分子エレクトロニクス

分子エレクトロニクスの概要

分子エレクトロニクスは、分子を利用したエレクトロニクス技術の一分野であり、電子機能を持つ多様な分子を用いることから、「モレキュラーエレクトロニクス」や略して「モレクトロニクス」とも呼ばれます。この技術は、さまざまな分子による電子素子の開発や、単一の分子を用いた「単一分子エレクトロニクス」にも関連しています。狭義の定義では、分子エレクトロニクスはプラスティックエレクトロニクスとも関連付けられています。

特徴と利点

分子エレクトロニクスの大きな特徴は、有機分子材料が無機材料に比べて軽量で、柔軟性があり、多様な種類が存在する点です。また、分子は自己組織化する性質を持ち、印刷法やスピンコート法などを用いて簡単に成膜できるという利点もあります。このような性質から、分子エレクトロニクスは新しい電子素子の可能性を開く重要な分野とされています。

単一分子エレクトロニクスの発展

1974年にAviramとRatnerが提案した単分子ダイオードがこの分野の始まりとされています。この研究によると、シリコンベースのPN接合の微細化が進行するにつれて、ドーピングが困難になることが予測されました。それに代わる解決策として、ドーピングを用いずに分子を使って電子準位を設計する考え方が提示されました。

実際の素子では、電子供与部（Donor）と電子吸引部（Acceptor）をσ結合で結びつけることで、シリコンのPN接合と類似の電子状態を持つ単一分子を構成できると提案されました。この理論により、整流性を持つ電子素子の実現が期待されています。

ナノスケールでの機能

分子エレクトロニクスでは、ナノスケールで厳密に定義された分子組成が、従来のバンド構造を基にした電子素子の枠を超える新たな機能を持つことが特徴です。特に、単一または少数の分子で構成された素子では、バリスティック伝導や共鳴トンネリング、電子の強い相関などが重要な役割を果たします。さらにこれらの現象は、分子の運動やエネルギー励起、酸化還元反応と結びつき、さまざまな量子的な伝導特性を示す可能性があります。

歴史的背景

分子の特性をエレクトロニクスに応用するという考えは、1952年にイギリス王立レーダー研究所のジョフリー・ダマーによって提唱されました。このアイデアは最初はあまり重視されませんでしたが、1957年にソビエト連邦のスプートニク1号打ち上げによる小型化の必要性から注目を集めました。その後、ウエスチングハウスがアメリカ空軍と共同研究を行い、多額の研究費が投じられましたが、実際の成果を上げることはできませんでした。

その後、テキサス・インスツルメンツ（TI）が、アメリカ空軍に対して「モレキュラーエレクトロニクス」の名称を利用する提案を行い、歴史的に重要なICにその名前が使用されることになりました。日本でも、三菱電機が「モレクトロン」という名称で製品を発表したものの、実質的には集積回路技術に基づくものでした。

まとめ

分子エレクトロニクスは電子デバイスに新しい可能性をもたらす分野であり、今後の技術革新が期待されています。複雑な分子の特性を活かすことで、高度な電子機能の実現が視野に入っています。これにより、エレクトロニクスの未来がさらなる発展を遂げることが期待されます。

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