JP6225347B2 - 電子素子 - Google Patents
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Description
〔1〕 ナノギャップを有するように配置された一方の電極及び他方の電極と、前記一方の電極と前記他方の電極との間で少なくとも何れかの電極上に設けられたハロゲンイオンと、を備え、前記ハロゲンイオンは、前記一方の電極上で前記他方の電極に対向するように設けられるか、又は、前記一方の電極の表面と前記他方の電極の表面に互いに対向するように設けられ、前記一方の電極に設けられたハロゲンイオンの数が前記他方の電極に設けられたハロゲンイオンの数と異なる、電子素子。
〔2〕 前記一方の電極と前記他方の電極との間に電圧を正の値から負の値まで及び/又は負の値から正の値まで連続的に変化させると、前記一方の電極と前記他方の電極との間に流れる電流波形が非対称となる、前記〔1〕に記載の電子素子。
〔3〕 前記一方の電極と前記他方の電極との間の電圧に対する電流特性が、負性微分コンダクタンスを有する、前記〔1〕に記載の電子素子。
〔4〕 前記一方の電極と前記他方の電極との間に印加する電圧の値に応じてハロゲンイオンの状態を変化させ、前記一方の電極と前記他方の電極との間に流れる電流の値に対応させて情報の書き込み状態と情報の消去状態とを維持する、前記〔1〕に記載の電子素子。
2:絶縁層
3A,3B,4A,4B:金属層
5A:ナノギャップ電極(一方の電極)
5B:ナノギャップ電極(他方の電極)
6:ハロゲンイオン
10:電子素子
図1は、本発明の実施形態に係る電子素子の構成を示しており、(A)は断面図、(B)は平面図である。本発明の実施形態に係る電子素子10は、基板1と、基板1上に設けられた絶縁層2と、絶縁層2上にナノギャップ長を有するように設けられた一方の電極5A及び他方の電極5Bと、一方の電極5A、他方の電極5Bの少なくとも何れかの電極に設けられたハロゲンイオン6と、を備える。ここで、ナノギャップ長とは数nm、例えば0.3nm〜12nmの寸法である。一方の電極5Aと他方の電極5Bでナノギャップ電極が構成される。
一方の電極5A及び他方の電極5Bは、Au、Al、Ag、Cu、Niなどにより形成され得る。一方の電極5A及び他方の電極5Bは、密着層3A,3Bと金属層4A,4Bとを順に積層することで形成されてもよい。ここで、密着層3A,3BはTi、Cr、Niなどで形成されることができ、金属層4A,4Bは、密着層3A,3B上にAu、Al、Ag、Cu、Niなどの別の又は同一の金属で形成され得る。
ハロゲンイオン6としては、臭素イオン,塩素イオン,ヨウ素イオンである。ナノギャップ電極間に存在し、電気伝導に寄与するハロゲンイオン6は、一方の電極5A,他方の電極5Bに均等の数で配置されているのではなく、何れか一方に偏って配置される。
図1に示す電子素子の特性について説明する。図2は図1に示す電子素子の電流電圧特性を示す。横軸は電圧V(V)であり、縦軸は電流I(A)である。電子素子10の一方の電極5Aと他方の電極5Bとの間に電圧を印加する。他方の電極5Bを接地した状態で、一方の電極5Aに電圧を掃引する。正バイアスを増加させると電流が増加し、或る電圧に達した後に減少させても元の電流波形とはならない。また、負バイアスを増加させると、或る電圧を超えると負性微分コンダクタンスの領域となる。つまり、或る負バイアスのとき、一方の電極5Aと他方の電極5Bとの間においてハロゲンイオン6の状態を変化させることができる。図1に示すように、電子素子10の電流電圧波形は、電圧を正の値から負の値まで、負の値から正の値までの何れか又は双方を、一回又は複数回、連続的に変化させた場合に電流波形が非対称となるヒステリシスを描く。このことから、何れかの電極表面にハロゲンイオンが吸着していることにより、電気伝導に寄与するナノギャップ間の電極構造が電気的に非対称となっている。
図2に示すような電流−電圧特性が得られるのは、ナノギャップ電極間に電圧を印加することにより、ギャップ間に存在するハロゲンイオンの価数が変化してその結果として酸化還元反応が生じ、又はギャップ間に存在するハロゲンイオンの個数が変化してその結果として伝導に寄与するハロゲンイオンの個数が変化し、ナノギャップ電極間の導電性が変化しているためと考えられる。このことは、後述するナノギャップ電極間に存在するハロゲンイオンの個数が電気伝導度に影響を与えていることから示唆されるものである。また、ナノギャップ電極間に電圧を印加することにより、イオンがマイグレーションしたため、導電性が変化したとも考えられる。
書込電圧Vwrite<0<読取電圧Vread<消去電圧Verase
又は、書込電圧Vwrite>0>読取電圧Vread>消去電圧Verase
が成り立つように、各電圧を設定する。すると、電子素子10をメモリ素子として用いることができ、またスイッチング素子として用いることができる。
図1に示す電子素子の製造方法について説明する。先ず、第1ステップとして基板1上に第1の絶縁層2を形成する。次に、第2ステップとして、分子定規無電解メッキ法によりナノギャップ電極5A,5Bを形成する。
混合溶液であるメッキ液には、分子定規の機能を果たす界面活性剤と、析出する金属の陽イオンが混入されている水溶液、例えば塩化金(III)酸水溶液と還元剤と、が含まれ、この混合液に後述するように酸が含まれていることが好ましい。
L(+)−アスコルビン酸は、上述した還元剤の中では還元作用が弱く、クラスターの生成をより少なくし、電極表面を触媒にして金を0価へ還元するため、還元剤として用いるのが好適である。
最初に、シリコン基板1上にシリコン酸化膜2が全面に設けられた基板を用意し、その基板上にレジストを塗布し、EBリソグラフィー技術によりギャップ長30nmとなる金属層3A,3Bとしてのイニシャル電極のパターンを描画した。現像後、EB(Electron Beam)蒸着により2nmのTi膜を蒸着し、そのTi膜上にAuを10nm蒸着して、金属層3A,3Bとしてのイニシャルの金ナノギャップ電極を作製した。
図10は電流電圧特性を示す図である。横軸は電圧V(V)であり、縦軸は電流(μA)である。図6と同様に電圧の正負で電流の特性が異なり、負バイアスを印加した状態において負性微分コンダクタンス領域が存在することが分かった。また、約−0.3Vを読出電圧、約−1.0Vを消去電圧、約0.8Vを書込電圧として設定すればよいことが分かった。
図14は電流電圧特性を示す図である。横軸は電圧V(V)であり、縦軸は電流I(μA)である。図6と同様に電圧の正負で電流の特性が異なり、負バイアスを印加した状態において負性微分コンダクタンス領域が存在することが分かった。また、約−0.2Vを読出電圧、約−1.0Vを消去電圧、約0.8Vを書込電圧として設定すればよいことが分かった。
図18は電流電圧特性を示す図である。横軸は電圧V(V)であり、縦軸は電流(μA)である。図6と同様に電圧の正負で電流の特性が異なるが、この結果では正バイアスを印加した状態において負性微分コンダクタンス領域が存在することが分かった。また、約+0.1Vを読出電圧、約+1.1Vを消去電圧、約−0.85Vを書込電圧として設定すればよいことが分かった。
実施例1と同様に作製したナノギャップを有する電極の隙間に、下記化学式で示されるチオール官能化オリゴ(フェニレンエチニレン)(OPE)で保護された金ナノ粒子を配置した。具体的には、Auで3.6nmのナノギャップ電極を電子ビームリソグラフィーと分子定規無電解メッキを用いて作製した。その後、チオール官能基で保護されたAuナノ粒子(2.0nmのコア平均直径サイズ)の溶液中に、Auナノギャップ電極を浸漬した。電気的な測定は室温で行った。
最初に、シリコン基板1上にシリコン酸化膜2を全面に設けた基板を用意し、その基板上にレジストを塗布し、EBリソグラフィー技術によりギャップ長30nmとなる金属層3A,3Bとしてのイニシャル電極のパターンを描画した。現像後、EB蒸着により2nmのTi膜を蒸着し、そのTi膜上にAuを10nm蒸着して、金属層3A,3Bとしてのイニシャルの金ナノギャップ電極を作製した。
次に、ヨウ素無電解メッキ液を用意した。ヨードチンキ溶液に金箔を溶かすことにより、[AuI4]−イオンとして金を溶かし、還元剤としてL(+)−アスコルビン酸を加え、[AuI2]−イオンに還元する。この溶液をメッキ液とし、室温下でメッキ液へのサンプルの浸漬処理を複数回繰り返すことにより、ヨウ素無電解メッキを用いて、種電極層にメッキを施す。
Claims (4)
- ナノギャップを有するように配置された一方の電極及び他方の電極と、
前記一方の電極と前記他方の電極との間で少なくとも何れかの電極上に設けられたハロゲンイオンと、
を備え、
前記ハロゲンイオンは、前記一方の電極上で前記他方の電極に対向するように設けられるか、又は、前記一方の電極の表面と前記他方の電極の表面に互いに対向するように設けられ、前記一方の電極に設けられたハロゲンイオンの数が前記他方の電極に設けられたハロゲンイオンの数と異なる、電子素子。 - 前記一方の電極と前記他方の電極との間に電圧を正の値から負の値まで及び/又は負の値から正の値まで連続的に変化させると、前記一方の電極と前記他方の電極との間に流れる電流波形が非対称となる、請求項1に記載の電子素子。
- 前記一方の電極と前記他方の電極との間の電圧に対する電流特性が負性微分コンダクタンスを有する、請求項1に記載の電子素子。
- 前記一方の電極と前記他方の電極との間に印加する電圧の値に応じて前記ハロゲンイオンの状態を変化させ、前記一方の電極と前記他方の電極との間に流れる電流の値に対応させて情報の書き込み状態と情報の消去状態とを維持する、請求項1に記載の電子素子。
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