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2017 年度 実績報告書

室温で不揮発動作可能な反強磁性/絶縁体-強磁性/金属スイッチング素子の開発

研究課題

研究課題/領域番号 16K14377
研究機関東京工業大学

研究代表者

片瀬 貴義  東京工業大学, 科学技術創成研究院フロンティア材料研究所, 准教授 (90648388)

研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2018-03-31
キーワード薄膜トランジスタ / 酸化・還元 / 電気化学 / 不揮発メモリ / 酸化物磁性体
研究実績の概要

室温で電気と磁気の信号を同時に不揮発変調可能な新機能スイッチング素子の開発を目的とし、多孔質薄膜中に閉じ込めた水を利用して、ペロブスカイト酸化物の酸素濃度を自在制御可能な薄膜固体デバイスの創製に挑戦した。具体的には、酸素濃度変化によって反強磁性絶縁体と強磁性金属を変調可能なSrCoOxに着目し、酸素空孔の1次元チャネルを有するSrCoO2.5薄膜上に、含水ナノ多孔性ガラスをゲート絶縁体とする薄膜トランジスタ構造を作製した。ナノ平行平板間に電圧を印加して、閉じ込めた電解液中のイオンを動かし、SrCoOx薄膜の空孔チャネルに酸素を脱挿入することで、反強磁性/絶縁体-強磁性/金属の不揮発な可逆制御を試みた。
まず、ゲート絶縁体に用いる多孔性ガラス中に含まれる純水のイオン伝導度が低い問題があったため、アルカリイオンを含む絶縁体を探索し、ナノピラー構造を有するアモルファスNaTaOx薄膜がNaOH水溶液を含んだアルカリ電解質として機能することを発見した。次いで、NaTaOxをゲート絶縁体とするSrCoOx薄膜トランジスタを作製し、室温・大気中でゲート電圧(Vg)を印加した。-Vgを印加することで強磁性金属(Tc = 275 K)に変化し、逆に+Vgを印可することで元の絶縁体に戻った。変調を繰り返し動作させたところ、僅か±3V、2-3秒で可逆制御できることが分かった。これらの結晶構造変化を調べたところ、Vg印加前及び+Vg印加後はブラウンミラライト相SrCoO2.5、-Vg印加後はペロブスカイト相SrCoO3であったことから、SrCoOxの酸素比率が室温で変化したことで、絶縁体/反強磁性から金属/強磁性に変化したことが分かった。“A”(強磁性)/ “B”(反強磁性)の情報と“1”(金属)/ “0”(絶縁体)の情報を同時に読み/書き可能な、将来の高密度情報記憶素子としての発展が期待できる。

  • 研究成果

    (32件)

すべて 2018 2017 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (7件) (うち国際共著 1件、 査読あり 7件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (22件) (うち国際学会 12件、 招待講演 7件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] 蘇州大学(中国)

    • 国名
      中国
    • 外国機関名
      蘇州大学
  • [国際共同研究] フンボルト大学ベルリン校(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      フンボルト大学ベルリン校
  • [雑誌論文] Multi-color light-emitting thin films based on ultra-wide bandgap amorphous oxide semiconductor deposited at room temperature on glass2018

    • 著者名/発表者名
      Naoto Watanabe, Keisuke Ide, Junghwan Kim, Takayoshi Katase, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono, and Toshio Kamiya
    • 雑誌名

      Physica Status Solidi (a)

      巻: - ページ: 1700833

    • DOI

      10.1002/pssa.201700833

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Stoichiometric and Oxygen-Deficient VO2 as Versatile Hole Injection Electrode for Organic Semiconductors2018

    • 著者名/発表者名
      Ke-Ke Fu, Rong-Bin Wang, Takayoshi Katase, Hiromichi Ohta, Norbert Koch, and Steffen Duhm
    • 雑誌名

      ACS Applied Materials & Interfaces

      巻: 10 ページ: 10552-10559

    • DOI

      10.1021/acsami.8b00026

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Effects of Base Pressure on Growth and Optoelectronic Properties of Amorphous In-Ga-Zn-O: Ultralow Optimum Oxygen Supply and Bandgap Widening2018

    • 著者名/発表者名
      Keisuke Ide, Kyohei Ishikawa, Haochun Tang, Takayoshi Katase, Hidenori Hiramatsu, Hideya Kumomi, Hideo Hosono, Toshio Kamiya
    • 雑誌名

      Physica Status Solidi (a)

      巻: - ページ: 1700832-1700832

    • DOI

      10.1002/pssa.201700832

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Infrared-transmittance tunable metal-insulator conversion device with thin-film-transistor-type structure on a glass substrate2017

    • 著者名/発表者名
      Takayoshi katase, Kenji Endo, and Hiromichi Ohta
    • 雑誌名

      APL Materials

      巻: 5 ページ: 056105

    • DOI

      10.1063/1.4983276

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Transition-metal-oxide based functional thin-film device using leakage-free electrolyte2017

    • 著者名/発表者名
      Takayoshi katase and Hiromichi Ohta
    • 雑誌名

      Journal of the Ceramic Society of Japan

      巻: 125 ページ: 608-615

    • DOI

      10.2109/jcersj2.17098

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Highly conducting leakage-free electrolyte for SrCoOx-based non-volatile memory device2017

    • 著者名/発表者名
      Takayoshi katase, Yuki Suzuki, and Hiromichi Ohta
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physics

      巻: 122 ページ: 135303

    • DOI

      10.1063/1.5005520

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Reactive solid-phase epitaxy and electrical conductivity of layered sodium manganese oxide films2017

    • 著者名/発表者名
      Shota Katayama, Takayoshi Katase, Tetsuya Tohei, Bin Feng, Yuichi Ikuhara, and Hiromichi Ohta
    • 雑誌名

      Crystal Growth & Design

      巻: 17 ページ: 1849-1856

    • DOI

      10.1021/acs.cgd.6b01810

    • 査読あり
  • [学会発表] 遷移金属酸化物歪界面で発現する特異な熱電能2018

    • 著者名/発表者名
      片瀬貴義
    • 学会等名
      公益社団法人日本磁気学会、第217回研究会「シン・熱電変換材料」
    • 招待講演
  • [学会発表] 全反射硬X線光電子分光法によるアモルファス酸化物半導体の価電子帯直上欠陥の深さ方向分布2018

    • 著者名/発表者名
      井手 啓介、太田 雅人、岸田 陽介、片瀬 貴義、平松 秀典、上田 茂典、雲見 日出也、細野 秀雄、神谷 利夫
    • 学会等名
      第65回応用物理学会春季学術講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] Vanadium dioxide as high work function electrode2018

    • 著者名/発表者名
      Rongbin Wang, Keke Fu, Takayoshi Katase, Hiromichi Ohta, Steffen Duhm, and Norbert Koch
    • 学会等名
      DPG Spring Meeting and EPS-CMD27
    • 国際学会
  • [学会発表] 含水多孔質ガラスを用いたオンデマンド赤外線透過率-導電率制御デバイス2017

    • 著者名/発表者名
      片瀬貴義, 太田裕道
    • 学会等名
      日本真空学会 スパッタリングおよびプラズマプロセス技術部会
    • 招待講演
  • [学会発表] 遷移金属酸化物歪界面のフォノンドラッグ熱電能2017

    • 著者名/発表者名
      片瀬貴義
    • 学会等名
      フォノンエンジニアリング研究会
  • [学会発表] 遷移金属酸化物薄膜歪界面のフォノンドラッグ熱電能2017

    • 著者名/発表者名
      片瀬貴義
    • 学会等名
      奈良先端科学技術大学院大学 異分野融合ワークショップ 電子格子相互作用:基礎物理からデバイス応用まで
    • 招待講演
  • [学会発表] Room-temperature-protonation-driven optoelectronic device with water-gated thin-film-transistor structure2017

    • 著者名/発表者名
      Takayoshi Katase and Hiromichi Ohta
    • 学会等名
      the 8th International Conference and Exhibition on Lasers, Optics & Photonics
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 遷移金属酸化物の電気化学反応を利用した機能変調デバイス2017

    • 著者名/発表者名
      片瀬貴義, 太田裕道
    • 学会等名
      6大学連携プロジェクト公開討論会
    • 招待講演
  • [学会発表] 遷移金属酸化物の酸化・還元を利用した薄膜機能デバイスの開発2017

    • 著者名/発表者名
      片瀬貴義, 太田裕道
    • 学会等名
      日本セラミックス協会2017年 年会
    • 招待講演
  • [学会発表] Strain-induced modulation of thermopower and electrical conductivity of LaTiO3 epitaxial films on LaAlO3 substrate2017

    • 著者名/発表者名
      Takayoshi Katase, Keisuke Ide, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono, and Toshio Kamiya
    • 学会等名
      10th International Symposium on Transparent Oxide and Related Materials for Electronics and Optics (TOEO-10)
    • 国際学会
  • [学会発表] Thermopower and electron carrier transport properties of epitaxially strained Nb-doped LaTiO3 thin films2017

    • 著者名/発表者名
      Takayoshi Katase, Keisuke Ide, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono, and Toshio Kamiya
    • 学会等名
      The Tenth International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics (STAC-10)
    • 国際学会
  • [学会発表] Thermopower analysis of metal-insulator transition in epitaxially strained LaTiO3 thin films2017

    • 著者名/発表者名
      Takayoshi Katase, Keisuke Ide, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono, and Toshio Kamiya
    • 学会等名
      International Conference on Materials and Systems for Sustainability (ICMaSS) 2017
    • 国際学会
  • [学会発表] Opto-Electrical Properties and Structural Transition in BaSnO3-BaCeO3 Oxide Semiconductor Solid-Solution System2017

    • 著者名/発表者名
      Yutaro Kobayashi, Keisuke Ide, Takayoshi Katase, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono, Toshio Kamiya
    • 学会等名
      4th International Conference on Advanced Electromaterials
    • 国際学会
  • [学会発表] Effects of film microstructures on operation characteristics of amorphous In-Ga-Zn-O thin-film transistors2017

    • 著者名/発表者名
      K. Ide, M. Ota, T. Katase, K. Takenaka, Y. Setsuhara, A. Hiraiwa, H. Kawarada, H. Hiramatsu, H. Hosono, T. Kamiya
    • 学会等名
      International Conference on Materials and Systems for Sustainability (ICMaSS) 2017
    • 国際学会
  • [学会発表] Sequential structural transition and optoelectronic properties of BaSnO3-BaCeO3 oxide semiconductor solid solution system2017

    • 著者名/発表者名
      Yutaro Kobayashi, Keisuke Ide, Takayoshi Katase, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono, and Toshio Kamiya
    • 学会等名
      The Tenth International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics
    • 国際学会
  • [学会発表] Electronic structure of amorphous oxide semiconductor-based light emitting thin film, a-GaOx:Eu2017

    • 著者名/発表者名
      Naoto Watanabe, Keisuke Ide, Junghwan Kim, Hidenori hiramatsu, Takayoshi Katase, Hideo Hosono, and Toshio kamiya
    • 学会等名
      The Tenth International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics
    • 国際学会
  • [学会発表] Room temperature fabricated multi-color liight-emitting thin films based on ultra-wide bandgap amorphous oxide semiconductor2017

    • 著者名/発表者名
      Naoto Watanabe, Keisuke Ide, Junghwan Kim, Hidenori hiramatsu, Takayoshi Katase, Hideo Hosono, and Toshio kamiya
    • 学会等名
      10th International Symposium on Transparent Oxide and Related Materials for Electronics and Optics
    • 国際学会
  • [学会発表] Growth dynamics, annealing effects, and microstructure evolution in amorphous In-Ga-Zn-O observed by HAADF STEM2017

    • 著者名/発表者名
      Masato Ota, Keisuke Ide, Takayoshi Katase, Masato Sasase, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono and Toshio Kamiya
    • 学会等名
      10th International Symposium on Transparent Oxide and Related Materials for Electronics and Optics
    • 国際学会
  • [学会発表] Exploration of new oxide light-emitting semiconductor thin films using transition metals2017

    • 著者名/発表者名
      Yuki Futakado, Naoto Watanabe, Keisuke Ide, Junghwan Kim, Takayoshi Katase, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono and Toshio Kamiya
    • 学会等名
      10th International Symposium on Transparent Oxide and Related Materials for Electronics and Optics
    • 国際学会
  • [学会発表] 超平坦a-TaOx薄膜を用いた抵抗変化メモリ動作における導電性フィラメントの直接観察2017

    • 著者名/発表者名
      福地 厚,有田正志,片瀬貴義,太田裕道,高橋庸夫
    • 学会等名
      第64回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Thickness Dependence of Current-Induced Effective Magnetic Field in La0.67Sr0.33MnO3/SrTiO3 heterostructure2017

    • 著者名/発表者名
      Tatsuro Oyamada, Takayoshi Katase, Hiromichi Ohta, and Michihiko Yamanouchi
    • 学会等名
      第64回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 3端子TFT 構造アモルファスWO3エレクトロクロミック素子の開発と動作検証2017

    • 著者名/発表者名
      小野里尚記,片瀬貴義,廣野未沙子, 水野 拓, 太田裕道
    • 学会等名
      第52回応用物理学会北海道支部/第13回日本光学会北海道支部合同学術講演会
  • [備考] 北海道大学電子科学研究所太田裕道研究室

    • URL

      http://functfilm.es.hokudai.ac.jp/

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公開日: 2018-12-17  

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