分子器件和阵列、整流器件和方法、传感器件及相关器件 【技术领域】
本发明涉及一种分子器件、分子阵列、整流(rectifier)器件、整流方法、传感器件、开关器件、电路器件、逻辑电路器件、操作器件和信息处理器件。
背景技术
自从A.Aviram，M.A.Ratner等人于1974年(非专利文献1：ChemicalPhysics Letter，vol.29，277(1974))提出对基于完全不同于传统电子器件(非专利文献2：Y.Wada，M.Tsukada，M.Fujihira，K.Matsushige，T.Ogawa，M.Haga和S.Tanaka，Japanese Journal of Applied Physics，vol.39，p.3835(2000))的概念的复杂并且高度集成的器件的预测以来，用于建立使分子电子器件作为它们组件的器件以完成所需功能的分子电子学已经持续引起浓厚的兴趣。另外，分子电子学最近已经被作为纳米科学与技术的中心问题之一。
迄今为止提出的分子电子器件(或分子纳米电子器件)包括由结合供体(donor)和原始粒子(ancestor)的分子组成的分子开关；由直链共轭(linear-chain conjugate)分子组成的分子导体等等(非专利文献3：Y.Wada，H.Yamada，K.Matsushige，Applied Physics，vol.70，p.1396(2001))。
非专利文献4(Y.Kobuke，“Supermolecular Porphyrin Functional Arrays”，Material Integration，vol.14，No.5，p.59(2001))和非专利文献5(K.Ogawa和Y.Kobuke，Angewandte Chemie International Edition，vol.39，p.4070(2000))报道了中间耦合咪唑基卟啉二聚体(meso-coupled imidazolyl porphyrin dimers)。非专利文献4同时评述了卟啉阵列的光电增强作用。
专利文献1(JP2001-213945A)公开了至106nm地极长低聚(oligo)(5，15-二芳基取代的卟啉亚基合Zn(II))化合物，例如，其组成具有准确长度和结构的单分散(monodisperse)聚合物棒。专利文献2公开了一种新的巯基取代的咪唑基卟啉金属络合物单体和具有相同重复单元的聚合物以及其制备方法。专利文献3公开了使咪唑基卟啉金属络合物作为单体的卟啉二聚体。专利文献4公开了咪唑基卟啉金属络合物作为单元的聚(卟啉)。
非专利文献6(I.V.Rubtsov，Y.Kobuke，H.Miyaji，K.Yoshihara.“卟啉螯合组件中的能量转移(Energy Transfer in a Porphyrin Chelate Assembly)”，Chemical Physics Letters，vol.308，323(1999))报道了发生在约10皮秒内的分子间的能量转移。非专利文献7(Kobuke实验室主页，互联网，<URL：mswebs.aist-nara.ac.jp/LABs/kobuke/index-j.html>2002年5月20日访问)大致说明了卟啉阵列在电子学的应用。
非专利文献8(Imahori等人，“光活性三维单层；卟啉-链烷硫醇酯稳定的金簇(Photoactive three dimensional monolayers；Porphyrin-Alkanthiolate-stabilized gold cluster)”(Imahori-jacs2001.pdf)和非专利文献9(H.Imahori和S.Fukuzumi，“分子太阳能电池的评述(Review onmolecular solar cells)”，Kagaku Kogyo，vol.July 2001，p.41)报道了通过组合金、硫醇(thiol)和C60的光电转化。
非专利文献10(N.Aratani，A.Osuka，Y.H.Kim，D.H.Jeong，D.Kim，“极长、分散的中间-中间耦合卟啉阵列(meso-meso-Coupled Porphyrin Arrays)”，Angewandte Chemie International Edition，39，No.8，p.1458(2000))报道了共价卟啉阵列的合成及吸收光谱。在AgI促进下，用于合成的是5，15-二芳基卟啉(含Zn作为中心金属)的中间-中间耦合反应。
非专利文献11(N.Ohta，Y.Iwaki，T.Ito，I.Yamazaki，A.Osuka，“沿中间-中间连接卟啉阵列的光诱导电荷转移(Photoinduced Charge Transfer along ameso-meso-linked Porphyrin Array)”，Journal of Physical Chemistry，B.vol.103.p.11242(1999))报道了共价卟啉阵列中关于能量转移(激子)的测定。这里测定的是平行和垂直于对整流器件很重要的长分子轴的激子的特性。
非专利文献12(A.Tsuda，H.Furuta和A.Osuka，“Completely FusedDiporphyrins and Triporphyrin”，Angewandte Chemie，International Edition，39，No.14，p.2549(2000))和非专利文献13(A.Ishida，“从电子和能量的流动观察分子的行为(Observe behaviors of molecules from flows of electrons andenergy)”，www.jst.go.jp/pr/announce/20000301/bessi3/kadai2.html)报道了卟啉聚合物的水平改性(flatly modified)。
非专利文献14(K.Yamashita，“通过卟啉进行的光能转化(Conversion ofLight Energy by Porphyrin)”，Hyomen，vol.21，No.7，p.406(1983))详细描述了具有其中心金属的卟啉分子的电子态的变化。
非专利文献15(K.Matsushige和K.Tanaka，“分子纳米技术(MolecularNanotechnology)”，Kagaku Dojin，1992)在第13章中对单分子器件的设计和合成、在第10章中对通过纳米耦合系统的能量/电子输送器件以及在第17章中对建立分子计算机给出了说明。
非专利文献16(A.K.Burrell，D.L.Officer，P.G.Plieger和D.C.W.Reid，“Synthetic Routs to Multiporphyrin Arrays”，Chemical Review，101，p.2751(2001))描述了多卟啉阵列的许多例子。
非专利文献17(Tetrahedron，vol.50，No.39，p.11427(1994))描述了一种合成中间耦合咪唑基卟啉二聚体的方法。
非专利文献18(A.Ishida和T.Majima，“在金表面卟啉自组装单层的表面等离子体振元激发(Surface Plasmon Excitation of Porphyrin self-assemblymonolayers on an Au surface)”Nanotechnology 10，p.308(1999))报道了卟啉的表面等离子体振元激发。
非专利文献19(R.W.Wagner和J.S.Lindsey，“分子光导线(A MolecularPhotonic Wire)”，J.Am.Chem.Soc.1994，116，9759-9760.)报道了一种改性卟啉阵列终端(terminal end)及以此作为输入端使用光激发的方法。
非专利文献20(“Works of the group of Professor T.Tanagida in OsakaUniversity”，<URL：http：//www.jst.go.jp/erato/project/ysu p/syn/index.html>2002年5月20日访问)和非专利文献21(Hamamatsu Photonics的产品目录，<URL：http：//www.hpk.co.jp/jpn/products/SYS/C8600J.htm>2002年5月20日访问)报道了单分子成像方法。
非专利文献22(Y.Kobuke和H.Miyaji，Journal of American ChemicalSociety 116，p.4111(1994))描述了来自卟啉的荧光具有约600±20nm的波长。
【发明内容】
对于分子电子器件的实际应用，存在各种问题，包括：分子器件的合成、器件功能的确认、分子器件的定向控制、通过在分子器件间或分子器件和外部电路间布线(wiring)的电路制造、由密集集成引起的分子间相互作用的控制、可靠性、运行速度、热产生、环境耐受性、器件寿命等。由于这些问题的存在，分子电子学还远离实际应用。目前，使用宏观有机材料(如有机薄膜)作为组件而建立器件(如有机EL(电致发光)器件)的有机电子学(organicelectronics)，被认为比分子电子学更接近实际应用。
本发明试图通过一种新的观念克服传统分子电子学现有的状况从而揭示分子电子学的潜在可能性。更具体地说，通过考察生物系统中的特性三原理如光合成即能量转移、激子耦合和自组装并积极引入它们，本发明提出了一种新的超越传统分子电子学的纳米电子学的实现方法。
即，本发明的目的之一是提供一种基于完全不同于传统分子电子器件的新的工作原理的分子器件、分子阵列、整流器件、整流方法、传感器件、开关器件、电路器件、逻辑电路器件、操作器件和信息处理器件。
通过各种研究，发明人发现一种新的现象。即，在耦合两个或多个分子或分子阵列(特别是有机分子或有机分子阵列)或两种或多种这样的分子或分子阵列的系统中，在一个或多个一定的接合点处，由于在它们接合点处的空间不对称性，激发态或激子从一个分子或分子阵列转移至与其耦合的另一个分子或分子阵列不对称地进行。因此，发明人发明了一种具有整流功能的器件作为使用该新现象的器件，该整流功能涉及激发态或激子的转移，并且使用整流功能或控制整流特性的功能，本发明人还发明了各种器件，如开关器件、传感器件和逻辑电路器件。
为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供一种具有整流功能以引起激发态或激子的转移不对称进行的分子器件。
激发态或激子可以通过从外部激励器件形成或产生。或者，可以注入外部产生的激发态或激子。或者，这两种方式结合使用。如可见光的光通常用作外部激励。
本分子器件一般包括至少两个(一种或两种或更多种)分子或分子阵列(特别是有机分子或有机分子阵列)作为其组件。这些分子或分子阵列的数目、种类、放置及其它特征取决于分子器件的想要的功能。更具体地说，至少两个分子或分子阵列可以是具有直型或线型的，并且例如可以通过光直接激发或者通过来自相邻分子或分子阵列的激发能的转移得到激发态。直型或线型分子或分子阵列可以是直链形式的共轭聚合物、直链形式的非共轭聚合物或者由相同或不同种由花青(cyanine)族染料的集聚体表示的分子组成的线型分子集聚体。或者，至少两个分子或分子阵列可以是环或椭圆型的，并且例如可以通过光直接激发或者通过来自相邻分子或分子阵列的激发能的转移得到激发态。环或椭圆型分子或分子阵列可以是环状共轭聚合物、环状非共轭聚合物或者由相同或不同种由光合成的光收集结构表示的分子组成的环状分子集聚体。分子或分子阵列的例子有卟啉分子或酞菁染料分子。
在分子器件的典型结构中，一个分子或分子阵列与至少一个其它分子或分子阵列通过共轭键、非共轭共价键(饱和键)、电荷转移键、离子键、氢键、通过π电子的相互作用的堆垛、范德华力或其中间力物理或化学地耦合。然后，通常地，通过使用现象——激发态或激子的转移在至少两个物理或化学键合的分子或分子阵列之间不对称或不可逆转地进行，产生整流功能。最典型地，作为在物理或化学键下这些两个或多个分子或分子阵列在其接合点处不平行的结果，激发态或激子的转移不对称地进行。换句话说，由于至少两个分子或分子阵列键合在一起形成接合点并且该接合点在耦合位置表现出空间不对称性，激发态或激子的转移在分子器件中不对称地进行。
在至少两个分子或分子阵列(特别是有机分子或有机分子阵列)被用作分子器件中的组件的情况中，它们可以通过插入在它们之间的电阻器件进行耦合。电阻器件可以是分子或分子阵列，特别是有机分子或有机分子阵列，(一般不同于组成分子器件的分子或分子阵列)，并且它们与组成分子器件的分子或分子阵列形成共价键。取决于必要性，用作电阻器件的分子或分子阵列可以是一种通过电磁波照射而改变结构的分子或分子阵列(光反应性分子等)或者随温度而改变结构的分子或分子阵列(热反应性分子等)。虽然分子的选择取决于具体目的，其例子是苯、偶氮苯、炔、环烷烃(如环己烷)、二-环[2，2，2]烷烃(如二-环[2，2，2]己烷)以及其它。在一些情形，如肽键的各种键或如以前基(ago group)的各种基可以用作电阻器件。例如，通过改变用作电阻器件的分子或分子阵列的大小以及组成分子器件并耦合到作为电阻器件的分子或分子阵列的两端的分子或分子阵列间的耦合方向的相对角度，耦合在电阻器件两端的分子或分子阵列间的距离可以改变。既然两个跃迁偶极矩间的跃迁偶极相互作用与它们之间的距离的六次方成反比，就有可能控制跃迁偶极相互作用并因此通过控制分子或分子阵列之间的距离而控制激发态或激子的转移。
为了将激发态或激子从外部输入到分子器件中，通常在至少一个组成分子器件的分子或分子阵列中形成至少一个输入端。输入端的数目和位置取决于分子器件的想要的功能。输入方法的例子是：通过光在输入端诱导表面等离子体振元激发并因此输入激发态或激子；用具有预定分子轨道能量的染料分子改性分子或分子阵列的终端并用它作为输入端以便输入在那里通过光激发的激发态或激子。
根据本发明的第二方面，本发明提供一种具有整流功能以引起激发态或激子的转移不对称进行的分子阵列。
根据本发明的第三方面，本发明提供一种具有整流功能以引起激发态或激子的转移不对称进行的整流器件。
根据本发明的第四方面，本发明提供一种整流方法，其特征在于引起激发态或激子的转移不对称进行。
根据本发明的第五方面，本发明提供一种传感器件，具有引起激发态或激子的转移不对称进行的整流功能以及具有控制整流特性的功能。
传感器件一般包括至少两个分子或分子阵列作为其组件。通常，这些分子或分子阵列的至少一个具有离子识别功能，并且该器件通过使用以下现象实现离子传感，该现象即整流特性随是否存在依附于(adhere to)具有离子识别功能的位置的任何离子而改变。
根据本发明的第六方面，本发明提供一种开关器件，具有引起激发态或激子的转移的不对称进行的整流功能以及具有控制整流特性的功能。
开关器件一般包括至少两个分子或分子阵列作为其组件。通常，这些分子或分子阵列的至少一个具有离子识别功能，并且该器件通过使用以下现象实现离子传感，该现象即整流特性随是否存在粘附于具有离子识别功能的位置的任何离子而改变。
根据本发明的第七方面，本发明提供一种包含开关器件作为其组件的电路器件，该开关器件具有整流功能以引起激发态或激子转移的不对称进行以及具有控制整流特性的功能。
电路器件可用于各种目的，并且根据其预定的用途和功能，包括一个或多个开关器件。例如，电路器件可以是逻辑电路器件。
根据本发明的第八方面，本发明提供一种包含开关器件作为其组件的逻辑电路器件，该开关器件具有整流功能以引起激发态或激子转移的不对称进行以及具有控制整流特性的功能。
根据其预定的功能，逻辑电路器件包括一个或多个开关器件。
根据本发明的第九方面，本发明提供一种包括开关器件作为其组件的操作器件，该开关器件具有整流功能以引起激发态或激子的转移的不对称进行以及具有控制整流特性的功能。
根据其预定的操作功能，操作器件包括一个或多个开关器件。
根据本发明的第十方面，本发明提供一种包括开关器件作为其组件的信息处理器件，该开关器件具有整流功能以引起激发态或激子的转移的不对称进行以及具有控制整流特性的功能。
根据其预定的信息处理功能，信息处理器件包括一个或多个开关器件。
在不抵触其性质的范围内，上述参考本发明第一方面给出的说明也适用于本发明第二到十方面。
类似地，在不抵触其性质的范围内，上述参考本发明第六方面给出的说明也适用于本发明第七到十方面。
通过使用分子或分子阵列作为其基础，具有以上概括特征的本发明可以得到一种整流功能，引起激发态或激子的转移的不对称进行。
本发明的上述及其它目的以及特征从下面参考附图的详细描述和附加的权利要求将变得清楚。
【附图说明】
图1A-1C是表示根据本发明第一实施方式的整流器件的示意图；
图2A-AD是用来说明根据本发明第一实施方式的整流器件的具体结构的示意图；
图3A-3C是用来说明根据本发明第一实施方式的整流器件的具体结构的示意图；
图4是用来说明根据本发明第一实施方式的整流器件的具体结构的示意图；
图5是用来说明用于制造根据本发明第一实施方式的整流器件的卟啉(porphyrin)族物质的合成例的示意图；
图6是用来说明用于制造根据本发明第一实施方式的整流器件的卟啉族物质的合成例的示意图；
图7是用来说明根据本发明第一实施方式的整流器件的具体结构的示意图；
图8是用来说明根据本发明第一实施方式的整流器件的具体结构的示意图；
图9是用来说明根据本发明第一实施方式的整流器件的具体结构的示意图；
图10是用来说明根据本发明第一实施方式的整流器件的示范性输入端的示意图；
图11是用来说明根据本发明第一实施方式的整流器件的示范性输入端的示意图；
图12是表示用根据本发明第一实施方式的整流器件进行的模拟(simulation)的结果的示意图；
图13是表示用根据本发明第一实施方式的整流器件进行的模拟(simulation)的结果的示意图；
图14是表示具有与轴平行放置的跃迁偶极的系统的能级图的示意图；
图15是表示具有与轴垂直放置的跃迁偶极的系统的能级图的示意图；
图16A和16B是用来说明根据本发明第二实施方式的离子传感器件的操作的示意图；
图17是表示根据本发明第四实施方式的整流器件的示意图；
图18是表示根据本发明第四实施方式的整流器件的示意图；
图19是用来说明根据本发明第四实施方式的整流器件的具体结构的示意图；
图20是表示根据本发明第七实施方式的整流器件的示意图；
图21是用来说明根据本发明第七实施方式的整流器件的具体结构的示意图；
图22A和22B是表示根据本发明第十实施方式的整流器件的示意图；
图23是用来说明根据本发明第十实施方式的整流器件的具体结构的示意图；
图24A和24B是表示根据本发明第十一实施方式的整流器件的示意图；以及
图25是用来说明根据本发明第十一实施方式的整流器件的具体结构的示意图。
【具体实施方式】
下面将参考附图说明本发明的实施方式。在所有表示本发明的实施方式的附图中，相同或相应的元件用相同的参考数字标示。
图1A-1C表示本发明的第一实施方式。这里将说明当两个直型(straight)或线型分子或分子阵列以直角键合(bond)在一起时出现的整流作用。
参考图1A和1B，对由具有与直型或线型分子或分子阵列(双键头表示极化方向)的长轴垂直(图1A)和平行(图1B)的跃迁偶极矩的一个或多个电子跃迁组成的激子12进行评述。这两种状态的激子12的能级由跃迁偶极矩间的相互作用的大小和位置决定。
图1C表示整流器件的结构，该整流器件通过在它们的终端以直角耦合两个相同的直型或线型分子或分子阵列11得到。在这种情况中，当沿与分子或分子阵列11(图1A)的长轴垂直的方向极化的激子12具有较高能级时，激子12沿箭头A和B方向转移具有更高的概率。也就是说，在激子12的转移中发生不对称性，关于激子12的转移获得整流作用。
在当沿与分子或分子阵列11(图1B)的长轴平行的方向极化的激子12具有较高能级的情况中，激子12沿与箭头A和B相反方向转移具有更高的概率。这里再一次，在激子12的转移中发生不对称性，关于激子12的转移获得整流作用。
上述说明的激子12转移的不对称性，即通过在两个直型或线型分子或分子阵列11的耦合位置处的接合点的空间不对称性，产生关于激子12转移的整流作用。
接下来说明整流器件的一个具体结构。
图2A表示中间耦合咪唑基卟啉二聚体(非专利文献4)。这种中间耦合咪唑基卟啉二聚体通过图2B(非专利文献5)中所示的补充配位键组成线型分子阵列。
在图2B中所示的线型分子阵列中，存在由具有与分子的长轴垂直和平行的跃迁偶极矩的电子跃迁组成的两种激子(分别在图2C和2D中所示)，并且与分子的长轴平行而极化的激子(图2D中的激子)具有更高的能级。
图3A表示中间耦合非线型咪唑基卟啉三聚体。通过在两个相互垂直的方向配位键合可以得到线型分子阵列，从图3B中所示的中间耦合非线型咪唑基卟啉三聚体作为起点形成如图1C所示的整流器件。在这种情况中，形成线型部分的构件块可以由图3C中所示的中间耦合线型咪唑基卟啉三聚体或图2A中所示的中间耦合线型咪唑基卟啉二聚体组成。在图3B的例中，使用后者中间耦合线型咪唑基卟啉二聚体。
对卟啉系物质以及它们的应用已经有许多研究(专利文献1-4和非专利文献4-22)。
非专利文献14描述了使用中心金属的卟啉分子的电子态的详细变化。结合该文献图11(第412页)参考表4(第414页)中的第一还原(reduction)电位(E(P/P...))，Pd是E(P/P...)值小于H2的唯一中心金属。在具有任何其它中心金属的卟啉用作激子整流器件的交叉点的情况中，那么激子将在它们的位置被捕获并引起通过离子的传感或转换。
对于形成整流器件基本结构的分子的合成，例如，使用非专利文献16的方案17、方案19和方案21。特别是在合成整流器件的交叉点时，在方案21中从分子53形成分子54的反应过程中，除分子53外，图4中所示的类似分子53的分子用一半量的分子53混合。因此，可以制得一个直角的三聚体弯曲。图4中，BP是烯丙基(包括供体或受体性质的取代基)或烷基。
例如(非专利文献17)，作为配位键合分子阵列的基本结构组件的中间耦合咪唑基卟啉二聚体可以通过图5中所示的反应合成。如果在该合成的最终反应(二聚体的形成)通过加入0.5倍图6中所示的分子以引起进一步的反应从而进行改性，那么可以合成图3A中所示的弯曲中间耦合非线型咪唑基卟啉三聚体。图5中的取代基不必是C7H15，也可以使用烷氨基(烷基是支链烷基或直链烷基)、硝基、氰基等。
这里参考图7说明将取代基引入配位键合的卟啉阵列(Kobuke型)的例子。
取代基Xai、Xbi、Ya(1，2，3，...，n，...，N)、Yb(1，2，3，...，n，...，N)、Za(1，2，3，...，n，...，N)和Zb(1，2，3，...，n，...，N)包括下面供体或受体性质的取代基。
供体性质的取代基
-NR2，R是由C、H和C组成的分枝或线型取代基(烷基和烷氧基)。
受体性质的取代基
具有-CN(氰基)、NO2(硝基)和SO3H(磺基)。
接下来说明将取代基引入共价卟啉阵列(Osuga型)并且不包括中心金属的例子(图8)。
具有供体或受体性质的取代基的下面的苯环(烯丙基)作为取代基Xai、Xbi、Ya(1，2，3，...，n，...，N)、Yb(1，2，3，...，n，...，N)、Za(1，2，3，...，n，...，N)和Zb(1，2，3，...，n，...，N)被引入。
具有供体性质的取代基的烯丙基
-NR2和R是由C、H和C组成的分枝或线型取代基(烷基和烷氧基)。
具有受体性质的取代基的烯丙基
具有-CN(氰基)、NO2(硝基)和SO3H(磺基)。
接下来说明将取代基引入共价卟啉阵列(Osuga型)并包括中心金属的例子(图9)。
具有供体或受体性质的取代基的下面的苯环(烯丙基)作为取代基Xai、Xbi、Ya(1，2，3，...，n，...，N)、Yb(1，2，3，...，n，...，N)、Za(1，2，3，...，n，...，N)和Zb(1，2，3，...，n，...，N)被引入。
具有供体性质的取代基的烯丙基
-NR2和R是由C、H和C组成的分枝或线型取代基(烷基和烷氧基)。
具有受体性质的取代基的烯丙基
具有-CN(氰基)、NO2(硝基)和SO3H(磺基)。
例如，激发态或激子可以按下面的方式输入到整流器件中。
图10表示这种例子。如图10所示，分子或分子阵列11的终端与由Au、Ag或Pt等制成的金属薄膜13的一个表面用硫醇相连。金属薄膜13的其它表面与矩形棱镜14紧密接触。分子或分子阵列11的聚体结构表示在图11中。
当光15在具有上述结构的输入端从外部引入到矩形棱镜14的两矩形交叉表面的一个表面上时，表面等离子体振元在金属薄膜13中激发，因此激子12在分子或分子阵列11的终端产生。
不仅光而且如电子的带电粒子可以产生表面等离子体振元激发。
在非专利文献18中报道了卟啉的表面等离子体振元激发。
输入激子的激发态的另一种方法，不同于上述表面等离子体振元激发，例如用一种具有足够分子轨道能量的染料分子(硼-二吡咯亚甲基)改性如卟啉阵列的分子或分子阵列11的终端，并在那里使用光激发作为输入(非专利文献19)。
从整流器件输出的一种方法是用足够的发射荧光的分子改性用于从形成整流器件的分子或分子阵列11提取的信号的位置。该方法的一个具体过程如下。形成整流器件的分子或分子阵列11的一个终端用荧光染料改性。引入到分子或分子阵列11的激发态或激子最终到达荧光染料，并且该荧光染料发射荧光。然后通过使用单分子成像方法(例如在非专利文献20、21中所示)，从单个荧光染料出来的荧光用CCD照相机成像。至于用于改性分子或分子阵列11的终端的荧光染料的例子，在分子或分子阵列11是卟啉阵列的情况中，例如，从卟啉阵列自身使用其一将会是最简单的方法。关于从卟啉出来的荧光，非专利文献22说明了其具有约600±20nm的波长。在用荧光染料而不是卟啉改性分子或分子阵列11的终端的情况中，染料有必要是具有引起从卟啉产生能量的最低未占据分子轨道(LUMO)的分子。C60，虽然不发射荧光，却是一种允许从卟啉转移能量的分子。
接下来说明用整流器件进行模拟的结果。结果表示在图12和13中。图12表示激子12在以直角交叉的线型分子或分子阵列11上的转移的方面，并且当分枝置于原点时，x和y是每个分子和分子阵列11的长轴的坐标。图13表示激发态数目和激发能的相互关系。
从图12和13中可以理解，当激子12的极化处在高能级状态(激发能)即状态1时，激子12在变化成为低能级状态即状态3的极化下通过中间能级状态即状态2在其它分子或分子阵列11上移动。
这里说明配位键合卟啉阵列的光物理性质的评述结果。作为初步研究，首先讨论彼此平行放置的一维跃迁偶极系统的激发能(能级)，可观察到激发能迁移的符号随系统的方向和每个跃迁偶极的方向是垂直还是平行而改变。如已经说明地，这对应于现象：能级即激发能随激子12是沿与分子或分子阵列11的长轴的方向垂直还是平行极化而改变。下面，基于这些观察，将计算配位键合的卟啉阵列的光吸收谱，并讨论其性质。
关于包括多个跃迁偶极的系统的光吸收，采用一种简单的情况。这里假设电子系统：其中位置以一维方向的晶格间隔a排列。每个位置具有两种状态，即基态和激发态。下来，仅考虑单激发的情况。因此，自旋的作用不显著。让系统的大小比光的波长足够短，该光具有在各自位置引起激发而需要的能量。在这种情况中，取决于系统内部位置的光的电场大小不同可忽略。系统的电子和光的电场(表示为E(t))之间的相互作用用下面方程式的哈密顿函数(Hamiltonian)给出。
H^′=-d^·E(t)---(1)]]>
在上面方程式中，
d^]]>
是跃迁偶极算子，并使用下面位置算子
r^]]>
跃迁偶极算子用下面方程式定义。
d^=(-e)r^---(2)]]>
在上面方程式中，(-e)是电子的电荷。一般地，关于从状态|k>跃迁至状态|j>的跃迁偶极矩由下面方程式给出。
djk＝<j|d|k> (3)
与相应光的电场的相互作用的大小由下面方程式给出。
<j|H^|k>=djk·E(t)---(4)]]>
为了简化，假设所有位置的激发能都相等(该激发能用Eg表示)，但是扩展将会容易。仅仅考察一个激发态，整个系统具有的激发态的数目与位置(N)的数目相等。当跃迁偶极间的相互作用可忽略时，其激发能简并(degenerate)。当跃迁偶极相互作用是有限(finite)时，去除简并，并且各个激发态具有不同的跃迁偶极矩。当通过相互作用的能量分裂的大小小于Eg时，仅仅这N个激发态具有Eg附近的激发能。下面，专门讨论激发态，但是包括两个或多个激发态的扩展将会容易。
整个系统的状态表达如下。
|s1，…，sj，…，sN>＝|s1>…|sj>…|sN> (5)
在上面表达式中，sj是位置j的状态，并且当它处于基态时用gj表示，当它处于激发态时用ej表示。整个系统的基态|Ψ0>用下面方程式给出。
|Ψ0>＝|g1，...，gj，...，gN> (6)
整个系统的激发态
|Ψν>(ν＝1，...，N)
是激发态在各个位置的线性组合，并用方程式(7)表达。
Ψν>=Σj=1NCν(j)|g1,g2,···,gj-1,ej,gj+1,···,gN>---(7)]]>
在上面的方程式中，
|g1，g2，…，gj-1，ej，gj+1，…，gN>
是在第j位置的激发态，而
Cν(j)]]>
是系数。
Ψν>
满足下面的薛定鄂方程式。
H|Ψν>＝Eν|Ψν> (8)
在上面的方程式中，
Eν
是
|Ψν>
的本征能量。
哈密顿函数
H
的矩阵元根据基态和激发态分块(block)，并由下面方程式给出。
<g1，…，gj，…，gN|H|g1，…，gj，…，gN>＝0
<g1，…，ej，…，gN|H|g1，…，ek，…，gN>＝δj，kEg+(1-δj，k)Vdd(ej，gj；gk，ek)(9)
j，k＝1，…，N
在上面方程式中，
Vdd(sj，sj′；sk，sk′)
是跃迁偶极
dsj.sj′,dsk,sk′]]>
间的相互作用，其各自位于位置i和j，并且它由下面方程式给出。
Vdd(sj,sj′;sk,sk′)=14πϵ|rij|3[dsj,sj′·dsk,sk′-3(dsj,sj′·rij)(dsk,sk′·rij)|rij|2]...(10)]]>
在这个方程式中，ε是介电常数。另外，ri和rj是位置i和j的坐标，rij＝ri-rj。
从状态|Ψν>跃迁至状态|Ψμ>的跃迁偶极矩的大小一般用下面方程式给出。
dμν=<Ψμ|d^|Ψν>]]>
=Σs1=g1e1Σs2=g2e2···ΣsN=gNeNΣs′1=g1e1Σs′2=g2e2···Σs′N=gNeN---(11)]]>
<Ψμ|s1,s2,···,sN>dsj,s′j(N)<s′1,s′2,···,s′N|Ψν>]]>
在上面方程式中，
dsj,sj′(N)]]>
用下面方程式定义。
dsj,sj(N)=δs1,s′1···δsj-1,s′j-1dsj,s′jδsj+1,s′j+1···δsN,s′N---(12)]]>
从方程式(10)可以看出，跃迁偶极间的相互作用大大依赖于其位置，并且这影响整个系统的激发态并因此影响系统的光学响应。下面，考虑两种不同的情况，其中每个位置的跃迁偶极与系统的方向平行和垂直(并且位于共同平面上)，计算每种情况的激发态的跃迁偶极矩和它们的光吸收。
平行的情况
为了方便，坐标原点定为rj＝(ja，0，0)。这并没有丧失一般性。下面采用的是一种简单的情况，在其中各个位置的跃迁偶极相等，并且位置j的跃迁偶极用下面方程式表示
dej，gj＝(d，0，0)
在这种情况中，出现在方程式(9)中的跃迁偶极相互作用从方程式(10)给出如下。
Vdd(ej，gj；gk，ek)＝-2Vd(j，k) (13)
在这个方程式中，Vd(j，k)由下式给出
Vd(j,k)=|d|24πϵ|rjk|3---(14)]]>
当方程式(8)在N＝2时被求解时，显示系统具有下面两个激发态。
|Ψ1>=12(|e1g2>+|g1e2>),|Ψ2>=12(|e1g2>-|g1e2>)---(15)]]>
它们的激发能如下。
E1＝Eg-2Vd(1，2)
E2＝Eg+2Vd(1，2) (16)
根据方程式(11)计算状态间的跃迁偶极矩。作为一个例子，对应于从|Ψ0>跃迁至|Ψ1>的d10计算如下。
d10=<Ψ1|(|g1g2>dg1,e1<e1g2|+|g1g2>dg2,e2<g1e2|]]>
+|e1g2>de1,g1<g1g2|+|g1e2>de2,g2<g1g2|)|Ψ0>]]>
=12(<e1g2|+<g1e2|)(de1,g1|g1g2>+de2,g2|g2g2>)<g1g2|g1g2>---(17)]]>
=12(de1,g1+de2,g2)]]>
=(2d,0,0)]]>
以基本相同的方式，得到以下。
d00＝d11＝d22＝(0，0，0)
d01=(d10)*=(2d*,0,0)---(18)]]>
d20＝d02＝(0，0，0)
d21＝d12＝(0，0，0)
因此，光学活性态的激发能迁移至比Eg低的能量侧。当两个跃迁偶极与轴平行排列时，具有相反符号的电荷相反时的库仑相互作用能量要比具有相同符合的电荷相反时低。在前一种放置的情况下，剩余有限的跃迁偶极矩；然而在后一种放置的情况下，跃迁偶极矩彼此抵消并变为零。
垂直的情况
这里观察一种情况，其中跃迁偶极平行并因此位于共同平面上。在这种情况中，不丧失一般性，使用dj＝(0，d，0)(j＝1，...，N)。方程式(9)的跃迁偶极相互作用由下面方程式给出。
Vdd(ej，gj；gk，ek)＝+Vd(j，k) (19)
在这个方程式，Vd与方程式(14)中的相同。
当N＝2时，系统具有方程式(15)的激发态，并且各激发能和跃迁偶极如下。
E1＝Eg+Vd(r1，r2) (20)
E2＝Eg-Vd(r1，r2)
d00＝d11＝d22＝(0，0，0)
d10=(0,2d,0),d01=(0,2d*,0)---(21)]]>
d20＝d02=(0，0，0)
d21＝d12=(0，0，0)
因此，光学活性态的激发能迁移至比Eg高的能量侧。高能态具有更高的光学活性。类似于平行的情况，这种情况可以理解。即，由于在跃迁偶极相反方向排列放置的情况中电荷间的排斥小，并且跃迁偶极矩抵消为零，因而能量更低。
光吸收
E称为入射光的电场，P称为由此引起的极化。光易感性χ用下面方程式定义。
P=εχE (22)
在电场不强的情况中，可以线性响应程度描述光易感性χ。当入射光能量为ω且极化方向为α(＝x，y，z)，χ由下面方程式给出。
在这个方程中，
dν0α,Eν]]>
分别表示从基态0至激发态ν的跃迁偶极矩的α分量和激发能，而
τν
表示激发态ν的驰豫时间。N是总的状态数。光吸收由lmχ(ω)给出。
通常，在具有与轴平行放置的跃迁偶极的系统中，光活性激发态的能量迁移至低能侧(图14)，而在具有与轴垂直放置的跃迁偶极的系统中，光活性激发态的能量迁移至高能侧(图15)。
如上面说明，根据第一实施方式，可以实现基于新的迄今未认识的工作原理的激子的整流器件。
接下来说明本发明的第二实施方式。
在第二实施方式中，将会说明使用根据第一实施方式的整流器件建立离子传感器件的例子。
虽然图16A与第一实施方式的图3B相同，激子的整流作用随卟啉环在对应整流器件的接合点的中间耦合非线型咪唑基卟啉三聚体的中心处是否有作为中心金属的Zn而变化。即，在图16A所示的状态中，卟啉环在中间耦合非线型咪唑基卟啉三聚体的中心有作为中心金属的Zn。然而，如果卟啉环在中间耦合非线型咪唑基卟啉三聚体的中心没有作为中心金属的Zn，如图16B所示，那么激子的整流作用在这两个状态之间是不同的。通过使用该原理，可以实现离子传感器功能。
在其它方面，第二实施方式与第一实施方式相同，这里省略了相同特征的说明。
根据第二实施方式，可以实现基于新的迄今未认识的工作原理的离子传感器件。
接下来说明本发明的第三实施方式。
在第三实施方式中，将说明通过使用根据第一实施方式的整流器件建立一种开关器件的例子。
第二实施方式说明了通过使用激子整流作用的变化来实现离子传感器件，该激子的整流作用随卟啉环在对应根据第一实施方式的整流器件的接合点的中间耦合非线型咪唑基卟啉三聚体的中心处是否有作为中心金属的Zn而变化。然而，在第三实施方式中，该原理用于制造通过离子能控制整流的开关器件。即，在图16A所示的状态中，卟啉环在中间耦合非线型咪唑基卟啉三聚体的中心有作为中心金属的Zn。然而，如果卟啉环在中间耦合非线型咪唑基卟啉三聚体的中心没有作为中心金属的Zn，如图16B所示，那么激子的整流作用在这两个状态之间是不同的。因此，通过控制Zn2+在中心进入或离开卟啉环，有可能控制通过激子的整流作用从而得到一种开关功能。
在其它方面，第三实施方式与第一实施方式相同，这里省略了相同特征的说明。
根据第三实施方式，可以实现基于新的迄今未认识的工作原理的开关器件。
图17表示本发明的第四实施方式，这里说明的是一种当三个线型分子或分子阵列耦合时引起的整流作用。
如图17所示，在第四实施方式中，通过耦合三个相同的线型分子或分子阵列11，整流元件被做成整体T型。
在激子12沿分子或分子阵列11的长轴垂直极化时要比平行极化时具有更高的能级的情形，沿箭头A方向移动并进入结合点的激子12如箭头B和C所示分开的概率更高。在这种情况下，如果分子或分子阵列11的组分的激发态或激子在箭头B和C的方向之间的能级相同，那么，激子12分枝到箭头B和C方向的概率相同。这是因为，当从在箭头A方向延伸的分子或分子阵列11观察三个分子或分子阵列11当中的在箭头B和C方向延伸的分子或分子阵列11的接合位置时，在接合位置的接合点具有空间对称性。
在图18的情况中，其中激子12沿分子或分子阵列11的长轴垂直极化要比平行极化具有更高的能级，沿箭头A方向移动并进入接合点的激子12如箭头B和C所示分开具有更高的概率。然而，在这种情况中，沿箭头B和C方向分开的概率是不同的。这是因为，当从在箭头A方向延伸的分子或分子阵列11观察三个分子或分子阵列11当中的在箭头B和C方向延伸的分子或分子阵列11的接合位置时，在接合位置的接合点具有空间不对称性。
接下来说明整流器件的一个具体结构。
图19表示中间耦合非线型咪唑基卟啉四聚体。使用该中间耦合非线型咪唑基卟啉四聚体作为起点，通过配位键合在三个方向延伸可以整体形成字母T型的线型分子阵列，并可以制得图17和18所示的整流器件。这里再一次，如已经结合第一实施方式说明地，形成线型部分的构件块可以由图3C所示的中间耦合线型咪唑基卟啉三聚体或图2A所示的中间耦合线型咪唑基卟啉二聚体组成。
在其它方面，第四实施方式与第一实施方式相同，这里省略了相同特征的说明。
根据第四实施方式，可以实现基于新的迄今未认识的工作原理的开关器件。
接下来说明本发明的第五实施方式。
在第五实施方式中，将会说明通过使用根据第四实施方式的整流器件制造离子传感器件的例子。
激子的整流随卟啉环在对应整流器件的接合位置的中间耦合非线型咪唑基卟啉四聚体的中心处是否有作为中心金属的Zn而变化。即，在图19所示的状态中，卟啉环在中间耦合非线型咪唑基卟啉四聚体的中心有作为中心金属的Zn。然而，如果卟啉环在中间耦合非线型咪唑基卟啉四聚体的中心没有作为中心金属的Zn，那么激子的整流作用在这两个状态之间是不同的。通过使用该原理，可以实现离子传感器功能。
在其它方面，第五实施方式与第一实施方式相同，这里省略了相同特征的说明。
根据第五实施方式，可以实现基于新的迄今未认识的工作原理的离子传感器件。
接下来说明本发明的第六实施方式。
在第六实施方式中，将说明一个通过使用根据第四实施方式的整流器件制造开关器件的例子。
第五实施方式说明了通过使用激子整流作用的变化来实现离子传感器件，该激子的整流随卟啉环在对应整流器件的接合位置的中间耦合非线型咪唑基卟啉四聚体的中心处是否有作为中心金属的Zn而变化。然而，在第六实施方式中，该原理用于制造一个通过离子能控制整流的开关器件。即，在图19所示的状态中，卟啉环在中间耦合非线型咪唑基卟啉四聚体的中心有作为中心金属的Zn。然而，如果卟啉环在中间耦合非线型咪唑基卟啉四聚体的中心没有作为中心金属的Zn，那么激子的整流作用在这两个状态之间是不同的。因此，通过控制Zn2+在中心进入或离开卟啉环，有可能控制通过激子的整流作用并得到开关功能。
在其它方面，第六实施方式与第一实施方式相同，这里省略了相同特征的说明。
根据第六实施方式，可以实现基于新的迄今未认识的工作原理的开关器件。
图20表示本发明的第七实施方式。这里说明的是当四个线型分子或分子阵列以直角耦合时导致的一种整流作用。
如图20所示，在第七实施方式中，通过耦合四个相同的线型分子或分子阵列11，整流元件被做成整体十字型。
在激子12沿分子或分子阵列11的长轴垂直极化时要比平行极化时具有更高的能级，沿箭头A方向移动并进入接合点的激子12如箭头B、C和D所示分开的概率更高。在这种情况下，如果箭头C和D方向在能量上对称，那么，激子12沿箭头C和D方向分开的概率相同并具有更高的可能性，而激子12沿箭头B方向分开的概率与它们不同。
接下来说明整流器件的一个具体结构。
图21表示中间耦合非线型咪唑基卟啉五聚体。使用该中间耦合非线型咪唑基卟啉五聚体作为起点，通过配位键合在四个方向延伸可以形成整体十字型的线型分子阵列，并可以制得图20所示的整流器件。这里再一次，如已经结合第一实施方式说明地，形成线型部分的构件块可以由图3C所示的中间耦合线型咪唑基卟啉三聚体或图2A所示的中间耦合线型咪唑基卟啉二聚体组成。
在其它方面，第七实施方式与第一实施方式相同，这里省略了相同特征的说明。
根据第七实施方式，可以实现基于新的迄今未认识的工作原理的整流器件。
接下来说明本发明的第八实施方式。
在第八实施方式中，将说明一个通过使用根据第七实施方式的整流器件制造离子传感器件的例子。
激子的整流随卟啉环在对应整流器件的接合位置的中间耦合非线型咪唑基卟啉四聚体的中心处是否有作为中心金属的Zn而变化。即，在图21所示的状态中，卟啉环在中间耦合非线型咪唑基卟啉四聚体的中心有作为中心金属的Zn。然而，如果卟啉环在中间耦合非线型咪唑基卟啉四聚体的中心没有作为中心金属的Zn，那么激子的整流作用在这两个状态之间是不同的。通过使用该原理，可以实现离子传感器功能。
在其它方面，第八实施方式与第一实施方式相同，这里省略了相同特征的说明。
根据第八实施方式，可以实现基于新的迄今未认识的工作原理的离子传感器件。
接下来说明本发明的第九实施方式。
在第九实施方式中，将说明一个通过使用根据第七实施方式的整流器件制造开关器件的例子。
第八实施方式说明了通过使用激子整流作用的变化来实现离子传感器件，该激子的整流作用随卟啉环在对应根据第七实施方式的整流器件的接合位置的中间耦合非线型咪唑基卟啉四聚体的中心处是否有作为中心金属的Zn而变化。然而，在第九实施方式中，该原理用于制造一个通过离子能控制整流的开关器件。即，在图21所示的状态中，卟啉环在中间耦合非线型咪唑基卟啉四聚体的中心有作为中心金属的Zn。然而，如果卟啉环在中间耦合非线型咪唑基卟啉四聚体的中心没有作为中心金属的Zn，那么激子的整流作用在这两个状态之间是不同的。因此，通过控制Zn2+在中心进入或离开卟啉环，有可能通过激子控制整流作用从而得到开关功能。
在其它方面，第九实施方式与第一实施方式相同，这里省略了相同特征的说明。
根据第九实施方式，可以实现基于新的迄今未认识的工作原理的开关器件。
接下来说明本发明的第十实施方式。
在第十实施方式中，将说明在分子或分子阵列之间插入一个电阻器件的例子，该分子或分子阵列组成在第一到九实施方式中的整流器件。
即，在第十实施方式中，相邻分子或分子阵列11通过如图22B中所示的电阻器件16间接耦合，而不是如图22A所示的相邻分子或分子阵列直接耦合，以静态改变(在此情形，增加)在电阻器件16相对两端的分子或分子阵列11间的距离。在图22A和22B中，在分子或分子阵列11上的箭头表示跃迁偶极矩(同样，在后面说明的图24A和24B中也一样)。用作电阻器件16的是另一种分子或分子阵列，特别是一种有机分子或有机分子阵列，其能与分子或分子阵列11在相对两端共价键合。
在激发态中电阻器件16附近的跃迁偶极矩大小随电阻器件16相对两端的分子或分子阵列11间的距离改变而改变，并且它充当电阻以阻止激发转移。此外，由于整个激发态的跃迁偶极矩也变化，可激发的激子状态的数目随电磁波(如光，特别是可见光)辐射而变化。
图23表示电阻器件16插入其中的整流器件的一个具体结构。在这个例子中，卟啉分子用作制造整流器件的分子或分子阵列11，并且苯用作电阻器件16。
通过耦合多个相同的分子或分子阵列11例如有机分子以形成整流器件时，它们的耦合距离是不变的。然而，在第十实施方式中，由于电阻器件16插在整流器件中，在电阻器件16相对两端的分子或分子阵列11之间的距离可以改变，并且使得可能形成激子状态并因此控制激发转移。
接下来说明本发明的第十一实施方式。
与第十实施方式类似，这里又是说明在制造整流器件的分子或分子阵列之间插入电阻器件的例子。
即，在第十一实施方式中，相邻分子或分子阵列11通过插入其中的电阻器件16连接，如图24A所示。在这种情况中，用作电阻器件16的是另一种分子或分子阵列，特别是一种有机分子或有机分子阵列，其通过共价键能与分子或分子阵列11在相对两端耦合并且在电磁波例如光照射下改变三维结构。因此，当使用电磁波时，整流器件从其中分子或分子阵列11是直排的图24A所示的状态弯曲到图24B所示的状态，其中分子或分子阵列11与电阻器件16的一端耦合的耦合方向从分子或分子阵列11与电阻器件16的另一端耦合的耦合方向弯曲。因此，在电阻器件16相对两端的分子或分子阵列11间的距离是动态变化的(在这种情况中，增加)。
响应在电阻器件16相对两端的分子或分子阵列11间的距离改变，在激子状态中电阻器件16附近的跃迁偶极矩大小是变化的，并且充当电阻以阻止激发跃迁。此外，由于整个激子状态的跃迁偶极矩也变化，可激发的激子状态的数目随电磁波的照射而变化。
图25表示有电阻器件16插入其中的整流器件的一个具体结构的例子。在这个例子中，卟啉分子用作制造整流器件的分子或分子阵列11，并且具有顺-和反-型立体异构体的偶氮苯用作电阻器件16。在这种情况中，紫外光可以用作电磁波照射以引起从图24A所示的状态跃迁至图24B所示的状态并通过可见光的照射或热可以实现相反的跃迁。当使用具有能引起顺-反跃迁的键的如苯的分子时，可以使用通过pH值改变共轭长度的方法，如某些指示剂(甲基橙、甲基黄或甲基红等)。
通过耦合多个相同的分子或分子阵列11例如有机分子以形成整流器件时，它们的耦合距离是不变的。然而，在第十一实施方式中，由于电阻器件16插在整流器件中，使得通过电磁波的照射在结构中引入变化，可以改变在电阻器件16相对两端的分子或分子阵列11之间的距离，因而可能形成激子状态并因此控制激发转移。
已经参考附图描述了本发明的具体的优选实施方式，可以理解，本发明并不受那些明确的实施方式的限制，在不脱离如所附权利要求所定义的本发明的范围或精神的情况下，本领域技术人员可以在其中实施各种变化和修饰。
例如，数值、结构、物质、原材料、反应等仅用于例示，在必要时，可以使用其它数值、结构、物质、原材料、反应等。
根据本发明，可以实现基于新的工作原理的分子器件、分子阵列、整流器件、整流方法、传感器件、开关器件、电路器件、逻辑电路器件和信息处理器件。