2018 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。
2年目となった平成30年度においても，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を，大小2種類の粒径を有する金ナノ粒子コロイド溶液に浸漬し， 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，シラン化処理を施した後に，粒径が小さな金コロイド溶液中に浸漬した。続いて，チオール化処理を施し，粒径が大きな金コロイド溶液中に浸漬した。その後，室温での電極間の電気的接続を確認したのちに，液体ヘリウム温度でクーロン閉塞を確認した。さらに，液体ヘリウム温度から室温までの温度範囲で，電気的抵抗の温度変化を測定した。また，磁性ナノ粒子を用いた単一電子素子の作製にも着手した。
数値計算については，前年度の数値シミュレーション結果を整理するとともに，パラメータ範囲を拡張した数値シミュレーションを実施した。最終的に，それらの結果を査読付き英語論文として出版した。
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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
金ナノ粒子のパーコレーション接続については，実験方法をある程度確立してある。1年目に用いた金ナノ粒子は粒径が1種類，2年目に用いた金ナノ粒子は粒径が2種類であり，いずれにおいても単一電子素子として動作することを確認している。基板表面や金ナノ粒子表面の化学的処理についても，試行錯誤的な実験を経て，作製に有効である条件を見い出している。得られた成果については，査読付き論文の出版や，学会講演会における口頭発表・ポスター発表を通して外部に発信している。なお，2種類の粒径の金ナノ粒子を混合した実験では，粒径におおよそ反比例する単一電子素子帯電効果の影響を特性上に示すことができ，研究会での口頭発表を行ってはいるが，査読付き論文に必要となる定量的な考察をするには実験条件が不ぞろいな点があったため，作製方法の最適化と合わせて今後も取り組む。
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を出発点として，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，回路シミュレータを援用した電極間の電気抵抗を計算，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とクーロン閉塞閾値電圧の導出が可能となった。これにより，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，査読付き論文として出版済みである。数値計算の次のステップとしては，大小2種類のナノ粒子を用いた実験のシミュレーションがある。これについては，計算アルゴリズムを検討している段階であり，まだ計算プログラムとしては実現されていない。実験の再現に適した計算アルゴリズムを開発する必要がある。
以上のことから，当初計画よりも遅れている部分があるものの，現在までの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31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した実験，また，複数のサイズのナノ粒子を用いた実験を行う。特に，平成30年度の実験において不ぞろいだった測定条件（バイアス条件）を整えて電気的特性の測定を行い，査読付き論文として出版することを目指す。
また，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行う。これは，ナノ粒子に作用する誘電泳動力を利用するものである。この方法で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でるのであれば，本研究課題の当初の目的に沿った成果になる。
さらに，金ナノ粒子に代えて磁性ナノ粒子を用いた単一電子素子の作製を行う。平成30年度での予備的な実験により，カーボンコートされたコバルト・ナノ粒子を用いて単一電子素子が実現できることを確認している。磁性ナノ粒子を用いることで，その作製（配列方法）に磁場を用いることが可能となり，さらに，単一電子素子が磁場に応答するようになることが期待される。上述の誘電泳動力の併用も考えられる。
数値計算においては，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。実験の再現に適した計算アルゴリズムの開発がカギになると思われる。また，扱う系がランダム事象であることから，計算結果の統計的な処理方法についても検討を行う。
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| Causes of Carryover |
消耗品費が想定よりも若干廉価に収まったため，3万円ほどの次年度使用額が生じた。この次年度使用額は次年度執行予定額（直接経費）の約2%であり，全体に占める割合は小さく，消耗品費に充てることで全額執行することに問題はない。
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Research Products
(20 results)
