2017 Fiscal Year Annual Research Report
Superposition of state of nonlinear oscillation on nano-electro-mechanical system consisting of atomic layer material
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17H01040
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
秋田 成司 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60202529)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
野内 亮 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70452406)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | グラフェン / ナノ電気機械 / 原子層薄膜 / ナノ機械共振器 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
原子層で構成した非線形ナノ機械振動子を弱く結合し、その揺らぎのある振動の重ね合わせを利用した高速演算の実現を目指し、ナノ機械振動子に作用する遅延効果、空間的なポテンシャル変調および動的なフィードバックによる振動制御を実現し、弱く結合した非線形ナノ機械振動システムを構築することを目的とする。本年度は以下について検討した。
１．遅延効果による非線形振動の静的制御 熱および誘電緩和時間変調へ向けた界面制御：熱歪を誘起する遅延効果を効率的に発生させるために、接触界面における熱の流入出と振動子の熱容量が決定する熱応答時間を制御した。NEMS作製技術とデバイスデザインの最適化に関して、光定在波を利用する際の光の波長、共振数波数を決定する中空構造となる原子層振動部の大きさ、熱・誘電緩和を支配する支持部との接触、等に関して、過渡（時間発展）解析の可能な有限要素法を用い構造の最適化を行った。理論・実験の非線形振動解析について非線形項を含む単純化したダッフィング型のバネ運動方程式の数値解と実験結果の比較から制御パラメータを抽出し、熱的、電気的遅延効果による非線形応答を解析した。
２．動的フィードバックによる非線形振動の能動制御 位相変調と界面効果の関係について振動と周期的な外場変調の位相を変化し動的なフィードバックを加え非線形効果の制御を電気的に行った。高速熱緩和と振動位相制御に関して光強度を機械的振動と位相をずらし強度変調することで非線形効果を実現した。増幅、位相制御等外部制御要素の検討し、S/N向上と高速化を図った。また、揺らぎ源として期待出来るカオス発振に適したフィードバック条件を探索した。
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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
研究成果の概要に述べた通り遅延効果による非線形振動の静的制御および動的フィードバックによる非線形振動の能動制御に関して計画通りに進展している。この中で、当初の予期しない結果として、半導体原子層薄膜に関して光導電効果による振動制御が可能であることを見出した。これにより、当初予定した光誘起熱歪みに加えて新たな制御への展開が拓かれた。
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| Strategy for Future Research Activity |
主に要素技術である原子層膜NEMSの振動制御と2つの原子層NEMSの結合に関する研究を行う。
１．光誘起電荷による振動制御 昨年度の要素研究の際にこれまで報告のない半導体原子層膜NEMSで見出した光誘起電荷による振動制御に関して詳細に検討する。まず、光誘起キャリアの捕獲・放出過程による静電気力の緩和のもたらす振動状態への影響を解明する。キャリア捕獲時間が半導体原子膜では室温でも数十分にもおよぶため非線形振動によらないNEMSのメモリ動作が実現する可能性が有る。さらに、非線形振動下でキャリア捕獲・放出が制御することで非線形振動状態を制御する。また、これらの放出過程が本研究の大きな目的である振動状態に揺らぎを与えることが期待できるため、これについて検討を進める。
２．２つの非線形機械振動の結合強度を変化できるNEMSの実現 ２つの原子層機械共振器を細い宙吊り原子層で橋渡しした構造を作製する。振動子の境界条件の安定なドラム型とする。この場合、線形領域の独立した２つの振動から、非線形状態を介することで２つの振動の重ね合わせ状態への遷移が期待できる。運動方程式では２つの外力項にそれぞれの振動がカップリングした形で重畳され結合の強さが重要なパラメータとなる。橋渡し部に外部から歪を与え結合の強さを変調する。
上記、機械的な結合に加えて電気的にフィードバック制御された２つの非線形振動NEMSを結合要素を介して結合する。機械的な結合と同様にそれぞれの結合強度を変化して振動状態を解析する。さらに、先に述べた光誘起電荷の捕獲・放出過程を利用した結合強度変化についても検討を進める。これに関しては原子層の積層界面や原子層表面の意図した修飾が重要となる。これらの方法について分子修飾およびナノ粒子の担持の側面から検討する。
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