研究内容

 当研究室では,エネルギー利用の高効率化とそのためのマテリアル開発基盤を構築するため,原子レベルの構造評価,ナノ計測技術,計算機シミュレーションを組み合わせ,材料のナノからマクロまでの特性とその起源をマルチスケールで解析・評価しています.そこから得られた知見に基づき,イオン注入・電子線照射を応用したエネルギー材料の機能化のための研究を展開しています.

 特に,先進電子顕微鏡を活用した「材料解析手法の開発」,蛍光体や酸素吸蔵材料,水素遮蔽用保護被膜などの「機能性セラミックスの開発」,燃料電池電極触媒や(脱)水素化触媒などの「省貴金属化」に関する研究を中心に推進し,各種プロセスの省エネルギー化や水素エネルギー社会の実現に貢献しています.

 現在実施している主要な研究テーマは以下のとおりです.


▼セラミックス/金属界面の原子構造・電子構造評価

 金属とセラミックスを複合させることにより,その諸特性を向上させた先端材料が実用に供されています.電子デバイス材料,金属/セラミック複合材料,熱遮蔽セラミックコーティング,触媒材料などは金属とセラミックスの融合を有効利用した例であり,このような複合材料においては金属/セラミック界面の機械的強度や物理的・化学的安定性が材料特性に重要な役割を及ぼします.そこで,電子顕微鏡法と計算科学的手法によりセラミックス/金属界面の原子構造および化学結合状態を評価し,高機能な材料設計への指針を得ることを目的とした研究を推進しています.

▶︎<研究例紹介ページ>内部酸化により作製したZnO/Pd界面の解析

  
図 Pd/ZnO極性界面の高分解能TEM像(左)と界面より得た酸素K端ELNES(右).



▼化学反応シミュレーションに基づく高機能材料設計

 省資源・クリーンエネルギー社会の実現を目指し,耐久性の高い機能材料や高効率な触媒材料の開発を行っています.酸化や水素脆化等の材料劣化特性や燃料電池電極等の触媒反応特性を解明するためには,材料表面・界面上での電子や原子の振る舞いを理解する必要があります.そのため,第一原理電子状態計算と原子核の量子ダイナミクス計算等に基づく化学反応シミュレーション手法を用い,様々な物理現象を素過程から理解するための研究を推進しています.ここから得られる知見を活用し,新規高機能材料の原理原則に基づく設計を行っています.

▶︎<研究例紹介ページ>液化水素用水素分子核スピン転換触媒の開発 ▶︎<研究例紹介ページ>原子レベル分散白金触媒の開発


図 表面・界面近傍における様々な素過程



▼電子エネルギー損失分光法による先進エネルギー変換材料解析

 電子エネルギー損失分光法では材料の化学結合に関する情報や誘電関数などの光学的特性の評価が可能です.我々は,モノクロメータを備えた最新の電子顕微鏡を利用して,種々のエネルギー変換材料の状態分析を原子スケールで実施するとともに,先進エネルギー変換材料の開発とそれらの特性解明に向けた研究を遂行しています.

▶︎<研究例紹介ページ>電子顕微鏡を用いた局所領域の光学特性測定手法の提案 ▶︎<研究例紹介>ブラウンミラーライト型酸素吸蔵材料の解析


図 界面などの局所領域の光学特性測定の概念図.



▼イオンドープを応用した新規半導体材料創製

 多結晶半導体材料で数多く見られる対応粒界は幾何学的に整合性の高い特殊な粒界です.その特徴は,比較的歪みの少ない構造ユニットの組み合わせとして粒界が構築されていることにあります.我々はこの構造ユニットを新たな「結晶構造」と捉え,イオンドープ技法との組み合わせにより,少数元素を構造ユニットの特定サイトに置換させることで新たな機能を発現させることを試みています.

▶︎<研究例紹介ページ>白色LEDに用いられるCa-α-SiAlON:Eu蛍光体の解析

    

図 シリコンΣ3対応粒界の高分解能TEM像(左)と原子モデル(中央)ならびに対応粒界に形成された金属原子細線の原子構造と電子密度の計算像(右).



▼次世代原子エネルギー変換材料のキャラクタリゼーションと機能材料創製

 次世代原子エネルギー変換システムとして種々のタイプの原子炉が提案されており,炉構成材料に要求される性能はますます過酷になりつつあります.そのため,先進セラミックス複合材料やナノ酸化物分散構造を利用した鉄鋼材料の開発が精力的になされています.我々は,マルチビーム超高圧電子顕微鏡を利用したシミュレーション照射試験により,それら先進材料の耐照射損傷特性を探るとともに,原子構造や微細組織のキャラクタリゼーションに基づいた検討を重ねることにより,候補材料のスクリーニングや新規材料開発へのフィードバックを行っています.

  
図 電子線照射したフェライト鋼のボイド形成(左)とステンレス鋼の照射下粒界移動過程のその場観察HRTEM像(右).



▼マルチ高エネルギービームと計算科学による多機能エネルギー変換材料設計

 マルチビーム超高圧電子顕微鏡では,電子線により材料の内部組織を観察すると同時に,二基のイオン加速器により異種原子を材料内に注入することができます.このため,材料内部では非平衡状態での種々の反応が進行し,従来のプロセスでは得られない新規材料の創製が可能となります.これら非平衡材料反応挙動について,第一原理電子状態計算から,分子動力学,機構論的モンテカルロ法,反応速度式等を用いたマルチスケール計算解析によりそれぞれの素過程を明らかにし,マルチ高エネルギービームを用いた新規材料創製への基礎を確立することを試みています.

  
図 イオン注入で形成された非平衡相の高分解能TEM像(左)とKMC法で計算された界面近傍での照射下点欠陥濃度(右).