2017 Fiscal Year Research-status Report
Stochastic fabrication process of single-electron devices comprising a two-dimensional random array of conductive nanoparticle
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17K04979
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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) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 単一電子トンネリング / ナノ粒子 / パーコレーション / クーロン閉塞 / 低温実験 / モンテカルロシミュレーション / 電気回路シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では，微小ナノギャップの作製やナノ粒子の精密配置を排除した，単一電子素子の新しい作製方法を提案し，その有効性の実証を目指している。島電極に導電性ナノ粒子を利用する点は従来研究のアプローチと同じであるが，本研究課題で提案する手法では，電極ナノギャップへのナノ粒子の精密配置を行わず，サブミクロン程度の比較的大きな電極ギャップにナノ粒子の2次元ランダム配列を形成し，3電極間でのパーコレーション接続・非接続を利用した確率論的な作製を行う。また，この実験方法をモデル化し，数値シミュレーションによって，歩留まりや予想される電気的特性を予測し，実験における素子設計や作製条件へのフィードバックを図る。
初年度となる平成29年度においては，実験と数値計算の両方について取り組んだ。
実験では，3電極を設けた酸化膜付きシリコン基板上に金ナノ粒子を分散したコロイド溶液を塗布し， 2次元ランダム配列を形成した。具体的には，まず電子ビームリソグラフィと抵抗加熱蒸着法を用いて金電極を作製し，その上に金コロイド溶液を塗布・乾燥させた。種々の金電極構造，塗布条件を試み，電極間の接続を確認するとともに，電子顕微鏡観察によって，金ナノ粒子の密度を計測した。電気的特性の測定結果においては，液体ヘリウム温度もしくは液体窒素にてクーロン閉塞を確認した。
数値計算については，三角メッシュ上に電極を設定した後に，ある占有確率で格子点に粒子を配置した場合のパーコレーション接続の様子をシミュレーションした。さらに，計算プログラムを拡張し，パーコレーション接続した場合の抵抗値やクーロン閉塞閾値電圧を計算できるようにした。結果としては，例えば，1200回の数値計算から統計的な結果として，抵抗値と閾値電圧との相関関係を得た。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
実験に関しては，実験方法・工程をほぼ確立した。当初の予定では，金コロイド溶液の塗布・乾燥・測定のサイクル数と接続確率の関係を取得する予定であったが，サイクルを繰り返しても接続確率が増えない，あるいは減少する結果がしばしば得られた。これは，乾燥後の金ナノ粒子が必ずしも基板表面に固定されていないため，と推測された。そこで，実験方法の改善として，基板表面のシラン化処理，さらには，金コロイド溶液の塗布と乾燥の後のチオール化処理を新たに導入した。現在までに，金コロイド溶液への試料の液浸時間と金ナノ粒子密度との関係が明らかになっている。また，電気的測定においては，クーロン閉塞が確認されている。この結果については，外部発表を行っている。
数値計算に関しては，三角格子を用いたパーコレーション接続のシミュレーションが可能となり，格子点でのナノ粒子の占有確率とパーコレーション接続確率との関係が得られている。種々の電極構造（寸法や形状）に対する数多くの数値計算を実施し，おおよその傾向は把握できている。一方，接続確率だけでは単一電子素子としての特性が予測できないことも明らかとなってきた。そこで，パーコレーション接続の計算プログラムに回路シミュレータを組み込み，電極間の電気抵抗を計算できるようにした。さらなる拡張として，モンテカルロシミュレーションによる単一電子トンネリングの計算を組み込み，クーロン閉塞閾値電圧も得られるようにした。これまで，電気抵抗と閾値電圧との相関関係を見い出すことができている。これについては，学術論文として投稿準備中である。
以上のことから，平成29年度における研究の進捗としては，おおむね順調に進展していると判断している。
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| Strategy for Future Research Activity |
基本的には，当初の平成30年度の研究実施計画に基づいて研究を遂行する。
実験では，ナノ粒子のサイズを変更，さらには，複数のサイズのナノ粒子を用いた実験を行う。また，年度後半においては，平成31年度に予定していた磁性ナノ粒子の予備実験を前倒して実施する。これは，これまでの実験には金ナノ粒子しか用いていないことから，別種類のナノ粒子を用いた場合に，その電気的特性が電子デバイス応用に適しているかどうか，早め検討する必要があるからである。また，磁性ナノ粒子の磁気的特性も基礎データとして取得する。
数値計算においては，電極形状によるパーコレーション接続確率や電気的特性の違いについて計算を進める。さらに，サイズの異なる粒子を扱えるようにプログラムを拡張し，シミュレーションを行う。大小の粒子を組み合わせた場合のパーコレーション接続確率，電気抵抗，さらにはクーロン閉塞閾値電圧を求め，実験結果との比較を行う。
なお，特に実験においては，完全なナノ粒子のランダム配置だけでなく，金コロイド溶液の塗布後に外部から電極に電気的信号を印加し，ナノ粒子配列を人為的に制御することを試行する。作製されるナノ粒子の配置は完全なランダムではなくなるが，単一電子素子の実現に向けて効果があるようであれば，本研究課題の当初の目的に沿った成果になる。
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| Causes of Carryover |
「謝金等」および「その他」の執行額が予定を超えたが，それ以上に「物品費」および「旅費」の執行額が予定を下回ったため，次年度使用額が生じた。物品費が低額になった主たる理由は，材料費が想定ほど高額にならなかったためである。具体的には，様々な種類の金ナノ粒子を使用するような実験に至らなかったという事情である。旅費については，東京から遠方（高知県）で開催される研究会での成果発表を予定していたが，申込期限までに結果が得られず，これを取りやめたため，予定額を下回った。
平成30年度においては，サイズの異なるナノ粒子を組み合わせた実験，磁性ナノ粒子を用いた実験など，材料費が平成29年度よりも高額になることが予想される。また，東京から遠方（愛知県，石川県，北海道）で開催される学会や研究会が複数予定されており，それらでの成果発表を行うと，旅費の執行額が増加すると考えられる。
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Research Products
(26 results)
