2021 Fiscal Year Research-status Report
Fundamental research on carbon nanotube metanetworks
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20K05093
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| Research Institution | Kochi University of Technology |
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Principal Investigator |
古田 寛 高知工科大学, システム工学群, 教授 (10389207)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岩田 誠 高知工科大学, 情報学群, 教授 (60232683)
中嶋 誠 大阪大学, レーザー科学研究所, 准教授 (40361662)
小林 弘和 高知工科大学, システム工学群, 准教授 (60622446)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | カーボンナノチューブ / カーボンナノチューブフォレスト / 導電率 / 単層カーボンナノチューブ / 間欠スパッタリング / メタマテリアル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
カーボンナノチューブ（CNT）を媒体とする人工神経模擬回路（CNTメタネットワーク）を作製し、光・電気信号入出力による学習・演算について実験で検証を行う。
垂直配向CNTフォレスト内のCNT間電気的コンタクトを明らかにするため、CNTフォレストの横方向導電率を測定した。垂直配向CNTフォレストの成長形態（高さ・密度・配向性）制御による横方向導電率の変化を評価した。単位体積あたりの電気的コンタクト数を増加させる目的としたCNT合成条件の探索では、触媒アニール時間２分４５秒において、面内高さばらつきが最小化する210nm均一高さの垂直配向CNTフォレストを合成した。前年度、１μm以下高さのCNTフォレスト垂直配向性制御に課題があり、高さ１μm以下のCNTフォレストでは、密度低下に伴って、横方向導電率を上昇させる横方向配向のCNT比率が上昇し、CNT間電気的コンタクトを伴わない導電率の上昇の課題があった。本年度、短尺・高密度・垂直配向CNTフォレストフィルムの合成によりこれを解決し、従来の15k/Ωcmから0.15/Ωcmまで横方向導電率を低下させることに成功した。
本年度の目標としていた単層カーボンナノチューブ合成では、間欠スパッタを用いた小直径・高面密度の触媒微粒子形成の研究に取り組み、CNT合成温度７３０℃での凝集を抑制した触媒の開発に成功し論文で報告した。この触媒を用いることで、純アセチレンを原料とした熱CVD合成により、一般的に用いられる水素やアルゴンの希釈なしに単層カーボンナノチューブの合成に成功し、学会報告した。
光学応答を利用した人工神経模倣回路の開発では、CNTフォレストの光学回路メタマテリアルを研究した。ポリスチレンビーズの自己組織化配列とドライエッチング技術で作製した、大面積のフィッシュネット型メタマテリアルのデータ解析を行い論文に報告した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究の目的は、カーボンナノチューブを媒体とする人工神経模擬回路（カーボンナノチューブメタネットワーク）を作製し、光・電気信号入出力による学習・演算について実験で検証を行うことである。電気信号による学習・演算について、現時点での人工神経模倣回路の目標モデルとしてCNT同士の電気的コンタクトを想定し、電気的コンタクトを双安定記憶状態として用いる有効性を検証する。
高精度の電気・光特性評価を行う計画であったが、コロナによる研究室入室制限の影響で計画どおりに実験実施が出来ず進捗が遅れた。
触媒形成プロセスの開発では大きな進展があり、間欠スパッタを用いた触媒堆積により、熱CVD温度での熱凝集を抑制できる触媒を形成できた。その結果、水素やアルゴンなどの希釈ガスを用いることなく、単層CNTフォレストを合成することに成功した。表面が大きくCNT間電気的コンタクトの有無による導電率の変動が期待できるSWNTを合成したことは想定以上の進捗があった。
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| Strategy for Future Research Activity |
単層CNTフォレストの横方向電気伝導特性を明らかにし、CNT同士の電気的コンタクトネットワークの形成機構を明らかにする。双安定状態を利用したニューロモーフィック回路を試作する。
横方向電気伝導機構解明では、電流電圧特性にヒステリシスを促進するCNTフォレスト構造の探索を引き続き進める。
(a) CNTフォレスト構造体の電磁場吸収評価:配向構造制御したCNTフォレストフィルムについて、電磁場(赤外、テラヘルツ、可視光領域)吸収の構造依存性(長さ、密度、層数、配向性、結晶性)を測定評価する。赤外エリプソメトリ反射および透過スペクトルを測定し、CNTフォレストナノロッドの配向性と誘電率異方性、放射分布の相関を明らかにする。CNTフォレスト構造体の物理的構造、電気的 物性と、電磁場吸収特性の相関を明らかにする。
(b) メタマテリアルパターン配線設計試作:CNTフォレストとメタル電極パターンを組み合わせた波長分散メタマテリアルを設計加工し、FDTD計算により電磁波伝搬特性とスペクトル予測を行う。CNTフォレスト パターンの役割として、配線パターン化による波長選択的吸収と、CNT配向制御により、メタル電極配線への効率的な信号伝達可能なプロセス 設計を行う。1μm以下長さに成長したCNT、炭素系材料の非線形光学効果を、赤外エリプソメトリと電気測定により評価する。CNTフォレストメタマテリアルの吸収特性を利用した神経模擬回路を作製する。人工神経模擬回路実証として、学習フェーズについて、MNIST画像パターンフィルムを通しインパルス白色光源をCNTメタマテリアルパターンに照射し、出射光をカメラにより測定評価する。演算フェーズについて、インパルス白色光源を照射中のCNTメタマテリアルパターンに対し、レーザー光源を照射しその反射光に含まれる、記憶した識別信号を結像し、手書き文字の識別を行う。
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| Causes of Carryover |
予定していた学会参加費用について、学会がオンライン開催となったため、旅費がなくなったため今年度使用しなかった。次年度に開催される学会参加に使用する計画であり、COVID-19による制限や規制に依存するが、現地での参加を予定し、旅費として使用する予定である。
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Research Products
(7 results)
