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　　　LastUpdate：2002/09/13




分子ナノテクノロジー 分子の能力をデバイス開発に活かす / 化学同人


ナノテクノロジーの最前線 アトムテクノロジーへの挑戦〈1〉ナノテクで原子分子を見る触る操る / 日経BP社



　

　　
イントロダクション
HP社の分子コンピューティング
ロジックゲートのスイッチ分子、ロタキサン、カテナン
従来の半導体加工プロセスを省略した回路の作り方
小さな分子デバイスをどうやって「外の世界」につなぐか？
化学合成によって生じる欠損の耐性
分子コンピュータの現状
[最新事情の追跡 2002,2,13update]
リンク集

　
■HP社の示した分子コンピュータへのロードマップ
　- ロジックゲートのスイッチ分子、ロタキサン、カテナン


　わざわざスイッチの定義などを書く必要もないかもしれないが、スイッチというのはON/OFFの二つの安定な状態をとることができなくてはいけない。また、スイッチなのだから、外から信号を送って、ON/OFFのコントロールができる必要もある。外からの信号というのは、例えば電子であったり、光（光子）やイオンであったりする。

　このような条件を満たす分子というのは一つだけではないが、特にHP社の研究でよく使われる分子に「ロタキサン(ロタクサン、rotaxane)」というものがある。ロタキサンは特に一つの分子の名前を指しているのではなく、図に示すような棒に輪が絡まって抜けない、そろばんのような分子だ。

ロタキサンのスイッチとしてのモデル図

　このリング状の分子は、棒状分子と共有結合をしていないので、スライドすることができる。リング状の分子には二つの安定な位置があり、両者間を行ったり来たりするので、「分子シャトル」と呼ぶことがある。ロタキサンに電子が与えられると分子シャトルが移動するが、分子軌道エネルギーの計算などから、分子シャトルがどちらにあるかで電気抵抗が桁違いに変化する。つまり、電気抵抗が小さいときがONで、電気抵抗が大きいときがOFFとなる。ロタキサンのスイッチの概念は、機械的で直感的にうったえやすいものだといえるだろう。

あるロタキサン分子の電子によるスイッチ変化


　こういったロタキサンのスイッチの概念は以前から知られていたが、このロタキサンを使って論理ゲートの動作を実証したのは、1999年のJames Heath、Stan Williams、Phil Kuekesらが率いるHP社の研究チームがはじめてだ。

　その構造は図のように、ロタキサンの分子層を無機結晶層でサンドイッチしたというものだった。化学合成によってロタキサンは無機結晶層にくっつく。あとはロタキサンのスイッチとして、AND、OR型のロジックゲートをつくったというわけだ。

左は99年にHP社の用いたロタキサン分子。右はそのときに作られたロジックゲートのサンドイッチ構造。分子スイッチの層に比べて、他の層ははるかに大きい。


　この99年の研究で分子を論理ゲートに利用したということは、分子コンピューティングの歴史は非常に意味のある出来事だったが、課題が山積みだったことも事実だ。

　一つはスイッチ分子についての問題だ。当時使われたロタキサンは、スイッチといいながらもその変化は不可逆的で、CD-ROMのような書き込み一度限りの読みこみ専用のデバイスとしてしか利用できなかったのだ。何度も書き換え可能なメモリとしては使えなかった。しかし、この問題は後に、別の種類のロタキサンやまったく別のカテナンと呼ばれる分子を使って解消されている。

　もっと重要な問題は、スイッチ分子にあるのではなく、電極の方にあった。この電極は、トップダウン的な従来の半導体加工プロセスの技術を借りて作られていたのだ。これでは最終的に集積回路がつくれたとしても、コストの面などで従来の半導体集積回路に対して何のメリットもない。理想的には、自己集合(self-assemble)を利用して、ボトムアップ的な化学合成などでつくることが望まれていた。(「自己組織化＆自己集合」のページを参照)

　また電極側に関しては、他にも深刻な問題があった。例えばある分子デバイスを作ったときに、そのデバイスの数nmほどのワイヤを、外部のバルクな(200nm程度)回路とどう接合するかということだった。単に接合するだけではなく、特定のスイッチ分子をコントロールできるように接合しなくてはいけない。「外の世界」につないで分子スイッチを制御できなければ、単に学術的に興味深いデバイスに終わってしまうというわけだ。

　これは、何もHP社の考えている分子コンピュータだけの問題ではない。他のアプローチでも共通している問題といえる。

　この普遍的な問題の解決策の一つとして、HP社の研究チームは次のような方法を提案した。



HP社の分子コンピューティング 従来の半導体加工プロセスを省略した回路の作り方