JP6233772B2 - 非線形素子 - Google Patents
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Description
本発明は、スパイク信号を発生することができる非線形素子に関する。
現在、生物の脳における情報処理の特徴を模倣したニューラルネットワークの研究が盛んに行われており、このニューラルネットワーク研究においては、ニューロンの機能は電子回路を用いて再現されている。
しかし、このような電子回路化されたニューロン素子は、その構造が複雑であり、またサイズが大きいため、集積化が困難であるという問題があった。
そこで、近年、分子電子素子をニューロン素子の構成部品として使用することにより、回路を簡素化して集積化を容易にし、ニューラルネットワーク構築を目指した技術が報告されている。
より具体的には、例えば、分子電子素子である機能性分子素子を利用したニューロン素子及びそれを用いたニューラルネットワーク情報処理装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１の機能性分子素子は、この素子を流れる電流が印加電圧に対し変曲点を有する関数として表されるという電流電圧特性を有するため、この機能性分子素子を、出力信号を定める素子として利用することにより、回路を簡素化することができるとともに、効果的なアナログ型の出力特性を提供することができると記載されている。
ここで、近年注目を集めている、生体の神経回路により近いスパイキングニューラルネットワークの研究においては、実際にスパイク信号（パルス）を発生するようなニューロン素子の開発が求められており、特に、単一素子でスパイクを発生するような生体の神経回路により近い系の開発が望まれている。
しかし、上記特許文献１に記載されたニューロン素子においては、上述のごとく、回路を簡素化して集積化を容易にすることはできるものの、本質的に古典的ニューラルネットワークでの使用を想定したニューロン素子であり、単一でスパイク信号を発生することができるような素子ではないため、スパイキングニューラルネットワーク研究等への応用は困難であるという問題があった。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、単一の分子電子素子として機能し、素子の集積化が容易であり、かつ、スパイク信号を発生することができる非線形素子を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の非線形素子は、電極と、導電性粒子と、該導電性粒子に接続され、非線形な電流電圧特性を示す粒子とにより構成され、前記電極に接続されたネットワーク構造体とを備えることを特徴とする。
同構成によれば、本発明に係る非線形素子をしきい素子としてニューロン素子に利用した場合に、ニューロン素子の集積化が容易となり、複雑かつ高度なスパイキングニューラルネットワーク構築を可能とする。
本発明によれば、ニューロン素子の集積化が容易となり、複雑かつ高度なスパイキングニューラルネットワーク構築が可能となる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
図１は、本発明の実施形態に係る非線形素子の構造を示す斜視図である。
図１に示すように、本実施形態の分子電子素子１は、基板４２と、基板４２上に形成された非線形素子２とにより構成され、非線形素子２は、基板４２上に一定の距離で離間されて配置された２つの電極４１ａ，４１ｂと、基板４２上において、電極４１ａ，４１ｂの間に配置されたネットワーク構造体３０とを備えている。
ここで、本発明において、「分子電子素子」とは、分子レベルで結合位置などを制御した分子集合体、及びこのような分子集合体と基板とが一体となった素子を意味し、好ましくはスイッチ機能や、メモリ機能など所定の機能を有する素子を意味する。
基板４２は、非線形素子２を保持する支持台としての役割を有するものであり、基板４２の表面は電気的絶縁性を有する材料により形成される。基板４２の種類としては、ガラス基板、熱酸化膜付シリコン基板、樹脂基板など、基板４２表面に電気的絶縁性を有する基板であれば特に限定されない。また、基板４２は、非線形素子２を保持することができる材質であれば、板状など硬質のものも、フィルム状など軟質のものも使用することができる。また、基板４２は、板状、球状、リボン状等、いかなる形状であってもよい。
電極４１ａ，４１ｂは、電極４１ａ，４１ｂに接続されたネットワーク構造体に電流を流す役割を有するものであり、導電性を有する材料であれば特に限定されない。電極４１ａ，４１ｂの材料としては、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｃｕなどの金属、シリコン、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）などが挙げられ、必要に応じて複数の種類の材料を組み合わせて使用することができる。また、電極４１ａ，４１ｂの形状は、板状、薄膜状、ブロック形状、円柱状、針状、球状、リボン状、繊維状等、いかなる形状のものも使用できる。
また、本発明の実施形態においては、電極４１ａ，４１ｂは、単一の電極によって構成されていても、複数の電極によって構成されていてもよい。より具体的には、例えば、電極４１ａ，４１ｂを部分的に含む、絶縁体で接続された単一の電極によって構成されていてもよい。また、例えば、電極４１ａ，４１ｂ間に配置されたネットワーク構造体３０に、他方向から電圧等の外部刺激を加えることができるように、電極４１ａ，４１ｂに加えてさらに複数の電極によって構成されていてもよい。
次に、ネットワーク構造体３０は、図１に示すように、複数の導電性粒子３１と、複数の非線形な電流電圧特性を示す粒子（以下、「非線形ＩＶ特性粒子」という。）３２とから構成されている。
ここで、本発明において、「粒子」とは、１ｎｍ〜１００μｍの径を有する単分子又は物質の集合体を意味する。具体的には、例えば、分子、イオン、錯体、ポリマー、液晶分子、金属、有機材料、無機材料、有機無機ハイブリッド材料などの物質及びこれら物質の混合物により構成され、粒子形状に成形可能なものである。
また、本発明において、「ネットワーク構造体」とは、導電性粒子３１及び非線形ＩＶ特性粒子３２が、物理的、電気的、磁気的、又は化学的接続、もしくはこれら接続状態のうち複数の接続状態を含む接続を介して、相互に接触している構造体を意味する。
導電性粒子３１は、電極４１ａ，４１ｂと、非線形ＩＶ特性粒子３２とを接続し、電極間に配置されたネットワーク構造体３０に電流を流す配線の役割を有するものであり、導電性を示す物質により構成される粒子である。より具体的には、導電性を有する分子、イオン、錯体、ポリマー、液晶分子、金属、有機材料、無機材料、有機無機ハイブリッド材料などの物質及びこれら物質の混合物により構成される粒子である。
ここで、本発明の実施形態においては、導電性粒子３１として、導電性ナノワイヤを使用することができる。
本発明において、「導電性ナノワイヤ」とは、繊維状の形状を有する導電性粒子を意味し、直径が１ｎｍ〜１００μｍ、より好ましくは１ｎｍ〜２００ｎｍ、長さが１０ｎｍ〜１００μｍ、より好ましくは、１００ｎｍ〜１００μｍの繊維状導電性粒子である。導電性ナノワイヤの種類としては、例えば、カーボンナノチューブなどの有機物ナノワイヤ；Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｓｎ等からなる群より選択された１種類以上の元素で構成される金属ナノワイヤ；ＩｒＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＩＴＯ等からなる群より選択された１種類以上の酸化物で構成される酸化物ナノワイヤ及びこれらの混合ナノワイヤなどが挙げられる。
また、本発明の実施形態においては、導電性粒子３１として、カーボンナノチューブを使用してもよい。
カーボンナノチューブは実質的にグラファイトの１枚面を巻いて筒状にした形状を有しており、１層に巻いたものを単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）、多層に巻いたものを多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）という。カーボンナノチューブは、優れた強度、弾性率、導電性等を有し、その繊維状の形状から、分子電子素子の配線として使用することが可能である。本発明においては、ＳＷＮＴ及びＭＷＮＴを各々単独で用いてもよく、２種以上を併せて用いてもよい。カーボンナノチューブは、半導体性カーボンナノチューブ、金属性カーボンナノチューブ、あるいは両者の混合物を使用することができる。半導体性カーボンナノチューブと金属性カーボンナノチューブとの混合物を用いる場合、混合物中の両者の含有比率は、導電性の観点から、金属性カーボンナノチューブの含有比率が高いほうが好ましい。また、カーボンナノチューブには金属などが内包されていてもよく、フラーレン等の分子が内包されたものを用いてもよい。なお、本発明の導電性粒子には、カーボンナノチューブの他に、カーボンナノホーン、カーボンナノコイル、カーボンナノビーズなどのナノカーボンが含まれてもよい。
なお、本発明の実施形態において、導電性粒子３１の形状は、特に限定されるものではない。例えば、球状、略球状、円柱状、略円柱状、水滴形状、針状、繊維状、フィルム状等、種々の形状のものを使用することができる。
次に、本発明において、「非線形な電流電圧特性」とは、印加電圧に対して出力電流が比例しない電流電圧特性のことをいい、具体的には例えば、半導体のｐｎ接合（以下、ｐｎ接合という。）に見られる整流性、ショットキー接合に見られる整流性、数十ｎｍの幅で大量にドープされたｐｎ接合に見られる負性微分抵抗、トンネル接合に見られるクーロンブロッケード現象等が挙げられる。ここで、整流性とは、電流を一定方向にのみ流す特性、負性微分抵抗とは印加電圧の増加に伴い電流が減少する特性、クーロンブロッケード現象とは低印加電圧で電流が減少する特性のことをいう。
また、本発明において、「非線形な電流電圧特性を示す粒子（非線形ＩＶ特性粒子）」とは、粒子が、物理的、電気的、磁気的、又は化学的接続、もしくはこれら接続状態のうち複数の接続状態を含む接続を介して電極に接続されており、その電極に電圧を印加した場合に、上述の非線形な電流電圧特性を示す粒子のことをいう。
本発明の実施形態において、非線形ＩＶ特性粒子３２は、導電性粒子３１に接触し、ネットワーク構造体３０を形成する接点の役割を有するとともに、電流が流れた場合に、上述の非線形な電流電圧特性を示し、スイッチ機能やメモリ機能などを発現する機能性素子としての役割を有する。例えば、負性微分抵抗を示す物質としては、酸化還元能を有する、共鳴トンネル効果を示す、又は水晶振動子に相当する構造を有する分子、イオン、錯体、ポリマー、液晶分子、金属、有機材料、無機材料、有機無機ハイブリッド材料などの物質及びこれら物質の混合物により構成される粒子である。また、酸化還元能を有する物質は、例えば、ポリオキソメタレート（ＰＯＭ）、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＭｏＯ３、ＭｎＯ２、ＳｉＯ２、Ｃｏ３Ｏ４、ＴａＯＸ等の金属酸化物、ＭｏＳ２等の遷移金属硫化物、Ｍｏ２Ｎ等の金属窒化物、ＬｉＴｉ５Ｏ１２等の複合金属酸化物、ＬｉＦｅＰＯ４等のリン酸塩、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリインドール、ポリパラフェニレン及びこれらの誘導体等である。
ここで、本発明の実施形態においては、非線形ＩＶ特性粒子３２として、ポリオキソメタレート（ＰＯＭ）の粒子を使用してもよい。
ＰＯＭは、一般式［ＸａＭｂＯｃ］ｎ−で表すことができる金属酸化物である。Ｘは、主として、第１３〜１５族から選ばれる少なくとも１種の元素かコバルトあるいは希土類から選ばれる少なくとも１種の元素であり、より具体的には例えば、Ｐ、Ａｓ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃｏ、Ａｌなどである。Ｍは、主として第５〜１１族から選ばれる少なくとも１種の元素（ｂ＝１、２、３、・・・）であり、他にもランタノイド系、アクチノイド系のものも含まれ、より具体的には例えば、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｔａ、Ａｌなどである。具体的なポリオキソメタレートの例は、［Ｍｏ６Ｏ１９］２−、［ＰＭｏ１２Ｏ４０］３−、［ＢＷ１２Ｏ４０］５−、［ＳｂＷ６Ｏ２４］８−、［ＳｉＶ２Ｗ１０Ｏ４０］６−などである。
なお、本発明の実施形態において、非線形ＩＶ特性粒子３２の形状は、特に限定されるものではない。例えば、球状、略球状、円柱状、略円柱状、水滴形状、針状、繊維状、フィルム状等、種々の形状のものを使用することができる。
ここで、本実施形態の非線形素子２においては、電極４１ａ，４１ｂに接続されたネットワーク構造体３０が、導電性粒子３１と、導電性粒子３１に接続された非線形ＩＶ特性粒子３２とにより構成されている点に特徴がある。
例えば、図２に示すように、本発明の実施形態におけるネットワーク構造体３０は、繊維形状を有する導電性粒子３１及び略球形状を有する非線形ＩＶ特性粒子３２から構成され得る。この場合、ネットワーク構造体３０は、繊維形状を有する導電性粒子３１及び略球形状を有する非線形ＩＶ特性粒子３２の、物理的接続を伴う接続領域３３を介して、相互に接触し得る。
このような構成により、本発明に係る非線形素子２の電極４１ａ，４１ｂに電圧を印加した場合に、スパイク信号を発生させることができるため、本発明に係る非線形素子２をしきい素子としてニューロン素子に利用した場合に、集積化が容易なニューロン素子として有用であり、複雑かつ高度なスパイキングニューラルネットワーク構築が可能となる。
なお、本発明において「しきい素子」とは、特定のしきい値（例えば、電圧の下限値等）以上の入力信号に対して信号を出力し、しきい値以下の入力信号に対しては信号を出力しない素子を意味する。
ここで、本発明の実施形態に係る非線形素子２が、スパイク信号を発生する素子であるためには、負性微分抵抗素子を備える電子回路と等価であることが好ましい。負性微分抵抗素子を備える電子回路は、図３（ａ）に示すフィッツヒュー＝南雲モデル（R. FitzHugh, Bull. Math. Biophysics 17, 257-278 (1955)）と等価である場合に、スパイク信号を発生する回路として機能し得る。
図３（ａ）に示すように、フィッツヒュー＝南雲モデルは、負性微分抵抗素子としてトンネルダイオードを利用してニューロン発火現象におけるスパイク信号発生を再現した電気回路モデルである。フィッツヒュー＝南雲モデルにおいては、外部から電圧パルスなどの刺激を受けた場合、その刺激量があるしきい値を超えると、スパイク信号を一つ発生する（以下、状態Ａとする）。また、電圧Ｅ及び抵抗Ｒの条件に応じて、外部から刺激を受けなくても、スパイク信号を連続的に発生し続けることも可能である（以下、状態Ｂとする）。
また、負性微分抵抗素子を備える電子回路は、ダイオード発振器と同様に発振回路として機能し得る。このとき流れる電流は、発振振幅が印加電圧の上昇に伴い漸増するノイズ電流である。
ここで、負性微分抵抗素子を備える電子回路が、発振回路であり、フィッツヒュー＝南雲回路と等価かつ状態Ａにある場合に、印加電圧の上昇に伴い、回路内で発生するノイズがランダムな外部刺激の代わりとなり、その刺激値が確率的にしきい値を超えてランダムなスパイク電流を発生する状態Ｂとなる。このような電子回路は、ノイズアシスト型フィッツヒュー＝南雲モデル（図３（ｂ）、L. Gonzalez-Carabarin, T. Asai, M. Motomura, J. Signal Processing 16, 503-509 (2012)）と等価であると考えることができる。
そして、本発明の実施形態に係るネットワーク構造体３０においては、図４に示すように、例えば、単一の導電性粒子３１と、接続領域３３を介して接続された単一の非線形ＩＶ特性粒子３２とにより構成される接続体３６を、複数個備えている。ここで、接続体３６においては、例えば、接続体３６と、接続体３６に接続された電極４１ａ，４１ｂとにより構成される構造物５に電圧を印加した場合に、その電流電圧特性が負性微分抵抗を示すことが好ましい。
例えば、導電性粒子３１としてＳＷＮＴを、非線形ＩＶ特性粒子３２としてＰＯＭを使用した場合、本実施形態におけるネットワーク構造体３０は、ＰＯＭが介在するとともに、ＳＷＮＴとＰＯＭとにより構成された接続体３６を備える。ここで、本発明者らは、ＳＷＮＴとＰＯＭとの接続体３６が、印加電圧の増加に伴い出力電流が減少する電流電圧特性（すなわち、上述のごとく、負性微分抵抗）を示すことを確認している。従って、本実施形態における非線形素子２は、負性微分抵抗素子を備える電子回路として使用することができる。
すなわち、本実施形態における非線形素子２は、非線形素子２の両端に電圧を印加した場合にスパイク電流を出力する素子として機能し得る。従って、本発明の実施形態に係る非線形素子２をパルス（スパイク信号）発生素子として、パルスジェネレータに利用することが可能である。
また、本実施形態における非線形素子２は、発振回路として使用することが可能である。すなわち、本発明の実施形態における非線形素子２は、非線形素子２の両端に電圧を印加した場合に発振電流を出力する素子としても機能し得る。また、非線形素子２の両端に電圧を印加した場合にノイズ電流を出力する素子としても機能し得る。
また、本実施形態における非線形素子２は、非線形素子２の両端に電圧を印加した場合に、ノイズアシスト型フィッツヒュー＝南雲モデルと等価となり、ノイズ電流及びスパイク電流を出力する素子としても機能し得る。
また、本実施形態における非線形素子２は、しきい値を超える外部刺激が与えられた場合にスパイク信号を出力するしきい素子としても機能し得る。従って、本実施形態における非線形素子２をしきい素子として利用することにより、ニューロン素子を作製することが可能である。そして、本実施形態における非線形素子２をしきい素子とするニューロン素子を複数個接続し、ニューラルネットワーク情報処理装置を作製することが可能である。
なお、本実施形態における非線形素子２においては、ネットワーク構造体３０中のＳＷＮＴ及びＰＯＭの混合比及び素子サイズを調整することにより、所望の印加電圧（例えば、８０Ｖ〜１５０Ｖの間の任意の電圧）においてスパイク信号を発生し得る非線形素子２を作製することが可能である。すなわち、本発明の実施形態における非線形素子２においては、導電性粒子３１及び非線形ＩＶ特性粒子３２の混合比及び素子サイズを調整することにより、所望のしきい値を有するしきい素子を作製することが可能である。
次に、本実施形態の非線形素子２の作製方法について一例を挙げて説明する。
図５に示すように、容器６１ａ中において、繊維状の導電性粒子３１を、非線形ＩＶ特性粒子３２の原料である物質を溶解させた溶液６２中に懸濁させる。このとき、超音波処理を施すことにより、繊維状の導電性粒子３１の繊維束を解き、溶液６２中に一様に分散させておくことが好ましい。超音波処理により、繊維状の導電性粒子３１と、非線形ＩＶ特性粒子３２の原料である物質との接触面積が大きくなり、その結果、ネットワーク構造体３０中における、導電性粒子３１と、非線形ＩＶ特性粒子３２との接続領域３３が増加し、非線形素子２の特性を向上させることが可能である。
ここで、溶液６２を調整する際に使用する溶媒としては、導電性粒子３１又は導電性粒子３１の原料である物質、及び、非線形ＩＶ特性粒子３２の原料である物質を溶解、分散又は懸濁させ、ネットワーク構造体３０を作製する際に、粒子３１，３２の形状を形成し、かつ、接続領域３３を形成させることができる溶媒であることが好ましい。具体的には、メタノール、エタノール、アセトン、ジクロロメタン、クロロホルム、酢酸エチル、ジメチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジメチルホルムアミド、トルエン、キシレン、ヘキサン、ペンタン等の有機溶媒及び水、又はこれらの混合溶媒などが挙げられる。
次に、繊維状の導電性粒子３１を分散させた溶液６２に、超遠心処理を施し、溶液６２の上澄み部分をシリンジ６３を用いて採取し、ろ紙６５ａを備える漏斗６４及び受器６６からなるろ過装置を使用してろ過処理を施す。溶液６２の上澄み部分に、本実施形態におけるネットワーク構造体３０が含まれているため、本ろ過処理により、ろ紙６５ａ表面上に、ネットワーク構造体３０を吸着させて溶液６２から単離することができる。
次に、本実施形態におけるネットワーク構造体３０を表面に吸着させたろ紙６５ａを漏斗６４から取り外し、基板４２の絶縁性表面に貼着する（ろ紙６５ｂ）。ホットプレート６８上に、物質６７ａを入れた容器６１ｂを置き、容器６１ｂ上に、ろ紙６５ｂを貼着した基板４２を、ろ紙６５ｂを貼着した面を下に向けて置く。物質６７ａを加熱することにより物質６７ａが蒸発（物質６７ｂ）し、基板４２に貼着したろ紙６５ｂを溶解させ、基板４２表面からろ紙６５ｂのろ紙成分を取り除く。その結果、基板４２の絶縁性表面上に、導電性粒子３１と非線形ＩＶ特性粒子３２とにより構成されたネットワーク構造体３０を転写させ、吸着させることができる。
ここで、ネットワーク構造体３０を単離し、基板４２に吸着させるろ紙６５としては、溶液６２で使用した溶媒には溶解せず、物質６７には溶解する素材であることが好ましい。この際、溶液６２で使用した溶媒と物質６７が同一の物質であって、温度条件によるろ紙の溶解度の差により、溶解性を制御してもよい。すなわち、例えば溶媒として物質６７を用いて溶液６２を作製した場合に、ろ過処理時には０℃で、また、転写時には６０℃で行うといった温度差による処理方法を採用することが可能である。
ろ紙６５の材料としては、具体的には、セルロース混合エステル、ポリカーボネート等を使用することができる。また、ろ紙６５の孔径としては、導電性粒子３１及び非線形ＩＶ特性粒子３２の種類に合わせ、１０ｎｍ〜１０μｍのものを適宜使用することができる。
物質６７としては、ろ紙６５を溶解させる又はある温度以上で溶解させることが可能であり、かつ、ネットワーク構造体３０を劣化させない物質であることが好ましい。具体的には、アセトン、エタノール、トルエン、ジクロロメタン、クロロホルム等の有機溶媒等が挙げられる。
ネットワーク構造体３０を吸着させた基板４２上に、マスク６９を配置し、蒸着材料７０を矢印方向から蒸着することにより、ネットワーク構造体３０に接続された電極４１ａ，４１ｂを作製する。このようにして、本実施形態における非線形素子２を作製することができる。
次に、本発明の実施形態に係る非線形素子２の測定方法を説明する。
図６は、本発明の実施形態に係る非線形素子２の測定方法の一例を示す概略図である。
真空プローバー７１中において、本発明の実施形態に係る非線形素子２を素子７部分に設置し、電極４１ａ，４１ｂとプローブ針７１１ａ，７１１ｂを使用して（すなわち、図示していないが、電極４１ａ，４１ｂ上にプローブ針７１１ａ，７１１ｂを接触させ）、電極４１ａ，４１ｂに電圧を印加することにより測定を行う。入力側では、ファンクションジェネレータ７２をＤＣモードで使用し、アンプ７３によって３０倍に増幅させて電圧を印加する。出力側には、プリアンプ７４を経由して計測システム（ＤＡＱ２４ｂｉｔ）７５により出力信号を記録する。
また、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
本発明の実施形態におけるネットワーク構造体３０は、導電性粒子３１と非線形ＩＶ特性粒子３２の種類及び形状により、適宜様々な構造を有し得る。例えば、ネットワーク構造体３０は、導電性粒子３１と、導電性粒子３１の表面上に形成されたフィルム状の非線形ＩＶ特性粒子３２とにより構成されていてもよい。より具体的には、図７に示すように、繊維形状を有する導電性粒子３１の表面上を、フィルム状の非線形ＩＶ特性粒子３２で被覆した状態にある複合粒子５４が、フィルム状の非線形ＩＶ特性粒子３２の表面上で、複合粒子接続領域５３を介して、相互に接続された構造５０を有していてもよい。
また、本実施形態における複合粒子５４を構成する非線形ＩＶ特性粒子３２は、フィルム状の非線形ＩＶ特性粒子３２の代わりに、複数の非線形ＩＶ特性粒子３２により構成された薄膜状の非線形ＩＶ特性粒子３２の集合体であってもよい。
このような構成により、導電性粒子３１の表面上に一様に非線形ＩＶ特性粒子３２を存在させることができ、導電性粒子３１と非線形ＩＶ特性粒子３２との接続領域３３を形成し得る表面積が増加する。このため、ネットワーク構造体３０が備える接続領域３３の総数及び総面積が増加し、より小型の、しきい値電圧の低い本発明に係る非線形素子２を作製することが可能である。
以上に説明した本発明の実施形態においては、以下の効果を得ることができる。
（１）本発明の実施形態における非線形素子２は、電極４１ａ，４１ｂに接続されたネットワーク構造体３０が、導電性粒子３１と、導電性粒子３１に接続された非線形ＩＶ特性粒子３２とにより構成されている。従って、本発明に係る非線形素子２の電極４１ａ，４１ｂに電圧を印加した場合に、スパイク信号を発生させることができるため、本発明に係る非線形素子２をしきい素子としてニューロン素子に利用した場合に、集積化が容易なニューロン素子として有用であり、複雑かつ高度なスパイキングニューラルネットワーク構築が可能となる。
（２）本発明の実施形態におけるネットワーク構造体３０は、単一の導電性粒子３１と、接続領域３３を介して接続された単一の非線形ＩＶ特性粒子３２とにより構成される接続体３６を、複数個備えている。ここで、接続体３６においては、接続体３６と、接続体３６に接続された電極４１ａ，４１ｂとにより構成される構造物５に電圧を印加した場合に、その電流電圧特性が負性微分抵抗を示す。従って、本発明の実施形態における非線形素子２は、負性微分抵抗素子を備える電子回路として使用することができる。
（３）本発明の実施形態におけるネットワーク構造体３０は、導電性粒子３１と、導電性粒子３１の表面上に形成されたフィルム状の非線形ＩＶ特性粒子３２又は薄膜状の非線形ＩＶ特性粒子３２の集合体とにより構成され得る。従って、導電性粒子３１の表面上に一様に非線形ＩＶ特性粒子３２を存在させることができ、導電性粒子３１と非線形ＩＶ特性粒子３２との接続領域３３を形成し得る表面積が増加する。このため、ネットワーク構造体３０が備える接続領域３３の総数及び総面積が増加し、より小型の、しきい値電圧の低い本発明に係る非線形素子２を作製することが可能である。
（４）本発明の実施形態における非線形素子２は、複数の電極によって構成されていてもよい。従って、電極４１ａ，４１ｂ間に配置されたネットワーク構造体３０に、他方向から電圧等の外部刺激を加えることが可能である。
（５）本発明の実施形態に係る非線形素子２は、非線形素子２の両端に電圧を印加した場合にスパイク電流を出力する素子として機能し得る。従って、本発明の実施形態に係る非線形素子２をパルス（スパイク信号）発生素子として、パルスジェネレータに利用することが可能である。
（６）本発明の実施形態に係る非線形素子２は、発振回路として使用することが可能である。すなわち、本発明の実施形態に係る非線形素子２は、非線形素子２の両端に電圧を印加した場合に発振電流を出力する素子としても機能し得る。また、非線形素子２の両端に電圧を印加した場合にノイズ電流を出力する素子としても機能し得る。
（７）本発明の実施形態における非線形素子２は、非線形素子２の両端に電圧を印加した場合に、ノイズアシスト型フィッツヒュー＝南雲モデルと等価となり、ノイズ電流及びスパイク電流を出力する素子としても機能し得る。
（８）本発明の実施形態における非線形素子２は、しきい値を超える外部刺激が与えられた場合にスパイク信号を出力するしきい素子としても機能し得る。従って、本発明の実施形態に係る非線形素子２をしきい素子として利用することにより、ニューロン素子を作製することが可能である。そして、本発明の実施形態に係る非線形素子２をしきい素子とするニューロン素子を複数個接続し、ニューラルネットワーク情報処理装置を作製することが可能である。
（９）本発明の実施形態における非線形素子２は、ネットワーク構造体３０中の導電性粒子３１及び非線形ＩＶ特性粒子３２の混合比及び素子サイズを調整することにより、所望のしきい値を有するしきい素子とすることが可能である。
次に、具体的に実施した実施例について説明する。
（実施例１）
（ＳＷＮＴの精製）
ＳＷＮＴ（Carbon Nanotechnologies, Inc. Houston, TX）をアモルファスカーボン除去のため大気下２００℃で２０時間加熱処理を施した後、触媒金属除去のため１２ｍｏｌ／Ｌの塩酸で洗浄後、超純水で洗浄し、精製済みＳＷＮＴを得た。
（ＳＷＮＴの精製）
ＳＷＮＴ（Carbon Nanotechnologies, Inc. Houston, TX）をアモルファスカーボン除去のため大気下２００℃で２０時間加熱処理を施した後、触媒金属除去のため１２ｍｏｌ／Ｌの塩酸で洗浄後、超純水で洗浄し、精製済みＳＷＮＴを得た。
（ＳＷＮＴ／ＰＯＭネットワーク構造体の作製）
ＳＷＮＴ／ＰＯＭネットワーク構造体を以下の要領で作製した。まず０．８ｍｇのリンモリブデン酸（H3PMo12O40・nH2O、和光純薬工業（株）社製）を１０ｍＬのエタノールに溶解した。その後１．６ｍｇの精製済みＳＷＮＴを加えた。１６時間超音波処理を施した後、４０００ｒｐｍで３時間遠心処理を行った。上澄み１ｍＬを粗さ１μｍのセルロース混合エステルろ紙（ＭＣＥろ紙、Millipore社製）を用いて吸引ろ過することにより、ろ紙上にネットワーク構造体が形成された。その後吸引ろ過装置にＭＣＥろ紙を設置したままエタノール、超純水で吸引ろ過することにより洗浄した。ＭＣＥろ紙が乾燥しないうちに、アセトン及びエタノールで洗浄済みの熱酸化膜付きシリコン基板（ＳｉＯ２基板）上にＭＣＥろ紙を添付し、裏返したものを、アセトンを入れたサンプル瓶の上に置き、サンプル瓶をホットプレート（プレート温度８０℃）で１時間加熱した。アセトンの蒸気がＭＣＥろ紙を溶解させ、ＭＣＥろ紙が基板上から除去され、ＳｉＯ２基板上にＳＷＮＴ／ＰＯＭネットワーク構造体を形成した。
ＳＷＮＴ／ＰＯＭネットワーク構造体を以下の要領で作製した。まず０．８ｍｇのリンモリブデン酸（H3PMo12O40・nH2O、和光純薬工業（株）社製）を１０ｍＬのエタノールに溶解した。その後１．６ｍｇの精製済みＳＷＮＴを加えた。１６時間超音波処理を施した後、４０００ｒｐｍで３時間遠心処理を行った。上澄み１ｍＬを粗さ１μｍのセルロース混合エステルろ紙（ＭＣＥろ紙、Millipore社製）を用いて吸引ろ過することにより、ろ紙上にネットワーク構造体が形成された。その後吸引ろ過装置にＭＣＥろ紙を設置したままエタノール、超純水で吸引ろ過することにより洗浄した。ＭＣＥろ紙が乾燥しないうちに、アセトン及びエタノールで洗浄済みの熱酸化膜付きシリコン基板（ＳｉＯ２基板）上にＭＣＥろ紙を添付し、裏返したものを、アセトンを入れたサンプル瓶の上に置き、サンプル瓶をホットプレート（プレート温度８０℃）で１時間加熱した。アセトンの蒸気がＭＣＥろ紙を溶解させ、ＭＣＥろ紙が基板上から除去され、ＳｉＯ２基板上にＳＷＮＴ／ＰＯＭネットワーク構造体を形成した。
（電極作製）
ＳＷＮＴ／ＰＯＭネットワーク構造体が形成されたＳｉＯ２基板上に、メタルマスクを設置し抵抗加熱蒸着法により、Ａｕ（膜厚８０ｎｍ）電極構造を作製した。
ＳＷＮＴ／ＰＯＭネットワーク構造体が形成されたＳｉＯ２基板上に、メタルマスクを設置し抵抗加熱蒸着法により、Ａｕ（膜厚８０ｎｍ）電極構造を作製した。
（測定）
真空プローバー（ナガセテクノエンジニアリング（株）社製、極低温プローバーARK-HELIPS-LV）に、入力側にファンクションジェネレータ（（株）エヌエフ回路設計ブロック社製、WF1974）及びアンプ（３０倍に増幅）を接続し、出力側にプリアンプ及びＮＩ９２２７計測システム（ＤＡＱ２４ｂｉｔ、National Instruments社製、NI 9227）を接続し、ＰＣ上でLabVIEW（National Instruments社）（登録商標）を使用して測定を行った。真空プローバー中に設置されたプローブ針を素子に接触させて測定を行った。なお、本実施例１において、図６中の素子７は本発明に係る非線形素子である。図８、図９及び図１０に測定結果を示す。
真空プローバー（ナガセテクノエンジニアリング（株）社製、極低温プローバーARK-HELIPS-LV）に、入力側にファンクションジェネレータ（（株）エヌエフ回路設計ブロック社製、WF1974）及びアンプ（３０倍に増幅）を接続し、出力側にプリアンプ及びＮＩ９２２７計測システム（ＤＡＱ２４ｂｉｔ、National Instruments社製、NI 9227）を接続し、ＰＣ上でLabVIEW（National Instruments社）（登録商標）を使用して測定を行った。真空プローバー中に設置されたプローブ針を素子に接触させて測定を行った。なお、本実施例１において、図６中の素子７は本発明に係る非線形素子である。図８、図９及び図１０に測定結果を示す。
（実施例２）
ＳＷＮＴ／ＰＯＭネットワーク構造体を実施例１に記載の方法と同様の方法で作製した。なお、０．４ｍｇのリンモリブデン酸（H3PMo12O40・nH2O、和光純薬工業（株）社製）を使用した。ＳＷＮＴ／ＰＯＭネットワーク構造体が形成されたＳｉＯ２基板上に、実施例１に記載の方法によりＡｕ電極を作製した。測定を実施例１に記載の構成及び方法により行った。本実施例２において、図６中の素子７は本発明に係る非線形素子である。
ＳＷＮＴ／ＰＯＭネットワーク構造体を実施例１に記載の方法と同様の方法で作製した。なお、０．４ｍｇのリンモリブデン酸（H3PMo12O40・nH2O、和光純薬工業（株）社製）を使用した。ＳＷＮＴ／ＰＯＭネットワーク構造体が形成されたＳｉＯ２基板上に、実施例１に記載の方法によりＡｕ電極を作製した。測定を実施例１に記載の構成及び方法により行った。本実施例２において、図６中の素子７は本発明に係る非線形素子である。
（比較例１）
実施例１及び実施例２で使用したＳＷＮＴ／ＰＯＭネットワーク構造体の代わりに、１
ＭΩの抵抗を設置し、電流量の測定を行った。すなわち、本比較例１において、図６中の
素子７は１ＭΩの抵抗素子である。図１１に電流の経時変化図を示す。
実施例１及び実施例２で使用したＳＷＮＴ／ＰＯＭネットワーク構造体の代わりに、１
ＭΩの抵抗を設置し、電流量の測定を行った。すなわち、本比較例１において、図６中の
素子７は１ＭΩの抵抗素子である。図１１に電流の経時変化図を示す。
図８より、実施例１における非線形素子は、印加電圧０Ｖから１２５Ｖにおいて電流が発振し、その発振振幅が印加電圧の上昇に伴い漸増していることが判る。この印加電圧０Ｖから１２５Ｖにおける発振電流を解析したところ、その振幅だけが漸増するノイズ電流であることが判った。
また、図９に示すように、印加電圧１５０Ｖでは発振電流が不安定化することが判った。その後１５０Ｖを印加したまま一定時間放置させたところ、図１０に示すようにベースの電流量が漸増し、スパイク電流を呈するようになった。
これは本実施例１の非線形素子が、ノイズアシスト型フィッツヒュー＝南雲回路と等価であり、十分印加電圧が大きい場合に前記非線形素子の内部ノイズにより、ランダムなスパイク電流を発生していると考えられる。
一方、比較例１における抵抗素子においては、図１１に示すように、オームの法則に従い、印加電圧に比例した電流が流れることが判った。すなわち、実施例１における非線形素子において観測されるノイズ電流及びスパイク電流は、非線形素子を構成するＳＷＮＴ／ＰＯＭネットワーク構造体が、負性微分抵抗を示す、ＳＷＮＴとＰＯＭとの接続体により構成された特異的な構造であることに由来すると考えられる。
一方、実施例２における非線形素子においては、実施例１における非線形素子に比べて、リンモリブデン酸の含有量を低く設定している。このとき、印加電圧８０Ｖにおいて、スパイク電流の発生が観測された。すなわち、本発明の実施形態に係る非線形素子において、ネットワーク構造体中の導電性粒子及び非線形ＩＶ特性粒子の混合比及び素子サイズを調整することにより、所望の印加電圧においてスパイク信号を発生し得る非線形素子を作製することが可能であるといえる。
本発明によれば、単一の分子電子素子で構成され、素子の集積化が容易であり、かつ、スパイク信号を発生することができる非線形素子が提供され、その結果、ニューロン素子の集積化が容易となり、複雑かつ高度なスパイキングニューラルネットワークの構築が可能となるため、例えば、スパイクタイミング依存シナプス可塑性などの情報伝達機構解明に関する研究や、より生物の脳に近いニューロコンピュータの実現、人工知能を実装したロボットの実現などを通じて、脳科学、コンピュータ科学及びロボット工学への研究、応用等に貢献することが可能である。
１ 分子電子素子
２ 非線形素子
５ 構造物
７ 素子
３０ ネットワーク構造体
３１ 導電性粒子
３２ 非線形ＩＶ特性粒子
３３ （導電性粒子３１と非線形ＩＶ特性粒子３２との）接続領域
３６ 接続体
４１ 電極
４２ 基板
５０ 構造
５３ 複合粒子接続領域
５４ 複合粒子
６１ 容器
６２ 溶液
６３ シリンジ
６４ 漏斗
６５ ろ紙
６６ 受器
６７ 物質
６８ ホットプレート
６９ マスク
７０ 蒸着材料
７１ 真空プローバー
７１１ プローブ針
７２ ファンクションジェネレータ
７３ アンプ
７４ プリアンプ
７５ 計測システム（ＤＡＱ２４ｂｉｔ）
２ 非線形素子
５ 構造物
７ 素子
３０ ネットワーク構造体
３１ 導電性粒子
３２ 非線形ＩＶ特性粒子
３３ （導電性粒子３１と非線形ＩＶ特性粒子３２との）接続領域
３６ 接続体
４１ 電極
４２ 基板
５０ 構造
５３ 複合粒子接続領域
５４ 複合粒子
６１ 容器
６２ 溶液
６３ シリンジ
６４ 漏斗
６５ ろ紙
６６ 受器
６７ 物質
６８ ホットプレート
６９ マスク
７０ 蒸着材料
７１ 真空プローバー
７１１ プローブ針
７２ ファンクションジェネレータ
７３ アンプ
７４ プリアンプ
７５ 計測システム（ＤＡＱ２４ｂｉｔ）
Claims (10)
- 電極と、
導電性粒子と、該導電性粒子に接続され、非線形な電流電圧特性を示す粒子とにより構成され、前記電極に接続されたネットワーク構造体と
を備え、
前記非線形な電流電圧特性を示す粒子がポリオキソメタレートの粒子である
ことを特徴とする非線形素子。 - 前記導電性粒子と、前記粒子とにより構成された接続体であって、
前記接続体は、前記接続体に接続された前記電極に電圧を印加した場合に、電流電圧特性が負性微分抵抗を示し、
前記ネットワーク構造体が少なくとも１つ以上の前記接続体を備えることを特徴とする請求項１に記載の非線形素子。 - 前記ネットワーク構造体が、前記導電性粒子と、該導電性粒子の表面上に形成されたフィルム状の前記粒子とにより構成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の非線形素子。
- 前記導電性粒子が導電性ナノワイヤであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の非線形素子。
- 請求項１〜４のいずれか１項に記載の非線形素子をパルス発生素子として使用することを特徴とする、パルスジェネレータ。
- 請求項１〜４のいずれか１項に記載の非線形素子により形成されていることを特徴とする、ニューロン素子。
- 電極と、
導電性粒子と、該導電性粒子に接続され、非線形な電流電圧特性を示す粒子とにより構成され、前記電極に接続されたネットワーク構造体と
を備える非線形素子により形成されていることを特徴とする、ニューロン素子。 - 前記導電性粒子と、前記粒子とにより構成された接続体であって、
前記接続体は、前記接続体に接続された前記電極に電圧を印加した場合に、電流電圧特性が負性微分抵抗を示し、
前記ネットワーク構造体が少なくとも１つ以上の前記接続体を備えることを特徴とする請求項７に記載のニューロン素子。 - 前記ネットワーク構造体が、前記導電性粒子と、該導電性粒子の表面上に形成されたフィルム状の前記粒子とにより構成されることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載のニューロン素子。
- 請求項６〜９のいずれか１項に記載のニューロン素子を複数個接続することにより形成されていることを特徴とする、ニューラルネットワーク情報処理装置。
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| JP2013179578A JP6233772B2 (ja) | 2013-08-30 | 2013-08-30 | 非線形素子 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2013179578A JP6233772B2 (ja) | 2013-08-30 | 2013-08-30 | 非線形素子 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2015050248A JP2015050248A (ja) | 2015-03-16 |
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| JP2013179578A Active JP6233772B2 (ja) | 2013-08-30 | 2013-08-30 | 非線形素子 |
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