三次元トランジスタ研究：2D半導体材料を核とした未来のCMOS技術の発展 近年、シリコンベースの相補性金属酸化膜半導体（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS）技術がその物理的限界に近づく中、次世代のマイクロエレクトロニクス技術におけるミニaturization（微細化）と性能向上が多くの課題に直面しています。ナノメートルスケールでオン・オフ電流比(on–off current ratio)を維持し、集積密度を高めながらエネルギー効率を向上させることが、学術界および産業界で緊急に解決すべき課題となっています。本研究では、これらの背景を踏まえ、ポストシリコン時代のCMOS技術の鍵となる導電チャネル材料として、二次元(2D)の遷移金属ジカルコゲ...

多フォトトランジスタ‐単メモリスタアレイを基盤とする再構成可能なインセンサー処理：機械学習と生体インスパイア型ニューラルネットワークの融合による新しい視覚計算プラットフォーム 学術背景と問題提起 人工ビジョンシステムは、インテリジェントエッジコンピューティングの重要な構成要素として長年認識されてきましたが、従来のCMOS（相補型金属酸化膜半導体）技術とノイマン型アーキテクチャに基づくシステムは、大きな制約を抱えていました。これらのシステムでは、独立した画像センサー、記憶モジュール、プロセッサ間の物理的分離により、大量のデータ冗長性や信号処理の遅延が生じます。これにより、回路設計の複雑化や消費電力の増加が引き起こされ、リアルタイム処理能力が著しく制限されています。自然環境において、従来型の視覚...

光電偏光固有ベクトルを用いたオンチップ全ストークス偏光計研究 学術背景 光の偏光状態は、光通信、生物医学診断、リモートセンシング、宇宙論など、さまざまな分野で重要な役割を果たしています。ストークスベクトル（Stokes vector）は、光の偏光状態を記述する4つのパラメータであり、光の強度と偏光状態の完全な情報を提供します。従来の偏光計は、プリズム、レンズ、フィルター、波長板といった分離された光学部品に依存しており、それらの大きなサイズが偏光計の小型化と広い応用性を制限していました。 近年、ナノフォトニクスやメタサーフェス（metasurface）の技術が進展し、それらを活用したコンパクトな偏光計が探索されています。しかし、既存のメタサーフェス偏光計は、特に赤外領域においてピクセル配置の調...

シームレスなグラフェンスピンバルブの構築：Van der Waals磁性体Cr₂Ge₂Te₆の近接効果に基づいて 研究の背景と意義 グラフェンは、高い電子移動度と長いスピン拡散長を持つ2次元材料として、スピントロニクス分野で大きな可能性を秘めています。しかし、グラフェン自身のスピン軌道相互作用（Spin-Orbit Coupling, SOC）や磁気交換相互作用（Magnetic Exchange Coupling, MEC）は弱く、それがスピン情報の生成や制御における機能を制約しています。一方で、近接効果（Proximity Effects）を活用し、近接する材料との短距離相互作用を介して新たな物理特性を導入することで、グラフェンのスピントロニクス応用性能を向上させることが可能です。 これ...

高度量子閉じ込め下での垂直ナノワイヤ・ヘテロ接合トンネルトランジスタによる高性能・低エネルギー電子デバイスの新たなブレークスルー 学術背景 データ集約型計算や人工知能の急速な発展により、電子デバイスのエネルギー効率に対するさらなる高い要求が生じています。しかし、従来のシリコンベースのコンプリメンタリ金属酸化膜半導体（CMOS）技術は、物理的限界により、理想的な性能と消費電力のバランスを実現するためのさらなるサイズ縮小が困難です。これらの制約には、短チャネル効果やソース・ドレイン間の直接トンネル効果による最小ゲート長の制限、またフェルミ・ディラック（Fermi-Dirac）電子統計に由来する60 mV/decのサブスレッショルドスイング（Subthreshold Swing, SS）熱限界、い...

二次元ヴァン・デル・ワールス金属陰極を用いたアナログスイッチングメモリスタの研究 学術的背景 人工知能（AI）アプリケーションが急速に発展している中で、従来のフォン・ノイマンアーキテクチャは、データ集約型計算タスクにおいて性能の限界に達しようとしています。ニューロモルフィックコンピューティング（neuromorphic computing）は、データ集約型タスクをより高速かつ効率的に処理できる新興の計算パラダイムとして注目されています。この分野では、メモリスタ（memristor）はメモリ内計算やアナログ計算を実現できるため注目されています。特に、複数の導電状態を持つアナログメモリスタは、ニューロモルフィックコンピューティングの効率を大幅に向上させることができます。しかしながら、従来のアナロ...

挿入層遷移金属ジカルコゲニドに基づく高生成率での効率低下が抑えられた発光ダイオード（LEDs）の研究 背景と研究意義 近年、2次元（2D）材料を基盤とした発光ダイオード（LEDs）は、ディスプレイ技術、光通信、ナノ光源などの分野で注目を集めています。しかし、2D材料の強い量子閉じ込め効果と減少した誘電体遮蔽効果により、高生成率下では2D材料LEDに「効率低下」（Efficiency Roll-Off, ERO）が生じる課題が存在します。この現象は主に励起子-励起子消滅（Exciton-Exciton Annihilation, EEA）プロセスに起因します。このプロセスは、ある励起子が別の励起子を非放射的に解離させ、エネルギーを放出するオージェ再結合（Auger recombination）...

CMOS互換のひずみ工学を単層半導体トランジスタに適用 学術的背景 半導体技術の進化に伴い、2次元（2D）材料はその原子レベルの薄さから、高密度・低電力の電子デバイスにおいて大きな可能性を示しています。特に、二硫化モリブデン（MoS₂）などの遷移金属ダイカルコゲナイド（TMDs）は、優れた電気的特性から、将来のトランジスタチャネル材料として期待されています。しかし、2D材料が実験室レベルで優れた性能を示す一方で、既存のCMOS（相補型金属酸化膜半導体）技術との互換性をどのように実現するかは、依然として大きな課題です。 ひずみ工学（Strain Engineering）は、現代のシリコンベースの電子デバイスにおいて重要な役割を果たしてきました。1990年代に導入されて以来、ひずみ工学は材料のバ...

炎症性皮膚疾患である乾癬（psoriasis）と酒さ（rosacea）は、世界中で一般的な慢性皮膚疾患であり、患者の生活の質に深刻な影響を及ぼします。従来の局所薬物療法は、皮膚浸透性の低さや長期的な副作用が問題となっています。そのため、効果的かつ安全な局所治療法の開発が求められています。 酸化ストレスは、乾癬や酒さを含む多くの炎症性皮膚疾患の病態において重要な役割を果たしています。過剰な活性酸素（reactive oxygen species, ROS）の蓄積は、皮膚の生理的な抗酸化能力を低下させ、表皮微小環境の酸化還元システムを破壊します。研究によると、スーパーオキシドディスムターゼ（superoxide dismutase, SOD）とマトリックスメタロプロテアーゼ9（matrix me...

動的3Dメタサーフェスホログラフィー：カスケード型ポリマー分散液晶を用いた革新的研究 学術的背景 メタサーフェス（Metasurface）は、2次元のサブ波長構造を持つ光場の位相と振幅を局所的に変調する技術であり、小型化光学デバイスの設計に新たな解決策を提供しています。しかし、既存のメタサーフェスホログラフィー技術は静的特性に限定されており、リアルタイムでの動的変調ができないため、インテリジェントディスプレイシステムへの応用が制限されています。動的3Dホログラフィックディスプレイの要求を満たすために、研究者たちは多重化メタサーフェス、構造変更メタサーフェス、および統合メタサーフェスを含む複数のアクティブメタサーフェス技術を探求してきました。その中で、液晶（Liquid Crystal, LC...