磁性及び抵抗スイッチング機能を同時付与した酸化物薄膜の創成

• Project/Area Number: 15J06927
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Physical properties of metals/Metal-base materials
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology (2016-2017); Tohoku University (2015)
• Principal Investigator: 杉山 一生 東京工業大学, 物質理工学院, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2015-04-24 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2017: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2016: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2015: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: メモリ / リチウム / 半導体デバイス / Liイオン電池 / Liイオン / 電気化学 / 薄膜

Outline of Annual Research Achievements

スマートフォンやタブレットなどの小型電子デバイスの普及、家電の電子制御・常時ネットワーク接続化、自動車の自動運転化・コネクティッド化など多様なモノの電子化に伴って、様々な応用用途に合わせた半導体の開発が求められている。中でも、情報を(一時)記憶するメモリ素子は省電力化・高速化・微細化を同時に求められている。従来型メモリの改良では性能に限界があることから、全く新しい原理のメモリが必要となる。このような背景から、本研究では従来型メモリと同等の性能を保ちつつ、微細化と省電力化については従来型メモリを上回る、新原理メモリの開発を進めてきた。
本研究では当初、酸化物材料中のイオン移動を活用して多値メモリを開発することを目標としていたが、室温での動作に難があるため初年度に方針を転換した。新しい方針では、全個体Liイオン電池の原理と構成を活用しつつ、電池の充電容量を極端に小さくすることで、少ない消費エネルギーで電圧値を記録することができるメモリの開発を目指してきた。初年度に新方針のもとで動作を確認し、2年目にはその動作原理を解明した。最終年度にあたる本年度は、実用化に向けて微細化の実現可能性を検証した。
電子線リソグラフィーにより、50μmの線幅で電極を作製し、その上に直径0.5 mmの円形電解質と電極を成膜することで、実際の動作面積としては12500平方μmの微細なデバイスを作製した。このメモリデバイスについて動作検証を行ったところ、メモリとして動作することが判明した。以上より、本研究において開発してきた新原理メモリは、リソグラフィー等の既存技術により微細化が可能であることを示すことができた。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] A Nonvolatile Memory Device with Very Low Power Consumption Based on the Switching of a Standard Electrode Potential (2017)
  • Author(s): Issei Sugiyama, Ryota Shimizu, Tohru Suzuki, Kuniko Yamamoto, Hideyuki Kawasoko, Susumu Shiraki, and Taro Hitosugi
  • Journal Title: APL Materials Volume: 5 Issue: 4 Pages: 046105-046105
  • DOI: 10.1063/1.4980031
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Relative Li-ion mobility mapping in Li 0.33 La 0.56 TiO 3 polycrystalline by electron backscatter diffraction and electrochemical strain microscopy (2017)
  • Author(s): Shun Sasano, Ryo Ishikawa, Issei Sugiyama, Takuma Higashi, Teiichi Kimura, Yumi H. Ikuhara, Naoya Shibata, Yuichi Ikuhara
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 10 Issue: 6 Pages: 61102-61102
  • DOI: 10.7567/apex.10.061102
  • NAID: 210000135867
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Room-temperature dilute ferromagnetic dislocations in Sr1-xMnxTiO3-delta (2017)
  • Author(s): Ishikawa Ryo, Shimbo YOichi, Sugiyama Issei, Lugg Nathan R., Shibata Naoya, Ikuhara Yuichi
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 96 Issue: 2 Pages: 024440-024440
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.024440
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fabrication of atomically abrupt interfaces of single-phase TiH2 and Al2O3 (2017)
  • Author(s): Ryota Shimizu, Yuki Sasahara, Hiroyuki Oguchi, Kuniko Yamamoto, Issei Sugiyama, Susumu Shiraki, Shin-ichi Orimo, and Taro Hitosugi
  • Journal Title: APL Materials Volume: ５ Issue: 8 Pages: 086102-086102
  • DOI: 10.1063/1.4996984
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Self-assembly of very-low height/width aspect-ratio Li3Ni2NbO6 disks embedded in Li3NbO4 epitaxial films. (2017)
  • Author(s): H. Kawasoko, R. Shimizu, Y. Takagi, K. Yamamoto, I. Sugiyama, S. Shiraki, T. Hitosugi
  • Journal Title: Thin Solid Films Volume: 621 Pages: 202-206
  • DOI: 10.1016/j.tsf.2016.12.006
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Atomic structures and oxygen dynamics of CeO2 grain boundaries (2016)
  • Author(s): B. Feng, I. Sugiyama, H. Hojo, H. Ohta, N. Shibata, and Y. Ikuhara
  • Journal Title: Sci. Rep. Volume: 6 Issue: 1 Pages: 20288-20288
  • DOI: 10.1038/srep20288
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Carbon content dependence of grain growth mode in VC-doped WC-Co hardmetals (2015)
  • Author(s): I. Sugiyama, Y. Mizumukai, T. Taniuchi, K. Okada, F. Shirase, T. Tanase, Y. Ikuhara, T. Yamamoto
  • Journal Title: INTERNATIONAL JOURNAL OF REFRACTORY METALS & HARD MATERIALS Volume: 52 Pages: 245-251
  • DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2015.07.002
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 中性子反射率法を用いたLiCoO2正極/固体電解質界面におけるLi分布の解析 (2017)
  • Author(s): 小林成、杉山一生、清水亮太、花島隆泰、宮田登、武田全康、一杉太郎
  • Organizer: 電気化学会第84回大会
  • Place of Presentation: 首都大学東京南大沢キャンパス(東京都)
  • Year and Date: 2017-03-25
• [Presentation] In-situ non-destructive measurements of Li distribution in a buried interface between an electrode and a solid electrolyte (2017)
  • Author(s): Issei Sugiyama, Masahiro Saitoh, Noboru Miyata, Takayasu Hanashima, Kazuhiro Akutsu, Yuji Otsuka, Masayasu Takeda, Ryota Shimizu, Taro Hitosugi
  • Organizer: Solid State Ionics 21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 粒界性格に依存したSrTiO3中 電場誘起イオンダイナミクス (2017)
  • Author(s): 杉山一生、柴田直哉、幾原雄一
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] A space-charge layer with a thickness of ~ 10 micrometers in solid electrolytes (2016)
  • Author(s): I. Sugiyama, M. Saito, Y. Aoki, Y. Otsuka, R. Shimizu, T. Hitosugi
  • Organizer: MRS Fall Meeting 2016
  • Place of Presentation: Hynes Convention Center (Boston, USA)
  • Year and Date: 2016-11-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Determination of space-charge-layer width in Li-ion solid electrolyte under the application of voltages (2016)
  • Author(s): I. Sugiyama, M. Saito, Y. Aoki, Y. Otsuka, R. Shimizu, T. Hitosugi
  • Organizer: PRiME2016
  • Place of Presentation: Hawaii Convention Center (Honolulu, USA)
  • Year and Date: 2016-10-02
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 中性子反射率及び核反応分析法による固体電解質中Li濃度分布の決定 (2016)
  • Author(s): 杉山一生、齋藤正裕、宮田登、花島隆康、阿久津和宏、青木靖仁、大塚裕二、武田全康、清水亮太、一杉太郎
  • Organizer: 第77回応用物理学会周期学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ(新潟県新潟市)
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] 固体電解質中Liイオン濃度分布の電圧印加下その場測定 (2016)
  • Author(s): 杉山一生、齋藤正裕、青木靖仁、大塚祐二、清水亮太、一杉太郎
  • Organizer: 電気化学会第83回大会
  • Place of Presentation: 大阪大学吹田キャンパス(大阪府)
  • Year and Date: 2016-03-29
• [Presentation] 固体電解質中のLiイオン濃度分布:電圧印加下その場観察 (2016)
  • Author(s): 杉山一生、齋藤正裕、青木靖仁、大塚祐二、清水亮太、一杉太郎
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学大岡山キャンパス(東京都)
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] Quantitative determination of oxygen nonstoichiometry in individual CeO2 grain boundaries (2015)
  • Author(s): フウビン、杉山一生、柴田直哉、太田裕道、幾原雄一
  • Organizer: 日本金属学会2015年秋季講演大会
  • Place of Presentation: 九州大学伊都キャンパス(福岡県)
  • Year and Date: 2015-09-16
• [Presentation] Liイオンダイナミクスを利用した新規電圧記憶型メモリの開発 (2015)
  • Author(s): 杉山一生、鈴木竜、清水亮太、白木将、一杉太郎
  • Organizer: 2015年応用物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場(愛知県)
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] 新概念不揮発メモリ:固体酸化物Liイオン電解質を用いた電圧記憶素子 (2015)
  • Author(s): 杉山一生、鈴木竜、清水亮太、白木将、一杉太郎
  • Organizer: 2015年応用物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場(愛知県)
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] Liイオン電池構造を利用した電圧記憶型不揮発メモリーデバイスの開発 (2015)
  • Author(s): 杉山一生、鈴木竜、清水亮太、白木将、一杉太郎
  • Organizer: 2015年 電気化学秋季大会
  • Place of Presentation: 埼玉工業大学(埼玉県)
  • Year and Date: 2015-09-11
• [Presentation] SrTiO3粒界周辺の超高分解能観察と酸素空孔分布測定 (2015)
  • Author(s): 杉山一生
  • Organizer: 新学術領域ナノ構造情報のフロンティア開拓 平成27年度若手の会
  • Place of Presentation: 千歳グランテラス(北海道)
  • Year and Date: 2015-07-27
• [Book] 固体電解質中Li濃度分布の電圧印加下その場測定(「全固体電池のイオン伝導性向上技術と材料、製造プロセスの開発」の一節) (2017)
  • Author(s): 杉山一生、齋藤正裕、一杉太郎
  • Total Pages: 464
  • Publisher: 株式会社技術情報協会
• [Remarks] 研究室の個人HP
  • URL: http://www.apc.titech.ac.jp/~thitosugi/members_sugiyama.html
• [Remarks] 個人のHP
  • URL: http://www.apc.titech.ac.jp/~thitosugi/sugiyama/index.html
• [Remarks] 研究室個人ホームページ
  • URL: http://www.wpi-aimr.tohoku.ac.jp/hitosugi_labo/members_sugiyama.html
• [Remarks] 個人ホームページ
  • URL: http://www.wpi-aimr.tohoku.ac.jp/hitosugi_labo/sugiyama/index.html