JP2008514038A - 相互接続されたナノシステム - Google Patents

Abstract

ナノデバイスへの通信またはナノデバイスからの通信は、ナノ構造体ベースのアンテナを用いて提供される。このアンテナは、好ましくは、単層ナノチューブ（ＳＷＮＴ）から形成されるが、これに限定されない。他のナノ構造ベースのアンテナとしては、二層ナノチューブ、半導体ナノワイヤ、金属ナノワイヤなどが挙げられる。ナノ構造ベースのアンテナの使用は、ナノデバイスへの物理的な通信接続を提供する必要性を排除し、一方で同時に、ナノデバイスと他のナノデバイスまたは外部システムとの間の通信を可能にする。この外部システムはすなわち、ナノスケールより大きいシステムであり、例えば、半導体製造プロセスから形成されるものであり、例えば、ＣＭＯＳ、ＧａＡｓ、ダイポールプロセスなどである。

Description

（発明の分野）
本発明は、一般に、ナノテクノロジーの分野に関し、そしてより特定すると、ナノチューブ、ナノワイヤならびに他のナノスケールの構造体およびデバイスのための相互接続に関する。

（背景情報）
現代的なデジタル回路またはアナログ回路と同等のものを、ナノチューブおよび／またはナノワイヤから作製するために必要とされる、本質的に全てのデバイスは、初期の実験において実証されており、そして基本的論理回路が、実証されている。多数の研究者らは、ナノワイヤ／ナノチューブデバイスが、種々の測定基準（例えば、幅あたりの相互コンダクタンスまたは移動度）において、ＣＭＯＳより優れていることを主張している。適切に表現される場合、これらの主張は正しい。しかし、言及されていない根本的な動機付けが依然として残っており、すなわち、この根本的動機付けは、そのデバイスが、リソグラフィーによって生じる空間的分解能の限界より小さいか、または小さくあり得るということであり、ムーアの法則をナノテクノロジーの分野まで拡張する活路を提供することである。

現在までに開発された、ナノチューブデバイスおよびナノワイヤデバイスは、リソグラフィーにより製造された電極によって接触させられている。これは、大規模に並行処理する集積ナノシステム様にスケール変更可能な技術ではない。なぜならば、リソグラフィーの幾何学的限界のためである。各ナノワイヤおよびナノチューブがリソグラフィーによって接触している限り、ナノワイヤおよびナノチューブを用いれば可能であるはずの潜在的な高密度回路構成要素は、実現されない。

耐障害性アーキテクチャスキームが、この相互接続の問題に取り組むために、最近提唱されている。例えば、Ｎ個のリソグラフィーにより製造されたワイヤを使用すると、バイナリツリー多重化スキームを使用して、２^Ｎ個のナノワイヤに個々にアドレスすることが可能である。これらのナノワイヤの間の間隔は、リソグラフィーの限界を超えているので、ナノワイヤと、リソグラフィーによって製造されたワイヤとの間の電気的な接続は、ランダムであるが、原理的には、製造プロセスの後に測定され得る。この技術を用いる場合、製造された各チップは、ナノレベルの物理的ハードウェアの欠陥に特異的にその独自のファームウェアを有している。

しかし、集積ナノシステムの効率的な実行および完全なスケール変更可能性を可能にする、より製造可能な相互接続が、必要とされている。

（要旨）
以下に、ナノデバイスおよびナノシステムのための無線相互接続の例示的な実施形態が記載される。これらの実施形態は、例示のみであり、そして本発明を限定することを意図されない。

本明細書中に記載されるデバイス、システムおよび方法は、ナノデバイスおよびナノシステムのための無線相互接続を提供する。より具体的には、ナノデバイスへの通信、またはナノデバイスからの通信は、ナノ構造ベースのアンテナを用いて提供され、このナノ構造ベースのアンテナは、好ましくは、単層ナノチューブ（ＳＷＮＴ）から形成されるが、これに限定されない。他のナノ構造ベースのアンテナとしては、二層ナノチューブ、半導体ナノワイヤ、金属ナノワイヤなどが挙げられる。ナノ構造ベースのアンテナの使用は、ナノデバイスへの物理的な通信接続を提供する必要性を排除し、一方で同時に、ナノデバイスと、他のナノデバイスまたは外部システムとの間の通信を可能にする。

１つの実施形態において、無線で相互接続されたシステムは、ナノ構造ベースのアンテナが結合されたナノデバイス、および外部システムを備え、この外部システムは、このナノ構造ベースのアンテナを使用して、このナノデバイスと通信するように構成されている。このナノデバイスは、このナノ構造ベースのアンテナを介して通信するように構成されている。

別の実施形態において、相互接続されたナノシステムを製造する方法は、通信リード線を有するナノデバイスを形成する工程、およびナノ構造ベースのアンテナをこの通信リード線に結合する工程を包含する。好ましくは、ナノ構造ベースのアンテナの、通信リード線への結合は、カーボンナノチューブをこのリード線上に形成する工程を包含する。

なお別の実施形態において、ナノ構造デバイスと通信する方法は、第一のデバイスから情報を無線送信すること、および第二のデバイスにおいて情報を無線受信することによる方法であり、これらの第一のデバイスおよび第二のデバイスのうちの少なくとも一方は、ナノ構造デバイスである。

なお別の実施形態において、相互接続されたシステムは、第一のデバイス、およびこの第一のデバイスに無線結合された第二のデバイスを備え、これらの第一のデバイスおよび第二のデバイスのうちの一方は、ナノデバイスである。

なお別の実施形態において、相互接続されたシステムは、第一のデバイス、およびこの第一のデバイスに無線結合された第二のデバイスを備え、越えらの第一のデバイスおよび第二のデバイスのうちの少なくとも一方は、ナノ構造ベースのアンテナを備える。

上記および他の好ましい特徴（実行および要素の組み合わせの種々の新規な詳細を含む）は、添付の図面を参照して、ここでより具体的に記載され、そして特許請求の範囲において指摘される。特定の方法および装置が、説明のみとして示され、限定として示されるのではないことが理解される。当業者によって理解されるように、本明細書中で説明される原理および特徴は、種々の多数の実施形態において使用され得る。

本発明の詳細（製造、構造および操作を含む）は、添付の図を見ることによって、部分的に収集される。図において、類似の参照番号は、類似の部分をいう。

図は、同一縮尺では描かれておらず、そして類似の構造または機能の要素は、一般に、図全体にわたって説明の目的で、類似の参照番号によって表されることに留意すべきである。これらの図は、好ましい実施形態の説明を容易にすることのみを意図されることにもまた、留意すべきである。

（詳細な説明）
以下に開示されるさらなる特徴および教示の各々は、他の特徴および技術と別々に、または他の特徴および技術と組み合わせて利用されて、無線相互接続（例えば、ナノ構造ベースのアンテナ）を、ナノデバイスおよびナノシステムのために提供し得る。本発明の代表的な実施例（これらの実施例は、これらのさらなる特徴および技術の多くを、別々にと組み合わせてとの両方で利用する）が、添付の図面を参照して、ここでさらに詳細に説明される。この詳細な説明は、単に、本教示の好ましい局面を実施するために、当業者にさらなる詳細を教示することのみが意図され、そして本発明の範囲を限定することは、意図されない。従って、以下の詳細な説明に開示される特徴および肯定の組み合わせは、必ずしも、本発明を広い意味で実施するために必要とはされないかもしれず、そして本教示の代表的な実施例を具体的に説明するためのみに教示されることが、意図される。

さらに、代表的な実施例および従属請求項の種々の特徴は、本教示のさらなる有用な実施形態を提供するために、具体的にも明白にも列挙されない様式で、組み合わせられ得る。さらに、ことが、本明細書および／または特許請求の範囲に開示される全ての特徴は、最初の開示の目的で、そして実施形態および／または特許請求の範囲における特徴の組み合わせとは独立して本願の主題を制限する目的で、互いに別々に、そして独立して開示されることが意図されることが、明白に留意される。全ての値の範囲または実体の群の指標は、最初の開示の目的で、そして本願の主題を制限する目的で、全ての可能な中間値または中間実体を開示することもまた、明白に留意される。

本明細書中に提供される開示は、２００４年８月１２日に出願された、米国仮特許出願番号６０／６０１，２３０に関する。この仮出願は、全体が記載されているかのように、本明細書中に参考として援用される。

本明細書中に開示されるデバイス、システムおよび方法は、ナノデバイスおよびナノステムのための、無線相互接続を提供する。より具体的には、ナノデバイスへの接続、またはナノデバイスからの接続は、ナノ構造体ベースのアンテナを用いて提供される。このナノ構造体ベースのアンテナは、好ましくは、単層ナノチューブ（ＳＷＮＴ）から形成されるが、これに限定されない。他のナノ構造体ベースのアンテナとしては、二層ナノチューブ、半導体ナノワイヤ、金属ナノワイヤなどが挙げられる。ナノ構造体ベースのアンテナの使用は、ナノデバイスへの物理的な通信接続を提供する必要性を排除し、他方で、ナノデバイスと、他のナノデバイスまたは外部システム（すなわち、ナノスケールより大きいシステム）との間の通信を可能にする。この外部システムは、例えば、半導体製造プロセスから形成されるもの（例えば、ＣＭＯＳ、ＧａＡｓ、ダイポールプロセスなど）である。

ナノ構造体ベースのアンテナは、他のアンテナ用途（ＲＦＩＤ用途が挙げられるが、これらに限定されない）のために同様に使用され得る。いくつかの場合において、各ナノ構造体（すなわち、ナノチューブまたはナノワイヤ）は、別個のアンテナであり得る。他の場合において、ナノ構造体は、アンテナのほんの一部であり得る。例えば、ナノチューブは、複合材料の成分として使用され得、ここで、ナノ構造体ベースの複合材料は、アンテナとして働く。

図１は、無線通信が可能なナノデバイス１０の例示的な実施形態を図示する。ナノデバイス１０は、複数のナノ構造体ベースのアンテナ１６（例えば、ナノチューブアンテナ）を有し、これらのアンテナは、一緒になって、ナノデバイス１０の四辺の各々から延びるアンテナアレイ１１を形成する。好ましくは、アレイ１１内の各ナノチューブアンテナ１６は、別々の共振周波数を有し、そしてその共振周波数に対応する別々の無線周波数チャネルにわたって通信するように構成される。この様式で、別のデバイスまたは外部システムから送信された、マルチチャネル通信信号は、ナノデバイス１０によって受信され得る。アレイ１１内の各ナノチューブ１６は、別々のチャンネルで情報を受信するので、アレイ１１の各々は、各アンテナ１６が入力／出力接続として効率的に働く、通信ポートとして働き得る。

例えば、この実施形態において、ナノデバイス１０は、このデバイスの１辺あたり１４個の回路入力１８を有し、それぞれの回路入力が、別々のナノチューブアンテナ１６に接続される。これらの入力１８の各々についての入力信号は、別のデバイスまたは外部システムから、１４個の別々のチャネル上を送信され、その結果、各ナノ構造体ベースのアンテナ１６は、それぞれの共振周波数にわたって送信された通信のみを受信する。このことは、別々の独特な量の情報を、各個々の入力１８に、それぞれのナノ構造体ベースのアンテナ１６を介して移動させることを可能にする。

ナノデバイス１０は、受信するようにか、送信するようにか、またはその両方のために構成された、任意の数のナノチューブアンテナ１６を有し得る。各ナノチューブアンテナ１６が別々の共振周波数に調整されている実施形態において、別々のチャネル上のデータを受信するために利用可能なナノチューブアンテナ１６の数は、利用可能な帯域幅のみによって制限される。

ナノデバイス１０は、任意のナノスケールデバイス、またはナノスケールの構成要素を有するデバイスであり得る。ナノデバイス１０の内部構造１２は、単純なナノチューブまたはナノ電極から、より複雑な集積ナノシステムまでの範囲であり得る。このより複雑な集積ナノシステムは、ナノチューブ、ナノワイヤ、ナノトランジスタ、自己集合ＤＮＡなどを有する。さらに、用語「ナノスケール」とは、本明細書中に記載されるようなシステムおよび方法に限定することを意図するのではなく、ナノメートルを基準にして測定される任意の装置、構造体、デバイス、物または物体について言及することを促すことを意図する。当業者は、用語「ナノスケール」が、大きさとして１ナノメートルより小さい構造体を包含し得、他方で、大きさが１０００ナノメートルより大きい構造体も包含し得ることを、容易に認識する。

ナノ構造体ベースのアンテナ１６は、アンテナとして働く、任意のナノスケールの構造体から形成され得る。好ましい実施形態において、ナノ構造体ベースのアンテナ１６は、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）から形成される。各炭素ＳＷＮＴアンテナ１６は、その長さを調節することによって、共振周波数に調整され得る。例えば、１センチメートルの炭素ＳＷＮＴアンテナ１６は、４ギガヘルツの共振周波数を有する。

好ましい実施形態において、炭素ＳＷＮＴアンテナは、同時係属中の出願番号＿＿＿（代理人事件番号７０３５３８．４０９３、２００５年８月５日出願、発明の名称「ＳＹＮＴＨＥＳＩＳ ＯＦ ＳＩＮＧＬＥ−ＷＡＬＬＥＤ ＣＡＲＢＯＮ ＮＡＮＯＴＵＢＥＳ」）により詳細に記載されるように、改変されたＣＶＤ反応チャンバ（これは、成長段階の間に提供される炭化水素供給源の気体の流れの乱流を減少させる）を備える単一炉のシステムにおいて、形成または成長される。乱流が減少することで、非常に長いナノチューブの形成のための環境がよりよくなる。さらに、金属下層を備えている、一段高くしたプラットフォームが基材上に配置される。この一段高くしたプラットフォームは、低乱流である気体の流れの中で、その基材から浮いてナノチューブが成長することを可能にする。これにより、この基材によって引き起こされるあらゆる立体の力のインピーダンス（ｓｔｅｒｉｃ ｆｏｒｃｅ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）を低下させ、そしてナノチューブがセンチメートルのオーダーの長さまで成長することを可能にする。

図２は、ナノデバイス１０２および外部システム１０３を備える、相互接続されたナノシステム１００の例示的な実施形態を図示する。ここで、各のナノデバイスは、複数のナノチューブアンテナ１０６を備え、これらのアンテナは、一緒になって、ナノチューブアンテナアレイ１０１を形成する。好ましくは、アレイ１０１内の各ナノチューブアンテナ１０６は、別々の共振周波数を有し、そしてその共振周波数に対応する別々の無線周波数チャネルを介して通信するように、構成される。この様式で、外部システム１０３の外側からアンテナ１０７を介して送信されるマルチチャネル通信信号は、ナノデバイス１０２によって受信され得る。アレイ１０１内の各ナノチューブ１０６は、別々のチャネル上の情報を受信するので、アレイ１０１は、各アンテナ１０６が入力／出力接続として効率的に働く、通信ポートとして働く。

例えば、この実施形態において、各ナノデバイス１０２は、各々が別々のナノチューブアンテナ１０６に接続された、４つの回路入力１０８を有する。これらの入力１０８の各々に対する入力信号は、外部システム１０３から、４つの別々のチャネル上で、通信経路１０４を介して送信され、その結果、各ナノ構造体ベースのアンテナ１０６は、それぞれの共鳴周波数を介して送信された通信のみを、受信する。このことは、別々の独特な量の情報が、外部システム１０３から各個々の入力１０８へと、それぞれのナノ構造体ベースのアンテナ１０６を介して移動することを可能にする。

相互接続されたナノシステム１００は、外部システム１０３とナノデバイス１０２との間の通信のみに限定されない。ナノデバイス１０２の各々は、類似の様式で、通信経路１０４を介して、他のナノデバイス１０２と通信し得る。

各ナノデバイス１０２は、受信するようにか、送信するようにか、またはその両方のために構成された、任意の数のナノチューブアンテナ１０６を有し得る。各ナノチューブアンテナ１０６が別々の共振周波数に調整された実施形態において、別々のチャネル上のデータを受信するために利用可能なナノチューブアンテナ１０６の数は、通信経路１０４または各個々のチャネル中の利用可能な帯域幅のみによって制限される。しかし、他の技術（例えば、時間信号多重化または符号信号多重化など）を使用して、システム１００のデータ送信能力を増加させ得る。

アンテナ実験：図３に示されるように、不均衡（ｕｎｂａｌａｎｃｅｄ）ダイポール送信アンテナ（これは、ｆ＝２．８ＧＨｚで共振する）を、カーボンナノチューブ受信アンテナを備えるサンプルから約２インチの位置に、電極の間隔を２００マイクロメートルにして配置した。このナノチューブアンテナは、上に記載された方法に従って形成された。

ロックイン増幅器を使用してナノチューブ受信アンテナを試験する際に、ナノチューブの電流を、ＲＦ放射線場がオン（ＯＮ）であるかオフ（ＯＦＦ）であるかの関数として、そしてこの場が送信アンテナの共振周波数で適用されるか（ｆｒ＝２．８ＧＨｚ）そうではないか（ｆ＝１ＧＨｚ）の関数として、測定した。この送信アンテナを、ＣＷモードで、＋５ｄＢｍの電力で、ネットワーク分析器によって、１つの周波数で駆動した。

図４に示される、測定されたデータは、送信アンテナの共振周波数（ｆ＝２．８ＧＨｚ）でＲＦ放射線が受信ナノチューブアンテナに適用されると、ナノチューブのＤＣコンダクタンスに０．３ミリジーメンスの減少が存在することを示す。この送信アンテナが、その共振から遠く離れた周波数（ｆ＝１ＧＨｚ）で駆動される場合、ＣＮＴのコンダクタンスの変化は認められなかった。なぜなら、送信アンテナの効率が低かったからである。これらの結果は、サンプル上のＣＮＴが、受信アンテナとして働いていることを示す。

上記明細書において、本発明は、その特定の実施形態を参照して記載された。しかし、種々の改変および変更が、本発明のより広い精神および範囲から逸脱することなく、本発明に対してなされ得ることが明らかである。例えば、１つの実施形態の各特徴は、他の実施形態に示される他の特徴と混合および適合され得る。当業者に公知である特徴およびプロセスは、同様に、所望であれば組み込まれ得る。さらに、明らかに、特徴は、所望であれば、追加または省略され得る。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲およびその均等物を考慮する以外には、制限されない。

図１は、ナノ構造体デバイスの１つの例示的な実施形態の概略を図示する。 図２は、相互接続されたシステムの１つの例示的な実施形態のブロック図を図示する。 図３は、カーボンナノチューブ受信アンテナおよびダイポール送信アンテナのブロック図を図示する。 図４は、図３に示されるカーボンナノチューブ受信アンテナのコンダクタンスの測定値を示すグラフを図示する。

Claims (26)

1. 無線で相互接続されたシステムであって、
   少なくとも１つのナノ構造ベースのアンテナが結合されたナノデバイスであって、
   該ナノデバイスは、該ナノ構造ベースのアンテナを介して通信するように構成されている、ナノデバイス、
   を備える、システム。
2. 前記ナノ構造ベースのアンテナを使用して前記ナノデバイスと通信するように構成されている、外部システムをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
3. 相互接続されたナノシステムを製造する方法であって、
   少なくとも１つの通信リード線を有するナノデバイスを形成する工程；および
   ナノ構造ベースのアンテナを該通信リード線に結合する工程、
   を包含する、方法。
4. 前記ナノ構造ベースのアンテナを通信リード線に結合する工程が、カーボンナノチューブを該リード線上に形成する工程を包含する、請求項３に記載の方法。
5. ナノ構造デバイスと通信する方法であって、
   第一のデバイスからの情報を無線送信する工程；および
   第二のデバイスにおいて情報を無線受信する工程、
   を包含し、該第一のデバイスおよび第二のデバイスのうちの少なくとも一方が、ナノ構造デバイスである、方法。
6. 前記ナノ構造デバイスが、通信リード線、および該通信リード線に結合されたナノ構造ベースのアンテナを備える、請求項５に記載の方法。
7. 前記ナノ構造ベースのアンテナが、カーボンナノチューブである、請求項６に記載の方法。
8. 相互接続されたシステムであって、
   第一のデバイス、および
   該第一のデバイスに無線結合された第二のデバイス、
   を備え、該第一のデバイスおよび第二のデバイスのうちの少なくとも一方が、ナノデバイスである、システム。
9. 前記ナノデバイスが、該ナノデバイスに結合された少なくとも１つのナノ構造ベースのアンテナを有し、該ナノデバイスが、該ナノ構造ベースのアンテナを介して通信するように構成されている、請求項８に記載のシステム。
10. 前記ナノ構造ベースのアンテナが、単層カーボンナノチューブである、請求項９に記載のシステム。
11. 前記ナノ構造ベースのアンテナが、二層カーボンナノチューブである、請求項９に記載のシステム。
12. 前記ナノ構造ベースのアンテナが、半導体ナノワイヤである、請求項９に記載のシステム。
13. 前記ナノ構造ベースのアンテナが、金属ナノワイヤである、請求項９に記載のシステム。
14. 前記ナノデバイスが、複数の通信ポート、および該複数の通信ポートに結合されたナノ構造ベースのアンテナのアレイを備える、請求項８に記載のシステム。
15. 前記ナノ構造ベースのアンテナのアレイが、単層カーボンナノチューブのアレイを備える、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記ナノ構造ベースのアンテナのアレイが、二層カーボンナノチューブのアレイを備える、請求項１４に記載のシステム。
17. 前記ナノ構造ベースのアンテナのアレイが、半導体ナノワイヤのアレイを備える、請求項１４に記載のシステム。
18. 前記ナノ構造ベースのアンテナのアレイが、金属ナノワイヤのアレイを備える、請求項１４に記載のシステム。
19. 相互接続されたシステムであって、
    第一のデバイス、および
    該第一のデバイスに無線結合された第二のデバイス、
    を備え、該第二のデバイスは、該第二のデバイスに結合されたナノ構造ベースのアンテナを備える、システム。
20. 前記第二のデバイスは、前記ナノ構造ベースのアンテナを介して通信するように構成されている、請求項１９に記載のシステム。
21. 前記ナノ構造ベースのアンテナは、ナノ構造要素を含有する複合材料から形成されている、請求項１９に記載のシステム。
22. 前記ナノ構造要素は、ナノチューブである、請求項２１に記載のシステム。
23. 前記ナノ構造ベースのアンテナは、単層カーボンナノチューブである、請求項１９に記載のシステム。
24. 前記ナノ構造ベースのアンテナは、二層カーボンナノチューブである、請求項１９に記載のシステム。
25. 前記ナノ構造ベースのアンテナは、半導体ナノワイヤである、請求項１９に記載のシステム。
26. 前記ナノ構造ベースのアンテナは、金属ナノワイヤである、請求項１９に記載のシステム。

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