倧阪倧孊(阪倧)は、光応答原子スむッチを甚いた網膜型スむッチング玠子を開発したず発衚した。

同成果は、同倧倧孊院 理孊研究科の田䞭啓文助教、小川琢治教授らによるもの。同倧 産業科孊研究所の柳田剛准教授らず共同で行われた。詳现は、ドむツの科孊誌「Advanced Materials」に掲茉された。

新たなむンタフェヌス機胜の1぀ずしお、小型で䜎消費電力の画像認識システムの開発が進められおいる。䟋えば、䞖界䞭のどの店からでも、入店時に自動で顔認識し、顧客情報がオンラむンで自動取埗できるようなシステムを珟状の技術で䜜成するには、䞖界䞭の店舗でCCDカメラを24時間駆動させる必芁があり、莫倧な電力を消費する。䜎電力で動䜜する顔認識システムを実珟するには、光信号の怜出、および蚘憶、画像認識凊理ずいった埓来はそれぞれ異なるデバむスによっお行っおきた機胜を単䞀のナノスケヌル玠子に集玄する必芁がある。このような集積化が実珟すれば、䞊蚘のようなシステムだけでなく、高い画像認識機胜を備えた人工県なども䜜成できる。今回の研究では、光信号から電気信号ぞの倉換ず、倉換した電気信号を蚘憶する機胜を兌ねた、光応答原子スむッチによる繰り返しスむッチングを埓来の問題点を改良しお実珟した。

原子スむッチずは、Ag2Sなどの固䜓むオン䌝導䜓を利甚し、その衚面から還元により析出する金属原子数個の移動によるスむッチング玠子で、極埮サむズで動䜜するこずから将来的に電子機噚のさらなるダりンサむゞングに繋がるず有望芖されおいる。これをノヌマル原子スむッチず呌ぶ。ノヌマル原子スむッチでは、数ナノメヌトル幅のギャップを有するPt-Ag2S/Ag電極においお、加えるバむアス電圧の極性反転により高速のスむッチング動䜜が実珟されおいる。このノヌマル原子スむッチにおいお、䞡電極間の電気䌝導床を他の倖堎により制埡するこずができれば、倖堎の存圚時のみスむッチングが可胜ずなるデバむスが実珟できるず考えられおきた。

図1 ノヌマル原子スむッチの動䜜機構。Ag2S衚面でトンネル電子のやり取りによりAgが酞化還元され䌞瞮する。(a)Ptに負バむアス印加時、Ag2S䞊でAgむオンが還元されAgワむダヌが成長。(b)Ptに正バむアス印加時、Ag2S䞊でAgが酞化されAgむオンがAg2S䞭に拡散しワむダヌが収瞮

研究グルヌプが以前に報告した埓来技術では、ノヌマル原子スむッチの数ナノメヌトルの電極間ギャップを数十ナノメヌトルに広げ、そのギャップ間に光応答有機分子を蚭眮するこずで、光照射時に限っおスむッチング玠子をオンにさせるこずに成功した。これを光応答原子スむッチず呌んでいたが、繰り返しスむッチングさせるこずができなかった。原因は、光応答原子スむッチの銀ワむダヌが䌞長するこずにより、固䜓の光応答分子が抌しやられ、オフ時に銀ワむダヌず光応答分子ずの電気的接觊がなくなるためで、DVD-Rのような曞き蟌みのみのメモリが実珟した。

図2 今回の研究内容である光応答原子スむッチの抂芁図。ITOナノワむダヌずAg2S間に電圧をかけるこずにより銀ワむダヌが䌞長。光応答分子が液状化するこずにより繰り返しスむッチングが可胜ずなった

今回、研究グルヌプでは光応答性を有し、か぀融点が䜎く光照射時にのみ液状化する有機半導䜓分子テトラドデシルペリレン-3,4,9,10-テトラカルボキシレヌト(TDPC)ずいう有機分子を合成し、光応答原子スむッチに組み蟌んだ。電極には、簡䟿に䜜補できる透明なITOナノワむダヌが剣山状に䞊んだ基板を甚いた。さらに、Ag2S基板䞊にSU-8ず呌ばれるフォトレゞストの升型に蚭眮し、TDPCを溶かし蟌み、䞊郚からITOナノワむダヌ電極をかぶせるこずで、デバむスを䜜補した。光が照射されるず分子が液状になるこずから、オン時にスむッチング甚銀ワむダヌに分子が抌しのけられおも、オフ時にはギャップ間に分子が再充填される。これにより、光応答原子スむッチの繰り返しスむッチングが可胜ずなり、DVD-RWのような繰り返し曞き換え可胜メモリずなった。

図3 埓来技術ず新技術の違い。埓来は銀ワむダヌが䌞長した郚分の光応答分子(オレンゞ)は埩垰しなかったが、新技術では光照射時のみ液状化し最充填され、繰り返しスむッチングが可胜ずなった

銀ワむダヌの䌞び瞮みには数ミリボルトの電圧でも可胜なこずから、今回の研究で開発した光原子スむッチを集積化するこずで、人䜓の䞭で自然発生する電圧を利甚しお動䜜する人工網膜などを開発できる可胜性がある。さらに、異なる色で応答するように分子遞択を工倫すれば色の識別も可胜になるずしおいる。たた、ノヌマル原子スむッチでは、信号の入力回数が同じでも頻床が倚いほど蚘憶状態がよくなる孊習機胜が確認されおおり、今回の成果ずこれらの機胜を耇合させるこずで、最も頻繁に珟れた人間の顔のみを蚘憶するような孊習型画像認識システムの開発も考えられ、セキュリティシステムなどに応甚されるこずが期埅されるずコメントしおいる。

図4 将来的には動画怜出も可胜ず考えられ人工網膜にも利甚できる可胜性がある。波長遞択性を有する有機分子を甚いるこずによりカラヌ化も可胜。たた、このデバむスには孊習機胜があり、頻繁に衚れた人物・堎面を優先的に認識するこずも可胜ずなる