Institute of Innovative Research, Tokyo Institute of Technology

Laboratory for Materials & Structures

NEWS LETTERCON TEN TS
フロンティア研・ナウ：
2 つの起源で “ 温めると縮む ” 新材料を発見･････････････････････････････････････････････ 2

研究の展望：
層状半導体の自然量子構造を利用した熱・電子機能材料の開拓 ････････････････ 3

学術賞：
バルク固体のコヒーレントフォノン計測 ･･････････････････････････････････････････････････ 4
実験と理論計算との融合によるリン化物半導体太陽電池の高効率化に関する研究 ･･･ 4
強誘電体を用いたリチウムイオン電池の超高速充電化と原理解明 ･･･････････････ 5

持続可能な社会とセメント系材料 ･･････････････････････････････････････････････････････････ 5

研究の周辺：“Quantum Phononics” を執筆してみて ････････････････････････････････････････････････････ 6長周期地震動によるダンパーの性能低下を考慮した応答評価････････････････････ 6受賞、国際会議・ワークショップ等、人事異動 ･･･････････････････････････････････････････ 7

共同利用・共同研究拠点
先端無機材料共同研究拠点

東京工業大学 科学技術創成研究院

フロンティア材料研究所

No.

8

October 2019

フロンティア研・ナウ

2つの起源で“温めると縮む”新材料を発見
教授

東正樹

特定助教

酒井 雄樹
今回、ニッケル酸ビスマスとニッケル酸鉛の固溶体 “ Bi1-

ほとんどの物質は温度が上昇すると、熱膨張によって長さや体積が増大します。光通信や半導体製造などの精x

密な位置決めが要求される局面では、このわずかな熱膨理計算、理学院腰原研での第二高調波発生、大型放射張が問題になります。そこで、昇温に伴って収縮する “ 負光施設 SPring-8 のビームライン BL02B2 での放射光 X 線の熱膨張 ” を持つ物質を用いて、構造材の熱膨張を補償回折、BL22XU での放射光 X 線全散乱データ PDF 解析、Pbx NiO3 ” を作成し、Hena Das 特任准教授による第一原（キャンセル）することが試みられています。最近の研究で、 そして BL09XU と BL47XU での硬 X 線光電子分光実験を
反強磁性転移、電荷移動、強誘電転移などの相転移が負熱膨張の起源となることがわかってきました。しかしなが組み合わせて、結晶構造と電子状態変化を詳細に解析しました。その結果、0.05 ≤ x ≤ 0.25 ではビスマスとニッケ

ら、1 つの材料系が複数のメカニズムによる負熱膨張をル間の電荷移動によって、0.60 ≤ x ≤ 0.80 では PbTiO3 と示す例はありませんでした。

同様、極性から非極性の結晶構造転移によって、それぞ3+ニッケル酸ビスマスは、“ Bi5+Bi

0.52+Ni O3 ” という特徴0.5

れ負熱膨張が起こることがわかりました。

的な電荷分布を持つペロブスカイト型酸化物です。これ

今回の成果では、一つの材料系で、電荷移動、極性−までに、ビスマスの一部を希土類元素やアンチモン、鉛非極性構造転移という、異なるメカニズムでの負熱膨張で、またはニッケルの一部を鉄で置換すると、昇温によっが実現しました。さらに最近の成果として、電荷移動とて Bi5+ と Ni2+ の間で電荷の移動が起こるようになり、ニッ極性−非極性構造転移が同時に起こることで、負熱膨張ケルが 2 価から 3 価に酸化されること、この際にニッケが増強される物質も見つけています。幸いにも J3 棟に神ルと酸素の間の結合が収縮するため、結晶格子全体が約奈川県立産業技術総合研究所のレンタルラボがオープン

3％縮む、負熱膨張が起こることを報告してきました。一方、 し、科研費基盤研究 S も採択されましたので、実用的な代表的な強誘電体である PbTiO3（チタン酸鉛）では、極負熱膨張材料の開発を目指して、今後も研究を続けてい性の構造を持つ強誘電相から非極性の常誘電相への転移きます。に伴い、約 1％体積が収縮することが知られています。

2

研究の展望層状半導体の自然量子構造を利用した熱・電子機能材料の開拓
准教授

片瀬 貴義

酸化物のようなイオン性の強い無機結晶の殆どは電気電変換の効率は最大でも 10 〜 17％程度に留まっており、絶縁体であり、能動的な電子機能は望めないと考えられ大規模な応用への弊害となっています。熱電変換の効率

は、熱電材料の熱起電力の大きさ S 、電気の流れやすさ
σ 、熱の流れやすさκで決まっており、大きな S 、高いσ 、層状結晶構造中に量子井戸類似の低次元構造（自然量子 低いκ が要求されます。しかし良好な半導体では、キャ構造）を持つものがあり、通常のバルク材料には無い、 リア密度を増やしてσ を上げると S が下がる「トレードオ新しい光・電子機能が見出されています。筆者は、2006 フの相関」があるために、従来材料では高い S とσ を両てきました。一方で、イオン結合と共有結合が混在する無機結晶では、InGaZnO4 や LaCuOSe のように、自然の年から 2013 年まで細野秀雄教授・神谷利夫教授の研究立させることはできません。そこで筆者は、熱電材料が室に属し、このような自然量子構造を持つ層状化合物を根本的に抱えるトレードオフの相関に縛られず、熱電性能薄膜化して、新電子機能デバイスへ応用する研究を行ってを向上させる方法として、電子フォノン相互作用によってきました。例えば、2008 年に第二の高温超伝導体として発現する “ フォノンドラッグ効果（図）” に着目しています。

発見された層状鉄系化合物に興味を持ち、平松秀典准教

一般的な熱電材料は、温度差により電子が拡散されるこ授（当時は研究員）と共同で、レーザーでバルクを瞬時とで発電しますが、フォノンドラッグ効果は、温度差によに蒸発させるパルスレーザー堆積法により、世界で最初りフォノンが輸送され、それと共に電子を引きずることでに超伝導薄膜とジョセフソン接合素子や超高性能超伝導発電する現象で、S を付加的に増大させ、熱電性能を向薄膜線材などのデバイスを実現してきました。このような上させる可能性があると考えています。最近では、電子を層状化合物が持つ特異な量子構造を利用することで、従二次元に閉じ込めた量子構造を用いることで、このフォノ

来よりも特性の優れた、新しい電子機能デバイスを実現

ンドラッグ効果が発現し、S のみを増大させることに成功できることを学びました。

しました。今後、層状化合物の自然量子構造内にフォノ

2017 年 4 月にフロンティア材料研究所の准教授に着任

ンドラッグ効果を引き出すことで、熱電変換性能を飛躍してから、これまでの光・電子機能から熱機能へ展開して、 的に高めた新材料を実現したいと考えています。これによ層状結晶の低次元量子構造を活かして新しい熱・電子機り、排熱を効率良く集めて、電気エネルギーに変換でき能を発現する新材料の開拓を目指して研究を進めていまる熱電変換デバイスを実現し、現在は難しいとされる低す。例えば、排熱を有効利用する方法として、熱を電気温熱回収と IoT 社会に向けたセンサー用自立電源への応に変換する「熱電変換技術」が期待されていますが、熱用を目指していきたいと思います。

図：フォノンドラッグ効果の概念図

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学術賞
研究奨励部門：バルク固体のコヒーレントフォノン計測慶應義塾大学

大学院理工学研究科

特任准教授

固体中に生じる個々の原子の振動は、物質固有の性質を反映し、更には物質の相を変化させる要因にもなり得鹿野豊を捉えることが出来ること、更には結晶場中の分極を光を用いて計測する手法に対して開発をしている。

る。しかし、原子の振動を 1 つ 1 つ観測する技術は存在していない。しかし、これらを超短パルスレーザーにより生じさせることの出来る位相の揃った原子集団の振動となれば、固体を特徴付けるマクロな物理量である透過率、反射率を計測することが出来る。この原子振動をコヒーレント（光学）フォノンと呼ぶ。
これまで、現象的にしか捉えられてこなかったコヒーレントフォノンの生成・計測過程に対して、原子振動状態に対するミクロスコピックな過程を理論的に明らかにし、ダイアモンド・ガリウムヒ素のバルク結晶に生じるコヒーレントフォノンを計測することにより、理論の妥当性を検証した。特に、ダイアモンドのコヒーレントフォノン計測はダイアモンド振動準位を用いた量子メモリへの応用が期待されており、量子情報処理の基礎過程を明らかにすることに繋がるであろう。また、計測感度向上のためのアイディアを提示することにより、より小さな原子集団の変化

研究奨励部門：実験と理論計算との融合によるリン化物半導体太陽電池の高効率化に関する研究
京都大学

大学院工学研究科

准教授

野瀬 嘉太郎化合物薄膜太陽電池におけるヘテロ界面は、高効率化を ZnSnP2 上に予め成膜して ZnSnP2/Cu3P/Cu 積 層構造に向けて検討すべき課題の一つである。現状、20％ 以上を作製することで、殆ど熱処理を施さずとも低抵抗かつの変換効率は特定の材料の組み合わせでしか達成されてOhmic 性を実現した。これを利用した太陽電池の変換効おらず、多様な研究による普遍的な学理構築が必要であ率は 3.9％ と従来の値を更新した。現在、他の界面に関る。我々が着目しているリン化物半導体 ZnSnP2 を用いたする研究に加え、新規リン化物の探索も進めている。

太陽電池については、通常用いられる Mo よりも Cu の方が裏面電極として適していることを見出しており、本研究では ZnSnP2/Cu 界面の詳細な解析と、界面構造の最適化を行った。
その結果、ZnSnP2 と Cu は 400 °C 以上の熱処理で反応し、界面には ZnSnP2 と格子整合する Cu3P が形成されることを見出した。さらに、ZnSnP2 と Cu3P の価電子帯上端のオフセッ
トは小さく、ホール輸送に有利な構造であることがわかった。このバンド接続については、理論計算からも同様の結果が示唆された。一方、反応過程で生成した液相 Sn を媒介とし、Cu が 凝 集する問 題 が生じた。 そこで Cu3P

4

図太陽電池構造、裏面電極表面の SEM-EDS 分析結果、および J - V 特性．
左、Cu3P 挿入あり、右、Cu3P 挿入なし．

研究奨励部門：

強誘電体を用いたリチウムイオン電池の超高速充電化と原理解明
東京工業大学

フロンティア材料研究所

安井 伸太郎助教

電気自動車（EV）や電子デバイスまで、それらの動力また超高速での充放電を繰り返しても壊れることのない源である二次電池は我々の生活に必要不可欠になっていタフな電池であることから、この技術が使用されることる。リチウムイオン電池の問題点の一つに充電する際にを楽しみにしている。

長時間かかることが上げられる。また高速で充電を行う事で電池は劣化し、繰り返し使えなくなる。これらの問題点は、活物質と電解質の界面において副反応が起きることで析出する相（固体電解質界面、SEI と呼ばれる）がリチウムイオンの拡散を阻害することで起こる。この界面の制御を材料学の視点からアプローチし、強誘電体 BaTiO3 を付加することで解決した。
SEI の析出メカニズムを理解してコントロールすることで、リチウムイオン電池の充電時間を短縮するための超高速充放電を可能とするリチウムイオン電池を開発した。

図今回作製した 3 種類の薄膜（LiCoO2（LCO）薄膜：黒線、一様被膜：青線、ドット堆積：赤線）の段階的に C レートを増加させて充放電を行った際の放電容量の変化（左図）。また、
今回判明した三相界面でリチウムイオンの界面移動が促進されているモデル図（右図）。

社会貢献部門：

持続可能な社会とセメント系材料
東京工業大学

物質理工学院材料系

坂井 悦郎

特任教授

セメント系材料の使命は安全・安心な社会資本の構築に利用されており、それぞれのセメントに適した分散剤である。加えて、1450℃程度の高温で製造するため大量を分子設計した。いつどの段階で、どの技術を投入するな廃棄物を原料・燃料に利用している。一方、石灰石のかは経営的判断によるが、2030 年の削減目標は達成で脱炭酸や焼成エネルギーから全産業の 3 〜 4％程度のきる技術的なシナリオは準備した。なお、2050 年 80％CO2 を発生しており、将来的には大幅な削減が求められ削減目標に向けた新たな技術開発も切望されている。

る。セメントの品質を確保しつつ、廃棄物使用量の増大と CO2 削減の両立を目指した図 1 に示すセメントの研究・技術開発を実施した。①構成化合物の調整と 10％程度の少量混合成分を利用し、約 150万 t の CO2 の削減が可能な技術②製鉄所の廃棄物である高炉スラグを大量に利用し、混合成分の調整により CO2 を OPC の 70％削減が可能な技術③石炭火力発電所の廃棄物である石炭灰を利用し、構成化合物の調整により、18％の CO2 削減が可能な技術④焼成温度の低下が可能なフッ化物イオンのサスペンションの流動性に及ぼす影響の解明と制御技術。なお、コンクリートとする場合には、ポリカルボン酸系と総称される高分子系分散剤が広範

図 -1

セメント系材料における CO2 削減

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研究の周辺“Quantum Phononics”を執筆してみて准教授

中村 一隆

今年 3 月に Springer から “Quantum Phononics” と題する本を出版したので、その経緯について書いてみる。これから洋書の出版を考えている方の参考になればと思う。顔見知りの編集者から誘いを受けたのは 2016 年の 10 月に Casissで開催された国際会議のときで、12 月に本の企画書（タイトル、章立て、ターゲットとする読者、略歴など）を送った。出版社で検討してもらった結果、2017年 9 月に Springer Tracts in Modern Physics シリーズとして出版企画が受理された。原稿締切日やページ数など含めた契約書を交わしたのが 12 月になる。大学院授業のテキストをもとにして、最近の論文の詳細な説明までを含めることにして書き始めた。契約すると、原稿提出前に本の出版案内が出てしまうので、出版した本を持つ著者プレッシャーを受けながら書くことになった。2018 年 10 月に初稿を作りあげ、研究室に滞在中であったシドニー大学の Gordon Li 君に原稿の英語と式導出のチェックをしてもらい、12 月末に修正版を出版社に送ることができた。企画が認められた後は、内容の科学的なチェックは入らず、校正はテクニカルな面だけで行われた。原稿提出後のゲラ校正を含めた工程は非常に早くて、2019 年 3 月末に出版となった。ハードカバーの本はもちろんのこと、ebook や各章ごとのダウンロードサービスもある。また、bookmetrix ではダンウンドード数の統計などが日々更新されており、著書がどのくらい読まれているのかも良く分かるようになっている。最後に、執筆の誘いをいただいた Dr. Claus
Ascheron に感謝する。

長周期地震動によるダンパーの性能低下を考慮した応答評価
准教授

佐藤 大樹

近年高い確率で南海トラフの地震の発生が予測されている。南海トラフ地震はいわゆる長周期地震動と呼ばれ、大都市で建設されている超高層建物は長時間振動し続ける。多くの超高層建物では地震時における応答を低減されるために、ダンパーと呼ばれる地震エネルギーを吸収する装置を組込んだ制振構造が採用されている。日本で使用されている代表的なダンパーの一つである粘性ダンパーは、吸収したエネルギーを熱へと変換されるため、建物の揺れの継続時間が長い場合、内部温度の上昇により内封されている粘性体の粘度が低下することでダンパーの性能が低下する。そこで佐藤研究室では実大の粘性ダンパーの長時間加振実験を実施し、ダンパーの性能低下を高精度で再現できる解析モデルを構築した。さらにその解析モデルを建物モデルに設置し、長周期地震動が発生した場合の応答増大をシミュレーションした（図 1）。現在は、ダンパーの性能低下による応答増大を考慮した制振構造の設計法の開発を進めている。本手法が、より安全で安心な超高層建物の建設に寄与できると期待している。

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受賞、国際会議・ワークショップ等、人事異動
2019 年度フロンティア材料研究所

学術賞

本研究所では、『フロンティア材料研究所学術賞』を実施し、共同利用研究の奨励と助成を行っています。2019 年度は 4 名が選考されました。

受賞者

受賞部門

受賞題目

慶應義塾大学 大学院理工学研究科 特任准教授
鹿野 豊

研究奨励部門バルク固体のコヒーレントフォノン計測

京都大学 大学院工学研究科 准教授野瀬 嘉太郎

研究奨励部門

実験と理論計算との融合によるリン化物半導体太陽電池の高効率化

東京工業大学 フロンティア材料研究所 助教
安井 伸太郎

研究奨励部門

強誘電体を用いたリチウムイオン電池の超高速充電化と原理解明

東京工業大学 物質理工学院材料系 特任教授
坂井 悦郎

社会貢献部門

持続可能な社会に貢献するセメント系材料の提案

受賞
受賞者

受賞名

受賞年日

認定団体

受賞内容

若井神谷

史博
利夫

日本セラミックス協会
フェロー

2019年6月7日（表彰式）

日本セラミックス協会

セラミックス分野の発展への顕著な業績

片瀬貴義

東工大挑戦的研究賞
末松特別賞

2019年6月21日

東京工業大学

低次元半導体の特異な電子構造を利用した熱・電子機能性材料の設計と実証

安井伸太郎

東工大挑戦的研究賞

2019年6月21日

東京工業大学

強誘電体を用いた超高速充放電可能なリチウムイオン薄膜電池の創成

大場
熊谷史康
悠

第41回（2019年度）応用物理学会解説論文賞

2019年9月18日

応用物理学会

受賞対象論文：Design and exploration ofsemiconductors from first principles: A review ofrecent advances

国際会議・ワークショップ等
日時

開催名

開催場所

対応教員・主催等

2019年7月9日－11日

第11回先進セラミックスの科学と技術に関する国際会議（STAC11）（共同利用研究）つくば国際会議場

東

2019年8月3日

卓越した機能発現を目指したセラミックプロセッシングに関するワークショップ（共同利用研究）キャンパスイノベーションセンター東京（CIC東京）

片瀬2019年9月2日－3日

1st Tokyo Tech-NCTU Joint Symposium on AdvancedMaterials

東京工業大学
蔵前会館

フロンティア材料研究所

2019年9月30日

Japan-Taiwan Joint Mini-Workshop on Catalysis

東京工業大学
すずかけホール

フロンティア材料研究所

正樹

貴義

人事異動
異動日

氏名区分

新所属

2019年6月1日

熊谷悠採用

材料機能設計領域

准教授

2019年8月31日

西山宣正

退職

住友電気工業株式会社

旧所属
京都大学 大学院工学研究科
特定准教授
WRHI

特任准教授

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フロンティア材料研究所 NEWS LETTER No.8
発行

日

令和元年10月1日

編集 ・ 発行

東京工業大学 科学技術創成研究院
フロンティア材料研究所
共同利用・研究支援室

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横浜市緑区長津田町4259 R3-27
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