観測装置および観測方法
【課題】可能な限り簡単な構造のナノデバイスから多くの情報量を読み出すことが可能な、高機能、高感度の観測装置を提供する。
【解決手段】金属性カーボンナノチューブ１０１の両端に電極１０２、１０３が接続され、これと平行に接地電極１０４が形成される。電極１０２、１０３は、それぞれプローブ針１０６、１０７と接触し、同軸ケーブル１０８により高周波測定部１０５と接続している。高周波電源１０９が、特定範囲の周波数の信号を出力し、反射波・透過波検出回路１１０が、その反射波および透過波を測定する。制御部１１１は、高周波電源１０９からの信号の振幅と反射波・透過波検出回路１１０の検出結果からＳパラメータの周波数依存性を測定し、その結果に基づいて、吸着分子１１２を同定し、吸着分子１１２の量を検出する。
【解決手段】金属性カーボンナノチューブ１０１の両端に電極１０２、１０３が接続され、これと平行に接地電極１０４が形成される。電極１０２、１０３は、それぞれプローブ針１０６、１０７と接触し、同軸ケーブル１０８により高周波測定部１０５と接続している。高周波電源１０９が、特定範囲の周波数の信号を出力し、反射波・透過波検出回路１１０が、その反射波および透過波を測定する。制御部１１１は、高周波電源１０９からの信号の振幅と反射波・透過波検出回路１１０の検出結果からＳパラメータの周波数依存性を測定し、その結果に基づいて、吸着分子１１２を同定し、吸着分子１１２の量を検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノデバイスを有する観測装置および観測方法に関し、特には、カーボンナノチューブ等のナノ構造体を有する観測装置および観測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来この種のナノデバイスを有する観測装置は、例えば、特許文献１（特開２００３−２２７８０８号公報）に記載されたような構造をとっていた。
【０００３】
この観測装置（センサー）では、図１１に示すように、複数のカーボンナノチューブ１１０３が、電極１１０１と電極１１０２の間に設けられており、電極１１０１および電極１１０２には、直流電源１１０５と電流計１１０６が接続されている。
【０００４】
カーボンナノチューブ１１０３に、ある吸着分子１１０４が吸着すると、カーボンナノチューブ１１０３の電気伝導特性が変化する。この観測装置は、その電気伝導特性の変化を、直流電流の変化として読み出す。
【０００５】
また、特許文献２（特開２００４−３４７５３２号公報）にも、ナノデバイスを有する観測装置（センサー）が記載されている。
【０００６】
この観測装置では、図１２に示すように、カーボンナノチューブ１２０３が、電界効果型トランジスタあるいは単一電子型トランジスタのチャネルとして用いられ、ゲート電極１２０６には、ターゲット分子１２０４が付着し易いように、高分子プローブ１２０５が形成されている。また、直流電源１２０７と電流計１２０８が、ドレイン電極１２０１とソース電極１２０２に接続されている。
【０００７】
ターゲット分子１２０４が高分子プローブ１２０５に吸着すると、電荷の移動によってゲート電位が変化する。このため、電流計１２０８は、ターゲット分子１２０４が高分子プローブ１２０５に吸着したことを、ドレイン電流の変化として読み出すことができる。
【０００８】
なお、非特許文献１（K. Narita and T. Kushta, "An Accurate Experimental Method for Characterizing Transmission Lines Embedded in Multilayer Printed Circuit Boards," IEEE Transactions on Advanced Packaging, Vol.29, No.1, pp.114-121, 2006.）には、長さの異なる２つの伝送線路のパラメータから誤差を取り除く方法が記載されている。
【特許文献１】特開２００３−２２７８０８号公報
【特許文献２】特開２００４−３４７５３２号公報
【非特許文献１】K. Narita and T. Kushta, "An Accurate Experimental Method for Characterizing Transmission Lines Embedded in Multilayer Printed Circuit Boards," IEEE Transactions on Advanced Packaging, Vol.29, No.1, pp.114-121, 2006.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来方法においては、ナノ構造体を有するデバイスの状態の変化を直流電流で観測する方法をとっているため、読み出される情報量が少なく、高機能、高感度な観測装置を形成するのが困難であるという課題があった。
【００１０】
例えば、図１１に示したセンサーは、カーボンナノチューブに分子が吸着した際の電気伝導特性の変化を、直流電流の変化として観測するので、その変化の原因が、吸着分子の量に起因するのか、または、吸着分子の種類に起因するのか、区別がつけにくい。
【００１１】
したがって、この観測装置は、あらかじめ吸着分子の種類が分かっている場合に、その量を検知するという用途にしか使用できず、使用用途が限定されてしまうという問題点がある。
【００１２】
また、図１２に示した観測装置の場合、あるターゲットの分子が吸着したことを判定するためには、あらかじめターゲット分子のみを吸着するプローブ高分子をゲート電極に付着させておく必要がある。そのためには、プローブ分子を特定の方向に配向させてナノ構造体に付着させる技術が必要である。
【００１３】
通常、この種の技術は複雑で高度なため、実用上使用するのが困難である場合が多い。さらに、読出しの際の直流電流によって、例えば発熱等によりデバイスの系の状態を大きく乱してしまうため、系の本来の状態を読出すことが困難、つまり高精度の装置を形成できないという課題もある。
【００１４】
［発明の目的］
本発明の目的は、簡単な構造のナノデバイスから多くの情報量を読み出すことが可能な、高機能、高感度の観測装置を提供することである。
【００１５】
また、読出しの際に、デバイスの系の状態に与える擾乱を最小限に抑えることにより、系の本来の状態を正確に読出すことを目的としている。例えば、簡単な構造のカーボンナノチューブデバイスにより、分子の種類と量を同時に高精度で特定できる分子センサー等を提供することが目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明の観測装置は、ナノ構造体を有するデバイスと、前記ナノ構造体に直接または絶縁膜を介して接続される複数の端子と、少なくとも１つの前記端子に特定周波数の信号を出力する信号出力部と、前記信号出力部が出力した特定周波数の信号の前記端子による反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノ構造体を通って他の端子から出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出す検出部と、前記信号出力部が出力する特定周波数の信号の振幅を設定するとともに、前記特定周波数の信号の振幅と、前記検出部が読み出した振幅および位相差と、に基づいて、前記デバイスの状態を検出する制御部と、を含む。
【００１７】
また、本発明の観測方法は、ナノ構造体を有するデバイスと、前記ナノ構造体に直接または絶縁膜を介して接続される複数の端子と、を含む観測装置が行う観測方法であって、少なくとも１つの前記端子に特定周波数の信号を出力する信号出力ステップと、前記特定周波数の信号の前記端子による反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノ構造体を通って他の端子から出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出す検出ステップと、前記特定周波数の信号の振幅を設定するとともに、前記特定周波数の信号の振幅と、前記読み出された振幅および位相差と、に基づいて、前記デバイスの状態を検出する観測ステップと、を含む。
【００１８】
上記発明によれば、ナノ構造体を有するデバイスの状態は、ナノ構造体と直接または間接的に接続している端子に出力された特定周波数信号の振幅と、その特定周波数信号の反射波および透過波の両方あるいはどちらか一方の振幅および特定周波数信号との位相差と、に基づいて検出される。
【００１９】
端子の個数をｎとすると、検出部にて検出されるパラメータ（反射波および透過波）は、最大ｎ×ｎ個あり、それぞれに振幅と位相の情報がある。
【００２０】
また、例えば、端子に出力される信号の周波数を、ある周波数範囲で変化させることにより、デバイスの系の周波数応答特性（例えば、挿入損失の周波数応答特性、および、電力損失の周波数特性）が得られる。
【００２１】
このため、直流電流による読出しに比べて、はるかに多くの情報が得られる。
【００２２】
また、例えば、ナノ構造体に直接接続されていない端子からでも、信号を入出力することが可能なので、観測に起因する系の状態の乱れを最小限に抑えることが可能である。
【００２３】
特に、ナノ構造体を用いたデバイスは、サイズが小さく、従来の直接直流電流を与える方法では、デバイスの状態が大きく変化してしまい、高精度で、デバイスの状態を読出すことが困難であるが、上記発明では、信号の振幅を非常に小さくすることで、その問題を回避することができる。
【００２４】
なお、前記ナノ構造体は、ナノワイアであることが望ましい。
【００２５】
また、前記ナノワイアは、少なくとも１種類以上の分子を吸着し、前記制御部は、前記デバイスの状態の変化に基づいて、前記分子の種類または量を特定することが望ましい。
【００２６】
上記発明によれば、分子の種類または量を特定することが可能になる。
【００２７】
また、前記デバイスは、前記ナノワイアで形成された伝送線路であり、前記複数の端子は、第１および第２の入出力端子であり、前記伝送路線の一端には前記第１の入出力端子、該伝送路線の他端には前記第２の入出力端子が接続され、前記信号出力部は、前記第１および第２の入出力端子に対して、順番に、前記特定周波数の信号を出力し、前記検出部は、前記信号出力部から出力された特定周波数の信号の前記第１および第２の入出力端子による反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノワイアを通って出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出すことが望ましい。
【００２８】
上記発明によれば、ナノ構造体を有するデバイスとして、伝送線路という簡単な構造のデバイスを用いることができる。
【００２９】
また、前記デバイスは、ゲート、ドレインおよびソースを有する電界効果トランジスタであり、前記複数の端子は、前記ゲートと前記ドレインであり、前記ソースに接地端子が接続され、前記ドレインと前記ソースの間に前記ナノ構造体が設けられ、前記ナノ構造体と前記ゲートの間に絶縁膜が設けられ、前記信号出力部は、前記ゲートおよび前記ドレインに対して、順番に、前記特定周波数の信号を出力し、前記検出部は、前記信号出力部から出力された特定周波数の信号の前記ゲートおよび前記ドレインによる反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノ構造体を通って出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出すことが望ましい。
【００３０】
上記発明によれば、ナノ構造体を有するデバイスとして、電界効果トランジスタという簡単な構造のデバイスを用いることができる。
【００３１】
また、前記デバイスは、ゲート、ドレインおよびソースを有する電界効果トランジスタであり、前記複数の端子は、前記ドレインと前記ソースであり、前記ドレインと前記ソースの間に前記ナノ構造体が設けられ、前記ナノ構造体と前記ゲートの間に絶縁膜が設けられ、前記信号出力部は、前記ドレインおよび前記ソースに対して、順番に、前記特定周波数の信号を出力し、前記検出部は、前記信号出力部から出力された特定周波数の信号の前記ドレインおよび前記ソースによる反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノ構造体を通って出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出すことが望ましい。
【００３２】
上記発明によれば、ナノ構造体を有するデバイスとして、電界効果トランジスタという簡単な構造のデバイスを用いることができる。
【００３３】
また、前記デバイスは、ゲート、ドレイン、ソースおよびアイランドを有する単一電子トランジスタであり、前記複数の端子は、前記ドレインと前記ソースであり、前記アイランドは、前記ナノ構造体であり、前記信号出力部は、前記ドレインおよび前記ソースに対して、順番に、前記特定周波数の信号を出力し、前記検出部は、前記信号出力部から出力された特定周波数の信号の前記ドレインおよび前記ソースによる反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノ構造体を通って出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出すことが望ましい。
【００３４】
上記発明によれば、高感度化が可能となる。
【００３５】
また、前記ナノワイアは、カーボンナノチューブであることが望ましい。
【００３６】
また、前記デバイスは、チャネルとなる伝導分子、ゲート、ドレインおよびソースを有する分子トランジスタであり、前記複数の端子は、前記ドレインと前記ソースであり、
前記伝導分子は、前記ナノ構造体であり、前記信号出力部は、前記ドレインおよび前記ソースに対して、順番に、前記特定周波数の信号を出力し、前記検出部は、前記信号出力部から出力された特定周波数の信号の前記ドレインおよび前記ソースによる反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノ構造体を通って出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出すことが望ましい。
【００３７】
上記発明によれば、更なる高感度化が可能となる。例えば、分子１個の検出が可能となる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、簡単な構造のナノデバイスから多くの情報量を読み出すことにより、高機能、高感度の観測装置を得ることができる。また読出しの際にデバイスの系の状態に与える擾乱を最小限に抑えることにより、系の本来の状態を高精度で読出すことが可能となる。例えば分子種の同定が容易に可能で、検出感度が非常に高い分子センサーを、特殊な製造方法を用いずに形成できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００４０】
図１は、本発明の一実施形態の観測装置を模式的に示した模式図である。図２は、測定した挿入損失と周波数の関係、図３は、電力損失と周波数の関係を表した説明図である。
【００４１】
図１において、観測装置は、金属性カーボンナノチューブ１０１と、電極１０２と、電極１０３と、接地電極１０４と、高周波測定部１０５と、プローブ針１０６と、プローブ針１０７と、同軸ケーブル１０８とを含む。高周波測定部１０５は、高周波電源１０９と、反射波・透過波検出回路１１０と、制御部１１１とを含む。
【００４２】
金属性カーボンナノチューブ１０１は、ナノ構造体およびナノワイアの一例であり、また、伝送線路であるデバイスの一例である。金属性カーボンナノチューブ１０１は、吸着分子１１２が吸着すると、電気伝導特性が変化する。なお、金属性カーボンナノチューブ１０１は、少なくとも１種類以上の分子を吸着する。
【００４３】
金属性カーボンナノチューブ１０１の一端には、電極１０２が接続されており、金属性カーボンナノチューブ１０１の他端には、電極１０３が接続されており、また、金属性カーボンナノチューブ１０１と平行に、接地電極１０４が形成されている。
【００４４】
電極１０２および電極１０３は、入出力端子の一例であり、それぞれプローブ針１０６およびプローブ針１０７と接触し、同軸ケーブル１０８を介して、高周波測定部１０５につながれている。
【００４５】
高周波測定部１０５は、高周波信号（例えば、１００ＭＨｚから２０ＧＨｚの信号）を用いて、金属性カーボンナノチューブ１０１の状態を検出する。
【００４６】
高周波電源１０９は、信号出力部の一例であり、少なくとも電極１０２または電極１０３に特定周波数（例えば、１００ＭＨｚから２０ＧＨｚ）の高周波信号を出力する。
【００４７】
本実施形態では、高周波電源１０９は、電極１０２に高周波信号ａ１を提供し、その後、電極１０３に高周波信号ａ２を提供する。なお、高周波電源１０９は、まず、電極１０３に高周波信号ａ２を提供し、その後、電極１０２に高周波信号ａ１を提供してもよい。
【００４８】
反射波・透過波検出回路１１０は、検出部の一例であり、高周波電源１０９から出力された高周波信号の電極１０２および電極１０３による反射波と、高周波信号が金属性カーボンナノチューブ１０１を通って電極１０３および電極１０２から出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、高周波信号との位相差を読み出す。
【００４９】
なお、金属性カーボンナノチューブ１０１は、吸着している分子１１２の種類および量に応じて電気導電特性が変化し、その特性の変化が、反射波と透過波の振幅および位相に影響を与える。
【００５０】
反射波・透過波検出回路１１０は、例えば、振幅検出部（不図示）と位相差検出部（不図示）を含む。
【００５１】
振幅検出部は、反射波と透過波の振幅を検出する。
【００５２】
位相差検出部は、高周波信号ａ１とその反射波ｂ１との位相差、高周波信号ａ１とその透過波ｂ２との位相差、高周波信号ａ２とその反射波ｂ２との位相差、および、高周波信号ａ２とその透過波ｂ１との位相差を検出する。
【００５３】
制御部１１１は、例えばＣＰＵであり、高周波電源１０９が出力する高周波信号の振幅を設定するとともに、その高周波信号の振幅と、反射波・透過波検出回路１１０が読み出した振幅および位相差と、に基づいて、金属性カーボンナノチューブ１０１の状態を検出する。
【００５４】
ここで、高周波信号ａ１、高周波信号ａ２、反射波または透過波ｂ１、および、透過波または反射波ｂ２は、振幅と位相を含む複素数で表される。
【００５５】
制御部１１１は、高周波信号の振幅と、反射波・透過波検出回路１１０が読み出した振幅および位相差と、に基づいて、高周波信号ａ１、高周波信号ａ２、反射波または透過波ｂ１、および、透過波または反射波ｂ２を複素数で表す。
【００５６】
制御部１１１は、それらａ１、ａ２、ｂ１およびｂ２を用いて、Ｓ11＝ｂ１／ａ１、Ｓ21＝ｂ２／ａ１、Ｓ12＝ｂ１／ａ２、Ｓ22＝ｂ２／ａ２で定義されるＳｉｊ（ｉ，ｊ＝１，２）を演算する。
【００５７】
Ｓｉｊは、通常、Ｓパラメータと呼ばれ、Ｓ11、Ｓ22は反射のパラメータであり、Ｓ21、Ｓ12は透過のパラメータである。
【００５８】
制御部１１１は、ユーザの指示に基づいて、高周波電源１０９が出力する高周波信号の周波数を特定範囲内で変更していき、Ｓパラメータの周波数依存性を測定する。
【００５９】
次に、動作を説明する。
【００６０】
制御部１１１は、所定振幅の高周波信号ａ１の周波数を特定範囲（例えば、１００ＭＨｚから２０ＧＨｚ）内で周期的に変更しながら出力する動作を、高周波電源１０９に実行させる。
【００６１】
反射波・透過波検出回路１１０は、高周波信号ａ１の周波数の変更周期に合わせて、反射波ｂ１および透過波ｂ２を検出する。なお、反射波・透過波検出回路１１０は、高周波信号ａ１の周波数の変更周期を、制御部１１１から取得してもよいし、ユーザから受け付けてもよい。
【００６２】
反射波・透過波検出回路１１０は、周波数ごとに、反射波ｂ１および透過波ｂ２の振幅と、高周波信号ａ１と反射波ｂ１との位相差と、高周波信号ａ１と透過波ｂ２との位相差と、を検出し、周波数ごとに、その検出結果を制御部１１１に提供する。
【００６３】
制御部１１１は、反射波・透過波検出回路１１０から検出結果を受け付けると、周波数ごとに、高周波信号ａ１、反射波ｂ１および透過波ｂ２を、振幅と位相にて規定される複素数に変換する。このとき、制御部１１１は、例えば、高周波信号ａ１の位相を基準位相として、高周波信号ａ１、反射波ｂ１および透過波ｂ２の位相を確定する。
【００６４】
制御部１１１は、複素数で表された高周波信号ａ１、反射波ｂ１および透過波ｂ２を用いて、周波数ごとに、Ｓ11およびＳ21を演算する。
【００６５】
続いて、制御部１１１は、所定振幅の高周波信号ａ２の周波数を特定範囲（例えば、１００ＭＨｚから２０ＧＨｚ）内で周期的に変更しながら出力する動作を、高周波電源１０９に実行させる。
【００６６】
反射波・透過波検出回路１１０は、高周波信号ａ２の周波数の変更周期に合わせて、反射波ｂ２および透過波ｂ１を検出する。なお、反射波・透過波検出回路１１０は、高周波信号ａ２の周波数の変更周期を、制御部１１１から取得してもよいし、ユーザから受け付けてもよい。
【００６７】
反射波・透過波検出回路１１０は、周波数ごとに、反射波ｂ２および透過波ｂ１の振幅と、高周波信号ａ２と反射波ｂ２との位相差と、高周波信号ａ２と透過波ｂ１との位相差と、を検出し、周波数ごとに、その検出結果を制御部１１１に提供する。
【００６８】
制御部１１１は、反射波・透過波検出回路１１０から検出結果を受け付けると、周波数ごとに、高周波信号ａ２、反射波ｂ２および透過波ｂ１を、振幅と位相にて規定される複素数に変換する。このとき、制御部１１１は、例えば、高周波信号ａ２の位相を基準位相として、高周波信号ａ２、反射波ｂ２および透過波ｂ１の位相を確定する。
【００６９】
制御部１１１は、複素数で表された高周波信号ａ２、反射波ｂ２および透過波ｂ１を用いて、周波数ごとに、Ｓ12およびＳ22を演算する。
【００７０】
図２は、制御部１１１が得たＳパラメータのうち、Ｓ21の絶対値を、周波数の関数として示した説明図である。Ｓ21の絶対値は、電極１０２から電極１０３に伝送する波の挿入損失を示す。なお、Ｓ21の絶対値は、制御部１１１にて算出される。
【００７１】
図２の実線は、カーボンナノチューブ１０１に吸着分子１１２が無い場合の挿入損失の周波数依存性を表す。この場合、挿入損失は、周波数の増加に伴い単調に減少、つまり損失が単調に増加する。
【００７２】
図２の点線は、カーボンナノチューブ１０１に吸着分子１１２が吸着した場合の挿入損失の周波数依存性を表す。この場合、周波数の変化に伴うカーボンナノチューブ１０１の電気伝導特性の変化分に加え、吸着分子１１２に特有の周波数、この場合にはｆ１とｆ２において、特に損失が増加した特性が得られる。例えば、水分子がカーボンナノチューブ１０１に吸着された場合、２．５ＧＨｚおよび１０ＧＨｚ付近の損失が増加する。
【００７３】
図３は、電力損失（１−｜Ｓ21｜2−｜Ｓ11｜2）の周波数依存性を示した説明図である。なお、電力損失は、制御部１１１にて算出される。
【００７４】
図３を参照すると、図２の点線で示した特性がさらに明確になる。つまり、ｆ１とｆ２において、電力損失のピーク（共鳴周波数）が観測され、このピークの存在が分子の吸着に相当することが分かる。
【００７５】
このため、あらかじめ種類が分かっている種々の分子をカーボンナノチューブ１０１に吸着させて共鳴周波数を調べておき、その分子名と共振周波数とを関連づけたデータベースを制御部１１１内に作成しておくことにより、制御部１１１は、そのデータベースを参照することによって、電力損失のピーク（共鳴周波数）、すなわち、カーボンナノチューブ１０１の状態の変化から、吸着分子１０５の同定を行うことが可能となる。
【００７６】
さらに、各ピークのＱ値、つまり、Ｑ１＝ｆ１／Δｆ１、Ｑ２＝ｆ２／Δｆ２から、吸着されている分子の量に関する情報が得られる。具体的には、Ｑ値と吸着された分子の量の間には、Ｑ値が大きくなるにつれて、吸着された分子の量が多くなるという関係がある。
【００７７】
よって、制御部１１１は、Ｑ値（カーボンナノチューブ１０１の状態の変化）を算出することによって、吸着された分子の量を求めることが可能となる。
【００７８】
本実施形態では、高周波信号の振幅が０．１Ｖ以下であっても、高精度で、デバイス（金属性カーボンナノチューブ１０１）の状態を検出することが可能である。
【００７９】
その理由は、以下のとおりである。高周波の場合、反射波・透過波検出回路１１０は、受信周波数を高周波電源１０９からの高周波信号に同調させて、反射波および透過波を受信することにより、余分な周波数成分のノイズを容易にキャンセルでき、高周波信号の振幅が０．１Ｖ以下であっても、高感度で反射波および透過波を受信できるからである。
【００８０】
このため、金属性カーボンナノチューブ１０１に流れる電流を抑えることで発熱によるデバイスの特性の変化を最小限に抑えることができる。
【００８１】
また、接地電極１０４が設けられているので、金属性カーボンナノチューブ１０１と接地電極１０４とでコプレーナ型の伝送線路が形成され、伝送線路の特性インピーダンスを伝送線路の場所によらず均一にでき、外部からのノイズを防止することが可能になる。
【００８２】
本実施形態によれば、金属性カーボンナノチューブ１０１（ナノ構造体）を有する伝送線路（デバイス）の状態は、高周波電源１０９が出力した高周波信号の振幅と、その高周波信号の反射波および透過波の両方あるいはどちらか一方の振幅および高周波信号との位相差と、に基づいて検出される。
【００８３】
反射波・透過波検出回路１１０にて検出される反射波および透過波には、振幅と位相の情報がある。
【００８４】
また、高周波信号の周波数を、ある周波数範囲で変化させることにより、デバイスの系の周波数応答特性（例えば、挿入損失の周波数応答特性、および、電力損失の周波数特性）が得られる。
【００８５】
このため、直流電流による読出しに比べて、はるかに多くの情報が得られる。
【００８６】
特に、ナノ構造体を用いたデバイスは、サイズが小さく、従来の直接直流電流を与える方法では、デバイスの状態が大きく変化してしまい、高精度で、デバイスの状態を読出すことが困難であるが、本実施形態では、高周波信号の振幅を非常に小さくすることで、その問題を回避することができる。
【００８７】
（発明の他の実施の形態）
図４は、本発明の他の実施形態の観測装置を模式的に示した模式図である。図４において、図１に示したものと同一のものには同一符号を付してある。
【００８８】
図４に示した観測装置が、図１に示した観測装置と異なる点は、金属性カーボンナノチューブ１０１に、電極１０２、電極１０３および電極４０１の３つの電極が設けられている点である。以下、図１に示した観測装置と異なる点を中心に、図４に示した観測装置を説明する。
【００８９】
図４において、電極１０２と電極１０３の間のカーボンナノチューブ１０１の長さがＬ１、電極１０３と電極４０１の間のカーボンナノチューブ１０１の長さがＬ２となっている。
【００９０】
まず、電極１０２と電極１０３にそれぞれプローブ針１０６とプローブ針１０７を接触させた状態で、高周波測定部１０５が、上記と同様にＳパラメータ（Ｓ11、Ｓ22、Ｓ21およびＳ12）を演算する。これらのＳパラメータをＳパラメータセット１と称する。
【００９１】
次に、電極１０３と電極４０１にそれぞれプローブ針１０６とプローブ針１０７を接触させた状態で、高周波測定部１０５が、上記と同様にＳパラメータ（Ｓ11、Ｓ22、Ｓ21およびＳ12）を演算する。これらのＳパラメータをＳパラメータセット２と称する。
【００９２】
この実施形態の利点は、制御部１１１が、Ｓパラメータセット１および２から、極めて正確にカーボンナノチューブ１０１の損失を抽出できることである。
【００９３】
例えば、制御部１１１が、長さの異なる伝送線路のＳパラメータから、その誤差を取り除き、伝送線路部分の挿入損失を抽出する方法として、上述した非特許文献１に記載の方法を使えばよい。
【００９４】
つまり、カーボンナノチューブ１０１と、電極１０２、電極１０３および電極４０１との接触抵抗や、プローブ針１０６およびプローブ針１０７と、電極１０２、電極１０３および電極４０１との接触抵抗など、測定値のＳパラメータには寄生誤差が含まれるために、挿入損失および電力損失に誤差が含まれ、吸着分子による損失が見えにくくなってしまうことがある。
【００９５】
しかしながら、上記の方法で寄生誤差をとりのぞくことにより、高感度で吸着分子を検出できるようになる。
【００９６】
（実施例１）
図５は、本発明の実施例１の観測装置を示した模式図、図６はその断面図である。図５および図６において、図１に示したものと同一のものには同一符号を付してある。
【００９７】
図５および図６は、伝送線路として使用される金属性カーボンナノチューブ１０１を、高濃度シリコン基板５０１上に形成した例を示している。
【００９８】
金属性カーボンナノチューブ１０１を高濃度シリコン基板５０１上に形成する方法は、以下の通りである。
【００９９】
まず、基板５０１上に、酸化シリコン膜５０４が形成される。その後、金属性カーボンナノチューブ１０１が、酸化シリコン膜５０４上にＣＶＤ法あるいは塗布法により形成される。その後、金属端子５０２および５０３が形成される。その後、金属性カーボンナノチューブ１０１下の酸化シリコン膜５０４が、エッチングにより除去され、カーボンナノチューブ１０１と高濃度シリコン基板５０１からなる伝送線路（デバイス）が形成される。
【０１００】
金属電極５０２および金属電極５０３は、同軸ケーブル１０８により、高周波測定部１０５に接続され、高周波測定部１０５によって、Ｓパラメータの周波数依存性が測定される。
【０１０１】
本実施例によれば、ナノ構造体を有するデバイスとして、伝送線路という簡単な構造のデバイスを用いることができる。
【０１０２】
また、金属性カーボンナノチューブ１０１が架橋型に形成されるため、金属性カーボンナノチューブ１０１とその下の絶縁物との相互作用がなくなり、ノイズを減少でき、感度を向上することが可能となる。
【０１０３】
（実施例２）
図７は、本発明の実施例２の観測装置を示した模式図である。図７において、図１に示したものと同一のものには同一符号を付してある。
【０１０４】
実施例２の観測装置では、半導体カーボンナノチューブ７０１を有するバックゲート型電界効果トランジスタ（デバイス）が、高濃度シリコン基板７０２に形成されている。
【０１０５】
高濃度シリコン基板７０２に、半導体カーボンナノチューブ７０１を有するバックゲート型電界効果トランジスタを形成する方法は、以下の通りである。
【０１０６】
まず、高濃度シリコン基板上７０２に、酸化シリコン膜７０３が形成される。その後、半導体カーボンナノチューブ７０１が、酸化シリコン膜７０３上にＣＶＤ法あるいは塗布法により形成される。その後、金属電極７０４および金属電極７０５が形成され、金属電極７０４はソース電極として、金属電極７０５はドレイン電極として用いられる。
【０１０７】
ゲート電位の直流電圧Ｖｇは、高濃度シリコン基板７０２に与えられ、ドレイン電位Ｖｄは、バイアス・ティー７０６を介してドレイン電極７０５に与える。バイアス・ティー７０６は、高周波信号に影響を与えずに直流電圧を印加するデバイスである。
【０１０８】
図７に示すように、半導体カーボンナノチューブ７０１は、金属電極７０４および金属電極７０５の間に設けられ、半導体カーボンナノチューブ７０１とゲート（高濃度シリコン基板７０２）の間に酸化シリコン膜（絶縁膜）７０３が設けられている。
【０１０９】
金属電極７０４および金属電極７０５は、同軸ケーブル１０８により、高周波測定部１０５に接続され、高周波測定部１０５によって、Ｓパラメータの周波数依存性が上記と同様に測定される。
【０１１０】
本実施例によれば、ナノ構造体を有するデバイスとして、電界効果トランジスタという簡単な構造のデバイスを用いることができる。
【０１１１】
また、バックゲート型のため、構造が単純で、金属によるゲート電極を形成する工程を省略することができる。
【０１１２】
（実施例３）
図８は、本発明の実施例３の観測装置を示した模式図である。図８において、図１および図７に示したものと同一のものには同一符号を付してある。
【０１１３】
実施例３の観測装置では、半導体カーボンナノチューブ７０１を有する電界効果トランジスタ（デバイス）が、シリコン基板８０１上に作成されている。
【０１１４】
シリコン基板８０１に、半導体カーボンナノチューブ７０１を有する電界効果トランジスタを形成する方法は、以下の通りである。
【０１１５】
シリコン基板８０１上に、酸化シリコン膜８０２が形成される。その後、ゲート電極８０３とゲート絶縁膜８０４が形成される。次に、半導体カーボンナノチューブ７０１が、ゲート絶縁膜８０４上にＣＶＤ法あるいは塗布法により形成される。その後、金属電極８０５および金属電極８０６が形成され、金属電極８０５がソース電極として、金属電極８０６がドレイン電極として用いられる。
【０１１６】
直流電圧のゲート電位Ｖｇは、バイアス・ティー８０７を介して、ゲート電極８０３に与えられ、直流電圧のドレイン電位Ｖｄは、バイアス・ティー８０８を介して、ドレイン電極８０６に与えられる。バイアス・ティー８０７およびバイアス・ティー８０８は、高周波信号に影響を与えずに直流電圧を印加するデバイスである。金属電極８０５は接地される。
【０１１７】
図８に示したように、半導体カーボンナノチューブ７０１は、金属電極８０５および金属電極８０６の間に設けられ、半導体カーボンナノチューブ７０１とゲート電極８０３の間にゲート絶縁膜８０４が設けられている。
【０１１８】
ゲート電極８０３とドレイン電極８０６は、同軸ケーブル１０８により高周波測定部１０５に接続され、高周波測定部１０５によって、Ｓパラメータの周波数依存性が上記と同意ように測定される。
【０１１９】
本実施例によれば、ナノ構造体を有するデバイスとして、電界効果トランジスタという簡単な構造のデバイスを用いることができる。
【０１２０】
また、ゲート電極８０３を設ける必要があるが、バックゲート型（数ＧＨｚまで）と異なり、高い周波数（１００ＧＨｚまで）までの測定となる。
【０１２１】
また、ナノ構造体に直接接続されていない端子からでも、高周波信号を入出力することが可能なので、観測に起因する系の状態の乱れを最小限に抑えることが可能である。
【０１２２】
（実施例４）
図９は、本発明の実施例４の観測装置を示した模式図である。図９において、図１および図７に示したものと同一のものには同一符号を付してある。
【０１２３】
実施例４の観測装置では、半導体カーボンナノチューブ７０１を有する単一電子トランジスタ（デバイス）が、高濃度シリコン基板９０１上に形成されている。
【０１２４】
高濃度シリコン基板９０１に、半導体カーボンナノチューブ７０１を有する単一電子トランジスタを形成する方法は、以下の通りである。
【０１２５】
高濃度シリコン基板９０１上に、酸化シリコン膜９０２が形成される。その後、半導体カーボンナノチューブ７０１が、アイランドとして、酸化シリコン膜９０２上にＣＶＤ法あるいは塗布法により形成される。その後、トンネル絶縁膜９０３が形成される。その後、金属電極９０４および金属電極９０５が形成され、金属電極９０４がソース電極として、金属電極９０５がドレイン電極として用いられる。
【０１２６】
ゲート電位の直流電圧Ｖｇは、高濃度シリコン基板９０１に与えられ、ドレイン電位Ｖｄは、バイアス・ティー９０６を介して、ドレイン電極９０５に与える。バイアス・ティー９０６は、高周波信号に影響を与えずに直流電圧を印加するデバイスである。
【０１２７】
金属電極９０４および金属電極９０５は、同軸ケーブル１０８により高周波測定部１０５に接続され、高周波測定部１０５によって、Ｓパラメータの周波数依存性が上記と同様に測定される。
【０１２８】
本実施例によれば、単一電子トランジスタ構造を採用しているので、高感度化が可能となる。
【０１２９】
（実施例５）
図１０は、本発明の実施例５の観測装置を示した模式図である。図１０において、図１に示したものと同一のものには同一符号を付してある。
【０１３０】
実施例５の観測装置では、分子トランジスタ（デバイス）が、高濃度シリコン基板１００１上に形成されている。
【０１３１】
高濃度シリコン基板１００１に、分子トランジスタを形成する方法は、以下の通りである。
【０１３２】
高濃度シリコン基板１００１上に、酸化シリコン膜１００２が形成される。その後、分子トランジスタのチャネルとなる伝導分子１００３が、酸化シリコン膜１００２上に形成される。なお、伝導分子１００３は、ナノ構造体（カーボンナノチューブ）である。その後、金属電極１００４および金属電極１００５が形成され、金属電極１００４がソース電極として、金属電極１００５がドレイン電極として用いられる。
【０１３３】
ゲート電位の直流電圧Ｖｇは、高濃度シリコン基板１００１に与えられ、ドレイン電位Ｖｄは、バイアス・ティー１００６を介して、ドレイン電極１００５に与えられる。バイアス・ティー１００６は、高周波信号に影響を与えずに直流電圧を印加するデバイスである。
【０１３４】
金属電極１００４および金属電極１００５は、同軸ケーブル１０８により高周波測定部１０５に接続され、高周波測定部１０５によって、Ｓパラメータの周波数依存性が上記と同様に測定される。
【０１３５】
本実施例によれば、デバイスとして、分子トランジスタが用いられているため、極めて高感度の観測装置を提供できる。例えば、分子１個の検出が可能となる。
［産業上の利用可能性］
本発明の活用例として、微量の物質のセンシング、物質の同定が可能なことから、ガスセンサー、危険物質の検知器、人工臭覚器等に応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１３６】
【図１】本発明の一実施形態の観測装置を示した説明図である。
【図２】本発明の観測装置の読出し結果（挿入損失の周波数依存性）の一例を示した説明図である。
【図３】本発明の観測装置の読出し結果（電力損失の周波数依存性）の一例を示した説明うである。
【図４】本発明の他の実施形態の観測装置を示した説明図である。
【図５】本発明の実施例１の観測装置を示した模式図である。
【図６】本発明の実施例１の観測装置の断面図である。
【図７】本発明の実施例２の観測装置を示した模式図である。
【図８】本発明の実施例３の観測装置を示した模式図である。
【図９】本発明の実施例４の観測装置を示した模式図である。
【図１０】本発明の実施例５の観測装置を示した模式図である。
【図１１】従来のカーボンナノチューブを用いたセンサーを示した模式図である。
【図１２】従来のカーボンナノチューブを用いたセンサーを示した模式図である。
【符号の説明】
【０１３７】
１０１、７０１ カーボンナノチューブ
１０２、１０３、４０１、５０２、５０３、７０４、７０５、８０３、８０５、８０６、９０４、９０５ 電極
１０４ 接地電極
１０５ 高周波測定部
１０６、１０７ プローブ針
１０８ 同軸ケーブル
１０９ 高周波電源
１１０ 反射波・透過波検出回路
１１１ 制御部
１１２ 吸着分子
５０１、７０２、８０１、９０１、１００１ シリコン基板
５０４、７０３、８０２、９０２、１００２ 酸化シリコン膜
７０６、８０７、８０８、９０６、１００６ バイアス・ティー
８０４ ゲート絶縁膜
９０３ トンネル絶縁膜
１００３ 伝導分子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノデバイスを有する観測装置および観測方法に関し、特には、カーボンナノチューブ等のナノ構造体を有する観測装置および観測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来この種のナノデバイスを有する観測装置は、例えば、特許文献１（特開２００３−２２７８０８号公報）に記載されたような構造をとっていた。
【０００３】
この観測装置（センサー）では、図１１に示すように、複数のカーボンナノチューブ１１０３が、電極１１０１と電極１１０２の間に設けられており、電極１１０１および電極１１０２には、直流電源１１０５と電流計１１０６が接続されている。
【０００４】
カーボンナノチューブ１１０３に、ある吸着分子１１０４が吸着すると、カーボンナノチューブ１１０３の電気伝導特性が変化する。この観測装置は、その電気伝導特性の変化を、直流電流の変化として読み出す。
【０００５】
また、特許文献２（特開２００４−３４７５３２号公報）にも、ナノデバイスを有する観測装置（センサー）が記載されている。
【０００６】
この観測装置では、図１２に示すように、カーボンナノチューブ１２０３が、電界効果型トランジスタあるいは単一電子型トランジスタのチャネルとして用いられ、ゲート電極１２０６には、ターゲット分子１２０４が付着し易いように、高分子プローブ１２０５が形成されている。また、直流電源１２０７と電流計１２０８が、ドレイン電極１２０１とソース電極１２０２に接続されている。
【０００７】
ターゲット分子１２０４が高分子プローブ１２０５に吸着すると、電荷の移動によってゲート電位が変化する。このため、電流計１２０８は、ターゲット分子１２０４が高分子プローブ１２０５に吸着したことを、ドレイン電流の変化として読み出すことができる。
【０００８】
なお、非特許文献１（K. Narita and T. Kushta, "An Accurate Experimental Method for Characterizing Transmission Lines Embedded in Multilayer Printed Circuit Boards," IEEE Transactions on Advanced Packaging, Vol.29, No.1, pp.114-121, 2006.）には、長さの異なる２つの伝送線路のパラメータから誤差を取り除く方法が記載されている。
【特許文献１】特開２００３−２２７８０８号公報
【特許文献２】特開２００４−３４７５３２号公報
【非特許文献１】K. Narita and T. Kushta, "An Accurate Experimental Method for Characterizing Transmission Lines Embedded in Multilayer Printed Circuit Boards," IEEE Transactions on Advanced Packaging, Vol.29, No.1, pp.114-121, 2006.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来方法においては、ナノ構造体を有するデバイスの状態の変化を直流電流で観測する方法をとっているため、読み出される情報量が少なく、高機能、高感度な観測装置を形成するのが困難であるという課題があった。
【００１０】
例えば、図１１に示したセンサーは、カーボンナノチューブに分子が吸着した際の電気伝導特性の変化を、直流電流の変化として観測するので、その変化の原因が、吸着分子の量に起因するのか、または、吸着分子の種類に起因するのか、区別がつけにくい。
【００１１】
したがって、この観測装置は、あらかじめ吸着分子の種類が分かっている場合に、その量を検知するという用途にしか使用できず、使用用途が限定されてしまうという問題点がある。
【００１２】
また、図１２に示した観測装置の場合、あるターゲットの分子が吸着したことを判定するためには、あらかじめターゲット分子のみを吸着するプローブ高分子をゲート電極に付着させておく必要がある。そのためには、プローブ分子を特定の方向に配向させてナノ構造体に付着させる技術が必要である。
【００１３】
通常、この種の技術は複雑で高度なため、実用上使用するのが困難である場合が多い。さらに、読出しの際の直流電流によって、例えば発熱等によりデバイスの系の状態を大きく乱してしまうため、系の本来の状態を読出すことが困難、つまり高精度の装置を形成できないという課題もある。
【００１４】
［発明の目的］
本発明の目的は、簡単な構造のナノデバイスから多くの情報量を読み出すことが可能な、高機能、高感度の観測装置を提供することである。
【００１５】
また、読出しの際に、デバイスの系の状態に与える擾乱を最小限に抑えることにより、系の本来の状態を正確に読出すことを目的としている。例えば、簡単な構造のカーボンナノチューブデバイスにより、分子の種類と量を同時に高精度で特定できる分子センサー等を提供することが目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明の観測装置は、ナノ構造体を有するデバイスと、前記ナノ構造体に直接または絶縁膜を介して接続される複数の端子と、少なくとも１つの前記端子に特定周波数の信号を出力する信号出力部と、前記信号出力部が出力した特定周波数の信号の前記端子による反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノ構造体を通って他の端子から出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出す検出部と、前記信号出力部が出力する特定周波数の信号の振幅を設定するとともに、前記特定周波数の信号の振幅と、前記検出部が読み出した振幅および位相差と、に基づいて、前記デバイスの状態を検出する制御部と、を含む。
【００１７】
また、本発明の観測方法は、ナノ構造体を有するデバイスと、前記ナノ構造体に直接または絶縁膜を介して接続される複数の端子と、を含む観測装置が行う観測方法であって、少なくとも１つの前記端子に特定周波数の信号を出力する信号出力ステップと、前記特定周波数の信号の前記端子による反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノ構造体を通って他の端子から出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出す検出ステップと、前記特定周波数の信号の振幅を設定するとともに、前記特定周波数の信号の振幅と、前記読み出された振幅および位相差と、に基づいて、前記デバイスの状態を検出する観測ステップと、を含む。
【００１８】
上記発明によれば、ナノ構造体を有するデバイスの状態は、ナノ構造体と直接または間接的に接続している端子に出力された特定周波数信号の振幅と、その特定周波数信号の反射波および透過波の両方あるいはどちらか一方の振幅および特定周波数信号との位相差と、に基づいて検出される。
【００１９】
端子の個数をｎとすると、検出部にて検出されるパラメータ（反射波および透過波）は、最大ｎ×ｎ個あり、それぞれに振幅と位相の情報がある。
【００２０】
また、例えば、端子に出力される信号の周波数を、ある周波数範囲で変化させることにより、デバイスの系の周波数応答特性（例えば、挿入損失の周波数応答特性、および、電力損失の周波数特性）が得られる。
【００２１】
このため、直流電流による読出しに比べて、はるかに多くの情報が得られる。
【００２２】
また、例えば、ナノ構造体に直接接続されていない端子からでも、信号を入出力することが可能なので、観測に起因する系の状態の乱れを最小限に抑えることが可能である。
【００２３】
特に、ナノ構造体を用いたデバイスは、サイズが小さく、従来の直接直流電流を与える方法では、デバイスの状態が大きく変化してしまい、高精度で、デバイスの状態を読出すことが困難であるが、上記発明では、信号の振幅を非常に小さくすることで、その問題を回避することができる。
【００２４】
なお、前記ナノ構造体は、ナノワイアであることが望ましい。
【００２５】
また、前記ナノワイアは、少なくとも１種類以上の分子を吸着し、前記制御部は、前記デバイスの状態の変化に基づいて、前記分子の種類または量を特定することが望ましい。
【００２６】
上記発明によれば、分子の種類または量を特定することが可能になる。
【００２７】
また、前記デバイスは、前記ナノワイアで形成された伝送線路であり、前記複数の端子は、第１および第２の入出力端子であり、前記伝送路線の一端には前記第１の入出力端子、該伝送路線の他端には前記第２の入出力端子が接続され、前記信号出力部は、前記第１および第２の入出力端子に対して、順番に、前記特定周波数の信号を出力し、前記検出部は、前記信号出力部から出力された特定周波数の信号の前記第１および第２の入出力端子による反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノワイアを通って出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出すことが望ましい。
【００２８】
上記発明によれば、ナノ構造体を有するデバイスとして、伝送線路という簡単な構造のデバイスを用いることができる。
【００２９】
また、前記デバイスは、ゲート、ドレインおよびソースを有する電界効果トランジスタであり、前記複数の端子は、前記ゲートと前記ドレインであり、前記ソースに接地端子が接続され、前記ドレインと前記ソースの間に前記ナノ構造体が設けられ、前記ナノ構造体と前記ゲートの間に絶縁膜が設けられ、前記信号出力部は、前記ゲートおよび前記ドレインに対して、順番に、前記特定周波数の信号を出力し、前記検出部は、前記信号出力部から出力された特定周波数の信号の前記ゲートおよび前記ドレインによる反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノ構造体を通って出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出すことが望ましい。
【００３０】
上記発明によれば、ナノ構造体を有するデバイスとして、電界効果トランジスタという簡単な構造のデバイスを用いることができる。
【００３１】
また、前記デバイスは、ゲート、ドレインおよびソースを有する電界効果トランジスタであり、前記複数の端子は、前記ドレインと前記ソースであり、前記ドレインと前記ソースの間に前記ナノ構造体が設けられ、前記ナノ構造体と前記ゲートの間に絶縁膜が設けられ、前記信号出力部は、前記ドレインおよび前記ソースに対して、順番に、前記特定周波数の信号を出力し、前記検出部は、前記信号出力部から出力された特定周波数の信号の前記ドレインおよび前記ソースによる反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノ構造体を通って出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出すことが望ましい。
【００３２】
上記発明によれば、ナノ構造体を有するデバイスとして、電界効果トランジスタという簡単な構造のデバイスを用いることができる。
【００３３】
また、前記デバイスは、ゲート、ドレイン、ソースおよびアイランドを有する単一電子トランジスタであり、前記複数の端子は、前記ドレインと前記ソースであり、前記アイランドは、前記ナノ構造体であり、前記信号出力部は、前記ドレインおよび前記ソースに対して、順番に、前記特定周波数の信号を出力し、前記検出部は、前記信号出力部から出力された特定周波数の信号の前記ドレインおよび前記ソースによる反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノ構造体を通って出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出すことが望ましい。
【００３４】
上記発明によれば、高感度化が可能となる。
【００３５】
また、前記ナノワイアは、カーボンナノチューブであることが望ましい。
【００３６】
また、前記デバイスは、チャネルとなる伝導分子、ゲート、ドレインおよびソースを有する分子トランジスタであり、前記複数の端子は、前記ドレインと前記ソースであり、
前記伝導分子は、前記ナノ構造体であり、前記信号出力部は、前記ドレインおよび前記ソースに対して、順番に、前記特定周波数の信号を出力し、前記検出部は、前記信号出力部から出力された特定周波数の信号の前記ドレインおよび前記ソースによる反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノ構造体を通って出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出すことが望ましい。
【００３７】
上記発明によれば、更なる高感度化が可能となる。例えば、分子１個の検出が可能となる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、簡単な構造のナノデバイスから多くの情報量を読み出すことにより、高機能、高感度の観測装置を得ることができる。また読出しの際にデバイスの系の状態に与える擾乱を最小限に抑えることにより、系の本来の状態を高精度で読出すことが可能となる。例えば分子種の同定が容易に可能で、検出感度が非常に高い分子センサーを、特殊な製造方法を用いずに形成できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００４０】
図１は、本発明の一実施形態の観測装置を模式的に示した模式図である。図２は、測定した挿入損失と周波数の関係、図３は、電力損失と周波数の関係を表した説明図である。
【００４１】
図１において、観測装置は、金属性カーボンナノチューブ１０１と、電極１０２と、電極１０３と、接地電極１０４と、高周波測定部１０５と、プローブ針１０６と、プローブ針１０７と、同軸ケーブル１０８とを含む。高周波測定部１０５は、高周波電源１０９と、反射波・透過波検出回路１１０と、制御部１１１とを含む。
【００４２】
金属性カーボンナノチューブ１０１は、ナノ構造体およびナノワイアの一例であり、また、伝送線路であるデバイスの一例である。金属性カーボンナノチューブ１０１は、吸着分子１１２が吸着すると、電気伝導特性が変化する。なお、金属性カーボンナノチューブ１０１は、少なくとも１種類以上の分子を吸着する。
【００４３】
金属性カーボンナノチューブ１０１の一端には、電極１０２が接続されており、金属性カーボンナノチューブ１０１の他端には、電極１０３が接続されており、また、金属性カーボンナノチューブ１０１と平行に、接地電極１０４が形成されている。
【００４４】
電極１０２および電極１０３は、入出力端子の一例であり、それぞれプローブ針１０６およびプローブ針１０７と接触し、同軸ケーブル１０８を介して、高周波測定部１０５につながれている。
【００４５】
高周波測定部１０５は、高周波信号（例えば、１００ＭＨｚから２０ＧＨｚの信号）を用いて、金属性カーボンナノチューブ１０１の状態を検出する。
【００４６】
高周波電源１０９は、信号出力部の一例であり、少なくとも電極１０２または電極１０３に特定周波数（例えば、１００ＭＨｚから２０ＧＨｚ）の高周波信号を出力する。
【００４７】
本実施形態では、高周波電源１０９は、電極１０２に高周波信号ａ１を提供し、その後、電極１０３に高周波信号ａ２を提供する。なお、高周波電源１０９は、まず、電極１０３に高周波信号ａ２を提供し、その後、電極１０２に高周波信号ａ１を提供してもよい。
【００４８】
反射波・透過波検出回路１１０は、検出部の一例であり、高周波電源１０９から出力された高周波信号の電極１０２および電極１０３による反射波と、高周波信号が金属性カーボンナノチューブ１０１を通って電極１０３および電極１０２から出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、高周波信号との位相差を読み出す。
【００４９】
なお、金属性カーボンナノチューブ１０１は、吸着している分子１１２の種類および量に応じて電気導電特性が変化し、その特性の変化が、反射波と透過波の振幅および位相に影響を与える。
【００５０】
反射波・透過波検出回路１１０は、例えば、振幅検出部（不図示）と位相差検出部（不図示）を含む。
【００５１】
振幅検出部は、反射波と透過波の振幅を検出する。
【００５２】
位相差検出部は、高周波信号ａ１とその反射波ｂ１との位相差、高周波信号ａ１とその透過波ｂ２との位相差、高周波信号ａ２とその反射波ｂ２との位相差、および、高周波信号ａ２とその透過波ｂ１との位相差を検出する。
【００５３】
制御部１１１は、例えばＣＰＵであり、高周波電源１０９が出力する高周波信号の振幅を設定するとともに、その高周波信号の振幅と、反射波・透過波検出回路１１０が読み出した振幅および位相差と、に基づいて、金属性カーボンナノチューブ１０１の状態を検出する。
【００５４】
ここで、高周波信号ａ１、高周波信号ａ２、反射波または透過波ｂ１、および、透過波または反射波ｂ２は、振幅と位相を含む複素数で表される。
【００５５】
制御部１１１は、高周波信号の振幅と、反射波・透過波検出回路１１０が読み出した振幅および位相差と、に基づいて、高周波信号ａ１、高周波信号ａ２、反射波または透過波ｂ１、および、透過波または反射波ｂ２を複素数で表す。
【００５６】
制御部１１１は、それらａ１、ａ２、ｂ１およびｂ２を用いて、Ｓ11＝ｂ１／ａ１、Ｓ21＝ｂ２／ａ１、Ｓ12＝ｂ１／ａ２、Ｓ22＝ｂ２／ａ２で定義されるＳｉｊ（ｉ，ｊ＝１，２）を演算する。
【００５７】
Ｓｉｊは、通常、Ｓパラメータと呼ばれ、Ｓ11、Ｓ22は反射のパラメータであり、Ｓ21、Ｓ12は透過のパラメータである。
【００５８】
制御部１１１は、ユーザの指示に基づいて、高周波電源１０９が出力する高周波信号の周波数を特定範囲内で変更していき、Ｓパラメータの周波数依存性を測定する。
【００５９】
次に、動作を説明する。
【００６０】
制御部１１１は、所定振幅の高周波信号ａ１の周波数を特定範囲（例えば、１００ＭＨｚから２０ＧＨｚ）内で周期的に変更しながら出力する動作を、高周波電源１０９に実行させる。
【００６１】
反射波・透過波検出回路１１０は、高周波信号ａ１の周波数の変更周期に合わせて、反射波ｂ１および透過波ｂ２を検出する。なお、反射波・透過波検出回路１１０は、高周波信号ａ１の周波数の変更周期を、制御部１１１から取得してもよいし、ユーザから受け付けてもよい。
【００６２】
反射波・透過波検出回路１１０は、周波数ごとに、反射波ｂ１および透過波ｂ２の振幅と、高周波信号ａ１と反射波ｂ１との位相差と、高周波信号ａ１と透過波ｂ２との位相差と、を検出し、周波数ごとに、その検出結果を制御部１１１に提供する。
【００６３】
制御部１１１は、反射波・透過波検出回路１１０から検出結果を受け付けると、周波数ごとに、高周波信号ａ１、反射波ｂ１および透過波ｂ２を、振幅と位相にて規定される複素数に変換する。このとき、制御部１１１は、例えば、高周波信号ａ１の位相を基準位相として、高周波信号ａ１、反射波ｂ１および透過波ｂ２の位相を確定する。
【００６４】
制御部１１１は、複素数で表された高周波信号ａ１、反射波ｂ１および透過波ｂ２を用いて、周波数ごとに、Ｓ11およびＳ21を演算する。
【００６５】
続いて、制御部１１１は、所定振幅の高周波信号ａ２の周波数を特定範囲（例えば、１００ＭＨｚから２０ＧＨｚ）内で周期的に変更しながら出力する動作を、高周波電源１０９に実行させる。
【００６６】
反射波・透過波検出回路１１０は、高周波信号ａ２の周波数の変更周期に合わせて、反射波ｂ２および透過波ｂ１を検出する。なお、反射波・透過波検出回路１１０は、高周波信号ａ２の周波数の変更周期を、制御部１１１から取得してもよいし、ユーザから受け付けてもよい。
【００６７】
反射波・透過波検出回路１１０は、周波数ごとに、反射波ｂ２および透過波ｂ１の振幅と、高周波信号ａ２と反射波ｂ２との位相差と、高周波信号ａ２と透過波ｂ１との位相差と、を検出し、周波数ごとに、その検出結果を制御部１１１に提供する。
【００６８】
制御部１１１は、反射波・透過波検出回路１１０から検出結果を受け付けると、周波数ごとに、高周波信号ａ２、反射波ｂ２および透過波ｂ１を、振幅と位相にて規定される複素数に変換する。このとき、制御部１１１は、例えば、高周波信号ａ２の位相を基準位相として、高周波信号ａ２、反射波ｂ２および透過波ｂ１の位相を確定する。
【００６９】
制御部１１１は、複素数で表された高周波信号ａ２、反射波ｂ２および透過波ｂ１を用いて、周波数ごとに、Ｓ12およびＳ22を演算する。
【００７０】
図２は、制御部１１１が得たＳパラメータのうち、Ｓ21の絶対値を、周波数の関数として示した説明図である。Ｓ21の絶対値は、電極１０２から電極１０３に伝送する波の挿入損失を示す。なお、Ｓ21の絶対値は、制御部１１１にて算出される。
【００７１】
図２の実線は、カーボンナノチューブ１０１に吸着分子１１２が無い場合の挿入損失の周波数依存性を表す。この場合、挿入損失は、周波数の増加に伴い単調に減少、つまり損失が単調に増加する。
【００７２】
図２の点線は、カーボンナノチューブ１０１に吸着分子１１２が吸着した場合の挿入損失の周波数依存性を表す。この場合、周波数の変化に伴うカーボンナノチューブ１０１の電気伝導特性の変化分に加え、吸着分子１１２に特有の周波数、この場合にはｆ１とｆ２において、特に損失が増加した特性が得られる。例えば、水分子がカーボンナノチューブ１０１に吸着された場合、２．５ＧＨｚおよび１０ＧＨｚ付近の損失が増加する。
【００７３】
図３は、電力損失（１−｜Ｓ21｜2−｜Ｓ11｜2）の周波数依存性を示した説明図である。なお、電力損失は、制御部１１１にて算出される。
【００７４】
図３を参照すると、図２の点線で示した特性がさらに明確になる。つまり、ｆ１とｆ２において、電力損失のピーク（共鳴周波数）が観測され、このピークの存在が分子の吸着に相当することが分かる。
【００７５】
このため、あらかじめ種類が分かっている種々の分子をカーボンナノチューブ１０１に吸着させて共鳴周波数を調べておき、その分子名と共振周波数とを関連づけたデータベースを制御部１１１内に作成しておくことにより、制御部１１１は、そのデータベースを参照することによって、電力損失のピーク（共鳴周波数）、すなわち、カーボンナノチューブ１０１の状態の変化から、吸着分子１０５の同定を行うことが可能となる。
【００７６】
さらに、各ピークのＱ値、つまり、Ｑ１＝ｆ１／Δｆ１、Ｑ２＝ｆ２／Δｆ２から、吸着されている分子の量に関する情報が得られる。具体的には、Ｑ値と吸着された分子の量の間には、Ｑ値が大きくなるにつれて、吸着された分子の量が多くなるという関係がある。
【００７７】
よって、制御部１１１は、Ｑ値（カーボンナノチューブ１０１の状態の変化）を算出することによって、吸着された分子の量を求めることが可能となる。
【００７８】
本実施形態では、高周波信号の振幅が０．１Ｖ以下であっても、高精度で、デバイス（金属性カーボンナノチューブ１０１）の状態を検出することが可能である。
【００７９】
その理由は、以下のとおりである。高周波の場合、反射波・透過波検出回路１１０は、受信周波数を高周波電源１０９からの高周波信号に同調させて、反射波および透過波を受信することにより、余分な周波数成分のノイズを容易にキャンセルでき、高周波信号の振幅が０．１Ｖ以下であっても、高感度で反射波および透過波を受信できるからである。
【００８０】
このため、金属性カーボンナノチューブ１０１に流れる電流を抑えることで発熱によるデバイスの特性の変化を最小限に抑えることができる。
【００８１】
また、接地電極１０４が設けられているので、金属性カーボンナノチューブ１０１と接地電極１０４とでコプレーナ型の伝送線路が形成され、伝送線路の特性インピーダンスを伝送線路の場所によらず均一にでき、外部からのノイズを防止することが可能になる。
【００８２】
本実施形態によれば、金属性カーボンナノチューブ１０１（ナノ構造体）を有する伝送線路（デバイス）の状態は、高周波電源１０９が出力した高周波信号の振幅と、その高周波信号の反射波および透過波の両方あるいはどちらか一方の振幅および高周波信号との位相差と、に基づいて検出される。
【００８３】
反射波・透過波検出回路１１０にて検出される反射波および透過波には、振幅と位相の情報がある。
【００８４】
また、高周波信号の周波数を、ある周波数範囲で変化させることにより、デバイスの系の周波数応答特性（例えば、挿入損失の周波数応答特性、および、電力損失の周波数特性）が得られる。
【００８５】
このため、直流電流による読出しに比べて、はるかに多くの情報が得られる。
【００８６】
特に、ナノ構造体を用いたデバイスは、サイズが小さく、従来の直接直流電流を与える方法では、デバイスの状態が大きく変化してしまい、高精度で、デバイスの状態を読出すことが困難であるが、本実施形態では、高周波信号の振幅を非常に小さくすることで、その問題を回避することができる。
【００８７】
（発明の他の実施の形態）
図４は、本発明の他の実施形態の観測装置を模式的に示した模式図である。図４において、図１に示したものと同一のものには同一符号を付してある。
【００８８】
図４に示した観測装置が、図１に示した観測装置と異なる点は、金属性カーボンナノチューブ１０１に、電極１０２、電極１０３および電極４０１の３つの電極が設けられている点である。以下、図１に示した観測装置と異なる点を中心に、図４に示した観測装置を説明する。
【００８９】
図４において、電極１０２と電極１０３の間のカーボンナノチューブ１０１の長さがＬ１、電極１０３と電極４０１の間のカーボンナノチューブ１０１の長さがＬ２となっている。
【００９０】
まず、電極１０２と電極１０３にそれぞれプローブ針１０６とプローブ針１０７を接触させた状態で、高周波測定部１０５が、上記と同様にＳパラメータ（Ｓ11、Ｓ22、Ｓ21およびＳ12）を演算する。これらのＳパラメータをＳパラメータセット１と称する。
【００９１】
次に、電極１０３と電極４０１にそれぞれプローブ針１０６とプローブ針１０７を接触させた状態で、高周波測定部１０５が、上記と同様にＳパラメータ（Ｓ11、Ｓ22、Ｓ21およびＳ12）を演算する。これらのＳパラメータをＳパラメータセット２と称する。
【００９２】
この実施形態の利点は、制御部１１１が、Ｓパラメータセット１および２から、極めて正確にカーボンナノチューブ１０１の損失を抽出できることである。
【００９３】
例えば、制御部１１１が、長さの異なる伝送線路のＳパラメータから、その誤差を取り除き、伝送線路部分の挿入損失を抽出する方法として、上述した非特許文献１に記載の方法を使えばよい。
【００９４】
つまり、カーボンナノチューブ１０１と、電極１０２、電極１０３および電極４０１との接触抵抗や、プローブ針１０６およびプローブ針１０７と、電極１０２、電極１０３および電極４０１との接触抵抗など、測定値のＳパラメータには寄生誤差が含まれるために、挿入損失および電力損失に誤差が含まれ、吸着分子による損失が見えにくくなってしまうことがある。
【００９５】
しかしながら、上記の方法で寄生誤差をとりのぞくことにより、高感度で吸着分子を検出できるようになる。
【００９６】
（実施例１）
図５は、本発明の実施例１の観測装置を示した模式図、図６はその断面図である。図５および図６において、図１に示したものと同一のものには同一符号を付してある。
【００９７】
図５および図６は、伝送線路として使用される金属性カーボンナノチューブ１０１を、高濃度シリコン基板５０１上に形成した例を示している。
【００９８】
金属性カーボンナノチューブ１０１を高濃度シリコン基板５０１上に形成する方法は、以下の通りである。
【００９９】
まず、基板５０１上に、酸化シリコン膜５０４が形成される。その後、金属性カーボンナノチューブ１０１が、酸化シリコン膜５０４上にＣＶＤ法あるいは塗布法により形成される。その後、金属端子５０２および５０３が形成される。その後、金属性カーボンナノチューブ１０１下の酸化シリコン膜５０４が、エッチングにより除去され、カーボンナノチューブ１０１と高濃度シリコン基板５０１からなる伝送線路（デバイス）が形成される。
【０１００】
金属電極５０２および金属電極５０３は、同軸ケーブル１０８により、高周波測定部１０５に接続され、高周波測定部１０５によって、Ｓパラメータの周波数依存性が測定される。
【０１０１】
本実施例によれば、ナノ構造体を有するデバイスとして、伝送線路という簡単な構造のデバイスを用いることができる。
【０１０２】
また、金属性カーボンナノチューブ１０１が架橋型に形成されるため、金属性カーボンナノチューブ１０１とその下の絶縁物との相互作用がなくなり、ノイズを減少でき、感度を向上することが可能となる。
【０１０３】
（実施例２）
図７は、本発明の実施例２の観測装置を示した模式図である。図７において、図１に示したものと同一のものには同一符号を付してある。
【０１０４】
実施例２の観測装置では、半導体カーボンナノチューブ７０１を有するバックゲート型電界効果トランジスタ（デバイス）が、高濃度シリコン基板７０２に形成されている。
【０１０５】
高濃度シリコン基板７０２に、半導体カーボンナノチューブ７０１を有するバックゲート型電界効果トランジスタを形成する方法は、以下の通りである。
【０１０６】
まず、高濃度シリコン基板上７０２に、酸化シリコン膜７０３が形成される。その後、半導体カーボンナノチューブ７０１が、酸化シリコン膜７０３上にＣＶＤ法あるいは塗布法により形成される。その後、金属電極７０４および金属電極７０５が形成され、金属電極７０４はソース電極として、金属電極７０５はドレイン電極として用いられる。
【０１０７】
ゲート電位の直流電圧Ｖｇは、高濃度シリコン基板７０２に与えられ、ドレイン電位Ｖｄは、バイアス・ティー７０６を介してドレイン電極７０５に与える。バイアス・ティー７０６は、高周波信号に影響を与えずに直流電圧を印加するデバイスである。
【０１０８】
図７に示すように、半導体カーボンナノチューブ７０１は、金属電極７０４および金属電極７０５の間に設けられ、半導体カーボンナノチューブ７０１とゲート（高濃度シリコン基板７０２）の間に酸化シリコン膜（絶縁膜）７０３が設けられている。
【０１０９】
金属電極７０４および金属電極７０５は、同軸ケーブル１０８により、高周波測定部１０５に接続され、高周波測定部１０５によって、Ｓパラメータの周波数依存性が上記と同様に測定される。
【０１１０】
本実施例によれば、ナノ構造体を有するデバイスとして、電界効果トランジスタという簡単な構造のデバイスを用いることができる。
【０１１１】
また、バックゲート型のため、構造が単純で、金属によるゲート電極を形成する工程を省略することができる。
【０１１２】
（実施例３）
図８は、本発明の実施例３の観測装置を示した模式図である。図８において、図１および図７に示したものと同一のものには同一符号を付してある。
【０１１３】
実施例３の観測装置では、半導体カーボンナノチューブ７０１を有する電界効果トランジスタ（デバイス）が、シリコン基板８０１上に作成されている。
【０１１４】
シリコン基板８０１に、半導体カーボンナノチューブ７０１を有する電界効果トランジスタを形成する方法は、以下の通りである。
【０１１５】
シリコン基板８０１上に、酸化シリコン膜８０２が形成される。その後、ゲート電極８０３とゲート絶縁膜８０４が形成される。次に、半導体カーボンナノチューブ７０１が、ゲート絶縁膜８０４上にＣＶＤ法あるいは塗布法により形成される。その後、金属電極８０５および金属電極８０６が形成され、金属電極８０５がソース電極として、金属電極８０６がドレイン電極として用いられる。
【０１１６】
直流電圧のゲート電位Ｖｇは、バイアス・ティー８０７を介して、ゲート電極８０３に与えられ、直流電圧のドレイン電位Ｖｄは、バイアス・ティー８０８を介して、ドレイン電極８０６に与えられる。バイアス・ティー８０７およびバイアス・ティー８０８は、高周波信号に影響を与えずに直流電圧を印加するデバイスである。金属電極８０５は接地される。
【０１１７】
図８に示したように、半導体カーボンナノチューブ７０１は、金属電極８０５および金属電極８０６の間に設けられ、半導体カーボンナノチューブ７０１とゲート電極８０３の間にゲート絶縁膜８０４が設けられている。
【０１１８】
ゲート電極８０３とドレイン電極８０６は、同軸ケーブル１０８により高周波測定部１０５に接続され、高周波測定部１０５によって、Ｓパラメータの周波数依存性が上記と同意ように測定される。
【０１１９】
本実施例によれば、ナノ構造体を有するデバイスとして、電界効果トランジスタという簡単な構造のデバイスを用いることができる。
【０１２０】
また、ゲート電極８０３を設ける必要があるが、バックゲート型（数ＧＨｚまで）と異なり、高い周波数（１００ＧＨｚまで）までの測定となる。
【０１２１】
また、ナノ構造体に直接接続されていない端子からでも、高周波信号を入出力することが可能なので、観測に起因する系の状態の乱れを最小限に抑えることが可能である。
【０１２２】
（実施例４）
図９は、本発明の実施例４の観測装置を示した模式図である。図９において、図１および図７に示したものと同一のものには同一符号を付してある。
【０１２３】
実施例４の観測装置では、半導体カーボンナノチューブ７０１を有する単一電子トランジスタ（デバイス）が、高濃度シリコン基板９０１上に形成されている。
【０１２４】
高濃度シリコン基板９０１に、半導体カーボンナノチューブ７０１を有する単一電子トランジスタを形成する方法は、以下の通りである。
【０１２５】
高濃度シリコン基板９０１上に、酸化シリコン膜９０２が形成される。その後、半導体カーボンナノチューブ７０１が、アイランドとして、酸化シリコン膜９０２上にＣＶＤ法あるいは塗布法により形成される。その後、トンネル絶縁膜９０３が形成される。その後、金属電極９０４および金属電極９０５が形成され、金属電極９０４がソース電極として、金属電極９０５がドレイン電極として用いられる。
【０１２６】
ゲート電位の直流電圧Ｖｇは、高濃度シリコン基板９０１に与えられ、ドレイン電位Ｖｄは、バイアス・ティー９０６を介して、ドレイン電極９０５に与える。バイアス・ティー９０６は、高周波信号に影響を与えずに直流電圧を印加するデバイスである。
【０１２７】
金属電極９０４および金属電極９０５は、同軸ケーブル１０８により高周波測定部１０５に接続され、高周波測定部１０５によって、Ｓパラメータの周波数依存性が上記と同様に測定される。
【０１２８】
本実施例によれば、単一電子トランジスタ構造を採用しているので、高感度化が可能となる。
【０１２９】
（実施例５）
図１０は、本発明の実施例５の観測装置を示した模式図である。図１０において、図１に示したものと同一のものには同一符号を付してある。
【０１３０】
実施例５の観測装置では、分子トランジスタ（デバイス）が、高濃度シリコン基板１００１上に形成されている。
【０１３１】
高濃度シリコン基板１００１に、分子トランジスタを形成する方法は、以下の通りである。
【０１３２】
高濃度シリコン基板１００１上に、酸化シリコン膜１００２が形成される。その後、分子トランジスタのチャネルとなる伝導分子１００３が、酸化シリコン膜１００２上に形成される。なお、伝導分子１００３は、ナノ構造体（カーボンナノチューブ）である。その後、金属電極１００４および金属電極１００５が形成され、金属電極１００４がソース電極として、金属電極１００５がドレイン電極として用いられる。
【０１３３】
ゲート電位の直流電圧Ｖｇは、高濃度シリコン基板１００１に与えられ、ドレイン電位Ｖｄは、バイアス・ティー１００６を介して、ドレイン電極１００５に与えられる。バイアス・ティー１００６は、高周波信号に影響を与えずに直流電圧を印加するデバイスである。
【０１３４】
金属電極１００４および金属電極１００５は、同軸ケーブル１０８により高周波測定部１０５に接続され、高周波測定部１０５によって、Ｓパラメータの周波数依存性が上記と同様に測定される。
【０１３５】
本実施例によれば、デバイスとして、分子トランジスタが用いられているため、極めて高感度の観測装置を提供できる。例えば、分子１個の検出が可能となる。
［産業上の利用可能性］
本発明の活用例として、微量の物質のセンシング、物質の同定が可能なことから、ガスセンサー、危険物質の検知器、人工臭覚器等に応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１３６】
【図１】本発明の一実施形態の観測装置を示した説明図である。
【図２】本発明の観測装置の読出し結果（挿入損失の周波数依存性）の一例を示した説明図である。
【図３】本発明の観測装置の読出し結果（電力損失の周波数依存性）の一例を示した説明うである。
【図４】本発明の他の実施形態の観測装置を示した説明図である。
【図５】本発明の実施例１の観測装置を示した模式図である。
【図６】本発明の実施例１の観測装置の断面図である。
【図７】本発明の実施例２の観測装置を示した模式図である。
【図８】本発明の実施例３の観測装置を示した模式図である。
【図９】本発明の実施例４の観測装置を示した模式図である。
【図１０】本発明の実施例５の観測装置を示した模式図である。
【図１１】従来のカーボンナノチューブを用いたセンサーを示した模式図である。
【図１２】従来のカーボンナノチューブを用いたセンサーを示した模式図である。
【符号の説明】
【０１３７】
１０１、７０１ カーボンナノチューブ
１０２、１０３、４０１、５０２、５０３、７０４、７０５、８０３、８０５、８０６、９０４、９０５ 電極
１０４ 接地電極
１０５ 高周波測定部
１０６、１０７ プローブ針
１０８ 同軸ケーブル
１０９ 高周波電源
１１０ 反射波・透過波検出回路
１１１ 制御部
１１２ 吸着分子
５０１、７０２、８０１、９０１、１００１ シリコン基板
５０４、７０３、８０２、９０２、１００２ 酸化シリコン膜
７０６、８０７、８０８、９０６、１００６ バイアス・ティー
８０４ ゲート絶縁膜
９０３ トンネル絶縁膜
１００３ 伝導分子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノ構造体を有するデバイスと、
前記ナノ構造体に直接または絶縁膜を介して接続される複数の端子と、
少なくとも１つの前記端子に特定周波数の信号を出力する信号出力部と、
前記信号出力部が出力した特定周波数の信号の前記端子による反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノ構造体を通って他の端子から出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出す検出部と、
前記信号出力部が出力する特定周波数の信号の振幅を設定するとともに、前記特定周波数の信号の振幅と、前記検出部が読み出した振幅および位相差と、に基づいて、前記デバイスの状態を検出する制御部と、を含む観測装置。
【請求項２】
前記ナノ構造体は、ナノワイアである、請求項１に記載の観測装置。
【請求項３】
前記ナノワイアは、少なくとも１種類以上の分子を吸着し、
前記制御部は、前記デバイスの状態の変化に基づいて、前記分子の種類または量を特定する、請求項２に記載の観測装置。
【請求項４】
前記デバイスは、前記ナノワイアで形成された伝送線路であり、
前記複数の端子は、第１および第２の入出力端子であり、
前記伝送路線の一端には前記第１の入出力端子、該伝送路線の他端には前記第２の入出力端子が接続され、
前記信号出力部は、前記第１および第２の入出力端子に対して、順番に、前記特定周波数の信号を出力し、
前記検出部は、前記信号出力部から出力された特定周波数の信号の前記第１および第２の入出力端子による反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノワイアを通って出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出す、請求項２に記載の観測装置。
【請求項５】
前記デバイスは、ゲート、ドレインおよびソースを有する電界効果トランジスタであり、
前記複数の端子は、前記ゲートと前記ドレインであり、
前記ソースに接地端子が接続され、
前記ドレインと前記ソースの間に前記ナノ構造体が設けられ、
前記ナノ構造体と前記ゲートの間に絶縁膜が設けられ、
前記信号出力部は、前記ゲートおよび前記ドレインに対して、順番に、前記特定周波数の信号を出力し、
前記検出部は、前記信号出力部から出力された特定周波数の信号の前記ゲートおよび前記ドレインによる反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノ構造体を通って出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出す、請求項１に記載の観測装置。
【請求項６】
前記デバイスは、ゲート、ドレインおよびソースを有する電界効果トランジスタであり、
前記複数の端子は、前記ドレインと前記ソースであり、
前記ドレインと前記ソースの間に前記ナノ構造体が設けられ、
前記ナノ構造体と前記ゲートの間に絶縁膜が設けられ、
前記信号出力部は、前記ドレインおよび前記ソースに対して、順番に、前記特定周波数の信号を出力し、
前記検出部は、前記信号出力部から出力された特定周波数の信号の前記ドレインおよび前記ソースによる反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノ構造体を通って出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出す、請求項１に記載の観測装置。
【請求項７】
前記デバイスは、ゲート、ドレイン、ソースおよびアイランドを有する単一電子トランジスタであり、
前記複数の端子は、前記ドレインと前記ソースであり、
前記アイランドは、前記ナノ構造体であり、
前記信号出力部は、前記ドレインおよび前記ソースに対して、順番に、前記特定周波数の信号を出力し、
前記検出部は、前記信号出力部から出力された特定周波数の信号の前記ドレインおよび前記ソースによる反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノ構造体を通って出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出す、請求項１に記載の観測装置。
【請求項８】
前記ナノワイアは、カーボンナノチューブである、請求項２に記載の観測装置。
【請求項９】
前記デバイスは、チャネルとなる伝導分子、ゲート、ドレインおよびソースを有する分子トランジスタであり、
前記複数の端子は、前記ドレインと前記ソースであり、
前記伝導分子は、前記ナノ構造体であり、
前記信号出力部は、前記ドレインおよび前記ソースに対して、順番に、前記特定周波数の信号を出力し、
前記検出部は、前記信号出力部から出力された特定周波数の信号の前記ドレインおよび前記ソースによる反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノ構造体を通って出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出す、請求項１に記載の観測装置。
【請求項１０】
ナノ構造体を有するデバイスと、前記ナノ構造体に直接または絶縁膜を介して接続される複数の端子と、を含む観測装置が行う観測方法であって、
少なくとも１つの前記端子に特定周波数の信号を出力する信号出力ステップと、
前記特定周波数の信号の前記端子による反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノ構造体を通って他の端子から出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出す検出ステップと、
前記特定周波数の信号の振幅を設定するとともに、前記特定周波数の信号の振幅と、前記読み出された振幅および位相差と、に基づいて、前記デバイスの状態を検出する観測ステップと、を含む観測方法。
【請求項１１】
前記ナノ構造体は、ナノワイアである、請求項１０に記載の観測方法。
【請求項１２】
前記ナノワイアは、少なくとも１種類以上の分子を吸着し、
前記観測ステップでは、前記デバイスの状態の変化に基づいて、前記分子の種類または量を特定する、請求項１１に記載の観測方法。
【請求項１３】
前記デバイスは、前記ナノワイアで形成された伝送線路であり、
前記複数の端子は、第１および第２の入出力端子であり、
前記伝送路線の一端には前記第１の入出力端子、該伝送路線の他端には前記第２の入出力端子が接続され、
前記信号出力ステップでは、前記第１および第２の入出力端子に対して、順番に、前記特定周波数の信号を出力し、
前記検出ステップでは、前記特定周波数の信号の前記第１および第２の入出力端子による反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノワイアを通って出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出す、請求項１１に記載の観測方法。
【請求項１４】
前記デバイスは、ゲート、ドレインおよびソースを有する電界効果トランジスタであり、
前記複数の端子は、前記ゲートと前記ドレインであり、
前記ソースに接地端子が接続され、
前記ドレインと前記ソースの間に前記ナノ構造体が設けられ、
前記ナノ構造体と前記ゲートの間に絶縁膜が設けられ、
前記信号出力ステップでは、前記ゲートおよび前記ドレインに対して、順番に、前記特定周波数の信号を出力し、
前記検出ステップでは、前記特定周波数の信号の前記ゲートおよび前記ドレインによる反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノ構造体を通って出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出す、請求項１０に記載の観測方法。
【請求項１５】
前記デバイスは、ゲート、ドレインおよびソースを有する電界効果トランジスタであり、
前記複数の端子は、前記ドレインと前記ソースであり、
前記ドレインと前記ソースの間に前記ナノ構造体が設けられ、
前記ナノ構造体と前記ゲートの間に絶縁膜が設けられ、
前記信号出力ステップでは、前記ドレインおよび前記ソースに対して、順番に、前記特定周波数の信号を出力し、
前記検出ステップでは、前記特定周波数の信号の前記ドレインおよび前記ソースによる反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノ構造体を通って出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出す、請求項１０に記載の観測方法。
【請求項１６】
前記デバイスは、ゲート、ドレイン、ソースおよびアイランドを有する単一電子トランジスタであり、
前記複数の端子は、前記ドレインと前記ソースであり、
前記アイランドは、前記ナノ構造体であり、
前記信号出力ステップでは、前記ドレインおよび前記ソースに対して、順番に、前記特定周波数の信号を出力し、
前記検出ステップでは、前記特定周波数の信号の前記ドレインおよび前記ソースによる反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノ構造体を通って出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出す、請求項１０に記載の観測方法。
【請求項１７】
前記ナノワイアは、カーボンナノチューブである、請求項１１に記載の観測方法。
【請求項１８】
前記デバイスは、チャネルとなる伝導分子、ゲート、ドレインおよびソースを有する分子トランジスタであり、
前記複数の端子は、前記ドレインと前記ソースであり、
前記伝導分子は、前記ナノ構造体であり、
前記信号出力ステップでは、前記ドレインおよび前記ソースに対して、順番に、前記特定周波数の信号を出力し、
前記検出ステップでは、前記特定周波数の信号の前記ドレインおよび前記ソースによる反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノ構造体を通って出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出す、請求項１０に記載の観測方法。
【請求項１】
ナノ構造体を有するデバイスと、
前記ナノ構造体に直接または絶縁膜を介して接続される複数の端子と、
少なくとも１つの前記端子に特定周波数の信号を出力する信号出力部と、
前記信号出力部が出力した特定周波数の信号の前記端子による反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノ構造体を通って他の端子から出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出す検出部と、
前記信号出力部が出力する特定周波数の信号の振幅を設定するとともに、前記特定周波数の信号の振幅と、前記検出部が読み出した振幅および位相差と、に基づいて、前記デバイスの状態を検出する制御部と、を含む観測装置。
【請求項２】
前記ナノ構造体は、ナノワイアである、請求項１に記載の観測装置。
【請求項３】
前記ナノワイアは、少なくとも１種類以上の分子を吸着し、
前記制御部は、前記デバイスの状態の変化に基づいて、前記分子の種類または量を特定する、請求項２に記載の観測装置。
【請求項４】
前記デバイスは、前記ナノワイアで形成された伝送線路であり、
前記複数の端子は、第１および第２の入出力端子であり、
前記伝送路線の一端には前記第１の入出力端子、該伝送路線の他端には前記第２の入出力端子が接続され、
前記信号出力部は、前記第１および第２の入出力端子に対して、順番に、前記特定周波数の信号を出力し、
前記検出部は、前記信号出力部から出力された特定周波数の信号の前記第１および第２の入出力端子による反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノワイアを通って出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出す、請求項２に記載の観測装置。
【請求項５】
前記デバイスは、ゲート、ドレインおよびソースを有する電界効果トランジスタであり、
前記複数の端子は、前記ゲートと前記ドレインであり、
前記ソースに接地端子が接続され、
前記ドレインと前記ソースの間に前記ナノ構造体が設けられ、
前記ナノ構造体と前記ゲートの間に絶縁膜が設けられ、
前記信号出力部は、前記ゲートおよび前記ドレインに対して、順番に、前記特定周波数の信号を出力し、
前記検出部は、前記信号出力部から出力された特定周波数の信号の前記ゲートおよび前記ドレインによる反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノ構造体を通って出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出す、請求項１に記載の観測装置。
【請求項６】
前記デバイスは、ゲート、ドレインおよびソースを有する電界効果トランジスタであり、
前記複数の端子は、前記ドレインと前記ソースであり、
前記ドレインと前記ソースの間に前記ナノ構造体が設けられ、
前記ナノ構造体と前記ゲートの間に絶縁膜が設けられ、
前記信号出力部は、前記ドレインおよび前記ソースに対して、順番に、前記特定周波数の信号を出力し、
前記検出部は、前記信号出力部から出力された特定周波数の信号の前記ドレインおよび前記ソースによる反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノ構造体を通って出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出す、請求項１に記載の観測装置。
【請求項７】
前記デバイスは、ゲート、ドレイン、ソースおよびアイランドを有する単一電子トランジスタであり、
前記複数の端子は、前記ドレインと前記ソースであり、
前記アイランドは、前記ナノ構造体であり、
前記信号出力部は、前記ドレインおよび前記ソースに対して、順番に、前記特定周波数の信号を出力し、
前記検出部は、前記信号出力部から出力された特定周波数の信号の前記ドレインおよび前記ソースによる反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノ構造体を通って出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出す、請求項１に記載の観測装置。
【請求項８】
前記ナノワイアは、カーボンナノチューブである、請求項２に記載の観測装置。
【請求項９】
前記デバイスは、チャネルとなる伝導分子、ゲート、ドレインおよびソースを有する分子トランジスタであり、
前記複数の端子は、前記ドレインと前記ソースであり、
前記伝導分子は、前記ナノ構造体であり、
前記信号出力部は、前記ドレインおよび前記ソースに対して、順番に、前記特定周波数の信号を出力し、
前記検出部は、前記信号出力部から出力された特定周波数の信号の前記ドレインおよび前記ソースによる反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノ構造体を通って出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出す、請求項１に記載の観測装置。
【請求項１０】
ナノ構造体を有するデバイスと、前記ナノ構造体に直接または絶縁膜を介して接続される複数の端子と、を含む観測装置が行う観測方法であって、
少なくとも１つの前記端子に特定周波数の信号を出力する信号出力ステップと、
前記特定周波数の信号の前記端子による反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノ構造体を通って他の端子から出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出す検出ステップと、
前記特定周波数の信号の振幅を設定するとともに、前記特定周波数の信号の振幅と、前記読み出された振幅および位相差と、に基づいて、前記デバイスの状態を検出する観測ステップと、を含む観測方法。
【請求項１１】
前記ナノ構造体は、ナノワイアである、請求項１０に記載の観測方法。
【請求項１２】
前記ナノワイアは、少なくとも１種類以上の分子を吸着し、
前記観測ステップでは、前記デバイスの状態の変化に基づいて、前記分子の種類または量を特定する、請求項１１に記載の観測方法。
【請求項１３】
前記デバイスは、前記ナノワイアで形成された伝送線路であり、
前記複数の端子は、第１および第２の入出力端子であり、
前記伝送路線の一端には前記第１の入出力端子、該伝送路線の他端には前記第２の入出力端子が接続され、
前記信号出力ステップでは、前記第１および第２の入出力端子に対して、順番に、前記特定周波数の信号を出力し、
前記検出ステップでは、前記特定周波数の信号の前記第１および第２の入出力端子による反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノワイアを通って出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出す、請求項１１に記載の観測方法。
【請求項１４】
前記デバイスは、ゲート、ドレインおよびソースを有する電界効果トランジスタであり、
前記複数の端子は、前記ゲートと前記ドレインであり、
前記ソースに接地端子が接続され、
前記ドレインと前記ソースの間に前記ナノ構造体が設けられ、
前記ナノ構造体と前記ゲートの間に絶縁膜が設けられ、
前記信号出力ステップでは、前記ゲートおよび前記ドレインに対して、順番に、前記特定周波数の信号を出力し、
前記検出ステップでは、前記特定周波数の信号の前記ゲートおよび前記ドレインによる反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノ構造体を通って出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出す、請求項１０に記載の観測方法。
【請求項１５】
前記デバイスは、ゲート、ドレインおよびソースを有する電界効果トランジスタであり、
前記複数の端子は、前記ドレインと前記ソースであり、
前記ドレインと前記ソースの間に前記ナノ構造体が設けられ、
前記ナノ構造体と前記ゲートの間に絶縁膜が設けられ、
前記信号出力ステップでは、前記ドレインおよび前記ソースに対して、順番に、前記特定周波数の信号を出力し、
前記検出ステップでは、前記特定周波数の信号の前記ドレインおよび前記ソースによる反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノ構造体を通って出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出す、請求項１０に記載の観測方法。
【請求項１６】
前記デバイスは、ゲート、ドレイン、ソースおよびアイランドを有する単一電子トランジスタであり、
前記複数の端子は、前記ドレインと前記ソースであり、
前記アイランドは、前記ナノ構造体であり、
前記信号出力ステップでは、前記ドレインおよび前記ソースに対して、順番に、前記特定周波数の信号を出力し、
前記検出ステップでは、前記特定周波数の信号の前記ドレインおよび前記ソースによる反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノ構造体を通って出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出す、請求項１０に記載の観測方法。
【請求項１７】
前記ナノワイアは、カーボンナノチューブである、請求項１１に記載の観測方法。
【請求項１８】
前記デバイスは、チャネルとなる伝導分子、ゲート、ドレインおよびソースを有する分子トランジスタであり、
前記複数の端子は、前記ドレインと前記ソースであり、
前記伝導分子は、前記ナノ構造体であり、
前記信号出力ステップでは、前記ドレインおよび前記ソースに対して、順番に、前記特定周波数の信号を出力し、
前記検出ステップでは、前記特定周波数の信号の前記ドレインおよび前記ソースによる反射波と、該特定周波数の信号が前記ナノ構造体を通って出てきた透過波と、の両方あるいはどちらか一方について、振幅と、前記特定周波数の信号との位相差と、を読み出す、請求項１０に記載の観測方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００８−１１６３５６（Ｐ２００８−１１６３５６Ａ）
【公開日】平成２０年５月２２日（２００８．５．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３００６２１（Ｐ２００６−３００６２１）
【出願日】平成１８年１１月６日（２００６．１１．６）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年５月２２日（２００８．５．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月６日（２００６．１１．６）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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