專(zhuān)利名稱(chēng)：功能性分子器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用功能性分子元件來(lái)說(shuō)明其在電場(chǎng)操作下的功能的功能性分子器件。
本申請(qǐng)要求基于2004年6月23日在日本申請(qǐng)的日本專(zhuān)利申請(qǐng)2004-184589的優(yōu)先權(quán)。通過(guò)引用將該日本專(zhuān)利申請(qǐng)的內(nèi)容納入本申請(qǐng)。
背景技術(shù)：
在功能性分子元件領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)它在電場(chǎng)施加下的功能，現(xiàn)在關(guān)于使用納米技術(shù)的研究正在進(jìn)行，其是觀察、制造和應(yīng)用具有一米的一億分之一(10-8米＝10納米)程度尺寸的微型化結(jié)構(gòu)的一種技術(shù)。
接近八十年代末，被稱(chēng)為掃描型隧道顯微鏡的超高精度的顯微鏡被發(fā)明，憑此觀察單個(gè)原子或分子變得可能。通過(guò)使用掃描型隧道顯微鏡，原子或分子不但能被觀察，而且它們還能被單個(gè)地處理。例如，已經(jīng)有用字母或字符的形式布置原子到晶體表面上的實(shí)例的報(bào)道。然而，即使原子或分子能用這樣的方式進(jìn)行處理，逐個(gè)地處理龐大數(shù)量的原子或分子以組裝成一種新材料或器件是不實(shí)際的。
如果處理原子、分子或其組合以形成納米級(jí)結(jié)構(gòu)，一種新的使能超精密加工的技術(shù)是必需的。此納米級(jí)超微細(xì)加工技術(shù)大致分為以下兩種方法。
其一種是所謂的自上而下的方法，其中，較大尺寸的硅片被加工到小尺寸再到加工的極限并且在其上形成集成電路。迄今為止這種方法已經(jīng)被用于各種各樣的半導(dǎo)體器件的制造。另一種是所謂的自下而上的方法，其中，原子或分子，其作為細(xì)微的(miniscule)尺寸的單位，被當(dāng)作部件使用，并且目標(biāo)的納米級(jí)結(jié)構(gòu)通過(guò)將這些小部件組裝到一起制造。
按照自上而下的方法，關(guān)于趨向縮小結(jié)構(gòu)尺寸的限度，1965年有由INTEL公司的合伙創(chuàng)立者Gorden E.Moore提出的著名的摩爾定律。這個(gè)定律指出晶體管集成度在十八個(gè)月內(nèi)加倍。自從1965以來(lái)，如同在摩爾定律中預(yù)言一樣，在超過(guò)三十年的時(shí)間內(nèi)半導(dǎo)體工業(yè)界成功地提高了晶體管的集成度。
用于未來(lái)十五年的藍(lán)圖ITRS(國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖)，其由美國(guó)半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)(SIA)公布，表達(dá)了摩爾定律將繼續(xù)保持有效的一種見(jiàn)解。
ITRS由一個(gè)至2005年有效的短期藍(lán)圖和一個(gè)至2014年有效的長(zhǎng)期藍(lán)圖組成。短期藍(lán)圖指出，到2005年，用于半導(dǎo)體芯片的處理標(biāo)準(zhǔn)(process rule)和微處理器的柵長(zhǎng)度(gate length)將分別變成100納米和65納米。長(zhǎng)期藍(lán)圖指出到2014年?yáng)砰L(zhǎng)度將變成20至22納米。
半導(dǎo)體芯片微型化更進(jìn)一步，其操作速度變得更高并且功率消耗變得更低。而且，由單塊晶片能產(chǎn)生的部件數(shù)量變得更大，同時(shí)生產(chǎn)成本相應(yīng)地降低。這就導(dǎo)致為了使處理標(biāo)準(zhǔn)微型化并且為了提高晶體管集成度，在微處理器廠商之間的競(jìng)爭(zhēng)。
在1999年11月，美國(guó)實(shí)驗(yàn)室小組已經(jīng)表明了在微型化技術(shù)方面劃時(shí)代研究的成果。為了得到一種在稱(chēng)為FinFET的FET(場(chǎng)效應(yīng)晶體管)上設(shè)計(jì)柵極的方法，由在美國(guó)加利福利亞大學(xué)貝克利分校專(zhuān)門(mén)研究計(jì)算機(jī)科學(xué)的Chenming Hu教授小組進(jìn)行研究。該方法使大量晶體管，其大約是傳統(tǒng)技術(shù)的400倍一樣多，在一塊半導(dǎo)體芯片上制造成為可能。
柵極是控制FET溝道中電子流動(dòng)的電極。目前采取常規(guī)設(shè)計(jì)，為了從一側(cè)控制溝道，柵極以與其平行的關(guān)系放置在半導(dǎo)體表面上。用這種結(jié)構(gòu)，除了如果柵極具有超過(guò)某一長(zhǎng)度的長(zhǎng)度之外，電子流動(dòng)不能中斷。因此，迄今為止柵長(zhǎng)度已經(jīng)被認(rèn)為是在限制晶體管微型化的因素之中。
用FinFET，另一方面，為了有效地控制溝道，柵極具有位于溝道兩側(cè)的叉形結(jié)構(gòu)。用FinFET比用傳統(tǒng)的晶體管結(jié)構(gòu)更有可能進(jìn)一步縮小柵長(zhǎng)度和晶體管的尺寸。
由試驗(yàn)室小組研制的原型FET的柵長(zhǎng)度是18納米，其為目前認(rèn)可的普通柵長(zhǎng)度的十分之一。實(shí)驗(yàn)室小組的該柵長(zhǎng)度與在ITRS的長(zhǎng)期藍(lán)圖中指定的2014年的尺寸相比不遜色。聲明該柵長(zhǎng)度等于上述柵長(zhǎng)度的二分之一是可能的。因?yàn)镠u教授及其他人聲明，對(duì)于在半導(dǎo)體界得到廣泛承認(rèn)的期望中的技術(shù)，他們不愿意獲取專(zhuān)利，因此在未來(lái)FinFET有望成為制造技術(shù)的主流。
然而，它也已經(jīng)指出根據(jù)自然規(guī)律摩爾定律遲早將達(dá)到極限。
例如，在半導(dǎo)體技術(shù)中，現(xiàn)在的主流是，按照電路圖案通過(guò)平版印刷技術(shù)被印刷在硅片上的方式，半導(dǎo)體芯片被制造。為了提高微型化的程度，不得不提出方案。為了提出方案，將應(yīng)用較短波長(zhǎng)的光的技術(shù)用于實(shí)際應(yīng)用中是有必要的。既然物理局限被強(qiáng)加在能在平版印刷技術(shù)中被利用的光的波長(zhǎng)上，為了克服強(qiáng)加在波長(zhǎng)上的限制，從不同的方面進(jìn)行突破是有必要的。
同樣地?fù)?dān)心隨著集成度的增加每一半導(dǎo)體芯片釋放的熱量過(guò)度地增加，因此可能引起半導(dǎo)體芯片的故障或熱破壞。
另外，根據(jù)專(zhuān)家的預(yù)測(cè)，如果半導(dǎo)體界繼續(xù)他們?cè)诳s小芯片尺寸方面的努力，投資或加工成本增加，并且連帶著降低收益，到大約2015年半導(dǎo)體工業(yè)將變得不能生存。
作為為了產(chǎn)生自上而下方法的固有工藝上的屏障的突破的新技術(shù)，關(guān)于賦予每一個(gè)分子電子部件的功能的研究引起注意。這些研究的對(duì)象是電子器件，例如由單一分子形成的、并且按照自下而上方法研制的分子開(kāi)關(guān)。
依照自下而上的方法，用于制造金屬、陶瓷或半導(dǎo)體的納米級(jí)結(jié)構(gòu)的研究同時(shí)進(jìn)行。然而，如果彼此分離并且獨(dú)立、以及在考慮外形上或功能上的差異的情況下可能是數(shù)百萬(wàn)種的分子被率直地開(kāi)發(fā)，按照自下而上方法，重新設(shè)計(jì)并且制造具有完全不同于傳統(tǒng)器件的特性的器件(分子器件)是可能的。
例如，電子導(dǎo)電的分子的寬度與0.5納米一樣小。用這些分子的線性陣列，得到具有高于用現(xiàn)有的集成電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)的100納米程度寬度的線的密度數(shù)千倍的密度的導(dǎo)線是可能的。另一方面，如果單獨(dú)分子被用作存儲(chǔ)元件，則大約高達(dá)DVD(數(shù)字化視頻光盤(pán))一萬(wàn)倍的記錄密度能被得到。
以不同于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體硅的情況的方式，分子器件用化學(xué)方法合成。1986年，世界第一個(gè)由聚噻吩形成的有機(jī)晶體管，由日本三菱電氣有限公司的YusiKoezuka開(kāi)發(fā)。
另一方面，有機(jī)電子器件能被美國(guó)惠普(HP)和加利福尼亞大學(xué)洛杉磯學(xué)院的試驗(yàn)室小組研制成功，其報(bào)導(dǎo)于1999年7月在“Science(科學(xué))”上作出。由試驗(yàn)室小組研究的內(nèi)容在美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6256767B1和6128214中具體公開(kāi)。試驗(yàn)室小組使用數(shù)百萬(wàn)有機(jī)輪烷(rotaxane)分子的分子薄膜制造開(kāi)關(guān)，并且將這些分子開(kāi)關(guān)連接到一起以形成作為基本邏輯電路的與門(mén)。這些分子開(kāi)關(guān)具有常規(guī)晶體管尺寸的百萬(wàn)分之一，并且因?yàn)樗奈⑿统叽?，可能成為?gòu)造小型高性能計(jì)算機(jī)的構(gòu)造塊。
另一方面，美國(guó)的萊斯大學(xué)和耶魯大學(xué)的聯(lián)合試驗(yàn)室小組成功地制造了分子開(kāi)關(guān)，在其中為執(zhí)行開(kāi)關(guān)操作在電場(chǎng)的施加下通過(guò)電子注入改變分子結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)室小組的研究?jī)?nèi)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中公開(kāi)。重復(fù)開(kāi)-關(guān)的功能還沒(méi)有由HP公司和加利福尼亞大學(xué)洛杉磯學(xué)院的小組完成。此分子開(kāi)關(guān)也具有常規(guī)晶體管尺寸的百萬(wàn)分之一，并且可能成為構(gòu)造小型高性能計(jì)算機(jī)的構(gòu)造塊。
萊斯大學(xué)專(zhuān)門(mén)研究化學(xué)，并且其在合成方面取得成功的J.Tour教授，指出因?yàn)椴恍枰ǔ１挥糜诎雽?dǎo)體制造的昂貴的凈化室，因此分子開(kāi)關(guān)的生產(chǎn)成本可能是傳統(tǒng)方法的數(shù)千分之一，以及分子和硅的混合計(jì)算機(jī)將在未來(lái)的五至十年內(nèi)制造。
在1999年，貝爾實(shí)驗(yàn)室(朗訊科技公司)利用并五苯單晶體制造了有機(jī)薄膜晶體管。此晶體管具有能與無(wú)機(jī)的半導(dǎo)體相比不遜色的特征。
雖然在具有電子部件功能的分子器件方面的研究正在迅速地進(jìn)行，但是迄今為止所作的研究主要指向用光，熱，質(zhì)子或離子驅(qū)動(dòng)(參考“MolecularSwitches”，WILEY-VCH，Weinheim，200，由Ben L.Feringa編輯)，并且只有有限數(shù)量的研究指向用電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)。
在由電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的已知器件之中，如在日本申請(qǐng)公開(kāi)專(zhuān)利公報(bào)2003-218360中所述，有在依靠在通過(guò)施加電場(chǎng)所產(chǎn)生的分子空間構(gòu)造中的可逆變化的原則的基礎(chǔ)上顯示出電場(chǎng)響應(yīng)函數(shù)的分子膜介電器件。此器件至少包括自組裝單層，其包含在襯底上提供的介電各向異性分子、以及用于施加電場(chǎng)到自組裝單層上的電場(chǎng)控制器。介電各向異性分子是具有三聯(lián)苯骨架作為可移動(dòng)部分用于在通過(guò)電場(chǎng)控制器施加電場(chǎng)的基礎(chǔ)上可逆地改變?nèi)S構(gòu)造的化合物。
同時(shí)，由電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的、迄今為止在本技術(shù)領(lǐng)域提出的分子元件，只是利用分子本身的物理性能方面在電場(chǎng)的影響下產(chǎn)生的變化的那些分子元件。也就是說(shuō)，分子本身作為單個(gè)元件考慮，并且電子的狀態(tài)由電場(chǎng)改變。例如，在有機(jī)FET中，有機(jī)分子中載流子遷移通過(guò)施加到溝道區(qū)域中有機(jī)分子上的電場(chǎng)的改變來(lái)調(diào)整。然而，迄今為止還沒(méi)有提出有效地應(yīng)用分子元件到集成電路的方案。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問(wèn)題考慮到上述現(xiàn)有技術(shù)的情形，本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供一種功能性分子器件，其使用功能性分子元件最佳地構(gòu)成，在新的原則的基礎(chǔ)上其功能通過(guò)電場(chǎng)被有效地控制。
本發(fā)明提供一種功能性分子器件，其包括連接在一起的多個(gè)柵極，柵極的每一個(gè)由溝道部分、電場(chǎng)施加部分和輸出部分形成。溝道部分由具有主要通過(guò)由電場(chǎng)引起的在分子結(jié)構(gòu)方面的兩類(lèi)變化而改變的π電子共軛體系的化合物形成。電場(chǎng)施加部分施加電場(chǎng)，以及輸出部分通過(guò)溝道部分相應(yīng)于電場(chǎng)而輸出。柵極通過(guò)電場(chǎng)顯示各自不同的電特性，例如不同的電特性，例如不同的溝道電阻值或不同的導(dǎo)電率值。
在功能性分子器件中，根據(jù)本發(fā)明，溝道部分由具有通過(guò)電場(chǎng)引起的分子結(jié)構(gòu)方面的改變而改變的π電子共軛體系的化合物組成，因此，用π電子共軛體系，能得到功能性分子器件的電特性，例如導(dǎo)電性。另外，電特性通過(guò)由電場(chǎng)改變引起的分子結(jié)構(gòu)的改變來(lái)調(diào)節(jié)。
電場(chǎng)的這種操作機(jī)制不能在，例如，使用企圖通過(guò)電場(chǎng)直接控制功能性分子的電子的狀態(tài)以調(diào)節(jié)它的功能的傳統(tǒng)的功能性分子元件的場(chǎng)效應(yīng)晶體管中看到。如果電場(chǎng)的新的操作機(jī)制被利用，則使用高場(chǎng)響應(yīng)特性控制電特性的這種功能性分子器件能被構(gòu)成。
具體上，多個(gè)柵極，其每一個(gè)由功能性分子的化合物形成的溝道部分、電場(chǎng)施加部分和輸出部分形成，能被連接在一起以有效地組成集成電路，特別是，邏輯門(mén)電路。具體地說(shuō)，使用在多個(gè)柵極以外的這種柵極，其沒(méi)有用電場(chǎng)處理方法處理，流過(guò)源-漏路徑的電流相對(duì)于施加的電場(chǎng)增加。相反地，使用這種柵極，其由與首先提到的柵極同樣的材料形成，并且其用電場(chǎng)處理方法處理，流過(guò)源-漏路徑的電流相對(duì)于施加的柵極電壓降低。從而，兩個(gè)柵極顯示出各自不同的特性。因此，如果這些柵極連接在一起，用同樣的材料，有可能構(gòu)成能與所謂的CMOS(互補(bǔ)MOS)相比擬的分子晶體管。也就是說(shuō)，多個(gè)柵極能組成邏輯門(mén)電路，如反相器，其柵極通過(guò)電場(chǎng)顯示出各自不同的溝道電阻。
也就是說(shuō)，用本發(fā)明，傳統(tǒng)的由無(wú)機(jī)半導(dǎo)體形成的CMOS晶體管，在新的原則下能被執(zhí)行開(kāi)關(guān)操作的功能性分子器件代替。就隨機(jī)存取存儲(chǔ)器來(lái)說(shuō)，例如，與常規(guī)硅基半導(dǎo)體相比提高至少幾個(gè)數(shù)量級(jí)的集成度是可能的，同時(shí)每一位的單元價(jià)格能降低至少幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
從以下與附圖結(jié)合的優(yōu)選實(shí)施例的說(shuō)明中，本發(fā)明的其它目標(biāo)和具體的優(yōu)越性將變得更加明顯。


圖1A，1B和1C是表示通過(guò)體現(xiàn)本發(fā)明的功能性分子元件實(shí)現(xiàn)的開(kāi)關(guān)的兩種操作模式的側(cè)視示意圖。圖1A表示初始狀態(tài)，圖1B表示電場(chǎng)I被施加時(shí)的操作模式，以及圖1C表示電場(chǎng)II被施加時(shí)的操作模式。
圖2A和2B分別是用于說(shuō)明在分子水平上、元件在截止?fàn)顟B(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)功能性分子元件的開(kāi)關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)的典型結(jié)構(gòu)的解釋性透視示意圖。
圖3A是表示場(chǎng)效應(yīng)分子器件的平面視圖，以及圖3B是沿圖3A的線III-III的剖視圖。
圖4是表示場(chǎng)效應(yīng)分子器件的剖視示意圖。
圖5A和5B分別是表示通過(guò)電壓施加，類(lèi)型I和類(lèi)型II場(chǎng)效應(yīng)分子器件的導(dǎo)電率改變的示意圖。
圖6是在類(lèi)型I場(chǎng)效應(yīng)分子器件和類(lèi)型II場(chǎng)效應(yīng)分子器件的相互連接的柵極上獲得的CMOS反相器的等效電路圖。
圖7是表示根據(jù)本發(fā)明在場(chǎng)效應(yīng)分子器件中被施加的電壓和導(dǎo)電率之間關(guān)系的圖。
圖8是表示通過(guò)施加電場(chǎng)場(chǎng)效應(yīng)分子器件的導(dǎo)電率能被調(diào)節(jié)的圖。
圖9通過(guò)由與場(chǎng)效應(yīng)分子器件相同的材料形成的吸收光譜測(cè)量單元來(lái)表示可見(jiàn)紫外光吸收光譜。
圖10通過(guò)用本發(fā)明比較例子的偽吸收光譜測(cè)量單元來(lái)表示可見(jiàn)紫外光吸收光譜。
圖11是表示體現(xiàn)本發(fā)明，在類(lèi)型I場(chǎng)效應(yīng)分子器件中在被施加的電場(chǎng)的強(qiáng)度與流過(guò)梳狀電極的電流密度之間關(guān)系的圖。
圖12是表示在被施加的電場(chǎng)強(qiáng)度和在與場(chǎng)效應(yīng)分子器件相同的材料形成的吸收光譜測(cè)量單元中紅外光吸收強(qiáng)度之間關(guān)系的圖。
圖13A和13B是表示在場(chǎng)效應(yīng)分子器件中π絡(luò)合物和σ絡(luò)合物的能量(理論計(jì)算值)與在吡咯環(huán)和5CB懸垂部分之間的相對(duì)角度θ之間關(guān)系的圖。
圖14是表示相對(duì)角度θ與場(chǎng)效應(yīng)分子器件中σ絡(luò)合物和π絡(luò)合物的吡咯環(huán)之間的二面角α之間關(guān)系的圖。
圖15A和15B是分別表示在場(chǎng)效應(yīng)分子器件中說(shuō)明σ絡(luò)合物的低電阻狀態(tài)和高電阻狀態(tài)的分子模型。
圖16是表示在本發(fā)明比較例子的偽場(chǎng)效應(yīng)分子器件中施加的電場(chǎng)與電流密度之間關(guān)系的圖。
圖17是表示在偽場(chǎng)效應(yīng)分子器件中施加的電場(chǎng)與電流密度之間關(guān)系的圖。
圖18是表示在偽場(chǎng)效應(yīng)分子器件中施加的電場(chǎng)和電流密度之間關(guān)系的另一個(gè)圖。
圖19是表示在偽場(chǎng)效應(yīng)分子器件中施加的電場(chǎng)和電流密度之間關(guān)系的又一個(gè)圖。
圖20是表示根據(jù)本發(fā)明在流過(guò)梳狀電極之間的電流的電流密度與在類(lèi)型II場(chǎng)效應(yīng)分子器件中施加的電場(chǎng)的強(qiáng)度之間關(guān)系的圖。
圖21A和21B是分別表示為了對(duì)由與場(chǎng)效應(yīng)分子器件相同的材料形成的光吸收頻譜測(cè)量單元進(jìn)行預(yù)處理、高頻電場(chǎng)施加之前以及之后的紅外吸收光譜的圖。
圖22是體現(xiàn)本發(fā)明的CMOS反相器的平面示意圖和等效電路圖。
圖23A是表示CMOS反相器的基本部分的平面視圖，以及圖23B是沿圖23A的線XX-XX的剖視圖。
圖24A和24B分別是表示由電壓施加的結(jié)果產(chǎn)生的類(lèi)型I和類(lèi)型II場(chǎng)效應(yīng)分子器件的導(dǎo)電率的改變的圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明形成一種功能性分子器件，其溝道部分包括顯示出介電常數(shù)各向異性和/或偶極矩的分子，金屬離子和共軛體系分子。金屬離子、顯示出介電常數(shù)各向異性和/或偶極矩的分子、和共軛體系分子形成絡(luò)合物。功能性分子器件包括電場(chǎng)施加部分，其用于把電場(chǎng)施加到顯示出介電常數(shù)各向異性和/或偶極矩的分子、以及輸入/輸出部分，該輸入/輸出部分用于輸入電子到共軛體系分子或從共軛體系分子輸出電子。
在這種情況下，顯示出介電常數(shù)各向異性和/或偶極矩的分子布置在適合施加所述電場(chǎng)的電極上。金屬離子和共軛體系分子布置在對(duì)面電極(facingelectrodes)之間。相應(yīng)于電場(chǎng)的輸出從至少一個(gè)對(duì)面電極輸出。導(dǎo)電路徑由共軛體系分子形成。導(dǎo)電路徑具有由作用在顯示出介電常數(shù)各向異性和/或偶極矩的分子上的電場(chǎng)的改變控制的導(dǎo)電率。
在控制導(dǎo)電率時(shí)，為了改變指定柵極的導(dǎo)電路徑的導(dǎo)電率，在多個(gè)柵極的指定的一個(gè)中電場(chǎng)施加之前，優(yōu)選地高頻電場(chǎng)被施加于絡(luò)合物。也就是說(shuō)，優(yōu)選地多個(gè)柵極顯示出各自不同的溝道電阻或?qū)щ娐实闹怠?br> 優(yōu)選地，相對(duì)于電場(chǎng)的方向顯示出介電常數(shù)各向異性和/或偶極矩的分子的位置關(guān)系通過(guò)作用在分子上的電場(chǎng)的改變而改變，以引起該分子與共軛體系分子之間產(chǎn)生的角度即經(jīng)由金屬離子的鍵角中、金屬離子的作用部位、或絡(luò)合物的立體結(jié)構(gòu)中的改變。
優(yōu)選地，共軛體系層和顯示出介電常數(shù)各向異性和/或偶極矩的分子層形成堆。優(yōu)選地，絕緣層在第一電極上提供，第二和第三電極在絕緣層上以免于彼此接觸的方式形成，以及堆至少布置在第二和第三電極之間。優(yōu)選地，第四電極或者直接或者通過(guò)絕緣層在堆的顯示出介電常數(shù)各向異性和/或偶極矩的分子層上提供。
在由顯示出介電常數(shù)各向異性和/或偶極矩的分子，具體地說(shuō)，在電場(chǎng)的作用下方向改變的路易斯堿分子、能夠變成路易斯酸的金屬離子、和共軛體系分子形成的絡(luò)合物中，優(yōu)選地金屬離子與路易斯堿分子和共軛體系分子形成絡(luò)合物。
在此情況下，功能性分子器件的電特性，例如導(dǎo)電性，能通過(guò)共軛體系分子獲得。另一方面，顯示出介電常數(shù)各向異性和/或偶極矩、以及在電場(chǎng)作用下改變方向的路易斯堿分子，與電場(chǎng)的改變保持一致地改變方向，憑此絡(luò)合物形成部分，例如，構(gòu)造被改變以改變共軛體系分子的導(dǎo)電性，即功能性分子器件的電特性。
在該功能性分子器件中，兩個(gè)功能，即表示電特性的功能和通過(guò)電場(chǎng)來(lái)調(diào)節(jié)特性的功能，由不同的分子負(fù)責(zé)。因此，為共軛體系分子和顯示出介電常數(shù)各向異性和/或偶極矩、以及在電場(chǎng)作用下改變方向的路易斯堿分子選擇適合于各自的目標(biāo)的材料。因此，這種功能性分子器件能被構(gòu)成，其能夠利用高場(chǎng)響應(yīng)特性控制高性能電特性。
例如，優(yōu)選地共軛體系分子是聚吡咯，顯示出介電常數(shù)各向異性和/或偶極矩的分子是4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯以及金屬離子是銀離子。
參照附圖，將詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施例。
功能性分子器件典型地功能性分子元件1的功能，其在施加電場(chǎng)時(shí)當(dāng)它的空間結(jié)構(gòu)改變時(shí)被實(shí)現(xiàn)，開(kāi)關(guān)操作能被預(yù)期。在圖1A，1B和1C中，功能性分子元件1，其路易斯堿分子和具有共軛體系的電子導(dǎo)電的主軸分子2圍繞金屬離子3形成絡(luò)合物，被視為一個(gè)例子。在圖1A，1B和1C中，當(dāng)電場(chǎng)被施加到功能性分子元件1時(shí)圍繞金屬離子3發(fā)生的改變通過(guò)側(cè)視示意圖模型表示。為了說(shuō)明，假定在圖1A，1B和1C中路易斯堿分子是具有或者正的介電常數(shù)各向異性或者沿分子長(zhǎng)軸的偶極矩的分子14。
這個(gè)具有或者正的介電常數(shù)各向異性或者沿分子長(zhǎng)軸的偶極矩的分子14企圖定向它本身在其長(zhǎng)軸方向與被施加的電場(chǎng)的方向一致的方向。同時(shí)，如果路易斯堿分子是顯示出負(fù)的介電常數(shù)各向異性的分子，分子企圖定向它本身在其長(zhǎng)軸方向與電場(chǎng)的方向一致的方向。因此，如果長(zhǎng)軸方向和短軸方向互換，則類(lèi)似于以下說(shuō)明的說(shuō)明保持有效。
至于開(kāi)關(guān)操作的動(dòng)態(tài)，在電場(chǎng)施加時(shí)通過(guò)分子14表示，依靠電場(chǎng)施加方向上的差別，可能考慮兩種不同類(lèi)型的操作模式。圖1A表示初始狀態(tài)，圖1B表示當(dāng)電場(chǎng)I被施加時(shí)的操作模式以及圖1C表示當(dāng)電場(chǎng)II被施加時(shí)的操作模式。
假定，在初始狀態(tài)當(dāng)如圖1A所示的電場(chǎng)不被施加時(shí)，功能性分子元件1的路易斯堿分子14使它的長(zhǎng)軸方向平行于共軛體系的線或膜狀電子導(dǎo)電的主軸分子2的軸向排列，即平行于圖1A的左右方向。
如果電場(chǎng)I在垂直于圖紙平面的方向上被施加，路易斯堿分子14傾向于以圖紙上下方向?yàn)檩S，執(zhí)行90°的搖擺運(yùn)動(dòng)，企圖定向它的長(zhǎng)軸方向與電場(chǎng)I的方向一致，如圖1B所示。同時(shí)通過(guò)沿圖1B的左右方向施加電場(chǎng)，路易斯堿分子14的方向也能被強(qiáng)迫恢復(fù)到圖1B原始的左右方向。
如果，另一方面，電場(chǎng)II被施加在如圖1C所示的上下方向，路易斯堿分子14傾向于以垂直于圖紙方向?yàn)檩S執(zhí)行上下運(yùn)動(dòng)，企圖定向它的長(zhǎng)軸方向與電場(chǎng)II的方向一致，如圖1C所示。如果電場(chǎng)停止施加，懸垂分子通過(guò)自然松弛回到它的初始狀態(tài)方向，如圖1A所示。
這種通過(guò)電場(chǎng)施加產(chǎn)生的路易斯堿分子14的結(jié)構(gòu)或方向的改變，如上所述，使具有金屬離子3的絡(luò)合物形成部分的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生改變，其結(jié)果是具有金屬離子3的π絡(luò)合物形成部分的鍵的狀態(tài)或電子導(dǎo)電的主軸分子2的分子結(jié)構(gòu)被改變以改變電子導(dǎo)電的主軸分子2的導(dǎo)電率。
圖2A和2B是用于說(shuō)明在分子水平上，上述功能性分子元件1的開(kāi)關(guān)功能的示范結(jié)構(gòu)例子的解釋性透視示意圖。功能性分子元件1由線或膜狀主軸分子2和以懸垂的形式通過(guò)能充當(dāng)路易斯酸的金屬離子3布置在主軸分子2上的路易斯堿分子4組成。這個(gè)主軸分子2具有共軛體系并且通過(guò)非定域的π電子顯示導(dǎo)電性。路易斯堿分子4顯示介電常數(shù)各向異性或偶極矩，如上所述。具有共軛體系的電子導(dǎo)電的主軸分子2和路易斯堿分子4圍繞金屬離子3組成絡(luò)合物6。
形成懸垂部分的路易斯堿分子4，顯示出介電常數(shù)各向異性或偶極矩，因此傾向于在電場(chǎng)中被定向，在相對(duì)于電場(chǎng)方向的指定方向上，即在其分子的長(zhǎng)軸方向與電場(chǎng)的方向一致或垂直的方向上。
因此，通過(guò)改變作用在路易斯堿分子4上的電場(chǎng)，懸垂部分的位置能相對(duì)于電場(chǎng)的方向改變，結(jié)果是路易斯堿分子4和共軛體系的主軸分子2之間的角度、金屬離子結(jié)合的配位體的位置，或者絡(luò)合物形成部分6的結(jié)構(gòu)例如三維結(jié)構(gòu)能被改變以控制共軛體系的主軸分子2的導(dǎo)電率，即電子的流動(dòng)。
例如，圖2A表示路易斯堿分子4和共軛體系的主軸分子2之間的位置關(guān)系不適合于傳導(dǎo)的情況。在這一狀態(tài)，對(duì)于整個(gè)共軛體系，在主軸分子2中電子的流動(dòng)被絡(luò)合物形成部分6阻止，因此沒(méi)有電子流動(dòng)，然后功能性分子元件1處于截止?fàn)顟B(tài)。
另一方面，圖2B表示路易斯堿分子4的方向已經(jīng)改變，因此路易斯堿分子4和共軛體系的主軸分子2之間的位置關(guān)系已經(jīng)變成適合于傳導(dǎo)的情況。在這一狀態(tài)，對(duì)于整個(gè)共軛體系，在主軸分子2中的電子的流動(dòng)沒(méi)有被絡(luò)合物形成部分6阻止，因此電子能流動(dòng)，然后功能性分子元件1處于導(dǎo)通狀態(tài)。
也就是，使用功能性分子元件1，不是電場(chǎng)直接作用于電子導(dǎo)電的主軸分子2以調(diào)節(jié)它的導(dǎo)電率，而是電場(chǎng)作用并且引起路易斯堿分子4的運(yùn)動(dòng)，例如通過(guò)如此移動(dòng)的路易斯堿分子以調(diào)節(jié)在絡(luò)合物形成部分6中的電子6的流動(dòng)。如果通過(guò)共軛體系的共軛體系2的電子的流動(dòng)被比作在總水管中水的流動(dòng)，傳統(tǒng)有機(jī)FET的電場(chǎng)的作用試圖改變總水管的直徑。相反地，用接下來(lái)實(shí)施例，電場(chǎng)的作用可能被比作進(jìn)行開(kāi)啟/關(guān)閉在總水管(相當(dāng)于電子導(dǎo)電的主軸分子2)上提供的閥門(mén)(相當(dāng)于絡(luò)合物形成部分6)的處理(路易斯堿分子4)。
根據(jù)絡(luò)合物形成部分6或懸垂部分的結(jié)構(gòu)上的差別，考慮到幾個(gè)功能性分子元件1結(jié)構(gòu)的結(jié)合。
例如，懸垂部分可能由多個(gè)顯示共軛性質(zhì)的分子形成。假使組成懸垂部分的分子3是顯示出介電常數(shù)各向異性的分子，它可能是正的介電常數(shù)各向異性或者可能是負(fù)的介電常數(shù)各向異性。
場(chǎng)效應(yīng)分子器件這里，將描述場(chǎng)效應(yīng)分子器件21，其中聚吡咯22被用作顯示出導(dǎo)電率的共軛體系的主軸分子2，其銀(I)離子23被用作金屬離子3，以及其4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯，以下有時(shí)縮寫(xiě)成5CB，24被用作具有沿分子的長(zhǎng)軸方向的偶極矩的路易斯堿分子14，并且其三部分組裝到一起形成溝道部分。也將描述用于制造該器件的方法。
4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯24和吡咯的分子結(jié)構(gòu)被表示如下[化學(xué)式1] 注意聚吡咯22是一種高分子材料其吡咯分子以鏈?zhǔn)骄酆稀?br> 圖3A描述表示用于場(chǎng)效應(yīng)分子器件21中的梳狀電極33和34的結(jié)構(gòu)的平面視圖。圖3B描述沿圖3A的線III-III的剖視圖。
在這個(gè)場(chǎng)效應(yīng)分子器件21中，絕緣層32在同時(shí)當(dāng)作施加控制電場(chǎng)的電極使用的第一襯底31上形成。在絕緣層上，有被用來(lái)測(cè)量聚吡咯22的導(dǎo)電率的梳狀電極33、34形成。在第二襯底35上，有當(dāng)作施加控制電場(chǎng)的另一個(gè)電極的ITO(氧化銦錫)薄膜36形成。同質(zhì)方向薄膜37被放置其上。聚吡咯22，銀(I)離子23和4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯24與未示出的大量隔離物一起夾在兩個(gè)襯底31、35中，并且周密封劑38使他們的末端密封。在實(shí)際中，聚吡咯22層和4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯24層可能堆在一起。
也被當(dāng)作用于施加控制電場(chǎng)的電極使用的第一襯底31、以及作為用于施加控制電場(chǎng)的另一個(gè)電極的ITO薄膜36，電連接到用于施加控制電場(chǎng)41的電源。梳狀電極33、34電連接到用于測(cè)量導(dǎo)電率42的電源和安培表43。
圖4是用于說(shuō)明場(chǎng)效應(yīng)分子器件21的結(jié)構(gòu)的剖視示意圖。注意，雖然在圖4中只示出每一個(gè)組成溝道部分51的聚吡咯22、銀(I)離子23和4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯24的一個(gè)單元，這些只不過(guò)作為示例性表示，并且在實(shí)際中，會(huì)提供同樣化學(xué)物種類(lèi)的相當(dāng)大量的單元。參考圖4，將詳細(xì)說(shuō)明用于制造場(chǎng)效應(yīng)分子器件21的過(guò)程。
最初，用于施加控制電場(chǎng)到4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯24的電極31、36和用于測(cè)量聚吡咯22的導(dǎo)電率的梳狀電極33、34被制造。
例如，作為同時(shí)當(dāng)作用于施加控制電場(chǎng)的電極使用的第一襯底31，摻雜到高濃度的硅襯底被使用。為了作為絕緣層32使用通過(guò)在第一襯底31的表面上熱氧化形成氧化硅薄膜。例如，通過(guò)濺射在絕緣層32上形成梳狀電極33、34。
作為第二襯底35，例如玻璃襯底被使用。為了作為施加控制電場(chǎng)36的另一個(gè)電極使用，在玻璃襯底的表面，例如通過(guò)在真空中氣相沉積形成ITO薄膜。
例如，通過(guò)在ITO薄膜36上涂布，例如聚乙烯醇的同質(zhì)方向薄膜37形成。當(dāng)作為絕緣層同時(shí)被使用時(shí)，同質(zhì)方向薄膜37起到將4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯在共面方向?qū)R的作用。同質(zhì)方向薄膜37被加熱處理以及隨后被研磨處理。
功能性分子元件的材料被加入到上述電極之間的間隔里以形成場(chǎng)效應(yīng)分子器件21的主體部分，以允許導(dǎo)電率的調(diào)節(jié)和測(cè)量。
通過(guò)電場(chǎng)聚合方法制造聚吡咯薄膜22之后，聚吡咯薄膜從用于電場(chǎng)聚合的電極處分開(kāi)，并且粘到在第一襯底31的絕緣層32上形成的梳狀電極33、34上。聚吡咯薄膜就地干燥以提高結(jié)合到電極的緊密性。其后，預(yù)先合成的4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯-銀(I)絡(luò)合物被涂布在聚吡咯薄膜22上。
第一和第二襯底31、35連接在一起，因此在第二襯底35上形成的同質(zhì)方向薄膜37將緊密地連接到這個(gè)4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯-銀(I)絡(luò)合物層。
通過(guò)這個(gè)結(jié)合，與同質(zhì)方向薄膜37連接的4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯分子24沿著研磨方向同質(zhì)定向。這時(shí)，包含在聚吡咯鏈22中的部分氨基-NH與4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯的氰基-CN形成氫鍵，因此聚吡咯化學(xué)鏈22也被定向在研磨方向。區(qū)別于成隨機(jī)線圈形狀的聚吡咯薄膜，被定向的聚吡咯鏈22顯示出高導(dǎo)電率。結(jié)果是，當(dāng)電場(chǎng)的施加被接通/斷開(kāi)時(shí)，如稍后解釋一樣，適當(dāng)調(diào)節(jié)聚吡咯鏈22的導(dǎo)電率是可能的。然而聚吡咯的π電子共軛體系不直接受上述氫鍵的影響。
同時(shí)，4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯(5CB)24的氰基-CN大多通過(guò)氰基的偶極-偶極相互作用結(jié)合在一起以形成5CB分子24的二聚體。部分氰基-CN被配位到銀(I)離子或被氫鍵鍵合到相鄰聚吡咯的氨基-NH。因?yàn)殂y(I)離子和氰基的配位鍵牢固，因此作為電場(chǎng)施加的結(jié)果，當(dāng)5CB分子24配位改變時(shí)沒(méi)有鍵斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。相反地，在氰基和氨基之間的氫鍵是弱的，由此當(dāng)5CB分子24的配位改變時(shí)其有可能斷裂。
最后，連接在一起的兩個(gè)襯底31、35的未端用密封劑38例如環(huán)氧樹(shù)脂密封，以完成場(chǎng)效應(yīng)分子器件21。
施加到場(chǎng)效應(yīng)分子器件21的用于施加控制電場(chǎng)的電極31、36上的電壓被接通/斷開(kāi)，對(duì)布置在梳狀電極33和34之間的聚吡咯薄膜22的導(dǎo)電率進(jìn)行測(cè)量。能觀察到在電場(chǎng)斷開(kāi)期間顯示高電阻值而在電場(chǎng)施加時(shí)電阻值降低的調(diào)節(jié)作用。
在定向的初始狀態(tài)期間，在電場(chǎng)施加之前，5CB 24的方向平行于定向薄膜，同質(zhì)方向占優(yōu)勢(shì)。5CB分子24具有來(lái)源于氰基、并且沿著分子的長(zhǎng)軸方向起作用的偶極矩。如圖3和4所示，在場(chǎng)效應(yīng)分子器件21中，電場(chǎng)被沿圖紙的上下方向施加，由此參考圖1C如前所述懸垂部分的操作模式是往復(fù)類(lèi)型的運(yùn)動(dòng)。圖4表示5CB分子24的直立狀態(tài)，其在施加驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)產(chǎn)生。
由于施加電場(chǎng)造成導(dǎo)電率調(diào)節(jié)的理由如下在電場(chǎng)施加以前，銀(I)離子和吡咯環(huán)的π電子形成π絡(luò)合物。既然由于通過(guò)施加電場(chǎng)造成5CB分子24的方向改變，相對(duì)于吡咯環(huán)5CB分子的位置被改變，因此5CB-銀(I)絡(luò)合物形成部分被移到吡咯環(huán)表面(π共軛體系)的外面。因此，銀(I)離子和吡咯環(huán)形成σ絡(luò)合物，所以在吡咯環(huán)之間的二面角的畸變能(distortion energy)降低，從而提高導(dǎo)電率。
所采用的4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯(5CB)分子通常具有如液晶的性質(zhì)。然而，因?yàn)樗旧淼拈_(kāi)關(guān)操作不需要液晶的性質(zhì)，分子元件當(dāng)然能被用作分子水平元件。同時(shí)，注意單獨(dú)5CB分子未顯示出液晶的性質(zhì)。
簡(jiǎn)而言之，在本實(shí)施例中，提供一種新的功能性分子元件，其中，顯示出介電常數(shù)各向異性或偶極矩的分子相對(duì)于線性或膜狀電子導(dǎo)電的主軸分子，通過(guò)金屬離子以懸垂的形式布置，并且其懸垂部分相對(duì)于電場(chǎng)方向被改變方向以調(diào)節(jié)絡(luò)合物分子的結(jié)構(gòu)，例如以控制電子導(dǎo)電的主軸分子的導(dǎo)電率(電子的流動(dòng)狀態(tài))。
上述功能性分子元件引起懸垂部分4的分子的方向狀態(tài)改變，如以致控制在電子導(dǎo)電的主軸分子2中的電子的流動(dòng)，正如總水管的龍頭被旋轉(zhuǎn)以控制在總水管中的水的流動(dòng)一樣。也就是說(shuō)，以不同于將分子本身認(rèn)為是元件并且分子中電子的狀態(tài)被改變以使導(dǎo)電率產(chǎn)生改變的現(xiàn)有技術(shù)的元件的方式，分子元件用全新的觀點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。
通常，顯示出導(dǎo)電率的有機(jī)材料具有π電子共軛體系。因?yàn)槿魏尉哂笑须娮拥牟牧媳囟苄纬山j(luò)合物，上述原則適用于所有顯示出導(dǎo)電率的有機(jī)分子，即不但適用于上述的聚吡咯，而且適用于電子導(dǎo)電的高分子材料，例如聚對(duì)苯，聚萘，聚蒽，聚芘，聚，聚呋喃，聚噻吩，聚硒吩，聚(對(duì)苯硫醚)，聚(對(duì)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，或單體也能被使用。具有π電子共軛體系的碳分子，如碳納米管，同樣地能被使用。
對(duì)電場(chǎng)響應(yīng)的路易斯堿分子，除上述的4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯分子外，還能枚舉為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。
除上述銀(I)離子外，形成絡(luò)合物的金屬離子還能枚舉為過(guò)渡金屬，例如釩、鉻、錳、鐵、鈷、銅、鋅、釕、銣、鎘或汞的離子。
分子元件能被應(yīng)用到各種各樣的電子器件，例如開(kāi)關(guān)、晶體管、存儲(chǔ)或邏輯電路。
除了上述從通常尺寸到納米級(jí)元件范圍內(nèi)變化的可變尺寸的元件能從同樣材料的分子制造，以及適于所考慮的目標(biāo)的分子能從各種各樣的材料的分子中被選擇出來(lái)的優(yōu)點(diǎn)之外，以下將指出根據(jù)本發(fā)明例如由有機(jī)分子形成的上述功能性分子元件的優(yōu)點(diǎn)。
1.低功耗；2.對(duì)所使用的驅(qū)動(dòng)頻率沒(méi)有限制；3.低污染；以及4.能得到多重功能。
關(guān)于上述1，因?yàn)椴僮鲉卧且粋€(gè)分子或一個(gè)電子，操作具有低的功耗和放出低的熱量基本上是可能的，因此即使集成度增加也幾乎沒(méi)有出現(xiàn)與發(fā)熱相關(guān)的問(wèn)題。
關(guān)于上述2，期望單純通過(guò)材料或結(jié)構(gòu)的選擇或設(shè)計(jì)得到超過(guò)傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體晶體的高速響應(yīng)特性，如近來(lái)的液晶的高速響應(yīng)特性的改善所證明的。
關(guān)于上述3，因?yàn)樽鳛楣δ苄苑肿釉褂玫挠袡C(jī)分子可能通過(guò)用于合成有機(jī)化合物的常規(guī)方法合成，因此，使用可能對(duì)人類(lèi)或環(huán)境有害的反應(yīng)劑，如那些在無(wú)機(jī)半導(dǎo)體制造工藝上使用的反應(yīng)劑，是不必要的。
關(guān)于上述4，在大量有機(jī)分子的特性被利用的前題下，實(shí)現(xiàn)未能在傳統(tǒng)技術(shù)中實(shí)現(xiàn)的功能，如味覺(jué)傳感器或氣味傳感器，是有可能的。
使用功能性分子元件的邏輯門(mén)電路如上所述，電場(chǎng)施加時(shí)其三維結(jié)構(gòu)被改變以說(shuō)明其功能的功能性分子元件，根據(jù)電場(chǎng)處理是否進(jìn)行，顯示出彼此相反的I-V(伏安)特性，如稍后所述。因此，功能性分子元件能組成由CMOS晶體管形成的反相器(非門(mén))。
只要沒(méi)有電場(chǎng)被施加，聚吡咯-銀離子-5CB懸垂分子形成π絡(luò)合物，如上所述。因?yàn)樵诰圻量┑南噜彮h(huán)之間的二面角較大，即有一個(gè)纏繞的狀態(tài)，因此π絡(luò)合物導(dǎo)電率低，因此π電子幾乎不能被共軛?，F(xiàn)在如果柵極電壓被施加到π絡(luò)合物，5CB懸垂分子和吡咯之間的位置關(guān)系被改變，因此π絡(luò)合物被轉(zhuǎn)變?yōu)棣医j(luò)合物。用這個(gè)σ絡(luò)合物，聚吡咯的相鄰環(huán)之間的二面角變小，由此π電子準(zhǔn)備共軛。因此，σ絡(luò)合物具有高的導(dǎo)電率。
也就是說(shuō)，如果柵極電壓VG斷開(kāi)，電流I(在源極和漏極之間的電流)不容易流動(dòng)，反之，如果柵極電壓接通，電流流量被增加，如圖5A所示。這些I-V特性被稱(chēng)為類(lèi)型I特性。
如果其共軛體系的主軸分子是聚吡咯、路易斯堿分子是5CB液晶分子以及金屬離子是銀離子的π絡(luò)合物，使用通過(guò)高頻電場(chǎng)的電場(chǎng)處理來(lái)處理一個(gè)小時(shí)，則所有的絡(luò)合物排他地變成σ絡(luò)合物。如果柵極電壓被施加到σ絡(luò)合物，與5CB懸垂分子形成配位鍵的吡咯環(huán)是一致旋轉(zhuǎn)的，憑此相對(duì)于未形成配位鍵的吡咯環(huán)的二面角被改變。也就是說(shuō)，電子導(dǎo)電的高分子材料的π共軛體系被定位以降低吡咯環(huán)的導(dǎo)電率。
也就是說(shuō)，當(dāng)柵極電壓斷開(kāi)時(shí)，電流容易流動(dòng)，以及當(dāng)柵極電壓接通時(shí)，電流流量降低，如圖5B所示。顯示出這些伏安特性的柵極被稱(chēng)為類(lèi)型II。
這些柵極能被串聯(lián)連接在電源VDD和地之間以形成CMOS結(jié)構(gòu)(非門(mén))的邏輯門(mén)電路，如圖6所示。
也就是說(shuō)，類(lèi)型I和類(lèi)型II被固定在同一個(gè)襯底上，并且公共輸入電壓Vin被施加于柵極。對(duì)于同樣的輸入電壓，通過(guò)類(lèi)型I執(zhí)行和通過(guò)類(lèi)型II執(zhí)行的開(kāi)關(guān)操作相互之間是相反的，因此，當(dāng)類(lèi)型II晶體管導(dǎo)通時(shí)，類(lèi)型I晶體管截止。因此，輸出電壓VOUT＝VDD。相反地如果類(lèi)型II晶體管截止，類(lèi)型I晶體管導(dǎo)通，因此輸出電壓＝VOUT＝0。
如此，CMOS結(jié)構(gòu)作為非電路操作。在集成電路中使用的各種邏輯門(mén)之中，非電路可以說(shuō)是最基本的。
當(dāng)類(lèi)型I導(dǎo)通時(shí)，類(lèi)型II必然截止，因此沒(méi)有電流從VDD流過(guò)，由此沒(méi)有功率消耗。這表現(xiàn)了CMOS結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵特性并且與它的低功耗有關(guān)。因?yàn)閿?shù)百萬(wàn)的小尺寸晶體管被內(nèi)置到大規(guī)模集成電路中，因此在電路中不但功率消耗增加，而且釋放更多的熱量，以致引起數(shù)字電路的故障。為此，CMOS結(jié)構(gòu)適于集成電路的設(shè)計(jì)和制作。CMOS結(jié)構(gòu)具有高能效率并且有助于微型化，因此它是現(xiàn)代集成電路中不可缺少的。
現(xiàn)在將詳細(xì)描述本發(fā)明的幾個(gè)例子。
<場(chǎng)效應(yīng)分子器件>
場(chǎng)效應(yīng)分子器件21，如圖3和4所示，被制造。最初，用于施加控制電場(chǎng)到4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯24的電極31、36、以及用于測(cè)量聚吡咯22的導(dǎo)電率的電極33、34被形成。
作為第一襯底(用于施加控制電場(chǎng)的電極)31，摻雜到高濃度的硅襯底被使用。第一襯底31的表面被加熱處理以形成將被用作絕緣薄膜32的氧化硅薄膜。金的梳狀電極33、34通過(guò)濺散在作為測(cè)量聚吡咯22的導(dǎo)電率的電極使用的絕緣薄膜32上形成。
ITO電極36，作為用于施加控制電場(chǎng)的另一個(gè)電極，通過(guò)在第二襯底(玻璃襯底)35上真空沉積形成。同時(shí)作為絕緣薄膜使用的同質(zhì)方向薄膜37，在ITO電極36上形成。聚乙烯醇被用作定向薄膜材料。準(zhǔn)備10wt％的聚乙烯醇水溶液并且通過(guò)旋涂施加在ITO電極36上。得到的聚乙烯醇系統(tǒng)在110℃被加熱30分鐘。
加熱獲得的聚乙烯醇系統(tǒng)經(jīng)受研磨處理。大量隔離物，每一個(gè)直徑為3μm，被噴撒在加熱的聚乙烯醇系統(tǒng)上并且在真空中干燥三天三夜。
ITO電極在玻璃襯底上形成，在其上以形成聚吡咯薄膜22，并且還原的聚吡咯薄膜22通過(guò)電場(chǎng)聚合方法形成。特別是，還原的聚吡咯薄膜按照恒流法準(zhǔn)備。關(guān)于操作條件，在1.0mA/cm2和50mC/cm2聚合進(jìn)行，然后降低到-0.5mA/cm2以及16mC/cm2。得到的薄膜被剝離并且結(jié)合到第一襯底上的梳狀電極33、34上。第一和第二隔離物與中間的隔離物連接在一起，如此以至在兩個(gè)襯底之間的間隙為40μm。
硫酸銀的水溶液和4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯混合在一起并且在140℃反應(yīng)三個(gè)小時(shí)。得到的4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯銀(I)絡(luò)合物溶液通過(guò)利用毛細(xì)現(xiàn)象被注入到第一襯底31和第二襯底35之間的間隔。注意，當(dāng)聚吡咯、銀(I)離子和4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯的絡(luò)合物形成時(shí)，薄膜顏色略微改變，例如，從黃色到紫色。注意到這種顏色的變化，因此能說(shuō)明絡(luò)合物的形成。
最后，結(jié)合在一起的兩個(gè)襯底31、35的未端，用例如，環(huán)氧樹(shù)脂的密封劑38密封，以完成場(chǎng)效應(yīng)分子器件21。
施加到如上所述形成的場(chǎng)效應(yīng)分子器件21的用于施加控制電場(chǎng)的電極31、36的電壓接通/斷開(kāi)，在直流偏壓下對(duì)聚吡咯薄膜22在梳狀電極33、34間的導(dǎo)電率進(jìn)行測(cè)量。觀察到在電源斷開(kāi)期間電阻值高以及在電場(chǎng)施加時(shí)降低的調(diào)節(jié)操作。
如果10kHz的高頻電場(chǎng)以雙極矩形波的形式，施加到用于施加場(chǎng)效應(yīng)分子器件21的控制電場(chǎng)31、36的電極，則對(duì)梳狀電極33、34間的電阻進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量的結(jié)果表示在圖7的圖中，其電阻測(cè)量值相對(duì)于施加電壓的大小繪圖。圖的整個(gè)區(qū)域大致被分成三個(gè)獨(dú)立的子區(qū)域。在圖7的上面部分，是表示每一個(gè)子區(qū)域在電極31和36之間由5CB形成的懸垂部分的方向的狀態(tài)的示意圖。
在子區(qū)域I中其施加電壓小于7到8V，相對(duì)于施加電壓的增加，電阻值幾乎不變，或僅稍微增加。雖然電阻值增加的原因不清楚，但因?yàn)槭┘与妷旱闹禈O小，估計(jì)在子區(qū)域I中電場(chǎng)的操作是不夠的，由此懸垂部分的方向從初始狀態(tài)幾乎不改變，如圖7的上面部分所示。因此，電阻值的改變也很小。
在子區(qū)域II中，施加電壓在9和20V之間變化，電阻值隨著施加電壓的增加略微地降低。估計(jì)，在子區(qū)域II中，施加電壓足夠地高并且懸垂部分的方向的狀態(tài)確定為施加電壓大小的函數(shù)，因此電阻值受施加電壓的顯著影響。
在子區(qū)域III中，其施加電壓超過(guò)20V，電阻值隨著施加電壓的增加僅稍微地改變。估計(jì)，在子區(qū)域III中，懸垂部分的方向的改變變?yōu)轱柡?，由此如圖7的上面部分所示懸垂部分的方向的改變變小，因此電阻值的改變也小。
在圖8的圖中，如果10kHz和1V/μm的高頻電場(chǎng)以雙極正弦波的形式，間歇地施加到用于施加場(chǎng)效應(yīng)分子器件21的控制電場(chǎng)31的電極上，則在梳狀電極33、34之間電阻測(cè)量值相對(duì)于時(shí)間繪圖。從圖中看出導(dǎo)電率通過(guò)電場(chǎng)的接通/斷開(kāi)被有效地調(diào)節(jié)。
為了對(duì)比，未包含銀(I)離子的偽場(chǎng)效應(yīng)分子器件用與以上同樣的方法制造，除了用4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯單獨(dú)代替4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯銀(I)絡(luò)合物而注入到兩個(gè)襯底之間的間隔，并且對(duì)得到的結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電率進(jìn)行測(cè)量。這時(shí)，還原的聚吡咯薄膜的顏色保持黃色，然而注意到作為電場(chǎng)施加的結(jié)果導(dǎo)電率沒(méi)有改變。原因可能是這樣，因?yàn)闆](méi)有銀(I)離子23，由此在4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯24和聚吡咯22之間沒(méi)有形成鍵，在4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯24上電場(chǎng)的操作不足夠強(qiáng)以對(duì)聚吡咯22的導(dǎo)電率產(chǎn)生變化。
由與場(chǎng)效應(yīng)分子器件21同樣的材料形成的用于可見(jiàn)紫外光吸收光譜的測(cè)量單元被制造，以澄清基于可見(jiàn)紫外光吸收光譜的電場(chǎng)施加的效果的操作機(jī)制。除了使用氟化鈣襯底作為第一襯底31和第二襯底35，以及除了在那些襯底上提供由透明的電子導(dǎo)電的薄膜形成的、作為用于施加控制電場(chǎng)的電極的透明電極之外，該單元用和例子1中同樣的方法制造。沒(méi)有提供梳狀電極，例如梳狀電極33、34。
4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯銀(I)絡(luò)合物溶液通過(guò)利用毛細(xì)管現(xiàn)象被注入到第一襯底31和第二襯底36之間的間隔。提供這樣操作，聚吡咯、銀(I)離子和4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯絡(luò)合物被形成。薄膜顏色從黃色略微改變到紫色，其表明絡(luò)合物已經(jīng)形成的事實(shí)。
10kHz和1V/μm的高頻電場(chǎng)，以雙極正弦波的形式，間歇地施加到用于施加測(cè)量可見(jiàn)紫外光吸收光譜的測(cè)量單元的控制電場(chǎng)的電極上，并且對(duì)這時(shí)的可見(jiàn)紫外光的吸收光譜進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果表明吸收的局部最大值通過(guò)電場(chǎng)的接通/斷開(kāi)而變換，如圖9所示。
為了對(duì)比，除了只用4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯代替4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯銀(I)絡(luò)合物注射到襯底之間的間隔外，用于吸收光譜測(cè)量的偽單元用和如上所述同樣的方法制造，因此在如此制造的單元中沒(méi)有包含銀(I)離子。10kHz的高頻電場(chǎng)，以雙極正弦波的形式，間歇地施加到用于施加偽單元的控制電場(chǎng)的電極上，用和如上所述同樣的方法，對(duì)偽單元的可見(jiàn)紫外光的吸收光譜進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量的結(jié)果如圖10所示。
參考圖10，其表示在覆蓋狀態(tài)、0V到40V的多種施加電壓下測(cè)量的光譜，觀察不到表明吸收光譜的局部最大值的波長(zhǎng)由于電場(chǎng)的接通/斷開(kāi)而被變換的現(xiàn)象。原因可能是這樣的，因?yàn)楝F(xiàn)在沒(méi)有銀(I)離子23，并且在4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯24和聚吡咯22之間沒(méi)有鍵形成，因此在4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯24上的電場(chǎng)操作不能將它自己轉(zhuǎn)化成聚吡咯22的導(dǎo)電率的改變。
<類(lèi)型I場(chǎng)效應(yīng)分子器件的I-V特性>
被施加到用于施加以與如上所述同樣的方法制造的場(chǎng)效應(yīng)分子器件21的控制電場(chǎng)的電極31、36的電場(chǎng)Vg，從零逐漸地增加，并且在交流偏壓下，對(duì)流過(guò)布置在梳狀電極33、34之間的聚吡咯薄膜22的電流的電流密度Ids進(jìn)行測(cè)量。注意到這樣的調(diào)節(jié)作用，其中當(dāng)電場(chǎng)Vg斷開(kāi)時(shí)很小的電流密度Ids隨施加的電場(chǎng)Vg的增加逐漸地增加。同樣，當(dāng)施加的電場(chǎng)Vg逐漸地降低時(shí)，電流密度Ids降低，然而，注意到滯后施加現(xiàn)象。即，當(dāng)施加的電場(chǎng)Vg從電場(chǎng)Vg的值降低時(shí)的電流密度Ids的測(cè)量值大于當(dāng)施加的電場(chǎng)Vg從與施加的電場(chǎng)Vg相同的值增加時(shí)的電流密度Ids的測(cè)量值。
圖11描述表示在10kHz高頻電場(chǎng)以雙極矩形波形式施加到用于施加場(chǎng)效應(yīng)分子器件21的控制電場(chǎng)的電極31、36上的情況下，在電場(chǎng)Vg的強(qiáng)度和電流密度Ids之間的關(guān)系的圖。參考圖11，如果施加的電場(chǎng)Vg增加，則只有當(dāng)Vg剛剛超過(guò)0.4V/μm時(shí)Ids開(kāi)始呈現(xiàn)有意義的數(shù)值，然而，在Ids達(dá)到最大值(大約0.3mA/μm)之后當(dāng)施加的電場(chǎng)Vg降低時(shí)，即使在Vg降低到0.4(V/μm)的情況下，Ids保持在最大值的60％程度的值，只有當(dāng)Vg降低到0.1(V/μm)程度的值時(shí)Ids回到接近于零的值。這證實(shí)了滯后現(xiàn)象。上述I/V特性對(duì)類(lèi)型I柵極是正確的。
為了在紅外吸收光譜測(cè)量的基礎(chǔ)上澄清上述電場(chǎng)施加的效果的操作機(jī)制，用于測(cè)量紅外吸收光譜的測(cè)量單元用與場(chǎng)效應(yīng)分子器件21同樣的材料制造。除了使用氟化鈣襯底作為第一襯底31和第二襯底35，以及除了在那些襯底上提供由透明的電子導(dǎo)電的薄膜形成的、作為用于施加控制電場(chǎng)的電極的透明電極之外，測(cè)量單元用和例子1中同樣的方法制造。沒(méi)有提供梳狀電極，例如梳狀電極33、34。
如在上述的例子中，10kHz的高頻電場(chǎng)以雙極矩形波的形式施加到用于施加用于測(cè)量紅外吸收光譜的測(cè)量單元的控制電場(chǎng)的電極。電場(chǎng)從零逐漸地增加，并且在這一期間對(duì)紅外吸收光譜進(jìn)行觀察。可看出在作為聚吡咯和銀(I)離子形成σ絡(luò)合物的證明的N+H膨脹/收縮振動(dòng)帶(2337cm-1)和作為聚吡咯和銀(I)離子形成π絡(luò)合物的證明的CH膨脹/收縮振動(dòng)帶(3185cm-1)中產(chǎn)生改變。即，如果控制電場(chǎng)增加，則證明π絡(luò)合物的形成的CH膨脹/收縮振動(dòng)帶的強(qiáng)度降低，而證明σ絡(luò)合物的形成的N+H膨脹/收縮振動(dòng)帶的強(qiáng)度增加，如圖12所示。
從上述事實(shí)可知，推測(cè)能夠說(shuō)明流過(guò)聚吡咯薄膜22的電流的電流密度Ids增加的、從π絡(luò)合物占優(yōu)勢(shì)的狀態(tài)到σ絡(luò)合物占優(yōu)勢(shì)的狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，當(dāng)施加到場(chǎng)效應(yīng)分子器件21的電場(chǎng)Vg增加時(shí)能被觀察到。也能推測(cè)聚吡咯薄膜22的導(dǎo)電率在σ絡(luò)合物已經(jīng)形成的狀態(tài)比在π絡(luò)合物已經(jīng)形成的狀態(tài)能更顯著地改善。
圖13A表示σ絡(luò)合物和π絡(luò)合物的能量的理論計(jì)算結(jié)果，對(duì)此兩種絡(luò)合物顯示結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在5CB懸垂和吡咯環(huán)之間相對(duì)角度θ改變時(shí)進(jìn)行那些理論計(jì)算。根據(jù)計(jì)算的結(jié)果，明顯地π絡(luò)合物和σ絡(luò)合物兩者都能穩(wěn)定地存在，并且在懸垂部分相對(duì)于可以在每一絡(luò)合物中實(shí)現(xiàn)可能的最低能量的吡咯環(huán)的相對(duì)角度為θ的情況下，π絡(luò)合物比σ絡(luò)合物更穩(wěn)定大約10kcal/mol。因此能預(yù)期在沒(méi)有電場(chǎng)施加的情況下，π絡(luò)合物比σ絡(luò)合物更普遍地存在。
然而，同樣明顯地，當(dāng)懸垂部分和吡咯環(huán)之間的相對(duì)角度θ增加時(shí)，在π絡(luò)合物和σ絡(luò)合物之間的能量差逐漸地降低，而且，當(dāng)角度θ變得大于150°時(shí)，σ絡(luò)合物和π絡(luò)合物具有大約相同的能量。這意味著，在通過(guò)外部施加力強(qiáng)加相對(duì)角度θ的較大值的情況下，可能導(dǎo)致從π絡(luò)合物到σ絡(luò)合物的轉(zhuǎn)換。
圖14表示用于發(fā)現(xiàn)σ絡(luò)合物和π絡(luò)合物中吡咯環(huán)之間的二面角(形成感興趣的絡(luò)合物的吡咯環(huán)的平面和相鄰吡咯環(huán)的平面的角度)和懸垂部分與吡咯環(huán)產(chǎn)生的相對(duì)角度θ之間的關(guān)系的理論計(jì)算結(jié)果。計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于π絡(luò)合物，在吡咯環(huán)之間的二面角α幾乎不依賴(lài)于相對(duì)角度θ并且總是大于20°。如果在吡咯環(huán)之間的二面角α大，吡咯環(huán)之間的共軛關(guān)系被減弱，因此通過(guò)整個(gè)共軛體系的導(dǎo)電率也被損害，從而處于高電阻狀態(tài)。
相反，對(duì)于σ絡(luò)合物，吡咯環(huán)之間的畸變能和二面角隨著相對(duì)角度θ的改變而略微改變。圖15A和15B分別表示表明σ絡(luò)合物的低電阻狀態(tài)和高電阻狀態(tài)的分子模型。如果相對(duì)角度θ是130°，例如，如圖15A所示，二面角α是5°，從圖14中，兩個(gè)吡咯環(huán)的方向?qū)嵸|(zhì)上相互重合。因此，吡咯環(huán)之間的共軛關(guān)系沒(méi)有喪失，由此整個(gè)共軛體系的導(dǎo)電率是最佳的，而且阻抗值低。另一方面，如果相對(duì)角度θ是50°，例如，如圖15B所示，從圖14中能看出，在吡咯環(huán)的方向相互之間略微不同的情況下，二面角α是17°。因此，吡咯環(huán)之間的共軛關(guān)系被損害，由此整個(gè)共軛體系的導(dǎo)電率也減弱，而且阻抗值高。
上述理論計(jì)算的結(jié)果概括如下在沒(méi)有電場(chǎng)被施加時(shí)的通常狀態(tài)，具有高電阻的π絡(luò)合物存在占優(yōu)勢(shì)。然而，如果通過(guò)外部施加力強(qiáng)加較大的相對(duì)角度θ，則導(dǎo)致從π絡(luò)合物到σ絡(luò)合物的轉(zhuǎn)換。另外，σ絡(luò)合物在吡咯環(huán)之間具有小的二面角，并且整個(gè)共軛體系顯示出最佳的導(dǎo)電率，而且阻抗值低。
上述理論計(jì)算結(jié)果與從紅外吸收光譜的測(cè)量獲得的預(yù)測(cè)一致。結(jié)合兩者，可以推斷，注意當(dāng)施加到場(chǎng)效應(yīng)分子器件21的電壓Vg增加時(shí)，流過(guò)聚吡咯薄膜22的電流增加的電流密度Ids歸因于這樣的事實(shí)，由于施加的電場(chǎng)Vg的增加4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯(5CB)分子改變方向。然后在懸垂部分和吡咯環(huán)之間的相對(duì)角度θ增加，以不但導(dǎo)致從π絡(luò)合物到σ絡(luò)合物的轉(zhuǎn)換，而且降低二面角α，結(jié)果吡咯鏈的導(dǎo)電性從高電阻狀態(tài)調(diào)節(jié)到低電阻狀態(tài)。
為了對(duì)比，不包含聚吡咯薄膜也不包含銀(I)離子的偽場(chǎng)效應(yīng)分子器件，除了不形成聚吡咯薄膜并且用4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯單獨(dú)代替4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯銀(I)絡(luò)合物注入到兩個(gè)襯底之間的間隔以外，用和如上所述同樣的方法制造。然后，當(dāng)控制電場(chǎng)改變時(shí)，用和如上所述同樣的方法，測(cè)量電流密度的改變，以檢查如此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電率。注意沒(méi)有變化可歸因于電場(chǎng)的施加，如圖16所示。同時(shí)，在圖16的上面部分的標(biāo)記“僅僅5CB”意圖指定偽場(chǎng)效應(yīng)分子器件的部件。同樣適用本說(shuō)明書(shū)的以下部分。
為了對(duì)比，不包含聚吡咯薄膜的偽場(chǎng)效應(yīng)分子器件，除了不制造聚吡咯薄膜之外，用和如上所述同樣的方法制造。具體地說(shuō)，當(dāng)4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯銀(I)絡(luò)合物注入到兩個(gè)襯底之間的間隔時(shí)，偽場(chǎng)效應(yīng)分子器件被制造。用和如上所述同樣的方法，當(dāng)施加的控制電場(chǎng)改變時(shí)，測(cè)量電流密度的改變，以檢查如此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電率。注意沒(méi)有變化可歸因于電場(chǎng)的施加，如圖17所示。
再次，為了對(duì)比，除了還原制造的聚吡咯薄膜，以及也除了不注射4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯銀(I)絡(luò)合物到兩個(gè)襯底之間的間隔之外，偽場(chǎng)效應(yīng)分子器件用和如上所述同樣的方法制造。用和如上所述同樣的方法，當(dāng)施加的控制電場(chǎng)改變時(shí)，測(cè)量電流密度的改變，以檢查如此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電率。注意沒(méi)有變化可歸因于電場(chǎng)的施加，如圖18所示。同時(shí)，如圖18中所示的標(biāo)記“redPPy”，表示“還原的聚吡咯薄膜”，稍后將在比較的例子中解釋。
類(lèi)似地，為了對(duì)比，除了還原如此制造的聚吡咯薄膜，以及也除了用4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯單獨(dú)代替4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯銀(I)絡(luò)合物注射到兩個(gè)襯底之間的間隔之外，偽場(chǎng)效應(yīng)分子器件用和如上所述同樣的方法制造。用和如上所述同樣的方法，當(dāng)施加的控制電場(chǎng)改變時(shí)，測(cè)量電流密度的改變，以檢查如此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電率。注意到?jīng)]有變化可歸因于電場(chǎng)的施加，如圖19所示。
從上述比較的例子的對(duì)比可看出，聚吡咯薄膜的導(dǎo)電率在場(chǎng)效應(yīng)分子器件的導(dǎo)電率的調(diào)節(jié)中起了關(guān)鍵的作用，其通過(guò)電場(chǎng)施加產(chǎn)生，并且4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯銀(I)絡(luò)合物與導(dǎo)電率有關(guān)。
<類(lèi)型II場(chǎng)效應(yīng)分子器件的I/V特性>
除了施加高頻電場(chǎng)(10kHz，100V，一個(gè)小時(shí))到用和上述例子同樣的方法制造的聚吡咯-銀(I)-5CB絡(luò)合物的預(yù)處理在使用該器件之前進(jìn)行之外，場(chǎng)效應(yīng)分子器件21用和如上所述同樣的方法制造。對(duì)于預(yù)處理電場(chǎng)施加的時(shí)間為十分鐘或更久就足夠了。
施加到場(chǎng)效應(yīng)分子器件21的用于施加控制電場(chǎng)31、36的電極的、在預(yù)處理時(shí)獲得的電場(chǎng)Vg，如上所述，從零逐漸地增加，并且在交流偏壓下，對(duì)流過(guò)布置在梳狀電極33、34之間的聚吡咯薄膜22的電流的電流密度Ids進(jìn)行測(cè)量。注意到這樣的調(diào)節(jié)作用，其中，只要電場(chǎng)Vg斷開(kāi)，電流密度Ids就高，并且隨施加的電場(chǎng)Vg增加電流密度Ids逐漸地降低。在施加的電場(chǎng)然后逐漸地降低的情況下，電流密度增加，然而，注意到滯后現(xiàn)象。對(duì)于上述類(lèi)型II柵極，上面的I/V特性是正確的。
圖20描述表示在高頻電場(chǎng)以雙極矩形波的形式施加到用于施加場(chǎng)效應(yīng)分子器件21的控制電場(chǎng)31、36的電極的情況下，電場(chǎng)Vg和電流密度Ids的幅值之間關(guān)系的圖。
上述調(diào)節(jié)作用具有與通過(guò)類(lèi)型I柵極注意到的相反的傾向。電流密度Ids本身的幅值也略微不同于類(lèi)型I柵極。因此，通過(guò)包括施加高頻電場(chǎng)的預(yù)處理，改變場(chǎng)效應(yīng)分子器件導(dǎo)電率的可能性已經(jīng)顯示出來(lái)。原因可能是這樣，金屬(銀)離子被氧化并且在高頻電場(chǎng)下還原，因此導(dǎo)致上述絡(luò)合物的分解。
為了澄清在紅外吸收光譜測(cè)量的基礎(chǔ)上，上述電場(chǎng)施加的效果的操作機(jī)制，用于測(cè)量紅外吸收光譜的測(cè)量單元用如場(chǎng)效應(yīng)分子器件21的同樣的材料制造。除了利用氟化鈣襯底作為第一和第二襯底31、35、提供由透明的電子導(dǎo)電的薄膜形成的透明電極作為施加控制電場(chǎng)的電極、以及不提供梳狀電極33、34之外，測(cè)量單元用與類(lèi)型I情況中同樣的方法制造。
圖21A，21B描述表示在用于預(yù)處理的高頻電場(chǎng)施加前后用于測(cè)量紅外吸收光譜的測(cè)量單元的紅外光吸收光譜的圖。用于預(yù)處理在高頻電場(chǎng)施加之前，證明從聚吡咯和銀(I)離子形成σ絡(luò)合物的N+H膨脹/收縮振動(dòng)帶(2337cm-1)是相當(dāng)弱的，如圖21A所示。相反地，用于預(yù)處理的高頻電場(chǎng)施加之后，證明從聚吡咯和銀(I)離子形成σ絡(luò)合物的N+H膨脹/收縮振動(dòng)帶(2337cm-1)注意到具有高強(qiáng)度，如圖21B所示。另一方面，幾乎注意不到證明π絡(luò)合物形成的CH膨脹/收縮振動(dòng)帶(3185cm-1)。
<CMOS反相器>
參考圖22，23A和23B，絕緣層(SiO2)32在由大量并列源極S(33)和漏極D(34)、以及與其直交的大量柵極G(31a，31b)限定的間隔中形成。上述的聚吡咯-銀(I)-5CB絡(luò)合物被注入上襯底表面以形成溝道區(qū)51。更大量的CMOS反相器由源極S和漏極D與分別作為類(lèi)型I柵極(開(kāi)關(guān)部分S)50a和作為類(lèi)型II柵極(開(kāi)關(guān)部分S)50b的柵極G的交叉集合形成。這種制造方法與上述與場(chǎng)效應(yīng)分子器件有關(guān)的方法相似，因此這里不詳細(xì)描述。類(lèi)型II柵極通過(guò)施加10kHz、100V、一個(gè)小時(shí)的高頻電壓到柵極來(lái)進(jìn)行預(yù)處理。
圖24A和24B描述表示反相器的各個(gè)柵極的I-V特性的圖。在輸入a設(shè)置為0V的情況下，吡咯開(kāi)關(guān)I截止，而吡咯開(kāi)關(guān)II導(dǎo)通。輸出q通過(guò)吡咯開(kāi)關(guān)II拉到VDD，因此10kHz和1V的信號(hào)輸出。在輸入a設(shè)置為10kHz和1V的信號(hào)的情況下，吡咯開(kāi)關(guān)I導(dǎo)通，而吡咯開(kāi)關(guān)II截止。輸出q通過(guò)吡咯開(kāi)關(guān)I拉到地，因此0V信號(hào)輸出。
因?yàn)闇系啦糠钟没衔?絡(luò)合物)形成，其π電子共軛體系通過(guò)由電場(chǎng)引起分子結(jié)構(gòu)的改變而改變，因此功能性分子器件的電特性，例如導(dǎo)電性，由π電子共軛體系獲得。另外，因此獲得的電特性通過(guò)電場(chǎng)改變導(dǎo)致的分子結(jié)構(gòu)的改變來(lái)調(diào)節(jié)。
多個(gè)柵極，每一個(gè)由溝道部分、柵極、源極和漏極形成、并由上述功能性分子元件的化合物形成，能相互連接以組成集成電路，尤其是邏輯門(mén)電路。更具體地說(shuō)，在不受到電場(chǎng)處理的柵極中，在上述多個(gè)柵極以外，通過(guò)源極和漏極的電流相對(duì)于施加的柵極電壓而增加，然而，在受到電場(chǎng)處理的柵極中，通過(guò)源極和漏極的電流相對(duì)于施加的柵極電壓降低，因此兩類(lèi)柵極顯示出各自不同的特性。因此，這兩類(lèi)柵極能被連通到一起以形成分子晶體管，與相同材料的所謂的MOS相比不遜色。本發(fā)明不僅能應(yīng)用到CMOS反相器，如上所述，而且能應(yīng)用到大量種類(lèi)的邏輯門(mén)電路。
雖然迄今為止參考優(yōu)選的實(shí)施例已經(jīng)說(shuō)明本發(fā)明，但本發(fā)明不局限于這些實(shí)施例的特定結(jié)構(gòu)。容易理解，本發(fā)明包括了在本發(fā)明的范圍和原理內(nèi)本領(lǐng)域技術(shù)人員能容易得到的各種變化或修正。
工業(yè)實(shí)用性根據(jù)本發(fā)明，基于上述電場(chǎng)的新的操作機(jī)制、由功能性分子元件形成的多個(gè)柵極，被相互連接以應(yīng)用到各種各樣的電子器件，例如開(kāi)關(guān)，晶體管，存儲(chǔ)器或邏輯電路。從傳統(tǒng)的大尺寸元件到納米尺寸元件的寬尺寸范圍的電子器件能夠使用相同的材料并且基于相同的原理被制造。
權(quán)利要求
1.一種功能性分子器件，包括連接在一起的多個(gè)柵極；每一個(gè)所述柵極，由具有通過(guò)由電場(chǎng)引起的分子結(jié)構(gòu)的改變而改變的π電子共軛體系的化合物形成的溝道部分、用于施加所述電場(chǎng)的電場(chǎng)施加裝置、以及通過(guò)所述溝道部分輸出相應(yīng)于所述電場(chǎng)的輸出的輸出裝置形成，所述柵極通過(guò)所述電場(chǎng)顯示出各個(gè)不同的電特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功能性分子器件，其中，邏輯門(mén)電路由多個(gè)所述柵極形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的功能性分子器件，其中，所述邏輯門(mén)電路形成為反相器，所述反相器由通過(guò)所述電場(chǎng)顯示各個(gè)不同的溝道電阻值的多個(gè)所述柵極形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功能性分子器件，其中所述溝道部分包括顯示出介電常數(shù)各向異性和/或偶極矩的分子、金屬離子以及共軛體系的分子；所述金屬離子、顯示出介電常數(shù)各向異性和/或偶極矩的所述分子、以及共軛體系的所述分子形成絡(luò)合物，包括所述電場(chǎng)施加裝置施加電場(chǎng)到顯示出介電常數(shù)各向異性和/或偶極矩的所述分子；以及輸入/輸出裝置是用于共軛體系的所述分子。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的功能性分子器件，其中，所述輸入/輸出裝置輸入/輸出電子。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的功能性分子器件，其中，顯示出介電常數(shù)各向異性和/或偶極矩的所述分子布置在適于施加所述電場(chǎng)的電極上，所述金屬離子和所述共軛體系的分子被布置在對(duì)面電極之間，以及與所述電場(chǎng)相對(duì)應(yīng)的輸出從至少一個(gè)所述對(duì)面電極輸出。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的功能性分子器件，其中，導(dǎo)電路徑由共軛體系的所述分子形成，以及所述導(dǎo)電路徑具有由作用在顯示出介電常數(shù)各向異性和/或偶極矩的所述分子上的所述電場(chǎng)的改變來(lái)控制的導(dǎo)電性。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的功能性分子器件，其中，在所述多個(gè)柵極的指定的一個(gè)中，先于施加所述電場(chǎng)，高頻電場(chǎng)被施加到所述絡(luò)合物上，以改變所述指定柵極的所述導(dǎo)電路徑的電導(dǎo)率。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的功能性分子器件，其中，相對(duì)于電場(chǎng)的方向顯示出介電常數(shù)各向異性和/或偶極矩的所述分子的位置關(guān)系由作用在顯示出介電常數(shù)各向異性和/或偶極矩的所述分子上的所述電場(chǎng)的改變而改變，由此，所述分子與共軛體系的所述分子之間產(chǎn)生的角度、所述金屬離子的作用位置、或所述絡(luò)合物的三維結(jié)構(gòu)被改變。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的功能性分子器件，其中，所述共軛體系層和顯示出介電常數(shù)各向異性和/或偶極矩的所述分子層形成堆。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的功能性分子器件，其中，絕緣層在第一電極上提供，第二和第三電極以免于彼此接觸的方式在所述絕緣層上形成，所述堆至少布置在所述第二和第三電極之間，以及第四電極或者直接或者經(jīng)由絕緣層提供在所述堆的顯示出介電常數(shù)各向異性和/或偶極矩的所述分子層上。
12.根據(jù)權(quán)利要求4所述的功能性分子器件，其中，顯示出介電常數(shù)各向異性和/或偶極矩的所述分子是路易斯堿分子。
13.根據(jù)權(quán)利要求4所述的功能性分子器件，其中，所述金屬離子是路易斯酸。
14.根據(jù)權(quán)利要求4所述的功能性分子器件，其中，顯示出介電常數(shù)各向異性和/或偶極矩的所述分子在電場(chǎng)作用下使方向改變。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的功能性分子器件，其中，顯示出介電常數(shù)各向異性和/或偶極矩的所述分子在電場(chǎng)的作用下使方向改變，以引起共軛體系的所述分子的電導(dǎo)率的改變。
16.根據(jù)權(quán)利要求4所述的功能性分子器件，其中，共軛體系的所述分子是聚吡咯。
17.根據(jù)權(quán)利要求4所述的功能性分子器件，其中，顯示出介電常數(shù)各向異性和/或偶極矩的所述分子是4-戊基-4′-氰基聯(lián)苯。
18.根據(jù)權(quán)利要求4所述的功能性分子器件，其中，所述金屬離子是銀離子。
全文摘要
提供一種功能性分子元件，其在電場(chǎng)作用下能夠發(fā)揮它的功能，包括線或膜狀基軸分子(2)，具有共軛體系并且顯示出電導(dǎo)率；以及以懸垂的形式經(jīng)由能夠充當(dāng)路易斯酸的金屬離子(3)安裝到其的路易斯堿分子(14)，具有正的介電常數(shù)各向異性或具有分子的長(zhǎng)軸方向的偶極矩，因此在電場(chǎng)施加下結(jié)構(gòu)改變發(fā)生以導(dǎo)致功能的體現(xiàn)。導(dǎo)電的基軸分子(2)以及路易斯堿分子(14)和金屬離子(3)一起形成絡(luò)合物(6)。在電場(chǎng)的施加下路易斯堿分子(14)進(jìn)行搖擺或往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而影響基軸分子(2)的導(dǎo)電性開(kāi)關(guān)。因此獲得的分子根據(jù)電場(chǎng)施加或不施加而顯示出相反電特性，因此從單一材料，能實(shí)現(xiàn)具有與那些CMOS相同功能的分子器件。
文檔編號(hào)B82B1/00GK1973385SQ20058002098
公開(kāi)日2007年5月30日 申請(qǐng)日期2005年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月23日
發(fā)明者松居惠理子, 松澤伸行, 安田章夫, 奧利弗·哈納克 申請(qǐng)人:索尼株式會(huì)社, 索尼德國(guó)有限責(zé)任公司