超高密度・大容量メモリデバイスの実現に向けた金属有機構造体の応用検討

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前年度までの取り組みによって、イオン液体（Ionic Liquids: IL）をナノ多孔体である金属有機構造体（Metal-Organic Frameworks: MOF）の単結晶に導入することで、優れたイオン伝導特性を示し、且つ、固体の様に扱える高イオン伝導材料の実現可能性が示された。今年度は、当初計画していた抵抗変化メモリの作製が難航し、試行錯誤を重ねる中で、電極－IL界面におけるILイオンのダイナミクス（誘電緩和）を利用した物理リザバーを提案し、その実証に注力した。有機分子を構成イオンとするILは、材料学的なパラメータ制御性が極めて高いことから、ダイナミクス制御が可能な物理リザバーを実現するための材料として有望であると考えた。検討の結果、構成イオン（有機分子）の側鎖長をパラメータとしてILの粘性を調整することで、誘電緩和ダイナミクスの寿命を、生活環境で生じる信号の時間スケールに近いマイクロ秒オーダーで、且つ、凡そ一桁の範囲（約1－20 マイクロ秒）に亘って系統的に制御できることを示した。本研究成果によって、生活環境で生じる様々な時系列信号を直接リアルタイムで処理可能な物理リザバー計算の実現が期待される。さらに、ILの物理リザバー応用に関する研究と並行しながら、固体を主軸とする既存のデバイスプロセスへのILリザバーの導入を目指し、ILをMOFに充填した際のリザバー特性の評価に取り組んだ。その取り組みの中で、代表的なMOFであるHKUST-1のナノ細孔に[bmim][TFSI]と呼ばれるILを充填することで、HKUST-1の機械的強度および水分耐性が著しく向上することを発見した。本研究の取り組みにより、MOFの水分・外力に対する脆弱性という、デバイス応用上致命的であった問題が克服された。