ソース、ドレイン、及びゲートを有する電気機械的ナノチューブトンネル装置
本発明は、長手方向及び横方向の延長部を有するナノチューブと、ナノチューブの少なくとも第１部分を支持する構造と、その横方向の延長部によって定義されている第１方向においてナノチューブに対して力を作用させる第１手段と、を有するナノチューブ装置（１００）に関するものである。ナノチューブの少なくとも第２部分は、力が一定のレベルを超過した際に、ナノチューブの第２部分がその横方向の延長部の方向において曲がり、これによって第１電気回路を閉じるように、構造の支持部を超えて突出している。好適には、力をナノチューブに対して作用させる第１手段は、電気的な手段であり、この力は、電圧をこの手段に印加することによって生成される。本装置は、ソース及びドレイン電極の両方において量子力学トンネル現象を実現する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノテクノロジーコンポーネントに関するものであり、更に詳しくは、コンポーネントを通じた小電流の流れに影響を与える手段を具備したナノ電気機械的コンポーネントに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ナノテクノロジーは、拡大している研究分野であり、これには、ＮＥＭＳ（ＮａｎｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）の開発が含まれている。ＮＥＭＳは、ナノメートル程度の長さのスケールを有するシステム内における、電気機械的な結合に基づいている。これらのシステムの小さな長さのスケールにより、高い固有の機械的周波数を実現可能であり、ＧＨｚレンジの電気機械的な共振が可能である。これらの共振を使用することにより、ナノメートルのスケールにおいて高周波電子コンポーネントを設計可能である。
【０００３】
本発明は、「Ａ Ｎａｎｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｒｅｌａｙ Ｄｅｖｉｃｅ」という名称の国際特許出願ＰＣＴ／ＳＥ０２／００８５３号に提示されているシステムの更なる拡張であり、発明者中の３名を共通としており、オリジナル又は変更されたもののいずれかを内蔵するコンポーネント及び高周波数における動作設計に関するものである。先行技術には、Ｉｎｆｉｎｅｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ＡＧ社に発行された独国特許公開第ＤＥ１００４３１５号及び国際特許公開第ＷＯ ０１６１７５３Ａ１号も含まれている。
【発明の開示】
【０００４】
本発明は、ナノ電気機械的装置である。この装置は、ナノチューブを有しており、これは、好ましくは、導電性ナノチューブであり、好適には、カーボンナノチューブである。
【０００５】
本装置は、例えば、シリコン（Ｓｉ）などの非導電性材料から製造された非導電性の支持構造を更に含んでおり、この支持構造は、ナノチューブの少なくとも第１部分を支持して、ナノチューブの別の第２部分は、支持構造を超えて突出し、従って、支持されてはいない。ナノチューブの支持されている第１部分は、特殊な特性を具備したソース／チューブ接続によって電極に接続されており、以下においては、この電極をソース電極と呼ぶこととする。
【０００６】
このソース／チューブ接続は、導電性ソース電極と導電性ナノチューブ間におけるソースからチューブへの距離が量子力学現象（これは、具体的には、所謂トンネル現象であり、量子漏れとも呼ばれている）が発生可能なレンジ内にある接続である。
【０００７】
又、本発明による装置は、トンネル現象の大きさを制御する手段をも提供している。この手段は、好ましくは、１つ又は複数のゲート電極を有している（詳細については、以下を参照されたい）。
【０００８】
ソース／チューブ接合部におけるこのようなトンネル接触の提供は、・ナノチューブ内における電子の正確な数の制御が可能であり、且つ、・電位が一様になる前に、ナノチューブ内にトンネリングされたすべての新しい更なる量の電荷がナノチューブの特定の機械的な平衡位置に対応するようにシステムを考案可能であるという利点を具備している。この結果、ある種の「ステッパモーター」として使用可能な正確な搬送メカニズムが得られる。
【０００９】
支持構造は、好適には、台地として成形されており、従って、「階段」状の構造を具備し、上部レベルと下部レベルを有しており、これら２つのレベルが支持構造の壁状の形状によって相互接続されている。壁の高さによって定義される構造の２つのレベル間の高さの差は、文字ｈによって表記される。尚、本明細書における「レベル」という用語の使用は、装置の水平又は垂直のいずれかの向きにおいて好ましくは階段状の形態を構造に付与する寸法における差を意味していることに留意されたい。
【００１０】
構造の下部レベルには、複数の追加電極が配置されており、この中のいくつかは、ゲート電極と呼ばれ、その他のものは、ドレイン電極と呼ばれる。ゲート電極は、壁の最も近い部分に対する距離ＬGに配置されており、ドレイン電極の対応する距離は、ＬDと表記され、ここで、ＬGは、好適には、ＬDよりも小さい。
【００１１】
ナノチューブの突出部の合計延長は、好ましくは、５０〜１５０ｎｍのインターバル内にあり、好適には、約１００ｎｍのレベルにあり、高さｈは、略３ｎｍのサイズのレベルにある。
【００１２】
ゲート電極に電圧が印加された際に結果的に得られる容量性の力は、ゲート電極に向かう方向においてナノチューブに対して作用することになり、従って、この方向は、ナノチューブの横方向の延長部によって定義されている方向である。前述の力が作用した際に、ナノチューブは、ゲート電極に向かって偏向することになり、これにより、ナノチューブとドレイン電極間におけるチューブからドレインへの距離が減少する。偏向の量は、チューブの先端とドレイン電極間における距離が、非常に高いインピーダンスを有している距離から、トンネル現象が支配的である距離を経て、チューブの先端がドレイン電極に当接してインピーダンスが非常に低いゼロの距離にまで変化可能なものになっている。
【００１３】
後述するように、異なる振幅及び周波数の電圧を印加することにより、本装置を制御してソース電極からチューブを通じてドレイン電極に流れるソース／ドレイン電流の様々な特性を付与可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付の図面を参照し、本発明について詳細に説明することとする。
【００１５】
基本システムの図が図１に示されており、対応した等価回路が図２に示されている。長さＬのナノチューブ又はナノウィスカー１２０（これは、好ましくは、導電性ナノチューブであり、好適には、カーボンナノチューブである）は、台地状の非導電性基板１３０上に配置されおり、この結果、先端部１６０は、移動自在であり、基端部１７０は、台地の相対的に高い（この「相対的に高い」という用語は、形状を意味しており、特定の空間的な向きを意味するものではない）部分上の台地状の非導電性基板１３０に対して堅固に接続されている。チューブ／ソース接触は、Δｚs＞０に対応したトンネル接合であるか、或いは、Δｚs＝０である場合に連続的な電荷転送を許容する接触であってよい。チューブ／ソース接触のインピーダンスは、Ｚによって表記され、ソース、ゲート、及びドレイン電極上の静電電位は、それぞれ、Ｖs、Ｖg、Ｖdと表記される。チューブ上の電位はＶである。チューブの軸に沿った方向は、ｚと表記され、チューブの先端１６０は、ｚ＝Ｌに位置している。２つの追加電極（ゲート及びドレイン）が、それぞれ、ｚg＜Ｌ及びｚd＝Ｌ＋Δｚにおいて、チューブの自由端の下に配置されている。比率ｚg／Ｌ＝ｚrは、チューブの先端と比較したゲートの相対的な位置を付与しており、Δｚ≧０が、２つの動作モードを弁別している。「接触モード」は、Δｚ＝０によって定義され、「非接触モード」は、Δｚ＞＞λの場合に発生し、ここで、λ≒０．５Åがトンネル長である。
【００１６】
図３は、複数のゲート及びドレイン電極を具備した構造の様子を上から示している。
【００１７】
図３ａは、２つのゲート電極ｇと２つのドレイン電極ｄを有する構成を示している。ゲート電極は、ナノチューブ１２０のそれぞれの側部の下に１つずつ配置されている。
【００１８】
ドレイン電極ｄも、ナノチューブ１２０のそれぞれの側部の下であって、ゲート電極ｇよりもチューブの先端に近いところに１つずつ配置されている。この電極配置によれば、ナノチューブ１２０の振動モードの制御において相対的に大きな自由を実現可能である。
【００１９】
図３ｂは、１つのゲート電極ｇと２つのドレイン電極ｄを有する構成を示している。ゲート電極ｇは、ナノチューブ１２０の真下に配置されており、２つのドレイン電極ｄは、ナノチューブのそれぞれの側部において互いに反対側に１つずつ配置されている。
【００２０】
図３ｃは、２つのゲート電極ｇと１つのドレイン電極ｄを有する構成を示している。ゲート電極は、ナノチューブ１２０のそれぞれの側部において互いに反対側に１つずつ配置されている。
【００２１】
図３ｄは、４つのゲート電極ｇと２つのドレイン電極ｄを有する構成を示している。ゲート電極ｇは、ペアとして正方形又は矩形の形態でナノチューブ１２０のそれぞれの側部に２つずつ配置されており。ドレイン電極ｄは、ナノチューブのそれぞれの側部において互いに反対側に１つずつ配置されている。
【００２２】
図３ｅは、２つのゲート電極ｇと２つのドレイン電極ｄを有する構成を示しており、この場合には、ゲート電極ｇは、図３ａと同様に配置されており、ドレイン電極ｄは、ナノチューブ１２０を超えたこのチューブ１２０の仮想的な延長線のそれぞれの側部に１つずつ配置されている。
【００２３】
図３ｆは、２つのゲート電極ｇと２つのドレイン電極ｄを有する構成を示しており、ゲート電極は、ナノチューブ１２０を基準として非対称に配置されている。
【００２４】
図３ａ〜図３ｆの構成によれば、ナノチューブの振動モードの制御において相対的に大きく且つ異なる自由を実現可能である。これらの構成によれば、図１との関連において前述した偏向とは異なるチューブ１２０の延長部に対して直交する方向に移動を重畳可能である。
【００２５】
チューブの先端は、電極の電圧を制御することによってチューブ上に過剰な電荷ｑを誘発することにより、ドレイン電極に向かって電気的に折り曲げ可能である。このチューブの先端の偏向は、基板に向かって垂直に計測され、これをｘと表記する。接触モードにおいては、チューブは、ｘ＝ｈの際にドレイン電極と機械的に接触することになり、この場合に、ｈは、まっすぐなチューブから接触までの垂直距離である。非接触モードにおいては、チューブは、決して電極にまで到達しない。チューブの先端／ドレインの接触は、トンネル接合であり、チューブとドレイン電極間における距離を減少させることにより、トンネル抵抗ＲT（ｘ，Ｖ）が減少し、接合上におけるトンネル電流Ｉsdの流れが実現する。従って、動作の基本原理は、容量性結合によって障壁の幅を機械的に低減するというものであり、これがシステム内における電流に結びついている。
【００２６】
換言すれば、図１は、長さＬの導電性ナノチューブ又はナノウィスカーの一端が、上部に追加電極（ゲート及びドレイン）が（チューブの下に）配置された台地状の非導電性基板上に突き出た自由な状態にある様子を示している。チューブの他端は、ソース電極に電気的に接続されており、距離Δｚsにより、ソース接合のトンネル抵抗を制御している。オーム接触は、Δｚs＝０の場合に可能である。まっすぐなチューブとゲート及びドレイン電極間における垂直の距離は、ｈであり、チューブの先端と電極間における水平距離は、Δｚである。チューブの先端は、電極上の電圧によって垂直方向に距離ｘだけ偏向可能である。十分に大きな偏向は、チューブの先端からドレイン電極へのトンネル電流を実現するのに十分なだけ、トンネル抵抗を低減する。図２は、本システムの対応した等価回路を示している。破線内の部分は、図１のコンポーネントの等価回路であり、破線外の部分は、外部の部分である。以下においては、この「ボックス表記」を使用することとする。チューブ／ソース接合は、その上部を電荷ｑが流れるインピーダンスＺを具備しており、チューブ／ゲート結合は、純粋に容量Ｃg（ｘ）を有する容量性であり、チューブは、トンネル抵抗ＲT（ｘ，Ｖ）及び容量Ｃg（ｘ）を有するトンネル接合によってドレインに接続されている。確率論的なトンネル電流Ｉsd（ｘ，Ｖ）がチューブとドレイン電極間を流れている。
【００２７】
（概論）
本システム内の電気的及び機械的な自由度の間には、強力な結合が存在している。本システムの形状は、電極上における静電電位に依存しており、電気的な特性は、本システムの形状に依存している。通常の接触モードシステムの場合には、ゲート電圧の関数としての平衡チューブ位置を図４Ａから推定可能であり、これに対応した電流電圧特性が図４Ｂに示されている。非接触モードシステムにおける対応するプロットは、図５Ａ及び図５Ｂに示されている。
【００２８】
（複数のナノチューブ）
一実施例においては、このような構造を通じた可能な電流を増大させるべく、いくつかのナノリレーを互いに並列に配置している。
【００２９】
（材料及び構造）
代替実施例においては、チューブ１２０は、カーボンナノチューブ、シリコンカーバイドナノチューブ、ナノワイヤ、又はナノウィスカーである。
【００３０】
図４Ａは、代表的な接触モードシステムにおける近距離表面力を有する及び有していない安定度図を示している。この曲線は、ゲート電圧（これは、一定のＶs＝０．０１Ｖにおけるものである）及び偏向ｘ（これは、ｈのものを単位としている）の関数としてチューブ上のゼロの真の力（又は、局所的な平衡）の位置を示している。大きな矢印は、曲線のそれぞれの側部における力の方向を示しており、これは、３つの平衡が存在している領域内において１つの局所的な平衡が不安定であることを示している。チューブを表面に向かって引っ張るのに必要な電圧（プルイン電圧）は、Ａ（≒６．７３Ｖ）によって付与される。この電圧は、表面力の大きな影響を受けない。表面に位置したチューブは、電圧が、図中の解放電圧Ｂ及びＣを下回るまで、表面から離れない。Ａ＞Ｂ、Ｃであり、これは、ＩＶg特性におけるヒステリシス動作（表面力によって大幅に機能拡張された特性）を示していることに留意されたい。図４Ｂは、図４Ａの表面力を有する安定度のプロットに対応した電流電圧特性を示している。
【００３１】
図５Ａは、非接触モードシステムにおける安定度図を示している。矢印は、２つの領域内のチューブの先端上の力の方向を示している。この設計パラメータの組の場合に、それぞれの電圧ごとに観察されるのは、１つの平衡位置のみであり、システム特性は、ヒステリシスを具備していない。図５Ｂは、図５Ａの安定度図に対応したソース／ドレイン電流対ソース／ゲート電圧特性を示している。
【００３２】
図５Ｃは、本発明の別の実施例５００の平面図を示している。この実施例５００は、図１に示されている前述のものと類似したナノチューブを有しているが、支持している台地状の構造５３０が、第３レベル上に構造５３０’’を更に有しており、この第３レベル５３０’’は、第２レベル５３０’と基本的に平行であるが、ナノチューブ５２０の突出部の反対側上に配置されている。
【００３３】
又、実施例５００は、ソース５１０とナノチューブ５２０間における距離Δｚsに起因してトンネルソース／チューブ接合をも有している。
【００３４】
実施例５００は、図１の装置のすべての特徴を基本的に有しており、力が特定のレベルを超過した際に、ナノチューブの第２部分が、その横方向の延長部の第２方向において曲がり、これにより、第２電気回路を閉じる（又は、この内部にトンネル接合を生成する）ように、その横方向の延長部によって定義されている第２方向においてナノチューブ５２０に対して力を作用させる第２手段５４０’を更に有している。この第２方向は、図５からわかるように、手段５４０’に向かう方向であり（この手段は、好ましくは、第２ゲート電極である）、ナノチューブ５２０の第２の突出部は、その横方向の延長部の第２方向において曲がり、これにより、第２電気回路を閉じる。この第２電気回路は、好適には、図１との関連で説明したソース電極５１０と、支持構造５３０の第３レベル５３０’’上に配置された第２ドレイン電極５５０’によって定義されている。
【００３５】
第２ゲート及びドレイン電極は、台地状の構造の壁から、それぞれ、距離ＬG2及びＬD2のところに配置されている。
【００３６】
（近距離力）
近距離表面力（クーロン相互作用よりも強力な距離従属性を有する力）は、チューブが任意の時点で、ソース電極を含んでいない構造のいずれかの部分との機械的な接触から数ナノメートル以内に近接した場合に動作特性に影響を及ぼす。これらの力の主な真の効果は、ヒステリシスを増大させることにある。この結果、特に接触モード構造の場合に、メモリ要素が、非常に興味深いアプリケーションとなる。このようなメモリ要素は、例えば、「Ａ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｒｅｌａｙ Ｄｅｖｉｃｅ」という名称の特許出願第ＰＣＴ／ＳＥ０２／００８５３号の３端子接触モードシステム又は５端子構造を使用することにより、揮発性又は不揮発性となるように設計可能である。この観点において、「揮発性」とは、ナノチューブが機械的な剛性を具備するように設計されており、この結果、この剛性に起因した機械的な力が、Ｖgがゼロに近くなった際にドレイン電極からナノチューブを解放する十分なものになっている実施例を意味している。この剛性は、例えば、短いナノチューブ又は大きな直径を有するナノチューブによって実現可能である。「不揮発性」とは、ドレイン電極からナノチューブを解放するために、電流パルスを印加して電極を加熱することが必要な実施例を意味している。このような電流パルスは、ソースに接続されたパルス生成装置から供給可能である。
【００３７】
（高周波特性）
本装置の高い固有の機械的周波数を使用することにより、ＧＨｚレベルに到達する共振周波数を有するナノ電気機械的共振に基づいたコンポーネントを設計可能である。
【００３８】
（電気機械的共振）
（接触モード）
図４Ａ及び図５Ａから推定可能なチューブの平衡位置は、合計チューブ電位の局所的な最小値によって判定される。機械的共振周波数は、電位の最小値近傍の合計電位の曲率によって判定される（調和近似法）。合計電位は、外部電位によって制御可能であるため、チューブの平衡位置と機械的な共振周波数は、いずれも、静電気的手段によって制御可能である。従って、共振周波数は、接触モードの装置の場合には、図６にプロットされているように、ゲート電圧の関数である。ｆ*によって表記された最低機械共振周波数は、ゲート電圧バイアスをチューニングすることにより、数ＧＨｚにわたって変更可能である。共振を考慮する際には、非線形効果が重要である。これらの非線形効果は、主共振ピークの場所を変化させ、共振周波数の１／２又は２倍における共振を可能にする。これらの共振は、それぞれ、ｆ*1/2及びｆ*2によって表記される。
【００３９】
換言すれば、図６は、代表的な接触モードの最低共振周波数をゲート電圧の関数として示している。これらの値を電位プロファイルに対する調和近似法に基づいた予測と比較している。
【００４０】
図７は、変調振幅δＶの様々な値における変調周波数の関数として接触モードシステムの振動振幅（ピークツーピーク）を示している。振幅が小さい場合には、ラインの形状は、対称であるが、大きな振幅の場合には、形状が非対称であり、ピークの位置がシフトしている。
【００４１】
高周波変調を接触モード構造のゲート電極に印加した場合には、２つの定性的な異なる結果を得ることができる。第１のケースにおいては、位相空間におけるシステムの軌跡が限度サイクルに接近し、この場合には、チューブは、決して表面に機械的に接触しないが、かなりの振幅で発振する。大きなチューブ／ドレインの離隔における非常に高いトンネル抵抗に起因し、本システムを通じたトンネル電流は無視可能である。但し、構造の形状が時間と共に変化するため、形状的な容量も変化し、チューブ上の電荷も、同一の周波数において時間的に変化する。この結果、機械的な発振周波数に対応した周波数を有するソース及びドレイン接点におけるＡＣ変位電流が得られる。この場合のシステムの周波数応答が図８Ａに示されており、ｉs,eff＝ｍａｘ（∂ｔ／√２）として正弦波電荷転送を仮定することによって判定される変位電流の有効値ｉs,effが挿入図に示されている。図示のように、共振には、変位電流の大きな変化が伴っている。第２のケースにおいては、発振振幅が十分に大きい場合に、本システムは、ある周波数レンジにおいてドレイン接点に衝突することになる。チューブとドレイン電極間における相互作用により、チューブは、そのエネルギーのいくらかを消失し、チューブは、表面近傍の静止状態にトラップされることになる。表面近傍の電位の最小値は、表面から離れた最小値に比較される高い周波数に対応しており、これは、ゲート変調周波数がもはや共振状態にはなく、接触位置におけるチューブに対するエネルギー転送が無効であることを意味している。装置は、変調の結果、その状態を変化させており、トンネル電流を実現可能である。チューブは、ゲート変調が除去された後にも、表面に存在することを継続することになる。従って、本システムは、組み込み型のメモリを具備しており、これは、特定の周波数レンジ内の変調が適用された場合に、記憶することになる。このケースにおける周波数スキャンが、図８Ｂに示されており、この場合には、共振周波数近傍の狭いインターバルにおいて、チューブは、最終的に接点の近傍に位置している。非ゼロのトンネル電流を取得するのは、この狭い領域内においてのみである。いずれのケースにおいても、１／２及び２倍の周波数に、明瞭に可視状態の共振が存在しており、且つ、主共振のラインの形状は非対称である。これらの特徴は、いずれも、二次の電位形状からの逸脱に起因している。
【００４２】
換言すれば、図８は、ゲート電圧バイアス（ａ）Ｖg0＝５Ｖ及び（ｂ）Ｖg0＝６Ｖとゲート電圧変調δＶ＝０．１Ｖと周波数ｆmodにおいて安定状態にある接触モード構造における最大及び最小変位を示している。最大ピークは、共振周波数に対応しており、１／２及び２倍周波数のピークは相対的に小さい。図８Ａの挿入図は、周波数の関数としてソース接合変位電流の振幅を示している。図８Ｂには、チューブが、いくつかの周波数において、状態を表面近傍の位置に切り替え、これにより、チューブからドレインへの非ゼロのトンネル電流を実現する方法が示されている（即ち、「状態の切り替え」とは、発振の振幅が周波数に依存しているため、チューブが、基板をヒットし、特定の周波数においてくっ付くことを意味している）。図８Ｂの挿入図は、有効変位電流Ｉs,eff及びドレイントンネル電流Ｉsdの両方を示している。
【００４３】
（非接触モード）
接触モードの場合には、電位に対する調和近似法を使用して特定のゲート電圧における共振周波数を予測可能である。この予測は、図９の破線である。この予測をゲート電圧及び変調周波数の両方の関数としての観察された発振振幅と比較している。暗いエリアは、共振に対応している。観察された共振は、調和近似法の定性的な振る舞いに略準拠しており、主共振の周波数は、非接触モードシステムにおいて可能であったものよりも更に大きく変化可能である。又、このケースにおいても可視状態であるｆ*1/2及びｆ*2ブランチに留意されたい。
【００４４】
換言すれば、図９は、本システムの非接触動作モードにおける観察された共振を変調周波数及びゲート電圧バイアスの関数として示している。調和近似法（破線）は、低バイアス領域内において、観察された共振と良好に一致しており、相対的に大きな電圧の場合には、予測値を逸脱している。明瞭に可視状態のｆ*1/2及びｆ*2ブランチに留意されたい。
【００４５】
非接触モードにおける本システムを通じた電流は、接触モードシステムにおける電流とは大幅に異なっている。大きなソース／ドレイン電圧が、機械的な接触を伴うことなしに電流を実現し、すべての周波数において、非ゼロのトンネル電流が予想される。電流は、チューブの振動に起因して共振において変化し、且つ、バイアス電圧に応じて増大又は減少可能である（非発振位置が結果的に大きな電流をもたらす場合には、発振は、これを減少させる傾向を有しており、この逆も同様である）。これらの２つの異なるケースが図１０に示されており、この図は、限度サイクル内における最小及び最大チューブ偏向を示しており、挿入図は、対応したトンネル電流を示している。これらの図における最も重要な結論は、共振が電流を変化させるということであり、これは、共振を電気的に検出可能であることを意味している。共振のライン形状は、高度な非対称性を有しており、これは、電流が共振周波数の一側において突然変化することを意味している。
【００４６】
換言すれば、図１０は、非接触動作モードにおける周波数応答を示している。バイアスポイントは、（ａ）Ｖg0＝４．３Ｖ及び（ｂ）Ｖg0＝４．８Ｖであり、ＡＣ変調の振幅は、δＶ＝０．１Ｖである。主共振ピークは、高度な非対称性を有しており、２倍周波数及び１／２周波数ピークは、いずれも可視状態にある。挿入図は、平均トンネル電流を周波数の関数として示している。この平均電流は、図１０Ａにおいては、共振において増大しており、図１０Ｂにおいては、減少している。電流変化の符号及び大きさは、電位の形状に依存している。
【００４７】
（寸法）
寸法は、アプリケーションと力学の期待値によって変化する。理論的には、代表的な長さは、８０〜１００ナノメートルであり、台地の高さｈは、通常、８ナノメートルであり、直径は、通常、８ナノメートルである。
【００４８】
（アプリケーションの例）
以下は、上述のシステムを使用して設計可能なコンポーネントの例である。
【００４９】
（ボックス表記）
わかりやすくするべく、ボックス表記を使用し、一例について説明する。ボックスは、接触又は非接触モードにおけるナノ機械的リレー装置を含んでおり、ソース、ゲート、及びドレイン接点を通じて外部回路に接続されている（図１１を参照されたい）。即ち、３つ又は５つの電極を通じて外部回路に接続されたボックスとして本システムを見なしているのである。リレーが、その他の構成（例えば、前出の特許出願第ＰＣＴ／ＳＥ０２／００８５３号に記述されている５端子構成など）を利用している場合には、いくつかのゲート及びドレイン接点が存在している。
【００５０】
（メモリ要素）
メモリ要素アプリケーションは、リレーの潜在的なアプリケーションである。接触モードシステム内のチューブとドレイン電極間における非弾性衝突に起因し、非常に高速の書き込み時間を実現可能である。メモリセルは、外部電圧源によるその値の保存を必要とする揮発性であるか、或いは、外部電圧が存在しない場合にもその状態を保持する能力を有する不揮発性であってよい。メモリアプリケーションにおいては、ボックスは、図４Ｂに示されているように、十分なヒステリシスを有する接触モードのリレーを含んでいる必要がある。チューブの端部がドレイン電極に近接している導電状態は、論理「１」であり、非接触状態は、論理「０」である。メモリセルは、図４ＢのＢによって表記されているヒステリシスループの下端が正である場合に、揮発性である。ヒステリシスループが、ゼロのゲート電圧まで延長している場合には、メモリ要素は、外部電圧を有していない場合にもその状態を保持することになり、不揮発性である。不揮発性メモリ要素は、大きな電圧パルスＶsdを印加してチューブ／ドレイン接点を加熱することにより、非導電状態にリセット可能である。結果的に得られる活発な電子の移動により、ドレイン電極からチューブが解放されることになる。
【００５１】
（フィルタ）
電気機械的共振を利用し、入力ＡＳ信号をゲートに印加すると共にドレインにおいて出力信号を読み取ることにより、本システムをフィルタとして使用可能である。いくつかの周波数成分を有する信号によってゲート電圧を変調することにより、共振外の周波数を有する周波数成分が抑圧される。共振周波数は、ゲート電圧バイアスＶg0を使用してチューニング可能であるため、本システムは、チューニング可能なフィルタとして機能する。このケースにおけるナノ電気機械的要素は、接触又は非接触モードのいずれであってもよく、フィルタの周波数レンジは、図６及び図９から読み取ることができる。
【００５２】
図１２は、リレーのフィルタアプリケーションを概略的に示している。内部容量は、時間の関数であり、これは、チューブが発振する周波数によってこちらも時間と共に変化する出力電圧をもたらす。ゲート電圧変調器１２１０が電圧入力Ｖmとゲートの間に接続されており、ＡＣ電圧を加えている。
【００５３】
（可変帯域幅検出器）
本システムは、共振周波数に十分に近接した信号を検出する検出器（図１３）として使用可能である。装置１６００のゲートは、ゲート電圧変調器１３１０に接続されている。適切な周波数を有するゲート電圧変調により、応答が誘発される。この応答の特徴は、動作モードに依存している。接触モードシステムの場合には、チューブは、その論理的な状態（これは、結果的にトンネル抵抗の変化をもたらす）と、結果的に、図８Ｂに示されているように、ドレインにおけるＤＣ電流を変化させる。ゲート変調がターンオフされた場合に、チューブは、（ゲートバイアスが除去されない限り、或いは、設計パラメータが不揮発性メモリ要素のものに対応している場合には、ゲートバイアスが存在していない場合にも）表面に留まり、検出器はメモリを具備することになる。検出器の帯域幅は、ゲートバイアス及び信号振幅の両方の関数であり、チューニング可能である。前述のように、共振周波数は、ゲートバイアスの関数である。従って、検出器の帯域幅及び応答周波数は、いずれも、チューニング可能である。ナノ電気機械的コンポーネントが非接触モードにある場合には、ドレインにおける電流応答は、いずれかの符号を具備可能であり（図１０を参照されたい）、検出器は、組み込み型メモリを具備しない。
【００５４】
図１３は、検出器アプリケーションを概略的に示している。適切な周波数を有する信号がゲートに印加されると、本システムは、その論理的な状態を変化させ、この結果、ソース（ドレイン）電流がもたらされる。本システムは、信号が印加された場合に本システムが記憶するように、組み込み型メモリを有するように設計可能である。
【００５５】
（発振器）
チューブとドレイン電極間の容量は、時間の関数である。ドレイン電極と接地の間に容量を挿入することにより、時間依存電圧Ｖout（ｔ）が付与される。ドレインとゲート電圧変調器１４１０の間に接続されたフィードバック回路１４２０により、この時間依存電圧をゲート電圧バイアス（これは、チューブの振動周波数に対応した周波数を有する変調電圧を付与する）に重畳可能である。
【００５６】
この構造が図１４に示されている。この結果、フィードバックにより、チューブは、共振状態において発振を開始する。この発振は、ステップパルスをゲート電極に印加することによって開始可能である。発振周波数は、ゲートバイアスによってチューニング可能である。この例におけるナノ電気機械的コンポーネントは、接触モード又は非接触モードのいずれであってもよい。
【００５７】
換言すれば、図１４は、共振周波数によって決定される周波数を具備した出力信号をフィードバック回路１４２０を介してフィードバックすることにより、ゲート信号を変調する方法を示している。適切な位相シフトにより、この信号は発振を駆動する。
【００５８】
（可変コンデンサ）
チューブとドレイン間における容量は、ゲート電圧の関数である。従って、本システムは、チューニング可能なコンデンサとして機能可能であり、これは、電気的な共振回路内において使用可能である（図１５を参照されたい）。インダクタンスＬを有する誘導性コンポーネント１５２０が、ソースとドレインの間に接続されている。小さなＶsdを使用するか、或いは、適切な位相シフトを有するゲートに対するフィードバックを使用してチューブの発振を能動的に減衰させることにより（図示されてはいない）、チューブの機械的な発振を極小化可能である。
【００５９】
換言すれば、図１５は、可変コンデンサを示しており、この場合に、チューブ／ドレイン容量は、ゲート電圧に依存している。本システムは、電気的な共振回路の共振周波数を変更するのに使用可能な可変コンデンサである。
【００６０】
（パルス生成器）
接触モードシステムは、１つのサイクルにおいて、チューブの先端が、このサイクルの一部にわたってドレイン電極に接触するように、適切な振幅及び周波数を有するＡＣ信号をゲートに印加することにより、パルス生成器として使用可能である。
【００６１】
（電気機械的ミキサ）
チューブの相対的に高い機械的な動作モードを許容すると共に、適切な周波数を有するＡＣ信号を適切に配置されたゲート電極に印加することにより、本システムは、結合された機械的動作を示すことになり、これを機械的な周波数ミキサとして使用可能である。
【００６２】
（更なる装置）
多数の個々の装置を互いに接続することにより、更なるアプリケーションを構築可能である。
【００６３】
（空洞共振器）
図１６は、本発明によるナノ電気機械的コンポーネントの別の実施例を示している。基板１３０には、ナノチューブの下に、定義表面１６３０、１６４０、及び１６５０が提供された空洞共振器１６１０が提供されている。この空洞共振器は、好ましくは、チューブが、矢印１６２０によって示されているように大きな振幅によって発振した場合に、チューブ１２０を収容するのに十分な深さｈcと長さＬcと幅（図示されではいない）を具備しており、これにより、チューブ１２０を基板１３０と接触させることなしに、ナノチューブの相対的に大きな運動を可能にしている。この実施例においては、ドレイン電極１５０は、チューブ１２０を超えたところに配置されている。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の好適な実施例によるナノ電気機械的コンポーネントの概略側面図を示している。
【図２】図１のコンポーネントの等価回路図を示している。
【図３】ａ〜ｆは、いくつかのゲート及びドレイン電極を有する様々な構成を具備したコンポーネントを概略的に示している。
【図４Ａ】異なるゲート電圧における図１のコンポーネントのチューブ上におけるゼロの真の力の位置を示す安定度図を示している。
【図４Ｂ】図４Ａの安定度プロットに対応した電流をゲート電圧の関数として示している。
【図５Ａ】非接触モードシステムにおける安定度図を示している。
【図５Ｂ】図５Ａの安定度図に対応した電流の図をソース／ゲート電圧の関数として示している。
【図５Ｃ】図１のコンポーネントを改良したものを示している。
【図６】非接触モードシステムにおける共振周波数の図をゲート電圧の関数として示している。
【図７】接触モードシステムにおける振動のピークツーピーク振幅の図を変調周波数の関数として示している。
【図８Ａ】接触モードシステムにおけるチューブの最大及び最小変位の図を変調周波数の関数として示している。
【図８Ｂ】いくつかの周波数においてチューブが表面に近い位置に状態を切り替えた際における図８Ａの図に類似した図を示している。
【図９】非接触モードシステムにおける観察される共振の図を変調周波数及びゲート電圧バイアスの関数として示している。
【図１０Ａ】動作の際の非接触モードにおける周波数応答の図を示している。
【図１０Ｂ】動作の際の非接触モードにおける周波数応答の図を示している。
【図１１】本発明によるコンポーネントをボックスとして示している。
【図１２】本発明のフィルタ回路の実施例の概略図を示している。
【図１３】本発明の一実施例の検出器アプリケーションの概略図を示している。
【図１４】本発明の一実施例による電圧制御発振器の概略図を示している。
【図１５】本発明の一実施例による可変コンデンサ回路の概略図を示している。
【図１６】ナノチューブの相対的に大きな発振を可能にする空洞共振器が提供されたナノ電気機械的コンポーネントを示している。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノテクノロジーコンポーネントに関するものであり、更に詳しくは、コンポーネントを通じた小電流の流れに影響を与える手段を具備したナノ電気機械的コンポーネントに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ナノテクノロジーは、拡大している研究分野であり、これには、ＮＥＭＳ（ＮａｎｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）の開発が含まれている。ＮＥＭＳは、ナノメートル程度の長さのスケールを有するシステム内における、電気機械的な結合に基づいている。これらのシステムの小さな長さのスケールにより、高い固有の機械的周波数を実現可能であり、ＧＨｚレンジの電気機械的な共振が可能である。これらの共振を使用することにより、ナノメートルのスケールにおいて高周波電子コンポーネントを設計可能である。
【０００３】
本発明は、「Ａ Ｎａｎｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｒｅｌａｙ Ｄｅｖｉｃｅ」という名称の国際特許出願ＰＣＴ／ＳＥ０２／００８５３号に提示されているシステムの更なる拡張であり、発明者中の３名を共通としており、オリジナル又は変更されたもののいずれかを内蔵するコンポーネント及び高周波数における動作設計に関するものである。先行技術には、Ｉｎｆｉｎｅｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ＡＧ社に発行された独国特許公開第ＤＥ１００４３１５号及び国際特許公開第ＷＯ ０１６１７５３Ａ１号も含まれている。
【発明の開示】
【０００４】
本発明は、ナノ電気機械的装置である。この装置は、ナノチューブを有しており、これは、好ましくは、導電性ナノチューブであり、好適には、カーボンナノチューブである。
【０００５】
本装置は、例えば、シリコン（Ｓｉ）などの非導電性材料から製造された非導電性の支持構造を更に含んでおり、この支持構造は、ナノチューブの少なくとも第１部分を支持して、ナノチューブの別の第２部分は、支持構造を超えて突出し、従って、支持されてはいない。ナノチューブの支持されている第１部分は、特殊な特性を具備したソース／チューブ接続によって電極に接続されており、以下においては、この電極をソース電極と呼ぶこととする。
【０００６】
このソース／チューブ接続は、導電性ソース電極と導電性ナノチューブ間におけるソースからチューブへの距離が量子力学現象（これは、具体的には、所謂トンネル現象であり、量子漏れとも呼ばれている）が発生可能なレンジ内にある接続である。
【０００７】
又、本発明による装置は、トンネル現象の大きさを制御する手段をも提供している。この手段は、好ましくは、１つ又は複数のゲート電極を有している（詳細については、以下を参照されたい）。
【０００８】
ソース／チューブ接合部におけるこのようなトンネル接触の提供は、・ナノチューブ内における電子の正確な数の制御が可能であり、且つ、・電位が一様になる前に、ナノチューブ内にトンネリングされたすべての新しい更なる量の電荷がナノチューブの特定の機械的な平衡位置に対応するようにシステムを考案可能であるという利点を具備している。この結果、ある種の「ステッパモーター」として使用可能な正確な搬送メカニズムが得られる。
【０００９】
支持構造は、好適には、台地として成形されており、従って、「階段」状の構造を具備し、上部レベルと下部レベルを有しており、これら２つのレベルが支持構造の壁状の形状によって相互接続されている。壁の高さによって定義される構造の２つのレベル間の高さの差は、文字ｈによって表記される。尚、本明細書における「レベル」という用語の使用は、装置の水平又は垂直のいずれかの向きにおいて好ましくは階段状の形態を構造に付与する寸法における差を意味していることに留意されたい。
【００１０】
構造の下部レベルには、複数の追加電極が配置されており、この中のいくつかは、ゲート電極と呼ばれ、その他のものは、ドレイン電極と呼ばれる。ゲート電極は、壁の最も近い部分に対する距離ＬGに配置されており、ドレイン電極の対応する距離は、ＬDと表記され、ここで、ＬGは、好適には、ＬDよりも小さい。
【００１１】
ナノチューブの突出部の合計延長は、好ましくは、５０〜１５０ｎｍのインターバル内にあり、好適には、約１００ｎｍのレベルにあり、高さｈは、略３ｎｍのサイズのレベルにある。
【００１２】
ゲート電極に電圧が印加された際に結果的に得られる容量性の力は、ゲート電極に向かう方向においてナノチューブに対して作用することになり、従って、この方向は、ナノチューブの横方向の延長部によって定義されている方向である。前述の力が作用した際に、ナノチューブは、ゲート電極に向かって偏向することになり、これにより、ナノチューブとドレイン電極間におけるチューブからドレインへの距離が減少する。偏向の量は、チューブの先端とドレイン電極間における距離が、非常に高いインピーダンスを有している距離から、トンネル現象が支配的である距離を経て、チューブの先端がドレイン電極に当接してインピーダンスが非常に低いゼロの距離にまで変化可能なものになっている。
【００１３】
後述するように、異なる振幅及び周波数の電圧を印加することにより、本装置を制御してソース電極からチューブを通じてドレイン電極に流れるソース／ドレイン電流の様々な特性を付与可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付の図面を参照し、本発明について詳細に説明することとする。
【００１５】
基本システムの図が図１に示されており、対応した等価回路が図２に示されている。長さＬのナノチューブ又はナノウィスカー１２０（これは、好ましくは、導電性ナノチューブであり、好適には、カーボンナノチューブである）は、台地状の非導電性基板１３０上に配置されおり、この結果、先端部１６０は、移動自在であり、基端部１７０は、台地の相対的に高い（この「相対的に高い」という用語は、形状を意味しており、特定の空間的な向きを意味するものではない）部分上の台地状の非導電性基板１３０に対して堅固に接続されている。チューブ／ソース接触は、Δｚs＞０に対応したトンネル接合であるか、或いは、Δｚs＝０である場合に連続的な電荷転送を許容する接触であってよい。チューブ／ソース接触のインピーダンスは、Ｚによって表記され、ソース、ゲート、及びドレイン電極上の静電電位は、それぞれ、Ｖs、Ｖg、Ｖdと表記される。チューブ上の電位はＶである。チューブの軸に沿った方向は、ｚと表記され、チューブの先端１６０は、ｚ＝Ｌに位置している。２つの追加電極（ゲート及びドレイン）が、それぞれ、ｚg＜Ｌ及びｚd＝Ｌ＋Δｚにおいて、チューブの自由端の下に配置されている。比率ｚg／Ｌ＝ｚrは、チューブの先端と比較したゲートの相対的な位置を付与しており、Δｚ≧０が、２つの動作モードを弁別している。「接触モード」は、Δｚ＝０によって定義され、「非接触モード」は、Δｚ＞＞λの場合に発生し、ここで、λ≒０．５Åがトンネル長である。
【００１６】
図３は、複数のゲート及びドレイン電極を具備した構造の様子を上から示している。
【００１７】
図３ａは、２つのゲート電極ｇと２つのドレイン電極ｄを有する構成を示している。ゲート電極は、ナノチューブ１２０のそれぞれの側部の下に１つずつ配置されている。
【００１８】
ドレイン電極ｄも、ナノチューブ１２０のそれぞれの側部の下であって、ゲート電極ｇよりもチューブの先端に近いところに１つずつ配置されている。この電極配置によれば、ナノチューブ１２０の振動モードの制御において相対的に大きな自由を実現可能である。
【００１９】
図３ｂは、１つのゲート電極ｇと２つのドレイン電極ｄを有する構成を示している。ゲート電極ｇは、ナノチューブ１２０の真下に配置されており、２つのドレイン電極ｄは、ナノチューブのそれぞれの側部において互いに反対側に１つずつ配置されている。
【００２０】
図３ｃは、２つのゲート電極ｇと１つのドレイン電極ｄを有する構成を示している。ゲート電極は、ナノチューブ１２０のそれぞれの側部において互いに反対側に１つずつ配置されている。
【００２１】
図３ｄは、４つのゲート電極ｇと２つのドレイン電極ｄを有する構成を示している。ゲート電極ｇは、ペアとして正方形又は矩形の形態でナノチューブ１２０のそれぞれの側部に２つずつ配置されており。ドレイン電極ｄは、ナノチューブのそれぞれの側部において互いに反対側に１つずつ配置されている。
【００２２】
図３ｅは、２つのゲート電極ｇと２つのドレイン電極ｄを有する構成を示しており、この場合には、ゲート電極ｇは、図３ａと同様に配置されており、ドレイン電極ｄは、ナノチューブ１２０を超えたこのチューブ１２０の仮想的な延長線のそれぞれの側部に１つずつ配置されている。
【００２３】
図３ｆは、２つのゲート電極ｇと２つのドレイン電極ｄを有する構成を示しており、ゲート電極は、ナノチューブ１２０を基準として非対称に配置されている。
【００２４】
図３ａ〜図３ｆの構成によれば、ナノチューブの振動モードの制御において相対的に大きく且つ異なる自由を実現可能である。これらの構成によれば、図１との関連において前述した偏向とは異なるチューブ１２０の延長部に対して直交する方向に移動を重畳可能である。
【００２５】
チューブの先端は、電極の電圧を制御することによってチューブ上に過剰な電荷ｑを誘発することにより、ドレイン電極に向かって電気的に折り曲げ可能である。このチューブの先端の偏向は、基板に向かって垂直に計測され、これをｘと表記する。接触モードにおいては、チューブは、ｘ＝ｈの際にドレイン電極と機械的に接触することになり、この場合に、ｈは、まっすぐなチューブから接触までの垂直距離である。非接触モードにおいては、チューブは、決して電極にまで到達しない。チューブの先端／ドレインの接触は、トンネル接合であり、チューブとドレイン電極間における距離を減少させることにより、トンネル抵抗ＲT（ｘ，Ｖ）が減少し、接合上におけるトンネル電流Ｉsdの流れが実現する。従って、動作の基本原理は、容量性結合によって障壁の幅を機械的に低減するというものであり、これがシステム内における電流に結びついている。
【００２６】
換言すれば、図１は、長さＬの導電性ナノチューブ又はナノウィスカーの一端が、上部に追加電極（ゲート及びドレイン）が（チューブの下に）配置された台地状の非導電性基板上に突き出た自由な状態にある様子を示している。チューブの他端は、ソース電極に電気的に接続されており、距離Δｚsにより、ソース接合のトンネル抵抗を制御している。オーム接触は、Δｚs＝０の場合に可能である。まっすぐなチューブとゲート及びドレイン電極間における垂直の距離は、ｈであり、チューブの先端と電極間における水平距離は、Δｚである。チューブの先端は、電極上の電圧によって垂直方向に距離ｘだけ偏向可能である。十分に大きな偏向は、チューブの先端からドレイン電極へのトンネル電流を実現するのに十分なだけ、トンネル抵抗を低減する。図２は、本システムの対応した等価回路を示している。破線内の部分は、図１のコンポーネントの等価回路であり、破線外の部分は、外部の部分である。以下においては、この「ボックス表記」を使用することとする。チューブ／ソース接合は、その上部を電荷ｑが流れるインピーダンスＺを具備しており、チューブ／ゲート結合は、純粋に容量Ｃg（ｘ）を有する容量性であり、チューブは、トンネル抵抗ＲT（ｘ，Ｖ）及び容量Ｃg（ｘ）を有するトンネル接合によってドレインに接続されている。確率論的なトンネル電流Ｉsd（ｘ，Ｖ）がチューブとドレイン電極間を流れている。
【００２７】
（概論）
本システム内の電気的及び機械的な自由度の間には、強力な結合が存在している。本システムの形状は、電極上における静電電位に依存しており、電気的な特性は、本システムの形状に依存している。通常の接触モードシステムの場合には、ゲート電圧の関数としての平衡チューブ位置を図４Ａから推定可能であり、これに対応した電流電圧特性が図４Ｂに示されている。非接触モードシステムにおける対応するプロットは、図５Ａ及び図５Ｂに示されている。
【００２８】
（複数のナノチューブ）
一実施例においては、このような構造を通じた可能な電流を増大させるべく、いくつかのナノリレーを互いに並列に配置している。
【００２９】
（材料及び構造）
代替実施例においては、チューブ１２０は、カーボンナノチューブ、シリコンカーバイドナノチューブ、ナノワイヤ、又はナノウィスカーである。
【００３０】
図４Ａは、代表的な接触モードシステムにおける近距離表面力を有する及び有していない安定度図を示している。この曲線は、ゲート電圧（これは、一定のＶs＝０．０１Ｖにおけるものである）及び偏向ｘ（これは、ｈのものを単位としている）の関数としてチューブ上のゼロの真の力（又は、局所的な平衡）の位置を示している。大きな矢印は、曲線のそれぞれの側部における力の方向を示しており、これは、３つの平衡が存在している領域内において１つの局所的な平衡が不安定であることを示している。チューブを表面に向かって引っ張るのに必要な電圧（プルイン電圧）は、Ａ（≒６．７３Ｖ）によって付与される。この電圧は、表面力の大きな影響を受けない。表面に位置したチューブは、電圧が、図中の解放電圧Ｂ及びＣを下回るまで、表面から離れない。Ａ＞Ｂ、Ｃであり、これは、ＩＶg特性におけるヒステリシス動作（表面力によって大幅に機能拡張された特性）を示していることに留意されたい。図４Ｂは、図４Ａの表面力を有する安定度のプロットに対応した電流電圧特性を示している。
【００３１】
図５Ａは、非接触モードシステムにおける安定度図を示している。矢印は、２つの領域内のチューブの先端上の力の方向を示している。この設計パラメータの組の場合に、それぞれの電圧ごとに観察されるのは、１つの平衡位置のみであり、システム特性は、ヒステリシスを具備していない。図５Ｂは、図５Ａの安定度図に対応したソース／ドレイン電流対ソース／ゲート電圧特性を示している。
【００３２】
図５Ｃは、本発明の別の実施例５００の平面図を示している。この実施例５００は、図１に示されている前述のものと類似したナノチューブを有しているが、支持している台地状の構造５３０が、第３レベル上に構造５３０’’を更に有しており、この第３レベル５３０’’は、第２レベル５３０’と基本的に平行であるが、ナノチューブ５２０の突出部の反対側上に配置されている。
【００３３】
又、実施例５００は、ソース５１０とナノチューブ５２０間における距離Δｚsに起因してトンネルソース／チューブ接合をも有している。
【００３４】
実施例５００は、図１の装置のすべての特徴を基本的に有しており、力が特定のレベルを超過した際に、ナノチューブの第２部分が、その横方向の延長部の第２方向において曲がり、これにより、第２電気回路を閉じる（又は、この内部にトンネル接合を生成する）ように、その横方向の延長部によって定義されている第２方向においてナノチューブ５２０に対して力を作用させる第２手段５４０’を更に有している。この第２方向は、図５からわかるように、手段５４０’に向かう方向であり（この手段は、好ましくは、第２ゲート電極である）、ナノチューブ５２０の第２の突出部は、その横方向の延長部の第２方向において曲がり、これにより、第２電気回路を閉じる。この第２電気回路は、好適には、図１との関連で説明したソース電極５１０と、支持構造５３０の第３レベル５３０’’上に配置された第２ドレイン電極５５０’によって定義されている。
【００３５】
第２ゲート及びドレイン電極は、台地状の構造の壁から、それぞれ、距離ＬG2及びＬD2のところに配置されている。
【００３６】
（近距離力）
近距離表面力（クーロン相互作用よりも強力な距離従属性を有する力）は、チューブが任意の時点で、ソース電極を含んでいない構造のいずれかの部分との機械的な接触から数ナノメートル以内に近接した場合に動作特性に影響を及ぼす。これらの力の主な真の効果は、ヒステリシスを増大させることにある。この結果、特に接触モード構造の場合に、メモリ要素が、非常に興味深いアプリケーションとなる。このようなメモリ要素は、例えば、「Ａ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｒｅｌａｙ Ｄｅｖｉｃｅ」という名称の特許出願第ＰＣＴ／ＳＥ０２／００８５３号の３端子接触モードシステム又は５端子構造を使用することにより、揮発性又は不揮発性となるように設計可能である。この観点において、「揮発性」とは、ナノチューブが機械的な剛性を具備するように設計されており、この結果、この剛性に起因した機械的な力が、Ｖgがゼロに近くなった際にドレイン電極からナノチューブを解放する十分なものになっている実施例を意味している。この剛性は、例えば、短いナノチューブ又は大きな直径を有するナノチューブによって実現可能である。「不揮発性」とは、ドレイン電極からナノチューブを解放するために、電流パルスを印加して電極を加熱することが必要な実施例を意味している。このような電流パルスは、ソースに接続されたパルス生成装置から供給可能である。
【００３７】
（高周波特性）
本装置の高い固有の機械的周波数を使用することにより、ＧＨｚレベルに到達する共振周波数を有するナノ電気機械的共振に基づいたコンポーネントを設計可能である。
【００３８】
（電気機械的共振）
（接触モード）
図４Ａ及び図５Ａから推定可能なチューブの平衡位置は、合計チューブ電位の局所的な最小値によって判定される。機械的共振周波数は、電位の最小値近傍の合計電位の曲率によって判定される（調和近似法）。合計電位は、外部電位によって制御可能であるため、チューブの平衡位置と機械的な共振周波数は、いずれも、静電気的手段によって制御可能である。従って、共振周波数は、接触モードの装置の場合には、図６にプロットされているように、ゲート電圧の関数である。ｆ*によって表記された最低機械共振周波数は、ゲート電圧バイアスをチューニングすることにより、数ＧＨｚにわたって変更可能である。共振を考慮する際には、非線形効果が重要である。これらの非線形効果は、主共振ピークの場所を変化させ、共振周波数の１／２又は２倍における共振を可能にする。これらの共振は、それぞれ、ｆ*1/2及びｆ*2によって表記される。
【００３９】
換言すれば、図６は、代表的な接触モードの最低共振周波数をゲート電圧の関数として示している。これらの値を電位プロファイルに対する調和近似法に基づいた予測と比較している。
【００４０】
図７は、変調振幅δＶの様々な値における変調周波数の関数として接触モードシステムの振動振幅（ピークツーピーク）を示している。振幅が小さい場合には、ラインの形状は、対称であるが、大きな振幅の場合には、形状が非対称であり、ピークの位置がシフトしている。
【００４１】
高周波変調を接触モード構造のゲート電極に印加した場合には、２つの定性的な異なる結果を得ることができる。第１のケースにおいては、位相空間におけるシステムの軌跡が限度サイクルに接近し、この場合には、チューブは、決して表面に機械的に接触しないが、かなりの振幅で発振する。大きなチューブ／ドレインの離隔における非常に高いトンネル抵抗に起因し、本システムを通じたトンネル電流は無視可能である。但し、構造の形状が時間と共に変化するため、形状的な容量も変化し、チューブ上の電荷も、同一の周波数において時間的に変化する。この結果、機械的な発振周波数に対応した周波数を有するソース及びドレイン接点におけるＡＣ変位電流が得られる。この場合のシステムの周波数応答が図８Ａに示されており、ｉs,eff＝ｍａｘ（∂ｔ／√２）として正弦波電荷転送を仮定することによって判定される変位電流の有効値ｉs,effが挿入図に示されている。図示のように、共振には、変位電流の大きな変化が伴っている。第２のケースにおいては、発振振幅が十分に大きい場合に、本システムは、ある周波数レンジにおいてドレイン接点に衝突することになる。チューブとドレイン電極間における相互作用により、チューブは、そのエネルギーのいくらかを消失し、チューブは、表面近傍の静止状態にトラップされることになる。表面近傍の電位の最小値は、表面から離れた最小値に比較される高い周波数に対応しており、これは、ゲート変調周波数がもはや共振状態にはなく、接触位置におけるチューブに対するエネルギー転送が無効であることを意味している。装置は、変調の結果、その状態を変化させており、トンネル電流を実現可能である。チューブは、ゲート変調が除去された後にも、表面に存在することを継続することになる。従って、本システムは、組み込み型のメモリを具備しており、これは、特定の周波数レンジ内の変調が適用された場合に、記憶することになる。このケースにおける周波数スキャンが、図８Ｂに示されており、この場合には、共振周波数近傍の狭いインターバルにおいて、チューブは、最終的に接点の近傍に位置している。非ゼロのトンネル電流を取得するのは、この狭い領域内においてのみである。いずれのケースにおいても、１／２及び２倍の周波数に、明瞭に可視状態の共振が存在しており、且つ、主共振のラインの形状は非対称である。これらの特徴は、いずれも、二次の電位形状からの逸脱に起因している。
【００４２】
換言すれば、図８は、ゲート電圧バイアス（ａ）Ｖg0＝５Ｖ及び（ｂ）Ｖg0＝６Ｖとゲート電圧変調δＶ＝０．１Ｖと周波数ｆmodにおいて安定状態にある接触モード構造における最大及び最小変位を示している。最大ピークは、共振周波数に対応しており、１／２及び２倍周波数のピークは相対的に小さい。図８Ａの挿入図は、周波数の関数としてソース接合変位電流の振幅を示している。図８Ｂには、チューブが、いくつかの周波数において、状態を表面近傍の位置に切り替え、これにより、チューブからドレインへの非ゼロのトンネル電流を実現する方法が示されている（即ち、「状態の切り替え」とは、発振の振幅が周波数に依存しているため、チューブが、基板をヒットし、特定の周波数においてくっ付くことを意味している）。図８Ｂの挿入図は、有効変位電流Ｉs,eff及びドレイントンネル電流Ｉsdの両方を示している。
【００４３】
（非接触モード）
接触モードの場合には、電位に対する調和近似法を使用して特定のゲート電圧における共振周波数を予測可能である。この予測は、図９の破線である。この予測をゲート電圧及び変調周波数の両方の関数としての観察された発振振幅と比較している。暗いエリアは、共振に対応している。観察された共振は、調和近似法の定性的な振る舞いに略準拠しており、主共振の周波数は、非接触モードシステムにおいて可能であったものよりも更に大きく変化可能である。又、このケースにおいても可視状態であるｆ*1/2及びｆ*2ブランチに留意されたい。
【００４４】
換言すれば、図９は、本システムの非接触動作モードにおける観察された共振を変調周波数及びゲート電圧バイアスの関数として示している。調和近似法（破線）は、低バイアス領域内において、観察された共振と良好に一致しており、相対的に大きな電圧の場合には、予測値を逸脱している。明瞭に可視状態のｆ*1/2及びｆ*2ブランチに留意されたい。
【００４５】
非接触モードにおける本システムを通じた電流は、接触モードシステムにおける電流とは大幅に異なっている。大きなソース／ドレイン電圧が、機械的な接触を伴うことなしに電流を実現し、すべての周波数において、非ゼロのトンネル電流が予想される。電流は、チューブの振動に起因して共振において変化し、且つ、バイアス電圧に応じて増大又は減少可能である（非発振位置が結果的に大きな電流をもたらす場合には、発振は、これを減少させる傾向を有しており、この逆も同様である）。これらの２つの異なるケースが図１０に示されており、この図は、限度サイクル内における最小及び最大チューブ偏向を示しており、挿入図は、対応したトンネル電流を示している。これらの図における最も重要な結論は、共振が電流を変化させるということであり、これは、共振を電気的に検出可能であることを意味している。共振のライン形状は、高度な非対称性を有しており、これは、電流が共振周波数の一側において突然変化することを意味している。
【００４６】
換言すれば、図１０は、非接触動作モードにおける周波数応答を示している。バイアスポイントは、（ａ）Ｖg0＝４．３Ｖ及び（ｂ）Ｖg0＝４．８Ｖであり、ＡＣ変調の振幅は、δＶ＝０．１Ｖである。主共振ピークは、高度な非対称性を有しており、２倍周波数及び１／２周波数ピークは、いずれも可視状態にある。挿入図は、平均トンネル電流を周波数の関数として示している。この平均電流は、図１０Ａにおいては、共振において増大しており、図１０Ｂにおいては、減少している。電流変化の符号及び大きさは、電位の形状に依存している。
【００４７】
（寸法）
寸法は、アプリケーションと力学の期待値によって変化する。理論的には、代表的な長さは、８０〜１００ナノメートルであり、台地の高さｈは、通常、８ナノメートルであり、直径は、通常、８ナノメートルである。
【００４８】
（アプリケーションの例）
以下は、上述のシステムを使用して設計可能なコンポーネントの例である。
【００４９】
（ボックス表記）
わかりやすくするべく、ボックス表記を使用し、一例について説明する。ボックスは、接触又は非接触モードにおけるナノ機械的リレー装置を含んでおり、ソース、ゲート、及びドレイン接点を通じて外部回路に接続されている（図１１を参照されたい）。即ち、３つ又は５つの電極を通じて外部回路に接続されたボックスとして本システムを見なしているのである。リレーが、その他の構成（例えば、前出の特許出願第ＰＣＴ／ＳＥ０２／００８５３号に記述されている５端子構成など）を利用している場合には、いくつかのゲート及びドレイン接点が存在している。
【００５０】
（メモリ要素）
メモリ要素アプリケーションは、リレーの潜在的なアプリケーションである。接触モードシステム内のチューブとドレイン電極間における非弾性衝突に起因し、非常に高速の書き込み時間を実現可能である。メモリセルは、外部電圧源によるその値の保存を必要とする揮発性であるか、或いは、外部電圧が存在しない場合にもその状態を保持する能力を有する不揮発性であってよい。メモリアプリケーションにおいては、ボックスは、図４Ｂに示されているように、十分なヒステリシスを有する接触モードのリレーを含んでいる必要がある。チューブの端部がドレイン電極に近接している導電状態は、論理「１」であり、非接触状態は、論理「０」である。メモリセルは、図４ＢのＢによって表記されているヒステリシスループの下端が正である場合に、揮発性である。ヒステリシスループが、ゼロのゲート電圧まで延長している場合には、メモリ要素は、外部電圧を有していない場合にもその状態を保持することになり、不揮発性である。不揮発性メモリ要素は、大きな電圧パルスＶsdを印加してチューブ／ドレイン接点を加熱することにより、非導電状態にリセット可能である。結果的に得られる活発な電子の移動により、ドレイン電極からチューブが解放されることになる。
【００５１】
（フィルタ）
電気機械的共振を利用し、入力ＡＳ信号をゲートに印加すると共にドレインにおいて出力信号を読み取ることにより、本システムをフィルタとして使用可能である。いくつかの周波数成分を有する信号によってゲート電圧を変調することにより、共振外の周波数を有する周波数成分が抑圧される。共振周波数は、ゲート電圧バイアスＶg0を使用してチューニング可能であるため、本システムは、チューニング可能なフィルタとして機能する。このケースにおけるナノ電気機械的要素は、接触又は非接触モードのいずれであってもよく、フィルタの周波数レンジは、図６及び図９から読み取ることができる。
【００５２】
図１２は、リレーのフィルタアプリケーションを概略的に示している。内部容量は、時間の関数であり、これは、チューブが発振する周波数によってこちらも時間と共に変化する出力電圧をもたらす。ゲート電圧変調器１２１０が電圧入力Ｖmとゲートの間に接続されており、ＡＣ電圧を加えている。
【００５３】
（可変帯域幅検出器）
本システムは、共振周波数に十分に近接した信号を検出する検出器（図１３）として使用可能である。装置１６００のゲートは、ゲート電圧変調器１３１０に接続されている。適切な周波数を有するゲート電圧変調により、応答が誘発される。この応答の特徴は、動作モードに依存している。接触モードシステムの場合には、チューブは、その論理的な状態（これは、結果的にトンネル抵抗の変化をもたらす）と、結果的に、図８Ｂに示されているように、ドレインにおけるＤＣ電流を変化させる。ゲート変調がターンオフされた場合に、チューブは、（ゲートバイアスが除去されない限り、或いは、設計パラメータが不揮発性メモリ要素のものに対応している場合には、ゲートバイアスが存在していない場合にも）表面に留まり、検出器はメモリを具備することになる。検出器の帯域幅は、ゲートバイアス及び信号振幅の両方の関数であり、チューニング可能である。前述のように、共振周波数は、ゲートバイアスの関数である。従って、検出器の帯域幅及び応答周波数は、いずれも、チューニング可能である。ナノ電気機械的コンポーネントが非接触モードにある場合には、ドレインにおける電流応答は、いずれかの符号を具備可能であり（図１０を参照されたい）、検出器は、組み込み型メモリを具備しない。
【００５４】
図１３は、検出器アプリケーションを概略的に示している。適切な周波数を有する信号がゲートに印加されると、本システムは、その論理的な状態を変化させ、この結果、ソース（ドレイン）電流がもたらされる。本システムは、信号が印加された場合に本システムが記憶するように、組み込み型メモリを有するように設計可能である。
【００５５】
（発振器）
チューブとドレイン電極間の容量は、時間の関数である。ドレイン電極と接地の間に容量を挿入することにより、時間依存電圧Ｖout（ｔ）が付与される。ドレインとゲート電圧変調器１４１０の間に接続されたフィードバック回路１４２０により、この時間依存電圧をゲート電圧バイアス（これは、チューブの振動周波数に対応した周波数を有する変調電圧を付与する）に重畳可能である。
【００５６】
この構造が図１４に示されている。この結果、フィードバックにより、チューブは、共振状態において発振を開始する。この発振は、ステップパルスをゲート電極に印加することによって開始可能である。発振周波数は、ゲートバイアスによってチューニング可能である。この例におけるナノ電気機械的コンポーネントは、接触モード又は非接触モードのいずれであってもよい。
【００５７】
換言すれば、図１４は、共振周波数によって決定される周波数を具備した出力信号をフィードバック回路１４２０を介してフィードバックすることにより、ゲート信号を変調する方法を示している。適切な位相シフトにより、この信号は発振を駆動する。
【００５８】
（可変コンデンサ）
チューブとドレイン間における容量は、ゲート電圧の関数である。従って、本システムは、チューニング可能なコンデンサとして機能可能であり、これは、電気的な共振回路内において使用可能である（図１５を参照されたい）。インダクタンスＬを有する誘導性コンポーネント１５２０が、ソースとドレインの間に接続されている。小さなＶsdを使用するか、或いは、適切な位相シフトを有するゲートに対するフィードバックを使用してチューブの発振を能動的に減衰させることにより（図示されてはいない）、チューブの機械的な発振を極小化可能である。
【００５９】
換言すれば、図１５は、可変コンデンサを示しており、この場合に、チューブ／ドレイン容量は、ゲート電圧に依存している。本システムは、電気的な共振回路の共振周波数を変更するのに使用可能な可変コンデンサである。
【００６０】
（パルス生成器）
接触モードシステムは、１つのサイクルにおいて、チューブの先端が、このサイクルの一部にわたってドレイン電極に接触するように、適切な振幅及び周波数を有するＡＣ信号をゲートに印加することにより、パルス生成器として使用可能である。
【００６１】
（電気機械的ミキサ）
チューブの相対的に高い機械的な動作モードを許容すると共に、適切な周波数を有するＡＣ信号を適切に配置されたゲート電極に印加することにより、本システムは、結合された機械的動作を示すことになり、これを機械的な周波数ミキサとして使用可能である。
【００６２】
（更なる装置）
多数の個々の装置を互いに接続することにより、更なるアプリケーションを構築可能である。
【００６３】
（空洞共振器）
図１６は、本発明によるナノ電気機械的コンポーネントの別の実施例を示している。基板１３０には、ナノチューブの下に、定義表面１６３０、１６４０、及び１６５０が提供された空洞共振器１６１０が提供されている。この空洞共振器は、好ましくは、チューブが、矢印１６２０によって示されているように大きな振幅によって発振した場合に、チューブ１２０を収容するのに十分な深さｈcと長さＬcと幅（図示されではいない）を具備しており、これにより、チューブ１２０を基板１３０と接触させることなしに、ナノチューブの相対的に大きな運動を可能にしている。この実施例においては、ドレイン電極１５０は、チューブ１２０を超えたところに配置されている。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の好適な実施例によるナノ電気機械的コンポーネントの概略側面図を示している。
【図２】図１のコンポーネントの等価回路図を示している。
【図３】ａ〜ｆは、いくつかのゲート及びドレイン電極を有する様々な構成を具備したコンポーネントを概略的に示している。
【図４Ａ】異なるゲート電圧における図１のコンポーネントのチューブ上におけるゼロの真の力の位置を示す安定度図を示している。
【図４Ｂ】図４Ａの安定度プロットに対応した電流をゲート電圧の関数として示している。
【図５Ａ】非接触モードシステムにおける安定度図を示している。
【図５Ｂ】図５Ａの安定度図に対応した電流の図をソース／ゲート電圧の関数として示している。
【図５Ｃ】図１のコンポーネントを改良したものを示している。
【図６】非接触モードシステムにおける共振周波数の図をゲート電圧の関数として示している。
【図７】接触モードシステムにおける振動のピークツーピーク振幅の図を変調周波数の関数として示している。
【図８Ａ】接触モードシステムにおけるチューブの最大及び最小変位の図を変調周波数の関数として示している。
【図８Ｂ】いくつかの周波数においてチューブが表面に近い位置に状態を切り替えた際における図８Ａの図に類似した図を示している。
【図９】非接触モードシステムにおける観察される共振の図を変調周波数及びゲート電圧バイアスの関数として示している。
【図１０Ａ】動作の際の非接触モードにおける周波数応答の図を示している。
【図１０Ｂ】動作の際の非接触モードにおける周波数応答の図を示している。
【図１１】本発明によるコンポーネントをボックスとして示している。
【図１２】本発明のフィルタ回路の実施例の概略図を示している。
【図１３】本発明の一実施例の検出器アプリケーションの概略図を示している。
【図１４】本発明の一実施例による電圧制御発振器の概略図を示している。
【図１５】本発明の一実施例による可変コンデンサ回路の概略図を示している。
【図１６】ナノチューブの相対的に大きな発振を可能にする空洞共振器が提供されたナノ電気機械的コンポーネントを示している。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基端部と先端部を有し、且つ、長手方向及び横方向に延長部を有するナノチューブ（１２０）と、前記ナノチューブ（１２０）の少なくとも第１部分を支持する支持構造（１３０）と、その横方向の延長部によって定義されている第１方向において前記ナノチューブに力を作用させる第１手段（１４０）と、を有するナノチューブ装置（１００）であって、前記ナノチューブ（１２０）の少なくとも第２部分は、前記力が特定のレベルを超過した際に、前記ナノチューブの前記第２部分が曲がり、これにより、前記チューブ（１２０）とドレイン電極（１５０）間におけるチューブからドレインへの距離を低減するように、前記構造（１３０）の前記支持部を超えて突出している、ナノチューブ装置（１００）において、
前記チューブ（１２０）とソース電極（１１０）の間に量子力学現象を引き起こすことができるように、前記チューブ（１２０）に対する距離（Δｚs）を具備した前記ソース電極（１１０）が配置されていることを特徴とするナノチューブ装置。
【請求項２】
前記ナノチューブに対して前記力を作用させる前記第１手段は、電気的手段であり、前記力は、電圧を前記手段に印加することによって生成され、
前記ナノチューブ（１２０）の寸法と、前記チューブ（１２０）と前記支持構造（１３０）間における垂直距離（ｈ）のサイズと、チューブ（１６０）と前記ドレイン電極（１５０）間における水平距離（Δｚ）のサイズは、前記チューブ（１２０）と前記ドレイン電極（１５０）間に量子力学現象を引き起こすことができるようなものになっていることを特徴とする請求項１記載のナノチューブ装置。
【請求項３】
前記支持構造は、第１及び第２レベル上の構造を有する台地状の構造を有しており、前記ナノチューブの前記支持されている第１部分は、前記構造の前記第１レベルによって支持されており、前記力を作用させる手段は、前記第２レベル上に配置されている請求項１又は２記載のナノチューブ装置。
【請求項４】
前記力を印加する第１手段は、第１ゲート電極を有しており、そのインピーダンスが前記ナノチューブの前記曲がる段階の影響を受ける第１回路は、前記構造の前記第２レベル上に配置された第１ゲート電極と、前記構造の前記第１レベル上に配置された第１ソース電極と、を有する請求項１〜３の中のいずれか一項記載のナノチューブ装置。
【請求項５】
前記支持している台地状の構造は、第３レベル上の構造を更に有しており、前記第３レベルは、前記第２レベルと基本的に平行に配置されているが、前記ナノチューブの前記突出部の反対側に位置しており、前記ナノチューブ装置は、力が特定のレベルを超過した際に、前記ナノチューブの前記第２部分がその横方向の延長部の第２方向において曲がり、これにより、第２電気回路のインピーダンスに影響を与えるように、その横方向の延長部によって定義されている前記第２方向において前記ナノチューブに対して前記力を作用させる第２手段を有する請求項１〜４のいずれか一項記載のナノチューブ装置。
【請求項６】
前記ナノチューブに対して前記力を作用させる前記第２手段は、電気的手段であり、前記力は、電圧を前記手段に印加することによって生成される請求項５記載のナノチューブ装置。
【請求項７】
前記追加の支持構造は、第１及び第２レベル上の構造を有する台地状の構造を有しており、前記ナノチューブの前記支持されている第１部分は、前記構造の前記第１レベルによって支持されており、前記力を作用させる手段は、前記第２レベル上に配置されている請求項５又は６記載のナノチューブ装置。
【請求項８】
前記力を印加する第２手段は、第２ゲート電極を有しており、そのインピーダンスが前記ナノチューブの前記曲がる段階の影響を受ける第２回路は、前記構造の前記第３レベル上に配置された第２ドレイン電極を有する請求項５〜７の中のいずれか一項記載のナノチューブ装置。
【請求項９】
前記装置は、２つのゲート電極（ｇ）と２つのドレイン電極（ｄ）を有しており、前記ゲート電極は、前記ナノチューブ（１２０）のそれぞれの側部の下に１つずつ配置されており、前記ドレイン電極（ｄ）は、前記ナノチューブ（１２０）に対して相対的にそれぞれの側部の下に１つずつ配置されている請求項１記載のナノチューブ装置（１００）。
【請求項１０】
前記装置は、１つのゲート電極（ｇ）と２つのドレイン電極（ｄ）を有しており、前記ゲート電極（ｇ）は、前記ナノチューブ（１２０）の真下に配置されており、前記２つのドレイン電極（ｄ）は、前記ナノチューブのそれぞれの側部において互いに反対側に１つずつ配置されている請求項１記載のナノチューブ装置（１００）。
【請求項１１】
前記装置は、２つのゲート電極（ｇ）と１つのドレイン電極（ｄ）を有しており、前記ゲート電極は、前記ナノチューブ（１２０）のそれぞれの側部において互いに反対側に１つずつ配置されている請求項１記載のナノチューブ装置（１００）。
【請求項１２】
前記装置は、４つのゲート電極（ｇ）と２つのドレイン電極（ｄ）を有しており、前記ゲート電極（ｇ）は、ペアとして正方形又は矩形の形態で前記ナノチューブ（１２０）のそれぞれの側部に２つずつ配置されており、前記ドレイン電極（ｄ）は、前記ナノチューブのそれぞれの側部において互いに反対側に１つずつ配置されている請求項１記載のナノチューブ装置（１００）。
【請求項１３】
前記装置は、２つのゲート電極（ｇ）と２つのドレイン電極（ｄ）を有しており、前記ゲート電極（ｇ）は、前記ナノチューブのそれぞれの側部の下であって、前記ゲート電極（ｇ）よりも前記チューブの先端に近いところに１つずつ配置されており、前記ドレイン電極（ｄ）は、前記ナノチューブ（１２０）を超えた前記チューブ（１２０）の仮想的な延長線のそれぞれの側部に１つずつ配置されている請求項１記載のナノチューブ装置（１００）。
【請求項１４】
前記装置は、２つのゲート電極（ｇ）と２つのドレイン電極（ｄ）を有しており、前記ゲート電極は、前記ナノチューブ（１２０）を基準として非対称に配置されている請求項１記載のナノチューブ装置（１００）。
【請求項１５】
請求項１記載の前記装置を有することを特徴とするメモリ要素。
【請求項１６】
請求項１記載の前記装置を有しており、入力ＡＣ信号が前記装置の前記ゲートに印加され、出力信号が前記ドレインにおいて読み取られることを特徴とするフィルタ。
【請求項１７】
ゲート電圧バイアスによって共振周波数をチューニング可能である請求項１６記載のフィルタ。
【請求項１８】
請求項１記載の前記装置を有しており、前記装置の前記ゲートは、ゲート電圧変調器（１３１０）に接続されていることを特徴とする可変帯域幅検出器。
【請求項１９】
請求項１記載の前記装置を有することを特徴とする発振器。
【請求項２０】
前記ドレインとゲート電圧変調器（１４１０）の間にフィードバック回路（１４２０）が接続されている請求項１９記載の発振器。
【請求項２１】
請求項１記載の前記装置を有することを特徴とする可変コンデンサ。
【請求項２２】
前記ソースと前記ドレイン間に誘導性コンポーネント（１５２０）が接続されている請求項２１記載のコンデンサ。
【請求項２３】
前記チューブ（１２０）は、カーボン、シリコンカーバイド、又は金属から製造されていると共に／又は、ナノワイヤ又はナノウィスカーである請求項１〜２２のいずれか一項記載の装置。
【請求項２４】
前記装置には、前記ナノチューブ（１２０）の下の前記基板内に、前記ナノチューブ（１２０）の相対的に大きな運動を可能にする空洞共振器（１６１０）が提供されている請求項１記載のナノチューブ装置。
【請求項１】
基端部と先端部を有し、且つ、長手方向及び横方向に延長部を有するナノチューブ（１２０）と、前記ナノチューブ（１２０）の少なくとも第１部分を支持する支持構造（１３０）と、その横方向の延長部によって定義されている第１方向において前記ナノチューブに力を作用させる第１手段（１４０）と、を有するナノチューブ装置（１００）であって、前記ナノチューブ（１２０）の少なくとも第２部分は、前記力が特定のレベルを超過した際に、前記ナノチューブの前記第２部分が曲がり、これにより、前記チューブ（１２０）とドレイン電極（１５０）間におけるチューブからドレインへの距離を低減するように、前記構造（１３０）の前記支持部を超えて突出している、ナノチューブ装置（１００）において、
前記チューブ（１２０）とソース電極（１１０）の間に量子力学現象を引き起こすことができるように、前記チューブ（１２０）に対する距離（Δｚs）を具備した前記ソース電極（１１０）が配置されていることを特徴とするナノチューブ装置。
【請求項２】
前記ナノチューブに対して前記力を作用させる前記第１手段は、電気的手段であり、前記力は、電圧を前記手段に印加することによって生成され、
前記ナノチューブ（１２０）の寸法と、前記チューブ（１２０）と前記支持構造（１３０）間における垂直距離（ｈ）のサイズと、チューブ（１６０）と前記ドレイン電極（１５０）間における水平距離（Δｚ）のサイズは、前記チューブ（１２０）と前記ドレイン電極（１５０）間に量子力学現象を引き起こすことができるようなものになっていることを特徴とする請求項１記載のナノチューブ装置。
【請求項３】
前記支持構造は、第１及び第２レベル上の構造を有する台地状の構造を有しており、前記ナノチューブの前記支持されている第１部分は、前記構造の前記第１レベルによって支持されており、前記力を作用させる手段は、前記第２レベル上に配置されている請求項１又は２記載のナノチューブ装置。
【請求項４】
前記力を印加する第１手段は、第１ゲート電極を有しており、そのインピーダンスが前記ナノチューブの前記曲がる段階の影響を受ける第１回路は、前記構造の前記第２レベル上に配置された第１ゲート電極と、前記構造の前記第１レベル上に配置された第１ソース電極と、を有する請求項１〜３の中のいずれか一項記載のナノチューブ装置。
【請求項５】
前記支持している台地状の構造は、第３レベル上の構造を更に有しており、前記第３レベルは、前記第２レベルと基本的に平行に配置されているが、前記ナノチューブの前記突出部の反対側に位置しており、前記ナノチューブ装置は、力が特定のレベルを超過した際に、前記ナノチューブの前記第２部分がその横方向の延長部の第２方向において曲がり、これにより、第２電気回路のインピーダンスに影響を与えるように、その横方向の延長部によって定義されている前記第２方向において前記ナノチューブに対して前記力を作用させる第２手段を有する請求項１〜４のいずれか一項記載のナノチューブ装置。
【請求項６】
前記ナノチューブに対して前記力を作用させる前記第２手段は、電気的手段であり、前記力は、電圧を前記手段に印加することによって生成される請求項５記載のナノチューブ装置。
【請求項７】
前記追加の支持構造は、第１及び第２レベル上の構造を有する台地状の構造を有しており、前記ナノチューブの前記支持されている第１部分は、前記構造の前記第１レベルによって支持されており、前記力を作用させる手段は、前記第２レベル上に配置されている請求項５又は６記載のナノチューブ装置。
【請求項８】
前記力を印加する第２手段は、第２ゲート電極を有しており、そのインピーダンスが前記ナノチューブの前記曲がる段階の影響を受ける第２回路は、前記構造の前記第３レベル上に配置された第２ドレイン電極を有する請求項５〜７の中のいずれか一項記載のナノチューブ装置。
【請求項９】
前記装置は、２つのゲート電極（ｇ）と２つのドレイン電極（ｄ）を有しており、前記ゲート電極は、前記ナノチューブ（１２０）のそれぞれの側部の下に１つずつ配置されており、前記ドレイン電極（ｄ）は、前記ナノチューブ（１２０）に対して相対的にそれぞれの側部の下に１つずつ配置されている請求項１記載のナノチューブ装置（１００）。
【請求項１０】
前記装置は、１つのゲート電極（ｇ）と２つのドレイン電極（ｄ）を有しており、前記ゲート電極（ｇ）は、前記ナノチューブ（１２０）の真下に配置されており、前記２つのドレイン電極（ｄ）は、前記ナノチューブのそれぞれの側部において互いに反対側に１つずつ配置されている請求項１記載のナノチューブ装置（１００）。
【請求項１１】
前記装置は、２つのゲート電極（ｇ）と１つのドレイン電極（ｄ）を有しており、前記ゲート電極は、前記ナノチューブ（１２０）のそれぞれの側部において互いに反対側に１つずつ配置されている請求項１記載のナノチューブ装置（１００）。
【請求項１２】
前記装置は、４つのゲート電極（ｇ）と２つのドレイン電極（ｄ）を有しており、前記ゲート電極（ｇ）は、ペアとして正方形又は矩形の形態で前記ナノチューブ（１２０）のそれぞれの側部に２つずつ配置されており、前記ドレイン電極（ｄ）は、前記ナノチューブのそれぞれの側部において互いに反対側に１つずつ配置されている請求項１記載のナノチューブ装置（１００）。
【請求項１３】
前記装置は、２つのゲート電極（ｇ）と２つのドレイン電極（ｄ）を有しており、前記ゲート電極（ｇ）は、前記ナノチューブのそれぞれの側部の下であって、前記ゲート電極（ｇ）よりも前記チューブの先端に近いところに１つずつ配置されており、前記ドレイン電極（ｄ）は、前記ナノチューブ（１２０）を超えた前記チューブ（１２０）の仮想的な延長線のそれぞれの側部に１つずつ配置されている請求項１記載のナノチューブ装置（１００）。
【請求項１４】
前記装置は、２つのゲート電極（ｇ）と２つのドレイン電極（ｄ）を有しており、前記ゲート電極は、前記ナノチューブ（１２０）を基準として非対称に配置されている請求項１記載のナノチューブ装置（１００）。
【請求項１５】
請求項１記載の前記装置を有することを特徴とするメモリ要素。
【請求項１６】
請求項１記載の前記装置を有しており、入力ＡＣ信号が前記装置の前記ゲートに印加され、出力信号が前記ドレインにおいて読み取られることを特徴とするフィルタ。
【請求項１７】
ゲート電圧バイアスによって共振周波数をチューニング可能である請求項１６記載のフィルタ。
【請求項１８】
請求項１記載の前記装置を有しており、前記装置の前記ゲートは、ゲート電圧変調器（１３１０）に接続されていることを特徴とする可変帯域幅検出器。
【請求項１９】
請求項１記載の前記装置を有することを特徴とする発振器。
【請求項２０】
前記ドレインとゲート電圧変調器（１４１０）の間にフィードバック回路（１４２０）が接続されている請求項１９記載の発振器。
【請求項２１】
請求項１記載の前記装置を有することを特徴とする可変コンデンサ。
【請求項２２】
前記ソースと前記ドレイン間に誘導性コンポーネント（１５２０）が接続されている請求項２１記載のコンデンサ。
【請求項２３】
前記チューブ（１２０）は、カーボン、シリコンカーバイド、又は金属から製造されていると共に／又は、ナノワイヤ又はナノウィスカーである請求項１〜２２のいずれか一項記載の装置。
【請求項２４】
前記装置には、前記ナノチューブ（１２０）の下の前記基板内に、前記ナノチューブ（１２０）の相対的に大きな運動を可能にする空洞共振器（１６１０）が提供されている請求項１記載のナノチューブ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５ｃ】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５ｃ】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公表番号】特表２００８−５０２１２５（Ｐ２００８−５０２１２５Ａ）
【公表日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５１３１０４（Ｐ２００７−５１３１０４）
【出願日】平成１７年５月１６日（２００５．５．１６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＳＥ２００５／０００６９１
【国際公開番号】ＷＯ２００５／１１２１２６
【国際公開日】平成１７年１１月２４日（２００５．１１．２４）
【出願人】（３０７０１７４０８）チャルマーズ インテレクチュアル プロパティー ライツ アクティエボラーグ (1)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月１６日（２００５．５．１６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＳＥ２００５／０００６９１
【国際公開番号】ＷＯ２００５／１１２１２６
【国際公開日】平成１７年１１月２４日（２００５．１１．２４）
【出願人】（３０７０１７４０８）チャルマーズ インテレクチュアル プロパティー ライツ アクティエボラーグ (1)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]