2021 Fiscal Year Annual Research Report
Reservoir computing nodes utilizing single-electron effects in random arrays of nanoparticles
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20H02201
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| Research Institution | The University of Electro-Communications |
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Principal Investigator |
水柿 義直 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (30280887)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | ナノテクノロジー / 単一電子トランジスタ / 金ナノ粒子 / 強磁性ナノ粒子 / リザバー計算 / 低温実験 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では，ナノ粒子の集合体を作製し，これがリザバーとして機能することを実証する。ナノ粒子の集合体の中では，微小トンネル接合のネットワークが形成され，単一電子トランジスタ（SET）がランダムに接続されている状態にあり，これ利用して，これまでにないナノ粒子集合体のリザバーを超小型固体集積回路として実現し，リザバーコンピューティング動作を実証する。2年目となる2021年度での主たる成果は次の通りである。
まず，金ナノ粒子集合体作製プロセスに見通しを付けることができた。直径200 nmの円周上に配置された6本の金端子の先端部付近に，次の2通りの方法で金ナノ粒子集合体を作製した。一つ目は誘電泳動を用いる方法であり，6本の電極のうちの対抗する2本の電極間（3組）に交流電圧を印加し，誘電泳動力によって金ナノ粒子を集合させる方法である。作製の際の最大の難関は誘電泳動を停止するタイミングであったが，マイコンを利用して電極間インピーダンスが低下した瞬間に電源を切る装置を自作することで解決した。二つ目は二段階液浸法である。電極作製後，試料全面にレジストを塗布し，その後電子ビームリソグラフィによって6本の電極の先端付近にレジストの穴をあけ，試料を金コロイド溶液に2回にわたって液浸することで，金ナノ粒子集合体を作製した。
次に，上記の方法で作製した金ナノ粒子集合体の入出力特性の測定方法を新たに一つ確立した。半導体パラメータアナライザを利用し，入力端子と出力端子それぞれの電圧と電流を同時にモニターすることで，多端子の入出力特性を取得した。
これらは，今後の試料特性評価における具体的な道しるべとなる成果である。
一方，強磁性体のナノ粒子として炭素被覆Coナノ粒子を用いた試料については，3端子以上の試料作製成功に至らなかった。
なお，2年目の成果に関する主たる外部発表は3年目に行う予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
1年目終了時点で，研究計画調書に記載した計画よりもやや遅れている状況であった。これはコロナ禍による研究活動制限の影響が大きく，やむを得ない事態であった。2年目においても研究活動が制限されたものの，1年目よりはリカバリーできたと考えている。2年目初頭に修正した計画に対しては，特に金ナノ粒子の実験に関しては予定通りの成果を得ることができた。自作した誘電泳動自動停止システムがよく機能したことと，および，誘電泳動以外に試行した二段階液浸法を立ち上げたことが，作製技術に大きな進展をもたらし，研究を前進させることになった。試料が作製できるようなったため，測定に関しても種々の試行錯誤を試みることができ，万能ではないものの，新たな測定方法の有効性を確認することができた。ただし，入出力特性の時間発展のデータ取得，強磁性体ナノ粒子を用いた試料（3端子以上）の作製，については成功に至らなかった。全体的に評価すると，1年目の遅れを多少挽回はできたものの，研究計画調書に記載した計画よりもやや遅れている状況と評価する。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和4年度においても，コロナ禍による活動制限は避けられないと考えている。令和3年度までに導入した各種オンライン技術を効率的に利用し，研究打ち合わせや装置利用その他のより一層の効率化を図る。
まず，令和3年度までの電極および金ナノ粒子集合体作製プロセスの最適化により歩留まり向上を図る。室温抵抗評価で「電極端子間にトンネル接合列が形成された」と判定された試料について，令和3年度に引き続き，「ナノ粒子ランダム配列のリザバーとしての特性評価」を実施する。準静的特性の測定には半導体パラメータアナライザを用い，動的特性の測定にはディジタル・オシロスコープを加えて，これらをPCで制御し，測定を実施する。（必要に応じて，外部電源や電流‐電圧変換アンプも組み込む。）単一電子帯電効果が発現すれば，電極端子間の電流－電圧特性は非線形となり，かつ，他端子に印加する電圧によって，そのクーロン閉塞が変調される。測定結果を吟味し，非線形性が大きな端子や，他端子間の特性への影響が大きな端子などを選別した後，入力端子群，出力端子群，制御端子群に分け，入出力特性を測定・評価する。さらに，入力信号を時間的に変化させ，応答の様子を測定し，入出力特性の軌道を射影して，リヤプノフ指数を評価する。これらの測定によって，リザバーとしての特性を総合的に評価する
並行して，強磁性ナノ粒子配列形成を試みる。令和3年度までは印加磁場による強磁性ナノ粒子集合を目指したが，金ナノ粒子集合体作製に成功した誘電泳動システムも取りいれる。
なお，研究期間の半分を過ぎたため，最終的な研究成果のインパクトを鑑み，令和4年度での実験では強磁性ナノ粒子よりも金ナノ粒子を用いた実験に重みを置く。
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