2014 Fiscal Year Annual Research Report
単一分子集積ネットワークによる情報処理機能実装と信頼性向上
| Project Area | Molecular Architectonics: Orchestration of Single Molecules for Novel Function |
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| Project/Area Number |
25110013
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
葛西 誠也 北海道大学, 量子集積エレクトロニクス研究センター, 教授 (30312383)
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| Project Period (FY) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| Keywords | 単一分子デバイス / 情報処理 / 確率共鳴 / 信頼性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１）グラフェン３分岐ナノ接合（TBJ）論理ゲート実現とユニバーサリティ実証：グラフェンをT字型に加工した単純な３分岐ナノ接合がNOT、AND、ORの３つの論理ゲートとして機能することを実験実証することに成功した。本結果によりグラフェンTBJが論理完全性を備えていることが証明された。
２）アメーバ型計算機の電子実装と最適化問題解探索能力の実証：粘菌アメーバの挙動から得られた最適化問題解探索アルゴリズムを電子的に実装する独自のアーキテクチャにもとづき、小規模制約充足問題（CSP）および制約充足可能性問題（SAT）を解く電子回路を試作し、解探索に成功した。またエラー導入により自発的解空間探索能力が発現することを明らかにした。
３）GaAsナノワイヤFETを用いた単一分子電荷センシング：単一分子の電荷状態とゆらぎの動的検出のため、GaAsナノワイヤFETにポルフィリン（TPP）分子を塗布しFET電流雑音評価を行い、分子の離散的電荷状態がFET雑音に反映されることを見出した。ゲート金属端に存在する分子のみが選択的に雑音に寄与するモデルを立て、実験結果を定性的に理解した。
４）金属短針AFMを用いた単一電子トラップ電荷ダイナミクス検出技術の開拓：半導体表面に局在する個々の表面トラップの動的電荷状態を検出する手法を新たに提案した。GaAsナノワイヤに金属AFM短針を接触させるとナノワイヤ電流に単一電荷充放電を示すランダムテレグラフシグナル（RTS）雑音が誘起されることを確認し、提案コンセプトを実証した。
５）GaAsナノワイヤ電子ブラウンラチェットの効率向上：電子アメーバ計算機のコアとなるデバイスとしてナノワイヤ電子ブラウンラチェットを取りあげ、動作効率の向上のための素子構造の最適化を行った。ナノワイヤの微細化による効率向上を実験的に見出し、ポテンシャル非対称性のナノワイヤ幅依存性に由来することを示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
トランジスタを用いることなくグラフェンTBJのみであらゆる論理ゲートを構築可能である事を実験的に示したことは、単一分子素子での論理ゲート実現の指針を与えるものであり、本研究課題の大きな成果である。また、分子ネットワークへの情報書き込みや読み出し手段として取り組んでいる分子電位制御の半導体ナノワイヤによる電荷検出は着実に進展している。一方、単一分子素子での確率共鳴の観測まで至っていないが、確率共鳴発現の基礎となる系の不安定性を確認することができ、現象観測の準備は整った。よって、概ね順調に進展していると評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
1.単一分子情報処理の融合のための要素デバイス技術開発：単体素子でブール代数論理完全系を成すグラフェン3分岐接合(TBJ)デバイスをさらに微細化しかつ安定形成するためにグラフェンナノリボン(GNR)クロス構造によるTBJデバイス作製プロセスを構築する。生体型情報処理として独自に開発した電子アメーバ解探索回路アーキテクチャを単一分子ネットワークで構成する方法を検討する 。また、脳型情報処理の要素機能の単一分子実現をめざし、単分子膜ダイオードでの確率共鳴の発現、および電流スパイク発生メカニズムの理解と制御に着手する。
2.単一分子の電荷状態変調と状態検出技術の発展と確率共鳴の観測：導電性AFMと半導体ナノワイヤ電荷検出技術を組み合わせた独自の半導体表面トラップ電荷ダイナミクス検出技術を、単一分子電荷ダイナミクス検出へ発展させる。単一分子の電荷ダイナミクスのゆらぎを利用した確率共鳴 の発現を試みる。また、単一分子ダイオードにおける電気的不安定性を利用した確率共鳴の可能性を追求する。
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