2020 Fiscal Year Annual Research 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 – 2021-03-31
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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，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。
4年目（延長1年目）となった令和2年度（2020年度）では，大小2種類の粒径を有する金ナノ粒子コロイド溶液を用いた実験を実施した。まず，基板上のレジスト溝内に金ナノ粒子を配置する際にて，レジスト溝幅と金ナノ粒子間隔の関係が非線形であることを見出した。また，金ナノ粒子コロイド溶液の濃度によっても，レジスト溝幅と金ナノ粒子間隔の関係が変化した。基板およびレジスト表面に分布する電荷によるポテンシャル分布を計算したところ，レジスト幅によってレジスト溝入り口におけるポテンシャルが変化することが分かり，定性的ではあるが，レジスト溝幅と金ナノ粒子間隔の非線形な関係と対応付けた。これらの結果から，レジスト溝内への金ナノ粒子配置条件を決定し，大小2種類の金ナノ粒子を２段階配置し，パーコレーション接続を実現した。作製した素子を低温環境下で測定したところ，複数の素子にて単一電子素子動作（クーロン閉塞やクーロン振動）が確認できた。さらに，温度を上げるにつれ，粒径が大きなナノ粒子の帯電効果が消失したことに起因すると考えられる特性を得た。
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