱基胆色素酮衍生物。
22. —种用于制造权利要求16至21中任一项所述的功能性分子元件的方法，包括以下步骤制备所述兀电子共轭分子的浓度被调节的所述兀电子共辄分子的溶液；4吏所述溶'液与所述电相j矣触；以及从所述溶液中蒸发溶剂以便在所述电才及的表面上形成所述兀电子共轭分子的层，并且由此堆叠的分子层的数量与所述浓度相对应。
23. 根据权利要求21所述的用于制造功能性分子元件的方法，其中，^吏用体积小的极性分子作为构成所述溶液的溶剂分子。
24. 根据权利要求23所述的用于制造功能性分子元件的方法，其中，4吏用选自由四氢呋喃、石友酸亚丙酯、碳酸亚乙酯、苄腈、p比。定和水组成的组中的至少 一种物质作为所述溶剂分子。
25.—种在元件中用于调节在两个对向电才及之间流动的电流^直的 电流调节方法，所述元件包括所述两个对向电才及，以及均具有连4妄至具有大致平面形结构的骨架部分的侧《连部 分的多个平面分子，所述平面分子排列在所述对向电4及之间 <吏得施加在所述 对向电极之间的电场方向与所述大致平面形结构是非平行的， 并且所述元件在其电流-电压特性方面具有呈现出负微分电阻 的区i或，其中，在所述对向电才及之间流动的所述电流值通过改变 施加在所述对向电极之间的电压的强度来调节。
全文摘要
本发明提供了一种具有特异导电性的功能性分子元件、其制造方法，以及功能性分子装置，该功能性分子元件具有可以降低构成分子与电极之间的界面处的接触电阻的结构。作为具有大致盘状的中心骨架(2)和由烷基构成的柔性侧链(3)的线性四吡咯中的一种的π电子共轭分子(1)溶解在4-戊基-4’-氰基联苯或四氢呋喃中，并且将浓度调节至适当的水平。将这种溶液施加至电极(5)和(6)，并且使溶剂蒸发。由此自组装形成π电子共轭分子(1)的阵列结构体(4)。以这种方式来固定阵列结构体(4)的第一层中的被吸附分子(9)使得其侧链部分(3)吸附在电极(5)或(6)的表面上，并且骨架(2)的大致盘形的平面平行地粘附于电极(5)或(6)的表面。在阵列结构体(4)的第二层和随后层中的π电子共轭分子的堆叠方向通过盘形中心骨架(2)之间的π-π相互作用来调节。
文档编号H01L51/30GK101536206SQ20078004227
公开日2009年9月16日 申请日期2007年11月12日 优先权日2006年11月15日
发明者喜多浩二朗, 松居惠理子, 琴昌大, 畠沢刚信 申请人:索尼株式会社