JPH11505068A

JPH11505068A - ディスコティック液晶をベースとした電子機器

Info

Publication number: JPH11505068A
Application number: JP8533849A
Authority: JP
Inventors: ボーデン，ネビル; モバガー，ビジェン; クレメンツ，ジョナサン
Original assignee: University of Leeds
Current assignee: University of Leeds
Priority date: 1995-05-13
Filing date: 1996-03-28
Publication date: 1999-05-11
Also published as: WO1996036082A1; EP0827635A1; AU5279396A; GB9509729D0

Abstract

(57)【要約】本発明は、ドープされた、あるいはドープされていない、ディスコティック液晶を含む電子機器に関し、より詳細には、１対の対向する第１および第２の電極間に位置するディスコティック液晶に関する。記載される様々なアレンジメントは、温度センサ、電界効果トランジスタ、光検出器、非線形光学素子、化学薬品および放射線検出器、および蛍光装置などの様々な電子機器において使用され得る。

Description

【発明の詳細な説明】ディスコティック液晶をベースとした電子機器発明の提示本発明は、ディスコティック液晶（DLC）が提供する独特な性質を利用する電子機器およびその局面に関する。特に、これらの電子機器は、分子レベルで機能すること、すなわち、分子レベルでの電荷の移動および／または検出の恩恵を受けるものである。このような機器は、典型的には、向上した感度が利点である機器を含むが、それらに限定されるものではない。本発明に従った電子機器の例は、以下の装置を含むが、それらに限定されるものではない。ａ）温度センサとして潜在的な適用性を持つ、分子スケールの電流整流器（ダイオード）。ｂ）放射線検出器、化学薬品（chemical）／分子検出器として、また分子スケールで放射線をイメージング（imaging）する際に、また温度センサとして、および、電子写真技術（electronic photography）等において潜在的な適用を持つ電界効果トランジスタ（FET）装置。この装置に微小形成された電極アレイを設けることにより、電荷移動素子、分子記録装置、情報記録装置としての適用および電子イメージングへの適用につながる。ｃ）高感度化学薬品／分子検出器、または光／放射線検出器等として潜在的な適用を有する、ドープされた電界効果トランジスタ（FET）装置。この装置に、微小形成された電極を設けることにより、電荷移動素子、分子レジスタ装置、情報記憶装置および光イメージング（photo imaging）における潜在的な適用につながる。ｄ）高い電荷キャリア移動特性を有し、光検出器および非線形光学素子において適用される、ドープされた高移動性ディスコティック液晶電界効果トランジスタ（FET）装置。ｅ）化学薬品および光照射を感知する高抵抗装置。ｆ）テレビスクリーンのディスプレイおよび電荷の到着を検出する装置において適用される、蛍光スイッチまたは光学変調装置構造。概略的な背景電子機器に適した有機材料の探究は、1950年代にさかのぼる。有機材料は、従来のシリコンをベースとした半導体技術の使用に比べて様々な利点を有する。これらの利点の中には、半導体の堆積厚みを、数層のみの分子層の厚みに至るまで正確に制御する能力が含まれる。さらに、利用可能な有機分子の無限の多様性により、科学者らが、有機材料の特性を、彼らが必要とする特定の適用、例えば、リン光、蛍光、磁気および電気特性を示すように変更することが可能となる。有機材料を薄膜電子機器に適用することに関する初期の研究は、ラングミュアーブロジェット（LB）薄膜法およびセルフアセンブリ（SA）単層システムも含む。これらの技術に対する関心の高まりは、新しく、改良された電子機器の発見に対する関心の高まりを伴った。秩序化された有機材料は、有機／無機ハイブリッド半導体技術の開発において、ますます重要となることが見込まれる。 LB技術は、高分子を含む適切に設計された有機分子層状集合体の超分子構造を達成するための独特のアプローチを提供する。本来、LB技術は、単純長鎖脂肪族カルボン酸およびその塩の層状集合体を構築するために設計されたものである。後に、熱伝達、電荷キャリアの運動、省エネルギー、および分子識別の、分子的に制御されたプロセスの試験に有用な超分子構造を形成するための複雑な方法へと発展した。この方法およびこの方法が提供する、分子集合体を形成するという独特な機会は、有機分子の分子間相互作用の基本的メカニズムに関心を持つ物理化学者の間で広く受け入れられたが、実用的な適用はほとんどなかった。部分的には、これは、特に低分子量の両親媒性分子から成る場合の層状集合体に固有の不安定さによるものである。温度の不安定性ゆえの再構築プロセスにより、数日間室温で保たれた時でさえ、層状構造の漸進的な破壊につながる。 LB膜適用における有機高分子の使用は、分子再構築の問題を克服するために開発された。最初は、層状集合体の形態での、機能性モノマーの重合が試みられた。例えば、ジアセチレンのトポ化学的な重合により、組織およびモルホロジーにどのような変化も生じさせることなしにポリマーを形成するモノマーから成る多層の、真の完全なコンバージョンが提供される。予備形成されたモノマー層の重合の代替の１つに、LB法のラインに沿った両親媒性ポリマーの拡散および移動がある。ここでは、両親媒性モノマーのホモポリマーまたはコポリマーが、空気と水との界面へと拡散し、圧縮されて移動する。ほとんどの場合、この移動は、側鎖の固体類似相（solid analogue phase）が形成される場合にのみ可能である。 Wegner¹はさらに、彼が「有毛ロッド」 ("hairy-rods")と呼ぶフタロシアニネートポリシロキサン（Phthalocyaninatopolysiloxanes）に関する彼の研究において、LB技術を高分子化合物に適用する技術を開発した。Wegner¹は、この有毛ロッド技術をプロトタイプ電子機器、特にpH測定装置に適用した。高分子LB膜は、本質的により安定性のあるものであるが、LB膜の適用における高分子有機材料の使用が、電子機器の製造に広く利用されてはいなかったことは注目に値する。部分的には、これは、このような膜の適用が、所望の自己回復特性を持たず、膜と導体材料との十分な接触の提供に必要な所望のぬれ特性を有していないからである。しかし、結晶状態と等方性液体状態との間にある液晶状態は、先端材料との関連性という観点から興味深いものがある。特に、標準固体および高分子LBタイプ膜から作られた装置に比べて、いくつかの潜在的な利点を提供する。例えば、ａ）液晶のぬれ特性により、電極との効率的な分子接触が確実となり、その結果、電極表面に膜を付与するために蒸発技術を用いる必要性が回避される。このぬれ特性により、電子機器の作製が大幅に簡略化される。ｂ）液晶の半流動性と組み合わせられた高度な内部秩序により、万一分子秩序に乱れが生じる場合には、独特な「自己回復」特性が与えられる。近年、Closs²は、ディスコティックおよびスメクティック液晶の光伝導性を比較した。彼の研究の中で、生成された光電流は、多結晶または等方性状態のどちらよりも、高秩序中間相において高いことが示された。さらに、彼の研究は、ディスコティック液晶相が、アントラセンの単結晶における輸送率に匹敵する電子の電荷輸送率を示すことを実証した。ディスコティック液晶における高秩序のカラム状構造は多くの興味を引きつけ、それらの電子特性を調べる数多くの研究につながった。 Shimizu³は、メソゲン性の5、10、15、20-テトラキス（４-n-ペンタデシルフェニル）ポルフィリンの光電流の整流性質を研究し、２つのインジウム−すずオキサイド電極間にメソゲン層を挟むことにより、Ｄ_h相において、顕著な光電流の整流が生じることを実証した。 Bengs⁴は、ヘキサ−アルコキシトリフェニレン（hexa-alkoxytriphenylenes）の同族系列における光伝導性を研究した。照射下では、中間相においては全ての試料が光伝導性を示し、等方性相においては、光電流がゼロにまで低下した。全ての観測結果、すなわち、光電流の相依存性、側鎖の長さの減少に伴って増加する光電流の値、および冷却プロセス中のより高い光伝導性を、遷移温度、カラム間距離、および配向性質の点から説明した。 Adams⁵は、ヘキサヘキシルチオトリフェニレン（hexahexylthiotriphenylene ）の中間相における光伝導性を研究した。彼の研究の中で、Adamsは、らせんカラム状（Ｈ）相における電荷キャリア移動性は、Ｄ_h相におけるものよりもはるかに大きく、有機単結晶における電荷キャリア移動性と同じような程度であることを発見した。英国特許書類番号第2 223 493号は、ラジカル塩でドープされたディスコティック液晶材料を記載している。この書類は、ディスコティック液晶相が、ドープされていない場合、またはディスコティック液晶の１モル当たり0.5モルより少なくドープされている場合に、異方性電子特性を有することをさらに記載している。従来技術の問題点半導体電子機器に用いられた最初の材料の中に、シリコンおよびゲルマニウムなどの無機半導体材料をベースとした装置があった。シリコンなどの無機材料から装置を製造する利点の中には、ロバスト性および信頼性が含まれる。さらに、無機半導体は、失敗することなしに、何度も「サイクル」（cycle）され得る。しかし、無機半導体をベースとした装置は多くの欠点を有する。その高い融点のために、それらの装置は固体の状態でのみ製造され得、その結果、原子の変更能力(tailorability)が容易に与えられない。しかし、秩序化された薄膜は、「分子線エピタキシー」（MBE）技術を用いて製造され得る。さらに、シリコンおよびゲルマニウムなどの無機材料は、不活性な性質のために、かろうじて化学的に機能させられ得るのみである。この欠点により、リン光、蛍光、磁気特性などの性質を示す電子機器に利用され得る、新規の物理的および化学的特性を有する材料の開発が阻止される。電子機器に用いられる無機材料のさらなる欠点は、電極またはゲートと無機半導体自体とを接合させる伝導性接着材料の使用が要求されることである。「接着層」の存在により、このような機器を作成することの問題点に起因する電子機器の３次元的小型化の程度が制限される。 LB薄膜技術に基づいた電子機器の複雑さは、層状集合体の粒状組織に由来する。この粒状の組織は、LB膜を作成する過程で生じ、この膜においては、両親媒性分子が、ラングミュアトラフの空気と水との界面上で拡散している。このプロセスの間に、LB膜は、浮遊バリアの作用によって２次元的な連続性固体へと圧縮される２次元的な結晶のアイランドを急速に形成し得る。 LB薄膜技術のさらなる欠点は、有機膜を電極表面上に付与するために蒸発の方法に依存することである。蒸発の方法は、欠陥を生じさせる傾向がある。目的従って、本発明の目的は、半導体層が、制御された方法で電極表面に付与され得、それによって安定した薄膜が製造され得る装置を提供することである。本発明のさらなる目的は、様々な物理的または化学的特性、例えば、放射線吸収特性の変更、蛍光、リン光などを示すように、化学的に容易に機能（function alised）させられ得る安定した半導体層、好ましくは有機半導体層を有する装置を提供することである。前記様々な物理的または化学的特性が、機能化(functionalisation)の量およびタイプによって決定されることは当業者には明白であり、従って、上記のリストは網羅的なものではなく、むしろ例示を目的としたものである。本発明のまたさらなる目的は、電極との効果的かつ簡単な接触方法を提供するぬれ特性を有し、接着性結合層および蒸発の方法の使用を回避する材料、好ましくは液晶材料を含む装置を提供することである。本発明のさらなる目的は、破壊しにくい強い「自己組織力」を有し、自己回復し得る半導体有機材料を含む装置を提供することである。また、本発明の目的は、電極またはゲート表面に対する十分な結合特性を生じさせる半導体有機材料を含む装置を提供することである。本発明の目的は、伝導性分子ワイヤの役目を果たし得る内部秩序、例えば、ディスコティック液晶を有する半導体有機材料を含む装置を提供することである。本発明の目的は、ある実施形態においては、カラム状チャネルが、チャネルの方向に垂直な方向への電流の通過を比較的阻止する効果的な絶縁体を形成する半導体有機材料、例えばディスコティック液晶を含む装置を提供することである。本発明の目的は、高温で温度を感知する効率的な整流装置を提供することである。本発明の目的は、放射線検出器、化学薬品／分子検出器として、そして、分子スケールで放射線をイメージングする際に、そして、温度センサおよび電子写真技術において適用され得るFET装置を提供することである。本発明のまたさらなる目的は、高感度化学薬品／分子検出器、または光／放射線検出器、または、実際には、この構成に従った他のあらゆる形態の検出器としての潜在的な適用を持つ、ドープされた電界効果トランジスタ（FET）を提供することである。本発明のまたさらなる目的は、電荷キャリア移動性の高い半導体を有するドープされた装置を提供することである。この特定の装置は、光検出器および非線形光学素子に適用があると考えられる。本発明のまたさらなる目的は、化学薬品および光照射を感知する高抵抗装置を提供することである。本発明のまたさらなる目的は、テレビのディスプレイスクリーンにおいて潜在的な適用を有する蛍光スイッチまたは光学変調装置構造、および、電荷の到着を検出する装置、すなわちシンチレーションカウンターを提供することである。構成に関する項（Consistory Clauses）本発明の第１の局面によれば、相対する第１および第２の外側電極を有する装置であって、電極は、ディスコティック液晶材料の膜をその電極間に有し、さらに、第１の電極は、低い仕事関数の材料を包含し、第２の電極は、高い仕事関数の材料を包含する装置が提供される。使用する際には、装置は、電気回路に、理想的には外部に接続され、相対的に正の電圧が低い仕事関数の電極に印加される場合よりも、相対的に正の電圧が高い仕事関数の電極に印加される場合に、回路において、相当に大きな電流が流れる。この効果の大きさは、温度に対して非常に敏感である。排他的にではないが、特に高温で敏感である。上記から、当業者には、この装置が温度検出器に適用を見いだし得ることが明らかである。本発明の好適な実施形態においては、ディスコティック液晶は、2、3、6、7、10、1 1ヘキサ−アルコキシトリフェニレン材料であり、好ましくは、2、3、6、7、10、11ヘキサ−ヘキシルオキシトリフェニレン（HAT6）材料である。好適な実施形態においては、低い仕事関数の材料は、アルミニウム、カルシウム、バリウム、または、実際には、低い仕事関数の材料として分類または知られるいかなるその他の材料である。さらなる好適な実施形態においては、高い仕事関数の材料は、インジウムすず酸化物、シリコンまたは金、あるいは、実際には、高い仕事関数の材料として分類または知られるいかなるその他の材料である。本発明の第２の局面によれば、相対する第１および第２の外側電極を有し、電極間に第１の電極と接触しているディスコティック液晶（DLC）材料を有し、そして、第２の電極およびDLC材料に接触している導電体および／または半導体材料の薄膜を有する電界効果トランジスタ（FET）装置が提供される。好適な実施形態においては、半導体は、水素不活性化された表面を有するシリコンである。ゲート電位がある場合には、薄膜（半導体または金属）において、独特のゲート電界依存２次元電子バンド構造が得られる。使用の際には、ゲート電圧は、相対する第１および第２の外側電極に印加され得、ソース−ドレイン電流は、ゲート電圧に垂直に、薄膜にわたって検出され得る。上記から、当業者には、この装置が、電子機器の範囲において、例えば、放射線検出器として適用され得ることが明らかである。この適用において、DLC材料における放射線の吸収は、薄膜の表面における周期的な電荷変調のバリエーションを引き起こし、ソース−ドレイン電流の広いバリエーションにつながる。さらなる適用が、化学薬品検出または分子検出の分野に存在し得る。この適用においては、DLC材料における分子により、DLCの複雑な伝導性が感度を上げるようになり、ソース−ドレイン電流に著しいバリエーションが生じる。かさねてこれは、DLC材料のこのような分子が、薄膜の表面において周期的な電荷変調を摂動させ、ソース−ドレイン電流の広いバリエーションにつながるからである。さらに、装置の他の適用には、分子スケールで放射線をイメージングすること、温度検出（特に高温の検出）、および電子写真技術が含まれる。上記の例は、理解の目的でのみ示されたものであり、装置の適用を限定する意図はないことが理解される。好適な実施形態においては、第１および第２の電極が金属である。好適な実施形態においては、薄膜が、金属またはドープされた半導体である。さらなる好適な実施形態においては、第１の電極は、複数の微小形成された電極を含む。上記最後の好適な実施形態から、当業者には、この装置が、多数の適用、例えば、電子イメージング装置または多段階の記憶装置としての適用を見いだすことが明らかである。 DLC材料における分子カラムの２次元組織化により、薄膜の表面近くで、準２次元的な周期的電荷変調が生じる。従って、この独特の切り換え可能なバンド構造は、電極が分子の大きさであるので、分子スケール電荷移動素子としてもみなされ得る。基本的に、薄膜の表面に対する電気的接触は、分子ワイヤ（DLC材料における分子スタック）のアレイによって行われる。薄膜をドープすること、または「光」を付与することにより生成される電子またはホールは、DLC材料における分子ワイヤによって生成される周期的な電位によって変調される。この周期的および規則的な変調は、［0.1〜１eV］の範囲の光源および（上記のような）放射線、または（上記のような）電極において吸収されて電流に変化をもたらす分子などの外部電界によって妨害され得る。電圧は振動することもでき、および／または、電荷を分子ワイヤに注入し、次に、薄膜に注入し、いわば、ある長さの時間の間の記憶としてこの電荷を保つために使用される放射線ビームに関連し、電荷はその後取り除かれ、ソース−ドレイン電流の変化によって検出され得る。電極の微小形成および／またはソース−ドレイン電流により、ミクロンおよびサブミクロンスケールでの局所的なアドレス指定能力の達成が可能となる。これは、電荷を蓄積し、分子ワイヤへと、ワイヤの異なる部分において事実上側方拡散することなしに、電荷を戻し得ることを意味する。ディスコティックシステムの異方性は、電子輸送に関して10²〜10⁴である。本発明の好適な実施形態においては、DLC材料は、2、3、6、7、10、11ヘキサ−アルコキシトリフェニレンであり、好ましくはHAT6材料である。本発明の第３の局面によれば、２つの相対する第１および第２の外側電極であって、その電極間に第１の電極と接触しているｐドープDLC材料を有する電極と、第２の電極とｐドープDLC材料とに接触しているｎドープ半導体材料とを含む装置が提供される。使用の際には、電圧が第１および第２の電極に印加され、ソース−ドレイン電流は、ｎドープ半導体材料にわたって検出可能である。第１および第２の電極への電圧印加により、DLC材料内で、ドーパント対イオンおよびホールが分離され、ｎドープ半導体材料において電荷の「イメージ」が生じる。この装置のゲートは、分子の大きさであるだけではなく、DLC材料のカラム構造の分子ワイヤ内での独特の電荷分離特性も有する。上記から、この装置は、多数の適用を見いだし得ることが当業者には明らかである。例えば、この装置は、放射線検出器としての適用を見いだし得る。この適用においては、放射線の吸収が、ソース−ドレイン電流の変化を誘発する。他の適用は、分子または化学薬品検出器、DLC材料／半導体材料界面における電荷プロファイルを変化させ、ソース−ドレイン電流に影響を与える、DLC材料への分子の吸収を含む。本発明の好適な実施形態においては、装置は、ｐドープDLC材料とｎドープ半導体材料との接合部における発光に使用され得る。各エミッタは分子ワイヤである。好適な実施形態においては、第１の電極は、複数の微小形成された電極を含む。微小形成された複数の電極を設けることにより、ミクロンおよびサブミクロンスケールでの局所的なアドレス指定能力が可能となる。上記最後の実施形態から、この装置が、多数の適用、例えば、分子スケール情報記憶装置として、また、トランジスタ適用および電子イメージング装置において適用を見いだすことが明らかである。本発明の実施形態においては、２つの異なるソース−ドレイン電流は、電圧に垂直にｎドープ半導体材料にわたって装置に印加され得、例えば、１方のソース −ドレイン電流は、ｐドープDLC材料とｎドープ半導体材料との界面で検出され得、もう１方のソース−ドレイン電流は、ｎドープ半導体材料と第２の電極との界面で検出され得る。本発明の好適な実施形態においては、DLC材料は、2、3、6、7、10、11ヘキサ−アルコキシトリフェニレン材料であり、好ましくはHAT6材料である。本発明のまたさらなる実施形態においては、複数、理想的には交互の半導体材料が、電極間に設けられ得、さらに、複数のソースドレイン電流が設けられ得、理想的には、各ソースドレイン電流は、交互の材料の界面に、または界面に隣接して設けられ得る。本発明の第４の局面によれば、第１の電極に接触しているｐドープDLC薄膜材料を間に有する２つの相対する第１および第２の外側電極と、第２の電極とｐドープDLC材料とに接触している高移動性半導体材料とを含む装置が提供される。使用の際には、電圧が、相対する第１および第２の電極に印加され、ソース− ドレイン電流は、電圧に垂直な軸に沿って高移動性半導体材料に印加される。この装置は、電圧の印加の際に、正電荷が高移動性半導体材料に注入され、これらの電荷が、DLC材料にとどまる対イオンからはるばるソース−ドレイン電界において電流を運ぶという新規な特色を利用する。この装置は、通常のドープされた高移動性半導体材料をベースとした装置とはかなり異なり、使用の際には、対イオンは、高移動性半導体層にとどまり、ソース−ドレイン電流の流れの移動性を低下させる散乱体として作用する。上記から、当業者には、この装置が以下の特徴を提供することが明らかである。ａ）ソース−ドレイン電流における、電圧変化に対する超高速応答。これは、装置が、高移動性半導体材料のバルク中の散乱中心の数を減少させるからである。ｂ）ホールの注入のための量子化システムの役目を果たす100Åを下回る非常に薄いDLC半導体材料。ホールは、その後、量子化システムの副バンドを占める。ｃ）より高いキャパシタンスゆえに、より多くの電荷が誘導され得る。ｄ）空間電荷ゆえの、より高い光感度。上記から、当業者には、装置が、多くの装置、例えば非線形光学素子としての適用を見いだすことが明らかである。本発明の好適な実施形態においては、高移動性半導体材料にわたる２つのソース−ドレイン電流を提供する６端子装置が提供される。第１のソース−ドレイン電流は、ｐドープDLC薄膜材料と高移動性半導体材料との界面で検出される。第２のソース−ドレイン電流は、高移動性半導体材料と第２の最も外側の電極との界面で検出される。好適な実施形態においては、ｐドープDLC薄膜材料と高移動性半導体材料との間に、相対的に絶縁性の材料が設けられる。好適な実施形態においては、高移動性半導体材料と第２の最も外側の電極との間に、相対的に絶縁性の材料が設けられる。好適な実施形態においては、ｐドープDLC薄膜材料は、2、3、6、7、10、11ヘキサ− アルコキシトリフェニレン材料で、好ましくはHAT6材料である。本発明の第５の局面によれば、材料の表面に２つの金属電極を有するDLC材料の薄膜と、DLC材料のバルク内に第３の電極とを有する装置が提供される。使用の際には、表面電極の１方とバルク電極との間に印加された電圧により、表面上の吸収分子、またはDLC層を貫通する光のいすれか一方に敏感に反応する電流が生じる。当業者には、この装置が、高感度化学薬品検出器および／または高感度放射線検出器として、または電子写真技術の分野において適用を見いだすことが明らかである。好適な実施形態においては、表面およびバルク電極は金属である。好適な実施形態においては、表面電極は、長さ５μm、深さ１μm、および、< １μmの間隔をあけている。好適な実施形態においては、電極のアレンジメントは、周期的に繰り返される。光学特性、例えば蛍光を示すように改変され得ることは、有機化合物の特性である。従って、蛍光特性を有するDLC材料の合成が、蛍光スイッチまたは光学変調装置構造などの電子機器における適用につながり得ることが理解される。従って、本発明の第６の局面によれば、２つの相対する最も外側の第１および第２の電極を有する装置であって、第１の電極は、実質的に電磁放射線に対して透過性を有し、電極間に、第１の電極と接触しているドープされていないDLC薄膜材料と、第２の電極およびドープされていないDLC薄膜材料に接触しているｐドープ半導体材料とが包含され、DLC薄膜材料は、蛍光特性を示している、装置が提供される。使用の際には、入射光は、透明な第１の電極を透過し、蛍光を生じさせる、DL C薄膜材料における励起子が生じる。電圧パルスは、透明な第１の電極を相対的に負の電位に保った状態で、第１および第２の電極に印加される。電圧パルスにより、正に荷電されたホールが、ｐドープ半導体材料からドープされていない蛍光を発するDLC薄膜材料へと流れるようになる。電圧パルスの印加により、外部の光源によってこの領域に発生したれていないDLC薄膜における荷電された分子にエネルギーを転送するので、蛍光強度が低下する。荷電された分子は、正に荷電されたホールを共に運ぶので電荷を有する。本発明の好適な実施形態においては、ｐドープ半導体材料は、ｐドープDLC材料である。この実施形態においては、ｐドープDLC材料から蛍光DLC材料への対イオン、例えば三塩化アルミニウムの拡散は、電圧の印加により逆方向になり得る。本発明のさらなる好適な実施形態においては、ｐドープ半導体材料は、蛍光DL C材料への容易なホールの注入を提供するために従来最適化されていた無機ｐドープ半導体である。上記から、当業者には、DLCベースの蛍光アクティブ素子（Ｆ−アクティブ）は、従来の蛍光アクティブ（Ｆ−アクティブ）素子に比べていくつかの利点を有することが明らかである。例えば、 DLCベースのＦ−アクティブ素子は、比較的高い電荷キャリア移動性（μ〜10^- ³ cm²/Vs）と共に、１次元自己回復特性を含む。さらに、DLCベースのＦ−アクティブ素子は、低誘電率ε〜2-4および効率的なフェルスター転送速度〜10¹²s^-1ゆえに、効率的な拡散およびカラム（Ｄ〜10^-3c m²/sおよびτ_t<10^-8s）に沿って、励起子のトラップ（τ_t）を示す。さらに、DLCベースのＦ−アクティブ素子は、効率的なホール注入メカニズムを提供するｐドープ層において電荷分離を示す。当業者には、本発明の第６の局面による装置が、蛍光スイッチおよび／または例えばテレビのスクリーンディスプレイにおける光学変調装置構造、例えばシンチレーションカウンターなどの電荷の到着を検出する装置として適用を見いだすことが明らかである。上記全ての装置において、材料という用語は、好ましくは、材料の層または膜を包含する。図面本発明を、以下の図面を参照し、例示的にのみ説明する。図１は、典型的なディスコティック液晶の構造および2、3、6、7、10、11ヘキサ− アルコキシトリフェニレン（HAT6）の構造を示す。図２は、本発明の第１の局面による装置を示す。図３は、本発明の第１の局面に関する電流電圧グラフを示す。図４は、本発明の第１の局面に関して、様々な電圧での電流に対する温度の影響を示す。図５は、本発明の第２の局面による装置を示す。図６は、本発明の第３の局面による装置を示す。図７は、本発明の第４の局面による装置を示す。図８は、本発明の第５の局面による装置を示す。図９は、本発明の第６の局面による装置を示す。図１０は、HAT6に関して、様々な電圧での伝導性に対する温度の影響を示す。図１１は、ディスコティックカラム上の電荷が、金属ゲートに付着された超薄絶縁（オキサイド）層を用いて、どのように分子スケールで保存され得るかを示す。図１２は、ディスコティックカラムの周期的なアレイの下での２次元チャネルにおける電子によって見られる典型的な電位曲線を模式的に示す。ゲート電圧の付与により、電位の深さを変更し、その後、電子のバンド構造を切り換え得る。図１は、ディスコティック液晶における、無秩序な積層アレンジメントのディスク状分子を示す。この構造は、無秩序な積層の二次元格子として示され得る。この構造により、素子に付与し得る新規の性質が得られる：ａ)液状の性質と組み合わせられた有機物の固体の電子バンド構造。ｂ)表面に、薄い(数層の分子層程度に薄い)かつ広面積な秩序化された分子のアレイを設ける能力。ｃ)高い異方性電荷キャリア移動度。ｄ)液晶状態における欠陥の自己回復。図２は、本発明の第１の局面による素子を示す。高い仕事関数の電極２および低い仕事関数の電極３、ならびにその間に挟持されたＤＬＣ材料からなる薄膜１を備える。図２はまた、電位差を電極に付与するための外部回路を示す。図３は、図２の素子を用いて得られた電圧に対する電流のプロットを示す。図３のグラフは、正の電圧が高い仕事関数の電極に印加された場合にのみ電流が流れる点で整流作用を明確に示している。負の電圧が高い仕事関数の電極に印加されている場合には、外部回路に電流は流れない。図４は、図２に示す素子の高い仕事関数の電極に正の電圧が印加された場合、 20、50、および100ボルトの電圧での、温度に対する電流の変化のプロットを示す。100ボルトにおけるプロットは、ＨＡＴ６が液晶(Ｄ_h)相の状態になる340Ｋの電流にて劇的な上昇を示し、また、液晶(Ｄ_h)から液体(Ｉ)へと相が変化するとともに劇的な降下を示す。素子が温度に対して最も高い感度を示すのはこれらの相転移においてであるが、素子は、Ｄ_h相全体にわたって、三角で示されるグラフの急峻な曲線部によって示されるように、温度に対して高い感度を示す。図５を参照すると、本発明の第２の局面による素子が示されており、電極５および６、ディスコティック液状膜(liquid film)材料４、ならびに金属またはドープされた半導体の層７を備える電界効果トランジスタ素子を示す。図５はまた、電極５および６間の電圧、ならびに層７にわたるソース-ドレイン電流を示す。図５はまた、電荷のイメージがいかにして層７に作られるかを示す。図６を参照すると、本発明の第３の局面による素子が示されており、電極10および11、ｐ-ドープされたディスコティック液状層８、ならびにｎ-ドープされた半導体層９を備えた電界効果トランジスタを示す。図６はまた、電極10および11 間のゲート電圧、および層９にわたるソース-ドレイン電流を示す。図６の右上にはまた、本発明の実施態様が示されており、電極10が複数の微小形成されたゲート12を備えている。図７を参照すると、本発明の第４の局面による素子が示されており、電極15および16、ｐ-ドープされたＤＬＣ材料14からなる層、ならびに高移動度の半導体材料13からなる層を備えた高移動度のＦＥＴを示す。本素子の実施態様によれば、図７はまた、相対的に絶縁性の層17および18を備える。図７はまた、電極15および16間の電圧も示す。本素子のさらなる実施態様によれば、図７はまた、高移動度の半導体材料13にわたる２つのソース-ドレイン電流の印加を示す。図８は、本発明の第５の局面による素子を示す。図８は、電極20および21が表面に埋め込まれ、電極22がバルク中に埋め込まれた、ＤＬＣ層19を示す。図９は、本発明の第６の局面による素子を示す。図９は、ＤＬＣ材料または無機半導体材料のいずれかを含み得る、蛍光アンドープＤＬＣ層23およびｐ-ドープされた層24を示す。図９はまた、第１の透明電極25および第２の電極26を示す。領域δは、電磁放射線(λ_I)が蛍光アンドープＤＬＣ材料に入射する距離である「表面深さ(skin-depth)」を示す。図10は、種々の電圧におけるＨＡＴ６の導電率に対する温度の影響を示す。これらの結果は、本材料がこれらの温度において非常に良好な絶縁性を有することを示している。図11および12を参照すると、ディスコティック液晶は、高品質な絶縁膜を形成し、電界効果トランジスタ[ＦＥＴ]のゲートの従来の絶縁バリアの代用として部分的に使用できる。セルフアセンブリした分子ワイヤのアレイは、反転層に形成された２次元電子ガスに対してアドレスする。分子カラムは、表面不活性化層、あるいは必要であれば「複数の」表面不活性化層を介して半導体面と接触する。シリコントランジスタの場合、単層の水素と結合することによって、表面の不活性化状態が得られる。チャネルにおける電子と分子カラムとの結合によって、分子および印加されるゲート電位に依存して0.05から0.2ｅＶの範囲にある実質的な電位が増加する。この電位は、室温における熱エネルギーより相当大きい。アクティブチャネルのカラム下の電子をトラップするエネルギーは、ほぼ0.2から0.5 ｅＶ程度である。ディスコティック膜に印加されるゲート電圧を変化することによって、チャネル中の電位井戸(potential well)の深さを、ＨＡＴ-ｎにおいては最高0.1ｅＶまで、またさらに低いバンドギャップを有する材料を使用することによりさらに深くまで増すことが可能になる。このようにして、電子バンド構造が、「バンド」の局在化を達成する可能性を有し、ある状態から他の状態にスイッチ可能な種類のＦＥＴ装置は、技術者にとって極めてまれなものである。バンド構造によって、特に、電子運動(移動度)の速度、飽和速度(最高速度)、およびバンドギャップの大きさが決定する。用途：１)スイッチングチャネルコンダクタンスＦＥＴ２)分子スケール電荷蓄積のための電位を有するメモリ素子３)分子の分子スケールのイメージングのための電位を有するガスおよび分子の感度素子。感度素子は、吸着された分子がディスコティック膜の複合コンダクタンス特性を有意に変化するという事実を利用し、このように電位を変化して、チャネルを形成、かつ反転層中の電子をソースからドレインへ流す。従って、分子は、ソースドレイン電流の変化として検出される。特定のガスおよび吸着分子に対して特異的に応答する、特別に設計された分子側鎖を用いることにより選択性が得られる。特異的な応答は、分子カラムに沿ったまたは分子カラムにわたる誘導導電率の変化の強度によって生じる。参考文献 (１) G．Wegner Ber．Bunsenges．Phys．Chem.，1991，Vol 95，1326 (２) F．Closs et al，Liquid Crystals，1993，Vol 14，629 (３) Y．Shimizu et al，J Chem．Soc.，Chem．Commun，1993，656 (４) H．Bengs et al，Liquid Crystals，1993，Vol 15，565 (５) D．Adams et al，Nature，1994，Vol 371，141

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者クレメンツ，ジョナサンイギリス国ダブリューエフ14 ８ジェイワイウエストヨークシャー，マーフィールド，クロスバンクストリート４

Claims

【特許請求の範囲】１．対向する外部第１および第２の電極と、その間に、該第１の電極と接触するディスコティック液晶(ＤＬＣ)材料と、該第２の電極と接触する導電体および/ または半導体材料とを備える素子。２．前記導電体および/または半導体材料が前記ＤＬＣ材料とも接触している、請求項１に記載の素子。３．前記導電体および/または半導体材料の表面が不活性化された、請求項１または２に記載の素子。４．前記材料が水素不活性化表面を有するシリコンである、請求項３に記載の素子。５．前記電極間にゲート電圧が印加され、前記導電体および/または半導体材料にわたってソース-ドレイン電流が検出される、請求項１から４に記載の素子。６．前記第１の電極が複数の微小形成された電極を備える、請求項１から５に記載の素子。７．前記導電体および/または半導体材料がドープされた半導体を備える、請求項１から６に記載の素子。８．前記ＤＬＣ材料がｐ-ドープされ、前記導電体および/または半導体材料がｎ -ドープされた半導体材料である、請求項１から７に記載の素子。９．前記ｐ-ドープされたＤＬＣ材料が前記ｎ-ドープされた半導体材料と接触する、請求項８に記載の素子。 10．前記素子が、前記ｐ-ドープされたＤＬＣ材料と前記ｎ-ドープされた半導体材料との間の接合部において光を照射する、請求項８または９に記載の素子。 11．２つのソース-ドレイン電流を検出するための検出器が、一方は前記ｐ-ドープされたＤＬＣ材料と前記ｎ-ドープされた半導体材料との間の界面に、他方は該ｎ-ドープされた半導体材料と前記第２の電極との間の界面に設けられる、請求項９または10に記載の素子。 12．前記導電体および/または半導体性材料が、高移動度半導体材料である、請求項１から11に記載の素子。 13．前記高移動度半導体材料は、前記ＤＬＣ材料と接触している、請求項12に記載の素子。 14．前記ＤＬＣ材料がｐ-ドープされたＤＬＣ材料である、請求項12または13に記載の素子。 15．電圧が前記電極間に印加され、かつソース-ドレイン電流が前記高移動度半導体材料にわたって検出されるように素子が適合されている、請求項12から14に記載の素子。 16．前記高移動度半導体材料にわたって２つのソース-ドレイン電流が検出される、請求項12から15に記載の素子。 17．第１のソース-ドレイン電流は前記ｐ-ドープされたＤＬＣ材料と前記高移動度半導体材料との間の界面で生じ、第２のソース-ドレイン電流は該高移動度半導体材料と前記第２の電極との間の界面で生じる、請求項13に従属する場合に請求項16に記載され、請求項９に従属する場合に請求項12に記載の素子。 18．前記ｐ-ドープされたＤＬＣ材料と前記高移動度半導体材料との間に絶縁性材料が設けられる、請求項12から17に記載の素子。 19．前記高移動度半導体材料と前記第２の電極との間に、絶縁材料が設けられる、請求項12から18に記載の素子。 20．前記第１の電極が電磁放射線に対して透過性を有する、請求項１から19に記載の素子。 21．前記導電体および/または半導体材料がｐ-ドープされた半導体材料である、請求項１に従属する場合に請求項20に記載される素子。 22．前記ｐ-ドープされた半導体材料が前記ＤＬＣ材料と接触する、請求項21に記載の素子。 23．前記ＤＬＣ材料が薄膜状の材料である、請求項20および22に記載の素子。 24．前記ＤＬＣ材料が蛍光特性を示す、請求項20から23に記載の素子。 25．電圧パルスが前記電極間に印加され得るようにさらに適合された、請求項20 から24に記載の素子。 26．前記ｐ-ドープされた半導体材料がｐ-ドープされたＤＬＣ材料である、請求項21から25に記載の素子。 27．前記ｐ-ドープされた半導体材料が無機ｐ-ドープ半導体である、請求項21から25に記載の素子。 28．前記蛍光ＤＬＣ材料中のホールの容易な注入を提供するために、前記無機ｐ -ドープ半導体が選択される、請求項30に従属する場合に請求項27に記載の素子。