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ナノテク情報

デバイス・応用

グラフェンナノリボンを使った新型メモリを開発 ~フレキシブル不揮発性メモリの実現に期待~

 東北大学は2018年8月8日,同大学大学院工学研究科電子工学専攻の加藤俊顕 准教授らの研究グループが,原子オーダーの厚みを持つシート材料であるグラフェンナノリボン(GNR)を用いて,耐環境性に優れた新型メモリの開発に成功したことを発表した.光が照射されたところの電子状態が一時的に変化し,その状態が光照射後も長時間維持されるパーシステント光伝導(PPC)と呼ばれる,半導体材料では古くから知られている現象を活用することで,光書き込みによる不揮発性メモリ等の応用が期待されるとしている.本研究成果は,英国科学雑誌 Scientific Reports電子版に掲載された(注).

 これまでPPCはバルクの3次元結晶で起きることが知られていたが,近年柔軟な原子層シートにおいても発現することが報告され,フレキシブル不揮発性メモリ実現に向け注目されている.しかしこれまでの原子層シートを使ったPPCは,極低温下や表面に反応性ガスを吸着させた特殊な環境下でのみ発現が確認されているもの,あるいは大気環境下で動作はするが,情報の保持時間が数秒程度と非常に短いものであった.従って,フレキシブル不揮発性メモリ実用化のためには,耐環境性と情報保持性の向上が課題であった.

 研究グループは,環境安定性に優れているグラフェンナノリボン(GNR)に着目した.グラフェンシートは2次元構造をとっており,バンドギャップを持たない金属的振る舞いをするが,ナノメートルオーダー幅の1次元リボン構造をとったGNRでは,半導体特性が発現することが近年明らかになり,GNRは主に半導体デバイス応用分野において,大きな注目を集めている.これまで本研究グループは,GNRを精密に構造制御合成する新たな手法を開発してきた(Nature Nanotechnology,Vol.7 (2012) #651).さらに,大面積ウェハー上への集積化合成も実現した(Nature Communications,Vol.7 (2016) #11797).今回は,この 高集積GNRデバイスに対して,酸素プラズマ処理を施すことにより,GNRデバイス中においてPPCが発現することを見出し,真空中,大気中,水中を問わず安定に発現することを確認した.また,変調情報の保持時間に関しても,光照射終了後72時間以上も変調電流が維持されることを確認した.類似の原子層物質を活用したPPCデバイスの25,000倍以上の長時間維持である.GNRが耐環境性に非常に優れたフレキシブル不揮発性メモリに極めて有望な材料であることが判明した.

 次に不揮発性メモリとしては,光照射による“書き込み”,電流測定による“読み出し”ができ,消去はGNRの下部に設置したゲート電極にパルス的に高電圧を印加することで,光照射により変調した電流値がもとの光照射前に戻り“消去”動作が確認された.動作原理の解明を試みた結果,酸素プラズマ照射によりGNR中に局所欠陥が導入されること,及びGNRが接合しているNi電極の界面がNi(OH)2のナノ構造に変化することが明かになった.さらに様々な電極種とGNR接合構造に対して実験を行い,この様なPPCは酸素プラズマを照射したGNR/Niデバイスにおいてのみ発現することが確認されている.

 約4000本のGNRを集積化したGNR-PPC不揮発性メモリの開発に成功しており,フレキシブルデバイスとしての実用化が期待される.さらに,光を照射した領域のみの情報が変化するという特性を利用することで,ナノスケールスキャナーや生体センサー等への幅広い応用も期待できるとしている.

(注)Hiroo Suzuki, Noritada Ogura, Toshiro Kaneko & Toshiaki Kato, "Highly Stable Persistent Photoconductivity with Suspended Graphene Nanoribbons", Scientific Reports, Vol. 8, Article number: 11819 (2018)., DOI: 10.1038/s41598-018-30278-z; Published 07 August 2018