2017 Fiscal Year Annual Research Report
高配向２次元転位網メモリスタによる高機能シナプティックプラットフォームの開発
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17H03236
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
酒井 朗 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (20314031)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | メモリスタ / シナプス / 酸化物結晶 / 酸素空孔 / 薄膜 / レーザー蒸着 / 転位 / 透過電子顕微鏡 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
当該年度は、酸化物結晶のホモ・ヘテロエピタキシャル成長のために、成長雰囲気制御、フラックス入射制御、試料の6軸マニピュレーションが可能なレーザー蒸着装置を開発し、予備的成果として、TiO2単結晶基板上TiO2薄膜のエピタキシャル成長を確認した。また、本薄膜の電気特性計測から、酸素空孔導入に起因する導電性を確認し、今後メモリスタ素子へ適用できることが分かった。
貼り合わせプロセスで原子接合させたSrTiO3(001)双結晶基板における接合界面の透過電子顕微鏡（TEM）観察によって、二種類のらせん転位から構成される二次元転位網の存在を確認した。同基板から、集束イオンビーム加工装置（FIB）を用いて、二次元らせん転位網を電気伝導層とする1μmオーダーのキャパシタ型Fe/SrTiO3/Pt微細素子を作製し、転位に着目した電気特性評価を行った。その結果、ノーマルヒステリシスを有する電流電圧特性が得られ、転位網の存在に関連する酸素空孔ドリフトを示唆する結果を得た。
ルチル型TiO2単結晶4端子メモリスタ素子の抵抗遷移層の格子欠陥構造とその電子状態を明らかにするために、走査型TEM（STEM）による原子直視Zコントラスト法と電子エネルギー損失分光法を適用した。その結果、低抵抗相には剪断面構造と結晶場分裂が著しく緩和された電子状態が確認され、酸素空孔が高密度に存在することが明らかになった。また、同素子については、次年度以降に遂行する予定である抵抗スイッチングオペランド評価にあたり、それを可能とするTEM観察用微細素子の作製とin situ電圧印加が可能なTEM試料ホルダーのセットアップを行った。予備的なex situ観察によって、抵抗スイッチング現象に伴うTiO2微細素子の結晶構造変化を観測することに成功し、有限要素法により解析した電界強度分布と結晶構造の変化を対応付けることができた。
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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
当該年度は、本研究で用いる材料系の主たる作製に必要なレーザー蒸着装置の立ち上げ、高配向転位網のメモリスタ機能を探索するうえで微細素子加工された結晶中転位網の抵抗スイッチング機能の検証、4端子メモリスタ素子の動作過程で導入された格子欠陥構造の発見と形成機構の解析、そうした格子欠陥のダイナミクスを今後探索していくうえでのその場観察実験の準備、を行い、多角的に研究を進めた。それぞれ、準備段階にあるものと、一定の成果が得られたものが混在しているが、研究開始1年の現時点では、おおむね順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
レーザー蒸着装置をフル稼働し、引き続き、メモリスタ機能を有する種々の薄膜成長を遂行する。材料系を現在の遷移金属系のみならず、典型元素系酸化物にも拡張し、完全単結晶、転位等格子欠陥入り単結晶、多結晶、完全アモルファス等の薄膜を設計・成長し、膜構造とそれに関連するメモリスタ機能の多様化を試みる。
上記の種々の酸化物で作製された素子・回路を対象に、局所領域の構造・形態・電子状態・電気的特性等を解析し、ニューロモルフィック機能の発現に対して、膜の結晶構造、個々の転位等格子欠陥、界面の原子・電子構造に依存する電気伝導機構がどのように影響しているかを調べていく。具体的には、今年度に引き続き、TEMおよびSTEMを用いて、薄膜構造、格子欠陥構造・形態、酸素空孔の分布状態、膜組成等を観察し、それらとメモリスタ特性の相関を見出すことで、得られた結果を薄膜成長、格子欠陥制御プロセス、素子作製プロセス等にフィードバックする。
また、今年度までに立ち上げたTEMによるその場観察技術を更にブラッシュアップし、メモリスタ素子における抵抗スイッチング過程のオペランド評価を実現し、格子欠陥起因の抵抗スイッチング発現機構の本質を明らかにする。
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Research Products
(6 results)
