粒子飲み込み印刷に基づくソフトエレクトロニクス研究 学術的背景 ウェアラブルデバイス、ヘルスモニタリング、医療機器、人間と機械のインタラクションなどの分野が急速に発展する中、ソフトエレクトロニクス（soft electronics）は生体システムとシームレスに統合できることから注目されています。従来の剛性電子機器は生体組織との機械的性能が一致しない問題があり、これが生物医学分野での応用を制限しています。この問題を解決するために、研究者たちは多様な戦略を提案しています。たとえば、マイクロ構造設計（蛇行パターンや切り紙構造）を用いて剛性デバイスにマクロスケールの伸縮性を付与する方法です。しかし、これらの方法は、伸縮性を得るために電子性能を犠牲にする場合が多いです。 近年、ポリマー電子材料を基盤と...

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...

光電マイクロ波シンセサイザー - 周波数調整可能性と低位相雑音の融合 学術背景 現代の通信、航法、レーダーシステムでは、周波数調整可能で低雑音のマイクロ波源が不可欠です。従来の電子式マイクロ波シンセサイザーは周波数調整可能であるものの、位相雑音が高いため、精密な応用には制限があります。一方で、フォトニクスに基づくマイクロ波シンセサイザーは高いスペクトル純度のレーザーや光周波数コームを活用し、極めて低雑音のマイクロ波信号を生成できます。しかし、フォトニクスアプローチは一般的に周波数調整能力を欠き、サイズ、重量、消費電力の点で大きな課題があり、広範な適用が制限されています。 これらの問題を解決するため、本研究では、簡略化した光周波数分割（Optical Frequency Division, O...

「音響バブル」と次世代耳装着型デバイス：リアルタイムニューラルネットワークを基盤とした革新研究 日常生活の中で、騒音や複雑な音響環境は、特に混雑した場面（例：レストラン、会議室、飛行機内）において会話の明確な認識を難しくしています。従来のノイズキャンセリングヘッドホンは、環境音をある程度抑制することはできますが、音源の距離を識別したり、特定音源の位置に基づいた正確な音場形成はできません。この課題に対処するため、ワシントン大学Paul G. Allenコンピュータサイエンス&エンジニアリング学部、マイクロソフト、そしてAssemblyAIのチームが重要な研究を行いました。同チームは「音響バブル」(Sound Bubbles) を生成可能なスマート耳装着型デバイスを開発し、マルチチャネルマイクロ...

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...

高性能p型フィールド効果トランジスタ：2次元材料の置換ドーピングと厚さ制御 学術的背景 半導体技術の進展に伴い、シリコン基フィールド効果トランジスタ（FET）はパフォーマンスの限界に近づいています。このボトルネックを克服するため、研究者たちはシリコンの代替として2次元（2D）材料の可能性を模索しています。モリブデン二硫化物（MoS₂）、モリブデン二セレン化物（MoSe₂）、およびタングステン二セレン化物（WSe₂）といった2D遷移金属ジカルコゲナイド（TMD）は、原子レベルで平滑で欠陥のない表面や優れた電子特性により注目されています。しかしながら、n型2D FETでは著しい進歩が見られる一方、p型2D FETの開発は遅れています。これは主に、金属-2D材料の界面におけるフェルミ準位ピン止め効...

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...

ウェアラブル単一トランスデューサーによるエコーマイオグラフィーシステムの革新：筋肉動態監視から複雑なジェスチャー追跡まで 学術的背景と研究の意義 近年では、ウェアラブル電子デバイスが健康モニタリングおよびヒューマンマシンインタラクション分野において大きな可能性を持つとして注目を集めています。その中でも、筋活動を測定する技術として表面筋電図（Electromyography, EMG）が研究のホットトピックとなっています。しかし、EMG信号には多くの制約があります。信号強度が弱く不安定で、空間分解能が低い上、信号対雑音比（SNR）が低いです。その偶発性や同期性の低さが測定結果の不一致につながり、特定の筋線維の寄与を効果的に分離することが困難です。また、信号質を改善するために利用される大型の電極...

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...