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~

2025-12-19 立教大学

立教大学を中心とする共同研究グループは、導電性高分子である自己ドープ型ポリチオフェン(S-PEDOT)に化学的脱ドープ処理を施すことで、ホール(電子)とプロトン(イオン)が同時に伝導キャリアとして機能する「本質的な電子―イオン混合伝導状態」を創出した。この混合伝導状態では、従来ほとんど活用されてこなかったイオン伝導を積極的に利用でき、ニューロモルフィック分子ネットワークとして重要な非線形応答、短期記憶、高次元性を発現することが示された。特に、マテリアルリザバー素子の性能評価指標である波形生成タスクにおいて、混合伝導状態下で精度が大きく向上することを初めて実証した。ホールとプロトンが協奏的に働く本メカニズムは、生体神経系に近い情報処理を材料レベルで実現する新しい設計指針を提示し、低消費電力な次世代AIデバイスの実現に貢献すると期待される。

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~
図1.(a)自己ドープ型ポリチオフェン(S-PEDOT)と(b)脱ドープ分子である多価アミンの化学構造、(c)本系におけるホール-プロトン混合伝導状態を示すイメージ図。(d)混合伝導状態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。

<関連情報>

自己ドープポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)ナノフィルムの化学的脱ドーピングによって誘起される協同的なプロトン-電子混合伝導を利用した物質内物理リザーバー Utilizing Cooperative Proton–Electron Mixed Conduction Induced via Chemical Dedoping of Self-Doped Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) Nanofilms for In-Material Physical Reservoirs

Yuya Ishizaki-Betchaku, Motoaki Onishi, Tomoki Misaka, Mitsuo Hara, Hirokazu Yano, Hidenori Okuzaki, Jun Matsui, Tsuyoshi Hasegawa, Takuya Matsumoto, Hirofumi Tanaka, Shusaku Nagano
Advanced Science  Published: 18 December 2025
DOI:https://doi.org/10.1002/advs.202520270

Abstract

In this study, an intrinsic ion–electron (hole) coequally conductive state is introduced, induced by de-doping in self-doped poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (S-PEDOT) nanofilms, enhances the performance of in-material physical reservoirs (PRs) through the cooperative utilization of both carriers. A chemical dedoping modulates the electrical characteristics of the S-PEDOT PRs. Impedance spectroscopy under controlled relative humidity (RH) conditions reveals that the predominant conducting carriers of the S-PEDOT nanofilms change systematically depending on the RH. Under low RH, the dominant carriers are holes. At a moderate RH (60–80%), the S-PEDOT nanofilm exhibits a hole–proton mixed conducting state. A further increase in RH leads to predominantly proton carrier conduction. Moreover, the PR performance of the S-PEDOT nanofilms is evaluated by wave generation and nonlinear autoregressive moving average (NARMA) tasks. The S-PEDOT PRs display the best performance at RHs ranging from 60% to 80% (mixed conducting state). Therefore, it is concluded that this high PR performance is attributed to the complex dynamics originating from the cooperative hole–proton mixed conducting state of the S-PEDOT nanofilms. The results obtain in the present study are the first report of PRs using intrinsically ion–electron mixed conducting states, paving the way for the development of high-performance material-based PRs.

0403電子応用
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