カーボンナノチューブメタネットワークの 電気光学特性

• 研究課題/領域番号: 23K04383
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分26020:無機材料および物性関連
• 研究機関: 高知工科大学
• 研究代表者: 古田 寛 高知工科大学, システム工学群, 教授 (10389207)
• 研究期間 (年度): 2023-04-01 – 2026-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円); 2025年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2024年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2023年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
• キーワード: カーボンナノチューブ / メタマテリアル / ニューロモーフィック / 電気光学特性 / メタネットワーク

研究開始時の研究の概要

カーボンナノチューブ構造体で構成するメタマテリアルの非線形電気・光学特性の確率共鳴を利用した人工神経模倣回路（メタネットワーク）を作製し、半教師あり学習でのクラス分類に適用し動作検証する。CNTフォレスト構造体が作る電気的ネットワークが有する非線形光学特性とメタマテリアル配線 を組み合わせて設計した分散特性を利用して、電気的・光学的学習・読み取りを行い、CNT構造体メタマテリアルによる双安定状態を実現する。CNT構造体メタマテリアルと視神経系構造との類似性を探求し、人工材料で神経模倣回路が実現できることを明らかにする。

研究実績の概要

本研究は、CNT構造体メタマテリアルの非線形電気・光学特性を利用した人工神経模倣回路を試作し動作検証することを目指す。
本年度は、小直径配向制御短尺CNTフォレストの成長制御条件、およびカーボンナノチューブ成長形態の画像解析手法、および電気光学特性について研究した。小直径配向制御短尺CNTフォレストの成長制御の要素技術として、触媒薄膜の層構造、スパッタ手法、真空環境の影響を研究しそれぞれ学会で報告した。マグネトロンスパッタリング法による積層触媒薄膜の形成とアニールにおける触媒微粒子の小直径・高密度形成の手法を確立し、安定的に単層および低層数カーボンナノチューブフォレストを長さ制御して成長する技術を開発した。
全方位配向したカーボンナノチューブフォレストの全反射および拡散反射光学特性を評価し、可視光範囲において波長依存のない低い反射率が得られた。全方位配向したCNTフォレストの合成についてについて論文で報告した。電磁界シミュレータHFSSによりCNTナノロッドからの電磁波散乱の理論解析を行い、ナノロッドの誘電率依存性を調査し、学会で報告した。
高精度の半導体パラメータアナライザAgilent E5270Bを用いてナノチューブフォレストの電気特性評価を行った。低温合成した小直径短尺CNTフォレストの横方向電気伝導特性で、当初想定したよりも電気特性ヒステリシスが小さいことが分かった。10時間の繰り返し測定によりコンダクタンスの上昇を観測し、表面状態や物理的コンタクトの変化の可能性について学会で報告した。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

高精度の半導体パラメータアナライザ装置による解析により、ナノチューブフォレストの電気特性評価を行った。低温合成した小直径短尺CNTフォレストの横方向電気伝導特性で、当初想定したよりも電気特性ヒステリシスが小さいことが分かった。ヒステリシス現象を電気的ニューラルネットワークに利用する計画であったため、研究が遅れていると判断した。

今後の研究の推進方策

CNTフォレストの横方向電気伝導ヒステリシスのメモリ効果をニューラルネットワークに利用することを想定し、ヒステリシスを上昇させるCNTフォレスト構造の探索を行う。また、１０時間の連続電気特性においてコンダクタンス値が上昇したことから、電気特性に対しては合成条件および処理によりＣ表面処理を含む後ＮＴ間コンタクトの解明と改質をおこない、電気特性にメモリ効果を生じる条件を探索する。光学特性に関しては、波長分散の少ないＣＮＴネットワークについてメモリ効果の発見を目指す。

研究成果

• [国際共同研究] Florida International University(米国)
• [雑誌論文] Solvothermal synthesis of hair-like carbon nanotubes onto sub-micron-sized spherical metal oxide catalyst cores (2023)
  • 著者名/発表者名: Kazuya Kobiro, Hinako Kimura, Saki Hirose, Makoto Kinjo, Hiroshi Furuta
  • 雑誌名: RSC Advances 巻: 13 号: 20 ページ: 13809-13818
  • DOI: 10.1039/d3ra00770g
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] [G1-O402-04] Plasma assisted formation of nano catalysts for the high-density growth of carbon nanotube forests and its device applications (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Furuta1,2, Taichi Marui1, Rebekah Arias3, Yuto Sawada1, Ryuichi Shinsei1, Nobuyuki Kameoka1, Tomu Yamamoto1, Kenshin Sakata1, Ryosuke Ooe1, Hokuto Sakoda1, Nathan Chung3, Nezih Pala3, Chunlei Wang3; (1. School of Systems Eng., Kochi Univ. Tech., 2. Res. Inst., Kochi Univ. Tech., 3. Florida Int'l. Univ.)
  • 学会等名: MRM2023/IUMRS-ICA2023, (Dec. 14, 2023, Oral, (Kyoto International Conference Center, Kyoto)
  • 国際学会
• [学会発表] Autoencoder machine learning for feature extraction and clustering of cross-sectional SEM images of CNT forests (2023)
  • 著者名/発表者名: R. Shinsei, H. Furuta
  • 学会等名: FNTG65(Sep. 6, 2023, Poster, Nishijin Plaza, Kyushu Univ.)
  • 国際学会
• [学会発表] Beyond Nature: Carbon Nanomaterials and the Metamaterial Revolution (2023)
  • 著者名/発表者名: H. Furuta
  • 学会等名: The 1st Advanced Nanomaterials and Application International Workshop, KUT and FIU Joint IRES International Project 2023(Jul.14-17, 2023, Kochi University of Technology, Kami campus, Kochi)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The deposition of AlO films on Fe/AlO multilayered catalyst for controlling CNT growth (2023)
  • 著者名/発表者名: Nathan Chung, Md. Saiful Islam, Hiroshi Furuta
  • 学会等名: The 1st Advanced Nanomaterials and Application International Workshop, KUT and FIU Joint IRES International Project 2023(Jul.14-17, 2023, Kochi University of Technology, Kami campus, Kochi)
  • 国際学会
• [学会発表] Optical Property of Carbon Nanotube Based Metamaterials (2023)
  • 著者名/発表者名: Yleana Ceballos, Md. Saiful Islam, Hiroshi Furuta
  • 学会等名: The 1st Advanced Nanomaterials and Application International Workshop, KUT and FIU Joint IRES International Project 2023(Jul.14-17, 2023, Kochi University of Technology, Kami campus, Kochi)
  • 国際学会
• [学会発表] Single walled carbon nanotube growth on Fe catalyst nanoparticles formed by intermittent magnetron sputtering (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Furuta, Taichi Marui, Yuto Sawada, Rebekah Arias, ○ Nobuyoshi Kameoka, Ryuichi Shinsei, Nezih Pala
  • 学会等名: The 1st Advanced Nanomaterials and Application International Workshop, KUT and FIU Joint IRES International Project 2023(Jul.14-17, 2023, Kochi University of Technology, Kami campus, Kochi)
  • 国際学会
• [学会発表] Machine learning Feature extraction and clustering using autoencoder from CNT forest cross-sectional SEM images (2023)
  • 著者名/発表者名: Ryuichi Shinsei, Hiroshi Furuta
  • 学会等名: The 1st Advanced Nanomaterials and Application International Workshop, KUT and FIU Joint IRES International Project 2023 (Jul.14-17, 2023, Kochi University of Technology, Kami campus, Kochi)
  • 国際学会
• [学会発表] Nano-carbon Metamaterials (2023)
  • 著者名/発表者名: H. Furuta
  • 学会等名: 12th Asian-Australasian Conference on Composite Materials (ACCM12 超材料学会) (2023-04-28, 2023, Hangzhou, China hybrid ONLINE), INVITED
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] DCパルススパッタによる触媒微粒子形成制御 (2023)
  • 著者名/発表者名: 〇山本 十夢1、亀岡 伸義1、迫田 北斗1、坂田 健伸1、大江 亮介1、古田 寛1,2,(高知工科大学1，高知工科大学総合研究所ナノテクノロジー研究センター2)
  • 学会等名: 2023年度 応用物理・物理系学会 中国四国支部 合同学術講演会(2023年7月29日(土) 島根大学(松江キャンパス))
• [学会発表] 小直径CNT合成へのアニール温度依存性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 〇亀岡 伸義1、坂田 健伸1、大江 亮介1、古田 寛1,2,(高知工科大学1，高知工科大学総合研究所ナノテクノロジー研究センター2)
  • 学会等名: 2023年度 応用物理・物理系学会 中国四国支部 合同学術講演会 (2023年7月29日(土) 島根大学(松江キャンパス))
• [学会発表] 触媒微粒子形成の温度依存性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 〇坂田 健伸1、亀岡 伸義1、古田 寛1,2(高知工科大学1，高知工科大学総合研究所ナノテクノロジー研究センター2)
  • 学会等名: 2023年度 応用物理・物理系学会 中国四国支部 合同学術講演会 (2023年7月29日(土) 島根大学(松江キャンパス))
• [学会発表] 小直径CNTの光学特性 (2023)
  • 著者名/発表者名: ○迫田北斗1, 山本十夢1, 亀岡伸義1, 古田寛1,2 (高知工科大学1，高知工科大学総合研究所ナノテクノロジー研究センター2)
  • 学会等名: 2023年度 応用物理・物理系学会 中国四国支部 合同学術講演会 (2023年7月29日(土) 島根大学(松江キャンパス))
• [学会発表] 機械学習を用いたCNT フォレスト断面 SEM 画像からの特徴量抽出とクラスタリング (2023)
  • 著者名/発表者名: 〇神生龍一1，古田 寛1,2(高知工科大学1，高知工科大学総合研究所ナノテクノロジー研究センター2)
  • 学会等名: 2023年度 応用物理・物理系学会 中国四国支部 合同学術講演会 (2023年7月29日(土) 島根大学(松江キャンパス))
• [学会発表] The Deposition of Film on Fe/AlO Multilayered Functional Catalyst for CNT Growth (2023)
  • 著者名/発表者名: 〇Nathan Chung 1, Yleana Ceballos 1, Nobuyoshi Kameoka2, Tomu Yamamoto2, Chunlei Wang1, Nezih Pala1, and Hiroshi Furuta2(Florida International University1, Kochi University Technology2)
  • 学会等名: 2023年度 応用物理・物理系学会 中国四国支部 合同学術講演会 (2023年7月29日(土) 島根大学(松江キャンパス))