[論文レビュー] Solid state molecular rectifier based on self organized metalloproteins

R. Rinaldi, Adriana Biasco+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2002

Molecular Junctions and Nanostructures参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、自己集合するメタロプロテイン、特に青銅タンパク質アズールイン（Az）を用いた固体状態分子整流子を、電子線リソグラフィーを用いてナノスケール電極の間に統合することで実現した。このデバイスは、タンパク質の内在する酸化還元特性、表面電荷分布、自己集合能のおかげで、室温で効率的な整流動作を示し、バイオ分子を用いたナノエレクトロニクスデバイスへの重要な一歩を示している。

ABSTRACT

Recently, great attention has been paid to the possibility of implementing hybrid electronic devices exploiting the self-assembling properties of single molecules. Impressive progress has been done in this field by using organic molecules and macromolecules. However, the use of biomolecules is of great interest because of their larger size (few nanometers) and of their intrinsic functional properties. Here, we show that electron-transfer proteins, such as the blue copper protein azurin (Az), can be used to fabricate biomolecular electronic devices exploiting their intrinsic redox properties, self assembly capability and surface charge distribution. The device implementation follows a bottom-up approach in which the self assembled protein layer interconnects nanoscale electrodes fabricated by electron beam lithography, and leads to efficient rectifying behavior at room temperature.

研究の動機と目的

• 内在的な電子機能を有する生物学的分子を用いた分子整流子の開発を目的とする。
• アズールインのようなメタロプロテインの自己集合性および酸化還元特性を活用し、ボトムアップ的手法によるナノスケールエレクトロニクスデバイスの作製を目的とする。
• 室温で効率的な整流動作を示す固体状態デバイス構成を実現することを目的とする。
• バイオ分子をハイブリッドエレクトロニクスシステムの機能的コンponentsとして用いる可能性を実証することを目的とする。

提案手法

• 酸化還元特性と表面電荷分布が明確に定義されたため、青銅タンパク質アズールイン（Az）を活性分子成分として用いる。
• 基板上にアズールイン分子を自己集合させることで単層膜を形成するボトムアップ的プロセスを採用する。
• ナノスケール電極を電子線リソグラフィーで形成し、分子ジャンクションを構築する。
• 自己集合したタンパク質膜を電極間に統合し、機能的な整流デバイスを形成する。
• 電流-電圧（I-V）特性を測定し、整流動作の確認を目的とした電気的特性評価を実施する。
• 分子レベルの制御を確保し、界面欠険を最小限に抑えるためにボトムアップ的手法を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アズールインのようなメタロプロテインは、固体状態デバイスにおいて効果的な分子整流子として機能可能か？
• RQ2 電極上でのアズールインの自己集合が、室温におけるデバイスの整流効率にどのように影響するか？
• RQ3 アズールインの内在する酸化還元特性および表面電荷分布が整流に寄与する程度はどの程度か？
• RQ4 ボトムアップ的プロセスによって、再現性があり安定したバイオ分子を用いた分子エレクトロニクスデバイスを実現可能か？

主な発見

• デバイスは室温で効率的な整流動作を示し、冷却装置を必要としない実用的な動作を実証した。
• 自己集合アズールイン膜はナノスケール電極を効果的に接続し、安定した分子ジャンクションの形成を可能にした。
• 整流はタンパク質の酸化還元活性、表面電荷の非対称性、制御された自己集合の組み合わせによって生じた。
• ボトムアップ的プロセスにより、再現性のある電気的特性を示す機能的なエレクトロニクスデバイスへのバイオ分子統合に成功した。
• 大気中条件下でも測定可能な整流が確認され、バイオ分子がナノエレクトロニクスに実用可能であることが裏付けられた。