(57)【要約】      （修正有）【課題】カリウムあるいはナトリウムを陽イオンとして含み、ＯＨ基を陰イオンとして含むイオン結晶を使った多値メモリ素子を提供する。【解決手段】メモリ素子４０は、カリウムあるいはナトリウムを陽イオンとして含み、ＯＨ基を陰イオンとして含むイオン結晶１０と、第１および第２の電極１１Ａ，１１Ｂと、秩序配列が誘起される転移温度以下の温度に保持するクライオスタット４１と、電極の間に直流電圧を印加し、ＯＨ基の分極方向が第１の電極１１Ａから第２の電極１１Ｂに向かう第１の状態と、ＯＨ基の分極方向が第２の電極１１Ｂから第１の電極１１Ａに向かう第２の状態と、最近接ＯＨ基の分極が反平行となる第３の状態のいずれかに設定し、第１〜第３の状態に対応して第１〜第３の情報をイオン結晶に書き込む書込回路４２と、イオン結晶の分極を測定することにより、書き込まれた第１〜第３の情報のいずれかを読み出す読み出し回路４６と、を含む。【選択図】図９
2012175085.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カリウムあるいはナトリウムを陽イオンとして含み、ＯＨ基を陰イオンとして含むイオン結晶と、
前記イオン結晶の相対向する第１および第２の面にそれぞれ形成された第１および第２の電極と、
不活性液体で充填され、前記イオン結晶を、前記第１および第２の電極とともに、前記イオン結晶中に前記ＯＨ基の分極状態について秩序配列が誘起される転移温度以下の温度に保持するクライオスタットと、
前記第１および第２の電極の間に直流電圧を印加し、前記ＯＨ基の分極状態を、前記ＯＨ基の分極方向が前記第１の電極から前記第２の電極に向かう第１の状態と、前記ＯＨ基の分極方向が前記第２の電極から前記第１の電極に向かう第２の状態と、前記イオン結晶中における最近接ＯＨ基の分極が反平行となる第３の状態のいずれかに設定し、前記第１の状態に対応して第１の情報を、前記第２の状態に対応して第２の情報を、前記第３の状態に対応して第３の情報を前記イオン結晶に書き込む書込回路と、
前記第１および第２の電極に接続され、前記イオン結晶の分極を測定することにより、前記イオン結晶に書き込まれた前記第１〜第３の情報のいずれかを読み出す読み出し回路と、
を含むことを特徴とするメモリ素子。
【請求項２】
前記書込回路は前記イオン結晶の温度を前記転移温度以上に加熱する加熱部を備え、前記第３の情報を書き込む場合には前記加熱部により前記イオン結晶の温度を前記転移温度以上に加熱し、さらに前記第１および第２の電極間に印加される直流電圧を０Ｖとして前記加熱部を消勢し、前記イオン結晶の温度を再び前記転移温度以下に降下させることを特徴とする請求項１記載のメモリ素子。
【請求項３】
カリウムあるいはナトリウムを陽イオンとして含み、ＯＨ基を陰イオンとして含むイオン結晶と、
前記イオン結晶の第１の軸方向に相対向する第１および第２の面にそれぞれ形成された第１および第２の電極と、
前記イオン結晶の、前記第１の軸方向に直交する第２の軸方向に相対向する第３および第４の面にそれぞれ形成された第３および第４の電極と、
前記イオン結晶の、前記第１および第２の軸方向に直交する第３の軸方向に相対向する第５および第６の面にそれぞれ形成された第５および第６の電極と、
不活性液体で充填され、前記イオン結晶を、前記第１〜第６の電極とともに、前記イオン結晶中に前記ＯＨ基の分極状態について秩序配列が誘起される転移温度以下の温度に保持するクライオスタットと、
前記第１および第２の電極の間、前記第３および第４の電極の間、前記第５および第６の電極の間に選択的に直流電圧を印加し、前記ＯＨ基の分極状態を、前記ＯＨ基の分極方向が前記第１の電極から前記第２の電極に向かう第１の状態と、前記ＯＨ基の分極方向が前記第２の電極から前記第１の電極に向かう第２の状態と、前記ＯＨ基の分極方向が前記第３の電極から前記第４の電極に向かう第３の状態と、前記ＯＨ基の分極方向が前記第４の電極から前記第３の電極に向かう第４の状態と、前記ＯＨ基の分極方向が前記第５の電極から前記第６の電極に向かう第５の状態と、前記ＯＨ基の分極方向が前記第６の電極から前記第５の電極に向かう第６の状態のいずれかに設定し、前記第１の状態に対応して第１の情報を、前記第２の状態に対応して第２の情報を、前記第３の状態に対応して第３の情報を、前記第４の状態に対応して第４の情報を、前記第５の状態に対応して第５の情報を、前記第６の状態に対応して第６の情報を、前記イオン結晶に書き込む書込回路と、
前記第１および第２の電極、前記第３および第４の電極、および前記第５および第６の電極のいずれかに選択的に接続され、前記イオン結晶の分極を測定することにより、前記イオン結晶に書き込まれた前記第１〜第６の情報のいずれかを読み出す読み出し回路と、
を含むことを特徴とするメモリ素子。
【請求項４】
さらに前記書込回路は前記ＯＨ基の分極状態を、前記イオン結晶中における最近接ＯＨ基の分極が反平行となる第７の状態に設定することにより、前記第７の状態に対応して第７の情報を前記イオン結晶に書込み、前記読み出し回路は、前記第１および第２の電極、前記第３および第４の電極、および前記第５および第６の電極間において検出された電圧が０Ｖの場合に前記イオン結晶中に書き込まれた情報が第７の情報であると判定することを特徴とする請求項２記載のメモリ素子。
【請求項５】
前記書込回路は前記イオン結晶の温度を前記転移温度以上に加熱する加熱部を備え、前記書込回路は前記第７の情報を前記イオン結晶に書き込む場合、前記第１および第２の電極、前記第３および第４の電極間、さらに前記第５および第６の電極間に印加される直流電圧を０Ｖとし、前記加熱部により前記イオン結晶の温度を前記転移温度以上に加熱し、次いで前記加熱部を消勢し、前記イオン結晶の温度を再び前記転移温度以下に降下させることを特徴とする請求項４記載のメモリ素子。
【請求項６】
前記イオン結晶はＫＯＨ結晶またはＮａＯＨ結晶であることを特徴とする請求項１〜５のうち、いずれか一項記載のメモリ素子。
【請求項７】
前記イオン結晶は、ＯＨ基をドープされたＫＣｌ結晶またはＮａＣｌ結晶であることを特徴とする請求項１〜５のうち、いずれか一項記載のメモリ素子。
【請求項８】
カリウムあるいはナトリウムを陽イオンとして含み、ＯＨ基を陰イオンとして含むイオン結晶と、
前記イオン結晶の相対向する第１および第２の面にそれぞれ形成された第１および第２の電極と、
前記第１および第２の電極に接続され、前記イオン結晶の電気感受率を測定することにより、前記イオン結晶の温度を検出する温度検出回路と、
を含む温度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はイオン結晶を使ったメモリ素子および温度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＯＨ基を含むいくつかのイオン結晶においては、大きな永久双極子モーメントの結果、ＯＨ基の分極方向が極低温において秩序配列する現象が知られている。例えばＫＣｌ結晶にＯＨ基をドープした場合、極低温においてＯＨ基の分極が秩序配列することにより、ＫＣｌ結晶の誘電率に最大値が出現する現象が報告されている。例えば非特許文献１を参照。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２１６９５１号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Fiory, A. T.,Physical Review B, vol.4, no.2, 15 July, 1971
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、かかるＫＯＨやＮａＯＨ、さらにはＯＨ基をドープしたＫＣｌやＮａＣｌ結晶などのＯＨ基を含むイオン結晶においてＯＨ基の双極子相互作用を使ったメモリ素子および極低温で使用可能な温度センサを提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一の側面によればメモリ素子は、カリウムあるいはナトリウムを陽イオンとして含み、ＯＨ基を陰イオンとして含むイオン結晶と、前記イオン結晶の相対向する第１および第２の面にそれぞれ形成された第１および第２の電極と、不活性液体で充填され、前記イオン結晶を、前記第１および第２の電極とともに、前記イオン結晶中に前記ＯＨ基の分極状態について秩序配列が誘起される転移温度以下の温度に保持するクライオスタットと、前記第１および第２の電極の間に直流電圧を印加し、前記ＯＨ基の分極状態を、前記ＯＨ基の分極方向が前記第１の電極から前記第２の電極に向かう第１の状態と、前記ＯＨ基の分極方向が前記第２の電極から前記第１の電極に向かう第２の状態と、前記イオン結晶中における最近接ＯＨ基の分極が反平行となる第３の状態のいずれかに設定し、前記第１の状態に対応して第１の情報を、前記第２の状態に対応して第２の情報を、前記第３の状態に対応して第３の情報を書き込む書込手段と、前記第１および第２の電極に接続され、前記イオン結晶の分極を測定することにより、前記イオン結晶に書き込まれた前記第１〜第３の情報のいずれかを読み出す読み出し回路と、を含む。
【０００７】
他の側面によれば温度センサは、カリウムあるいはナトリウムを陽イオンとして含み、ＯＨ基を陰イオンとして含むイオン結晶と、前記イオン結晶の相対向する第１および第２の面にそれぞれ形成された第１および第２の電極と、前記第１および第２の電極に接続され、前記イオン結晶の電気感受率を測定することにより、前記イオン結晶の温度を検出する温度検出回路と、を含む。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ＯＨ基を含むイオン結晶を使って、多値メモリ素子あるいは極低温で動作する温度センサを実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ＫＯＨ結晶の構造を示す図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｃ）は、ＫＯＨ結晶の縮退した三つの基底状態を示す図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｆ）は、ＫＯＨ結晶において基底状態から一つのＯＨ基の分極を反転させる様子を示す図である。
【図４】図３の分極反転の結果生じる準安定状態と、トンネルによる状態遷移を概略的に示す図である。
【図５】本発明の原理を説明するための図である。
【図６】図５の温度センサにおいて温度検知に使われる感受率と温度の関係を示すグラフである。
【図７】第１の実施形態による温度センサの構成を示す図である。
【図８】図７の温度センサによる温度検知動作を説明するフローチャートである。
【図９】第２の実施形態による３値メモリ素子の構成を示す図である。
【図１０】（Ａ）〜（Ｅ）は、図９の３値メモリにおける情報の書込を示す図である。
【図１１】第３の実施形態による多値メモリ素子で使われるイオン結晶を示す斜視図である。
【図１２】（Ａ）〜（Ｆ）は、図９の多値メモリにおける情報の書込を示す図である。
【図１３】第３の実施形態による多値メモリ素子の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［第１の実施形態］
図１は、ＫＯＨ結晶１０の単位胞におけるＫ原子とＯＨ基の配列を示す図である。
【００１１】
図１を参照するに、ＫＯＨ結晶では、○で示すＫ（カリウム）イオンと矢印で示すＯＨ基（水酸基）が交互に配列し、単純立方格子を形成している。またＯＨ基だけでみると、体心立方格子を形成している。
【００１２】
ＯＨ基は強い永久双極子モーメントを有するため、エネルギ的に安定な基底状態では、隣接するＯＨ基対、すなわち最近接ＯＨ基対は反平行な秩序配置をとり、反強誘電性を示すと予測される。なお図１中、矢印はＯＨ基の双極子モーメントの方向を示すものとする。
【００１３】
そこで、このような基底状態の存在を確認するため、ＫＯＨ結晶の全体について双極子相互作用ハミルトニアンＨを計算してみると、次のような表現が得られる。
【００１４】
【数１】
2012175085.tif 000003
【００１５】
ここでｐi，ｐjは、それぞれの格子点ｉ，ｊに配置されたＯＨ基の双極子モーメントを表し、ｒijは格子点ｉと格子点ｊの距離を示す。すなわち上記数式１において［］内の項は、ＯＨ基による双極子相互作用を表している。総和Σは結晶全体にわたり、最近接のＯＨ基対について求められる。Ｄは物質による定数であり、双極子モーメントｐi，ｐjを規格化するためのもので、真空中では１の値をとる。Ｄ＝１を仮定するとＡijの内容は、次の数式２に示す通りとなる。
【００１６】
【数２】
2012175085.tif 000004
【００１７】
ここで平均場近似をして定数項を省略すると、数式１のハミルトニアンＨに対し、数式３の表記が得られる。
【００１８】
【数３】
2012175085.tif 000005
【００１９】
そこで前記ＫＯＨ結晶１０において、図１のようなＯＨ基が反平行に秩序配列した、反強誘電性構造が出現するには、数式４の固有値方程式
【００２０】
【数４】
2012175085.tif 000006
において、大きな負の固有値λが存在することが言えればよい。ただし数式４においてｋＢはボルツマン定数、Ｔｃは転移温度、ＰはＫＯＨ結晶における分極の大きさを表す。
【００２１】
そこで上記固有値方程式をフーリエ変換して固有値が負で最大のものを探すと、予想通り、前記図１の基底状態に対応して
【００２２】
【数５】
2012175085.tif 000007
が得られ、これから転移温度Ｔｃが、
【００２３】
【数６】
2012175085.tif 000008
と得られる。ＫＯＨ結晶１０の場合、転移温度Ｔｃは約２０Ｋの値を有する。ただし数式５および６において「ａ」は格子定数を表す。
【００２４】
図１の基底状態は、矢印で示すＯＨ基の分極の向きがａ軸方向上で対向しているが、同様な分極の配向はｂ軸方向およびｃ軸方向にも可能で、従ってＫＯＨ結晶１０では、図２に示す３つの状態（Ａ）〜（Ｃ）が図１の基底状態に縮退している。以下の説明では、基底状態は図１に示したものであるとする。
【００２５】
次に、このような基底状態のＫＯＨ結晶１０において、一つのＯＨ基の分極の向きが、図３（Ａ）〜（Ｆ）に示すように自発的に変化する可能性について考える。ただし図３（Ａ）は図１の基底状態と同じものである。図３の（Ａ）〜（Ｆ）に示す分極状態は、図４に概略的に示すようにエネルギの高い中間状態により隔てられており、これらの間の自発的な遷移は量子力学的なトンネル効果により生じるものであるが、図３（Ａ）の基底状態から直接に図３（Ｂ）の状態にトンネルすることはできず、一旦図３（Ｃ）〜（Ｆ）に示すいずれかの中間状態を経なければならない。
【００２６】
なお図４中、横軸はＫＯＨ結晶１０中におけるＯＨ基の分極方向を変化させた場合の結晶全体のエネルギＥを、縦軸は一つのＯＨ基の分極方向を変化させる際にそのＯＨ基が感じるポテンシャルバリアを概略的に表したものである。図４中には、前記図１あるいは図２で説明した基底状態に対応するエネルギＥ０の他に、図３中（Ｂ）〜（Ｅ）で示すエネルギＥ１の準安定状態、さらには図３中、（Ｆ）で示すより高いエネルギＥ２の準安定状態が示されている。
【００２７】
このような状態変化に対応するトンネルハミルトニアンＨＴは、以下の数式７で与えられ、
【００２８】
【数７】
2012175085.tif 000009
図５に示すように上記ＫＯＨ結晶１０の相対向する（１００）面上に電極１１Ａ，１１Ｂを形成し、前記電極１１Ａ，１１Ｂに直流電圧Ｖを印加することによりＸ方向に電界Eを印加した状態における全ハミルトニアンＨは、数式
【００２９】
【数８】
2012175085.tif 000010
により与えられる。ただし数式７，８において「Δ」はエネルギの次元を有しトンネルの大きさを表す指標である。また数式８において＜ｐｚ＞はｚ成分、すなわち図１におけるｃ軸方向への双極子モーメント成分の熱平均を表す。
【００３０】
ここで数式７において、破線で囲んだ要素がゼロであるのは、双極子モーメントの＋ｐｘから＋ｐｘへのトリビアルな遷移、すなわち図３における（Ａ）の状態から（Ａ）の状態へのトンネル、−ｐｘから−ｐｘへのトリビアルな遷移、すなわち図３における（Ｂ）の状態から（Ｂ）の状態へのトンネル、＋ｐｙから＋ｐｙへのトリビアルな遷移、すなわち図３における（Ｃ）の状態から（Ｃ）の状態へのトンネル、−ｐｙから−ｐｙへのトリビアルな遷移、すなわち図３における（Ｄ）の状態から（Ｄ）の状態へのトンネル、＋ｐｚから＋ｐｚへのトリビアルな遷移、すなわち図３における（Ｅ）の状態から（Ｅ）の状態へのトンネル、−ｐｚから−ｐｚへのトリビアルな遷移、すなわち図３における（Ｆ）の状態から（Ｆ）の状態へのトンネルは考慮しないことを意味している。また上記破線で囲んだ要素がゼロであるのは、双極子モーメントの＋ｐｘから−ｐｘへの直接の反転、すなわち図３における（Ａ）の状態から（Ｂ）の状態へトンネル、−ｐｘから＋ｐｘへの直接の反転、すなわち図３における（Ｂ）の状態から（Ａ）の状態へトンネル、＋ｐｙから−ｐｙへの直接の反転、すなわち図３における（Ｃ）の状態から（Ｄ）の状態へトンネル、−ｐｙから＋ｐｙへの直接の反転、すなわち図３における（Ｄ）の状態から（Ｃ）の状態へトンネル、＋ｐｚから−ｐｚへの直接の反転、すなわち図３における（Ｅ）の状態から（Ｆ）の状態へトンネル、−ｐｚから＋ｐｚへの直接の反転、すなわち図３における（Ｆ）の状態から（Ｅ）の状態へトンネルが生じないことを意味している。
【００３１】
そこでこのようなトンネルの効果まで含めて先の図１のＫＯＨ結晶に対してハミルトニアンを再計算し、転移温度Ｔｃが出現するかどうかを確認したところ、電気感受率χについて数式９の表現が得られ、図６に示すように転移温度Ｔｃを境に低温側の領域（１）で図１の秩序構造が、高温側の領域（２）で図３に示す状態が混合した無秩序構造が出現することが確認された。
【００３２】
【数９】
2012175085.tif 000011
【００３３】
ただし上記数式９において、Ｅi（ｉ＝１，２，３）は、次の方程式
【００３４】
【数１０】
2012175085.tif 000012
の解であり、式
【００３５】
【数１１】
2012175085.tif 000013
により表現される。なお図６は、ＫＯＨ結晶１０を、ＫＣｌ結晶から出発し、当該ＫＣｌ結晶の全てのＣｌイオンをＯＨ基により置換することにより作製した場合についての結果を示している。また図６において温度が０Ｋにおいても電気感受率χがゼロにならないのはゼロ点エネルギの効果によるもので、ハミルトニアンに図４のトンネルの効果を含ませた結果出現した効果である。
【００３６】
図６の結果より、ＫＯＨ結晶を使って、極低温で動作可能な温度センサを構築することができることがわかる。
【００３７】
図７は、図６の原理に基づく第１の実施形態による温度センサ２０の概要を示す図である。
【００３８】
図７を参照するに、温度センサ２０は、相対向する（１００）面上に電極１１Ａ，１１Ｂを有するＫＯＨ結晶１０と、前記電極１１Ａに配線２１Ａにより接続され前記ＫＯＨ結晶１０に大きさが例えば５Ｖで１００Ｈｚ〜１００ｋＨｚの高周波電圧ＲＦを供給する高周波源２１と、前記電極１１Ｂに配線２１Ｂにより接続され所定のキャパシタンスＣｏを有するキャパシタ２２と、前記キャパシタ２２に出現する電圧を測定する電圧測定部２３とを含み、前記ＫＯＨ結晶１０および電極１１Ａ，１１ＢよりなるキャパシタのキャパシタンスＣｘを、式
【００３９】
【数１２】
2012175085.tif 000014
により求め、これからＫＯＨ結晶１０の誘電率εを式
【００４０】
【数１３】
2012175085.tif 000015
により求める。ここでＶlowは前記電圧測定部２３が測定する電圧値、Ｖhighは前記高周波電圧ＲＦの大きさ、ｄは前記ＫＯＨ結晶１０の厚さ、Ａは前記ＫＯＨ結晶１０の面積を表す。
【００４１】
誘電率εが求まると電気感受率χは、周知の関係ε＝ε０（１＋χ）より求められる。ただしε０は真空の誘電率である。
【００４２】
そこで得られた電気感受率χを図６のグラフと比較することにより、ＫＯＨ結晶１０の温度を求めることができる。
【００４３】
なお図７の温度センサにおいて、前記ＫＯＨ結晶１０は、塩化カリウムをイオン交換膜法により電気分解することにより作製することができる。また電極１１Ａ，１１Ｂは、例えばスパッタ法により形成される。
【００４４】
図７の温度センサでは、このようなデータ処理を行って電気感受率χの値を求めるため、前記電圧計Ｖの出力を供給されるプロセッサ２４を設けている。また図７の温度センサでは、前記ＫＯＨ結晶１０が２０Ｋ前後の極低温で使われるため、ＫＯＨ結晶１０への熱の流入を最小化すべく、配線２１Ａ，２１Ｂには破線で示す断熱シールド２１ａ．２１ｂが、それぞれ施されている。
【００４５】
図８は、前記プロセッサ２４において、求められた電気感受率からＫＯＨ結晶１０の温度を求めるためのフローチャートを示す。
【００４６】
前記ＫＯＨ結晶１０を、例えば液体ヘリウムを充填したクライオスタット中に配設し、クライオスタットを運転して温度を下げている場合、ステップＳ１において時間とともに電気感受率が増大するか否かが判定され、ＹＥＳであれば温度が転移温度Ｔｃより高いと、またＮＯであれば温度が転移温度よりも低いと判断される。
【００４７】
そこでＹＥＳと判定された場合には、ステップＳ２Ａにおいて温度領域（２）について温度Ｔと電気感受率χの関係を示す第１の表が参照され、ステップＳ３において温度Ｔが決定される。
【００４８】
またステップＳ１においてＮＯと判定された場合には、ステップＳ２Ｂにおいて温度領域（１）についての温度Ｔと電気感受率χとの関係を示す第２の表が参照され、温度Ｔが決定される。
【００４９】
先にも述べたように前記ＫＯＨ結晶１０は、例えばＫＣｌ（塩化カリウム）を、イオン交換膜法を使って電気分解することにより作製することができる。あるいは、高純度金属カリウムをアルゴンなど不活性雰囲気中においてゆっくりと蒸留水に反応させ、得られた水酸化カリウム水溶液を、ＫＣｌ結晶を保持した坩堝に移し、余分な水をコールドトラップで除去した後、クリポウロス（Krypoulos）法により結晶成長を行うことによっても得ることができる。なお本実施形態において前記ＫＯＨ結晶１０は必ずしもＫＯＨの組成を有する必要はなく、ＫＣｌ結晶にＯＨ基をドープして、Ｃｌイオンの一部をＯＨ基で置換したものであってもよい。
【００５０】
なおこのようにして得られるＫＯＨ結晶の転移温度Ｔｃは、このようにＫＯＨ結晶がＫＣｌから得られたものである場合、ＫＯＨ結晶中のＯＨの濃度により、１０Ｋ〜１００Ｋ程度の幅で変化する。
【００５１】
このような温度センサは、例えば液体ヘリウムで冷却されるような極低温環境での温度測定に有用である。
【００５２】
［第２の実施形態］
図９は、第２の実施形態によるメモリ素子４０の構成を示す図である。ただし図中、先に説明した部分には対応する参照符号を付し、説明を省略する。
【００５３】
図９を参照するに、メモリ素子４０は液体ヘリウムで冷却されたクライオスタット４１を有し、前記クライオスタット４１中には前記ＫＯＨ結晶１０が、２０Ｋ以下の温度で保持される。
【００５４】
前記メモリ素子４０では、情報の書込のため書込回路４２が設けられ、前記書込回路４２Ａは所定の書込電圧を、配線４３Ａおよび４３Ｂを介して、前記ＫＯＨ結晶１０に設けられた対向電極１１Ａ，１１Ｂに供給する。なお前記配線４３Ａ，４３Ｂには、クライオスタット４１中への熱の流入を抑制するため、断熱シールド４３ａ，４３ｂがそれぞれ施されている。
【００５５】
また前記クライオスタット４１中には、前記ＫＯＨ結晶１０を転移温度Ｔｃ以上に加熱するためのヒータ４１Ｈが設けられており、情報の書込時には前記ヒータ４１Ｈを駆動して前記ＫＯＨ結晶１０の温度を前記転移温度Ｔｃ以上に上昇させ、この状態で前記電極１１Ａ，１１Ｂ間に、前記ＫＯＨ結晶１０中に電極１１Ｂから１１Ａに向かう所定の書込電界E１を発生させる正の大きな第１の書込電圧Ｖ１（Ｖ１＞０）を、あるいは前記ＫＯＨ結晶１０中に電極１１Ａから１１Ｂに向かう所定の書込電界E２を発生させる負の大きな第２の書込電圧Ｖ２（Ｖ２＜０）を印加し、図１０の（Ａ）あるいは（Ｂ）の状態をそれぞれ発生させ、あるいは書込電界を発生させない例えば０Ｖの第３の書込電圧Ｖ３（Ｖ３＝０）を印加し、前記ＫＯＨ結晶１０中に、図１０の（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ）の状態を誘起する。ここで図１０の（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ）の三つの状態は縮退していることに注意すべきである。
【００５６】
さらにこの状態で前記ヒータ４１Ｈを消勢し、前記ＫＯＨ結晶１０を前記転移温度Ｔｃ以下の温度に冷却することにより、前記書込電圧を解除した後も前記ＫＯＨ結晶１０中には図１０の（Ａ）あるいは（Ｂ）の状態が、第１，第２の書込電圧Ｖ１，Ｖ２にそれぞれ対応して、また図１０の（Ｃ）〜（Ｅ）の状態が、前記第３の書込電圧Ｖ３に対応して、安定に保持される。
【００５７】
ここで前記第１および第２の書込電圧Ｖ１，Ｖ２は、ＫＯＨ結晶１０の全体にわたりＯＨ基の分極を反転させる電界E１あるいはE２を誘起する必要があるため、大きさが例えば１０ｋＶ／ｃｍ以上であるのが好ましい。一方前記第３の書込電圧Ｖ３については０Ｖであるのが好ましいが、前記ＫＯＨ結晶１０中に図１０（Ｃ）〜（Ｅ）に示す秩序状態、すなわち基底状態が生じるのであれば、必ずしも０Ｖである必要はなく、小さな正あるいは負の値であってもよい。
【００５８】
このような構成により、図９のメモリ素子４０では、図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）、さらに図１０（Ｃ）〜（Ｅ）に示すように前記ＫＯＨ結晶１０中に、電極１１Ａ，１１Ｂ間に書込電界が印加された場合にＯＨ基のエネルギが異なる三つの準安定状態を誘起することができる。
【００５９】
さらに前記メモリ素子４０では、前記電極１１Ａと１１Ｂの間の電圧を検出する電圧検出回路４５が、前記電極１１Ａに配線４４Ａを介して、また前記電極１１Ｂに配線４４Ｂを介して接続されており、前記配線４４Ａ，４４Ｂには、断熱シールド４４ａおよび４４ｂがそれぞれ施されている。
【００６０】
さらに前記電圧検出回路４５には、前記電極１１Ａ，１１Ｂの間の電圧値から前記ＫＯＨ結晶１０中における分極の向きが、前記図１０の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）〜（Ｅ）のいずれの状態であるかを判断する読み出し回路４６が設けられている。
【００６１】
そこで図１０（Ａ）の状態を「Ｄａｔａ＝−１」，図１０（Ｂ）の状態を「Ｄａｔａ＝＋１」，図１０（Ｃ）〜（Ｅ）の状態を「Ｄａｔａ＝０」とすれば、前記電圧検出回路４５が検出した電圧値を前記読み出し回路４６で判定することにより、前記ＫＯＨ結晶１０中に書き込まれた三値情報を読み出すことが可能となる。すなわち前記電極１１Ａと１１Ｂの間に正電圧が検出されれば書き込まれた情報は図１０（Ａ）の状態に対応して「−１」であり、負電圧が検出されれば図１０（Ｂ）の状態に対応して「＋１」であり、０Ｖであれば図１０（Ｃ）〜（Ｅ）に対応して「０」と判定される。
【００６２】
本実施形態では、情報の書込の際にＯＨ基の分極方向が変化するだけで、変位型相転移を生じるＰＺＴやＢＳＴなどのように原子位置の変位が生じることはないため、結晶格子に加わる歪みはわずかであり、劣化の少ない、従って書込回数の多い不揮発性メモリを構成することが可能である。
【００６３】
なお本実施形態においても、前記ＫＯＨ結晶１０として、ＫＣｌ（塩化カリウム）を、イオン交換膜法を使って電気分解することにより作製したものを使用することができる。また高純度金属カリウムをアルゴンなど不活性雰囲気中においてゆっくりと蒸留水に反応させ、得られた水酸化カリウム水溶液を、ＫＣｌ結晶を保持した坩堝に移し、余分な水をコールドトラップで除去した後、クリポウロス（Krypoulos）法により結晶成長を行うことによっても得たものを使うことも可能である。また本実施形態においても前記ＫＯＨ結晶１０は、組成が必ずしもＫＯＨである必要はなく、ＫＣｌ結晶にＯＨ基をドープし、ＫＣｌ結晶中のＣｌイオンの一部をＯＨ基で置換したものであってもよい。
【００６４】
［第３の実施形態］
図１１は、第３の実施形態による多値メモリ素子において使われるＫＯＨ結晶６０を示す。
【００６５】
図１１を参照するに本実施形態ではＫＯＨ結晶６０の（１００）面およびその対向面、すなわち（−１００）面上に前記電極１１Ａ，１１Ｂがそれぞれ形成されており、さらに相対向する（０−１０）面および（０１０）面上に同様な電極１１Ｃおよび１１Ｄが形成されている。さらに相対向する（００１）面および（００−１）面上にも、同様な電極１１Ｅおよび１１Ｆがそれぞれ形成されている。
【００６６】
そこで図１１のＫＯＨ結晶６０を図９と同様なクライオスタット４１中に保持し、相対向する電極の組、すなわち電極１１Ａと１１Ｂ，１１Ｃと１１Ｄ、１１Ｅと１１Ｆのいずれか一つに、前記図９の書込回路４２を使って書込電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のいずれかを印加することにより、前記ＫＯＨ結晶６０中に、図１２（Ａ）〜（Ｆ）の合計で六つの状態を、たとえば情報「−１」，「＋１」，「−２」，「＋２」，「−３」，「＋３」にそれぞれ対応して誘起することが可能である。すなわち本実施形態においては、ＫＯＨ結晶６０中に６値の情報を書き込むことが可能である。
【００６７】
さらに前記相対向する電極の組、すなわち電極１１Ａと１１Ｂ，１１Ｃと１１Ｄ、１１Ｅと１１Ｆのいずれか一つに生じる電圧を前記図９で説明した電圧検出部４５により検出し、検出された電圧値から、前記ＫＯＨ結晶６０中に生じているＯＨ基の分極が、図１２（Ａ）〜（Ｆ）のいずれであるかを判定することにより、前記ＫＯＨ結晶６０中に書き込まれているのが前記６値の情報のいずれであるかを判定すること、すなわち前記６値の情報を読み出すことが可能となる。
【００６８】
図１３は、前記ＫＯＨ結晶６０を使った多値メモリの概略的構成を示す図である。ただし図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。図面が複雑になるのを避けるため、図１４ではＫＯＨ結晶６０に設けられた電極１１Ａ〜１１Ｆのうち、電極１１Ａ〜１１Ｄのみを示している。
【００６９】
図１３を参照するに、前記クライオスタット４１中に保持されたＫＯＨ結晶６０の電極１１Ａおよび１１Ｃは、それぞれ配線６１Ａおよび６１Ｃを介して第１の切換回路６２Ａに接続され、また電極１１Ｂおよび１１Ｄは、それぞれ配線６１Ｂおよび６１Ｄを介して第２の切換回路６２Ｂに接続されている。前記配線６１Ａ〜６１Ｄは、それぞれ断熱シールド６１ａ〜６１ｄを設けられ、前記クライオスタット４１を充填する液体ヘリウムへの前記配線６１Ａ〜６１Ｄを介した熱の流入は最小化されている。
【００７０】
書込時には前記電圧検出部４５が消勢され、ヒータ４１Ｈを駆動することにより前記ＫＯＨ結晶６０を前記転移温度Ｔｃ以上に昇温させる。この状態で、書込まれる９値情報の値如何により、前記スイッチ６２Ａがまず配線６１Ａ，６１Ｃおよび図示していない電極１１Ｅに接続された配線６１Ｅ（図示せず）の一方を、スイッチ６２Ｂが配線６１Ｂ，６１Ｄおよび図示していない電極１１Ｆに接続された配線６１Ｆ（図示せず）の一方を選択する。より具体的には、前記スイッチ６２Ａにより配線６１Ａが選択されている場合は、スイッチ６２Ｂは配線６１Ｂを選択し、スイッチ６２Ａにより配線６１Ｃが選択されている場合は、スイッチ６２Ｂは配線６１Ｄを選択し、スイッチ６２Ａにより配線６１Ｅが選択されている場合は、スイッチ６２Ｂは配線６１Ｆを選択する。
【００７１】
さらに前記書込回路４２が駆動され、前記電極１１Ａと１１Ｂの間、あるいは電極１１Ｃと１１Ｄの間、あるいは電極１１Ｅと１１Ｆの間に、前記書込電圧Ｖ１，Ｖ２のいずれかが印加される。
【００７２】
このようにして情報の書込を行った後、ヒータ４１Ｈは消勢され、クライオスタット４１を駆動することにより、前記ＫＯＨ結晶の温度が前記転移温度Ｔｃ以下に低下させられる。これにより、書き込まれた情報は、先に図１２（Ａ）〜（Ｆ）で説明したいずれかの状態で準安定に保持される。
【００７３】
読み出し時には前記書込回路４２が消勢され、この状態でまず前記スイッチ６２Ａが配線６１Ａ，６１Ｃおよび６１Ｅの一方を選択し、さらにスイッチ６２Ｂが前記配線６１Ｂ，６１Ｄおよび６１Ｆの一方を選択する。より具体的には、前記スイッチ６２Ａにより配線６１Ａが選択されている場合は、スイッチ６２Ｂは配線６１Ｂを選択し、スイッチ６２Ａにより配線６１Ｃが選択されている場合は、スイッチ６２Ｂは配線６１Ｄを選択し、スイッチ６２Ａにより配線６１Ｅが選択されている場合は、スイッチ６２Ｂは配線６１Ｆを選択する。
【００７４】
さらにそれぞれの組み合わせについて、選択された電極間に生じる電圧が前記電圧検出部４５により検出され、検出された電圧値に基づいて、前記ＫＯＨ結晶６０中に書き込まれている情報が、前記図１２（Ａ）〜（Ｆ）のいずれであるかが判定される。
【００７５】
すなわちまずスイッチ６２Ａ，６２Ｂにより電極１１Ａ，１１Ｂの組が選択され、間に生じている電圧が電圧検出部４５により検出される。電極１１Ａと１１Ｂの間に正電圧が検出されれば、前記読み出し回路４６は、書き込まれた情報が図１２（Ａ）の状態に対応して「−１」であると判定し、負電圧が検出されれば図１２（Ｂ）の状態に対応して「＋１」であると判定する。
【００７６】
前記電極１１Ａと１１Ｂの間の電圧が０Ｖであった場合、スイッチ６２Ａ，６２Ｂは電極１１Ｃ，１１Ｄの組を選択し、間に生じている電圧が電圧検出部４５により検出される。電極１１Ｃと１１Ｄの間に正電圧が検出されれば、前記読み出し回路４６は、書き込まれた情報が図１２（Ｃ）の状態に対応して「−２」であると判定し、負電圧が検出されれば図１２（Ｄ）の状態に対応して「＋２」であると判定する。
【００７７】
さらに前記電極１１Ａと１１Ｂおよび電極１１Ｃと１１Ｄの間の電圧がいずれも０Ｖであった場合、スイッチ６２Ａ，６２Ｂは電極１１Ｅ，１１Ｆの組を選択し、間に生じている電圧が電圧検出部４５により検出される。電極１１Ｅと１１Ｆの間に正電圧が検出されれば、前記読み出し回路は、書き込まれた情報が図１２（Ｅ）の状態に対応して「−３」であると判定し、負電圧が検出されれば図１２（Ｆ）の状態に対応して「＋３」であると判定する。
【００７８】
これにより、前記ＫＯＨ結晶６０中に書き込まれた６値情報を読み出すことができる。
【００７９】
なお図１２の状態において、さらに図２（Ａ）〜（Ｃ）の基底状態まで含めると、本実施形態の多値メモリ素子の書込および読出動作は、７値の書込および読出しまで拡張することができる。すなわち、書込時に前記電極１１Ａと１１Ｂ、１１Ｃと１１Ｄ、１１Ｅと１１Ｆのいずれの組にも前記約０Ｖの書込電圧Ｖ３を印加し、あるいは書込電圧を印加せずに前記ヒータ４１Ｈを駆動して前記イオン結晶６０を前記転移温度Ｔｃ以上に昇温させ、その後ヒータ４１Ｈを消勢してイオン結晶６０を前記転移温度Ｔｃ以下に冷却することにより、前記イオン結晶６０中に図２（Ａ）〜（Ｃ）の基底状態を誘起することができる。
【００８０】
また読み出し時には、前記電極１１Ａと１１Ｂおよび電極１１Ｃと１１Ｄの間の電圧がいずれも０Ｖであった場合に、前記読み出し回路４６が書き込まれた情報が図２（Ａ）〜（Ｃ）の状態に対応じて「０」であると判定する。これにより、図１３の構成を使って７値の書込と読み出しが可能となる。
【００８１】
先の実施形態と同様、本実施形態においてもＫＯＨ結晶６０はＫＣｌ結晶にＯＨ基をドープし、Ｃｌイオンの一部をＯＨ基で置換したものであってもよい。
【００８２】
なお以上の説明はＯＨ基を含むイオン結晶としてＫＯＨ結晶を使った場合についてのものであったが、本発明はＮａＯＨ結晶を使った場合についても同様に適用可能である。
【００８３】
以上、本発明を好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００８４】
１０  ＯＨ基を含むイオン結晶
１１Ａ〜１１Ｆ  電極
２０  温度センサ
２１  高周波源
２１Ａ，２１Ｂ，４３Ａ，４３Ｂ，４４Ａ，４４Ｂ，６１Ａ〜６１Ｆ  配線
２１ａ，２１ｂ，４３ａ，４３ｂ，４４ａ，４４ｂ，６１ａ〜６１ｆ  断熱シールド
２２  キャパシタ
２３  電圧検出部
２４，４６  プロセッサ
４０  三値メモリ素子
４１  クライオスタット
４１Ｈ  ヒータ
４２  書込回路
４５  電圧検出部
６１  多値メモリ素子
６２Ａ，６２Ｂ  スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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