2023 Fiscal Year Research-status Report
電流印加によるナノカーボンの構造変化と抵抗変化の関係解明
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22K04222
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| Research Institution | Shibaura Institute of Technology |
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Principal Investigator |
上野 和良 芝浦工業大学, 工学部, 教授 (10433765)
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2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | ナノカーボン / 結合状態変化 / 抵抗変化 / ダイヤモンド結合 / グラファイト結合 / 電流印加 / 抵抗変化型メモリ / ラマン分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、人工知能（AI）の研究がさかんに行われている。現在のAIは、複数のトランジスタを用いた論理回路で構成され、消費電力が大きく、よりAIに適した素子が望まれている。抵抗変化素子は、加えた電流に応じて抵抗が変化し、シナプスのような動作をひとつの素子で実現でき、従来より少ない素子数でAIを構成できる。抵抗変化素子のひとつとして、炭素膜の抵抗変化を用いた素子が提案されている。炭素にはグラファイトを構成するsp2結合の導電性の構造と、ダイヤモンドを構成するsp3結合の絶縁性の構造の２つがあり、炭素膜の抵抗変化では、この２つの構造変化が電流によって生じると考えられているが、その構造変化を直接観察した例はあまり報告されていない。本研究では、電流による炭素の構造変化を直接観察するための試料作製や観察方法を検討する。
2022年度は、まず銅(Cu)膜の上にアモルファス炭素（a-C)膜を積層した膜に電流を流す実験を行った。その結果、Cu膜が破断した箇所で、XPSとラマン分光法により電流印加後にsp2結合の割合が増加し、電流による構造変化の可能性が得られた。一方、a-C/Cu構造では電流が主にCuを流れるため、ジュール熱による構造変化の可能性も否定できない。そこで、斜め蒸着によるシャドー効果を応用したナノギャップ電極を形成し、高抵抗のa-Cに電流が流れる試料作製を検討し、150nm幅のナノギャップを形成できた。
2023年度は、ナノギャップの作製方法を改良し、斜め蒸着の角度調整により最小15nm幅までの狭いギャップを形成できた。また構造変化の観察領域を特定しやすくするため、電流を流す電極幅を狭めるパターンの工夫を行った。さらにa-C膜より電流が流れやすい多層グラフェン（MLG）のパターンを固相析出法で形成することを検討し、課題である密着性をチタン（Ti）密着層を用いて改善した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
Au電極のナノギャップ間に電流印加して抵抗変化した際に、構造変化は電流が流れたフィラメントの局所的な領域で生じる可能性が高い。ナノギャップ幅（電流を流す電極幅）が広いと、sp2－sp3構造変化が生じた局所的な場所を特定するのが難しくなる。そのため、電流を流す電極幅をできるだけ狭くして、構造変化が生じる可能性のある領域（観察箇所）を狭くすることが有効と考え、電極幅の狭いナノギャップ試料の作製を検討した。当初、10μm程度に電極幅を設定したところ、狭い幅の電極が作製中のプロセスで剥離してしまう問題が生じた。剥離を抑制する方法を種々試して、最終的には30μm幅に幅を広くし、蒸着するAuの膜厚を最適化することで、剥離を防ぐことができたが、その試行錯誤や作製方法の最適化に時間を要したため、当初の予定の電流印加実験には至っておらず、やや遅れている。
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| Strategy for Future Research Activity |
観察領域を絞れるナノギャップ試料の作製方法が確立したので、その試料に電流を印加し抵抗変化前後のa-C膜の構造変化をラマン分光法により検出できるか検討する。さらに、電流印加条件（電流値、ランプレート、印加時間、温度等）を変化させて、条件の違いによる抵抗変化、構造変化の違いを調べる。
また固相析出したMLGパターンに電流を印加し、抵抗変化や構造変化が生じるか、ラマン分光法を用いて調べる。さらに、a-Cと同様に電流印加条件を変化させ、条件の違いがどのように結果に影響するか調べる。
通常のラマン分光法による構造変化の観察が困難な場合に備え、ラマン散乱強度を増強する方法として、a-C膜上へのAuナノ粒子形成によるラマン増強効果を調べ、sp2－sp3構造変化の観察に適用できるか効果を検証する。
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| Causes of Carryover |
ナノギャップ試料の作製方法の確立に手間取ったため、当初、電流印加による抵抗変化とラマン分光法による構造変化を検証できた後に、さらに現象の詳しい分析を行うために予定していたTEM観察などの依頼分析ができなかった。ナノギャップ試料の作製方法が確立できたので、今後は抵抗変化とラマン分光法による構造変化観察の検証を行った後、詳細な現象解明のために必要な分析方法、分析箇所を特定し、TEM等の分析依頼を行う計画である。また、さまざまに条件を変えて電流印加実験を行うため、多数のサンプルを今後作製する必要があり、そのための材料、部品の購入を計画している。さらに得られた結果の学会発表を行うための費用に使用する計画である。
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