電子工学の時代は、 1947年のトランジスタの発明 とシリコンベースの半導体技術とともに始まった。それから70年が経った今、私たちは電子機器に囲まれており、それを否定しようとしても、日々の生活においてそれらに依存している。
シリコンベースのデバイスの性能は、主に新たな加工技術およびパターニング技術によって、過去数十年間に急速に向上してきた一方、ナノテクノロジーにより小型化とコスト削減が可能になった。
長年にわたり、電子工学においてシリコンは唯一の選択肢であり続けた。しかし、材料工学およびナノテクノロジーにおける近年の進展により、電子工学に新たな道筋がもたらされた。従来のシリコン電子工学が引き続き中心的な焦点であり続ける一方で、代替的な動向も台頭しつつある。これらには以下が含まれる：
2次元エレクトロニクス
この分野への関心は、炭素の構造的変種であるグラフェンの発見から始まった。グラフェンの炭素原子は六角形の二次元格子を形成し、原子一層分の厚さしかないこの層は、高い電気伝導性および熱伝導性、機械的な柔軟性、そして非常に高い引張強度により注目を集めている。グラフェンは、これまでに試験された中で最も強固な材料である。
2010年、スウェーデン王立科学アカデミーは、グラフェン研究における「画期的な実験」により、アンドレ・ガイムとコンスタンチン・ノボセロフにノーベル物理学賞を授与することを決定した。
グラフェンは電子工学におけるこの2次元革命の端緒となったかもしれないが、それぞれシリコン、リン、スズの原子一層分の厚さの同素体であるシリセン、ホスホレン、スタネンも、類似したハニカム構造を持ちつつ、異なる特性を有し、その結果として異なる応用を生んでいる。
この四つすべてが、私たちの知る電子工学を変える可能性を秘めており、小型化、高性能化、コスト削減を可能にする。サムスンやアップルを含む世界各地の複数の企業が、グラフェンに基づく応用の開発を進めている。
有機エレクトロニクス
導電性高分子の開発とその応用により、2000年にはさらなるノーベル賞が授与されたが、今回は化学賞であった。アラン・J・ヒーガー、アラン・G・マクダーミッド、白川英樹は、プラスチックが電気を伝導しうることを証明した。
従来の無機導体や半導体とは異なり、有機電子材料は化学合成により有機（炭素系）分子またはポリマーから構成される。有機エレクトロニクスは導電性高分子に限定されず、電子工学で利用されうるその他の有機材料も含む。これには、各種の色素、有機電荷移動錯体、その他多くの有機分子が含まれる。
性能および工業的発展の観点では、有機分子およびポリマーは、無機の対応物にまだ匹敵できない。しかし、有機エレクトロニクスには従来の電子材料に比べていくつかの利点がある。材料費および製造コストの低さ、機械的な柔軟性、合成プロセスの適応性、生体適合性により、有機エレクトロニクスは特定の応用において望ましい選択肢となっている。
曲面テレビ画面、スマートフォン用ディスプレイ、有色光源、携帯型太陽電池など、有機半導体に依存する市販のハイテク製品は、有機エレクトロニクスの工業的成熟を示している。実際、LGエレクトロニクスやサムスンを含む複数のハイテク企業が、低価格で高性能な有機電子デバイスに投資してきた。有機エレクトロニクス市場は今後数年間で急速に成長すると見込まれている。
メモリスタ
1971年、レオン・チュアは対称性の議論から、（抵抗器、コンデンサ、インダクタに加えて）第四の基本的な電子回路基板素子が存在するはずだと推論し、それを「記憶」と「抵抗器」を組み合わせた造語であるメモリスタと名付けた。チュアはメモリスタが多くの興味深く価値ある特性を有することを示したが、ヒューレット・パッカード・ラボの研究者グループが、特定の条件下でナノスケールのシステムにおいてメムリスタンス効果が存在しうることを発見したのは2007年になってからであった。多くの研究者は、メモリスタが私たちの知る電子工学を終わらせ、「イオニクス」という新たな時代を開始しうると考えている。
一般的に利用可能なトランジスタの機能は電子の流れを利用するのに対し、メモリスタは電子を、電荷を帯びた原子であるイオンと結合させる。トランジスタでは、電子の流れがいったん遮断されると（例えば電源を切ることによって）、すべての情報が失われる。メモリスタは、電源が切られていても、それらを流れた電荷量に関する情報を「記憶」し、保存する。
メモリスタの発見は、より優れた情報記憶への道を開き、新型の記憶装置をより高速で、より安全に、より効率的にする。電源が切れていても情報が失われることはない。メモリスタに基づく回路により、コンピュータの電源を瞬時にオン・オフし、すぐに作業を開始できるようになるだろう。
ここ数年、ヒューレット・パッカードは、メモリスタ技術に基づく新型コンピュータの開発に取り組んできた。HPは2020年までにこの製品を発売する計画である。
スピントロニクス
「スピン輸送エレクトロニクス」を意味する造語であるスピントロニクスは、「電子スピン」として知られる粒子の基本的性質を情報処理に利用するものである。電子スピンは、上向きと下向きという二つの向きのいずれかを持つ磁場として検出できる。これは、単純な電流で表される従来の低・高の論理値に加えて、二つの追加の二値状態をもたらす。電子の電荷とスピンの両方に情報を担わせることは、より多様な機能性を備えたデバイスをもたらす可能性がある。
これまでのところ、スピントロニクス技術は、ハードディスクやスピンベースのトランジスタなどの情報記憶デバイスで検証されてきた。スピントロニクス技術は、デジタル電子工学全般においても有望性を示している。二つだけでなく四つの定義された論理状態を操作できることは、より高い情報処理能力、より速いデータ転送速度、そしてより大きな情報記憶容量をもたらす可能性がある。
スピン輸送電子デバイスは、シリコン製の対応物と比べて、より小型で、より汎用性が高く、より堅牢になると見込まれている。現時点では、この技術は開発の初期段階にあり、研究が熱心に進められているにもかかわらず、スピンベースの電子チップが初めて商用化されるまでには2、3年待つ必要がある。
分子エレクトロニクス
電気回路の究極の目標は小型化である。単一分子エレクトロニクスとも呼ばれるこの分野は、単一分子、または単一分子の集合体を電子部品の構成要素として用いるナノテクノロジーの一分野である。
分子エレクトロニクスと前述の有機エレクトロニクスには多くの共通点があり、両分野はいくつかの側面で互いに重なり合っている。明確にすると、有機エレクトロニクスはバルク（大量）の応用を指すのに対し、分子スケールのエレクトロニクスはナノスケールの単一分子の応用を指す。
従来の電子機器は伝統的にバルク材料から作られてきた。しかし、電子工学における小型化の動向により、電子部品の構造寸法もそれに応じて縮小せざるを得なくなった。単一分子エレクトロニクスでは、バルク材料が単一分子に置き換えられる。電子部品の小型化は、消費電力を減らす一方で、デバイスの感度（そして場合によっては性能）を高める。分子系のもう一つの利点は、機能的なブロックへと自己組織化する傾向があることである。自己組織化とは、システムの構成要素が、相互作用または環境要因により、自発的に集まってより大きな機能単位を形成する現象である。
分子電子ソリューションとして、分子ワイヤ、単一分子トランジスタ、整流器など、いくつかのものが開発されてきた。しかし、分子エレクトロニクスはまだ初期の研究段階にあり、これらのデバイスのいずれも実験室を出ていない。
お読みになりましたか？
2015年のフォーラム技術パイオニアに会う
新興技術の倫理的含意は何か？
電子廃棄物について私たちは何をすべきか？
著者：Bart Kolodziejczyk、研究員、モナッシュ大学
画像：2013年5月22日、ソウルのCOEXコンベンションセンターで開催されたWorld IT Show 2013において、来場者がLGエレクトロニクスのフレキシブル有機発光ダイオード（OLED）テレビを見ている。REUTERS/Kim Hong-Ji
