Institute of Innovative Research, Tokyo Institute of Technology

Laboratory for Materials & Structures

NEWS LETTERCONTENTS
フロンティア研・ナウ：
第一原理計算による多成分系半導体の設計と機構解明 ･･････････････････････････････････････ 2

研究の展望：
結晶構造の次元性を人為的に制御できる新材料
電気抵抗が 3 桁変化するスイッチを実現 ･･････････････････････････････････････････････････････････ 3

学術賞：
ルテニウム酸化物における電場誘起電子相転移を利用した抵抗変化素子の開発 ･･････ 4
磁性トポロジカル絶縁体における新奇な超伝導近接効果 ･････････････････････････････････････ 4

フロンティア材料研究所 NEWS LETTER No.12
発行日編集 ・ 発行

お問い合わせ令和 ３ 年10月 1 日
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〒226-8503
横浜市緑区長津田町4259 R3-27
TEL.045-924-5968 FAX.045-924-5978
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積層粘弾性体を用いた制振床の開発と地震時応答に対する低減効果の解明 ･･･････ 4

研究の周辺：
耐風設計の未来････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 5
酸素空孔形成エネルギーの系統的計算･･････････････････････････････････････････････････････････････ 5トピックス、受賞、国際会議・ワークショップ等･････････････････････････････････････････････････ 6

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.

12

Oct 2021

研究の展望フロンティア研・ナウ

第一原理計算による多成分系半導体の設計と機構解明
教授

神谷 利夫

准教授

片瀬 貴義

助教

井手 啓介

結晶構造の次元性を人為的に制御できる新材料
電気抵抗が3桁変化するスイッチを実現
准教授

片瀬 貴義

私たちグループでは、酸化物を中心とした無機化合ながら、n 型の特性を示すことから、SbSe が作る不純材料の電子機能は、元素の組み合わせと結晶構造の次本研究では、準安定相を室温に凍結させる非平衡薄膜物から新しい電子機能材料を発掘し、デバイスの動作物バンドの下側に E F が位置することで n 型の挙動を示元性に大きく依存する。そのため、結晶構造を人為的に成長法により、2D 層状 SnSe と 3D 岩塩型 PbSe の固溶実証まで行っている。これまでの最大の成果は、大型す。さらに Sb 置換量を増やすと、E F が不純物バンド制御できれば、大きな電子構造変化を伴う巨大な電気特体（Pb1-xSnx）Se 薄膜を作製し、x=0.5 において自然材料

有機 EL TV や高精細・省電力スマートフォンなどのディの上に上昇し、p 型の特性を示す。

性スイッチになると期待できる。しかし、強固で等方的では存在しない 2D-3D 構造の相境界を人工的に形成すな結合からなる無機結晶では、圧力以外の外場により構ることに成功した。その結果、温度で可逆的に 3D 構造スプレイの画素制御に実用化されたアモルファス酸化

この他にも、第一原理計算の支援により、AE TiN2（AE物半導体 a‒In‒Ga‒Zn‒O 薄膜トランジスタである。こはアルカリ土類金属 Ca, Mg, Sr, Ba）という層状結晶に造の次元性まで大きく変化する例はこれまでなかった。 から 2D 構造へ可逆的に転移し、約 3 桁の電気抵抗変調の化合物には結晶の母相 InGaO（ZnO）
3m があり、In‒O

おいて、どのような組成、合成条件であれば不純物酸

最近、我々は、2 次元（2D）層状構造を持つセレン化スズ層と（Zn,Ga）O 層が交互に積層している層状結晶で素や水素を取り込みにくく、純粋な試料が得られるか（SnSe）と 3 次元（3D）岩塩型構造を持つセレン化鉛（PbSe） じたディラック電子状態からギャップが開いた半導体の電ある。この例にみられるように、新しい機能材料の探を予測し、合成実験に反映させている。の固溶体を合成し、温度変化によって 2D 構造と 3D 構子構造へ変化するために、電子移動度が大きく変調する造を可逆的に転移させ、電気特性を大きくスイッチさせることを明らかにした。

を実現した（図）。構造転移に伴い、バンドギャップが閉索においては、複数の陽イオン・陰イオンと、結晶構以上のように、熱電効果や Hall 効果を使って実験的造に内在する自然ナノ構造を利用することが一つの指に n 型化、p 型化が観測されたとしても、必ずしも理針である。私たちは、多成分系の膨大な構造自由度か想的な半導体で期待するような、伝導帯・価電子帯へ本研究で着目した SnSe は、シリコンと同程度のバンドじだが、電子構造の異なる半導体材料系を固溶させて、ら最適な材料を選択するために、第一原理計算によるの電子・正孔ドーピングが起こっているのではないとギャップ 1.1eV を持つ半導体であり、SnSe 単分子層が積バンドギャップや電気特性を連続的に変調させることで、電子構造・物性予測を併用している。また、Si に対すいうことは、構造多様性のある新材料では注意が必要層した構造を持つ。Sn2 ＋が持つ孤立電子対が周囲の Se半導体デバイスを高性能化させてきた歴史がある。一方、る不純物原子ドーピングの場合には、ドーピング位置である。大気中に存在する酸素や水素は不純物としてと結合せず、電子反発によって局所的に歪んだ 2D 層状構

本研究で採用したのは、構造次元性が異なる無機結晶系が Si 位置に限定されるため、ドーピングの理解と設計試料に取り込まれやすく、その影響により、材料本来造を取る。
一方、この孤立電子対はわずかな構造変化によっを固溶体化させ、結晶構造を人為的に制御するという、は単純であるが、このような多成分半導体においては、 の物性を見誤る例も多い。新材料の開発と理解において Se と共有結合を形成する。実際に、Sn よりイオン半全く新しいアイデアである。本研究では、結晶構造や化不純物種を一種類に限定しても、ドーピング位置等のては、実験と第一原理計算などの計算機科学の協同が自由度が大きく、その機構解明には第一原理計算が必不可欠である。

ことに成功したので紹介する。

従来の固溶体（混晶）半導体には、主に結晶構造は同2＋径の大きい Pb を成分とする PbSe の場合には、Pb が孤学結合が異なる無機結晶の固溶体系で人工的に相転移さ立電子対を作らず、3D 的な岩塩型構造が安定であり、バせられること、またそれにより大きな物性変化が起こるンドギャップが狭く（0.3eV）、SnSe に比べて 1 桁以上大きことが明らかになった。こうした成果は今後、さまざまな一つの例として、p 型半導体である層状結晶 SnSe へなキャリア移動度と高い電気伝導度を示す。このような結材料系や結晶構造系において、結晶構造の制御によっての Sb ドーピングを紹介する。SnSe は組成こそ複雑で合状態と構造の次元性を外場で制御できれば、大きな電特性を大きくスイッチさせることができる新機能材料の開はないが、Se が重原子陰イオンであることから、Sb子構造変化による巨大な光電子物性変調が期待できる。 発につながると期待される。

須である。

は Sn 位置、Se 位置のどちらにも容易に置換できる（図両構造を固溶体化すれば、相境界付近で両構造のエネル1a,b）と予想され、さらに、層間位置へのドーピングのギーが拮抗して構造転移を示すと期待できるが、熱平衡可能性も出てくる。Sb 置換量を変えてゼーベック係数

状態では PbSe と SnSe の固溶域は小さく、直接の相境界

参考文献：

S と Hall 係数 R H を調べたところ、図 1c のように、pを共有しない問題があった。

T. Katase et al.，Science Advances 7，eabf2725（2021）型から n 型へ、さらに n 型から p 型へと、キャリア極性が二回反転することが分かった。このような極性の二重反転は単純な半導体では起こらないため、可能性のあるドーピング種・位置 と電子構造の変化を第一原理計算により調べた。その結果、Sb 置換量が多くなる

図1

 b ドープ SnSe の構造モデル。
S（a）Se 位置ドーピングと（b）Sn ドーピング。（c）電気特性（S： ゼーベック係数、R H： ホール係数）のドーピング量依存性。x は Sn 位置の置換率、（Sn1‒xSbx）Se。

につれて Sb の置換位置が Se から Sn へ変化することが示唆された。一般的なドーピング化学からは、SbSe（Se2‒ 位置の Sb3‒ 置換）はアクセプターとして、SbSn（Sn2+ 位置の Sb3+ 置換）はドナーとして働くと期待されるが、第一原理計算からは、後者は Sb − Sb のダイマー形成が安定になり一部がドーピングに寄与しないこと、
SbSe は価電子帯の上に不純物バンドを形成することが分かった。これらの結果から、図 2 のような二重反転機構のモデルを提案した。Sb 置換量が少ない場合にはSbSe がドナーとして働いて Fermi 準位 E F を上昇させる。
しかしながら、実験的には E F は価電子帯近くに位置し2

図2

Sb ドープ SnSe の極性二重反転を説明する電子構造モデル。

3

学術賞

学術賞
研究奨励部門：研究業績部門：ルテニウム酸化物における電場誘起電子相転移を利用した抵抗変化素子の開発
北海道大学 大学院情報科学研究院助教

積層粘弾性体を用いた制振床の開発と地震時応答に対する低減効果の解明

福地 厚

京都大学 大学院工学研究科建築学専攻教授

近年、強相関電子系物質における金属−絶縁体転移に料内で精密に制御する事が出来る、エピタキシャル薄膜

建築物の質量の約半分は床上に分布しており、地震時関して、温度や圧力等の既知の制御パラメータだけでな試料での転移の実現が近年強く期待されていた。本研究には、この質量に加速度を乗じた慣性力が作用する。一聲高 裕治
では、粘弾性体が押しつぶされ、応答低減効果が弱まるという課題も指摘した。
つぎに、上記の課題を解消するため、シート状の粘弾

く、一部のモット絶縁体物質では電場や電流密度等の電ではこれまでにモット絶縁体 Ca2RuO4 のエピタキシャル

般には、建築物を軽量化するか、加速度を減らすかのい気的なパラメータでも転移の誘起が可能である事が実験

薄膜において、明瞭な電流誘起転移の観測に成功しておずれかで地震時の慣性力を低減することが可能になる。 性体と薄い鋼板を交互に貼り合わせた「積層粘弾性体」的に指摘されており、物性探索・デバイス応用の両面かり、作製した薄膜では非平衡相転移の発生を示唆する高結論から述べると、本研究で対象とする「制振床」は、地を考案し、世界で初めて試作した。積層粘弾性体が床重ら注目を集めている。電場 / 電流誘起転移では各電子が速不連続転移が時間分解電流 – 電圧測定において観測さ震時における床の加速度を減らすことで、建築物の応答量だけを支持した場合の性能と、床重量を支持しつつ地電場によるドリフト運動を継続し、系に定常的に供給されたとともに、抵抗変化デバイスとしても他の動作原理とを低減することができる制振ダンパーの一種である。

震の揺れを受けた場合の性能を、それぞれ実験により確れ続ける、「非平衡定常状態」において転移が発生する比較して極めて安定な動作特性が観測されている。

従来の建築物では、図（a）のように鉄筋コンクリート造認した。さらに、積層粘弾性体を用いた骨組の振動台実事から、現在未開拓となっているの床スラブと梁が一体化されているが、本研究で対象とす

験によって、粘弾性体に床重量を支持させた場合でも応強相関電子系の非平衡相転移現象

る制振床は、図（b）のように床スラブと梁の間に粘弾性答低減効果が適切に発揮されることを明らかにした。の探索が可能あるとともに、電気体を挿入している。粘弾性体の上下面には鋼板が貼り付以上の数値解析や振動台実験で確認された地震時応答入力による電子相（および材料のけられており、下側の鋼板を H 形断面梁の上フランジにの低減効果は、複素固有値解析結果を用いた最大応答予抵抗状態）の精密な制御を基にし高力ボルトで接合することで、建築物解体後の梁のリユー測法によって精度よく把握できることも解明した。その結た、脳型コンピューティング・デバスを可能にしている。

果、冒頭でも述べたとおり、粘弾性体のエネルギー消費

イスの動作原理としても近年強く本研究では、まず、制振床を適用した骨組の基本的な有望視されている状況にある。

地震応答性状を確認するために、1 層骨組を想定した解

一方で電場 / 電流誘起転移の物性研究では、電場や電流密度を材

図 （左）
電流誘起絶縁体−金属転移の概念図。電流誘起絶縁体−金属転移を示す Ca2RuO4（30 nm）／ LaAlO3（001）エピタキシャル薄膜の（中）抵抗 – 温度曲線と（右）電流 – 電圧曲線。

研究奨励部門：磁性トポロジカル絶縁体における新奇な超伝導近接効果
名古屋大学 未来材料・システム研究所

助教

によって床の加速度を減らすことで、建築物の応答低減が図れることを示した。

析モデル〔図（c）〕による時刻歴応答解析と模型試験体

制振床を実用化するためには、上記の検討の他に、たによる振動台実験を実施した。その結果、図（d）のようわみや振動といった構造性能、遮音や遮熱といった環境に地震時に骨組に作用する力を低減できることを示し、制性能、施工性やコストといった生産性の諸課題を網羅的振床による応答低減効果は、図の横軸である「粘弾性体に解決していく必要がある。今後、制振床の実用化を目指と骨組の剛性の比」で説明できることを明らかにした。たして、多面的な視点で研究をさらに押し広げていきたいとだし、粘弾性体に床の重量を直接支持させた振動台実験考えている。

矢野 力三

超伝導は MRI や超伝導マグネットなどへの応用がされいることを明らかにした。これらは非従来型超伝導状態てきたが、＂新奇な”超伝導状態では素粒子分野で予言を示唆するものである。さらにこれらの発現条件特定のされながらも未発見になっている種々の粒子や準粒子が検証実験から理論モデルを提唱した。現在はその検証と観測可能として近年注目を集めている。通常の超伝導は期待される未発見粒子観測の試みを進めている。

逆向きのスピンをもつ 2 つの電子がペアを組んだクーパー対が 2 πの周期性をもって超伝導現象を担っている。このクーパー対のペアの組み方が異なるものが新奇超伝導である。新奇超伝導発現のために、本研究では磁性トポロジカル絶縁体に注目し、超伝導電極間の超伝導状態の評価を行った。
図（a）のように磁性トポロジカル絶縁体 Fe-Bi2Te2Se上にジョセフソン接合（JJ）を作製し、マイクロ波（MW）を照射することで図（b）のような IV 特性や微分コンダクタンスの電圧間隔から超伝導の周期性を調査した。
微分コンダクタンスは図（c）ように特異な 3 本のピーク構造を観測し、通常の超伝導にはない特徴を発見した。さらに MW 照射により、通常期待される電圧間隔（1.55 μ V）の倍であることから 4 πの周期性を持って4図( a) Fe-Bi2Te2Se/Nb ジョセフソン接合 (JJ) と測定回路
(b) JJ の典型的マイクロ波 (MW) 応答
(c) 0.6K での微分コンダクタンス (No-MW) とその MW 応答

5

トピックス、受賞、国際会議・ワークショップ等

研究の周辺グループによる共同研究・ナウ

トピックス
The 12th International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics（STAC‒12）耐風設計の未来准教授

佐藤 大樹

建物が共振した際に，1 サイクル振動するのに要する時間を固有周期と呼ぶ。建物の動的な性質を評価する上で最も代表的な指標である。一般的に耐震設計を考えた場合，固有周期が長い方が有利である。一方，耐風設計を考えた場合固有周期が短いほうが有利であり耐震設計とトレードオフの関係にある。地震と台STAC12 が、2021 年 7 月 6 日～ 7 月 8 日にオンラインにて開催されました。本国際会議はセラミックス材料の科学から応用までを広く扱う日本発の国際会議として、2007 年に応用セラミックス研究所（現フロンティア材料研究所）が主催して始まったものです。今回、招待講演 22 件、一般講演 49 件、ポスター 49 件、参加人数は 246 名、First Prize Poster Award を東・山本研究室の修士課程 2 年木原汐里さん、平松研究室の修士課程 2 年鳥海裕さん、神谷・片瀬研究室の修士課程 1 年樋口龍生さんが受賞しました。

2021 年度フロンティア材料研究所

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。2021 年度は 3 名が受賞、7 月 21 日に授賞式および記念講演会が開かれました。

受賞者

風が発生する日本で超高層建物を設計する際にはこの問題が必ず発生する。耐震設計，耐風設計とも設計時に想定する荷重は 2 つのレベルがある。耐震設計ではレベル 1 に対しては建物が弾性（地震終了後に基に戻る）状態となることが要求されるが，レベル 2 に対しては建物の塑性化（つまり損傷）を許容している。一方，耐風設計ではレベル 2 に対しても塑性化は許容されていない。これは台風が地震に比べて遙かに継続時間が長いため，塑性化に伴う疲労や長周期化に伴う風荷重の増加など，研究的に明らかとなっていない点が多いからである。しかし，近年は建物の高層化ることがむずかしくなってきている。佐藤研究室では，耐風設計の高度化に寄与するため，超高層免震建物（J2-3 棟，写真）の観測による風荷重や応答の実挙動の解明や風応答予測手法や設計手法の提案，デバイスの耐風安全性評価方法などの研究を実施している。

風観測を行っている超高層免震建物（すずかけ台キャンパス）酸素空孔形成エネルギーの系統的計算
准教授

熊谷 悠

酸化物中には酸素空孔が普遍的に存在しており、電子デバイス、太陽光発電、光触媒、イオン伝導体など様々な用途で重要な役割を果たしている。このため、優れた酸化物材料の設計には、酸素空孔の深い理解と精密な制御が不可欠である。今日では、計算機資源と計算技術の飛躍的な進歩により、第一原理計算を用いて形成エネルギーを含めた点欠陥特性を精確に予測することが可能となってきた。しかし、点欠陥ルテニウム酸化物における電場誘起電子相転移を利用した抵抗変化素子の開発

名古屋大学 未来材料・システム研究所
助教 矢野 力三

研究奨励部門

新奇超伝導状態観測に向けた層状物質の単結晶育成と物性評価

京都大学 大学院工学研究科教授 聲高 裕治

研究業績部門積層粘弾性体を用いた制振床の開発と地震時応答に対する低減効果の解明

賞

る普遍的な理解を深めるため、我々の研究グループでは、点欠陥計算を自動化するためのプログラム開発を行い、937 酸化物中の 6,000個以上の酸素空孔計算を行なった。
右図に、本計算により得られた中性酸素空孔形成エネルギーを対象に機械学習を行なった結果を示す。テストセットによる結果が対角線に近いことから、本機械学習モデルにより高精度に予測できていることがわかる。このように、数千規模の計算結果を用いることで初めて、形成エネルギーの高精度予測やその起源解明が可能となる。

6受賞

受賞日

認定団体

受賞内容

田原 正樹 准教授

日本金属学会 村上奨励賞

2021年9月14日

日本金属学会

チタン合金のマルテンサイト変態と形状記憶特性に関する研究邱 琬婷 助教

日本金属学会 奨励賞

2021年9月14日

日本金属学会

金属基生体材料の表面改質および組織制御を基軸とした新材料設計

田原 正樹 准教授

2021年度東工大挑戦的研究賞 末松特別賞

2021年7月28日

東京工業大学

形状記憶合金の応力誘起相変態に関する研究邱 琬婷 助教

2021年度あすなろ研究奨励金支援採択者2021年7月6日

東京工業大学

分散相による欠陥極小化NiMnGa合金粒子／ポリマー複合材料の変形特性の向上

神谷 利夫 教授

令和3年度科学技術分野の文部科学大臣表彰
科学技術賞（研究部門）

2021年4月6日

文部科学省

アモルファス酸化物半導体の電子物性に関する研究

片瀬 貴義 准教授

令和3年度科学技術分野の文部科学大臣表彰
若手科学者賞

2021年4月6日

文部科学省

遷移金属化合物の非単結晶構造を活かしたデバイスの研究

東 正樹 教授

令和2年度手島精一記念研究賞 発明賞

2021年3月31日

東京工業大学

巨大負熱膨張材料の研究

熊谷 悠 准教授

2020年度「東工大の星」
支援【STAR】

2021年3月5日

東京工業大学

酸化物材料の計算データベース構築とその応用国際会議・セミナー等
日時

開催名

開催場所

対応教員・主催等

2021年5月15日

建築学の現在（いま）2021  
『サスティナブル未来社会へ向けた建築学的課題』

大岡山キャンパス 緑が丘6号館
緑が丘ホール対面
およびオンライン開催

2021年7月6日ー
2021年7月8日

The 12th International Conference
on the Science and Technology for Advanced Ceramics（STAC−12）

オンライン開催

2021年7月14日

大岡山キャンパス 緑が丘6号館
建築学の現在（いま）2021  
「激化する自然災害とまちづくり」 緑が丘ホール対面
およびオンライン開催

主催：環境・社会理工学院 建築学系
協賛：フロンティア材料研究所

2021年7月15日

第49回 薄膜・表面物理セミナー（2021）
量子コンピュータの現状とハードウェア研究最前線

オンライン開催

主催：応用物理学会 薄膜・表面物理分科会
後援：フロンティア材料研究所

2021年7月19日

六研連携プロジェクト「キックオフシンポジウム」

オンライン開催

六研連携プロジェクト

2021年7月21日

東工大 物質・情報卓越教育院 「第2回最先端研究セミナー」
物質と情報で切り拓くサステナブルな未来

オンライン開催

主催：物質・情報卓越教育院
共催：フロンティア材料研究所

2021年7月21日

先端無機材料共同研究拠点成果報告会

オンライン開催

フロンティア材料研究所

計算の複雑さのため、酸素空孔の計算は 1 つの研究で数十個程度までに制限されてきた。そこでこの限界を突破し、酸素空孔に関す

受賞題目

研究奨励部門

受賞者

る台風の巨大化など，レベル 2 の風荷重に対して建物の弾性状態に留め受賞部門

北海道大学 大学院情報科学研究院
助教 福地 厚受や，さらに固有周期の長い高層免震の建設，そして日本に接近・上陸す学術賞

主催：環境・社会理工学院 建築学系
協賛：フロンティア材料研究所
主催：フロンティア材料研究所
共催：物質理工学院材料系（無機材料）、
物質・材料研究機構

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