Development of physical property tuning devices based on solid state ionics and investigation of the interface functions

• Project Area: Science on Interfacial Ion Dynamics for Solid State Ionics Devices
• Project/Area Number: 22H04625
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 土屋 敬志 国立研究開発法人物質・材料研究機構, ナノアーキテクトニクス材料研究センター, 主幹研究員 (70756387)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2023: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2022: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: 空間電荷層 / 電気二重層 / 物理リザバーコンピューティング / 固体イオニクス / ナノイオニクス / 酸化還元反応 / 磁気異方性 / ニューロモルフィック

Outline of Research at the Start

全固体蓄電デバイスでは電極/固体電解質界面におけるイオン濃度変調に伴う電気二重層(あるいは空間電荷層)の形成による高界面抵抗が疑われているが，液体電解質より圧倒的に堅牢な骨格を有する固体電解質界面における液体同様の電気二重層効果の有無や多寡は不明である．そこで本研究では，固固界面制御による高密度電荷キャリア蓄積能・高速イオン輸送能発現と，それを利用する新規物性制御デバイスの創製を行う．

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は，電子材料/固体電解質界面近傍における電気二重層効果と酸化還元反応，及びそれらの共存・相互作用の結果として生じる電荷キャリア(イオン・電子)蓄積現象を詳細に調査し，飛躍的に高い密度の電荷キャリア蓄積能・高速イオン輸送能を固固界面で発現させること，それを利用し磁気特性を劇的に変調し人工知能機能を発現する新デバイスを創製することである．今年度は強磁性Fe3O4薄膜へのリチウムイオン挿入に基づく酸化還元反応によりFe3O4薄膜中の電子キャリア密度を大幅に制御することによって磁化ベクトルを制御し、そのダイナミクスを用いて物理リザバーコンピューティングを行う新デバイスを開発した．非線型自己回帰移動平均モデル(NARMA)等の典型的ベンチマークテストを用いた性能評価に加えて、糖尿病患者の血糖値変化予測を行ったところ、いずれも高精度な予測をすることができた．本内容について原著論文として出版した．また，ダイヤモンド/固体電解質界面の電気二重層効果におけるイオンと電子キャリアの応答に関わる緩和時間の材料依存性を調査するために，従来用いてきたリチウム固体電解質薄膜に代えてプロトン固体電解質薄膜に注目して検討を行った．多孔質構造中に多くの吸着水を含有することで高いプロトン伝導性を示すイットリア安定化ジルコニア(YSZ)薄膜をパルスレーザー堆積法で成膜し，ダイヤモンド型電気二重層トランジスタを作製した．ゲート電極から電圧パルスを入力し，ドレイン電流の変化を測定したところ，27マイクロ秒という非常に短い緩和時間が得られ，既報の電気二重層トランジスタと比較して最も高速であった. さらにこのデバイスを用いて非線形変換などの物理リザバーコンピューティングを実施することができた．本内容について原著論文として報告した．

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Inverted input method for computing performance enhancement of the ion-gating reservoir (2024)
  • Author(s): Yamaguchi Yu、Nishioka Daiki、Namiki Wataru、Tsuchiya Takashi、Imura Masataka、Koide Yasuo、Higuchi Tohru、Terabe Kazuya
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 17 Issue: 2 Pages: 024501-024501
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ad2906
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Asymmetric transition of electrical resistance in an all-solid-state redox device with Fe₃O₄ and Li-ion electrolyte thin films for physical reservoir computing (2024)
  • Author(s): Namiki Wataru、Tsuchiya Takashi、Nishioka Daiki、Higuchi Tohru、Terabe Kazuya
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 63 Issue: 3 Pages: 03SP13-03SP13
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ad1fb0
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Few- and single-molecule reservoir computing experimentally demonstrated with surface-enhanced Raman scattering and ion gating (2024)
  • Author(s): Nishioka Daiki、Shingaya Yoshitaka、Tsuchiya Takashi、Higuchi Tohru、Terabe Kazuya
  • Journal Title: Science Advances Volume: 10 Issue: 9 Pages: 1-13
  • DOI: 10.1126/sciadv.adk6438
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Magnetization Vector Rotation Reservoir Computing Operated by Redox Mechanism (2024)
  • Author(s): Namiki Wataru、Nishioka Daiki、Tsuchiya Takashi、Higuchi Tohru、Terabe Kazuya
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 24 Issue: 15 Pages: 4383-4392
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c05029
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ultrafast-switching of an all-solid-state electric double layer transistor with a porous yttria-stabilized zirconia proton conductor and the application to neuromorphic computing (2023)
  • Author(s): Takayanagi Makoto、Nishioka Daiki、Tsuchiya Takashi、Imura Masataka、Koide Yasuo、Higuchi Tohru、Terabe Kazuya
  • Journal Title: Materials Today Advances Volume: 18 Pages: 100393-100393
  • DOI: 10.1016/j.mtadv.2023.100393
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Enhanced synaptic characteristics of H_xWO₃-based neuromorphic devices, achieved by current pulse control, for artificial neural networks (2023)
  • Author(s): Nishioka Daiki、Tsuchiya Takashi、Higuchi Tohru、Terabe Kazuya
  • Journal Title: Neuromorphic Computing and Engineering Volume: 3 Issue: 3 Pages: 034008-034008
  • DOI: 10.1088/2634-4386/acf1c6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A Redox‐Based Ion‐Gating Reservoir, Utilizing Double Reservoir States in Drain and Gate Nonlinear Responses (2023)
  • Author(s): Wada Tomoki、Nishioka Daiki、Namiki Wataru、Tsuchiya Takashi、Higuchi Tohru、Terabe Kazuya
  • Journal Title: Advanced Intelligent Systems Volume: 5 Issue: 9 Pages: 2300123-2300123
  • DOI: 10.1002/aisy.202300123
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Room temperature fabrication of highly proton conductive amorphous zirconia-based thin films achieved through precise nanostructure control (2023)
  • Author(s): Takayanagi Makoto、Tsuchiya Takashi、Nishioka Daiki、Higuchi Tohru、Terabe Kazuya
  • Journal Title: Journal of Materials Chemistry C Volume: 11 Issue: 39 Pages: 13311-13323
  • DOI: 10.1039/d3tc02084c
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Experimental Demonstration of High‐Performance Physical Reservoir Computing with Nonlinear Interfered Spin Wave Multidetection (2023)
  • Author(s): Namiki Wataru、Nishioka Daiki、Yamaguchi Yu、Tsuchiya Takashi、Higuchi Tohru、Terabe Kazuya
  • Journal Title: Advanced Intelligent Systems Volume: 5 Issue: 12 Pages: 2300228-2300228
  • DOI: 10.1002/aisy.202300228
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Accelerated/decelerated dynamics of the electric double layer at hydrogen-terminated diamond/Li+ solid electrolyte interface (2023)
  • Author(s): Takayanagi Makoto、Tsuchiya Takashi、Nishioka Daiki、Imura Masataka、Koide Yasuo、Higuchi Tohru、Terabe Kazuya
  • Journal Title: Materials Today Physics Volume: 31 Pages: 101006-101006
  • DOI: 10.1016/j.mtphys.2023.101006
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Edge-of-chaos learning achieved by ion-electron coupled dynamics in an ion-gating reservoir (2022)
  • Author(s): Nishioka Daiki、Tsuchiya Takashi、Namiki Wataru、Takayanagi Makoto、Imura Masataka、Koide Yasuo、Higuchi Tohru、Terabe Kazuya
  • Journal Title: Science Advances Volume: 8 Issue: 50
  • DOI: 10.1126/sciadv.ade1156
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] In situ manipulation of perpendicular magnetic anisotropy in half-metallic NiCo2O4 thin film by proton insertion (2022)
  • Author(s): Wada Tomoki、Namiki Wataru、TSUCHIYA Takashi、KAN Daisuke、SHIMAKAWA Yuichi、HIGUCHI Tohru、TERABE Kazuya
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 未定 Issue: SM Pages: 16720-16725
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac594f
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Nanoarchitectonics Intelligence with atomic switch and neuromorphic network system (2022)
  • Author(s): Tsuchiya Takashi、Nakayama Tomonobu、Ariga Katsuhiko
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 15 Issue: 10 Pages: 100101-100101
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ac926b
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electrochemical control and protonation of the strontium iron oxide SrFeOy by using proton-conducting electrolyte (2022)
  • Author(s): Isoda Yosuke、Kan Daisuke、Ogura Yumie、Majima Takuya、Tsuchiya Takashi、Shimakawa Yuichi
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 120 Issue: 9 Pages: 091601-091601
  • DOI: 10.1063/5.0083209
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 固体電解質の電気二重層を定量評価する新手法の開発 (2022)
  • Author(s): 土屋敬志、寺部一弥
  • Journal Title: クリーンエネルギー Volume: 2 Pages: 26-31
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 表面増強ラマン散乱とイオンゲーティング刺激を利用する高性能少数分子リザバーコンピューティングの実証 (2024)
  • Author(s): 西岡 大貴, 新ヶ谷 義隆, 土屋 敬志, 樋口透, 寺部 一弥
  • Organizer: 2024年第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 磁化ベクトル制御を利用するイオンゲーティングリザバーによる血糖値データの高精度予測 (2024)
  • Author(s): 並木 航, 西岡 大貴, 土屋 敬志, 樋口透, 寺部 一弥
  • Organizer: 2024年第71回応用物理学会春季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] スピン波干渉を利用したリザバーコンピューティングの条件最適化 (2024)
  • Author(s): 西村 麻希, 並木 航, 西岡 大貴, 土屋 敬志, 樋口透, 寺部 一弥
  • Organizer: 2024年第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 表面増強ラマン散乱とイオンゲーティング刺激を利用する少数分子リザバーコンピューティングの開発 (2024)
  • Author(s): 西岡 大貴, 新ヶ谷 義隆, 土屋 敬志, 樋口透, 寺部 一弥
  • Organizer: 電気化学会第91回大会
• [Presentation] リチウム固体電解質とグラフェンを用いた電気二重層トランジスタによるリザバーコンピューティング (2024)
  • Author(s): 北野 比菜, 西岡 大貴, 並木 航, 土屋 敬志, 樋口透, 寺部 一弥
  • Organizer: 電気化学会第91回大会
• [Presentation] Ion-gating Reservoir Utilizing Magnetization Vector Manipulation (2023)
  • Author(s): NAMIKI, Wataru, NISHIOKA, Daiki, TSUCHIYA, Takashi, Tohru Higuchi, TERABE, Kazuya
  • Organizer: 36th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 磁化ベクトル制御を用いたイオンゲーティングリザバーの実証 (2023)
  • Author(s): 並木 航, 西岡 大貴, 土屋 敬志, 樋口透, 寺部 一弥
  • Organizer: 第49回固体イオニクス討論会
• [Presentation] High-Performance Redox-based Ion-Gating Reservoir using (104) oriented LiCoO2 film, Assisted by Physical Masking (2023)
  • Author(s): SHIBATA, Kaoru, NISHIOKA, Daiki, NAMIKI, Wataru, WADA, Tomoki, TSUCHIYA, Takashi, Tohru Higuchi, TERABE, Kazuya
  • Organizer: 36th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Chaotic Dynamics of Ion, Electron and Spin for Building Nanoarchitectonic Brain (2023)
  • Author(s): TSUCHIYA, Takashi, NAMIKI, Wataru, NISHIOKA, Daiki, Tohru Higuchi, TERABE, Kazuya
  • Organizer: MANA International Symposium 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Spoken digit recognition using an electric double layer-based ion-gating reservoir (2023)
  • Author(s): YAMAGUCHI, Yu, NISHIOKA, Daiki, NAMIKI, Wataru, TSUCHIYA, Takashi, IMURA, Masataka, KOIDE, Yasuo, Tohru Higuchi, TERABE, Kazuya
  • Organizer: The 6th International Conference on Memristive Materials, Devices & Systems (MEMRISYS 2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A Redox-Based Ion-Gating Reservoir, Utilizing (104) Oriented LiCoO2 Film and Physical Masking (2023)
  • Author(s): SHIBATA, Kaoru, NISHIOKA, Daiki, NAMIKI, Wataru, WADA, Tomoki, TSUCHIYA, Takashi, Tohru Higuchi, TERABE, Kazuya
  • Organizer: The 6th International Conference on Memristive Materials, Devices & Systems (MEMRISYS 2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High Performance Physical Reservoir Computing Achieved by Chaotic Dynamics of Ion, Electron and Spin (2023)
  • Author(s): TSUCHIYA, Takashi, NAMIKI, Wataru, NISHIOKA, Daiki, Tohru Higuchi, TERABE, Kazuya. High Performance Physical Reservoir Computing Achieved by Chaotic Dynamics of Ion, Electron and Spin
  • Organizer: 2023 International Conference on Simulation of Semiconductor Processes and Devices (SISPAD2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] イオニクス現象を利用する脳型情報処理デバイス (2023)
  • Author(s): 土屋 敬志
  • Organizer: 「蓄電固体界面科学」第5回公開シンポジウム
• [Presentation] 電気二重層効果を利用したイオンゲーティングリザバーによる発話数字認識タスクの実証 (2023)
  • Author(s): 山口 優, 西岡 大貴, 並木 航, 土屋 敬志, 井村 将隆, 小出 康夫, 樋口透, 寺部 一弥
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 磁化ベクトル制御を利用するイオンゲーティングリザバー (2023)
  • Author(s): 並木 航, 西岡 大貴, 土屋 敬志, 樋口透, 寺部 一弥
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] グラフェン単層チャネルを用いたイオンゲーティングリザバー (2023)
  • Author(s): 北野 比菜, 西岡 大貴, 並木 航, 土屋 敬志, 樋口透, 寺部 一弥
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Deep Physical Reservoir Computing Achieved by Electric Double Layer Ion-Gating Reservoir (2023)
  • Author(s): NISHIOKA, Daiki, TSUCHIYA, Takashi, NAMIKI, Wataru, IMURA, Masataka, KOIDE, Yasuo, Tohru Higuchi, TERABE, Kazuya
  • Organizer: 2023 International conferences on solid state devices and materials (SSDM2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 固体電解質界面近傍のイオニクス現象を利用するニューロモルフィックデバイス (2023)
  • Author(s): 土屋 敬志, 並木 航, 西岡 大貴, 和田 友紀, 山口 優, 柴田 馨, 髙栁 真, 鶴岡 徹, 新ヶ谷 義隆, 井村 将隆, 小出 康夫, 樋口透, 寺部 一弥.
  • Organizer: 新材料・新原理で築くニューロモルフィックシステム
  • Invited
• [Presentation] 固固界面近傍のイオニクス現象を利用する情報処理デバイス (2023)
  • Author(s): 土屋 敬志, 並木 航, 西岡 大貴, 和田 友紀, 山口 優, 柴田 馨, 髙栁 真, 鶴岡 徹, 新ヶ谷 義隆, 井村 将隆, 小出 康夫, 樋口透, 寺部 一弥
  • Organizer: 第85回固体イオニクス研究会
  • Invited
• [Presentation] Ion-gating Reservoir for Time-series Pattern Recognition and Prediction Tasks (2023)
  • Author(s): TSUCHIYA, Takashi, NISHIOKA, Daiki, NAMIKI, Wataru, TAKAYANAGI, Makoto, IMURA, Masataka, KOIDE, Yasuo, Tohru Higuchi, TERABE, Kazuya
  • Organizer: 11th International Conference on Materials for Advanced Technologies (ICMAT2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ion and Electron Dynamics at Semiconductor/Solid Electrolyte Interfaces and the Application to Neuromorphic Computing (2023)
  • Author(s): TSUCHIYA, Takashi, NISHIOKA, Daiki, NAMIKI, Wataru, TAKAYANAGI, Makoto, IMURA, Masataka, KOIDE, Yasuo, Tohru Higuchi, TERABE, Kazuya
  • Organizer: ICMAT 2023 Post Symposium Interface Ionics for All-Solid-State Batteries
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] (104)配向LiCoO_2薄膜のLi+イオン挿入・脱離を利用する イオンゲーティングリザバー (2023)
  • Author(s): 柴田馨, 西岡大貴, 和田友紀, 並木航, 土屋敬志, 樋口透, 寺部 一弥
  • Organizer: 2023年第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Exploring Novel Functions at Solid/Solid Electrolyte Interfaces for Application to Neuromorphic Computing (2022)
  • Author(s): Takashi Tsuchiya, Kazuya Terabe
  • Organizer: 23rd International Conference on Solid State Ionics (SSI 23)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] All-Solid-State Redox Transistor for In Situ Manipulation of Perpendicular Magnetic Anisotropy in Half-Metallic NiCo2O4 Thin Film (2022)
  • Author(s): Tomoki Wada, Takashi Tsuchiya, Daisuke Kan, Yuichi Shimakawa, Tohru Higuchi, Kazuya Terabe
  • Organizer: 23rd International Conference on Solid State Ionics (SSI 23)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Physical Reservoir Computing Based on Solid-State Electric Double Layer Effect (2022)
  • Author(s): Daiki Nishioka, Takashi Tsuchiya, Wataru Namiki, Makoto Takayanagi, Tohru Higuchi, Kazuya Terabe
  • Organizer: 23rd International Conference on Solid State Ionics (SSI 23)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 固体電解質界面におけるイオン・電子連結ダイナミクスを用いた高性能リザバーコンピューティング (2022)
  • Author(s): 土屋 敬志, 西岡 大貴, 並木 航, 髙栁 真, 井村 将隆, 小出 康夫, 樋口透, 寺部 一弥
  • Organizer: 2022年電気化学秋季大会
• [Presentation] イオンゲーティングリザバーを利用する高性能リザバーコンピューティング (2022)
  • Author(s): 西岡 大貴, 土屋 敬志, 並木 航, 髙栁 真, 井村 将隆, 小出 康夫, 樋口透, 寺部 一弥
  • Organizer: 2022年第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] スピン波の非線形干渉を利用したリザバーコンピューティングの実証 (2022)
  • Author(s): 並木 航, 西岡 大貴, 山口 優, 土屋 敬志, 樋口透, 寺部 一弥
  • Organizer: 2022年第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] リチウム固体電解質を用いる酸化還元型イオンゲーティングリザバー (2022)
  • Author(s): 和田 友紀, 西岡 大貴, 並木 航, 土屋 敬志, 樋口透, 寺部 一弥
  • Organizer: 2022年第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] High performance reservoir computing with interfered spin wave multi-detection (2022)
  • Author(s): Wataru Namiki, Daiki Nishioka, Yu Yamaguchi, Takashi Tsuchiya, Tohru Higuchi, Kazuya Terabe
  • Organizer: 35th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Visible light switching enhanced high dimensionality in spin wave interference-based reservoir computing (2022)
  • Author(s): Yu Yamaguchi, Wataru Namiki, Daiki Nishioka, Takashi Tsuchiya, Tohru Higuchi, Kazuya Terabe
  • Organizer: 35th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Edge-Of-Chaos Learning Achieved by Ion-Electron Coupled Dynamics in an Ion-Gating Reservoir (2022)
  • Author(s): Daiki Nishioka, Takashi Tsuchiya, Wataru Namiki, Makoto Takayanagi, Masataka Imura, Yasuo Koide, Tohru Higuchi, Kazuya Terabe
  • Organizer: WPI-MANA INTERNATIONAL SYMPOSIUM 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 固体電解質/半導体界面のイオンダイナミクスを利用する高性能人工知能デバイス (2022)
  • Author(s): 西岡大貴、土屋敬志、樋口透、寺部一弥
  • Organizer: 「蓄電固体界面科学」第４回若手勉強会
• [Remarks] 所属研究機関が作成したwebページ
  • URL: https://samurai.nims.go.jp/profiles/tsuchiya_takashi
• [Patent(Industrial Property Rights)] リザバー計算用電子素子 (2022)
  • Inventor(s): 土屋敬志、西岡大貴、並木航、高柳真、寺部一弥、和田友紀
  • Industrial Property Rights Holder: 物質・材料研究機構
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2022-112842
  • Filing Date: 2022
• [Patent(Industrial Property Rights)] リザバー計算用装置 (2022)
  • Inventor(s): 土屋敬志、並木航、山口優、西岡大貴、寺部一弥
  • Industrial Property Rights Holder: 物質・材料研究機構
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2022-176316
  • Filing Date: 2022