| フラーレンナノウィスカーを用いた電界放出エミッタの開発とその場特性評価 |
| 名古屋大学 大学院工学研究科 助教 安坂 幸師 |
| 本研究は、カーボンナノ物質の構造を原子レベルの空間分解能で直接観察しながら、個々のナノ物質をマニピュレーションして電界放出エミッタを作製し、その場で、電極間距離やエミッタ構造を観察すると同時に電界放出電流を測定して、電界放出過程を明らかにする。さらに、ナノ物質の集合体からなるエミッタを作製し、電界放出顕微鏡法によりマクロ的な電界放出特性を明らかにすることを目指している。申請者は、その場原子直視顕微鏡内で、単層カーボンナノチューブ両端をピエゾ駆動により引っ張って、座屈によるくびれの発生から破断に至る過程を明らかにし、また、完全に破断したナノチューブの破断部同士を接合させることに成功している。極く微小な単一のナノ物質の構造を観察しながらマニピュレーションして、その場で力、電流、電圧などの物性値を同時に測定し、データを完全に同期解析することで物性値のわずかな変化を構造変化とともに的確に捉える特徴を持っている。フラーレンナノウィスカーは液-液界面析出法により作製し、真空中で熱処理した熱処理ナノウィスカー、ナノカプセル等を用いる研究となる。基礎フェーズの研究であるが、電子放出源として期待されるナノカーボン材の活用に活かせるであろう。成果を元に、研究者自らが実用化に踏み込む姿勢が望まれる。 |
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| ゾル・ゲルシリカガラスの粘弾性特性 |
| 埼玉大学 工学部機械工学科 准教授 荒木 稚子 |
溶融法によってつくられたガラスはシリカガラスでもソーダ石灰ガラスでもバルクなガラス体として室温で使用するときには弾性体としてはたらく。これにたいし、ゾルーゲル法でつくられた多孔質ガラスは、ナノポーラス構造や水酸基の量が多いために粘弾性を示すことが知られている。材料を実際に応用するときには破壊強度、変形特性およびこれに関連のある粘弾性特性を考慮することは極めて重要である。しかし、ゾルーゲル法でつくられた多孔質シリカについて粘弾性を系統的に調べた研究はフランスのファリポウのグループの研究を除いてほとんど見られない。
本研究は、ゾルーゲル法で作製されたゲルシリカガラスの構造と粘弾性特性の関係を明らかにすることを目的とする。そのため、ゾルーゲル法シリカガラスの空孔率、空孔サイズ、幾何形状の環員数、水酸基量、架橋酸素を測定する。また、動的弾性率および機械的損失の時間（周波数）依存性および温度依存性を測定し、これら動的粘弾性と構造との関係を明らかにする。この研究によりゾルーゲル法でつくられた多孔質シリカの実用構造材料としての安定的利用が可能になる。 |
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| 無機多孔質体表面の荷電特性と物理構造が表面沈澱現象に及ぼす影響の解明 |
| 岡山大学 環境管理センター 准教授 石黒 宗秀 |
河川、湖沼の水質汚染を防ぎ、環境浄化をはかるために、水処理施設が建設され、汚染物質の除去が進んでいる。汚染物の除去に無機多孔体の表面沈澱現象が利用されているが、その効率を高めるためには沈澱のメカニズムを正確に理解することが必要である。
本研究では表面荷電の異なる多孔質体を実験試料として使用する。すなわち、正荷電をもつフェリハライド、負荷電をもつシリカ粉末、正負両荷電をもつ中空アロフェンのイモゴライト（鹿沼土）ならびにシリカアルミナを実験に用いて表面沈澱にたいする表面荷電特性と構造の影響を調べる。溶液中から多孔質体表面に吸着―沈澱させる汚染物質としては硫酸イオン、リン酸イオン、重金属イオンを使用する。これらの組み合わせについて、イオン濃度、pHの関数として平衡溶液濃度を測定し、添加イオン量と平衡溶液中に存在するイオン量の差から、吸着・表面沈澱量を求める。こうして得られた実験結果を用い、BET吸着等温式を基本にして理論的考察を行い、沈澱のメカニズムを明らかにし、その上で効率的な水質浄化方法を提案する。
本研究の成果によりこれまで以上に効率的な水質浄化技術が達成されることは環境問題に資するところが極めて大きいと思われる。
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| 有限振幅超音波を用いた閉口および密着型亀裂の検出に関する研究
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| 秋田大学 工学資源学部電気電子工学科 教授 今野 和彦 |
超音波は各種工業材料、建築構造物、更には医療診断など広い分野で重要な非破壊検査の探針として利用されている。しかし、現在用いられている超音波は振幅の小さい、即ち応力が小さく、応力と歪みが線形の関係を保つ領域のものである。ところが応力が大きい場合は歪みとの関係が非線形となり、音波の伝搬に際し波形歪みを生ずる。従来の非破壊試験では、この波形歪みの情報は利用されていない。本研究は大振幅の音波、即ち有限振幅音波を用いて、その波形歪みを計測して、閉口あるいは密着型亀裂の検出を行う手法を確立しようという意欲的なものである。波形歪みは検査対象の弾性的および構造的特性を反映したもので、対象中に亀裂、空洞、残留歪み・応力や弾性率の不均一が存在すれば検出し得る。
本研究では現在立ち遅れている薄板上の試料の探傷法確立が進められる。その目的実現には試料中を伝搬するラム波が利用されるが、ラム波は波長と試料板厚によって伝搬モードが複雑に変化する。そこで、まず、有限要素法による振動モード解析および音波の伝搬シミュレーションを行い、実験との比較から詳細な伝搬挙動の解明がなされる。次いで、大振幅音波を試料中に放射し、その波形等を正確に検出するためには振動子、試料、振動子駆動用信号源等を総合的に考慮したシステムの構築が必要であるが、その検討も十分になされており、実際にシステムの構築に取りかかれる状態にある。本研究の進展により、従来困難であった閉口亀裂等の探傷が可能になることが期待される。
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| 層状ペロブスカイト酸化物蛍光体の蛍光特性に及ぼす層状構造の影響 |
| 九州工業大学 工学部物質工学科応用化学教室 准教授 植田 和茂 |
ペロブスカイト関連構造スズ酸化物(An+1SnnO3n+1; A=Ca, Sr, n=1, 2, ∞)に希土類や遷移金属を添加すると、緑、赤、橙、白色の強い蛍光を示すことを見出している。これが出発点となり、蛍光はペロブスカイトの層状構造と密接に関連すると考え、Pr添加のチタン系層状ペロブスカイトSrn+1TinO3n+1:Pr(n=1, 2, ∞)を合成した。そしてn=1から2へとnが増加すると600nm近傍に現れる蛍光の強度が増すことがわかった。そこでn=3にするとさらに強度が増すことを期待して、n=3の試料の合成を試みた。しかし難しく、n=1,2より高温の1700°cで合成できた。結果は予想に反してn=3はn=2より蛍光強度が弱くなった。n=2の強度が最大になった原因を探るべく、粉末試料のX線回折のデータをリートベルト解析したところ、Pr原子が置換するSr原子と隣接する9個のO原子とで作る局所構造に、n=2の試料で異常があることがわかった。それはn=2のSr(IX)サイトは歪が大きく、それが原因で蛍光強度が最大になったと考えられる。
そこでこれまでに測定したペロブスカイト関連構造スズ酸化物を含めて、蛍光強度と酸化物の構造を比較するなどして検討した。蛍光の色は添加する金属と酸化物の電子構造による。しかし蛍光強度は電子励起されたエネルギーが蛍光体のフォノンへの散逸が影響し、歪みのある構造ではソフト化したフォノンが現れ、電子エネルギーの熱への転換を抑える可能性があると推測できた。またこれはEu添加での赤色発光の発見以降、蛍光体の開発は添加原子に目が向けられてきた感があるが、また原点に戻り、蛍光体の母材の開発に目を向けるべきことを示唆している。 |
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| テルライト光ファイバの誘導ブリルアン散乱を用いたスローライト生成による全光型バッファメモリーの研究 |
| 豊田工業大学 大学院工学研究科極限材料専攻 教授 大石 泰丈
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| FTTHの普及と急速なブロードバンド化の進展により、基幹ネットワークにはますますの大容量化が求められている。ネットワークのノードで少なくとも10Tb/sを超える大きな情報処理が必要と考えられており、これを実現するため、全光信号処理技術の研究が行われている。超高速ネットワークのノードでは、光パルスの波形整形や分離などの機能を実現するための超高速全光スイッチや光パルス列を一時的に保持する光バッファメモリーが必要になっている。全光型の光バッファメモリーの研究は吸収や利得による大きな屈折率分散を利用した群速度の制御による、いわゆる、“slow light”を利用したものがある。申請者らは、高非線形テルライトガラスを開発し、この光ファイバによる光信号処理の研究を進めてきた。四光波混合によるパラメトリック増幅、波長変換等の他誘導ブリルアン散乱、誘導ラマン散乱によるslow light生成の研究を行った。その結果、テルライト（TeO2を主成分とするガラス）ファイバのSRSを利用した場合、石英ファイバの80倍以上のslow light生成効率を持ちえることを明らかにした。申請者の開発したロッドインチューブ法により試作した微細構造テルライト光ファイバのブリルアン増幅特性および波形整形特性を解明したのち、パルス広がりのない高効率遅延実現を検証する。非線形光増幅ループミラーを用いたテルライト光ファイバの自己位相変調効果を利用した場合の波形整形特性検証をする。以上より、超高速全光処理の基盤要素技術であるバッファメモリー技術を固め、次なる展開としてこれまで未だ取り組まれていない集積化された高非線形ガラス導波路による超高速全光処理の研究に発展することが期待される。
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| ナノ粒子プラズモニクスによる新しい光機能の開拓 |
| 京都大学 化学研究所 教授 金光 義彦 |
光と電子の相互作用を増強させるため、マイクロスケールの光デバイスとナノスケールの電子デバイスの融合化を目指す。そこでは電子系の表面プラズモンを利用して、光の電場増強を図る。この種の研究、開発でいろいろと実験事実は得られているが、プラズモン効果の詳細は不明である。そこで金属プラズモンを介して金属‐半導体間のエネルギー移動のダイナミクスを解明する。粒径が約5 nmのCdSe/ZnSコア・シェル型ナノ粒子と、同サイズのAuナノ粒子が六方晶の最密構造で配列した単層膜、多層膜をLB膜作成法によって作る。そして両粒子の混合比率を系統的に変化させた複合膜とし、エネルギー移動過程を研究する。すなわちAuナノ粒子数と発光強度との関係を観測し、ダイポール近似などのモデル計算と比較し、最近接および第二近接のAuナノ粒子へにエネルギー移動時間を解明する。今後応用面で重要になる基礎研究である。
しかし周辺環境との相互作用を利用して新しい光機能を実現するとあるが、そうだとするとAuナノ粒子へにエネルギー移動時間だけが問題になるのだろうか。光による励起の場合には半導体ナノ粒子で電子励起が起きるので、第1のステップとしてはAuナノ粒子へにエネルギー移動が問題になる。しかしAuナノ粒子の表面プラズモンを利用して半導体ナノ粒子の発光強度の増強を図っているのだから、むしろAuナノ粒子の表面近傍での電子の集団励起である表面プラズモンからのエネルギー移動の方が重要で、隣接する半導体ナノ粒子とAuナノ粒子間の距離（隙間）を変える努力をするのが重要になるのではないか。さらに電子デバイスの観点からも後者の方が重要になるであろう。
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| 高温ガラス融体の静的および動的濡れ性測定 |
| 東京理科大学 基礎工学部材料工学科 助教 岸 哲生 |
ガラスの成形温度、すなわち、液相温度とガラス転移温度の間の温度範囲における高温ガラス融液の表面張力、密度、粘性、濡れ特性はガラス融液の成形にとって重要な特性である。本研究では、とくに高温ガラス融液の表面張力、密度および動的濡れ特性を温度およびガラス組成の関数として測定し、ガラス融体の動的濡れ挙動を明らかにする。
本研究の結果は、球の一部を切り取った形のガラス超半球の作製に応用される。申請者らはガラス微粉末を炭素基板上で不活性雰囲気中で熱処理することによりマイクロメートルサイズの、同一形状のガラス超半球を作製することを可能にしている。マイクロメートルサイズのガラス超半球は、光の回折限界を越える分解能を有するソリッドイマージョンレンズや高い効率で光を閉じ込める球状光共振器となる。所望の形状の超半球ガラスを得るためには、接触角を選ぶことが必要であり、そのためには上記の測定が必要になる。
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| サイト選択性を有する高機能フラックスを用いたMn2+蛍光体の発光制御 |
| 福井工業高等専門学校 一般科目応用物理 准教授 北浦 守 |
YPO4:Mn2+は9Kで赤色(1.91eV)発光をし、Zr4+をさらにドープすると青緑色(2.52eV)にシフトする。しかも発光強度は100倍も強くなる。この原因を探るため、溶液法でYPO4:Mn2+とYPO4:Zr4+,Mn2+を合成し、発光の励起スペクトルと減衰曲線、ESRスペクトルの測定をした。そしてMn2+が前者では格子間に、後者ではY3+の位置に置換している。また発光はMn2+のd-d遷移であり、色の違いはMn2+の結晶場の違いによると結論した。さらにMn2+はY3+と価数が異なるため格子間に位置し、価数の違いを打ち消すZr4+が加わってMn2+をY3+位置へ移動させたと考えられる。またYPO4:Mn2+では格子間のMn2+が凝集して著しく消光し、凝集が起きないYPO4:Zr4+,Mn2+で発光強度が増大したためである。
この結果に基づいて、ZrO2に代わる4価の金属イオンを含む化合物の低融点材料を探索し、それをフラックスとし、またYPO4:Mn2+をベースにして、固相反応で蛍光体の合成を試みる。そしてYPO4:Mn2+の発光強度を増大させ、発光色を制御する機能を与える高機能フラックスを開発して、Eu2+などの希土類蛍光体に代わる実用的な蛍光材料の開発を目指す。これまでの蛍光色の変化、蛍光強度の増大の原因を明らかにした実績およびそれを発展させようとする意欲を評価する。しかしZrO2に代わるフラックスを開発しても、発光がMn2+のd-d遷移であり、Mn2+が格子位置の正方晶サイトと格子間位置の斜方晶サイトに限られるならば、フラックスを変えることによる発光色の制御はできないのではないか。ただYPO4をScPO4にすると発光はレッドシフトしている。これは配位子場の強さの違いであろう。
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| 半導体特性を持つ鉄バナジン酸バリウムガラスの熱処理による顕著な導電率上昇と構造緩和の相関 |
| 宇部工業高等専門学校 物質工学科 准教授 久冨木 志郎 |
| バナジン酸塩ガラスは、リチウムイオン電池正極材料をはじめ、イオナイザー、ヒーターなど様々な方向への実用化が検討されている。特にリチウムイオン電池正極材料は燃料電池自動車のバッテリーとして注目を浴びている。現在知られている導電性セラミックスの導電率は10-3Scm-1〜100Scm-1率程度で、実用化にはさらなる導電率向上が要求されている。バナジン酸塩ガラスはVVI-O-VV間を電子が移動する、スモールポーラロンホッピング機構により、10-7Scm-1〜10-5Scm-1の範囲の導電率を有することで知られている。BaO-V2O5-Fe2O3系ガラスについて、申請者らは、20BaO・70V2O5・10Fe2O3組成ガラスを500 °Cで1000分間等温熱処理することで導電率が最高の1.1Scm-1に到達することを明らかにし、導電率の上昇したガラス試料の表面には組織変化が見られ、鉄イオンはこのガラスネットワーク中で非常に強く結合している点などが明らかになった。しかしながら、BaO-V2O5-Fe2O3系ガラスの熱処理後の導電率の最高値およびその上昇メカニズムは不明である。例えばSEM 写真による表面観察では導電率が上昇する場合には表面に変化が見られるものの、その析出化合物はX線回折等では特定できない。熱処理により構造変化を起こし、その結果導電率が上昇する様子を57Feメスバウアー分光法を中心とする測定技術を用いて解明する。そのデータをもとに同ガラスが構造緩和により電気伝導度が最高になるガラス組成、熱処理温度、熱処理時間を明らかにし組成−構造−導電率の相関性を明らかにする。二酸化炭素を排出しない、次世代型のクリーンエネルギーを供給する新素材として、バナジン酸塩ガラスの実用化に資する。
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| 遷移金属水酸化物ナノシートの積層化による新規機能性材料の開発 |
| 徳島大学 大学院ソシオテクノサイエンス研究部ライフシステム部門物質機能化学大講座 助教 倉科 昌 |
| 遷移金属水酸化物ナノシートとアニオン性ポリマーとを水溶液中で1枚づつ積層することによって新たな物性を示す材料が得られることが期待される。申請者らはコバルト水酸化物とニッケル水酸化物のナノシートの合成にすでに成功しており、それらのカチオン性ナノシートとアニオン性ポリマーなどを自由な順序と数で積層することを交互積層法によって試そうとしている。磁性材料のみにとらわれることなく、自由な発想で系統的にバライエティにとんだ材料候補群をつぎつぎと作成してみて欲しいと考える。 |
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| CVDダイヤモンド極薄膜冷陰極電子源作製の処方の確立 |
| 東北大学 多元物質科学研究所 教授 河野 省三 |
| 高性能な電子エミッター実現への期待は大きい。CVDダイヤモンド表面は負性電子親和力表面であり、うまく界面制御を行えば優秀な冷陰極電子エミッターとなると期待されている。申請者らは導体基板上に予めスピンコートした高圧高温合成ダイヤモンド単結晶微粒子を利用してそれをさらにCVD成長させると非常に高輝度の電界放射を示す粒子が存在することをすでに見出している。さらに、最近、ダイヤモンドのナノ結晶がIr(001)基板上に直接成長することを見出した。本研究では高性能な電子エミッター実現に向けて、このような研究成果の蓄積のうえにCVDダイヤモンド（微粒子）極薄膜形成の最適な処方が確立されることを期待する。 |
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化学刺激に応答してナノチューブ骨格を生成する無機
―有機アモルファスの機能研究 |
| 静岡大学 機器分析センター 准教授 近藤 満 |
カーボンナノチューブは、水素貯蔵に代表されるように、優れた小分子吸収活性を発現する。これらの機能が、通常の活性炭やゼオライトでは見られないことから、この優れた機能の発現には、カーボンナノチューブのチューブ状骨格が大きく寄与していると考えられている。
本研究者は、最近、6×6Aの細孔サイズをもつナノチューブ状の多孔性個体を、金属―有機複合骨格を用いて合成することに成功している。この細孔の内部は真空状態が維持されており、実際に、アセトニトリルやエタノールなどの溶媒だけでなく、二酸化炭素などの気体も吸着貯蔵することが可能であることを明らかにしてきている。そこで、本研究では無機―有機チューブ骨格を用いて、以下の3つお機能を発現されることを目的としている。
（1）ナノチューブ骨格に由来する水素吸着、（2）ナノチューブ骨格を利用した分子フィルターの作成、および、（3）メタノールの添加をスイッチとして、上記二つの機能を発現する新しい化学刺激誘起型アモルファスの開発。本研究の成果が期待される。
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| カルコゲン含有ゼオライトの全光スイッチ応用 |
| 北海道大学 大学院工学研究科応用物理学専攻 学術研究院 斎藤 全 |
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申請者らは、カルコゲナイドガラスの非線形光学特性についての系統的な研究をおこなってきている。本研究ではさらにゼオライトのナノ多孔構造を活かしたカルコゲン含有ゼオライトを用いて、ナノサイズ効果に起因して増強される非線形光学特性に着目し、それを全光スイッチへの応用に結び付ける研究を企図している。ナノ構造に閉じ込められた1次元的な構造を有するカルコゲンの光学特性の利用の端緒が開拓されることを期待したい。 |
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| バイオディーゼル燃料の連続生産プロセスの開発を目指したゾル-ゲルシリカ修飾リパーゼ包括ナノファイバー不織布膜の開発 |
| 九州大学 大学院工学研究院化学工学部門 助教 境 慎司 |
植物油などの生物由来の油や、てんぷら油など各種廃食用油から作られる軽油代替燃料であるバイオディーゼル燃料は、燃焼によって二酸化炭素を排出しても大気中の二酸化炭素総量が増えないカーボンニュートラルである。さらに、従来の軽油に混ぜてディーゼルエンジン用燃料として使用できるため、トラックなどディーゼルエンジンを利用するものからの二酸化炭素削減の手段の一つとして注目されている。リパーゼ酵素の触媒作用によって、原料油脂をバイオディーゼル燃料へ変換する酵素法を用いる。この方法において、リパーゼ酵素は水に可溶化した遊離型の酵素ではなく（1）酵素とバイオディーゼル燃料の分離を容易にするため、（2）酵素の繰り返し使用により製造コストを低下させるため、（3）水の添加を不要として遊離脂肪酸の副生を抑制するため、などの理由でイオン交換樹脂などの担体に固定化した状態で使用される。本研究ではリパーゼ酵素をエレクトロスピニング法によって得られる数十〜数百ナノメートルのファイバーに包括ことに特長がある。さらに、リパーゼ酵素をそのまま包括するのではなく、その酵素活性をゾル-ゲル反応を経たシリカでの修飾により数十倍に高めた後に包括することで、酵素法の欠点である反応速度の遅さを解決する。
これらによって得られるリパーゼ酵素固体化担体はナノファイバー不織布であり、裁断・成形も容易であるため膜状の反応場として流通反応プロセスへの適用も容易であり、連続的なバイオディーゼル燃料の生産を行うための反応装置の開発を目指す研究であり、成果が期待できる。 |
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固液界面付近における流動ダイナミクスの解明と新規濡れ性機能表面の創製
−撥水・親水現象の新たな応用展開方法の確立−
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| （財）神奈川科学技術アカデミー 重点研究室光触媒グループ 常勤研究員 酒井 宗寿 |
「一定の傾斜角でどれくらいの速度で水滴が転落するか？」という“動的な濡れ性”の概念の重要性が認識され、各固体表面と水の界面での粘性抵抗力の違いが、水の運動性に大きく影響することが示唆された。一方、TiO2光触媒の一つの機能である超親水性は、材料工学の視点からその機能性向上やメカニズムの研究は盛んであるが、流体力学の視点から“濡れ広がり”を研究対象とした事例は、限定的である。従って、固液界面での流動ダイナミクス（粘性抵抗力・濡れ広がりのメカニズム）が、固体表面上の水の運動性に強く影響することが予想され、これらを解明することが、濡れが関与する機能表面の設計（マイクロスケール構造での親水・撥水パターン表面等）・応用（MEMS等でのマイクロ流体の制御）に不可欠である。
本申請では、固液界面間における流動ダイナミクスの計測方法（粘性抵抗力・濡れ広がりメカニズムを映像の濃度パターンを追尾しての、流動速度分布計測による可視化により調べ、固体表面の違い（親水性・撥水性表面）による水の流動特性を解明する。この知見を元に、親水性・撥水性現象を用いる新規機能表面を創製する。固体表面の濡れ性の違いによる固液界面の流動ダイナミクス（粘性抵抗・濡れ広がりのメカニズム）を考察することから、撥水性・親水性の両方の特徴を生かした新規機能表面を創製が期待される。 |
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| PLD室温蒸着酸化物薄膜のエピタキシャルな結晶化メカニズムの研究 |
| 東北大学 大学院工学研究科機械システムデザイン工学専攻 准教授 佐多 教子 |
パルスレーザーデポジション（PLD）法は高融点酸化物のエピタキシャルな薄膜作製の有力な手法として利用されている。その際、単結晶基板を700〜900°Cに加熱しておけば比較的容易に結晶方位の揃ったエピタキシャル薄膜が得られる。しかし、基板を高温に加熱するシステムは装置を複雑にすると共に、コストの上昇を招く。そのため可能な限り低い温度で酸化物薄膜を蒸着し、エピタキシャル膜を作ることが望まれている。
本研究者等はPLD成膜において基板を加熱せず、ラジカル酸素を供給しながら単結晶基板上にペロブスカイト組成の酸化物を蒸着し、得られた非晶質薄膜を空気中で600°C程度という低い温度でアニールすることで、エピタキシャルな結晶性薄膜の得られることを見出している。この方法では真空チャンバー内での加熱が不要であり、成膜プロセスが簡略化できる。
しかし、このPLD室温蒸着―ポストアニールプロセスでは蒸着時の雰囲気、レーザーエネルギーなどの条件により、エピタキシーの状態が変化することが見出されている。そこで本研究ではアニール前の非晶質状態の違いを明らかにすることが第一の目標とされている。また、この方法で得たエピタキシャル膜には、通常のPLD法で得た膜とは幾つかの違いがみられるので、それ等の違いが物性にどの様に影響するかについても研究が進められる。本研究により室温蒸着でエピタキシャル酸化物薄膜を得る方法が確立されれば、酸化物薄膜の研究・利用に与える影響は大きいものと考えられる。 |
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| 光誘起ナノプラズマを利用したガラス構造のナノマニピュレーション |
| 京都大学 産官学連携センター 産学官連携准教授 下間 靖彦 |
| 近年のレーザーパルス圧縮技術の向上に伴い、超短パルスレーザー光を利用したガラス等の透明材料の微細加工に関する研究が盛んに報告されている。本研究では、石英ガラス等の透明固体材料内部に集光フェムト秒レーザーを照射し、ナノフォトニクス構造の誘起がどのような影響を受けるかを明確にし、材料内部に三次元的に集積化された回折格子、光増幅器、偏光分離素子等の微小光学素子の作製技術として応用展開するための基盤技術を開発する。フェムト秒レーザー照射によるナノ周期構造の形成を最適化するため、石英ガラスとSiO2の原料粉末の一部にSiナノ粒子を使用し、フローティングゾーン法にて雰囲気制御下で作製したガラスを使用する。予めガラス内部の酸素欠陥量を制御した石英ガラスを使用することによって、形成される酸素欠陥領域をSiにまで完全に還元させる。偏光を制御したフェムト秒レーザービーム（ダブルパルス）を同軸かつ遅延させて照射することによって、最終的にガラス内部で形成されるナノフォトニクス構造の制御が可能になると考えられる。そこで、直線偏光のフェムト秒レーザーをビームスプリッターで2本に分割し、一方の偏光方向を90°回転させ、かつディレイラインを使用して遅延させて同軸でガラス内部に集光照射する。1本目のフェムト秒レーザーにより誘起したナノプラズマの形成過程で、さらに偏光方向が異なる2本目のフェムト秒レーザーがタイミングをずらして照射されることによって、最終的に形成されるナノフォトニクス構造を制御する。電気伝導性を有する構造を局所的に誘起させることも可能であり、フォトニクス構造とマイクロエレクトロニクス構造を融合したナノ光電子デバイス作製への応用も期待される。 |
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| 周期性ナノ構造ポーラスシリカ薄膜の気相合成とその電気化学デバイスへの応用 |
| 関西大学 環境都市工学部エネルギー・環境工学科 助教 田中 俊輔 |
| 界面活性剤と無機化合物との複合自己組織化により有機−無機複合体を形成させ，その後に鋳型となっている界面活性剤を焼却や抽出除去することで周期構造を有するメソポーラスな多孔質無機材料を作成することができる。この方法では界面活性剤の集合体ミセルが形成する多様な構造規則性の付与が期待される。申請者は，界面活性剤にシリコンアルコキシド蒸気を接触させることによって多様な規則構造を有する界面活性剤−シリカ複合体が得られる蒸気浸透合成（Chemical Vapor Infiltration;CVI）法を提案・実証している。申請者によって提案されているこの興味ある方法をさらに深める研究が行われることに期待したい。 |
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| ポリシリコン薄膜材料の疲労強度に及ぼす結晶粒径の影響 |
| 高知工業高等専門学校 機械工学科 准教授 陳 強 |
半導体の微細加工技術を駆使して作製される微小な部品から構成される電気機械システム（MEMS）は今後の発展が期待される産業分野として注目されている。既に光スイッチや加速度センサーなどのマイクロデバイスが商品化されている。ところが材料の寸法がミクロンやサブミクロンオーダーになると、マクロ材料とは全く異なる破壊挙動を示すことがあり、MEMS材料の疲労特性に及ぼす材料の形状および組織の違いを考慮した寸法効果を評価する技術の開発が急がれている。一方MEMS材料はサイズが小さいため、その取り扱いが極めて難しい。そのため、従来の研究では薄膜の変形特性や曲げによる疲労試験などは行われてきたが、最も望まれる単純引張疲労試験は行われてこなかった。
本研究では先ず、代表的なナノ・マイクロ材料であるポリシリコンを対象として、その機械的特性、特に超高サイクル疲労特性を評価できる引張疲労試験システムが構築される。次いで、このシステムを利用して厚さと結晶粒径を数ミクロンからサブミクロンまで種々変化させたポリシリコン薄膜材料の疲労亀裂発生、および初期伝搬の素過程を観測・解析し、本材料の超高サイクル疲労特性に及ぼす粒径の効果を明らかにすることが計画されている。これ等の成果を踏まえて粒径効果を考慮した疲労強度評価法を提案することが本研究の目的であり、その成果はMEMSの発展に寄与するところが大きいものと考えられる。 |
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| 垂直磁気記録媒体用FePt磁性体ナノロッドの作製 |
| 東京大学 大学院工学系研究科化学システム工学専攻 助教 辻 佳子 |
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本研究は、需要が増大しているハードディスクの記録密度向上のために、高い磁気異方性を持ち、次世代材料として注目されているFePtのナノロッド作製を目指している。FePt膜の要件として、結晶構造、配向性、ナノ粒子サイズ、間隔、大面積化の5つを挙げ、汎用性スパッタ装置を用いて、ナノ結晶の自己組織的構造形成を繰り返し、FePtナノロッドを形成する。申請者は、すでに、非晶質基板上に、垂直方向には(200)配向、水平方向にはランダム配向するTiN多結晶薄膜を鋳型結晶粒とし、この上にFePtを成膜して、鋳型結晶上にTiN/FePt1:1構造がローカルエピタキシャル成長で形成できることを見出している。5つの条件をすべて満たす薄膜堆積に成功し、垂直・水平方向において、6倍から1桁以上の保磁力の異方性を得ている。本提案では、多数回繰り返す際に生じる層間の拡散、窒化などによる、ナノロッド形状変化や磁気特性低下の防止を、層間TiN膜の形成条件や新規材料選択によって解決しようとしている。最適条件確立だけに止まらず、構造解析と磁気特性の相関を明らかにして、ローカルエピタキシー法による磁性材料ナノロッド形成を学理的に追究する姿勢が望まれる。 |
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| 無機微粒子を表面に密集付着させた導電性ナノファイバー調製とその電力貯蔵デバイス用電極への応用 |
| 山口大学 大学院医学系研究科応用分子生命科学専攻 教授 堤 宏守 |
本研究は二次電池などの電力貯蔵用デバイスのための電極の容量の増大と電極反応の高速化を達成するために、電極活物質（NiOなど）を表面に付着させた導電性ナノファイバーを金属基板上に作製して電極表面積の増大をはかるのが目的である。
この目的に沿って昨年度に導電性高分子ポリアニリンを用いる電界紡糸法によるナノファイバーの作製を試みたが成功しなかった。しかし、電解紡糸法のノウハウを学習することができた。本年度は未ドープの絶縁性のポリアニリンを電界紡糸し、その後塩素イオンやヨウ素イオンをドープすることによって高伝導性の有機ナノファイバーとし、このファイバーに無電界メッキにより電極活物質のNiOを析出させて電極を作製する。この電極について電極性能を測定する。これとは別に高分子、アセチレンブラック（導電剤）、NiOを含む溶液を使用して、電解紡糸法によって基板表面にナノファイバーを作製することにより得られる電極の性能の向上をはかる。これらの方法により高性能の電極が得られるものと期待される。 |
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| シンプルな化学プロセスを実現するカプセル型固体触媒の創製 |
| 富山大学 大学院理工学研究部工学系分子反応工学分野 教授 椿 範立 |
| 異なる触媒を一体化して複合反応場を作ることによって触媒機能の協同効果および反応分離効果の同時実現が可能になり、斬新な触媒反応空間を創出できる。本研究では従来の触媒膜技術において困難である大面積膜製造を避け、各触媒粒子表面にゼオライト膜を生成し、カプセル型の触媒反応場を設計する。コアである触媒とゼオライト触媒膜に別々の反応及びin situ分離役割を与え、新しい触媒反応インテグレーションシステムの創成、およびシンプルかつミクロ化した反応分離プロセスを追求する。ナノメートルのようなスケールの過小な反応場の設計にとどまることを克服し、よりパワフルな反応場を目指して、ミリメートルあるいはセンチメートルオーダーの触媒複合反応場を統合的に設計する。目標である複数化学反応から構成されたパッケージを一括処理することに合わせて、各構成部分をtailor-made的に設計する。このようなナノ反応器とマイクロ反応器を一体化した先端機能デバイスを用い、特異な空間局限性、形状選択性、化学反応の連続性と高い分離能を生かし、複数の化学反応、逐次反応など一括完成でき、新しくかつシンプルな化学プロセスを創出することが期待できる。 |
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| 炭化水素からの水素製造を常温で駆動可能な希土類酸化物材料に関する研究 |
| 大分大学 工学部応用化学科 准教授 永岡 勝俊 |
水素はクリーンで高効率なエネルギー媒体であり、エネルギー問題解決の切り札として、燃料電池や水素エンジンを中心とした水素社会の早期実現が提唱されている。このため、安全で高効率な水素の製造法の確立が求められている。水素の合成法としてはメタン分解、水電解、水素発酵など種々の方法が提案されているが、本研究はその中で、高効率かつ高速で水素の製造が可能な炭化水素の改質について継続的に研究を行う。
これまで酸化的改質を瞬間的に駆動するために、現実的な方法として外部エネルギー供給による加熱が世界中で検討されてきた。しかし、外部エネルギー源のない地域では使えない、触媒層の加熱に相当の時間を要するという問題があった。これに対して、本研究は還元したRh/CeO2を用いることで、常温(あるいは0度)からn-C4H10の酸化的改質を駆動することに世界で初めて成功している。この方法では触媒の内部発熱を利用しているため、外部エネルギーを必要とせず、触媒が多量であっても瞬間的に酸化的改質の開始温度まで加熱可能であるという特長を持つ。そこで本研究ではこの成果をさらに発展させ、常温から無加熱で炭化水素の酸化的改質反応を繰り返し駆動可能な触媒系を構築する。本研究の成果は水素ステーションや家庭用燃料電池の実用化におけるブレークスルーになることであり、研究成果が期待できる。
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| 金属誘電体ナノ多層構造と発光体を複合させた新奇フォトニクス材料の開発 |
| 群馬大学 大学院工学研究科電気電子工学専攻 助教 中村 俊博 |
| 申請者は金属薄膜の表面プラズモンを励起し、その電場増強効果を利用することで、Siナノ結晶の発光効率の改善やナノ結晶からの指向性の強い発光が起こることを見出してきている。本研究では金属・誘電体の多層膜系の表面プラズモンに付随する増強電場とその局在性を利用しようとしている。具体的にはAuまたはAgの金属層と、MgF2やテフロンなどの透明誘電体層を交互に堆積した多層構造の作製を行い、発光層・金属多層膜間の距離をパラメータとして、発光体による金属多層膜のCoupled SPPの励起効率を調べ、両者のカップリングに最適な条件をもとめるものである。申請者らのアイディアが実ることに期待したい。
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| 反応エントロピー測定によるリチウム電池電極材料LiMn2O4の相平衡モデルの解明
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| 東京工業大学 理工学研究科応用化学専攻 助教 中山 将伸 |
| リチウムイオン電池の次世代電極材料として、既存のLiCoO2系材料に比べて低毒性・低価格性・資源豊富性の点で優れるスピネル構造を有したLiMn2O4は魅力的であり実際に一部では実用化している。しかし、この材料は充放電中に複雑な相転移を発生し、そのため寿命特性が短いという欠点を有している。この相転移は、結晶構造内のリチウムイオンと空孔の秩序・無秩序転移や、Mn3+とMn4+の室温付近での電荷整列に由来するものと言われているがその詳細は明らかではない。さらに、LiMn2O4電極の運転条件による電極性能に関する研究報告は多いものの、相転移メカニズム解明に繋がるような基礎研究例は少ない。配列秩序の程度を直接反映する熱力学関数は反応エントロピーである。反応エントロピー値は、精度の高い測定法を必要とする。そこで、本研究では熱量測定に比べて高い精度で計測ができるナノボルトメーターを活用した温度摂動法を用いる。このような現象を観測できれば、今まで矛盾点を抱えることになっていた2相共存反応に対して明確なイメージを与えることができると期待され、電池反応の基礎過程の解明に寄与できる。 |
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| 過冷融液を利用した共晶セラミックスの成長機構の解明と機能化 |
| 大阪大学 大学院工学研究科知能・機能創成工学専攻 助教 柳楽 知也 |
Al2O3-Y2O3系にはAl2O3-YAP準安定共晶系とAl2O3-YAG平衡共晶系が存在する。準安定共晶系を準安定共晶温度（1702°C）以上、平衡共晶温度（1826°C）以下に加熱すると、準安定共晶が融解し、過冷却融液が形成され、さらに平衡共晶系結晶として凝固する場合のあることを本研究者は見出している。この過冷却融液を生じる相変態では準安定共晶の融解と平衡共晶の凝固が連続して起こり、ほぼ断熱状態で変化が進行するため、均一で微細な共晶組織が形成される。また、過冷却融液の生成を伴うため、ニアネットシェイプ成形が可能であり、加えて平衡系への変態の際、約10%の体積膨張を伴うため、鋳造欠陥が抑制され、緻密な成形体が作製できる。一度過冷却融液を生じた後に平衡共晶が晶出するか、固相のまま相変態を起こすかは、Al2O3-YAP準安定共晶系の粒径に依存することが本研究者等により見出されている。
本研究では、Al2O3-YAP準安定共晶粉末の粒径によるAl2O3-YAG共晶の成長機構の違いの詳細、および成長方向とAl2O3-YAG共晶成長機構の関係を明らかにすると共に、有望な高温高強度材料として注目されているAl2O3-YAG共晶セラミックの高性能化を計ること、更にはAl2O3-YAG-ZrO23元系共晶セラミックの作製と酸素イオン伝導性の評価を行い、酸素イオンセンサーのニアネットシェイプ成形などが計画されている。その成果は過冷却融液生成を伴うという特異な相変態の機構解明を実現するばかりでなく、実用的な高温高強度材料の開発につながるものと考えられる。 |
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| 超短パルスレーザー照射によるガラスの相分離誘起の研究 |
| 徳島大学 大学院ソシオテクノサイエンス研究部 教授 橋本 修一 |
従来の感光ガラスは紫外部に吸収を持っている。従って、紫外線はガラスの表面で吸収され、内部に到達する紫外線の量は次第に少なくなり、照射の効果は内部ほど小さくなる。これにたいし、無色透明のガラスに可視部のフェムト秒レーザー光を照射し、ガラス内部に焦点を結ぶ凸レンズで照射光を集光すると、ガラス表面には変化はおこらず、ガラス内部の集光部のガラスは多光子吸収によって変質する。この現象は先にわが国の研究者によって発見され、3次元光導波路の作製、穿孔、3次元フォトニック結晶の作製などへの応用が検討されている。しかし、レーザーによってどのような変質が誘起されるかは明らかにされていない。
申請者は、カバーガラス、パイレックス、BK-7光学ガラスなどのホウケイ酸ガラスについてレーザー光照射によっておこる変質が相分離であることを明らかにし、また、相分離部分が苛性カリにより非照射部より著しく溶解し易いことを発見した。本研究はこの発見に基づいて、ガラス内部にマイクロメーターサイズのチャンネルや微小空洞を作製することを目的としている。このため、加工に最適な相分離誘起の条件、すなわち、レーザースポットサイズ、レーザーフルエンス、レーザーパルスの間隔、周波数、エッチング用アルカリの濃度などの影響を検討する。これによってフェムト秒レーザー加工の技術が確立されることが期待される。 |
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| デオキシリボ核酸の伸張固定に向けた炭化珪素基板の表面改質 |
| 奈良先端科学技術大学院大学 物質創成科学研究科 助教 畑山 智亮 |
DNAなど生体分子の構造や機能を解明するためには生体分子を基板上に固定して可視化する技術を開発する必要がある。とくにDNA内の遺伝子の位置や順序をナノレベルで観察するためにはDNAを伸張固定 (直線的に固定) する必要がある。こための基板としては表面平坦性、表面改質の可能性、電気伝導性、光の透過性を有する材料が望まれるが、炭化珪素 SiC はこれらの条件を満たすものと予想されている。
本研究はDNAを伸張固定することができるSiC基板を作製することを目的としている。まず、原子レベルで平坦な面を実現するために、結晶成長時にステップバンチングを発生しやすい条件を使って広いテラスを形成させる。そのため六方晶系の中の4H型結晶構造のSiCを使用し、結晶成長の雰囲気を調節する。
次にDNA の固定のための表面改質を試み、親水性ならびに疎水性の表面を実現させる。DNA は溶液として基板上に滴下して固定させるためにこのほかに表面エネルギーの制御が必要であり、SiC表面にさまざまな薬品を滴下して接触角を測定し、表面エネルギーの最適化を試みる。
本研究が達成されればDNAの観察が容易になり、DNAの科学の発展が望まれる。一方、本研究の申請者は半導体としてのSiCの研究に従来から優れた業績をあげているので、それに加えて本研究によってさらにSiCの材料科学が進展するものと期待される。 |
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| ナノトポグラフィックマイクロパターンによる新規医用材料の設計 |
| 岡山大学 大学院自然科学研究科 准教授 早川 聡 |
| 生体環境下における生理活性金属化学種の材料表面からの溶解・吸脱着挙動ならびに、材料から溶出・脱離する生理活性金属化学種と生体分子との相互作用が、材料―細胞間相互作用、材料―組織間相互作用を左右する大きな因子であると言える。申請者らは希薄な過酸化水素水溶液による化学酸化と、大気雰囲気中での熱酸化、フォトリソグラフィー技術を組み合わせて、金属チタン試片表面に化学酸化チタン層と熱酸化チタン層で構成されるマイクロメータースケールの縞状及び海島状パターンを作製した。この試片を擬似体液に浸漬すると、熱酸化チタン層に優先的にアパタイト粒子を析出することを発見した。また、酸化チタン表面のナノ結晶性・多孔質構造・細孔径分布等によってもタンパク質吸着量及び選択吸着性の制御が可能であることを発見している。申請者らの化学酸化チタン層はナノメーターからサブミクロンスケールの多孔質構造に由来する起伏構造を有しており、一方、熱酸化チタン層は金属チタン及び酸化チタンの結晶粒径に依存するナノメータースケールの起伏構造を有する。最近になって化学的シグナル伝達を伴わないナノメータースケールのトポグラフィによって間葉系幹細胞を骨芽細胞へ分化させることに成功した報告がある。金属チタン表面への酸化チタン層の創製、生理活性金属化学種層の生体分子吸着特性、酸化チタン層の細胞接着性、などを調べ、マイクロパターンを利用して新規な医用材料を設計することを目的とする。 |
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| 動的電子状態に基づいた強誘電性金属錯体液晶の創製 |
| 広島大学 大学院理学研究科化学専攻 准教授 速水 真也 |
長鎖アルキル鎖が配位子のFe(II)、Fe(III)、Co(II)の錯体で、スピンクロスオーバーなど動的電子状態の双安定性を利用した、相転移化合物や光誘起相転移化合物を見出している。また長鎖アルキル鎖が配位子の金属錯体は配位子の構造による液晶性も発現する。この液晶性を有する長鎖アルキル鎖が配位子の錯体に、動的電子状態の機能を金属核に組み込むことにより、強誘電性を発現する金属錯体液晶の合成を目指している。それは分子内に価数の異なる複数核の金属イオンをもつ混合原子価錯体である。たとえば価数が異なる2核金属錯体の場合、金属イオン間の電子移動により電気双極子の向きが容易に変わる。したがって液晶化した混合原子価錯体は、分子のグローバルな動きにはよらずに強誘電性を現すことになる。すなわち配位子のキラル源やベント構造を必要としない、金属核の電子状態変化に起因する強誘電性をもつ金属錯体液晶となり、実用化されているネマティック液晶に比べて、液晶の応答速度、印加電圧‐透過光などの特性が大きく改善されるであろう。よい発想のユニークな提案で、これがすみやかに合成せれることを期待したい。
しかし長鎖アルキル鎖配位子の立体構造に起因する分子間の相互作用が分子の配列を決めることになるが、そのことを勘案して、分子内の2核の金属イオンを結ぶ線が平行になるように分子を配列させる必要があるのではないか。 |
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| シリカ超微粒子を生成媒体とするPsによる貴金属微粒子表面の研究 |
東京大学 教養学部附属教養教育開発機構/大学院総合文化研究科広域科学専攻
教授 兵頭 俊夫 |
| シリカは陽電子からポジトロニウム(Ps)を生成するよい媒体であることが知られている。シリカ超微粒子が3次元ネットワークを作るシリカエアロゲルをPsの生成媒体に用いると、そこで熱化し、シリカ超微粒子内やその表面で1eV以下の低エネルギーPsを作り、再びシリカ中に入ることはない。そこでシリカエアロゲルに貴金属微粒子を混合することで、このPsを用いて貴金属微粒子(Ru、Rh、Pd)表面でPsが消滅する寿命を測定する。そして貴金属微粒子の混合割合を変えた陽電子寿命の系統的な測定から、Psの貴金属微粒子による消滅確率を高精度で求める。これらの金属のバルク中ではPsは生成されない。しかし比表面積が大きいナノ微粒子ではPs生成が確認されていて、表面での電子交換によるスピン転換反応を起こしたためと推測されている。またPsに対する仕事関数が正になるかもしれない。これら貴金属微粒子表面の伝導電子とPsの相互作用をPsが消滅する変化を通して調べる。実用触媒について他では得難い基礎的知見を得ようとしているので、結果が出るのが楽しみである。そこでは貴金属微粒子を混合した際に、シリカ超微粒子の一部が貴金属微粒子に付着するので、担持触媒での担体効果の知見も得られるのではないだろうか。それにはシリカ超微粒子の粒径を変えるのが効果的であろう。またセンスのよい触媒研究者を選び、相談にのってもらうことを勧める。 |
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| CeO2担持Au微粒子触媒の価数制御に基づく反応活性の検討 |
| 大阪大学 大学院基礎工学研究科 教授 福井 賢一 |
Auは微粒子として酸化物に担持させることにより低温でのCO酸化反応やプロピレンのエポキシ化などに高い触媒性能を示す。特にCeO2に担持させたAuは水性ガスシフト反応（CO+H2O→CO2+H2）に高い活性を示し、燃料電池のエネルギー源であるH2ガス中に微量に含まれ、電極表面を被毒するCOを取り除く手段として、この反応の重要性が増している。Au微粒子の活性を担うものは0価のAuではなく、正に帯電したAuδ+であるとの報告がなされている。しかし、Auδ+がどの様にして生じるのかは明らかではない。
本研究は水性ガスシフト反応やホルムアルデヒドの低温酸化分解反応に高い活性を示すとされるAu/CeO2担時触媒について、Au微粒子の価数を決める要因と、個々の微粒子の電子状態、その反応活性との相関を明らかにしようとするものである。Auδ+はCeO2表面の酸素欠陥を介して生ずるとの指摘がなされていたが、本研究者等は自身で最近開発した、電子刺激脱離過程によって密度の異なる表面酸素欠陥を導入する方法を利用して、この事実を確認している。Auクラスターの価数評価や反応中間体の分解速度計測は反射赤外分光法により行われ、また、個々のAuクラスターの価数と電子状態評価には、本研究者等が開発した電子注入を力で計測するスペクトロスコピー手法が用いられる。本研究により、酸化物担持金属触媒の示す反応機構に重要な知見が加えられるものと期待される。 |
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| 高温塑性加工法によるCa系高配向層状コバルト酸化物熱電変換材料の開発 |
| 横浜国立大学 大学院工学研究院機能の創生部門 教授 福富 洋志 |
| 本研究は、Ca系層状コバルト酸化物単結晶が示す低い抵抗率と高いゼーベック係数を持つ優れた熱電変換特性を、焼結法で作製される多結晶体として活用するため、結晶配向の制御法を確立し、高性能熱電変換材料を開発することを目指している。申請者は、二相金属間化合物の高温塑性加工による配向制御で数多くのプロセスを検討し、層状に積層した状態で、高温圧縮塑性加工すると異相界面が圧縮面に平行に配向するよう制御することができることを見出している。転位によるすべり変形が可能な融点近傍の高温で、層状コバルト酸化物を高温圧縮塑性加工して、抵抗率を1/20程度まで下げ、実用レベルを得ている。ここでは、700°C〜900°Cで高温単軸圧縮変形を試み、高温変形機構を解明する。熱分析によって融点を確定し、温度、歪み印加速度を変え、機械的微分試験を行って、支配的な変形機構と変形条件の関係を明らかにする。熱伝導度測定を実施して、性能指数を決定し、実用に供する姿勢での研究が望まれる。結晶構造が複雑な酸化物は、通常、大きな異方性を持つ。焼結体で大きな異方性を活用するには配向制御技術が不可欠で、本技術が実現すれば、熱電変換のみならず、酸化物の他の様々な特性を利用する道を開くであろう。 |
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| 中性子散乱を用いた超イオン伝導材料のイオン伝導経路の解明 |
| 京都大学 原子炉実験所 教授 福永 俊晴 |
新しい超イオン伝導材料の創製や材料の高性能化には構成原子、イオンのダイナミックスをも含めた構造の解明、構造情報と伝導特性との関係を明らかにすることが重要である。本研究は主としてLi2S-P2O5系、Li2S-SiS2系等の超イオン伝導材料を対象として中性子回折法、中性子非弾性散乱法などにより原子構造を明らかにすると共に、その動的構造を調べ、伝導イオンが伝導経路において周囲の構造からどの様な力を受け、どの様な運動を行うかを明らかにしようとするものである。Li2S-P2O5系にはガラス、非平衡結晶、安定結晶の存在が知られており、非平衡結晶はガラス状態に比べて著しくイオン伝導性が高く、他方安定結晶ではイオン伝導度が極めて低い。これ等3種の状態における伝導イオンであるLi+の存在状態、周囲から受ける力の違いを比較して、イオン伝導性との関係を明らかにすることが計画されている。
天然同位体比のLiは負の中性子散乱能をもつが、正の中性子散乱能をもつLi同位体が存在するので、これを活用することにより、構造中でのLi+イオンの位置を正確に捉えることが可能である。また、Li+イオンの伝導経路を把握するためには構造の3次元可視化が必要とされるが、本研究者が豊かな経験を持つリバースモンテカルロ法とマキシマムエントロピー法を併用することにより、これが実現されるものと期待される。そして、本研究により得られるLi2S-P2O5系等におけるイオン伝導の情報は広く超イオン伝導体についての理解を深めるものと考えられる。
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| 高圧による有機溶媒を含む水溶液からの無機塩ナノメータサイズ結晶の生成に関する研究 |
兵庫県立大学 大学院工学研究科機械系工学専攻環境エネルギー工学部門
准教授 前田 光治 |
光触媒の酸化チタン微粒子、非線形光学特性を示す半導体の塩化銅微粒子、その他さまざまの機能性微粒子がつくられているが、優れた機能を引き出すためには、微粒子をナノサイズまで小さくして、サイズを均一に揃える必要がある。本研究はナノサイズ無機結晶微粒子を水溶液からの析出によってつくることを目的としている。溶液を過飽和にして結晶を析出させる場合、通常は核形成と結晶成長が同時におこるため、粒径の均一なナノサイズ粒子を得るのは容易でない。
申請者は、核形成と結晶成長を分離して核形成だけを起こして無機結晶ナノサイズ微粒子をつくるために溶液に水溶性有機溶媒を添加することが有効であると考えた。その上で10―500MPaの高圧を加えて無機塩結晶の希薄溶解度を均一に且つ一瞬に変化させるとの独創的なアイデアを得、これに基づいて、研究を進めようとしている。このため、各種水溶性有機溶媒を含む溶液にたいする無機塩結晶の溶解度の測定、核形成速度と結晶成長速度の測定を実施し、その結果に基づいてサイズの揃ったナノサイズ無機結晶微粒子を作製する。この独創的な研究は、機能性の高い無機ナノサイズ微粒子の新しい作製法に道を拓くものとして注目に値する。 |
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| 高屈折率鉄シリサイドフォトニック結晶の界面反射損失の改善 |
| 京都大学 大学院エネルギー科学研究科 准教授 前田 佳均 |
高屈折率のβ-FeSi2フォトニック材料を加工して高効率の光導波路を作ることを試みる。高屈折率材料は屈折率が異なる界面で電磁波の界面反射損失（フレネル反射損失）の増大を招く欠点がある。これを回避するために共役反転構造を提案する。それはSi(001)基板上に成膜した多結晶β-FeSi2薄膜をサブミクロン加工して、六角形のβ-FeSi2コラムと中空のコラムがそれぞれ三角格子に配列した2種のフォトニック結晶を作る。この2種のフォトニック結晶はパターンが反転しただけなので、コラム径に対して波長は逆の分散を示す。2種のフォトニック結晶が接続した共役反転構造を作る。この逆分散のフォトニックバンドギャップとなる波長に対してフォトニック結晶内を伝搬する電磁波のフレネル反射損失がほとんどない光導波路が2次元のシミュレーションの結果、作れそうである。興味ある試みである。
ただし光伝播シミュレーションは各々のパターンが反転したフォトニック結晶の中央部に線欠陥を作り、それが光導波路となる配置で行っている。すなわち導波路は2種のフォトニック結晶を接続した境界線をよぎっている。なぜこの配置が適当なのか。この境界線に幅を作り、それを導波路とした方が共役反転を利用して界面反射損失を減らせるのではないだろうか。このような疑問が生じないように、単にシミュレーションの結果として界面反射損失が減らせたとするのではなく、物理を背景にしたモデルで説明して欲しい。この興味ある試みを成功させるためにもそれは必要であろう。 |
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| 狭帯域レーザープラズマ軟X線の発生と無機材料のマイクロ・ナノ加工 |
| 筑波大学 大学院数理物質科学研究科電子・物理工学専攻 准教授 牧村 哲也 |
| レーザーを用いた光直接加工法はすでに実用化されているが、透明材料の加工やナノレベル加工は困難であった。申請者らは、金属ターゲットにパルスレーザー光を集光照射することで、高励起状態のプラズマを発生させ、それから得られる高輝度パルス軟X線に着目し、波長10nm前後の軟X線用の集光光学系を開発した。これによって申請者らは無機透明材料の表面を軟X線により削り取るアブレーション加工の可能性を示した。これまでの申請者らの研究では、幅広い波長を含む白色軟X線を使っていたことのために、解像力が十分ではなかった。本研究では波長選択性を持たせるために軟X線フィルターを適用する研究が行われ、自身によって開拓されてきた軟X線を用いたアブレーション直接加工方式がさらに高度化されることに期待したい。 |
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| 無容器法によって作製した機能性Ti酸化物球状ガラスの光学特性
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| 東京大学 生産技術研究所 助教 増野 敦信
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| BaTi2O5はBaTiO3よりも高いキュリー点と大きな誘電率を持つ強誘電体であることから、将来の実用材料として注目されている。我々はガス浮遊法によって、BaTi2O5を直径約1.5mmの球状にガラス化させることに成功した。これは、ガラス化物質を添加せずに強誘電体材料のバルクガラス化に成功した初めての例である。一般にTiO2含有ガラスのTiは酸素4配位か6配位であるが、BaTi2O5ガラスは酸素5配位構造をとる。この特異な構造を反映してBaTi2O5ガラスは多くの興味深い性質を示す。例えば結晶化の過程で析出する2つの準安定相、結晶化温度での超巨大誘電率そして2.1を超える屈折率などである。さらにBaTi2O5ガラスには様々な元素を数十%のモル比で導入できる。無容器法のガラスの合成では不均一核生成を極限まで抑制することができる。BaTi2O5は無容器法によってのみガラス化できる特殊な例として興味深く、ガスフローで宙に浮かせた試料をレーザーで加熱融解、凝固させるガス浮遊炉を利用する。優れた光学特性と特異な酸素5配位構造を持つBaTi2O5ガラスをホスト材料として、TiO2や希土類イオンを導入することで光機能性を付与する。BaTi2O5ガラスはTiO2含有量の増加や希土類イオン導入によってさらなる高屈折率化が期待でき、Er3+、Ho3+、Tm3+、Pr3+等の希土類イオンによるアップコンバージョン蛍光特性を調べ機能性チタン酸化物ボールガラスを開発する。 |
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| 層状ポリケイ酸塩の剥離による新規液晶材料の合成 |
| 福岡工業大学 工学部生命環境科学科 講師 宮元 展義 |
有機分子との多彩な複合化が可能な層状ポリケイ酸塩を剥離することによる「ケイ酸塩ナノシート」ゾルの合成を試みる。このようなゾル中ではナノシートが自発的に配向し、ゾル全体が液晶性を示すことが予想されるため、その液晶状態についての詳細な検討を行う。これらの検討により、新規な「無機有機ナノ複合体液晶」への応用展開の可能性を提案する。
無機層状結晶を「剥離」することで大きなアスペクト比（厚さ数nmに対し横方向のサイズが数百μm）を有する「無機ナノシート」が得られる。ナノシートは複合薄膜材料を得るための「ナノ部品」となる。しかしながら、層状ポリケイ酸塩の剥離はこれまで報告されていない。これは層表面に多くの水酸基や交換可能な陽イオンが存在し、隣り合う層同士の相互作用が極めて強いため、層剥離が起こりにくいためであると考えられる。そこで本研究では層状ポリケイ酸塩の剥離によるナノシート液晶の合成を行う。ポリケイ酸塩の剥離によるナノシート液晶化が実現すれば、ポリケイ酸塩系ですでに確立されている機能化の手法を駆使して様々な機能を有する新規な無機有機ナノ複合体液晶への応用展開が期待できる。 |
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| 超臨界・光触媒ハイブリッドプロセスによる環境調和型重金属処理法の開発 |
| 長岡技術科学大学 物質・材料系 助教 村上 能規 |
| 無機・有機混合廃液の処理は困難であったが、申請者らは含重金属難分解性有機廃液のリサイクルを行える技術の開発を目指している。このため、腐食の問題が少なく、比較的温和な条件で超臨界条件を実現することのできる二酸化炭素超臨界廃液処理法の開発を企図している。反応の効率を上げるために金属抽出剤を使わない光触媒上での還元・析出反応を利用したプロセスを検討することをこの研究の目的としている。クリーンな金属回収技術がこの研究によって開発されることに期待したい。 |
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| メビウスの帯状NbSe3導体結晶が示す新規な物理特性の探索 |
| 首都大学東京 理工学研究科物理学専攻 准教授 森 弘之 |
低次元導体の典型的な物質であるNbSe3を用いた、メビウスの帯の形状をした物質が2002年に北大のグループにより開発された。したがってぜひとも我が国で先導的な理論研究を行い、新規な物性が提示され、この分野の研究が大きく進展することを期待したい。興味深い物質だけに多くの注目を集めていて、理論研究も行われている。しかし新規な物性の発現が期待できるにもかかわらず、単純なリング状物質の物性から推測できる以上のものは得られていないように思う。たとえばメビウスの帯がシリンダーとは異なる周期境界条件で扱う、湾曲した曲面になる表面を運動エネルギー演算子に取り入れて扱うなどで、新規な物性は出現していない。
申請者は強い電子間相互作用や不純物の影響を調べようとしているが、NbSe3での電荷密度波転移や超伝導転移を考えると取り組むべき課題で、そこでの新規な物性の提示を期待したい。しかし低次元性導体のNbSe3がひねり構造になったとき、格子歪が生じて格子振動は大きく影響されると思えるので、電子格子相互作用に関する現象も扱うべきではないか。たとえばメビウスの帯の幅は一定にして、リングの径を小さくして行ったならば、ひねりがある構造に特有な格子ひずみや構造のゆがみが顕著になり、パイエルス不安定性などに変化が現れてきそうに思う。またメビウスの帯のひねり構造に特有な三角形が出現するが、それが格子振動や電子格子相互作用を通して電子構造にどのような変化を及ぼすだろうか。 |
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| 圧電材料に於ける新規ポーリング方法の開発 |
| 岐阜大学 工学部 教授 安田 直彦 |
| 本研究は、Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3[PZNT]などのリラクサ系強誘電固溶体が、優れた圧電特性と耐負荷特性を持つように、静水圧下で電界を印加してポーリングするときの最適条件を確立することを目指している。申請者は、圧力が圧電材料の圧電応答に抑制効果を与え、その発現起源が、微細で安定なマルテンサイト相転移に関係するマルチドメイン構造にあることを、世界に先駆けて明らかにした。これまで、単結晶を作製し、ドメインサイズやキュリー温度を制御して、実用温度範囲の広いリラクサ系圧電単結晶材料を開発してきている。これら材料の静水圧下での共振特性からドメイン構造の圧力変化を評価し、圧電応答の抑制による耐負荷特性から、優れた圧電デバイスの設計データを蓄積する。ポーリング時に印加する電界形状を工夫し、機械的振動モードに一致した安定なドメイン配列を構成するなどして、微細なドメインサイズを有するように、ドメインウオールエネルギーを制御する方法を提案している。圧力負荷下の共振特性の評価から、縦・横効果の結合係数、圧電定数、周波数定数、弾性定数を決定し、良好な耐負荷特性を持つ圧電デバイスや超音波振動子の設計指針を確立して、実用に供す。本方法を活用して、低環境負荷の非鉛系リラクサ強誘電体・強弾性体圧電材料の新規材料提案が期待される。 |
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| 強誘電体薄膜の構造的応力制御によるMEMS センサデバイスの高感度化 |
| 京都工芸繊維大学 大学院工芸化学研究科電子システム工学部門 准教授 山下 馨
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| 本研究は、圧電体薄膜を検知部に用いたMEMSセンサデバイスにおいて、残留応力による感度向上のメカニズムを解明し、高性能化に最適な応力制御の方法を見いだすとともに、圧電検知部に強誘電体薄膜を用いて、その強誘電性分極保持特性を利用する応力の動的制御について検討し、センサの高感度化を図ることを目指している。圧電体は、それ自身が電気・機械変換を行うので、シリコン単体のMEMSセンサのように微小ギャップ等の極端に微細な構造を必要とせず、比較的容易に小型化・高性能化が図れる。申請者は、シリコンダイアフラム上に高い圧電性を持つ強誘電体薄膜を堆積した構造の超音波センサを開発し、空中超音波の三次元計測が行えることを確認しているが、実用化に向けては感度が不足している。センサの感音部であるダイアフラムが圧電体側に静的に撓んでいるものが、大きな感度を持つが、これは、静的に撓んだダイアフラムが超音波の音圧を受けて振動する際の歪みの線形・非線形の成分を考慮して説明できる。しかし、最適設計を行って自由に高感度なセンサを実現するまでには至っておらず、構造的要因と、強誘電体薄膜自体に応力が与える材料的要因の区別を明らかにする必要がある。強誘電体MEMSデバイス一般に適用できる新たな高性能化技術を開拓して、従来のシリコン単体MEMSデバイスを凌駕する強誘電体MEMSデバイスの開発が期待される。 |
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| Pd/SnO2ナノコンポジットの液相合成と半導体ガスセンサへの応用
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| 九州大学 大学院総合理工学研究院エネルギー物質科学部門 助教 湯浅 雅賀 |
| 本研究は、酸化物半導体ガスセンサの高感度化を図るために、センサ材料SnO2のナノ粒子化、Pdの担持、センサ材料の薄膜化を可能にする新しい方法として、光還元析出法によりPdナノ粒子をSnO2ナノ粒子上に微細に析出し、Pd/SnO2ナノコンポジットを溶液中にて合成することを目指している。申請者は、すでに、逆ミセル内部に形成される直径数nmの水溶液反応場を利用して10nm前後のSnO2粒子に5nm程度のPdを担持したPd/SnO2ナノコンポジット粉末の合成に成功し、ガスセンサ感度の向上を確認している。この研究成果により、センサ材料のナノ粒子化、Pdの担持を達成しているが、センサ材料の薄膜化を可能とする溶液中でナノコンポジットを得る方法は確立していない。ここでは、スズ酸（Sn(OH)4）をアルカリ中で水熱処理することでSnO2ナノ粒子ゾルを調製し、これに、水溶性有機物(エチルアルコール、酢酸など)およびPd2+を添加して、SnO2のバンドギャップ(3.6eV)に相当する紫外線を照射し、励起される電子を利用してPdを表面に析出する方法を採用して、目的を達成しようとしている。この、光還元析出法によるSnO2ナノ粒子へのPd担持の提案は、たいへん挑戦的課題であるが、達成できれば、貴金属/酸化物ハイブリッド材料を必要とする他の応用にも展開できる。学理的な裏付けを明らかにすることが強く望まれる。
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| 粉砕法によるゼオライトナノ粒子合成プロセスの開発
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| 横浜国立大学 大学院環境情報研究院 助教 脇原 徹 |
ゼオライトは細孔の入り口の径が0.4-0.8nm程度の多孔質アルミノケイ酸塩で触媒、吸着剤、イオン交換材として工業的に広く用いられている。工業用ゼオライトの粒径は0.5〜数μmであるが、その性能をあげるためにゼオライトをナノ粒子として合成する研究が行われている。しかし、ナノ粒子にする方法はすべて4級アンモニウム塩などの高価な有機物を利用して、核発生、結晶成長を制御するボトムアップ法である。これにたいして、申請者は安価に合成できる粒径数μmのゼオライト粒子を粉砕することによって、すなわち、トップダウン方式でナノ粒子とする方法を提案している。
本研究では、2〜5μmの粒径のゼオライト原料を100nm程度まで粉砕する方法を確立する。このため50〜500μmのセラミックビーズを用い、粉砕を行なうビーズミル法を検討する。微小なビーズを粉砕に使用することにより、微小な粒子にまで粉砕できることはすでに知られている。遊星ボール法を使用する場合と違って粒子表面に生成する非晶質層が薄いので簡単に除去できる。また、ジェットミル法も検討する。本研究では、このような粉砕法とゼオライト科学を融合させてトップダウン的手法によるゼオライトナノ粒子合成プロセスを確立し、体系化する。この研究により各種のゼオライトナノ微粒子が安価に製造できるようになると期待される。
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