(57)【要約】【課題】スイッチの切換を電流制御によらないナノスイッチ、具体的には、光誘導による新規なナノスイッチを提供するものである。【解決手段】導波路1を介して光を導入し、近接場光５を発生させ、この近接場光５を電子・イオン混合伝導体2に注入し、前記電子・イオン混合体中の金属イオンの還元または酸化反応を誘起することにより、微少間隔をもって配置された少なくとも一対の電極間に金属原子で構成される金属原子架橋６を形成することによって、光ナノスイッチを実現する。【選択図】図１
2008000857.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
近接場光を用いて電子・イオン混合伝導体中の金属イオンの還元または酸化反応を誘起す
ることにより、微少間隔をもって配置された少なくとも一対の電極間に金属原子で構成さ
れる架橋を形成することを特徴とする、光ナノスイッチ。
【請求項２】
前記電極の一方が、電子・イオン混合伝導体によって先端が被覆された導波路からなる電
極であり、もう一方が間隔をもって配置された対向金属電極であることを特徴とする、請
求項１に記載する光ナノスイッチ。
【請求項３】
前記電極の一方が、金属によって先端が被覆された導波路からなる電極であり、もう一方
が間隔をもって配置された電子・イオン混合伝導体からなる対向電極であることを特徴と
する、請求項１に記載する光ナノスイッチ。
【請求項４】
前記導波路先端の膜厚が、注入する光の半波長よりも小さいことを特徴とする、請求項２
または３に記載する光ナノスイッチ。
【請求項５】
前記導波路先端の膜厚が、１００ナノメートル以下であることを特徴とする、請求項２な
いし４の何れか１項に記載する光ナノスイッチ。
【請求項６】
前記電子・イオン混合伝導体が、銀化合物、銅化合物、リチウム化合物のいずれかである
ことを特徴とする、請求項１ないし３の何れか１項に記載する記載する光ナノスイッチ。
【請求項７】
前記電極間の間隙が、絶縁体によって埋められていることを特徴とする、請求項１ないし
６の何れか１項に記載する光ナノスイッチ。
【請求項８】
前記電極間の間隙が、絶縁空間であることを特徴とする、請求項１ないし７の何れか１項
に記載する光ナノスイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一方の電極に電子・イオン混合伝導体を用いた光制御型のナノスイッチに関す
る。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子・イオン混合伝導体を用いたナノスイッチが提案されている（非特許文献１）
。このナノスイッチの作動原理は、トンネル電流により金属原子の酸化・還元反応を制御
することによって、微少空間を隔て設置された電極間に金属原子架橋を生成せしめ、ある
いは金属架橋を消滅せしめることによって、電極間をオンオフ制御するシステムによるも
のである。
【０００３】
この提案されてなるナノスイッチは、電子・イオン混合伝導体からなる電極と金属からな
る対向電極とが約１ナノメートルの超微細真空間隙を挟んで設置されている。両電極間に
流れるトンネル電流を制御することによって、一方の電極である電子・イオン混合伝導体
表面において酸化・あるいは還元反応が生じ、金属原子の酸化あるいは還元反応が誘起さ
れ、これによって電極間において金属原子架橋の生成と消滅とが制御され、スイッチのオ
ンオフ動作を実現している。すなわち、微小領域に流れるトンネル電流を用いることで、
局所的な酸化・還元反応の制御を可能にして、スイッチのナノスケール化を実現している
。
【０００４】
しかしながら、前記提案によるナノスイッチでは、２つの電極間に流れる電流によりスイ
ッチのオンオフ制御がされるように構成されていることから、信号電流の経路と制御電流
の経路とが同じである２端子素子であった。このため、オンオフの切り替えの際には、前
記酸化・還元反応の臨界電圧よりも高い電圧を印加し、読み出しの時には、臨界電圧より
も低い電圧を用いることで、読み出し時のオンオフ誤動作を防いでいた。しかしながら、
この方法では、制御や読み出しの電圧に制限があるので、シリコントランジスタなどの他
の素子との臨界電圧値との相異などにより、複合化が上手く行かない場合があった。
【非特許文献１】ネイチャー、第４３３号（２００５年）、第４７頁〜５０頁、「量子化伝導原子スイッチ」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記状況に鑑み、スイッチの切換を電流制御によらないナノスイッチ、具体的
には、光誘導による新規なナノスイッチを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らにおいては、鋭意研究の結果、電子・イオン混合伝導体によって先端が被覆さ
れた導波路からなる電極と、金属からなる電極とを、間隙をもって配置し、上記導波路内
に光を導入することで、導波路先端から近接場光を発生させ、この発生した近接場光を、
導波路先端部を被覆している電子・イオン混合伝導体に注入させることによって、該近接
場光によって電子・イオン混合伝導体中の金属イオンが金属へと変化する還元反応が誘起
され、この還元反応によって析出した金属原子により上記電極間に金属原子架橋が形成さ
れ、これによってスイッチオン状態が実現しうることを見いだしたものである。
本発明は、この知見に基づいてなされたものであり、その構成は、以下（１）〜（８）の
通りである。
（１）近接場光を用いて電子・イオン混合伝導体中の金属イオンの還元または酸化反応を
誘起することにより、微少間隔をもって配置された少なくとも一対の電極間に金属原子で
構成される架橋を形成することを特徴とする、光ナノスイッチ。
（２）前記電極の一方が、電子・イオン混合伝導体によって先端が被覆された導波路から
なる電極であり、もう一方が間隔をもって配置された対向金属電極であることを特徴とす
る、（１）に記載する光ナノスイッチ。
（３）前記電極の一方が、金属によって先端が被覆された導波路からなる電極であり、も
う一方が間隔をもって配置された電子・イオン混合伝導体からなる対向電極であることを
特徴とする、（１）に記載する光ナノスイッチ。
（４）前記導波路先端の膜厚が、注入する光の半波長よりも小さいことを特徴とする、（
２）または（３）に記載する光ナノスイッチ。
（５）前記導波路先端の膜厚が、１００ナノメートル以下であることを特徴とする、（２
）ないし（４）の何れか１項に記載する光ナノスイッチ。
（６）前記電子・イオン混合伝導体が、銀化合物、銅化合物、リチウム化合物のいずれか
であることを特徴とする、（１）ないし（３）の何れか１項に記載する記載する光ナノス
イッチ。
（７）前記電極間の間隙が、絶縁体によって埋められていることを特徴とする（１）ない
し（６）の何れか１項に記載する光ナノスイッチ。
（８）前記電極間の間隙が、絶縁空間であることを特徴とする（１）から（７）の何れか
１項に記載する光ナノスイッチ。
【０００７】
この発明の光ナノスイッチの作動原理及び具体的態様は、以下〔１〕〜〔４〕のように要
約される。
〔１〕電子・イオン混合伝導体で先端が被覆された導波路からなる電極と、金属からなる
電極とを、間隙をもって配置する。上記導波路内に光を導入することで、導波路先端から
近接場光を発生させ、発生した近接場光を導波路先端部を被覆している電子・イオン混合
伝導体に注入する。該近接場光により、電子・イオン混合伝導体中の金属イオンの還元反
応が誘起され、還元反応により析出する金属原子によって上記電極間に金属原子の架橋が
形成されることで、スイッチオン状態が実現される。
その際、電子・イオン混合伝導体の量を少なく調整することによって、導波路への光の導
入を遮断すると、前記還元反応によって析出した金属原子は、元のイオン状態へと転じ、
金属原子による架橋は自立的に消滅する。すなわち、光の導入、遮断によって作動しうる
超微細スイッチが成立する。
〔２〕また、別の手段として、金属で先端が被覆された導波路からなる電極と、電子・イ
オン混合伝導体からなる電極とを、間隙をもって配置する。その上で、上記導波路内に光
を導入することで、導波路先端から発生する近接場光を対向電極である電子・イオン混合
伝導体に注入する。該近接場光により、電子・イオン混合伝導体中の金属イオンの還元反
応が誘起され、還元反応により析出した金属原子が上記電極間に架橋を形成することで、
スイッチオン状態を実現する。
この場合においても、電子・イオン混合伝導体の量を少なく調整し、導波路への光の導
入を遮断することによって、前記還元反応は元の状態へと転じ、金属原子による架橋は自
立的に消滅する。すなわち、光によって作動する超微細スイッチが成立する。
【０００８】
〔３〕上記〔１〕ないし〔２〕に記載の光ナノスイッチにおいて、前記電子・イオン混合
伝導体部分と前記金属部分の間隙は、真空空間も含めた絶縁材料によって満たされている
必要がある。
〔４〕また、上記〔１〕から〔２〕記載の光ナノスイッチにおいて、前記電子・イオン混
合伝導体として、Ａｇ２Ｓ、ないしＡｇ２Ｓｅ、ないしＣｕ２Ｓ、ないし  Ｃｕ２Ｓｅ、
さらにはＬｉＩ、あるいはさらにＬｉ−ＴｉＳ２が挙げられうる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明を用いれば、光によってオンオフを制御できるナノスイッチを構成することが出
来る。これによって、これまでの電気信号による制御とは異なり、信号系路とは異なるラ
インによって、オンオフを制御できるので、極めて制御性の高いナノスイッチを提供する
ことが出来る。また、光照射によってプログラミングする、いわゆる、フィールドプログ
ラマブルデバイスにおけるスイッチング素子として利用することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を図面および実施例に基づいて具体的に説明する。但し、これらは、あくま
でも本発明を容易に理解するための一助として開示するものであり、本発明はこれに限定
されることはない。
【００１１】
本発明では、近接場光を用いて、電子・イオン混合伝導体表面における局所的な金属原子
の還元反応を制御することによって、光制御型のナノスイッチを形成した。図１を用いて
その構造と動作原理とを詳細に説明する。
図１では、導波路１の先端が電子・イオン混合伝導体２によって被覆されている。導波路
先端を被覆している電子・イオン混合伝導体の膜厚は近接場光が透過しうる膜厚に設計さ
れている。最大膜厚は材料によって異なる透過係数に依存するが、概ね、１００ナノメー
トル以下に膜厚を設定することが望ましい。
【００１２】
これに対して、対向電極として、金属電極３が間隙をもって配置されている。導波路１内
に光４を注入すると、光４は導波路１の先端の微細開口部で近接場光５を生成する。近接
場光５は、電子・イオン混合伝導体電極２中の金属イオンを励起して、還元反応を誘起し
、還元された金属原子６がその表面に析出する。析出した金属原子６が電子・イオン混合
伝導体電極２と金属電極３の間に架橋を形成して、スイッチオンとなる。
【００１３】
このように、本発明を用いれば、架橋される２つの電極とは異なるラインからの信号（光
）によってスイッチング動作を制御できる。すなわち、固体電気化学反応を用いた、３端
子素子を形成することができる。
【００１４】
本発明による素子は、信号電流の経路とは異なるラインを用いてオンオフを制御できるの
で、極めて使い勝手の良いナノスイッチである。なお、図１では、電子・イオン混合伝導
体電極と金属電極間の間隙は、真空ギャップであるが、絶縁性の有機分子膜などで構成さ
れていても良い。要は、電気的に絶縁されていることが、本発明を実施する上で必要な要
件である。
【実施例】
【００１５】
以下、本発明を、実施例に基づいてさらに具体的に説明する。
【００１６】
実施例１；  
図２を用いて、図１に示した光ナノスイッチの動作原理を詳しく説明する。図２では、簡
単のため、スイッチの主要部のみを示している。導波路１に注入された光４は、導波路１
の先端部において近接場光５を生成する（図２ａ）。導波路１の先端の開口部を光４の半
波長よりも小さくすることで、近接場光５を生成し、該近接場光５のみを電子・イオン混
合伝導体電極２中を透過させることができる。この近接場光５は、電子・イオン混合伝導
体電極２内において金属イオンを励起し、その還元反応を誘起する。還元された金属原子
６は、電子・イオン混合伝導体電極２表面上に析出する（図２ｂ）。光４を注入し続ける
と、ついには、還元された金属原子６によって、電子・イオン混合伝導体電極２と金属電
極３との間に架橋が形成される（図２ｃ）。すなわち、スイッチがオン状態となる。
【００１７】
実施例２；
この実施例では、導波路１の先端部を覆う電子・イオン混合伝導体電極２の体積が十分あ
るため、金属原子６の析出による電子・イオン混合伝導体電極２中の金属イオン濃度の低
下は殆ど無視出来る。このため、金属原子による架橋は安定に存在する。この意味で、本
実施例によるスイッチは、本質的には非可逆スイッチである。ただし、後述するように電
子・イオン混合伝導体の設定量を少なくすることによって可逆スイッチとすることが可能
である。
図３を用いて、光ナノスイッチの別の実施例を説明する。
導波路１１の先端が金属１２によって被覆されている。導波路先端を被覆している金属の
膜厚は、近接場光が透過できるように設計する必要がある。その最大膜厚は、材料によっ
て異なる透過係数に依存するが、概ね１００ナノメートル以下に設定することが望ましい
。
【００１８】
これに対して、対向電極として、電子・イオン混合伝導体電極１３が間隙をもって配置さ
れている。導波路１１内に光１４を注入すると、光１４は導波路先端の微細開口部で近接
場光１５を生成する。この微小開口部のサイズは、光１４の半波長以下のサイズに設計さ
れている。
【００１９】
近接場光１５は、対向電極である電子・イオン混合伝導体電極１３に到達し、同電極１
３中の金属イオンを励起して、還元反応を誘起し、還元された金属原子１６がその表面に
析出する。析出した金属原子１６が、金属電極１２と電子・イオン混合伝導体電極１３の
間に架橋を形成して、スイッチオンとなる。このように、本発明を用いれば、架橋される
２つの電極とは異なるラインからの信号（光）によってスイッチング動作を制御できる。
【００２０】
なお、この実施例では、電子・イオン混合伝導体電極１３のサイズが十分大きいため、金
属原子１６が析出しても、電子・イオン混合伝導体電極１３内の金属イオンの濃度が殆ど
変化しないため、光１４の注入を止めても析出した金属原子１６は安定に存在する。すな
わち、本実施例による光ナノスイッチは、電子・イオン混合伝導体の設定量を大きく設定
することによって本質的には非可逆スイッチである。ただし、電子・イオン混合伝導体の
設定量を少なくすることによって可逆スイッチとすることが可能である。
【００２１】
実施例３；
ここでは、図４を用いて、可逆的光ナノスイッチの実施例を説明する。
可逆的光ナノスイッチでは、導波路３１の先端部を覆う電子・イオン混合伝導体３２のサ
イズが小さく設計されている。その他の部分は、金属３４によって被覆されている。入射
光３５は、導波路３１の先端において近接場光３６を生成する（図４ａ）。この近接場光
３６は、電子・イオン混合伝導体３２中の金属イオンを励起してその還元反応を誘起、金
属原子が析出してくる。析出した金属原子が、電極間に架橋を形成して、スイッチがオン
となる（図４ｂ）。
【００２２】
続いて、光３５の照射を止めると、前記金属原子の析出は停止する。ここで、本実施例に
基づく可逆的光ナノスイッチでは、電子・イオン混合伝導体部３２のサイズが小さいため
、金属原子の析出による電子・イオン混合伝導体３２内部の金属イオン濃度の低下による
エネルギー不安定性が高い。このため、光３５の照射を止めると同時に、析出した金属原
子はこの不安定性を解消するために、電子・イオン混合伝導体内部に固溶し始め（図４ｃ
）、ついには、全ての金属原子が固溶してしまう（図４ｄ）。すなわち、スイッチオフと
なる。
【００２３】
このように、電子・イオン混合伝導体電極のサイズを制御することで、可逆的光ナノスイ
ッチを作製することが出来る。この実施例では、電子・イオン混合伝導体電極が導波路先
端を被覆している実施例を述べたが、実施例２で述べたような対向電極が電子・イオン混
合伝導体で構成された光ナノスイッチでも、可逆的光ナノスイッチ動作を実現できる。す
なわち、対向電極部の電子・イオン混合伝導体部分のサイズを小さくすれば良い。以上に
述べた可逆的光ナノスイッチを実現する上での、電子・イオン混合伝導体部分のサイズは
、エネルギー不安定性を決定する要因である、（１）電極間のギャップサイズ（架橋を形
成するに必要な金属原子数）、並びに、（２）電子・イオン混合伝導体を構成する金属原
子イオン濃度（組成比）によって決定されうる。
【００２４】
実施例５；
図５を用いて、光ナノスイッチの微細化を実現する一実施例を説明する。
図５では、導波路１の先端が電子・イオン混合伝導体２によって被覆されている。導波路
先端を被覆している電子・イオン混合伝導体の膜厚は近接場光が透過できる膜厚に設計さ
れている。最大膜厚は材料によって異なる透過係数に依存するが、概ね、１００ナノメー
トル以下に膜厚を設定することが望ましい。
これに対して、対向電極として、金属電極３が間隙をもって配置されている。導波路１内
に光４を注入すると、光４は導波路１の先端の微細開口部で近接場光５を生成する。近接
場光５は、電子・イオン混合伝導体電極２中の金属イオンを励起して、還元反応を誘起し
、還元された金属原子６がその表面に析出する。析出した金属原子６が電子・イオン混合
伝導体電極２と金属電極３の間に架橋を形成して、スイッチオンとなる。
【００２５】
本実施例の特徴は、導波路１の先端径を極めて小さくすることである。すなわち、近接場
光５の光源が点光源に近くなり、電子・イオン混合伝導体２の極微小領域にのみ近接場光
５を照射出来ることになる。その結果、形成される金属原子架橋のサイズ（径）を小さく
することができる。そのサイズ（径）は、電子・イオン混合伝導体電極２と金属電極３の
間隙の大きさにも依存するが、理想的には、１０ナノメートル以下にすることも可能であ
る。
【００２６】
なお、本実施例では、電子・イオン混合伝導体が導波路の先端を被覆している光ナノスイ
ッチに関して述べたが、実施例２、実施例３で述べた構成の光ナノスイッチに付いても、
導波路の先端を鋭利にすることによって、同様の効果を得ることができる。
【００２７】
実施例５；
ここでは、図６を用いて、近接場光を利用した別のタイプの光ナノスイッチの実施例を説
明する。ガラス基板４１の表面に、電子・イオン混合伝導体薄膜４２が形成されている。
これに対して、間隙をもって、鋭利な先端を有する金属電極４３が設置されている。光４
４をガラス基板４１の背面から注入する。ここで、光４４の入射角θは、光４４が全反射
するように設定されている。すると、金属電極４３の直下においては、強い電場によって
、近接場光４５が生成される。この結果、金属原子の析出反応が起こり、架橋４６が形成
される。
【００２８】
図６に示したスイッチでは、電子・イオン混合伝導体薄膜が全面にわたって形成されてい
るので、このスイッチは、非可逆動作をする。なお、金属電極直下の電子・イオン混合伝
導体部分のサイズを小さくすることで、可逆スイッチが形成出来ることは言うまでもない
。
【００２９】
実施例６；
ここでは、光ナノスイッチを集積化した実施例を説明する。
図７では、ガラス基板５１の表面に、電子・イオン混合伝導体薄膜５２が形成されている
。これに対して、間隙をもって、鋭利な先端を有する金属電極５３−５６が設置されてい
る。光５７を、ガラス基板５１の上面と下面において全反射する角度で、ガラス基板５１
の端面から注入する。金属電極５３−５６を光５７が全反射する位置に配置することで、
実施例５で説明した原理により、各金属電極と電子・イオン混合伝導体電極との間に、析
出した金属原子による架橋が形成される。図７では、一定の間隔で金属電極が並んでいる
が、金属電極を任意に配置することで、任意のパターンの回路を形成することも出来る。
【００３０】
実施例７；
図８を用いて、本発明に基づく、光ナノスイッチを集積した別の実施例を説明する。この
実施例では、液晶分子を用いることで、スイッチ動作を行う光ナノスイッチを選択するこ
とが出来るので、プログラマブルデバイスへの応用が可能である。ここでは、簡単のため
、２つの光ナノスイッチを用いて説明する。導波路６１、６２が電子・イオン混合伝導体
７１、７２で被覆された光ナノスイッチに対して、その導波路６１、６２の上部に、液晶
分子を用いた光学シャッター６３、６４が設置されている。この光学シャッター６３、６
４は、印加する電圧６５、６６を制御することにより、導波路先端部に光を注入するか否
かを制御できる。
【００３１】
図８では、光学シャッター６３は開状態であり、導波路６１の先端部に光６７が到達して
いる。その結果、導波路６１の先端部では、近接場光６８が生成されて、上記実施例で述
べた原理によって金属原子架橋６９が、金属電極７０との間に形成されて、スイッチがオ
ンとなっている。これに対して、光学シャッター６４は閉状態であるので、導波路６２内
には光が注入されず、スイッチはオフのままである。本実施例による集積化光ナノスイッ
チを用いれば、光学シャッターを制御することで、任意の光ナノスイッチをオン状態に出
来るので、フィールドプログラマブルデバイスのスイッチング素子として用いることがで
きる。
【００３２】
なお、本実施例では、液晶分子を用いた光学シャッターを用いたが、ピエゾ素子等を用い
た機械シャッターなど、光の進入を制御できる素子であれば、本実施例で述べた効果を実
現できることは言うまでも無い。また、導波路先端部が金属で覆われ、対向電極が電子・
イオン混合伝導体であってもよいことも言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
近年、ナノレベルオーダーの各種技術が極めて注目され、求められている。本発明で対
象とするスイッチにおいても、その例外ではなく、超微細スイッチを実現することが求め
られている。本発明は、このような要望に応えられるものであり、今後、各種スイッチ素
子設計において大いに利用され、産業の発展に大いに寄与するものと期待される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】光ナノスイッチの模式図。
【図２】光ナノスイッチの動作原理を説明する図。
【図３】別の光ナノスイッチの模式図。
【図４】可逆的光ナノスイッチの動作原理を説明する図。
【図５】極微細化光ナノスイッチの模式図。
【図６】別の光ナノスイッチの模式図。
【図７】集積化光ナノスイッチの模式図。
【図８】別の集積化光ナノスイッチの模式図。
【符号の説明】
【００３５】
１・・・導波路、２・・・電子・イオン混合伝導体、３・・・金属電極、４・・・光、５
・・・近接場光、６・・・金属原子、１１・・・導波路、１２・・・金属電極、１３・・
・電子・イオン混合伝導体電極、１４・・・光、１５・・・近接場光、１６・・・金属原
子、３１・・・導波路、３２・・・電子・イオン混合伝導体、３４・・・金属、３５・・
・入射光、３６・・・近接場光、４１・・・ガラス基板、４２・・・電子・イオン混合伝
導体、４３・・・金属電極、４４・・・光、４５・・・近接場光、４６・・・架橋、５１
・・・ガラス基板、５２・・・電子・イオン混合伝導体薄膜、５３、５４、５５、５６・
・・金属電極、５７・・・光、６１、６２・・・導波路、６３、６４・・・光学シャッタ
ー、６５、６６・・・電圧、６７・・・光、６８・・・近接場光、６９・・・金属原子架
橋、７０・・・金属電極、７１、７２・・・電子・イオン混合伝導体
【図１】
2008000857.tif 000003
【図２】
2008000857.tif 000004
【図３】
2008000857.tif 000005
【図４】
2008000857.tif 000006
【図５】
2008000857.tif 000007
【図６】
2008000857.tif 000008
【図７】
2008000857.tif 000009
【図８】
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