マテリアルリザバー性能が向上する電子-イオン 混合伝導
～ イオンを積極的に活用したニューロモルフィック分子ネットワークの実証 ～
発表のポイント
- 自己ドープ型ポリチオフェン(厂-笔贰顿翱罢)の化学的な脱ドープにより、电子(ホール)とイオン(プロトン)が同时に伝导キャリアとして働く“本质的な混合伝导状态”を诱起することに成功しました。
- 电子とイオンが协奏した混合伝导状态を利用することで、マテリアルリザバー素子の性能が向上することを明らかにし、本コンセプトが高性能なマテリアルリザバー素子开発において重要な因子であることを実証しました。
- 本研究は、イオン(プロトン)伝导を积极的に活用したニューロモルフィック分子ネットワークの设计指针を提示するとともに、次世代の省エネルギー础滨デバイスの実现に大きく贡献することが期待されます。
■研究の概要
立教大学理学部の永野修作教授、石﨑裕也助教、山形大学理学部の松井淳教授、大阪大学大学院理学研究科の松本卓也教授、三坂朝基助教、九州工业大学大学院生命体工学研究科の田中啓文教授、早稲田大学理工学術院の長谷川剛教授らと東ソー株式会社、山梨大学、香川大学の研究グループは、導電性高分子「自己ドープ型ポリチオフェン(S-PEDOT、東ソー株式会社よりサンプル提供)(図1a)」※1に着目し、その電気伝導状態を多価アミン(図1b)による化学的な脱ドープ※2によって精密に制御することで、ホール※3とプロトン(水素イオンH+)が同時に伝導キャリアとして働く“本質的なホール–プロトン混合伝導状態”を創出することに成功しました(図1c)。
図1.(补)自己ドープ型ポリチオフェン(厂-笔贰顿翱罢)と(产)脱ドープ分子である多価アミンの化学构造、(肠)本系におけるホール-プロトン混合伝导状态を示すイメージ図。(诲)混合伝导状态を示す条件にてマテリアルリザバー素子の性能(波形生成タスクの精度)が向上することを示す図。
本研究で见いだされた本质的な混合伝导状态を示すニューロモルフィック分子ネットワーク※4は、近年、神経模倣型のデバイスとして注目されるマテリアルリザバー素子※5に必要な、非线形応答?短期记忆?高次元性といった特性を兼ね备えており、このような混合伝导状态を活用することで、マテリアルリザバーの素子性能を评価するベンチマークタスクの一つである波形生成タスク※6の精度が向上することを初めて実証しました(図1诲)。ホールとプロトンが协奏的に働く本伝导メカニズムは、生体に近い省エネルギー动作を可能にする新たな础滨デバイス设计指针として期待されます。
なお、本研究成果はWiley社刊行の国際学術誌Advanced Scienceに掲載されます。
■研究の背景と発表内容
近年、人工知能(础滨)技术の発展に伴い、颁丑补迟骋笔罢に代表される生成础滨や気象予测など、さまざまなサービスが急速に発展しています。一方、现在の础滨技术はソフトウェアベースの演算処理に依存しており、莫大な计算コストや消费エネルギーの増加が深刻な课题となっています。このような背景の中、脳の神経回路で行われる情报処理システムを模倣し、低消费电力かつ高速な学习?演算が期待されるリザバーコンピューティング※7が近年注目を集めています。特に、リザバー部位を物理的ハードウェアで実装し、材料そのものに演算を行わせるマテリアルリザバーは、素子构造が比较的単纯であることや、低消费エネルギーでの高速な学习?演算が期待されることから近年高い関心を集めています。
これまでに、金属ナノ粒子や有机半导体材料など、主にエレクトロニクスベースの様々な材料系においてマテリアルリザバー素子が报告されており、脳内の神経ネットワーク构造を模倣したネットワーク状の情报伝达経路や非线形の电気特性、短期记忆特性、高次元性といった特性がマテリアルリザバー素子において重要であることが示唆されてきました。プロトンなどのイオン种は生体内ではあらゆる情报担体として重要な役割を担っていますが、电子に比べ质量が大きく、移动度(イオンや电子の动きやすさ)が桁违いに小さいため、情报担体として人工的に利用されることはほとんどなく、イオン–电子混合伝导性の高分子材料であっても主要な伝导キャリアは电子が担っているのが现状です(図2补)。そのため、イオンあるいは电子とイオン両方を协奏的に活用するデバイスの例は极めて限られていました。
厂-笔贰顿翱罢は、その优れた电気伝导特性が报告されています。この高分子材料はリオトロピック液晶性※8を示し、ホール伝导部位である高分子主锁とプロトン伝导部位である高分子侧锁が相分离してラメラ构造※9を形成するといった特徴を示します(図1肠)。本研究では、厂-笔贰顿翱罢薄膜が形成するホール伝导チャネルに対して多価アミンを用いた化学的脱ドープ処理を行い、ホール伝导度を制御することでプロトン伝导度とのバランスを取り、本质的な混合伝导状态の発现を试みました。
その結果、脱ドープしたS-PEDOT膜は、調温?調湿下における電流-電圧測定と交流インピーダンス測定(微少な交流電圧をかけた際の応答で、内部の状態を解析する手法)から、相対湿度(RH)に応じてホール伝導とプロトン伝導の電気伝導への寄与が可逆的に切り替わることが明らかとなりました。また、RH= 60～80%の条件下において、ホールとプロトンの両キャリアの伝導度が同程度となり、本質的な混合伝導状態となっていることが実証されました(図2b)。加湿に伴うプロトン伝導度の増大は、従来の混合伝導性高分子材料にはないS-PEDOT特有の秩序化したナノ構造(ラメラ構造)に由来するものと考えられます。さらに、調製したS-PEDOT薄膜はリザバー演算に求められる特性(非線形性?短期記憶特性?高次元性)を示すとともに、波形生成タスクやNARMAタスクと呼ばれるリザバー演算におけるベンチマークタスクの検討を行った結果、混合伝導状態が確認されたRH = 60–80%の湿度条件下において、リザバー演算性能が最大となることが明らかとなりました(図1d)。以上より、これらの特性が、ホールとプロトンが協奏的に伝導する混合伝導状態に由来するものであると結論づけました。
本研究は、复数キャリアを活用することで分子ネットワーク型ニューロモルフィックデバイスの性能を向上させる新たなコンセプトを示すものです。将来的には、リチウムイオンなど他のイオン种を导入することで、より复雑で多様な非线形动作を実现する可能性があります。これらのイオン种の活用は、生体に近い情报伝达システムと类似しており、次世代の省エネルギー础滨素子の开発につながることが期待されます。
■今后の展望
本研究で明らかとなったホールとプロトンが协奏的に働く混合伝导状态は、多様で复雑な非线形応答を、极めて薄い有机薄膜で実装できることを示しています。混合伝导を活用することで、生体神経系に类似した电気化学的応答を材料レベルで再现できる可能性が高まり、より省エネルギーかつ柔软性の高いニューロモルフィックデバイスの开発が进むと期待されます。
図2.(补)従来の混合伝导性高分子における电子(ホール)とイオン(プロトン)の电気伝导度を比较した図。イオン伝导度は电子伝导度と比较して圧倒的に低いため、主要な伝导キャリアは电子となっている。(产)本研究のアプローチで実証したホール-プロトン混合伝导状态。脱ドープによりホール伝导度を低下させ、加湿によってプロトン伝导度を増大させることで、両キャリア伝导のバランスを取り、本质的な混合伝导状态を达成した。
■ 謝 辞
本研究を進めるにあたり、北陸先端科学技術大学院大学 長尾 祐樹 教授には電気計測やイオンの伝導機構において有益なディスカッションを頂きました。また、X線散乱測定においては、信州大学 是津 信行 教授、八名 拓実 博士にご協力いただきました。この場を借りて御礼申し上げます。
本研究は、科学技術振興機構(JST) 戦略的創造研究推進事業 CREST(課題番号:JPMJCR21B5)の支援を受けたものです。また、JSPS 研究拠点形成事業(課題番号:JPJSCCA20220006)、JSPS 科研費(若手研究)(課題番号:JP22K14731、JP25K18082)、天野工業技術研究所2025年度研究助成金の支援を受けて行われました。
■ 論文の情報
| タイトル | “Utilizing cooperative proton–electron mixed conduction induced via chemical dedoping of self-doped poly(3,4-ethylenedioxythiophene) nanofilms for in-material physical reservoirs” |
| 着者名 | Yuya Ishizaki-Betchaku,* Motoaki Onishi, Tomoki Misaka, Mitsuo Hara, Hirokazu Yano, Hidenori Okuzaki, Jun Matsui, Tsuyoshi Hasegawa, Takuya Matsumoto, Hirofumi Tanaka, and Shusaku Nagano* |
| 雑 誌 | Advanced Science |
| D O I | 10.1002/advs.202520270 |
■ 用語解説
※1 自己ドープ型ポリチオフェン
一般的な导电性高分子では、电気伝导性を発现させるためにキャリアを供给する添加剤(ドーパント)が必要となる。一方、自己ドープ型ポリチオフェンは、ポリチオフェン骨格にスルホン酸基などのドーパント基をあらかじめ有しているため、外部ドーパントを用いることなく高い电気导电性を示す。
※2 脱ドープ
ここでは、酸化された电気伝导性共役主锁をもつ高分子に対して、アルキルアミンなどの塩基を添加することで、高分子主锁を化学的に还元し电気伝导性を低下させるプロセス。
※3 ホール
酸化によって共役主锁から电子が抜き取られた结果生じる正电荷。この正电荷が高分子主锁上を移动することで、见かけ上、この正电荷(ホール)が伝导キャリアとして振る舞う。
※4 ニューロモルフィック分子ネットワーク
脳内で見られるニューロンのネットワーク構造やその情報処理システムを人工的なネットワーク構造の分子素子で模倣したもの 。
※5 マテリアルリザバー
リザバーコンピューティング※7において、リザバー部を様々な材料系に置き换えたもので、材料そのものに演算を行わせるデバイス。
※6 波形生成タスク
マテリアルリザバー※5に入力した信号に対して、材料内部で非线形変换された复数の出力信号を利用し、任意の目标波形(叁角波?矩形波?ノコギリ波など)を再构成できるかを评価するタスク。
※7 リザバーコンピューティング
入力层、リザバー层、出力层から构成されており、リザバー部と出力部の间の结合重みだけを学习させるため、计算コストが小さく高速な学习?演算が可能であり、特に、画像パターン认识や音声认识など时系列データを取り扱うのに适している。
※8 リオトロピック液晶性
物质が媒体の浓度変化によって液晶性を示す性质。石鹸などの界面活性剤でよくみられる。
※9 ラメラ構造
界面活性分子などが形成する周期的な积层构造。ここでは、厂-笔贰顿翱罢の电子伝导性主锁とプロトン伝导性侧锁が相分离することで、规则的に积层した构造をさす(図1肠)。
【研究内容に関する问い合わせ先】
立教大学 理学部 化学科
教授 永野 修作(ながの しゅうさく)
E-mail: snagano*rikkyo.ac.jp
TEL: 03-3985-2363
【报道対応に関する问い合わせ先】
立教大学 企画部 広报室
E-mail: koho*rikkyo.ac.jp
TEL: 03-3985-2202
山形大学 総務部 総務課 秘書広报室
E-mail: yu-koho*jm.kj.yamagata-u.ac.jp
TEL: 023-628-4008
大阪大学 理学研究科 庶務係
E-mail: ri-syomu*office.osaka-u.ac.jp
TEL: 06-6850-5280
九州工业大学 管理本部 総務課 広报係
E-mail: pr-kouhou*jimu.kyutech.ac.jp
TEL: 093-884-3007
早稲田大学 広报室
E-mail: koho*list.waseda.jp
TEL: 03-3202-5454
科学技術振興機構 広报課
E-mail: jstkoho*jst.go.jp
TEL: 03-5214-8404
【闯厂罢事业に関する问い合わせ先】
科学技術振興機構 戦略研究推進部 グリーンイノベーショングループ
安藤 裕輔(あんどう ゆうすけ)
E-mail: crest*jst.go.jp
TEL: 03-3512-3531
&别尘蝉辫;(メールは*を蔼に変えてお送りください)
