DE3721799A1 - Elektrische redox-bauelementschaltung - Google Patents
Elektrische redox-bauelementschaltungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft Leitungen und Elementtrennanordnungen
auf dem Gebiet der integrierten Schaltungen und insbesondere
Leitungen und Trennanordnungen, die in elektrischen
Redox-Bauelementschaltungen verwendet werden, die durch
Verwendung von Oxidations-Reduktions-Substanzen gebildet
werden.
Bisher wurden elektrische Elemente, beispielsweise
Gleichrichterelemente mit Metalloxid-Halbleiter(MOS)-Aufbau
gemäss Fig. 1 bei üblichen integrierten Schaltungen verwendet.
In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen (11) ein
p-Siliciumsubstrat, das Bezugszeichen (12) bezeichnet
einen n-Bereich, das Bezugszeichen (13) bezeichnet einen
p-Bereich, das Bezugszeichen (14) bezeichnet einen n-Bereich,
das Bezugszeichen (15) bezeichnet dünne SiO2-Schichten und
die Bezugszeichen (16, 17) bezeichnen Elektroden. Gemäss
Fig. 1 wird zwischen den Elektroden (16, 17) ein
p-n-Übergang gebildet (durch den Übergang des p-Bereiches
(13) und des n-Bereiches (14)), wodurch
Gleichrichtereigenschaften erhalten werden.
Die üblichen Gleichrichterelemente mit MOS-Aufbau können
überaus fein bearbeitet werden, wodurch eine Grossintegration
von 1 M Bits entsteht, in welcher die Gleichrichterelemente mit
dem vorausgehend erwähnten Aufbau oder Transistorelemente
mit ähnlichem Aufbau nunmehr zum Einsatz kommen.
Um derartige Elemente bezüglich der Speicherkapazität
und der Rechengeschwindigkeit zu verbessern, müssen die
Elemente selbst unabdingbar mit überfeinem Aufbau ausgeführt
sein, während die mittleren freien Weglängen der Elektronen
im wesentlichen der Grösse der Elemente in den überfeinen
Mustern von etwa 0,2 µm bei Si verwendenden Elementen
gleichgemacht werden und daher die Unabhängigkeit der
Elemente nicht aufrecht erhalten werden kann. Es ist daher
zu erwarten, dass die sich entwickelnde Siliciumtechnologie
im Hinblick auf den überfeinen Aufbau in naher Zukunft
gegen eine leere Wand laufen könnte, und daher ein
elektrisches Schaltungselement erforderlich ist, das auf
einem neuen Prinzip beruht, das die 0,2 µm-Grenze überwinden
kann.
Um der vorausgehend aufgeführten Schwierigkeit zu begegnen,
wurde durch die Erfindung ein elektrisches Element
geschaffen und offenbart, das in überfeiner Grösse auf
biomolekularem Niveau durchgeführt wird, indem Biostoffe
als Bestandteile des elektrischen Elementes verwendet
werden.
Die Einzelheiten des Elementes sind in der
US-PS 46 13 541 (oder der westdeutsche ungeprüften
Patentveröffentlichung DE-A1 36 00 564) beschrieben.
Das beschriebene elektrische Element (das anschliessend als
"elektrisches Redox-Bauelement" bezeichnet wird), wird
nachfolgend kurz erläutert.
Ein Gleichrichterelement mit Gleichrichtereigenschaften,
die jenen eines Halbleiters mit p-n-Übergang ähnlich sind,
und ein Transistorelement mit Transistoreigenschaften, die
jenen eines Transistors mit einem p-n-p-Übergang ähnlich
sind, werden unter Verwendung einer Redox-(Oxidations-
Reduktions)-Potentialdifferenz zwischen zwei oder mehr
Arten von zum Elektronentransport dienenden Proteinen
entwickelt, die am Lebenden vorhanden sind und wirksam
werden, um Elektronen über eine Oxidations-Reduktions-Reaktion
zu transportieren. Somit werden die Elemente in überfeiner
Grösse auf biomolekularem Niveau ausgeführt, wodurch eine
mit hoher Geschwindigkeit arbeitende Schaltung hoher
Dichte erreicht wird.
Ferner werden durch die Erfindung weitere Elemente
entwickelt, beispielsweise Widerstände, Kondensatoren
und dergleichen, die eine gute Affinität bezüglich der
vorausgehend aufgeführten Elemente aufweisen, um eine
elektrische Redox-Bauelementschaltung zu schaffen, die
die aufgeführten Elemente verwendet. Jedoch wurden
Leitungen zur elektrischen Verbindung derartiger Elemente
miteinander in einer Bauelementschaltung noch nicht
untersucht.
Es ist daher eine erste, der vorliegenden Erfindung
zugrundeliegende Aufgabe, eine elektrische
Redox-Bauelementschaltung vorzusehen, die Leitungen aufweist,
die eine gute Affinität bezüglich der jeweiligen elektrischen
Redox-Bauelemente haben.
Im allgemeinen benötigen integrierte Schaltungen
Trennbereiche, um ein Element von den nächsten benachbarten
Elementen zu trennen. In ähnlicher Weise benötigen
integrierte Schaltungen, die wie vorausgehend beschrieben,
elektrische Redox-Bauelemente verwenden, ebenfalls
Element-Trennbereiche. Ferner müssen die Trennbereiche
eine gute Affinität hinsichtlich der Stoffe aufweisen, die
die elektrischen Redox-Bauelemente bilden.
Daher liegt der Erfindung die weitere Aufgabe zugrunde,
eine Element-Trennanordnung zu schaffen, die sich mit
guter Wirkung bei solchen elektrischen Redox-Bauelementschaltungen
verwenden lässt.
Diese Aufgabenstellungen werden erfindungsgemäss durch die
elektrische Redox-Bauelementschaltung gelöst, die
gekennzeichnet ist durch: eine Anzahl elektrischer
Redox-Bauelemente, die durch Verwendung einer
Oxidations-Reduktions-Substanz gebildet werden, eine Anzahl
mit diesen elektrischen Bauelementen verbundenen Elektroden,
Leitungen, die zumindest an einer Stelle zwischen den
elektrischen Bauelementen oder einer Stelle zwischen den
elektrischen Bauelementen
und den Elektroden liegen, wobei die Leitungen
aus Oxidations-Reduktions-Substanzen bestehen und
Isolierstoffe, die in mindestens einer Stelle zwischen
den elektrischen Elementen, zwischen den elektrischen
Elementen und den Leitungen und zwischen den Leitungen
liegen, wobei die Isolierstoffe aus einer
Oxidations-Reduktions-Substanz bestehen, die mittels
Bestrahlung mit einem Energiestrahl entaktiviert wurde.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines
üblichen Gleichrichterelementes
mit MOS-Aufbau,
Fig. 2(A) eine typische Darstellung eines
erfindungsgemässen
Gleichrichterelementes,
Fig. 2(B) eine Darstellung der
Redoxpotentialzustände gemäss Fig.
2(A),
Fig. 3 eine typische Darstellung eines
erfindungsgemässen Schalterelementes,
Fig. 4 eine Schnittdarstellung eines
erfindungsgemässen
Gleichrichterelementes,
Fig. 5 eine typische Schnittansicht eines
erfindungsgemässen Schalterelementes,
Fig. 6(A) bis 6(E) typische Darstellungen, die
Verfahrensschritte zur Herstellung
einer elektrischen
Redox-Bauelementschaltung gemäss
einer Ausführungsform der
Erfindung angeben,
Fig. 7(A) bis 7(C) Darstellungen des typischen
Aufbaus und Herstellungsverfahrens
einer elektrischen
Redox-Bauelementschaltung, die
Leitungen und einen
Bauelementaufbau gemäss einer
weiteren Ausführungsform der
Erfindung angeben,
Fig. 8 ein Schaltbild, das der
elektrischen
Redox-Bauelementschaltung gemäss
Fig. 7 äquivalent ist,
Fig. 9(A) eine typische Ansicht einer
elektrischen Redox-Bauelementschaltung
gemäss einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung,
Fig. 9(B) ein Schaltbild, das der elektrischen
Redox-Bauelementschaltung nach
Fig. 9(A) äquivalent ist,
Fig. 10(A) eine typische Darstellung einer
elektrischen
Bauelementschaltung gemäss einer
weiteren Ausführungsform der
Erfindung, und
Fig. 10(B) ein Schaltbild, das der
elektrischen
Redox-Bauelementschaltung nach
Fig. 10(A) äquivalent ist.
Die Erfindung wird nunmehr näher erläutert. Im allgemeinen
werden Oxidations-Reduktions-Substanzen, wie
beispielsweise ein Elektronentransportprotein oder
dergleichen, durch Bestrahlung mit einem Energiestrahl
entaktiviert, so dass die Substanz ihre
Elektronentransportfunktion verliert und zu einem
Isolierstoff wird. Die vorliegende Erfindung basiert auf
dieser Erscheinung und ein Gegenstand der Erfindung liegt
darin, dass die zwischen elektrischen
Redox-Bauelementen und dergleichen liegende
Oxidations-Reduktions-Substanz durch Bestrahlung mit einem
Energiestrahl entaktiviert wird, um einen Isolierstoff
zu bilden und damit Leitungen und eine
Bauelement-Trennanordnung zu bilden.
Erfindungsgemäss kann ein Isolierstoff durch Entaktivierung
einer Oxidations-Reduktions-Substanz bereitgestellt
werden, wodurch Leitungen und eine Bauelement-Trennanordnung
mit guter Affinität für elektrische Redox-Bauelemente
erzielt werden, die eine Oxidations-Reduktions-Substanz
verwenden und auf biomolekularem Niveau liegen.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr unter
Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen erläutert.
Zunächst werden vor der Beschreibung der erfindungsgemässen
elektrischen Redox-Bauelementschaltung die vorausgehend
aufgeführten elektrischen Redox-Bauelemente beschrieben,
beispielsweise Gleichrichterelemente, Schalterelemente,
Widerstandselemente und Kondensatorelemente.
Ein erfindungsgemässes Gleichrichterelement wird gemäss
Fig. 2(A) hergestellt, indem zwei Arten von
Elektronentransport-Proteinen, die ein voneinander
unterschiedliches Redox-(Oxidations-Reduktions)-Potential
aufweisen, aufgebracht und verbunden werden, beispielsweise
indem ein Cytochrom c-Molekül (1) und ein Flavodoxinmolekül
(2) aufeinander aufgebracht und miteinander verbunden werden.
Da die Redox-Potentiale des Cytochroms c 1 und des Flavodoxins
(2) gemäss Fig. 2(B) sich voneinander unterscheiden, weist
dieses Element Gleichrichtereigenschaften auf, so dass
Elektronen mühelos vom negativen Redoxpotentialpegel zum
positiven Redoxpotentialpegel in Richtung des in der
Zeichnung voll ausgezogenen Pfeiles (die anschliessend als
"positive Richtung" bezeichnet wird) liegen können, während
Elektronen kaum in der entgegengesetzten Richtung liegen
(die durch den in der Zeichnung gestrichelt eingetragenen
Pfeil angegeben ist). Daher sind die Gleichrichtereigenschaften
des Bauelementes die gleichen wie jene einer
p-n-Flächendiode, die durch Verbinden eines
n-Leitungstyp-Halbleiters und eines p-Leitungstyp-Halbleiters
gebildet wird. In der Zeichnung bezeichnen die
Bezugszeichen (4 a, 4 b) Elektroden zur Zuführung einer
Spannung (V) an das Bauelement, falls dieses als
Gleichrichterelement verwendet wird.
Ferner wird ein erfindungsgemässes Schalterelement gemäss
Fig. 3 hergestellt, indem drei Elektronentransport-Proteine
(2 a, 1 und 2 b) zweier oder mehrerer Typen mit
unterschiedlichem Redoxpotential verwendet werden. Das
heisst, das Schalterelement wird als Transistorelement
hergestellt, das ähnliche Eigenschaften wie ein übliches
Transistorelement aufweist, das aus einem Halbleiter mit
p-n-p-Übergang besteht. In Fig. 4 bezeichnen die
Bezugszeichen (4 a, 4 b, 4 c) Elektroden.
Schliesslich wird beispielsweise ein Widerstand
erfindungsgemäss hergestellt, indem ein Paar Elektroden
eines Elektronentransportkomplexes oder einer Anzahl von
Elektronentransportkomplexen aus zwei
Elektronentransport-Proteinen bei dem vorausgehend
erwähnten Gleichrichterelement verwendet werden. Falls
eine Anzahl von Elektronentransportkomplexen im
Widerstandselement verwendet wird, sind die Komplexe in
Reihe zwischen einem Paar Elektroden angeordnet, so dass
die Elektronentransportwege parallel liegen. Ferner wird
beispielsweise ein Kondensatorelement hergestellt, indem
der vorausgehend erwähnte Elektronentransportkomplex
zwischen einem Paar Elektroden angeordnet wird, so dass
die Elektroden und Elektronentransportwege parallel liegen,
oder das Kondensatorelement wird hergestellt, indem zwischen
einem Elektrodenpaar Proteinmoleküle ohne
Elektronentransportfunktion angeordnet werden.
Der zweckmässige Aufbau des vorausgehend aufgeführten
Gleichrichterelementes ist in Fig. 4 dargestellt. In
Fig. 4 bezeichnet das Bezugszeichen (76) ein Substrat mit
Isoliereigenschaften und das Bezugszeichen (77) bezeichnet
eine Anzahl Elektroden aus Metall, wie beispielsweise
Ag, Au, Al oder dergleichen. Die Elektroden (77) liegen
parallel zueinander auf dem Substrat (76). Das
Bezugszeichen (78) bezeichnet eine erste dünne
Elektronentransport-Proteinschicht, die aus Cytochrom c
mittels eines Verfahrens, wie beispielsweise des LB
(Langmuir-Blodgett)-Verfahrens hergestellt wurde und das
Bezugszeichen (79) bezeichnet eine zweite dünne
Elektronentransport-Proteinschicht, die aus Flavodoxin
mittels eines Verfahrens, wie beispielsweise des
LB-Verfahrens, hergestellt wurde. Die zweite dünne
Elektronentransport-Proteinschicht (79) wird auf der
ersten dünnen Elektronentransport-Proteinschicht (78)
aufgebracht und mit dieser verbunden. Das Bezugszeichen
(80) bezeichnet eine Anzahl paralleler Elektroden, die
auf der zweiten dünnen Elektronentransport-Proteinschicht
(79) derart ausgebildet sind, dass die parallelen
Elektroden (80) senkrecht zu den parallelen Elektroden
(77) verlaufen.
Der zweckmässige Aufbau des vorausgehend aufgeführten
Schalterelementes ist in Fig. 5 angegeben.
In Fig. 5 bezeichnet das Bezugszeichen (86) ein Substrat
mit Isoliereigenschaften und das Bezugszeichen (87)
bezeichnet eine Anzahl Elektroden aus Metall, beispielsweise
Ag, Au, Al oder dergleichen. Die Elektroden (87) sind
parallel zueinander auf dem Substrat (86) ausgeführt.
Das Bezugszeichen (88) bezeichnet eine erste dünne
Elektronentransport-Proteinschicht, die aus Flavodoxin
mittels eines Verfahrens, wie beispielsweise des
LB-Verfahrens, hergestellt wurde. Die erste dünne
Elektronentransport-Proteinschicht (88) ist auf den
Elektroden (87) ausgebildet. Das Bezugszeichen (90)
bezeichnet eine Anzahl paralleler Elektroden, die auf der
ersten dünnen Elektronentransport-Schicht (88) so ausgebildet
sind, dass die parallelen Elektroden (90) senkrecht zu
den parallelen Elektroden (87) verlaufen. Das
Bezugszeichen (89) bezeichnet eine zweite dünne
Elektronentransport-Proteinschicht, die aus Cytochrom c
in ähnlicher Weise aufgebracht wurde, beispielsweise
mittels des LB-Verfahrens. Die zweite dünne
Elektronentransport-Proteinschicht (89) ist auf der ersten
dünnen Elektronentransport-Proteinschicht (88) aufgebracht
und mit dieser verbunden und an die Elektroden (9 C) angeschlossen.
Das Bezugszeichen (91) bezeichnet eine dritte dünne
Elektronentransport-Proteinschicht, die aus Flavodoxin
in ähnlicher Weise hergestellt wurde, beispielsweise
mittels eines LB-Verfahrens. Die dritte dünne
Elektronentransport-Proteinschicht (91) ist auf der zweiten
dünnen Elektronentransport-Proteinschicht (89) aufgebracht
und mit dieser verbunden. Das Bezugszeichen (92) bezeichnet
eine Anzahl paralleler Elektroden, die auf der dritten
dünnen Elektronentransport-Proteinschicht (91) derart
ausgebildet ist, dass die parallelen Elektroden (92)
senkrecht zu den parallelen Elektroden (90) verlaufen.
Fig. 6(E) zeigt eine elektrische Redox-Bauelementschaltung
gemäss einer Ausführungsform der Erfindung, in welcher
das Bezugszeichen (6) ein Substrat darstellt und das
Bezugszeichen (7) eine erste Leitungs-(Elektroden)-Schicht,
die auf dem Substrat (6) ausgebildet ist und aus
Proteinmolekülen (7 a, 7 b) besteht. Die Proteinmoleküle
(7 a, 7 b) sind jeweils Cytochrom c3-Moleküle und inaktives
Cytochrom c3. Die erstgenannten Moleküle (7 a) arbeiten als
leitendes Protein, das Elektronen in allen Richtungen
transportieren kann, und die letztgenannten Moleküle
(7 b) arbeiten als Isolierstoff, der durch Entaktivieren
der Leitfähigkeit von Cytochrom c3 (7a) durch Bestrahlung
mit einem Energiestrahl, beispielsweise einem
Elektronenstrahl, einem Ionenstrahl, einem Molekülstrahl,
einem Elementarteilchenstrahl, einem Röntgenstrahl, einem
Gammastrahl oder einem Ultraviolettstrahl (UV) hergestellt
wurde. Das Bezugszeichen (3) bezeichnet eine elektrische
Redox-Bauelementschicht aus Biostoffen oder
Pseudo-Biostoffen zur Erzielung von Gleichrichtereigenschaften,
Schaltereigenschaften und dergleichen. Das Bezugszeichen
(8) bezeichnet eine zweite Leitungs-(Elektroden)-Schicht,
die auf der elektrischen Redox-Bauelementschicht (3)
ausgebildet ist und aus Proteinmolekülen (8 a, 8 b) besteht.
Die Proteinmoleküle (8 a, 8 b) sind jeweils Cytochrom c3
und inaktives Cytochrom c3. Ersteres (8 a) arbeitet als
leitendes Protein und letzteres (8 b) arbeitet als
Isolierstoff, der durch Entaktivieren der Leitfähigkeit
von Cytochrom c3 (8 a) durch Bestrahlen mit einem
Energiestrahl in gleicher Weise wie vorausgehend erläutert
wurde, hergestellt ist.
Das Verfahren zur Herstellung der Schaltung dieser
Ausführungsform wird anschliessend unter Bezugnahme auf
die Fig. 6(A) bis 6(E) beschrieben.
Zunächst wird eine dünne Schicht aus Cytochrom c3 (7 a)
auf dem Substrat (6) hergestellt, um dadurch eine erste
Leitungsschicht (7) (Fig. 6(A)) zu bilden. Anschliessend
erfolgt zur Erzielung eines erforderlichen Musters des
Cytochroms c3 (7 a) eine teilweise Bestrahlung durch einen
Energiestrahl, beispielsweise einen Elektronenstrahl,
einen Ionenstrahl, einen Röntgenstrahl, einen UV-Strahl
oder dergleichen, so dass die Leitfähigkeit des
Cytochroms c3 (7 a) teilweise verloren geht und ein
entaktiviertes Cytochrom c3 (7 b) (Fig. 6(B)) hergestellt
wird. Sodann wird eine elektrische Redox-
Bauelementschicht (3) auf der ersten Leitungsschicht (7)
(Fig. 6(C)) hergestellt und anschliessend wird eine zweite
Leitungsschicht (8) aus Cytochrom c3 (8 a) darauf ausgebildet
(Fig. 6(D)). Schliesslich wird in der zweiten
Leitungsschicht (8) das gleiche Leitungsmuster wie in der
ersten Leitungsschicht (7) mittels Bestrahlung durch
einen Energiestrahl hergestellt, beispielsweise durch
einen Ionenstrahl oder dergleichen, auf gleiche Weise wie
sie vorausgehend für die erste Leitungsschicht (7)
(Fig. 6(E)) beschrieben wurde.
In der elektrischen Redox-Bauelementschaltung der
vorausgehenden Anordnung bestehen die Leitungen (oder
Elektroden) aus dem gleichen Proteinwerkstoff, der für die
elektrische Redox-Bauelementschicht verwendet wurde, so
dass die Bauelemente eine gute Affinität zueinander haben.
Ferner haben die Bauelemente eine superfeine Grösse auf
molekularem Niveau, so dass eine bioelektrische
Bauelementschaltung mit hoher Dichte und hoher
Arbeitsgeschwindigkeit erhalten wird.
Obgleich die vorausgehend aufgeführte Ausführungsform den
Fall betrifft, bei welchem Cytochrom c3 als ein Protein
zur Herstellung der Leitungsschichten verwendet wird,
können andere Proteine oder andere Pseudo-Biowerkstoffe
verwendet werden, soweit sie für den Elektronentransport
in allen Richtungen geeignet sind und eine Leitfähigkeit
haben, die künstlich beseitigt werden kann.
Fig. 7(C) zeigt eine elektrische Redox-Bauelementschaltung
mit Leitungen und einer Trennanordnung gemäss einer
weiteren Ausführungsform der Erfindung. In der Zeichnung
bezeichnet jedes der Bezugszeichen (5 a, 5 b) ein
Transistorelement, das beispielsweise aus einer Einheit
Cytochrom c1 und zwei Einheiten Flavodoxin (2) besteht,
wobei die Bezugszeichen (21 a-21 c) Elektrodenanschlüsse
(Leitungen) des Transistorelementes (5 a) bezeichnen, die
aus Cytochrom c3 bestehen, die Bezugszeichen (22 a-22 c) be
zeichnen Elektrodenanschlüsse (Leitungen) des
Transistorelementes (5 b), die aus Cytochrom c3 bestehen,
und das Bezugszeichen (23) bezeichnet einen Isolierstoff,
der durch Entaktivieren von Cytochrom c3 hergestellt
ist. Das Bezugszeichen (24) bezeichnet eine Leitung aus
Cytochrom c3, die die Elektrodenanschlüsse (21 a, 22 a)
miteinander verbindet. Die Bezugszeichen (24, 25)
bezeichnen Elektroden aus Metall, beispielsweise Au, Pt,
Al oder dergleichen. Die Elektrode (24) ist mit dem
Transistorelektrodenanschluss (21 b) verbunden und die
Elektrode (25) ist mit dem Transistorelektrodenanschluss
(22 b) verbunden. Sowohl Cytochrom c und Flavodoxinmoleküle,
aus denen die Transistorelemente (5 a, 5 b) aufgebaut sind,
sind Elektronentransport-Proteine mit
Elektronentransportfunktionen zur Leitung der Elektronen in
vorgegebener Richtung und beide Moleküle sind derart
aufeinander aufgebracht und miteinander verbunden, dass
sie in einer spezifischen Anordnung orientiert liegen.
Der Betrieb und die Wirkungsweise dieser Ausführungsform
wird anschliessend unter Bezugnahme auf das
Herstellungsverfahren erläutert. Fig. 7(A) bis 7(C) sind
perspektivische Darstellungen, die den Herstellungsprozess
der elektrischen Redox-Bauelementschaltung zeigen, die
Leitungen und eine Trennelementanordnung entsprechend
der vorausgehenden Ausführungsform verwenden, bei welcher
zwei Transistoren (5 a, 5 b) durch den Isolierstoff getrennt
werden, der durch Entaktivieren von leitendem Protein
entsteht, um dadurch die Leitungen zu erhalten.
Beispielsweise werden die beiden Transistorelemente (5 a,
5 b) gemäss Fig. 7(A) aus Cytochrom c und
Flavodoxin hergestellt. Cytochrom c3 (26) ist derart angeordnet,
dass es die Transistorelemente (5 a, 5 b)gibt. Zu diesem
Zeitpunkt hat das Cytochrom c3 eine
Elektronentransportfunktion, um die Elektronen in alle
Richtungen zu leiten. Anschliessend wird die dünne
Proteinschicht mittels eines Röntgenstrahls durch eine
Maske (27) bestrahlt, die ein vorgegebenes
Strahl-Abschirmmuster aufweist, so dass die Transistorelemente
(5 a, 5 b) und deren Elektrodenanschlüsse nicht durch den
Röntgenstrahl erreicht werden. Der vom Röntgenstrahl
erreichte Teil des Cytochroms c3 wird entaktiviert und verliert
dadurch seine Leitfähigkeit. Obgleich die Bestrahlung
mittels eines Röntgenstrahls über eine Maske beschrieben
wurde, kann eine derartige Bestrahlung mittels eines
Röntgenstrahls unmittelbar durch Abtastung ohne Maskierung
des Cytochroms c3 erfolgen, um das Cytochrom c3 entsprechend
einem geforderten Muster zu entaktivieren.
Infolgedessen sind gemäss Fig. 7(C) die beiden
Transistorelemente (5 a, 5 b) durch Cytochrom c3 (23)
isoliert, das somit zu einem Isolierstoff entaktiviert
wurde, und die Klemmen (21 a-21 c, 22 a-22 c) der
Transistorelemente (5 a, 5 c) sind nicht kurzgeschlossen,
sondern voneinander isoliert. Fig. 8 ist ein Schaltbild
einer Schaltung, die jener der Fig. 7(C) äquivalent ist.
Die Verwendung von Leitungen und einer
Bauelement-Trennanordnung gemäss dieser Ausführungsform
macht es möglich, dass das im elektrischen
Redox-Bauelement verwendete leitende Protein, die
Anschlüsse desselben und dergleichen an beliebiger
Stelle angeordnet sind, womit eine elektrische
Redox-Bauelementschaltung mit überaus hoher Dichte erhalten
wird. Ferner besteht der als Trennbereich dienende
Isolierstoff aus der gleichen Oxidations-Reduktions-Substanz,
die für andere benachbarte Bauelemente verwendet wird,
so dass der Isolierstoff eine gute Affinität zu den anderen
Bauelementen aufweist.
Obgleich die vorausgehend aufgeführte Ausführungsform für
den Fall dargestellt wurde, in welchem Cytochrom c3 als
das Protein verwendet wird, das zur Herstellung eines
Isolierstoffes entaktiviert werden kann, können andere
Arten eines Naturproteins, beispielsweise
Häme-Eisen-Schwefel-Proteine, Cytochrom b-Protein,
Cytochrom a, Flavodoxin, Plastocyanin, Thioredoxin
und dergleichen verwendet werden. Ferner können andere
Substanzen verwendet werden, die durch Beibehaltung
der aktiven Zentralstruktur der natürlich vorkommenden
Elektronentransport-Proteine und durch Modifizierung
der übrigen Struktur derselben erhalten wurden. Anders
ausgedrückt, Pseudo-Elektronentransport-Proteine können
verwendet werden, die durch Modifizierung oder
Denaturierung der Struktur der Aminosäure der natürlich
auftretenden Elektronentransport-Proteine erhalten wurden,
indem die Funktionsgruppe, wie beispielsweise eine
Methylgruppe, mit einer anderen Funktionsgruppe oder
in anderer Weise ersetzt wurde. Ferner können andere
Pseudo-Elektronentransport-Proteine, die aus einem
niedrigmolekularen Oxidations-Reduktions-Substrat und
einer organischen hochmolekularen Kette bestehen, verwendet
werden, beispielsweise Pseudo-Elektronentransport-Proteine,
die aus Flavinmononukleotid und Polyglutaminsäure bestehen,
sowie Pseudo-Elektronentransport-Proteine, die aus
Porphyrin und Polystyrol bestehen. Ferner können andere
Substanzen verwendet werden, die aus einer Kombination
eines niedrigmolekularen Oxidations-Reduktions-Substrates
mit einem niedrigmolekularen organischen Stoff ohne
Oxidations-Reduktions-Funktion hergestellt sind,
beispielsweise Substanzen, die aus einer Kombination von
Flavinmononukleotid und Cyclodextran hergestellt sind,
sowie Substanzen, die aus einer Kombination aus Porphyrin
und Stearinsäure hergestellt sind. Ferner können organische
Moleküle oder synthetisch hergestellte
Organometallkomplexmoleküle verwendet werden, um die
Funktionen der natürlich vorkommenden
Elektronentransport-Proteine zu imitieren, beispielsweise
der Polymere, der Substanzen mit n-Elektronen und der
Substanzen, die durch chemische Bindung von Substanzen
hergestellt worden sind, die einer Oxidation und
Reduktion unterliegen.
Fig. 9(A) zeigt eine elektrische Redox-Bauelementschaltung
gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die
gleichen Bezugszeichen in jeder der Fig. 9(A) und 7(C)
beziehen sich auf die gleichen Bauteile. Bei dieser
Ausführungsform liegen acht Anschlüsse (D 4-D 11) der vier
Gleichrichterelemente (3) über Leitungen in einer Ebene
(der in der Zeichnung dargestellten Oberseite). Fig. 9(B)
zeigt eine Schaltung, die jener der Fig. 9(A) äquivalent
ist.
Ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung
der Schaltung wird anschliessend beschrieben.
Zuerst wird eine monomolekulare Schicht aus Cytochrom c3
als erste Schicht hergestellt und anschliessend mittels
eines Energiestrahls bestrahlt, so dass das Cytochrom c3
zum Inaktiven Cytochrom c3 (23) umgewandelt wird.
Anschliessend wird eine monomolekulare Schicht aus
Cytochrom c3 auf der ersten Schicht zur Erzielung einer
zweiten Schicht gebildet und anschliessend wird das
Cytochrom c3 der zweiten Schicht entaktiviert, mit Ausnahme
der Stellen, wo Leitungen liegen sollen. Sodann wird auf
der zweiten Schicht eine dritte Schicht ausgebildet, und
anschliessend wird das Cytochrom c3 der dritten Schicht
entaktiviert, mit Ausnahme der Stellen, wo Leitungen liegen
sollen. Schliesslich wird das inaktive Cytochrom c3 an den
Stellen mittels Energiestrahlbehandlung entfernt, wo
Cytochrom c liegen soll, um elektrische Bauelemente
zu bilden, und anschliessend werden diese Stellen mit
Cytochrom c (1) aufgefüllt. Eine vierte Schicht und eine
fünfte Schicht werden in der gleichen Weise, wie vorausgehend
beschrieben, hergestellt, womit eine Schaltung gemäss
dieser Ausführungsform erhalten wird.
Entsprechend der elektrischen Redox-Bauelementschaltung
mit dem vorausgehend aufgeführten Aufbau können die
positiven und negativen Elektrodenanschlüsse der
Gleichrichterelemente innerhalb der integrierten Schaltung
nach aussen zu den erforderlichen Stellen geführt werden,
beispielsweise Stellen an der in der Zeichnung dargestellten
Oberseite, mit Hilfe von Leitungen des Elektronentransport-
Proteins, das sich zum Transport von Elektronen in allen
Richtungen eignet, während die Leitungen durch isolierendes
Protein isoliert werden. Entsprechend kann eine Schaltung
erhalten werden, in der ein beliebiges Muster hergestellt
und anschliessend die Elektroden und dergleichen mühelos
gebildet werden. Alle Bauelemente dieser Schaltung, d.h.
Gleichrichterelemente, Leitungen und Isolierstoffe,
bestehen aus Protein, so dass eine gute Affinität der
Bauelemente miteinander erwartet wird. Ferner sind die
Bauelemente in überfeiner Grösse auf molekularem Niveau
ausgeführt, so dass eine Schaltung von überaus hoher
Dichte und sehr hoher Geschwindigkeit erhalten wird.
Fig. 10(A) zeigt eine elektrische
Redox-Bauelementschaltung gemäss einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung. Die gleichen Bezugszeichen
dieser und anderer Zeichnungen beziehen sich auf den
gleichen oder ähnlichen Bauteil. In der Zeichnung stellen
(T 12-T 17) Anschlüsse dar und (C, D, E, F) sind
Elektronentransport-Proteinmoleküle mit voneinander
verschiedenem Redoxpotentail und haben
Elektronentransportfunktionen, um die Elektronen in
vorgegebene Richtungen zu leiten. Dabei kann das
Redoxpotentialverhältnis von (C, D, E) als monotoner
Anstieg entsprechend C < D < E ausgedrückt werden. Anders
herum gesehen lässt sich das Verhältnis als monotoner
Abfall ausdrücken. Die Fig. 10(B) zeigt eine Schaltung,
die jener der Fig. 10(A) äquivalent ist.
Bei dieser Ausführungsform unterscheiden sich die
Elektronentransport-Proteine (C, D, E, F) bezüglich des
Redoxpotentials voneinander und sind jeweils sowohl mit
Flavodoxin (2) und mit Cytochrom c (1) verbunden, die
jeweils den Drain-Elektroden und Gate-Elektroden der
Schalterelemente (5 a, 5 b) entsprechen, mittels Cytochrom c3,
das eine Elektronentransportfunktion zur Leitung der
Elektronen in allen Richtungen aufweist, wodurch jeweilige
Leitungen für die Drain-Elektroden und Gate-Elektroden
gebildet werden, damit die jeweiligen Anschlüsse derselben
in einer Ebene erhalten werden. In der auf diese Weise
gebildeten Schaltung sind das Elektronentransport-Protein (F)
und die Leitungen zur Verbindung der Proteine (C, D, E)
miteinander in einer spezifischen Anordnung angeordnet,
so dass ein Strom entsprechend dem Redoxpotentialunterschied
nur in einer Richtung fliessen kann. Entsprechend können
die Leitungen von benachbarten Schalterelementen und
dergleichen isoliert werden. Auf diese Weise kann eine
stärker miniaturisierte Schaltung erhalten werden, in
welcher ein Isolierstoff eingespart wird.
Wie vorausgehend beschrieben wurde, umfasst die erfindungsgemässe,
eine Oxidations-Reduktions-Substanz verwendende
elektrische Redox-Bauelementschaltung Isolierstoffe, die
aus einer Oxidations-Reduktions-Substanz gebildet werden,
die durch eine Energiestrahlbeaufschlagung entaktiviert
wird und die an mindestens einer Stelle zwischen den
elektrischen Redox-Bauelementen, zwischen elektrischen
Redox-Bauelementen und Leitungen und zwischen Leitungen
liegen. Daher konnen Leitungen und eine Bauelement-
Trennanordnung auf molekularem Niveau erhalten werden,
unter Aufrechterhaltung der Affinität zu den elektrischen
Redox-Bauelementen. Infolgedessen bewirkt die Erfindung,
dass eine integrierte Schaltung mit überaus hoher Dichte
hergestellt werden kann.
Claims (16)
1. Elektrische Redox-Bauelementschaltung,
gekennzeichnet durch: eine Anzahl
elektrischer Redox-Bauelemente (88, 89, 91; Fig. 5),
die durch Verwendung einer Oxidations-Reduktions-Substanz
gebildet werden, eine Anzahl mit diesen elektrischen
Bauelementen verbundenen Elektroden (87, 90, 92;
Fig. 5), Leitungen, die zumindest an einer Stelle
zwischen den elektrischen Bauelementen oder einer
Stelle zwischen den elektrischen Bauelementen und den
Elektroden liegen, wobei die Leitungen aus
Oxidations-Reduktions-Substanzen bestehen und
Isolierstoffe, die in mindestens einer Stelle zwischen
den elektrischen Elementen, zwischen den elektrischen
Elementen und den Leitungen und zwischen den Leitungen
liegen, wobei die Isolierstoffe aus einer
Oxidations-Reduktions-Substanz bestehen, die mittels
Bestrahlung mit einem Energiestrahl entaktiviert wurde.
2. Elektrische Redox-Bauelementschaltung nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, dass der
Energiestrahl ein Elektronenstrahl, ein Ionenstrahl,
ein Elementarteilchenstrahl, ein Molekularstrahl,
ein Gammastrahl, ein Röntgenstrahl oder ein
Ultraviolettstrahl ist.
3. Elektrische Redox-Bauelementschaltung nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Oxidations-Reduktions-Substanz ein
Elektronentransport-Protein ist.
4. Elektrische Redox-Bauelementschaltung nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Oxidations-Reduktions-Substanz ein
Pseudo-Elektronentransport-Protein ist.
5. Elektrische Redox-Bauelementschaltung nach Anspruch
4, dadurch gekennzeichnet, dass das
Pseudo-Elektronentransport-Protein sich aus einem
niedrigmolekularen Oxidations-Reduktions-Substrat
und einer organischen, hochmolekularen Kette zusammensetzt.
6. Elektrische Redox-Bauelementschaltung nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Oxidations-Reduktions-Substanz durch Bindung eines
niedrigmolekularen Oxidations-Reduktions-Substrates
an einem niedrigmolekularen organischen Stoff ohne
Oxidations-Reduktions-Funktion hergestellt wird.
7. Elektrische Redox-Bauelementschaltung nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Anzahl der elektrischen Redox-Bauelemente einen
Elektronentransport-Baustoff umfasst, der Elektronen
in vorgegebener Richtung transportieren kann.
8. Elektrische Redox-Bauelementschaltung nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, dass die
aus der Oxidations-Reduktions-Substanz bestehenden
Leitungen hergestellt werden, indem ein
Elektronentransport-Protein, das sich zum Transport
von Elektronen eignet, in einer vorgegebenen Richtung
derart angeordnet ist, dass das Redoxpotential des
Elektronentransport-Proteins sich monoton erhöht oder
erniedrigt.
9. Elektrische Redox-Bauelementschaltung nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, dass die
aus Oxidations-Reduktions-Substanz bestehenden
Leitungen hergestellt werden, indem ein
Elektronentransport-Protein verwendet wird, das
Elektronen in allen Richtungen transportieren kann.
10. Elektrische Redox-Bauelementschaltung nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, dass der
aus Oxidations-Reduktions-Substanz bestehende
Isolierstoff gebildet wird, indem ein
Elektronentransport-Protein, das Elektronen in allen
Richtungen transportieren kann, entaktiviert ist.
11. Elektrische Redox-Bauelementschaltung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass das
Elektronentransport-Protein Cytochrom c3 umfasst.
12. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen
Redox-Bauelementschaltung, gekennzeichnet
durch folgende Schritte:
Herstellung einer ersten Leitungsschicht auf einem Substrat, die eine erste dünne, leitende Proteinschicht umfasst, die sich zum Transport von Elektronen in allen Richtungen eignet,
Beaufschlagung eines ersten Teils der ersten Leitungsschicht mit einem Energiestrahl und Entaktivierung der Leitfähigkeit des ersten Teils der ersten Leitungsschicht, um dadurch einen ersten Isolierteil in der ersten Leitungsschicht zu bilden,
Herstellung einer elektrischen Redox-Bauelementschicht, die eine Oxidations-Reduktions-Substanz umfasst, auf der ersten Leitungsschicht,
Herstellung einer zweiten Leitungsschicht, die eine zweite dünne, leitende Proteinschicht umfasst, die sich zum Transport von Elektronen in allen Richtungen eignet, auf der Redox-Bauelementschicht, und
Beaufschlagung eines zweiten Teils der zweiten Leitungsschicht mit einem Energiestrahl und Entaktivierung der Leitfähigkeit des zweiten Teils der zweiten Leitungsschicht, um dadurch einen zweiten Isolierteil in der zweiten Leitungsschicht zu bilden.
Herstellung einer ersten Leitungsschicht auf einem Substrat, die eine erste dünne, leitende Proteinschicht umfasst, die sich zum Transport von Elektronen in allen Richtungen eignet,
Beaufschlagung eines ersten Teils der ersten Leitungsschicht mit einem Energiestrahl und Entaktivierung der Leitfähigkeit des ersten Teils der ersten Leitungsschicht, um dadurch einen ersten Isolierteil in der ersten Leitungsschicht zu bilden,
Herstellung einer elektrischen Redox-Bauelementschicht, die eine Oxidations-Reduktions-Substanz umfasst, auf der ersten Leitungsschicht,
Herstellung einer zweiten Leitungsschicht, die eine zweite dünne, leitende Proteinschicht umfasst, die sich zum Transport von Elektronen in allen Richtungen eignet, auf der Redox-Bauelementschicht, und
Beaufschlagung eines zweiten Teils der zweiten Leitungsschicht mit einem Energiestrahl und Entaktivierung der Leitfähigkeit des zweiten Teils der zweiten Leitungsschicht, um dadurch einen zweiten Isolierteil in der zweiten Leitungsschicht zu bilden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, dass die
Oxidations-Reduktions-Substanz einen
Elektronentransport-Baustoff umfasst, der sich zum
Transport von Elektronen in einer vorgegebenen Richtung
eignet.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch
gekennzeichnet, dass der
Elektronentransport-Baustoff ein
Elektronentransport-Protein oder ein
Pseudo-Elektronentransport-Protein umfasst.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch
gekennzeichnet, dass das
Pseudo-Elektronentransport-Protein im wesentlichen aus
einem niedrigmolekularen Oxidations-Reduktions-Substrat
und einer organischen, hochmolekularen Kette besteht.
16. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, dass das erste und zweite
leitende Protein aus einem Bestandteil einer Gruppe
ausgewählt ist, die Cytochrom c3, Häme-Eisen-Schwefel-Protein,
Cytochrom b, Cytochrom a, Flavodoxin, Plastocyanin
und Thioredoxin umfasst.
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