東京理科大学 理学部 応用物理学科 樋口研究室

 研究室紹介

 3年生向けの研究室案内

専攻分野

 酸化物エレクトロニクス 


研究分野 

 酸化物半導体/イオン・光物性/表面・界面物性
 

  

 

 研究室概要 

 当研究室では,酸化物を用いたエネルギー・電子デバイスの機能性向上を目的とした研究を進めています。電気を流さない酸化物誘電体にキャリアー(異なる価数を持つ元素)をドープすることで,半導体的な電子的挙動とイオン伝導性を示すようになります。このような物質は,”ワイドギャップ酸化物半導体”と呼ばれ,「酸化物エレクトロニクス」という新たな分野として,近年,基礎研究や応用研究が活発化しています。
 酸化物半導体をナノ構造化することで,通常の電子・ホール伝導性に加え,イオン伝導性を生じさせることが可能になります。この挙動を電子構造というミクロなレベルで解明し,半導体デバイスの概念を応用して,電気特性や表面・界面の構造制御を意図的に行うことで,電気化学デバイスや電子デバイスの性能を飛躍的に向上させることを目的としています。

 本研究室が目指すデバイスは,

  ・中高温域で安定に作動する高効率な固体酸化物燃料電池
  ・人間の脳と類似する新しいタイプの記憶素子(脳型メモリー素子)
  ・酸化還元反応を利用した低消費電力の磁気メモリー素子
  ・イオンの挿入・脱離現象を利用した抵抗変化メモリー素子
です。
 卒業研究では,葛飾キャンパスで整備された研究室において,当研究室独自のセラミックスおよび薄膜作製技術を用いて酸化物半導体薄膜とデバイス構造を作製し,各種伝導体の基礎物性からデバイスとしての特性までを一貫して研究していきます。


研究テーマの一例

1. 酸化物電解質/電極を用いた固体酸化物燃料電池のデバイス化と発電特性の研究

 中高温域(300〜700℃)で作動する固体酸化物燃料電池の実現を目的として,酸化物半導体のプロトン伝導性と電子-イオン混合伝導性を活かした電解質/電極へテロ接合界面(三相界面)を作製し、電極反応機構を研究します。そして,酸素欠陥・キャリアー・結晶構造を系統的に制御することで,安定かつ高効率な発電特性を実現するための,条件の最適化を行います。


2. 電子-イオン混合伝導体を用いた脳型メモリー素子の開発

 酸化物半導体に欠陥を形成させることで,電子-酸素イオンの混合伝導性を有するようになります。この電子-イオン混合伝導体を金属電極で挟み,ショットキー接合を形成することで,原子スイッチ現象を発現させます。この現象を活かしたシナプス構造を作製し,人間の脳の記憶形態と類似する脳型メモリー素子(短期記憶と長期記憶)を実現します。


3. 酸化還元反応に基づく全固体ナノイオニクス磁気メモリー素子の開発

 酸化還元反応を有する酸化物イオン伝導体と磁性酸化物のヘテロ接合界面を形成し,イオンによりスピンの制御を可能にします。ヘテロ接合界面および印加電圧や磁場の最適化により,高速スイッチングを有する磁気メモリー素子(MRAM)の高性能化を実現します。(新聞掲載予定)


4. イオンの挿入・脱離現象を利用した抵抗変化メモリー素子の開発

 VO2, Fe3O4等の強相関電子系酸化物は,格子歪やキャリアーの注入により電気抵抗が変化します。本研究では,イオン伝導体を組み込んだ電気二重層トランジスターを作製し,印加電圧に伴うイオンの挿入・脱離により,結晶構造を変化させ,電気抵抗を意図的に制御します。この電気抵抗の変化を利用した,高速な抵抗変化メモリー素子(ReRAM)を実現します。






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