Vol. 60

No.4

MTERE2 60（4）203 〜 248（2021）

2021

・ 金属なんでもランキング！

〜超伝導転移温度〜

・ Mn 基ホイスラー合金の磁気特性と電子状態― 猿橋賞受賞によせて ―・ REBa 2Cu 3O 7- 高温超電導接合の微細組織
・ 講義ノート 金属製錬反応の速度論Ⅲ― 無次元数とプロセス解析例 ―

実学
講座

講座

https: //jim.or.jp/

金属材料実験の手引き 1．組織観察

1 2

走査型電子顕微鏡を用いた組織観察

よくわかる！ピンポイント講座

フェルミ面とは？

https://www.jim.or.jp/journal/m/ ［ オンラインジャーナル ］

日本金属学会会報 2021年4月1日発行（毎月1回1日発行）Vol.60 No.4 ISSN 1340-2625

https://www.jim.or.jp/journal/m/

2021
Vol.60No.4

金属なんでもランキング
最近の研究

No. 13超伝導転移温度…………………………………………………………203

Mn 基ホイスラー合金の磁気特性と電子状態
梅津理恵

斉藤耕太郎

小野寛太

佐藤和則

―猿橋賞受賞によせて―

福島鉄也

黒田文彬

小口多美夫………………205

ハーフメタル型電子状態を有するホイスラー合金．規則度や原子配列の違いが磁気特性や電子状態に及ぼす影響について解説．

REBa2Cu3O7－x 高温超電導接合の微細組織
加藤晴

吉田竜視

幾原雄一

前田秀明………………………………………………………………………………………212

横江大作

大木康太郎

永石竜起

柳澤吉紀

平山

司

酸化物高温超電導線材を超電導接合した微細組織を解明．超電導接合を達成するまでの接合層の微細構造変化を
紹介．

講義ノート

金属製錬反応の速度論

―無次元数とプロセス解析例―

北村信也……………218

前半は無次元数を用いた解析方法を解説．後半は未反応核モデル，J 因子を用いた固体の溶解モデル，2 槽モデ
ルを紹介．

実学講座

金属材料実験の手引き
1． 組織観察 12 汎用走査型電子顕微鏡を用いた組織観察

よくわかる!ピンポイント講座

フェルミ面とは

科学館めぐり福岡市科学館(福岡市)

本会記事

舘林

徳永智春 …………225

潤 …………………………………………………………………………234
李海文 …………………………………………………………………237

会告 ………………………………………………239

会誌・欧文誌 4 号目次 …………………………245

掲示板 ……………………………………………243

行事カレンダー …………………………………246

新入会員 …………………………………………244

訂正 ………………………………………………247

次号予告 …………………………………………244
会誌・欧文誌・まてりあの投稿規定・投稿の手引・執筆要領，入会申込書，刊行案内はホームページを参照下さい．
http://jim.or.jp/
今月の表紙写真

酸化物高温超電導線材の GdBa2Cu3O7－x 超電導層/超電導接合層((Y,Gd)Ba2Cu3O7－x)界面(矢印)の HAADF 像．
(加藤丈晴 吉田竜視 横江大作 大木康太郎 永石竜起 柳澤吉紀 平山 司 幾原雄一 前田秀明 著 216頁
より掲載)

図 9 (b )表紙デザインビーコン コミュニケーションズ株式会社 グラフィックスタジオ
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6
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前

1

前

2

前

3

前

4

前

5

参考文献
( 1 ) J. J. Hamlin: Physica C, 514(2015), 5976.
( 2 ) M. Sakata, Y. Nakamoto, K. Shimizu, T. Matsuoka and Y. Ohishi: Phys. Rev. B, 83(2011), 220512(R).
( 3 ) 神田英蔵圧力技術，10(1972), 3137.

次号金属素描
ま て り あ 第60巻 第 4 号(2021)
Materia Japan

No. 16モリブデンMn 基ホイスラー合金の磁気特性と電子状態―猿橋賞受賞によせて―
梅 津 理 恵斉藤耕太郎1
)

小 野 寛 太2)

佐 藤 和 則

福 島 鉄 也 黒 田 文 彬 小口多美夫

基合金へ移りつつある．さらに最近では，XX ′YZ とする四

.

は じ

め

に

元系(擬三元系)ホイスラー合金が，スピンギャップレス半導体型電子状態や(14)(16) ，ハーフメタル型電子状態を有する

一般的に，ホイスラー合金といえば，X2YZ の分子式を持
つ金属間化合物で， X や Y を遷移金属や希土類系元素が占め， Z は第 13 ～ 15 族元素などから構成される物質群の総称

完全補償型フェリ磁性体である(17)(19) などのトピックスで注目されている．
本稿では，ハーフメタル型電子状態を有するフェリ磁性体

である．ざっと考えただけでも組み合わせは数千種にものぼである Mn2VAl ホイスラー合金の磁気特性と電子状態につり，実に多様であることは容易に察しが付くであろう．これいて，また，擬三元系ホイスラー合金と捉えられる CoV-らのホイスラー合金が全て平衡状態において安定に相が存在

MnAl 合金の最近の研究結果について紹介する．そして，最するとは限らないが，多くの物質が多彩な物性を示すことは後に， 2019 年 5 月に受賞した「第 39 回猿橋賞」についてもよく知られており，以前より，機能性材料として研究が進め触れる．

られている．筆者も，これまでに X ＝ Co とした Co 基ホイ
スラー合金の相安定性や磁気特性，および電子状態について，
Ni 基ホイスラー合金では磁場印加によって構造相変態が誘起されるメタ磁性形状記憶効果に関して，「最近の研究」に

.

Mn2VAl ホイスラー合金の磁気特性と電子状態



Mn2VAl ホイスラー合金の規則度制御

記事を紹介した(1)(2)．Co 基ホイスラー合金は，「ハーフメタ

図に X2YZ ホイスラー合金の結晶構造を示す(1) ．低温ル」という特異な電子状態を有することでスピントロニクス

では，ホイスラー型規則構造と呼ばれる L21 型結晶構造をの分野で注目されているが(3)(6) ，Mn 基ホイスラー合金に示し，温度上昇に伴い B2( CsCl)型構造， A2( bcc)型構造へ

関しても同様な電子状態を有することが理論の立場より提案と逐次変態する．B2 型構造では，Y と Z 元素が不規則化し，されており(7)(13) ，研究対象とする合金系が Co 基から Mn

A2 型構造ではすべての構成元素がランダムに配置すること

東北大学金属材料研究所教授(〒9808577 仙台市青葉区片平 2
11)
高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所1)研究員，2)准教授
大阪大学大学院工学研究科准教授
東京大学物性研究所特任准教授
大阪大学大学院基礎工学研究科大学院生(現産業技術総合研究所機能材料コンピュテーショナルデザイン研究センター特別研
究員)


大阪大学産業科学研究所教授
Magnetic Properties and Electronic State of Mnbased Heusler Alloys; Rie Y. Umetsu, Kotaro Saito, Kanta Ono, Kazunori
Sato, Tetsuya Fukushima, Fumiaki Kurodaand Tamio Oguchi(Institute for Materials Research, Tohoku
University, Sendai. Institute of Materials Structure Science, High Energy Accelerator Research Organization, KEK, Tsukuba.
Graduate School of Engineering, Osaka University, Suita. The Institute for Solid State Physics, The University of Tokyo,
Kashiwa. Graduate School of Engineering Science, Osaka University, Toyonaka. (Present: Research Center for Computational
Design of Advanced Functional Materials, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Tsukuba.)
The Institute of Scientific and Industrial Research, Osaka University, Ibaraki.)
Keywords: Mnbased Heusler alloy, density of states, halfmetal, degree of order, neutron diffraction, atomic configuration
2021年 2 月 2 日受理[doi:10.2320/materia.60.205]

ま て り あ 第60巻 第 4 号(2021)
Materia Japan




図1

Mn2VAl の L21 型規則構造と B2 ( CsCl 型)，および A2(bcc)構造(1)．
図2

Mn50V50－x Alx ( 0  x  35 )合金の昇温過程における DSC
曲線(左)と相図(右)．(オンラインカラー)

図3

Mn2VAl 合金の X 線回折パターン ( SC 徐冷， WQ 急冷)．一番下は格子定数 a ＝ 0.5833 nm とし，完全に規則化した L21 型構造を仮定した場合の計算強度． (オになる．これらの構造相変態温度を調べることは，結晶の規則度を制御したり，相の安定性を議論するのに非常に重要である． Co 基ホイスラー合金の薄膜を製膜後に同じ温度で熱処理を施すにしても，規則不規則相変態温度(Tt)の高い物
質(L21 相の安定性が高い)ほど，規則度の高い膜が得られる
ことが確認されている(20)．Mn2VAl ホイスラー合金の Tt を調べるために Mn50V50－x Alx 合金のバルク多結晶試料を作製し，熱分析測定を行った．
1473 K にて均一化熱処理を施し，急冷して得た試料(0x 35 ) の DSC 曲 線 を 図  ( 左 ) に 示 す ． x ＝ 0 ( Mn50V50 ) の
DSC の昇温過程において 1100 K 近傍に吸熱ピークが観測されるが，既存の二元系状態図等と比較することで，印で示したそのピークは B2 相から A2 相への Tt であることが分かる．したがって，x＝25前後の組成において印の吸熱ピークの低温で観測される印の反応は L21 相から B2 相へのTt であると見なされる．この結果を基に相図を描くと図 2(右)のようになる．これより，規則度の制御を行うための時
効熱処理温度が決定される．
図に各温度にて熱処理を施した Mn2VAl ( Mn50V25Al25 )ンラインカラー)合金の粉末 X 線回折( XRD )パターンを示す． 1173 K, 1093
K，および 673 K は Mn2VAl にとってそれぞれ A2, B2, L21型規則構造を示す温度であることが，図 2(右)の相図より判断される． 1173 K 熱処理試料の XRD パターンでは非常に弱い 200 超格子反射が観測され，冷却中にわずかに B2 相に規則化したものと考えられる． 1093 K 熱処理試料では強いし，概ね A2, B2, L21 相と 3 種の相が得られた．


Mn2VAl ホイスラー合金の磁性に及ぼす規則度の影響

200反射が観測されることから，ほぼ完全な B2 相が得られ

図(左)は各温度(1173, 1093，および 673 K)にて最終熱たと言え， 673 K より徐冷した試料では 200 と 111 の超格子処理を施した試料の 5 K における磁化曲線である．2 段階時

反射の両方が観測されることから L21 相に規則化したと考効を施して得た L21 相の試料は磁場印加に伴いすぐに飽和えられる．しかしながら，これらの超格子反射強度は図中のするような磁化曲線を示す． Arrott Plot より自発磁化を求一番下の計算による回折パターンと比べて強度が弱く，L21

めたところ，磁気モーメントの総和は 1.94 mB/f.u. であり，相の規則度は低いと思われる． 1473 K にて溶体化熱処理を

理論計算値の 1.98 mB / f.u. とほぼ等しい(7) ．一方， B2 相の施して急冷して得た試料は逆位相境界が導入されて規則度が磁化曲線はすぐに飽和するものの磁気モーメントの値が進みにくいと考えられる．よって，比較的高い温度にて熱処

1.76 mB/f.u. と L21 相の値より小さく，規則度の低下が影響

理を施してドメインを大きく成長させてから 673 K にて熱しているものと考えられる．673 K で熱処理を施し，規則度処理を施した(2 段階時効)試料の XRD パターンでは，計算の低い L21 相の磁化曲線は磁場印加に伴い緩やかに飽和しによる回折パターンとほぼ同等な111反射強度が見られ，規ている．これは組織が細かく，強磁性を示す逆位相領域の磁則度の高い L21 相が得られたことが分かる．このように，区が逆位相境界によってピン止めされていることによると考熱分析の結果を基に熱処理条件を変えることで規則度を制御えられる．規則度によって磁気的性質が大きく異なるような



最近の研究

図4

Mn2VAl 合金の 5 K における磁化曲線(左)と熱磁化曲線(右)．内挿図は 1173 K から急冷した試料の熱磁化曲線(SC徐冷，WQ急冷)．(オンラインカラー)

Ni2Mn(Al, Ga)においても，逆位相境界によって囲まれる領域のサイズと磁化曲線の挙動が系統的に調べられている(21)(22)．A2 相の磁化曲線は 50 kOe の磁場においても飽和せず，磁化の値も小さく，反強磁性的様相を示していることが分かる．
各試料における熱磁化曲線を図 4(右)に示す．L21 相の熱磁化曲線は温度上昇に伴い減少し，キュリー温度( TC )は

図5

768 K であることが分かった． B2 相の熱磁化曲線は 650 K

1173 K より急冷して得た Mn2VAl 粉末中性子回折パターン(上)．100回折ピーク(左下)とその積分強度の温度依存性(右下)．(オンラインカラー)

近傍でステップを示した後，L21 相の熱磁化曲線と重なり，同じキュリー温度を示した．これは，温度上昇中に B2 相から L21 相に規則化したものと考えられ，図中の点線の外挿存性を図 5 (下)に示す．なお， Mn2VAl/ Fe 単結晶積層膜により， B2 相の TC は L21 相より数十 K 低いと推定される．

ついて磁気特性が調べられ，交換バイアス効果が報告されて内挿図に A2 相の試料の熱磁化曲線を示す．磁化の値は温度いる．このことからも，Mn2VAl の不規則相は反強磁性であ上昇に伴い増加し，617 K にピークが観測されることから，るといえる(24)(25)．

A2 相はこの温度にネール温度(TN)を有する反強磁性である

ことが分かる．700 K 近傍で急に磁化が増大しているのは，規則化して強磁性になったからであると思われる．



Mn2VAl の電子状態

上述のように，Mn2VAl の熱処理温度を変えることで規則

熱磁化曲線において 617 K に観測されるピークがネール

度を制御することが可能であることを示した．ここでは，規温度であるかを調べるために，粉末中性子回折測定を行った

則度によって電子状態がどのように変わるかを理論計算した結果を図に示す．測定は，オーストラリアの中性子研究所

結果を示す．図に L21, B2, A2 相を仮定した場合の Mn2(ANSTO: Australian Nuclear Science & Technology Organi-

VAl の電子状態密度を Korringa Kohn Rostoker ( KKR )法

sation )に設置されている WOMBAT ( High Intensity Neu-にコヒーレントポテンシャル近似( CPA )を導入して得た結tron Powder Diffractometer ) に て 295 K か ら 525 K の 温 度果を示す．L21 相に規則化した場合，アップスピンバンドの領域にて行われた．測定時の中性子の波長は 0.154 nm であフェルミ準位近傍にギャップを有するハーフメタル型の電子

る． A2 相( bcc )としての 110, 200, 211 のような基本反射の状態であることが分かる． V と Al が不規則化した B2 相で指数が付けられている回折ピークは比較的シャープで半値幅はある程度は高いスピン分極率が維持されているが，3 種のが狭いのに対し，図中に赤字で示すような超格子反射として元素がすべて不規則化した A2 相ではギャップは完全に消失指数が付けられる回折ピークはブロードである．これは，している． L21 相と B2 相の基底状態の磁性はフェリ磁性でA2 相領域から急冷される過程で B2 相が導入されたことにあるのに対し，A2 相では常磁性が最も安定である，という起因する．さらに，100, 111などの低角側のピークでは回折結果であった．これは，A2 相が反強磁性であるという前節

強度が温度上昇に伴い低下する成分が含まれていることが分の実験結果とは異なるが，それは，実験的に得られた A2 相

かる．これは磁気反射に相当し，不規則相 bcc 型 CrMn とが完全に不規則化しているわけではないからであろう．規則

同様に，bcc 結晶格子の体心とコーナーに位置する原子の磁度が磁性に及ぼす実験，および理論計算で得られた結果を表気モーメントが反強磁性的に結合した磁気構造であることがにまとめる．

示唆される(23)．100反射ピークの拡大図と積分強度の温度依

ま て り あ 第60巻 第 4 号(2021)
Materia Japan




図6

表1

Mn2VAl ホイスラー合金の L21, B2, A2 型構造の電子状態密度．(オンラインカラー)

Mn2VAl ホイスラー合金の L21, B2 ，および A2 相の磁気特性と格子定数．実験による格子定数は，室温で測定した X 線回折パターンを解析して得た．
L2 1

B2

A2

理論

フェリ磁性
a＝0.5722 nm
Mtot＝1.93 mB/f.u.

フェリ磁性
a＝0.5733 nm
Mtot＝1.27 mB/f.u.

常磁性
a＝0.5705 nm

実験

a＝0.5833 nm
Mtot＝1.94 mB/f.u.

a＝0.5891 nm
Mtot＝1.76 mB/f.u.

反強磁性
a＝0.5890 nm

図7

XX ′
YZ 四 元 系 ホ イ ス ラ ー 合 金 の 結 晶 構 造(26) ． 右 の〈 111 〉方向の原子の並びは LiMgPdSn 型構造の場合である．このとき，各原子の価電子数の大きさは， X ＞＞Y の順である．(オンラインカラー)
X′

図8

CoVMnAl 合金の DSC 曲線(左)と 5 K における磁化曲線(内挿図)，および熱磁化曲線とその温度微分(右)(26)．(オンラインカラー)

. CoVMnAl 四元系ホイスラー合金の規則度と磁気特性
CoVMnAl 合金は，いわば Co2VAl と Mn2VAl ホイスラー

合金の混晶系であると見なすことが出来る．前々章でも述べたように，四種の元素から構成される四元系(擬三元系)ホイスラー合金は，スピンギャップレス半導体型電子状態
や(14)(16) ，ハーフメタル型電子状態を有する完全補償型フェリ磁性体(17)(19) などが提案されており，近年注目されている物質群である．本合金系においても，原子配列や規則度の違いは磁気特性や電子状態に影響を及ぼすと考えられることから，粉末中性子回折測定を行い，原子配列を決定した．
図に三種の遷移金属元素と一種の半金属か半導体元素から構成される，四元系ホイスラー合金の結晶構造を示す．ちなみに，この模型は分子模型キットを購入して筆者が組み立てたものである．三種の遷移金属元素の価電子数が多い順番に X, X ′, Y の位置を占める場合がエネルギー的に安定であることが第一原理計算により示唆されており(14)(16) ，この場合の結晶構造のプロトタイプは LiMgPdSn である． CoVMnAl 多結晶合金を作製し，均一化熱処理を施して DSC 測微分)，それぞれ 11 K と 48 K であり，Tt より高い温度から定を行った結果を図(左)に示す(26)．昇降温過程において急冷した試料の方が，磁性がやや強い．これらの試料につい同じ温度( 1268 K )にピークが観測されることと，その温度て粉末中性子回折測定を行い， Zcode でリートベルド解析

が Co2VAl と Mn2VAl の Tt の ほ ぼ 中 間 の 値 で あ る こ と かを行った結果を図に示す(26)(28) ．中性子回折測定は，大ら，それが CoVMnAl の Tt と捉え，それよりも高い温度で強度陽子加速器施設( J PARC )の茨城県材料構造解析装置

ある 1373 K から急冷した試料と 0.6×Tt に近い 873 K にて

( iMATERIA )を用いて，飛行時間( T.O.F )法にて室温で行熱処理した試料について磁化測定を行った結果を内挿図に示った． CoVMnAl を構成する Co, V, Mn は原子番号が互いす．磁場印加に伴いすぐに飽和するような磁化曲線が両者にに近く，原子散乱因子の差が小さいことから， X 線回折において観測されるが，磁化の値はどちらも小さく，前者におよって原子配列を決定することは困難である．一方，中性子

いて 0.04 mB/f.u.，後者において 0.15 mB/f.u.，キュリー温度の散乱長はそれぞれ三者三様の値を有することから( Co:

も図 8(右)の熱磁化曲線に示すように(内挿図は磁化の温度2.49, V: －0.38, Mn: －3.73)(29)，本合金については粉末中性



最近の研究

子回折で厳密に原子配列や規則度を決定することが可能であCo と Mn が不規則化することでフェルミ準位近傍の擬ギャる．リートベルド解析より決定した，原子のサイト占有状態

ップは完全に消失してしまうことが示唆される．LiMgPdSnを表に示す．本実験では，873 K で熱処理を行った試料は型の原子配列を実現させようとするのであれば， Tt を高くL21b 型， 1373 K より急冷した試料は B2 型構造から少し配するような他の Z 元素で Al を置換したり，電子状態を維持

列の乱れた構造(B2like)であった．L21b は図 1 の L21 構造

しつつ，化学的な相互作用があまり似通っていない遷移金属と空間群は同じであるが，8c サイトが Co と Mn でランダム

元素の組み合わせによるホイスラー合金の設計が必要となろに占められている．LiMgPdSn では Co と Mn がそれぞれ異う．

なるサイトを占有しており，空間群は L21 や L21b とは異な

.

る．

第回猿橋賞を受賞して図に CoVMnAl 合金の LiMgPdSn と L21b 構造の場合の第 一 原 理 計 算 に よ り 得 た 電 子 状 態 密 度 を 示 す(26) ．

非常に光栄なことに， 2019 年に第 39 回猿橋賞を受賞しLiMgPdSn 型構造の場合にフェルミ準位近傍で擬ギャップ

た．受賞対象となった研究のタイトルは「ハーフメタルをはを有するような電子状態であることは以前より報告があった

じめとするホイスラー型機能性磁気材料の物性研究」であが(30)(31)，実験で得た試料は L2

る．賞については，まてりあの第58巻 9 号に，私の母校(奈1b 型構造であり，この場合，

良女子大学理学部物理学科)で現在教員をされている松岡由
貴先生の記事が掲載されているので，そちらを参照にして頂きたい(32) ．また，設立者である猿橋勝子先生や賞に関する

図9

表2

CoVMnAl 合金の粉末中性子回折パターン(26) (上 873
K 熱処理，下 1323 K 熱処理後急冷)測定は室温で行った．(オンラインカラー)

図10

CoVMnAl 合金の電子状態密度(26)(上LiMgPdSn 型構
造，下L21b 型構造)．(オンラインカラー)

CoVMnAl 合金の粉末中性子回折パターンより決定した原子配置．LiMgPdSn 型と B2 型構造の場合の原子配置も合わせて示す(26)．
(0, 0, 0)(1/4, 1/4, 1/4)

(1/2, 1/2, 1/2)

(3/4, 3/4, 3/4)

LiMgPdSn

Co

V

Mn

Al

L21b

0.5Co＋0.5Mn

V

0.5Co＋0.5Mn

Al

B2

0.5Co＋0.5Mn

0.5V＋0.5Al

0.5Co＋0.5Mn

0.5V＋0.5Al

B2like

0.4Co＋0.4Mn＋0.1V＋0.1Al

0.7V＋0.1Al＋0.1Co＋0.1Mn

0.4Co＋0.4Mn＋0.1V＋0.1Al

0.7Al＋0.1V＋0.1Co＋0.1Mn

ま て り あ 第60巻 第 4 号(2021)
Materia Japan本もいくつか出版されている(33)(37)．
ハーフメタル型電子状態を有すると示唆される物質群について様々なホイスラー合金を作製し，その基礎物性をかれこもあった．受賞から 1 年後に次の受賞者が発表されたときは，正直なところ，胸をなでおろしたものである．
さて，第 40 回猿橋賞の授賞式が，コロナ渦で延期となっれ 15 年以上も調べている．電子状態を反映するマクロな諸てしまったことは非常に残念である．受賞から 2 年近くが物性から大まかな電子状態を議論することはできても，その経過したことと， 40 周年記念本の出版とやらで記事を書い

特徴を直接的に実証することの重要性を感じ，単結晶の育成

たりして，今までの研究の経過や自分の研究の位置づけ，そに取り組むようになった． JST のさきがけに 2013 年～ 2016

して今後のことなど，色々と考えるきっかけを持つことが出年に採用され，何が何でも成果を出さねばならない状況でも来た．そのなかで，授賞式のひと月前の記者会見の際に会長あった．幸い，放射光を用いた計測グループとの共同研究にや理事の先生方にお会いし，「猿橋賞」のことや猿橋勝子先

こぎつけ，共鳴非弾性 X 線散乱(RIXS)測定を行い，理論計生の賞設立の意図に関する話があったことを思い起こした．

算とのスペクトル比較により，ハーフメタル型電子状態の特

この猿橋賞は，それまでに頑張ったことの，いわゆるご褒美

徴を示唆する研究結果を発表することが出来た(38)(39)．初め

的な賞ではなく，それからさらにもうひと踏ん張りするためて RIXS 実験に取り組んだ物質が 2 章で紹介した Mn2VAlの区切り，の意味があるとのこと．つまり，これから先，研ホイスラー合金であり，育成した単結晶の規則度制御には，究者としてどのように進み，研究を展開させていくのか，そ

上で述べたような基礎研究が必須であった．RIXS に関してして如何に後進を育てていくのか，が問われるとのことであは系統的研究が現在も継続しており，近い将来記事にしよう

る．大そうな宿題を戴いてしまった．

と思う．
恥ずかしながら，「猿橋賞」の存在をずっと前から知って

.

お

わ

り

に

いたわけではない．猿橋勝子先生が創設に尽力された「日本女性科学者の会」より奨励賞を 2014 年に受賞したことで知Mn2VAl, CoVMnAl 合金について規則度や原子配列の違るようになり，新聞で受賞者が紹介されている記事をみて，いが磁性や電子状態に及ぼす影響について調べた研究を紹介

こんな大そうな賞なのだ，と意識するようになった．女性限した．これらのホイスラー合金は 3d 遷移金属元素が主要な定とはいえ，自然科学全分野において年に 1 人しか選ばれ構成元素であるため， X 線回折測定では規則度や原子配列ないのだから，自分には縁の遠い賞であろうと思っていた．

の議論は限界があるにも関わらず，中性子を用いてそれらが年齢制限も段々と近くなり，賞に応募くらいはしてみよう，

きちんと調べられている例は割と少ない．ハーフメタル型電という気がいつしか湧くようになり，まだ早いかな，来年は子状態を有する磁性材料は，その特異性からスピントロニク

してみようかな，と考えているうちに挑戦するにしても残り

スの分野において注目されているが，バルク結晶体の相安定

あと 2 回という年齢になったことで，思い切って応募した性や基礎物性に関する研究も同時に進展するべきであると強のである．推薦は学会などの団体推薦や個人推薦，自薦があく感じている．また，ホイスラー合金にはまだまだ多様な組る中で，私の研究内容を良く理解していらっしゃる，当時のみ合わせがあり，機能性材料の宝庫と言える．これらの合金

東北大学金属材料研究所長・高梨弘毅教授に依頼をした．そ系において物質理解と同時に応用に関連した研究が今後大いの時も，「大きな賞で，(受賞は)なかなか難しいかもしれなに進展することを期待している．

いけれど，最善を尽くしましょう」とおっしゃって下さった．ですから，受賞を知らせた時は大変喜んで頂き，受賞式にもご出席頂いた．

本稿で紹介した研究は，日本学術振興会

科学研究費補助金，科学技術振興機構「さきがけ」の支援の下に行われたも授賞式は， 2019 年 5 月の下旬に東京で行われた．贈呈式のである．ホイスラー合金の研究のきっかけを与えて下さっと記念講演会，および祝賀会が催され，恩師の深道和明先生

た深道和明名誉教授と石田清仁名誉教授，いつも有意義な議や助教時代の上司である貝沼亮介先生をはじめ，お世話にな論をして頂いている貝沼亮介教授，鹿又武名誉教授に，このった方々や大学の関係者に出席して頂いた．父親，主人，姉場を借りて御礼申し上げます．なお，CoVMnAl 合金の粉末も同席してくれた．実は，祝賀会の参加者や挨拶の依頼など

中性子回折実験は，茨城大学・石垣徹教授との共同研究によは受賞者本人が設定するので，まるで結婚披露宴のような気り行われました．多大なご協力に感謝申し上げます．

恥ずかしさであった．祝賀会の最後に，参集した歴代受賞者
がその年の受賞者を囲んで記念撮影をするのだが，間違いな文

献く宝物の写真の 1 枚となった．ハーフメタル型の電子状態を検証するために共同研究を進めてくれた計測グループや理論グループの皆さんも知らせを聞いて大変喜んでくれた．新聞や電子版ニュースで取り上げられたことで，親戚や昔の友
人からの声も届き，改めて賞の大きさを実感する日々である．ラジオやテレビ，一般雑誌からの取材など，初めて経験するようなことが続き，貴重な経験とは思いながらも戸惑い( 1 ) 梅津理恵，大久保亮成，貝沼亮介，石田清仁まてりあ， 49(2010), 462470.
( 2 ) 梅津理恵，許，伊東 航，鹿又 武，貝沼亮介まてり
あ，54(2015), 98
104.
( 3 ) R. A. de Groot, F. M. Mueller, P. G. van Engen and K. H. J.
Bushow: Phys. Rev. Lett., 50(1983), 20242027.
( 4 ) J. K äubler, A. R. Williams and C. B. Sommers: Phys. Rev. B, 28(1983), 17451755.

最近の研究( 5 ) S. Ishida, S. Akazawa, Y. Kubo and J. Ishida: J. Phys. F, 12(1982), 1111
1122.
( 6 ) I. Galanakis, P. H. Dederichs and N. Papanikolaou: Phys. Rev.
B, 66(2002), 174429.
( 7 ) S. Ishida, S. Asano and J. Ishida: J. Phys. Soc. Jpn., 53(1984),
27182725.
( 8 ) R. Weht and W. E. Pickett: Phys. Rev. B, 60(1999), 13006.
( 9 ) K. Ozdog
Äãan, I. Galanakis, E. ºSa ºsƒo ¾glu and B. Akta ºs: J. Phys.:
Condens. Matter, 18(2006), 29052914.
(10) G. D. Liu, X. F. Dai, H. Y. Liu, J. L.Chen, Y. X. Li, G. Xiao and
G. H. Wu: Phys. Rev. B, 77(2008), 014424.
(11) V. Alijani, J. Winterlik, G. H. Fecher, S. S. Naghavi and C.
Felser: Phys. Rev. B, 83(2011), 184428.
(12) K. Ozdog
Äãan, E. ºSa ºsƒo ¾glu and I. Galanakis: J. Appl. Phys., 113(2013), 193903.
(13) Y. C. Gao and X. Gao: AIP Advances, 5(2015), 057157.
(14) X. Dai, G. Liu, G. H. Fecher, C. Felser, Y. Li and H. Liu, J.
Appl. Phys., 105(2009), 07E901.
(15) V. Alijani, J. Winterlik, G. H. Fecher, S. S. Naghavi and C.
Felser: Phys. Rev. B, 83(2011), 184428.
(16) M. W. Mohamedi, A. Chahed, A. Amar, H. Rozale, A. Lakdja,
O. Benhelal and A. Sayede: Eur. Phys. J. B, 89(2016), 267.
(17) R. Stinshoff, A. K. Nayak, G. H. Feche and B. Balke: Phys.
Rev. B, 95(2017), 060410(R).
(18) R. Stinshoff, G. H. Fecher, S. Chadov, A. K. Nayak, B. Balke,
S. Ouardi, T. Nakamura and C. Felser: AIP ADVANCES, 7(2017), 105009.
(19) P. V. Midhunlal, J. A. Chelvane, D. Prabhu, R. Gopalan and
N.H. Kumar, J. Magn. Magn. Mater., 489(2019), 165298.
(20) R. Y. Umetsu, A. Okubo, M. Nagasako, M. Otsuka, R.
Kainuma and K. Ishida: SPIN, Special issue on HeuslerAlloy
Films and Devices, ed. by C. Felser and A. Hirohata, 4(2014),
1440018.
(21) H. Ishikawa, R. Y. Umetsu, K. Kobayashi, A. Fujita, R.
Kainuma and K. Ishida: Acta Mater., 56(2008), 47894797(22) R. Y. Umetsu, H. Ishikawa, K. Kobayashi, A. Fujita, K. Ishida
and R. Kainuma: Scr. Mater., 65(2011), 4144.
(23) Y. Hamaguchi and N. Kunitomi: J. Phys. Soc. Jpn., 19(1964),
18491856.
(24) T. Tsuchiya, R. Kobayashi, T. Kubota, K. Saito, K. Ono, T.
Ohhara, A. Nakao and K. Takanashi: J. Phys. D: Appl. Phys.,
51(2018), 065001.
(25) 土屋朋生博士学位論文(2018)，東北大学．
(26) R. Y. Umetsu, K. Saito, K. Ono, T. Fukushima, F. Kuroda, T.
Oguchi and T. Ishigaki, J. Alloys Compd., 855(2021), 157389.
(27) R. Oishi, M. Yonemura, Y. Nishimaki, S. Torii, A. Hoshikawa,
T. Ishigaki, T. Morishima, K. Mori and T. Kamiyama: Nucl.
Instrum. Methods A, 600(2009), 94e96.
(28) R. OTomiyasu, M. Yonemura, T. Morishima, A. Hoshikawa,S. Torii, T. Ishigaki and T. Kamiyama: J. Appl. Crystallogr.,
45(2012), 299e308.
(29) https://www.ncnr.nist.gov/resources/nlengths/(30) L. Basit, G. H. Fecher, S. Chadov, B Balke and C Felser: Eur.
J. Inorg. Chem., 2011(2011), 39503954.

ま て り あ 第60巻 第 4 号(2021)
Materia Japan(31) L. Y. Wang, X. F. Dai, X. T. Wang, Y. T. Cui, E. K. Liu, W. H.
Wang, G. H. Wu and G. D. Liu: Mater. Res. Express, 2(2015),
106101.
(32) 松岡由貴まてりあ，58(2019), 524.
(33) 女性科学者に明るい未来をの会 編女性科学者に一条の光を―猿橋賞30年の軌跡，ドメス出版，(2010).
(34) 女性科学者に明るい未来をの会(古在由秀，川島誠一郎，富永健，久留都茂子，猿橋勝子 編
「My Life」Twenty Japanese
Women Scientists，内田老鶴圃，(2001)．
(35) 湯浅 明，猿橋勝子 編女性科学者21世紀へのメッセージ，
ドメス出版，(1996)．
( 36 ) 米沢富美子岩波科学ライブラリー 157 猿橋勝子という生き方，岩波書店，(2009)．
(37) 女性科学者に明るい未来をの会 編私の科学者ライフー猿橋
賞受賞者からのメッセージー，日本評論社，(2021).
(38) K. Nagai, H. Fujiwara, H. Aratani, S. Fujioka, H. Yomosa, Y.
Nakatani, T. Kiss, A. Sekiyama, F. Kuroda, H. Fujii, T.
Oguchi, A. Tanaka, J. Miyawaki, Y. Harada, Y. Takeda, Y.
Saitoh, S. Suga and R. Y. Umetsu: Phys. Rev. B, 97(2018),
035143.
(39) R. Y. Umetsu, H. Fujiwara, K. Nagai, Y. Nakatani, M.
Kawada, A. Sekiyama, F. Kuroda, H. Fujii, T. Oguchi, Y.
Harada, J. Miyawaki and S. Suga: Phys. Rev. B, 99(2019),
134414.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
梅津理恵
2000年 東北大学大学院工学研究科材料物性学専攻博士課程後期 3 年の課程修了 日本学術振興会特別研究員(PD)，CREST 研究員等を経て2007年 東北大学多元物質科学研究所 助教，金属材料研究所 助教
2013年 東北大学金属材料研究所 特任准教授，准教授
2020年 東北大学金属材料研究所 教授現職
専門分野磁性材料，金属物性◎ハーフメタル型電子状態を有するホイスラー合金，メタ磁性形状記憶合金，垂直磁化膜用強磁性材料，およびスピントロニクス向け Mn 基反強磁性材料などの磁気物性に関する研究に従事．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

梅津理恵

斉藤耕太郎

小野寛太

福島鉄也

黒田文彬

小口多美夫

佐藤和則




REBa2Cu3O7－x 高温超電導接合の微細組織
加 藤  晴1)

吉 田 竜 視2)横 江 大 作2)

大木康太郎1) 永 石 竜 起2
)
平山

司3
)

柳 澤 吉 紀1),  前 田 秀 明,
幾 原 雄 一


4)
2)

て資源面およびコスト面で多くのメリットが出てくる．さら

.

は じ

め

に

に，液体ヘリウムを用いて運転した場合， LTS 線材よりもHTS 線材では臨界電流密度が高く，同じ断面積で大電流化

1986 年の高温酸化物超電導体の発見(1)(2) 以来，エネルギが見込めるため，超電導機器のコンパクト化も期待できる．

ー分野や高磁場マグネット等への応用製品開発に必要な高温

しかしながら，超電導ケーブルや高磁場マグネットを製造す

超電導(high temperature superconductor; HTS)線材開発競る場合は，数 km から数10 km 長の線材が必要である．超電争が各国で繰り広げられている(3)(9) ．このような線材に用

導機器に必要な線材長に対し，市販されているビスマス系線

いられている高温超電導体材料は，主にビスマス( Bi2Sr2

材はキロメートルのオーダーであり， REBCO 線材は数 100

Ca2Cu3O10＋d; Bi2223 ))系材料(10) ， REBa2Cu3O7－x ( RE:Y ，m 長であるため，高温超電導線材の接合技術は機器開発に

Gd ， Eu 等， REBCO と略す)系材料(2) であり，長尺線材開おいて極めて重要な要素技術である．従来，これらの高温超発の順序から前者は第一世代線材，後者は第二世代線材と呼電導線材の接合には，はんだ等の低融点金属(8)(17)(19) や金称され，共に長尺化と高臨界電流化が達成されて，市販され属ナノ粒子(20)(22) 等が用いられており，抵抗が低い常電導ている(5)(9)．2000年以降に発見された MgB2(11)，鉄系超電接合技術であり，本質的な超電導接合ではない．このような導材料(12) 等についても線材化のための研究(13)(15) がなされ開発状況の中， 2014 年に韓国のグループが REBCO 線材をている．これらの材料系の大気圧，自己磁場中における臨界用いて超電導状態の接合に成功した(23) ．この後，各研究機

温度( Tc )は，それぞれ 40 K(11) ， 55 K 付近(16) であるのに対関から REBCO 線材の超電導接合技術(24)(29) およびビスマ

し ， Bi2223 相 お よ び REBCO 相 は Tc が 105 K お よ び 92 K

ス系線材の超電導接合技術(30)(31)が報告されている．その中付近であるため，液体窒素温度( 77 K )で超電導現象が発現の一つの接合技術で，住友電気工業は，intermediate grown

する．既に超電導機器用コイルに採用されている低温超電導

superconducting ( iGS と略す)接合技術(26)(28) を発表した．

(low temperature superconductor; LTS)である金属超電導線

さらに，この iGS 接合部 2 箇所と REBCO 線材を核磁気共材では，冷却に液体ヘリウム(4.2 K )もしくはヘリウムガス

鳴(NMR)装置の超電導コイルに採用し，永久電流モードでを用いる必要があるが，ビスマス系線材，REBCO 系線材は運転可能な NMR 装置開発に成功した(28)(32)(33) ．永久電流

液体窒素での冷却が可能であるため，超電導機器をこれらのモードを達成した NMR 用コイルは，外側に LTS 線材，内HTS 線材に置き換えることができれば，機器の運転に関し側に REBCO 線材を用いた LTS / HTS ハイブリッド型で，一般財団法人ファインセラミックスセンター1)主任研究員，2)上級技師，3)執行理事，4)主管研究員(〒4568587 名古屋市熱田区六野 241)
住友電気工業株式会社1)主席，2)次世代超電導開発室 室長
国立研究開発法人理化学研究所 放射光科学総合研究センター1)チームリーダー，2)客員主管研究員
東京大学大学院工学研究科総合研究機構教授
国立研究開発法人 科学技術振興機構未来社会創造事業・大規模プロジェクト型 プログラムマネージャー
Nanostructures of REBa2Cu3O7－x High Temperature Super Conductor Joint; Takeharu Kato, Ryuji Yoshida, Daisaku Yokoe,
Kotaro Ohki,
Tatsuoki Nagaishi,Yoshinori Yanagisawa,
Tsukasa Hirayama,Yuichi Ikuhara,,Hideaki
Maeda,(Nanostructures Research Laboratory, Japan Fine Ceramics Center, Nagoya. SUMITOMO ELECTRIC INDUSTRIES, LTD., Osaka. RIKEN SPring8 Center, Yokohama. Institute of Engineering Innovation, School of Engineering, The
University of Tokyo, Tokyo. Japan Science and Technology Agency, Saitama)
Keywords: superconducting joint, high temperature superconductor, nanostructural evolution, REBCO, TEM, STEM, NMR
2021年 2 月 3 日受理[doi:10.2320/materia.60.212]



最近の研究

9.39 T ( 400 MHz )の磁場を発生させている(28)(32)(33) ．永久に，もう一つの GdBCO 線材( GdBCO 層の厚みが 4 mm )を電流モードの LTS/HTS ハイブリッドコイルは従来の LTS

貼り合わせ，治具で固定することにより荷重を与えながら，コイルに比べて発生する磁場が安定していることが判明し100 ppm の酸素雰囲気下で800°
Cの熱処理を20分実施し，そた(28)(32)(33) ． ま た ， コ イ ル に 常 電 導 接 合 部 が あ る 場 合 ，の後，1 気圧の酸素雰囲気中で，500°
Cから200°
Cまで 6 時間

NMR を運転する際，安定した磁場を発生させるためには外程度かけて徐冷して，超電導層に酸素を導入する．本実験で部から常時直流電流を供給する必要がある．そのため，高いは，前駆体膜から超電導接合層に変化する際の微細構造変化

安定性の電源が必須となるとともに，永久電流モード運転よをとらえるため， 800 °C で 1 分の熱処理を行ったサンプル

りも操作が複雑になる(28)(32)(33) ．さらに，永久電流モード
は，外部から直流電源を供給する運転と比較して，磁場の安定性が向上し，コイルの熱発生が抑えられるため，液体ヘリ
ウムの消費を低減させるメリットもあり，最終的には運転コストの低減が可能となる(28)(32)(33) ．現在，国立研究開発法
人科学技術振興機構(JST)の未来社会創造事業・大規模プロ
ジェクト型として採択された「高温超電導線材接合技術の超高磁場 NMR と鉄道き電線† への社会実装」では， HTS 線
材同士の超電導接合や HTS ケーブル同士の極低抵抗接合を実現する実用的な技術を確立し，これらの接合技術を永久電流 NMR(世界最高磁場1.3 GHz NMR マグネット)と鉄道用
超電導直流き電ケーブルに実装する取り組みを行っている(33)．
本稿では，iGS 接合プロセスについて紹介したのち，透過

図1接合に用いた GdBCO 線材の模式図．線材の積層構造はGdBCO / CeO2 / YSZ / Y2O3 / Ni / Cu /ステンレステープ( 4mm 幅)である．(オンラインカラー)

図2

Sample 1 ～ 3 の模式図．( a )膜厚 1 mm の GdBCO 層上に形成された前駆体膜(Sample 1)．(b)前駆体膜を形成し た GdBCO 線 材 と も う 1 つ の GdBCO 線 材 ( GdBCOの厚さ 4 mm)を張り合わせ，圧力をかけながら800°
C，
1 分の接合熱処理したサンプル(Sample 2)．(c) 800°
C，
20 分の接合熱処理したサンプル( Sample 3 )． (オンライ型電子顕微鏡(transmission electron microscopy; TEM)および走査透過型電子顕微鏡( scanningtransmission

electronmicroscopy; STEM)観察により iGS 接合プロセスにおける接合組織の変化を詳細に捉えることを目的とした(29)．

. REBCO 線材と iGS 接合
本研究で超電導接合に用いた線材には，Ni/Cu/SUS316Lのファインクラッド基板を用いた．その上に CeO2 /イット
リア安定化ジルコニア(YSZ)/Y2O3 中間層を形成し，レーザー蒸着( PLD )法により GdBa2Cu3O7－x ( GdBCO )層を成膜した(26)(28) ．図に示すように， GdBCO 層は基板鉛直方向にc 軸が揃っており，基板面内に ab 面が揃っている(2 軸配向)．

次に，今回微細構造観察を行った iGS 接合層の形成プロセス(26)(28)について紹介する(図)．図 2(a)に示すように，
1 mm 厚の GdBCO 層を有する線材上に， Y:Ba:Cu の組成比

ンカラー)が 1:2:3 組成のフッ素フリー金属有機溶液をコーティングした．コーティングされた線材は酸素雰囲気下，500°
Cで仮焼した後，800°
Cまで昇温し，室温まで降温した．図は，以上のような熱処理を行ったコーティング層(前駆体膜)の微小角入射 X 線回折結果と YBa2Cu3O7－x ( YBCO )の参照回折である．得られた X 線回折ピークは YBCO の参照回折ピーク
位置とピーク強度がほぼ一致していることから，前駆体膜は
YBCO 多結晶で構成されていることが分かる．以降，微結晶が形成された GdBCO 線材を Sample 1 と表記する．超電導接合プロセスでは，図 2(b), (c)に示すように，Sample 1† 電車の架線に電力を供給するために，主に架線と並行して設けられる電力線で，架線の電力容量確保や電圧降下を軽減するために用いられている．

ま て り あ 第60巻 第 4 号(2021)
Materia Japan

図3

前駆体膜の微小角入射 X 線回折結果と YBCO の参照回
折．(オンラインカラー)(図 2(b))と20分のサンプル(図 2(c)，接合処理完了)を準備

STEM 観察は，それぞれ，日本電子製の JEMF200 およびし た ． こ の 後 ， そ れ ぞ れ の サ ン プ ル を Sample 2 お よ び

電子プローブ用収差補正器を備えた JEM 2100F (加速電圧

Sample 3 と 記 述 す る ． な お ， こ の 接 合 プ ロ セ ス で は ，

200 kV )を用いた．エネルギー分散 X 線分光( EDS )分析はREBCO 線材表面に REBCO 微結晶を形成し，中間体を成長JEM F200 に二本付設された EDS 検出器(合計立体角 1.7

させて接合層を形成することから，“ iGS ”接合と名付けらsr)を用いた．

れている(26)(28) ．また，以前に， GdBCO 線材と GdBCO 前.

駆体膜を用いて接合したサンプルを作製して TEM 観察を実結 果 と 考 察

施したが，超電導接合層と線材の超電導層が同相であるため，その境界が明確ではなかった(26) ．今回，前駆体膜に

図( a )に Sample 1 の GdBCO 層上の前駆体膜，( b ) , ( c )YBCO 原料を用いた理由は，超電導接合層と線材の境界をに Sample 2 ， 3 の 接 合 領 域 の 断 面 TEM 像 を そ れ ぞ れ 示

明確にするためである(29)．

す．さらに，図( a )( c )に，にそれぞれ， Sample 1 3 のEDS による Y ， Gd ， Ba ， Cu ， O マップとマッピング領域

.

前駆体膜および接合線材の微細構造観察方法の低角度環状暗視野(low angle annular darkfield; LAADF)
像 ( 取 り 込 み 角  24.4 ～ 89.4 mrad ) を 示 す ． 図 4 の 断 面

前 駆 体 膜 ( Sample 1 ) に つ い て は ， 集 束 イ オ ン ビ ー ム

TEM 像および図 5 の LAADF 像では，前駆体膜と GdBCO(FIB)マイクロサンプリング法(34)により TEM 観察試料に層もしくは，接合層と GdBCO 層の境界を破線で示す．これ仕上げた． Sample 2 および Sample 3 の接合線材では，接らの境界は，図 5 で示すような EDS 元素マッピング結果か合領域を断面観察するためには，何らかの方法で，接合線材

ら Y の有無により判断した．図 4 ( a )から， GdBCO 層上のを切断し，接合面を研磨することが必要である．しかしなが前駆体膜は 400 nm 程度の厚みで， 20 ～ 100 nm サイズの微ら，接合層も酸化物層であるため，機械的な切断や研磨を行

結晶から構成され，ポーラスな構造であることが分かる．さうと，接合領域が破壊される．そのため，接合線材の切断おらに800°
Cの接合処理によって，前駆体膜の厚みが減少し，よび断面研磨にアルゴンイオンビームを用いた(22)(29)．接合

微結晶が粒成長することにより接合層を形成する．接合層の線材の切断には加速電圧 6 kV のアルゴンイオンビームを用

厚みは 200 nm 程度である．図 5 の EDS マッピング結果かいた．一度にアルゴンイオンビームを照射できる領域は 1

ら，前駆体膜および接合層は Gd も含まれていることが判明

mm 程度であるため，4 mm 幅の接合線材の切断には，5～6した．従って，前駆体膜および接合層を構成する主な結晶は回程度少しずつサンプルを移動させて切断作業を行った．切(Y,Gd)Ba2Cu3O7－x((Y,Gd)BCO)粒子である．さらに，前駆断に要する作業時間は 8～10時間程度であった．その後，ア体膜には， Ba rich 粒子， Cu rich 粒子も分布していること

ルゴンイオンビームの加速電圧を 4 ～ 2 kV に徐々に低下さが分かる．図 3 で示した薄膜 X 線回折では， YBCO に関す

せ，接合領域の断面出しを行った．Sample 2 および Sample

るピークは確認できたが，その他の粒子については，YBCO

3 については，以上のような切断および断面処理を行った後，粒子と比較し存在割合が極めて小さいため，検出困難であっ

FIB マイクロサンプリング法(33)により TEM 観察試料に仕たと考えられる．さらに，図 5(b), (c)で示すように Sample

上げた． FIB 装置として日立 NB5000 を用いた． FIB 装置

2 では， Ba Cu O 粒子， Sample 3 では，( Y,Gd )2 O3 粒子で作製した TEM 観察試料については，表面に形成されると，接合層の一部に第 2 相が分布していることを確認する

FIB ダメージ層を除去するため(35)，Gatan PIPSを用いてことができた．

加速電圧 1 kV から徐々に低下させ，最終的に加速電圧 0.05

図(a)(c)に図 5(a)(c)の LAADF 像の 5 角形枠に対応

kV のアルゴンイオンビームを照射した． TEM 観察およびする Y ， Gd ， Ba ， Cu ， O 元素の EDS ラインプロファイル

図4



(a)(c)は，Sample 13 の断面 TEM 像．破線は前駆体膜/GdBCO 層界面もしくは，接合層/GdBCO 層界面を示す．

最近の研究

図5

(a)(c)は，Sample 13 の Y，Gd，Ba，Cu，O マップとマッピング領域の LAADF 像．(オンラインカラー)

図7

Sample 1 の 前 駆 体 膜 / GdBCO 層 界 面 の HAADF 像 ．
(オンラインカラー)

図6(a)(c)は，図 5(a)(c)の LAADF 像の 5 角形枠に対応する Y ， Gd ， Ba ， Cu ， O 元素の EDS ラインプロファ
イル．(オンラインカラー)を示す．前駆体膜および接合層の Gd:Y 組成比はおよそ 1:1
である．そのため，Sample 1 では，800°
Cまでの熱処理により，GdBCO 層の表層の一部が前駆体膜に融解もしくは拡散していると考えられる．
次に，前駆体膜/ GdBCO 層界面，接合層/ GdBCO 層界面に注目した．図は， Sample 1 の前駆体膜/ GdBCO 層界面の 高 角 度 環 状 暗 視 野 ( highangleannulardark field;

HAADF )像(取り込み角 73 ～ 194 mrad )である． GdBCO

図8

Sample 2 の接合層の断面 TEM 像と，( i )および( ii )は
TEM 像の( I )および( II )領域から得らえた電子回折図形．(オンラインカラー)

層上に a 軸配向および c 軸配向(Y,Gd)BCO 粒子の両方が観察される． a 軸配向粒子については， 800°
C から室温に冷却される際に形成されたと考えられる．

る．また， Sample 2 では，前駆体を形成させた GdBCO 層

図に， Sample 2 の接合層の断面 TEM 像と TEM 像の上の c 軸配向(Y,Gd)BCO 粒子の方がより厚く成長する傾向( I)および( II)領域から得らえた電子回折図形を図 8(i )およがあった．以上の観察結果は， Sample 1 の前駆体膜を構成

び(ii)に示す．TEM 像の破線は接合層((Y,Gd)BCO 結晶)とする( Y,Gd ) BCO 微結晶は，接合プロセスにおける 800 °C，

GdBCO 層との境界を示している．上下の GdBCO 超電導層

100 ppm の酸素雰囲気下で粒成長するが， GdBCO 層上に cから c 軸配向( Y,Gd ) BCO 粒子が成長していることが分か

軸配向(Y,Gd)BCO 粒子が優先的に形成し，エピタキシャル

ま て り あ 第60巻 第 4 号(2021)
Materia Japan




図9

(a) Sample 3 の接合領域の HAADF 像，(i)～(v)に(a)の(I)～(V)領域に対応する FFT パターン．(b)および(c)に(a)の上側および下側の GdBCO 層/超電導接合層界面(矢印)の HAADF 像．(オンラインカラー)

成長していることを示している(Sample 2)．
図( a )に Sample 3 の接合領域の HAADF 像と( i )～( v )に(a)の HAADF 像の(I)～(V)領域に対応するフーリエ変換(FFT)パターンをそれぞれ示す．さらに，図 9(b), (c)にそれぞれ，(a)の上側および下側の GdBCO 層/超電導接合層界面(矢印)の HAADF 像を示す．これらの HAADF 像では，
( Y,Gd ) BCO 接合層のコントラストは GdBCO 層よりも暗い．その理由は，図 6 の EDS ラインプロファイルで示したように，接合層である(Y,Gd)BCO 結晶は Y と Gd がおおよそ 1:1 の存在割合であり， GdBCO 結晶に比べ， RE 原子列の約半分に Y 元素が占めているためである．また，図 9( i )図10

Sample 1 から Sample 3 までの微細組織変化の模式図．
(オンラインカラー)～( v )の FFT パターンから GdBCO 層および接合層を形成する( Y,Gd ) BCO 結晶の c 軸はよく揃っていることが分かる．さらに，図 9 ( b ) , ( c )の HAADF 像から，( Y,Gd ) BCO

り接合される(Sample 3)．以上のように，REBCO 超電導接結晶は両方の GdBCO 層からエピタキシャル成長している．

合を達成している iGS 接合層の微細組織変化を詳細に捉え

従って，iGS 接合層では，超電導電流は(Y,Gd)BCO 結晶のることができた．

c 軸方向に流れていると結論付けることができる．

以 上 の よ う な 観 察 結 果 か ら ， iGS 接 合 プ ロ セ ス に よ る

.

ま

と

め

Sample 1 から Sample 3 までの微細組織変化の模式図を図に示す． Sample 1 の前駆体膜は主に( Y,Gd ) BCO の微結本研究では，フッ素フリー YBCO 溶液原料を用いた iGS晶から構成され，ポーラスな構造である．GdBCO 層上には，接合プロセスによって GdBCO 接合線材を作製し，前駆体膜

a 軸および c 軸配向(Y,Gd)BCO 結晶が形成される．800°
Cのか ら 接 合 が 完 了 す る ま で の 微 細 組 織 変 化 を TEM お よ び

接合熱処理により GdBCO 層上に c 軸配向( Y,Gd) BCO 結晶

STEM により詳細に解析した．前駆体膜/GdBCO 超電導層が優先的に形成し，エピタキシャル成長する( Sample 2 )．

界面および接合結晶/ GdBCO 超電導層界面が明確に観察さ最終的に両方の GdBCO 層は c 軸配向( Y,Gd ) BCO 結晶によれ，iGS 接合組織の微細構造変化を詳細に捉えることができ



最近の研究

た．今回の接合線材の作製および微細組織観察結果から，RE 元素が異なる REBCO 線材と iGS 接合結晶の組み合わせ

でも，超電導接合を達成することが可能であることを示すこと が で き た と 考 え る ． 既 に ， iGS 接 合 は 永 久 電 流 モ ー ド
NMR 用コイルに組み込まれていることを紹介したが，他の超電導機器開発への応用・活用も十分見込める技術である．
本研究は， JST ，未来社会創造事業( JPMJMI17A2 )による支援を受けたものです．

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★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
1999 年 3 月

加藤晴

名古屋大学大学院工学研究科博士課程後期課程修了1999 年 4 月 財団法人ファインセラミックセンター
材料技術研究所入所
2007 年 4 月一般財団法人ファインセラミックスセ
ンター ナノ構造研究所(現職)
専門分野材料組織学，結晶欠陥◎集束イオンビーム，電子顕微鏡を用いた材料の微細構造解析や組成分析に従事し，組織学の観点から材
料開発・材料設計を支援．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★



金属製錬反応の速度論―無次元数とプロセス解析例―
北

表 5.1

.

次元解析と無次元数(1)(2)

平衡定数や活量係数等の熱力学的数値は，実験装置の規模や方法に依らず得られる値であるため，実操業の解析にもそのまま用いる事ができる．しかし，物質移動係数のような速度論的な数値は，攪拌条件だけでなく実験装置のサイズにも

次元の
記号

村

信

也

7 つの基本次元．

長さ

質量 時間

L

M

T

電流

温度

物質量

光度

I

U

N

J

SI
メートル キロ 秒 アンペア ケルビン モル カンデラ
基本単位
グラム
記号

m

kg

s

A

K

mol

cd

影響を受けるため，実験室で得た値で実操業の解析をする事はできない．速度論的な数値を他の条件へ適用するには，無次元化という方法を用いて無次元式にする必要がある．
・ 次元解析
量の次元とは，ある量体系に含まれる量とその量体系の基判断するには P の定理を用いる．物理現象に関与する物理量を x1, x2, …… , xm として，それらの間に式( 5.1 )が成り立
つものとする．
fm( x1, x2, ……, xm )＝0(5.1)

本量との関係を，基本量と対応する因数の冪乗の積として示

物理量に含まれる基本次元の数を n 個とし， x r11, x r22, …… ,す表現である．例えば平面図形の面積は，係数を無視すれば

x rmm の積によって無次元数 P を作ると，その数は( m － n )個「辺の長さ」や「円周の長さ」などの違いはあるが，全て[長であり，式(5.1)は式(5.2)で置き換えられる．

さ]×[長さ]として表される．また，仕事は[長さ]×[力]，圧力は[力]/[面積]＝[長さ]－2×[力]で表され，さらに力は[長さ]×[質量]×[時間]－2 になる．国際量体系(ISQ)においfm(P1, P2, ……, Pm )＝0(5.2)

このようにして必要な無次元数の数は分かったが，無次元数の形は実験で決定しなければならない．

ては，7 つの物理量が基本量として規定されており，それぞ

例えば，水中を浮上する球形気泡の液側物質移動について

れの基本量に独立の次元が与えられ，さらに次元の記号も規次元解析をしてみる．気泡とともに移動する座標からみる

定されている(表.)．

と，液が気泡の表面を下降する流れと見なすことができる．

言い換えれば，次元解析とは，物理量の間に成り立つ関係

ガス側の物質移動を無視して，この現象に関与する物理量をを次元の観点から整理するもので，最も端的に言えば，実験

挙げると，液相側物質移動係数kL[m･s－1]，気泡の直径

式を導いたときに左辺と右辺の次元が一致しているのを確認

dB [ m ]，気泡の浮上速度 uB [ m ･ s－1 ]，液中の拡散係数

する事である．また，無次元数とは次元を持たないパラメー

DAB[m2 s－1]，液の粘性係数m[kg･m－1･s－1]，液の密度タである．

r[kg･m－3]の 6 個となる．

・ P の定理
実験結果を解析する場合，何個の無次元数を使うべきかを

f(kL, dB, uB, DAB, m, r)＝0

(5.3)

ここに含まれる基本単位は，L, M, T の 3 個であるため，必要な無次元数の数は(6－3)＝3 個になる．気泡周囲の流れ東北大学名誉教授
Kinetics of Metal Smelting Reaction  ―Dimensionless Number and Examples of Process Analysis―; Shin-ya Kitamura(Emeritus
Professor, Tohoku University, Sendai)
Keywords: dimensional analysis, dimensionless number, emulsion, cavity depth, unreacted core model, melting rate, two vessel model
2020年 6 月24日受理[doi:10.2320/materia.60.218]



講義ノート

の状態が物質移動に影響すると考えられるため，無次元数のす．これ以外にも多くの無次元数があるが，どんな無次元数

1 つは後記するレイノルズ数(Re＝dB･uB･r/m)とすると，kL,

もただ形式的に無次元にしたのではなく，明確な物理的意味

dB, DAB, m, r の 5 つの物理量で 2 個の無次元数を作ればよい．

を持っている．

kL と他の物理量との関係は式(5.4)になり，次元式は式(5.5)

ここで， L代表長さ[m ]，u代表速度[m･s－1]，r密度[kg･m－3]，l熱伝導率[J･m－1･s－1･K－1]，v動粘性係になる．ここで c は比例定数である．
2kL＝c d rB1 D rAB
m r 3r r 4(5.4)

数[ m2 ･ s－1 ]， a 熱拡散率[ m2 ･ s－1 ]， DAB 拡散係数[ m2 ･

[LT －1]＝[L]r1[L2T －1]r2[ML－1T －1]r3[ML－3]r4(5.5)

s－1]，h伝熱係数[J･m－2･s－1･K－1]，k物質移動係数[m･左辺と右辺の次元を比べると，L については 1＝r1＋2r2－

s－1 ]， b 体膨張係数[ K－1]， g 重力加速度[ m ･ s－2]， s 

r3 － 3r4 ， T については － 1 ＝－ r2 － r3 ， M については 0 ＝ r3

＋ r4 が成り立つ．これより， r1 ＝－ 1, r2 ＝ r4 ＋ 1, r3 ＝－ r4 となるので，式(5.4)は式(5.6)になり，左辺を無次元になるよ・ 解析例
・・ 底吹きガスによるエマルジョンの生成(3)(4)

うに整理すると式(5.7)になる．
1 1＋r4 －r4 r4
kL ＝ c d －r
B D AB mkL d B＝c
DAB

表面張力[N･m－1]である．

(5.6)

r4

(D m r)(5.7)

AB

スラグ/メタル界面を気泡が通過する時，気泡周囲に生成したメタル液膜の破裂や，気泡の下部に生成したメタル柱の破壊によってエマルジョンが生成すると考えられている

左辺は後記するシャーウッド数( Sh )右辺はシュミット数(図.(5))．これをメタルエマルジョンと呼ぶが，この挙動( Sc)であるため，レイノルズ数も含めて書き直すと式(5.8)

を，水，シリコンオイル，水銀等を組み合わせ，気泡 1 個となる．

により上層内の生成されるエマルジョン粒子の平均直径を高(5.8)

速度ビデオで測定した．結果の例を図.(3)に示すが，気泡

この式は物質移動係数を無次元化して表す場合に良く用い径との関係はあるものの，測定系によって大きな差が見られられる．平行平板からの物質移動を境界層理論に基づき解く

る．これから無次元相関式を求める．まず，平均粒子径rš d

Sh＝c Re aSc bと式( 5.9 )が，気泡/液体間の物質移動を浸透説で解くと式に影響を与える物理量を挙げると，気泡径 rb [ m ]，スラ

(5.10)が得られる．

グ/メタル間とメタル(粒子)/気体間の界面エネルギーssd，

Sh＝0.664Re 1/2Sc 1/3(5.9)

Sh＝1.13Re 1/2Sc 1/2(5.10)

sgd [ N / m ＝ J / m2 ＝ kg / s2 ]，メタルとスラグの粘度 hd ， hs

・ 金属製錬で用いられる代表的な無次元数
物質現象に関係する重要な無次元数を一括して表.に示

表 5.2
名

金属製錬反応に関係する代表的無次元数．

称

無次元数

物理的意味

v
a

動粘性係数/熱拡散率v
DAB

動粘性係数/拡散係数

hL
hDT
＝
l l(DT/L)

全熱流束/伝導による熱流束

プラントル数

Pr＝シュミット数

Sc＝ヌッセルト数

Nu＝シャーウッド数 Sh＝kL
kD C A
全物質流束/拡散による＝
DAB DAB(DCA/L) 物質流束

Lu
ru2
＝
v m(u/L)

慣性力/粘性力LuuCA＝
DAB DAB(CA/L)

対流による物質流束/
拡散による物質流束

u 2 L 2r u 2＝
gL L3rg

慣性力/重力ru2L L2ru2＝sLs

慣性力/表面張力

レイノルズ数

Re＝

ペクレ数

Pe＝

フルード数

Fr＝

ウェーバー数

We＝スタントン数

St＝k/u

ま て り あ 第60巻 第 4 号(2021)
Materia Japan

物質移動係数/代表流速

図5.1

気泡が界面を通過する時の諸現象(5)．




図5.3

図5.2

実験結果の式(5.13)による整理(3)．

気泡体積とエマルジョン粒子径との関係(3)．

[ Pa ･ s ＝ N ･ s / m2 ＝ kg /( m ･ s )]，密度 rd ， rs [ kg / m3 ]，及び，重力加速度g[m/s2]である(式(5.11))．ここに含まれる基本単位は，L，M，T の 3 個であるため，必要な無次元数の数は(8－3)＝5 個になる．
rš d＝f(rb, ssd, sgd, hd, hs, rd, rs, g)(5.11)

そこで，平均粒子径と気泡径の比(rd＝ rš d/rb )，スラグ/メ
タル間とメタル(粒子)/気体間の界面エネルギーの比( ssd /sgd )，メタルとスラグの粘度比( hd / hs )，メタルとスラグの密度比( rd / rs )を考える．そして，浮力と表面張力の関係を示す無次元数であるエトベス数( EO 式( 5.12 ))を考慮する

図5.4

上吹きガスによるキャビティーの生成．

事で，5 個の無次元数が得られ，式(5.13)が得られた．
E O＝

grs r 2b
sgd

rd＝c

(5.12)mnp(ss ) (hh ) (rr ) E
sd

gd

d
s

d
s

q
O

(5.13)

各定数は実験結果を回帰して求めた結果，図.のように，
c＝1.4，m＝1.6，n＝0，p＝1.2，q＝－0.15となった．

・・

上吹きガスによる鋼浴の凹み深さ(1)

そこで，幾何学的条件から凹み深さと噴流出口の直径の比( p1 ＝ L / d )，浴面から噴流出口までの距離と凹み深さの比( p2 ＝ h / L )を と り ， 流 体 の 条 件 か ら フ ル ー ド 数 ( p3 ＝ v /( dg )1/2 )を，そして溶鋼とガスの密度比( p4 ＝ rl / rg )を考えた．また，p2 では目的である L が陰関数として含まれる不便であるため，h＝0 での L の値(Lh )で置き換えた(p2′＝ h/

鉄鋼製錬では上吹き転炉による脱炭精錬が広く用いられて， p3 の関係を求め，実Lh )．水/空気系での実験で p1 ， p2′いる．この時，上吹き噴流の強さは脱炭反応の効率やスラグ用的に使いやすいよう， v を酸素供給速度 FO2 [ Nm3 / s ]での FeO 濃度等に大きな影響を与える．この上吹き噴流の強書き換えた結果，式(5.14)を得た．

さを表す指標として，噴流により鋼浴表面に生成する凹み

L＝Lh exp (－bh/Lh ),(キャビティー)の深さが用いられている(図.)．この現象に関係する物理量を挙げると，凹み深さL[m]，浴面から

Lh＝a(FO2/d g )2/3

(5.14)

尚，a，b は試験転炉を用いた実験から決定し，それぞれ，
0.78，63.0である．

噴流出口までの距離h[m]，噴流出口の直径d[m]，溶鋼とガスの密度rl，rg[kg/m3]，ガスの噴出速度v[m/s]，

.

金属製錬プロセスに関する解析方法

重力加速度g[m/s2]の 7 個になる．ここに含まれる基本単位は， L， M ， T の 3 個であるため，必要な無次元数の数は(7－3)＝4 個になる．



ここでは，前節までで示した以外の基本的な解析方法を紹
介する．

講義ノート

・ 未反応核モデル(6)
未反応核モデルは，鉄鉱石の還元のような気固反応で，反応によって生成する相が多孔質で，気体中の反応成分は生成物相内を拡散して未反応物の表面まで到達する事で反応が持続し，反応は未反応物表面でのみ進行する場合に適用される(図.)．
この反応の素過程として以下を考える．
(1) 反応ガスの気相側境膜層内拡散(2) 反応ガスの多孔質反応生成物層内の気孔内拡散(3) 反応核表面での化学反応
図6.1

気相側境膜層内の拡散流束は式( 6.1)で表せる．ここで，未反応核モデル．

kg は気相側境膜層内の物質移動係数で，境膜説では kg ＝ D /d0 になる．ここで，d0 は境膜厚である．
Ng＝4pr 20 kg(C－C0 )(6.1)

気孔内拡散については C を反応生成物層内の任意の面 r
における反応ガスの濃度とすると式(6.2)で表され，これを

dR
3
＝
dt 1
r0
K
1
＋
{(1－R)－1/3－1}＋
kg Deff
kr(1＋K ) (1－R)2/3

r0 から ri まで積分すると式(6.3)が得られる．

×dC
Np＝4pr 2Deff
dr

(6.2)

ri r 0( C 0－ C i )Np＝4pDeff
r 0－ r i(6.3)

ここで，Deff は気孔内気体拡散係数であって，自由空間に

1(C－C)
r0 d 0

(6.8)

R
r0
＋
{1－3(1－R)2/3＋2(1－R)}
3kg 6Deff＋

K
C－ C 
{1－(1－R)1/3}＝
×t
r0 d 0kr(1＋K )(6.9)

おける拡散係数 D0 と気孔率 e，迷宮度係数 j を用いて，Deff

この式に従い，時間と R ，{ 1 － 3 ( 1 － R )2/3 ＋ 2 ( 1 － R )}，＝ D0 ej で表される．迷宮度係数とは複雑な経路を持つ気孔

又は，{1－(1－R)1/3}の関係をプロットすれば律速過程が明による拡散の妨害効果を示すもので 1 より小さな値である．

らかになる．

界面化学反応は式(6.4)で表される．ここで C ′は反応によ応用例として，酸化鉄ペレットの単一粒子を水素ガスで還って生成する気体の濃度であるが，反応によって消費される

元する場合を示す(7)．式(6.10)に示す反応の反応速度を，式

気体のモル数と，生成ガスのモル数が等しいとし，反応ガス(6.11 )のように固体粒子層体積 VB，反応に消費された水素の平衡濃度を C とすると式(6.5)になる．

のモル数 n を用いて表す．

rR＝4pr 2i kr

(

)

(6.4)

1
2
Fe2O3＋H2 →Fe＋H2O3
3

rR＝4pr 2i kr

1＋ K(Ci－C )
K

(6.5)

R＝－

Ci′
Ci－
K

反応が定常状態であれば Ng＝Np＝rR＝rov になるので，C0，
4pr 20(C－C )1
r0 r 0 － ri
K
r 20
＋
＋
kg Deff ri
kr(1＋K ) r 2i

(6.11)

総括反応速度は式(6.6)と同じであるが，反応界面積を形状係数( q ＝粒子と同体積の球の表面積/粒子の表面積)と空Ci が消去でき式(6.6)が得られる．
rov＝

1 dn
VB dt

(6.10)(6.6)

間率 e を考慮すると式(6.12)になる．
R＝

総括物質移動係数 kt を考えると式(6.7)のように表され，3(1－e)/qr0(C－C )1r 0 r 0－ r i
K
r 20
＋
＋
kg Deff ri
kr(1＋K ) r 2i(6.12)

右辺分母の第一項は気相側境膜拡散に対する抵抗，第二項はここで，気相側境膜層内の物質移動係数 kg ，気孔内気体

気孔内拡散に関する抵抗で，第三項は化学反応に対する抵抗

拡散係数 Deff を計算するための迷宮度係数 j，化学反応速度定数 kr ，平衡定数 K は，それぞれ文献値から推定し，境膜

である．
1 1
r 0 r0 － r i
K
r 20
＝ ＋
＋
kt kg Deff ri
kr(1＋K ) r 2i(6.7)

内拡散抵抗，気孔内拡散抵抗，化学反応抵抗を評価した．粒
子径 0.2 cm，未還元ペレットの気孔率0.5，気体流速 4 cm/s

還元率 R を 1－(r/r0 )3 で定義すると式(6.8)が得られ，この場合に，還元率( f )毎に，各抵抗の比率と温度の関係を示

れを積分すると式(6.9)となり，還元率と時間の関係が導出したものが図.である．これより，還元反応の初期には，される．ここで， d0 は反応に供される元素の初期濃度であ

高温では境膜内拡散抵抗が支配的であるが低温では化学反応

り，鉄鉱石の CO による還元であれば，鉱石中の酸素濃度で抵抗が支配的であるのに対して，還元反応が進むとともに，ある．

低温でも気孔内拡散抵抗が増加する事がわかる．尚，575°
C

ま て り あ 第60巻 第 4 号(2021)
Materia Japanここで，C, DL は液体スラグ中の当該酸化物の濃度と拡散係数(m2･s－1)であり，t は時間(s)である．
定常状態(&C/&t＝0)の場合の解は式(6.15)になる．
x
－v
(
D )
C＝C ＋(C －C )1－exp v( Dd )

1－exp

L

L

0

(6.15)

L

L

ここで， d は境界層の厚さ( m )， C0 ， CL はバルク，界面の濃度である．これより，固体の溶解速度 v は式(6.16)で表
される．
v＝

DL
ln
d

(1＋CC －－CC )＝k ln (1＋CC －－CC )
L

0

I

L

L

0

I

L

(6.16)

L

式( 6.13 )や式( 6.16 )における物質移動係数 kL に関しては，固体平板や固体円柱からの強制対流下の液体への物質移動(溶解)に対する J 因子を用いた式(6.17)の関係が得られている．
J＝St×Sc a＝const×Re b(6.17)

ここで， St, Sc, Re は 5 ・ 3 節で示した無次元数の，スタントン数，シュミット数，レイノルズ数である．
液体に浸漬させた円柱を回転させて物質移動速度を測定す
図6.2

酸化鉄ペレットの還元に対する各抵抗の寄与率(7)．

る実験を， Steel / Al, Cu / Pb, Sn / Hg 等の様々な組み合わせで行った結果を解析した例を図.(9)に示す．これで得られを境に不連続になっているのは，575°
Cより低温側と高温側た実験式を式(6.18)に示すが，異なる系に対しても良く対応

で化学反応速度定数と平衡定数に対して別々の式を用いていしている．これは，いずれの場合も溶融金属中の物質移動がるためである．

律速しいるためである．
J＝St×Sc 2/3＝0.0065×Re－0.25

・ 固体の溶解モデル(6)(8)(6.18)

同様な手法で，石灰焼結体の溶融スラグへの溶解速度を測

金属製錬プロセスでは，スクラップのようなリサイクルさ定した例を示す(10)．実験は試薬の CaO を焼結して作成したれる金属や合金元素として添加される金属がメタル浴で溶解

円柱を溶融スラグ中で回転させ，直径減少量から溶解速度をしたり，精錬剤として添加された固体酸化物がスラグ浴で溶測定している．代表的な結果を図.に示すが，回転数の増解したりする．全くの同一組成の添加物であれば，単に伝熱加に伴い溶解速度も大きくなっている．このような結果かで溶解が進むが，多くの場合は，固/液反応により界面でのら，スラグ内物質移動律速を仮定し式(6.19)に従い物質移動

組成変化を伴って溶解が進む．例えば，鉄鋼製錬でのスクラ係数(ks)を算出した．

ップの溶鉄への溶解速度は，伝熱速度と溶鉄からスクラップ－への浸炭速度のバランスで決まり，同じく鉄鋼製錬での生石

drrod
k s rs＝D(CaO)dt
100rrod(6.19)

灰のスラグへの溶解は界面での低融点相の生成に依るため，
伝熱ではなく界面での物質移動速度が律速する．
ここでは固体酸化物の溶解速度を考える．最も単純に，固体酸化物は純粋で，その酸化物を濃度 C0 で含む液体スラグに溶ける場合に，液相中の濃度境界層における拡散が律速す
ると仮定する．この場合は，溶解速度 v (界面の移動速度
m ･ s－1 )は，液体スラグ中の飽和溶解度を Csat ，物質移動係

数を kL(m･s－1)とすると式(6.13)で表される．
v＝kL(Csat－C0)(6.13)

一方，ある酸化物を濃度 CI で含む固体酸化物が，その酸化物を濃度 C0 で含む液体スラグに溶ける場合を考える．液体中の濃度境界層における，その酸化物の拡散が律速すると仮定すると，液体中の拡散は式(6.14)で表す事ができる．
DL



&2C
&C &C
＋v ＝
&x 2
&x &t

(6.14)

図6.3

種々の系での円柱回転試験結果の J 因子での整理(9)．

講義ノート

図6.6

図6.4

生石灰の溶解速度の温度依存性(10)．

度と拡散係数の活性化エネルギーを，それぞれ約 210 kJ /生石灰焼結体のスラグへの溶解速度(10)．

mol，約 290 kJ/mol すると計算値は約 225 kJ/mol となる．

測定された物質移動係数の温度依存性を図.に示すが，これから計算された活性化エネルギーは 265 kJ/mol であり，上記の理論値と良く一致し，この実験で得られた現象が物質移動律速であることを示している．
・ 攪拌混合と槽モデル
金属製錬プロセスにおいて攪拌混合は重要である．攪拌混
合が不十分の場合には，上記の界面での物質移動速度や化学応速度ではなく，マクロ的な混合がプロセスの反応速度を律速する場合もある．ここでは，製鋼プロセスで用いられている代表的な装置である RH ( Ruhrstahl Hausen )真空脱ガス法を例にして説明する．
図6.5

RH では，図.に模式的に示すように，取鍋内溶鋼中に生石灰の溶解速度の式(6.17)での整理(10)．

浸漬した 2 本の管のうちの 1 本(上昇管)に Ar ガスを吹き込
み，見かけの密度を小さくする事で溶鋼を真空槽内に上昇さ
ここで，rrod は石灰焼結体円柱の半径，rs, rrod はスラグ，

せる．溶鋼は槽内で真空に曝されて脱ガス反応(脱炭や脱水

焼 結 体 の 密 度 ， D ( CaO )は ス ラ グ 中 の CaO 濃 度 と 飽 和素)を起こしたのち，他の 1 本(下降管)を通って取鍋中に戻CaO 濃度との差である．得られた物質移動係数を式( 6.17 )ることで循環する．RH では，このエアリフトポンプによる(a＝2/3 とした)で整理したところ図.のように良い対応が

環流速度(Qkg/s)，が非常に重要であり，式(6.23)(11)のよ見られ式(6.20)が得られている．

うな経験式が数多く提案されている．

J＝St×Sc 2/3＝0.384×Re－0.31(6.20)

ところで，式(6.17)を回転速度が一定として粘度(h)と拡

4 /3

N
V

散係数(D)を用いて書き直すと，式(6.21)になる．ここで Aは定数である．

1/3( PP )

Q＝11.4×(103/60)×(qup×60×103)1/3×D RH× ln(6.23)
ここで， DRH は下降管内直径( m )， qup は上昇管へのガス－(a＋B)

k＝ A ×( hr )

×D a(6.21)

吹き込み速度(Nm3/s)，PN はガス吹き込み位置の静圧(Pa)，PV は真空度(Pa)である．

溶融スラグ密度の温度依存性は小さいので無視し，両辺のRH は物理的にも真空槽と取鍋の 2 槽から成り立つため，対数をとり，上記の実験で得られた a＝2/3，b＝－0.31とす

真空槽内でのみ溶鋼化学反応が起こり，真空槽内溶鋼と取鍋ると式(6.22)になる．

内溶鋼が循環するという 2 槽モデルが考えやすい(13) ．今，

log k＝log A－( 23 －0.31) log h＋ 23 log D(6.22)

図 6.7 のように， WLadle, WVAC を取鍋内と真空槽内の溶鋼質量(kg)，[C]Ladle，[C]VAC を取鍋内と真空槽内の溶鋼中

この関係からわかるように物質移動係数の活性化エネルギ

炭素濃度( mass )とし，真空槽での脱炭反応([ C ]＋[ O ]＝ーは粘度と拡散係数の活性化エネルギーから求められる．粘CO(g))の速度を液相側物質移動律速と仮定し，その容量係

ま て り あ 第60巻 第 4 号(2021)
Materia Japan




図6.7

RH 真空処理プロセス．
図6.8

RH で同一の脱炭速度を得るための条件．

文

数を AKVAC( kg /s)とする．取鍋内の炭素のマスバランスは

献

上昇管から真空槽に入る溶鋼中の炭素と，下降管から出てくる真空槽で反応が起こった後の溶鋼中の炭素の差であり式(6.24)となる．一方，真空槽は，その逆になるが，加えて真空槽内での化学反応により炭素が気相へ除去されるため，その反応速度を考慮して式(6.25)となる．
WLadleWVacd[C]Ladle＝Q([C]Vac－[C]Ladle)dt(6.24)

d[C]Vacdt＝Q([C]Ladle－[C]Vac)－AKVac([C]Vac－[C]eq)(6.25)
ここで，[C]eq は平衡炭素濃度(mass)であるが，これをゼロとおき， t ＝ 0 では[ C ]Ladle ＝[ C ]VAC ＝[ C ]0Ladleとすると近似解として式(6.26)，式(6.27)が得られる．
[C]Ladle＝[C]0Ladle exp(－KC t )K C＝(6.26)

d ln[C]Ladle
Q
AKVac
＝
×
dt
VLadle Q＋AKVac(6.27)( 1 ) 瀬川 清鉄冶金反応工学 改訂新版，日刊工業新聞社，(1978).
( 2 ) 谷口尚司，八木順一郎材料工学のための移動現象論，東北大学出版会，(2001).
( 3 ) G. Reiter and K. Schwertfeger: ISIJ Int., 32(1992), 57
65.
( 4 ) 北村信也，瀬々昌文，中島潤二混相流， 30 ( 2016 ) , 266 
273.
( 5 ) N. Kochi, Y. Ueda, T. Uemura, T. Ishii and M. Iguchi: ISIJ
Int., 51(2011), 10111013.
( 6 ) 川合保治鉄冶金反応速度論，日刊工業新聞社，(1973).
( 7 ) 森山 昭，八木順一郎，鞭巌日本金属学会誌， 29 ( 1965 ) ,528534.
( 8 ) 北村信也耐火物，69(2017), 426
431.
( 9 ) 小坂峯雄，蓑輪 晋鉄と鋼，52(1966), 17481762.
( 10 ) 松島雅章，矢動丸成行，森 克巳，川合保治鉄と鋼， 62(1976), 182190.
( 11 ) 北 村 信 也  鉄 鋼 精 錬 プ ロ セ ス 工 学 概 論 5 ， ふ ぇ ら む ， 15(2010), 554561.
( 12 ) 桑原達郎，三村満俊，森 幸治，梅沢一誠，田中武司鉄と鋼，73(1987), s176.
( 13 ) 住田則夫，藤井徹也，小口征男，森下 仁，吉村啓助，数土
文夫川崎製鉄技報，15(1983), 152157.

KC は脱炭反応を一次式で表した場合の脱炭速度定数であ★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

り，式(6.27)は，これが環流速度と容量係数との関係で整理できる事を示している．脱炭速度定数に及ぼす環流速度と容量係数の関係を模式的に図.に示すが，右下の領域は充分に環流速度が大きく真空槽内での脱炭反応速度が律速している条件(反応律速)で，左上の領域は充分に脱炭反応の速度が大きく環流速度が律速している条件(環流律速)となる．
(次号へつづく)北村信也

1980年 東北大学大学院工学研究科修士課程修了
1980年 4 月―2003年 9 月 新日本製鉄
1991年 1 月 九州大学より学位授与（工学博士）
2003年10月―2005年 3 月 新日鉄住金ステンレス2005年 4 月―2020年 3 月 東北大学多元物質科学研究所
2020年 4 月― 東北大学名誉教授
専門分野鉄鋼製錬◎製鋼プロセスの開発とそれに関する基礎研究に従事．熱力学や反応速度論を使ったプロセス解析やスラグの利用技術の開発等を行った．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★



講義ノート

巻記念企画

金属材料実験の手引き
1．組 織 観 察
12 汎用走査型電子顕微鏡を用いた組織観察
徳

永

智

春



 はじめに
前回は光学顕微鏡を用いた組織観察でした．光学顕微鏡は0.2 mm 程度の分解能です．さらに細かい組織を見るためには，波長がより短い電子線を利用する顕微鏡が有効です．今回は電子顕微鏡の一つである走査型電子顕微鏡( ScanningElectron Microscope, SEM†)について初学者を対象とした解説をしていきます．同じように電子線を用いる透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope, TEM)とは異なり，SEM は光学顕微鏡のように取り扱いやすい顕微鏡です．ただし，電子線を用いるために試料室は真空環境となります．
SEM は収束させた電子線(細く絞った状態)を，試料表面をなぞるように走査しながら照射し，照射領域から発生する二次電子や反射電子の強度を主に検出することで，試料表面の形状を描き出し，像をモニター上に形成します．組織の拡大

図 1 試料から発生する信号．
電 子 線 を 試 料 に 照 射 し た 際 ， 二 次 電 子 ( SE ) ， 反 射 電 子( BSE )，特性 X 線，オージェ電子やカソードルミネッセンス
といった信号が発生します．SEM では発生量の多さと試料表面近傍から発生するという理由から，SE を検出することで表面観察を行っています．SE は試料最表面から数ナノメートルの深さ領域から発生するため，SEM 像は試料最表面の形状を
厳密には反映していないことに注意してください．また，照射された多くの電子線は試料に吸収され熱になります．

像を得る方法が，光学顕微鏡や TEM とは大きく異なるので注意が必要です．SEM の原理や構造，操作方法だけではな
く，観察時のコツやしばしば観察の障害となる帯電や試料汚れる信号は，二次電子と反射電子です(124 の二次電子と染に対する対応策に至るまで要点を抑えながら概説します．

反射電子の項を参照)．図 1 に示した特性 X 線は組成分析に用いられ，反射電子は後述する結晶方位の計測にも用いられ SEM で像が形成される仕組み

ます．組織観察には二次電子，反射電子が用いられると述べましたが，用いる信号を変えれば，その信号特有の情報を含

光学顕微鏡は可視光(波長 400 nm ～ 700 nm 程度の範囲)

んだ像を形成することも可能です．特性 X 線を用いれば，を光学レンズで屈折させて拡大像を形成していました．虫眼

組成の違いを反映した像となりますし，カソードルミネッセ

鏡と同様です．SEM の場合には拡大像を得る方法が全く異ンス(CL)の信号を用いれば，CL 像を得ることができます．

なります．この項では， SEM で拡大像が得られる仕組みにまた，オージェ電子を用いることで試料表面近傍の元素分析

ついてまず概説します．

が可能です．このように多彩な信号を利用できるので，二次 SEM 像のコントラスト

電子線が試料に照射される電子を検出して像を形成したときには，二次電子像，反射電と，図に示すように，試料を構成する原子と様々な相互作子であれば反射電子像のように呼称します．二次電子像，反用が生じます．SEM は，このような相互作用で生じる信号

射電子像については 1 2 4 2 の二次電子像と反射電子像のを検出して像を構成します．組織観察のために一般に用いら項で詳しく説明します．組織を観察するときに重要なこと

名古屋大学大学院工学研究科助教(〒4648603 名古屋市千種区不老町)
Keywords: scanning electron microscope, magnetic lens, electron beam, second electron, re‰ected electron(走査型電子顕微鏡，磁場レンズ，電子ビーム，二次電子，反射電子)† 装置として示すときには，Scanning Electron Microscope，観察方法を示すときには，Scanning Electron Microscopy です．
2021年 1 月13日受理[doi:10.2320/materia.60.225]

ま て り あ 第60巻 第 4 号(2021)
Materia Japan次投影されていくと考えてください．こう考えると， 100
nm 程度の分解能を得たい時に， 1 mm 径のプローブを用い

ると，100 nm の径は完全に埋もれてしまいますね．この場
合には，少なくとも 100 nm 以下のプローブ径にしなければ意味がありません．電子線を細く絞り込むという点において，電子線は波長が短いということが有効に作用します．加速電圧が V(V)の時の電子線の波長 l は，式( 1 )に示すように加速電圧に依存します．

l＝
図 2 SEM 像が得られる流れ．
電子線が試料上を走査照射される時，照射された位置から様々な信号が発生します．電子線が照射されている位置と発生した信号の強さが，モニター上に走査領域と相似形で拡大表示されることで， SEM 像は形成されます．また操作ソフトウェア上には，電子線の加速電圧，作動距離(WD)プローブ電流量など様々な情報が表示されます．この情報を SEM 像と共に記録しておくと，関連する試料の観察時に同様の観察条件を用いることができますので便利です．

1.2264V(1＋9.7846 V×10－7)

(nm)

(1)

荒っぽく近似すると，l＝1.23/V1/2(nm)となります．
例えば， 20 kV の加速電圧では， 0.00859 nm (8.59 pm )程度になります．この値は，光学顕微鏡の可視光線と比べると5 桁程度も短い波長です．この短い波長のおかげで，回折収差(光学顕微鏡の 1 1 5 対物レンズを参照)が小さくなり，
後述する対物電磁レンズでの収束が容易となります．式( 1 )に示すように，加速電圧が高ければ高いほどその波長は短くなるので，プローブ径を小さくするという点においては，そのコントラスト生成の要因を理解することでしたね．

は有利となります．ただし，細く絞る径には限界があります

光学顕微鏡像のコントラストは，主に試料表面からの光の反(他の収差の影響です)．使用する機種構成，加速電圧や照射

射強度に依存していました．SEM では，用いる信号の強度

電子線量にもよりますが，収束径は数 nm から数十 nm 程度に依存します．二次電子や反射電子を用いた時には，その強の範囲です．ここで，倍率と分解能とを考えてみましょう．

度で像のコントラストが変化します．二次電子や反射電子が光学顕微鏡の場合には，倍率という言葉をよく使用します．

発生しやすい箇所は，明るくなります．二次電子や反射電子

ただ，SEM の場合には，電子線を照射する領域を狭くするの強度は，試料表面の形状にも依存しますが，それ以外にことで倍率を際限なく上げることは可能ですが，その倍率でも，組成の違い，結晶構造の違い，検出器への取り込み確率

実際に物体の形状が明瞭に観察できるかは観察してみなくての違いなどにも影響されます．光学顕微鏡と比較すると，単はわかりません．分解能は，この観察できる，という倍率をに分解能が高いだけではなく，より多くの情報を得ることが具体的に示しています．使用している SEM の仕様には，そできる利点を SEM は有しています．

の装置の分解能が記載されています．この分解能は，どれだ拡大の仕組み図は， SEM 像が形成される仕組みに

け小さなものを観察することが可能かを示しているわけではついて示しています．各種電磁レンズ群で試料上に収束されなく，ある物体を別々の物体として認識することが可能な物

た電子線を，走査コイルを用いて試料表面上を走査させま

体間の最小距離を意味しています．正確には二点分解能と言す．照射された各点から発生する信号の強度を検出して，そわれます．もちろん分解能の値が小さければ小さいほど，よの信号に対応した強度で，図 2 に示すように，モニター上

り微細な組織を観察できる可能性が高くなります．使用するに走査した形状と相似形で像を描き出します．試料とモニタ装置の分解能を予め知っておくと良いでしょう．実際には，

ーとの間には光学レンズに対応するようなレンズは設置されそれ以外の様々な要因(振動，ドリフト，試料の状態，設置ていません．組み込まれている各種電磁レンズ群は，電子銃環境など)でも制限されますので注意が必要です．ちなみから発せられた電子線を試料上へ収束させる役割を主に担っに，加速電圧が高いほど波長が短くなるため，電子線のプロています．観察時の倍率は，試料上での走査幅とモニター上

ーブ径は加速電圧に反比例しますが，電子線が有するエネル

での走査幅の比で決定されます．電気的な信号処理によってギー幅に比例してしまうことも知られています．仕様には，拡大している点が，光学顕微鏡と大きく異なります．例えば，加速電圧に対応した分解能が表記されている場合もあります．

10000倍の像を得るときには，試料上での電子線の走査幅は数 mm 程度の大きさです．何気なく使用しているかと思いま SEM の構造

すが，実は結構精密な制御のもとに像が形成されているのです．

一般的な SEM の構造と外観写真を図( a), (b)に示しま観察時の分解能SEM の分解能は，様々な要因で左右 電子線を試料上へす．SEM の構造を大きく分類すると，◯されます．最も知っておくべきことは試料上を走査するとき

 試料からの信号を検出する機構，◯

照射するための機構，◯に用いる収束させた電子線の径(プローブ径と言います)の大 分析機器などの補器類に試料室と真空排気機構，そして，◯きさです．電子線の照射領域からから発せられた信号(厳密 は，電子を発生させて加速する電子銃，電分けられます．◯にはその近傍部も含めて)の強度が，モニター上に点状に順子線の強度を調整するコンデンサレンズ(集束レンズ)，電子

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図 3(a)(b) SEM の構造概要図．
汎用 SEM の構造( a )と実際の SEM の外観( b )を示します．
SEM の上部から順に電子銃，コンデンサレンズ，対物可動絞り，非点収差補正器，走査コイル，対物レンズと試料室が位置しています．試料室には試料を設置するステージと，試料から発生する二次電子や反射電子を検出するための検出器が格納されています．また試料室を真空に維持するための真空排気装置が接続されています．ステージには試料室外部からステージの位置や傾きをコントロールするための操作ダイヤルが接続されており，真空の試料室内にあるステージを試料室外部からコン
トロール可能です．ステージは電子線の照射軸である Z 軸，Z軸に垂直な XY 軸の水平移動，更には試料傾斜や回転機構が取り付けられているものも多く存在します．

図 3(c)(e) SEM の構造概要図．
(c)は，試料室の真空を大気開放して，内部のステージを引き出した状態を示しています．試料ステージの引き出し機構は，使用している機種に依存します．ステージを引き出すことなく(大気開放することなく)，予備排気室を経由して試料を取り出す機種もあります．写真に示すような機種の場合には，ステー
ジを引き出した後に，試料室内部を確認してみてください．機
種にもよりますが対物レンズの先端や検出器の位置関係を知ることができます．検出器と試料の位置関係は，メモを取っておくと観察時に便利です．また，対物レンズ先端と試料の位置関係にも注意してください．ステージを引き出すときには，既定の試料位置へ戻すことを忘れないようにしてください．試料が対物レンズと接触する事故を防げます．( d )と( e )は，試料室から引き出されたステージを示しています．写真の例では，ス
テージ下部に取り付けられている歯車によってステージ移動は
もちろん，高角度の傾斜にも対応していて，試料を様々な方向から観察することができます．ステージ操作ダイヤルを動かす
際には，試料室内部の各種部品との接触に注意してください．

線の照射径をコントロールする対物可動絞り(様々な呼称があり，「対物絞り」，「可動絞り」，また単純に「絞り」と呼ばれることがあります)，電子線を真円形状に補正する非点収別され， FE 型は，熱と電界放出を併用する熱電界放出型

差補正器，電子線を試料上で走査させるための走査コイル，( Schottky 型)，そして電界放出型( Cold FE 型)が存在しま
試料表面に焦点を合わせる対物レンズから構成されます．◯

す．いずれにおいても電子線を放出するフィラメントのようは，検出する信号に適応した検出器が設置されます．多くのなものをエミッターと呼称します．各電子銃の構造を図に場合には二次電子検出器と反射電子検出器です．設置される示します．TE 型の電子銃は，エミッターに電流を流すこと

 は機種によって様場所は機種によって異なります(後述)．◯

により加熱し，熱電子を発生させます．その熱電子を，エミ々です．図 3 (c )( e)に示した例では，試料室内に試料を設

ッター先端近傍に設置されたウェーネルトと呼ばれる単孔が置するためのステージがあり，このステージは XY 水平移あけられた金属製の陰極によって(図 4(d )を参照)，ウェー

動，高さ移動，傾斜，回転などの機構を有しています．後述

ネルト直下に収束させ，その後，単孔陽極により加速されましますが，各種移動調整をするときには試料が対物レンズとす． Schottky 型は，同じくエミッターに電流を流し加熱しぶつからないように十分注意しなければなりません．試料室

ますが，熱電子が発生するほどの加熱は行われません．エミは，真空排気されます．直接試料室を大気にして試料を設置

ッター先端近傍に設置された第一陽極により高い電界を印加するタイプや，予備室を通して試料を設置するタイプなどもすることで電界によって電子を引き出し，引き出された電子 については SEM の仕様に依存しますが，主にあります．◯を，第二陽極を用いて加速する手法です．加熱により発生すは，元素分析を可能とする特性 X 線を検出するエネルギー

る熱電子が電子線に含まれないように，サプレッサーと呼ば

分 散 型 X 線 分 光 器 ( Energy

Spec-れる陰極を用いてトラップする構造が特徴的です．また，Distribution

X raytroscopy EDS)や特定の電子線照射条件において試料表面

Cold FE 型は，加熱を必要としないためサプレッサーは備え近傍において回折して脱出してきた反射電子線を撮像する電られておらず，先端が鋭く尖ったエミッターに対して第一陽子線後方散乱回折(Electron Back Scattered Diffraction極により形成される電界を印加することにより電子を引き出EBSD )装置が取り付けられている場合もあります．以下，

し，第二陽極により電子を加速する構造となっています．

それぞれについて概説していきます．



 電子銃

TE 型は取り出せる電子の数は多いのですが，電子が放出されるエミッター上の領域が広いため，電子線を絞った際のプローブ径が大きくなります(輝度に関係します． TE 型は電子線を発生させる電子銃には，熱することで発生する熱輝度が低くなります)．そのため照射電流密度が低くなり，電子を利用する熱電子放出型(Thermal EmissionTE 型)と他の方式の電子銃と比較すると像の明るさが低くなる傾向に電界で発生させる電界放出型( Field Emission  FE 型)に大あります．一方，FE 型では，電子線発生領域が狭く，発生

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Materia Japan図 4 電子銃の模式図．
( a ) 熱電子放出( TE )型，( b) 熱電界放出( Shottky )型，( c) 電界放出(Cold FE)型電子銃の構造模式図を示しています．どの型式の電子銃においても，エミッターからの電子を陽極を用いて引き出しています．熱電子放出型では，エミッターから発生した熱電子は，負に帯電させたウェーネルト直下に収束したの
ちに，陽極により加速されます．熱電界放出型では，加熱されたエミッターから発生する熱電子を，サプレッサーによってトラップする構造となっているのが特徴的です．(d)は熱電子放出型電子銃部分を大気開放した状態を示しています．エミッタ
ーの交換を使用者自身で容易に行うことが可能です．エミッターが溶断し，交換を行うときには，十分に冷却していること(時間をおいて)を確認してから大気開放すること，大気開放中に埃などが入らないよう十分配慮した作業が必須です．

図 5 コンデンサレンズによる電流調整．
電子銃で発生した電子線の電流量は，コンデンサレンズの励磁を変えることで調整できます．多くの場合には，操作パネル上に電流量を調整するコマンドがあります．コンデンサレンズ
は，電子銃で引き出された電子線が最初に収束した時に形成される光源を投影させます．この時に，固定絞りを用いて投影される電子線の経路の一部をカットすることで，それ以降のレンズへの入射電流量を制限します．( a )と( b )は，コンデンサー
レンズの励磁が強い時と弱い時の固定絞りを通過する電子線の違いを模式的に示しています．(a)では，焦点距離が短くなる
ために，赤矢印で示す収束点が上方になります．これにより，コンデンサレンズ下端に設置された固定絞りを通過する電子線量が減少することが分かります．

ーナツ状に巻かれたリング状のコイル(電磁石を思い出してする電子の数は少ないものの，プローブサイズを小さくできください)を，磁性体で取り囲んだ構造(磁気ヨークと言いまること(分解能に関係します)や明るい像が得られる特徴を有す)をしています．このヨークには切り欠き(ギャップとも呼しています．また電界放出により電子を取り出すため，放出称する)が付されています．磁気コイルで発生した磁力(起磁される電子のエネルギー分散が小さくなる利点も有していま力と言います)が，ヨークを通ってこの切り欠き部分に集中す(エネルギー分散とは，電子線のエネルギー幅のことでして形成される磁場が，電子に対するレンズの役割を果たし

す．電子線の色という表現が使われることもあります)．こます．電子線をローレンツ力により集束させることが可能との利点は，より電子線を細く収束できることにもつながりまなるのです．電磁レンズの焦点距離は，レンズに流す電流です．各電子銃に用いられるエミッターの材質は， TE 型で変化します．励磁を変えると表現します．図に示すようは ， タ ン グ ス テ ン フ ィ ラ メ ン ト や 単 結 晶 の LaB6, CeB6,に，電子銃から発せられた電子線は，コンデンサレンズによSchottky 型では ZrO / W が，そして FE 型では W 単結晶がって収束し，その後，広がっていきます．この時に，コンデ

一般に用いられています．本稿で取り扱うような汎用 SEM

ンサレンズ直下の固定絞りによって，その電子線の一部が制では， TE 型が一般的です． TE 型の場合には，ウェーネル

限され，以降の電磁レンズ群へ入射する電子線の電流量が制トとエミッターの距離を短くすることで，エミッターで発生限されることとなります．電子線の電流量を変化させることした電子をより多く電子線として利用することもできます

もコンデンサレンズの役割となっています．コンデンサレン(これをホットと呼称することがあります)．より明るく，高ズの励磁を変えることで，電子線が集束する位置を電子線照いコントラストを有する SEM 像を取得するコツの一つです

射方向に上下させることができます(図 5 矢印の箇所)．こが，プローブ径は大きくなります．ここで，TE 型電子銃かれは，光学レンズのピントの位置を変えていることと同じでら発せられる電子線の電流量は，ウェーネルトとエミッター

すね．図 5 に示すように，コイルに流す電流が大きい場合間の距離にのみ依存するので， SEM をコントロールする操

は，コンデンサレンズの励磁が強くなりレンズに近い所で，作系ソフトウェアから，電子銃において発生する電流量を意

また電流が小さい時には励磁が弱くなり，レンズから離れた図的にコントロールすることはできません．この点は FE 型

位置で焦点が形成されます．図 5 を見ると理解できるようとは異なります．

に，励磁を変えることで，絞りを通過する電子線の量を変え




 コンデンサレンズ

ることができます(電子線の電流量は，後述する対物絞りの径にも依存します)． SEM を使用し始めたばかりの時は気電子銃で発生した電子線は，その下方に設置された電磁レにする必要はありませんが，帯電しやすい試料や，分解能をンズ群に向かいます．コンデンサレンズ(集束レンズ)は，そ向上させたいときには調整するべきレンズです．この電流量の最初の電磁レンズです．電磁レンズは，電子線に対してドを調整するコマンドが操作モニター上にあるはずです．



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 対物可動絞りの先端部分です．後述するように分解能と密接に関係しているので，絶対に汚したり，試料をぶつけたりしてはいけませコンデンサレンズにより電子線の強度が調整された後，対ん．対物レンズは電子線を試料上へ収束させる最終の役割を物レンズに入射する電子線の径を選択する役割を担うのが対担います．ピントを合わせるときには，このレンズの励磁を物可動絞りです(図，鏡筒での位置は図 3( a)を参照)．小

変化させています．対物レンズの励磁を強くすると，焦点距

さい絞りを使用すると電子線の径が小さく制限されるため，離が短くなるので，対物レンズと試料上面との距離が小さく

電流量が低くなり像が暗くなります．また大きな絞りを使用なります．光学顕微鏡と同様に，この時の対物レンズ下面かすると多くの電子線が対物レンズに入射するため，明るい像

ら試料上面までの距離を作動距離(Working DistanceWD)が得られます．一方，この絞り径は最終的なプローブ径にもと呼称します．この WD が小さいほどプローブ径は小さく関係します．絞り径が大きいとプローブ径は大きくなり，像なる(対物レンズでより小さく電子線を収束できる)ので，高の分解能は低下します．また，被写界深度にも影響します．

い分解能での試料観察が可能となります．対物レンズの構造

絞り径が大きいと，対物レンズに入射する電子線径が大きくを図に示します．基本的な構造は，電子線に対してドーナなり，試料上で収束させるときの収束角度(開き角)が大きくツ状に巻かれたコイルが透磁率の高い磁性体で囲まれておなるため，被写界深度が小さく(浅く)なります．この効果はピントが合っている範囲外のピンボケ領域を拡大させるので，例えば，立体感のある像や，目的とする組織を強調させたい時などに使えます．
 非点収差補正器
試料に照射される電子線が真円になっていない場合に生じるボケのことを非点収差と呼びます．この非点収差があると，像質が大きく低下します．ピントを変えたときに像が一定方向に流れるような変化を示します．非点収差補正器は対向コイルが円形に並んだ構造をしており，各コイルに流す電流値を変化させることで，プローブの形状を真円に補正することができます(図)．後述するように， SEM で組織を観察するときには，頻繁に調整する必要があります．きれいな像を得るためのコツとして非常に重要です．
 対物レンズ
光学顕微鏡の対物レンズと同じで，試料に最も近い位置に設置された電磁レンズです．試料室を開けて中を覗き込む

図 7 非点収差補正器．
非点収差補正器は向かい合い直交した二対のコイルが一組となり，それが 45 度回転したものと組み合わされた形状にになっています．各コイルに流す電流量を調整することで，中心部に形成される磁場を変化させることができます．この磁場を使って，図中央に示した楕円形状の電子線を，真円形状に補正することが可能です．

と，銀色をした先が細くなっている円錐状の部品が見えます(図，もちろん，機種によりますが)．これが，対物レンズ

図6(a) 対物可動絞りの全体写真と(b) 絞り板の実体顕微鏡
写真．
SEM に取り付けられている実際の対物可動絞りを示します．
対物可動絞りは，(a)に示すように，大気側から絞りを動かす
ゲージと，電子線経路に挿入される絞り板から構成されています．ゲージを動かすことで絞り板の位置を変えることができますが，この移動は，電子線照射方向に対して垂直な平面方向に限定されています．(b)は絞り板を示しています．矢印で示した位置には，径の小さい孔が加工されています．大きいものか
ら小さいものまで大きさの異なる種類の孔が開けられており，これらの孔を電子線の経路中心に挿入し，電子線の径を変えます．

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図 8 ステージ高さ調整不足による対物レンズへの接触．
試料室内部の様子を示します．中央に見える円錐状の部材が対物レンズの先端です(機種にも依存します)．例として高さのある試料を挿入してみましたが，このまま試料を移動させると，対物レンズの先端と接触してしまいます．大変危険なので，試料室への出し入れや，試料移動の際には十分に注意を払いまし
ょう．




り，その磁性体の一部にギャップという切り欠きが付されてのほかに，アウトレンズ方式のレンズ内部に電極を挿入しいる構造をしています．コイルで発生した磁力(起磁力)は．

て，この電極に電圧を印加することで形成させる静電レンズ

このギャップ部分に集中します．この効果で強力な磁場が限を併用したブースティング方式や，セミインレンズ方式におられた箇所に形成されるので，レンズとしての作用が現れまいて，観察対象である試料に電圧を印加するリターディング

す．上述したコンデンサレンズも同様の構造ですが，分解能方式など様々な工夫がなされたレンズが存在しています．

に大きく影響する対物レンズでは，より高精度に作り込まれています．対物レンズには，磁場で形成されるレンズと試料




 試料室と排気系との位置関係により，アウトレンズ方式，インレンズ方式，

試料を観察するために特別に試料室が用意されている理由

セミインレンズ方式の 3 タイプのレンズが存在します．もは，観察はおよそ 10－3 Pa の真空環境下で行わなければなら

っとも一般的なアウトレンズ方式では，形成される磁場レンないからです．電子線は，窒素や酸素などの気体分子によりズから少し離れた下方に焦点位置が来るように設計されてい散乱されてしまうため，照射する電子線のエネルギー幅が広ます．このレンズは，焦点距離が長くなるため，他のタイプ

がり，照射径が大きくなることで，分解能が大きく劣化しまと比較して，電子線を細く絞ることが困難であり，より高い

す．試料室の真空度は，得られる像質を左右します．基本的分解能を実現することができません．しかし，レンズと試料には真空中において試料を観察する必要がありますが，最近の距離を長くとることができることから，大きく複雑な形状

では試料室を高い真空まで排気することなく観察可能な低真の試料を観察することが可能となります．また，レンズで発空 SEM や大気圧 SEM も存在しています．これらの SEM

生する磁場の影響を受けづらいため，磁性材料の観察にも適は，真空環境下で試料形態が変化してしまうような，例えしています．一方，焦点距離を極限まで短くすることができ

ば，食品や生体などの水分を含んだ試料を観察する場合や，るレンズがインレンズ方式です．インレンズ方式は形成され絶縁性試料を観察する場合などに使用されています．この場る磁場レンズの中央付近に試料を設置するため，極めて短い

合には，プローブ電流を増加させると明瞭な像が得られる傾焦点距離を実現することができます．その反面，試料をレン向があります．

ズ内部に設置する必要があり，大きな試料の観察は困難で試料室には試料を設置するステージが取り付けられておす．また磁場中に試料を設置するため，磁性材料の観察にはり，試料室外部からマイクロメーターやモーターが取り付け不向きです．これらアウトレンズ方式とインレンズ方式の利られたステージ操作ダイヤルを駆動させることにより，XY

点を併せ持ったものがセミインレンズ方式です．セミインレ

水平移動や高さ位置を調整することができます(図 3 参

ンズ方式では，レンズを試料側にせり出すように形成させて照)．他にも試料の回転や傾斜も可能です．予備室が設置さいるため，焦点距離を短くすることが可能であると共に，イれていないタイプの機種では，試料室を開けると，試料ステ

ンレンズ方式とは異なり試料サイズに制約はありません．こージ関係を直接見ることができます．横からのぞき込んで，XY 水平移動，高さ移動，回転，傾斜など色々と駆動させて，対物レンズとの位置関係を確認してみてください．実際の試料観察時に役立つとともに，試料を対物レンズにぶつけてしまうなどの事故を防ぐことにもつながります．上述したように，高さ位置との関係は， WD と関係します．試料形
状によっては高さ位置が制限されるかと思います．この場合には，高さ位置が優先で，その位置にピントを合わせることになります．制限がない場合には，一般的には高さ位置はWD が短くなる位置に設定して，観察を行うこととなりま
図 9 レンズの構造と試料位置．
( a ) アウトレンズ，( b) インレンズ，( c ) セミインレンズ方式の対物レンズと試料位置の模式図．
対物レンズは，電子線に対してリング状に巻かれた電磁コイルと，それを覆うように配置された磁性体(ヨーク)から構成さ
れ，ヨークには極めて狭いギャップ(切り欠き)加工が施されています．コイルで発生した磁力は，ギャップ間に集中することで，強い磁場が形成されます．この磁場中を通過する電子線がローレンツ力を受けることで収束します．磁場が形成されレンズが構成される位置と試料との位置関係が重要です．(a)のア
ウトレンズ方式では，レンズから離れた位置に試料が配置します．(b)のインレンズやセミインレンズ方式では，レンズの内部やレンズに極めて近い位置に試料が配置します．各方式で作動距離が大きく異なるため，基本的な分解能(プローブの集束径)が決まります．汎用機種の多くは(a)に示したアウトレンズ
方式となります．この方式は，分解能は劣る傾向にあります
が，試料サイズの自由度は非常に優れています．

す．使用している機種にも依存しますが，操作ソフト上にWD の位置が表示されると思います．この値の目安を付けておくことを勧めます．


 二次電子と反射電子
十分な厚さを有する試料に電子線が入射すると，試料を構成する原子と相互作用を起こし，図 1 に示したような様々な信号が現れることについてはすでに述べました．ここでは二次電子( Secondary Electron  SE )，反射電子( Backscattered ElectronBSE)について，それぞれもう少し詳しく説明します．表面形状観察に用いられる主な信号は， SE と
BSE です．電子線が物体に照射された際，物体を構成する

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原子核や電子との相互作用により，弾性散乱やエネルギー損
失を伴う非弾性散乱を引き起こします．非弾性散乱では，原子を構成する電子の電離や励起が発生します．この電離によって発生した電子の中で，物体表面近傍から弾性散乱によって放出される電子が SE です． SE のエネルギーはおおよそ
50 eV 以下と言われています．発生確率は，表面観察にも用いられるオージェ電子よりもはるかに高い値をとります．また，試料表面から数 nm の領域から発生するため，表面形状の観察に適しています． BSE は，試料に入射した電子が，試料中において弾性散乱され，電子線入射方向から反転して試料表面から脱出した電子です．入射電子が有するエネルギ
ーからほとんど変化しないため，SE と比較して高いエネル
ギーを有しています．観察時の加速電圧が高い場合には，電子線が深くまで侵入するため，非常に広い範囲から検出されます．
SEM 像を形成するときに利用する SE と BSE は図に示すように，それらが発生する場所によって呼び名が異なります．電子線の照射領域から脱出する SE 及び BSE を SE1 とBSE1，電子線照射外の試料表面から脱出する BSE は BSE2と呼ばれています．そして BSE2 によって発生した SE を
SE2，また発生した BSE が試料以外の，例えばレンズや試料ステージ等に当たることにより発生する SE は SE3 と呼ばれています．更に，照射電子線が電子線照射経路のレンズ

図10 二次電子，反射電子の発生箇所と名称．
試料に電子線が照射された時に発生する二次電子( SE)や反射
電子( BSE )の発生箇所とその名称を示します．発生箇所によってその名称は異なります．アウトレンズ方式を採用した
SEM では，レンズと試料間の距離が長いため，SE1 だけではなく SE2 も検出される確率が増えます．試料表面形状の観察では， SE2 の影響が多く含まれます．加速電圧が高いほど，試料中の電子線が広範囲に散乱されるため，電子線の収束径よりも，より広い領域から SE や BSE が発生します．このため，信号量が増加し観察が容易になることが多いのですが，注意が必要です．表面観察の場合には，電子線を照射した領域のみから信号が得られる方が高い分解能を実現できる傾向にあります．そのため様々な加速電圧を用いて観察を行い，観察者が意図する結果を最も得ることができる条件を選択しておく必要があります．

や後述する絞りに照射されることで発生した SE が試料室に漏れ出てきたものを SE4 と呼んでいます．汎用 SEM では
主に SE2 を用いた表面形状の情報を有する SE 像と，BSE1と BSE2 を用いた組成情報や結晶性の情報を有する BSE 像が得られます．



 検出器
SE と BSE の検出器は形状と配置方法が異なるため，得られる像が異なります．発生する SE のエネルギーは低く，検出器に SE を引き込む必要があるため，検出器先端には正電圧が印加されています．また試料の凹凸部によって発生す
る SE 量が異なりますが( 1 24 2 の二次電子像と反射電子像の項を参照)，検出器側に傾 いた領域から発生した SE
は，検出器に向けて発生するため検出されやすく，反対側に傾斜した領域から発生する SE 量は，検出器とは逆の方向に発生するため検出されづらくなります．そのため，SE を用いた時の像は，試料表面に対して，検出器方向から照明を当てた時のような陰影を含む像となります．
BSE 像を取得する検出器は円環状であり，電子線照射軸に挿入されることが一般的です． BSE のエネルギーは照射する電子線とほとんど変わらないエネルギーを有することから， SE のように正電圧で引き込み検出することができず，直接検出器に侵入した BSE が検出されます．円管状の照明

図 11

SE 検出器と BSE 検出器において凹凸の見え方が異なる理由．
SE 検出器と BSE 検出器による検出方法の違いと，それにより得られる像の陰影の違いを示します．SE 検出器はエネルギ
ーの低い SE を検出するため，検出器に正電圧が印加されていて，検出器側に傾いた領域から発生した SE は，検出器に向けて発生するため検出されやすく，反対側に傾斜した領域から発生する SE 量は，検出器とは逆の方向に発生するため検出されづらいため，傾斜によるコントラストが現れます．
そのため SE 検出器側から光を照射したような陰影になります．一方，BSE 検出器は発生した BSE を円環状の検出器で検出し像を形成します．BSE はそのエネルギーが高く，SE のよ
うに電圧を印加することで強制的に検出することは困難です．
そのため，試料上方から円環状のライトを照射したような像となるため，陰影が現れにくいのです．

から光を照射して観察したような像が得られるため，SE 像
ほど表面形状を反映した情報(陰影)が得られないのです(図)．表面形状が反映されづらい BSE 像ですが，分割型の円環状検出器を採用し，演算処理することにより凹凸情報を

ま て り あ 第60巻 第 4 号(2021)
Materia Japan取り出せる仕様もあります．

 二次電子像と反射電子像

BSE は試料を構成する原子の原子番号が大きくなるほど増大することが知られています．そのため，研磨された凹凸の無い試料を観察し BSE 像を取得した場合，現れる明暗は凹凸のある試料の場合(図)，基本的には凸部から SE が

原子番号の違いを示している可能性があります．また BSE

発生しやすいため，その箇所は SE 像中で明るく映し出されが発生するメカニズムから，弾性散乱しやすい試料ほど反射ます．反対に凹部では SE が脱出しづらいため暗く映りま電子が発生しやすいため，結晶方位の違いや結晶性の違いにす．これにより形状に依存した陰影のある像が得られます．

よっても明暗が変化します．図に Al Cu 合金の一つであまた， SE 検出器の位置関係も重要です．例として， SE 検

る快削アルミニウム合金(A2011)を 150°
C で時効析出させた

出器は SEM 像下方向に配置された状態で，ボルトを特定の試料の SE 及び BSE 像を示します．SE 像は表面形状に敏感

位置とそこから 180 °
回転させた二つの状態を観察した SEであるため，表面の残留研磨傷が多数，強調されて観察され像を図に示します．像のコントラストを確認すると，ネジています．一方，より原子番号に敏感である BSE 像では，

山の検出器方向が常に明るく見えていることが分かります．

表面研磨傷のコントラストが低下し，結晶粒内および粒界に偏析した Cu を含む層が明瞭に観察されています． Al と Cuの原子番号がそれぞれ 13 と 29 と大きく異なり，この原子番号の違い，つまり，組成の違いが BSE 像では明瞭に観察されています．

図12 電子照射位置と二次電子発生量の概念．
電子線照射位置と SE の発生量の関係を示します．図 2 で示した通り， SE は試料最表面だけではなく，少し深い領域からも発生します．そのため平面，凸部と凹部に電子線を照射した場合に発生する SE の量は異なります．均質な材料で構成されている試料の場合，凹部→平面部→凸部の順に SE の発生量が増え，この発生量の違いによって試料形状が観察できます．傾斜している領域において SE が多く出る現象はエッジ効果と呼ばれています．

図13 ボルトの SEM 像．
ボルト先端部のネジ山を観察した SEM 像と，そのボルトを
180 度回転させて観察した SE 像を示します．電子線照射と照射位置の形状によって発生する SE の量は異なりますが，汎用SEM に使用されている試料室内 SE 検出器の位置によっても見え方が変化します．像中には見られませんが，これら SE 像の下方に SE 検出器が位置しています．そのためネジを 180 度回転させた場合でも，検出器側に面するネジ山が明るく観察されており，検出器方向から光を照らしたような像が得られることがわかります．

図14 AlCu 合金の(a) SE 像と(b) BSE 像．
AlCu 合金の同一箇所を SE 及び BSE 検出器で撮影した SEM 像を示します．SE 像(a)は表面の凹凸に敏感なため研磨傷が無数に観察されますが，BSE 像(b)には SE 像に観察された研磨傷はほとんど見られません．一方，BSE 像は原子番号に敏感です．そのため，重い元素が含まれている領域のコントラストが増加します．(b)に示すように，粒界や粒内に析出した Cu を含んだ領域
が明るく映し出されています．



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
◯

文

献

 走査型電子顕微鏡の歴史を知りたい場合には◯( 1 ) C. W. Oatley: The early history of the scanning electron microscope, J. Appl. Phys, 53(1982), R1R13.
 二次電子発生原理について◯( 2 ) 越川孝範，志水隆一表面研究における二次電子放出現象，
応用物理，44(1975), 215(3)
215(18).
 電子線源，電磁レンズと収差が電子線に与える影響に関する詳◯細について( 3 ) 佐藤 貢走査電子顕微鏡( SEM )の電子光学，顕微鏡， 51(2016), 3742.
 試料室内二次電子検出器や反射電子検出器の原理について知り◯たい場合には( 4 ) T. E. Everhart and R. F. M. Thornley: Wideband detector for
micromicroampere lowenergy electron currents, J. Scientific
Instruments, 37(1960), 246248.
( 5 ) 小野昭成，柴田昌輝各種 SEM における電子の検出法と像の見え方の違い，顕微鏡，43(2008), 162165.

ま て り あ 第60巻 第 4 号(2021)
Materia Japan

ブースティング方式やリターディング方式のレンズについて知りたいとき( 6 ) 立花繁明磁界・静電界複合光学系 SEM における信号検出，顕微鏡，43(2008), 174176.
( 7 ) 藤田 真，小瀬洋一電子レンズの設計技術(前編)(基礎理論から実装技術，装置応用まで)，顕微鏡，51(2016), 171176.
 走査型電子顕微鏡全般について更に理解を深めたいとき◯( 8 ) 日本顕微鏡学会関東支部会新・走査電子顕微鏡，共立出
版，(2011)．
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

徳永智春

2005年 名古屋工業大学大学院工学研究科 都市循環
システム工学専攻 博士前期課程修了
2007年 九州大学大学院工学府 博士後期課程修了
同年から 現職
専門分野カーボン材料，化学気相成長法，電子顕微鏡，雰囲気制御その場観察法◎ナノ材料創成，電子線を利用した材料構造制御，プラズマ環境電子顕微鏡法の開発とその応用に関する研究に従事．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

フェルミ面とは
舘

.

ま え

が

林

潤

き

大学の理系の講義を受けた人であれば，例えば固体物性論
や量子力学などの講義で一度は「フェルミ面」という言葉を耳にしたことがあると思う．フェルミ面とは「波数空間において一定のエネルギーを持つ面」であり，絶対零度では電子が占める軌道と占めていない軌道を隔てる面であると教科書では記述されている．ただ，電子や光子などを扱う本理論
は，人間の目に見えない小さな世界で起きる出来事を記述す

図1(a)古典力学および(b)量子力学的な原子の描像．

る学問だけに，苦手意識を持っている方も少なからずいるのではないかと想像される．しかしながら，フェルミ面は金属目を集めている太陽電池の動作原理である光電効果はまさにの電気的性質を決める非常に重要な概念である．

この光子の二重性を用いて説明することが出来る．一方，電

本稿では，まず「フェルミ面」を説明するために，電子を子は原子の周りを周る電荷をもつ粒子として一般的にイメー扱う量子力学と古典力学の違いについて簡単に触れ，量子力

ジされがちであるが，a 線の散乱実験等によりやはり電子も学で扱われるシュレーディンガー方程式について簡単に説明

二重性を持つことが証明されている(図)．このように，量する．次に金属中で振舞う電子が従う自由電子モデルにおい

子力学的な振る舞いを示す目に見えない程小さい粒子は「粒」て，自由電子が従うシュレーディンガー方程式を量子化の手でも「波」でもない両方の性質をもつことをまずは念頭に入続きに従って説明する．最後に，結晶のような周期的境界条れて頂きたい．

件をもつポテンシャルの中での電子の振る舞いと自由電子の違いを示すとともに，状態密度およびフェルミ面の導出を行

.

自由電子のシュレーディンガー方程式

う．
では，この「量子力学的な振る舞いを示す粒子」はどのよ.

古典力学と量子力学の違い

うな法則に従っているのかを考える．通常の古典力学的な考
え方では運動方程式に従うことは良く知られているが，量子古典力学と量子力学は，今日知られている物理学の 2 つ

力学で支配する方程式は「シュレーディンガー方程式」であの土台である．古典力学は，ニュートン力学などに代表されり，位置 r ，時間 t における波動関数を c ( r, t )(時間を含まるように巨視的な物体の振る舞いを記述する学問であり，ニない波動関数として f(r))とすると一般的に，

ュートンの運動方程式に従う．それに対し，量子力学は微視的な粒子(原子や光子など)の振る舞いを記述する学問である．本稿で取り扱う結晶中の電子の振る舞いは量子力学で説明することが可能である．量子力学的な振る舞いをする粒子
は粒子的性質(粒子性)と波的性質(波動性)の二重性を持って( 2m∇ ＋V)c(r, t)＝i&&ct

(1)

(

(2)

2

H
Â c(r, t)＝ －

2

または，
H
Â f(r)＝ －)2 2∇ ＋V f(r)＝Ef(r)2m

おり，シュレーディンガー方程式により求まる波動関数によと表される．式( 1 )は「時間を含むシュレーディンガー方

り量子状態として表すことができる．例えば，光は一般的に程式」，式( 2 )は「時間を含まないシュレーディンガー方程は波としてイメージされることが多いが，実は 1 個 1 個数式」と呼ばれる．ここで， HÂ はハミルトニアンと呼ばれてえることの出来る「光子」として振る舞い，波束という形で

おり，∇2＝ &2/ &x2 ＋ &2/ &y2 ＋ &2 / &z2 であり， V はポテンシャ

粒子として確率的に存在している．近年エネルギー問題で注

ルエネルギーである． H
Â が帽子(ハット)を被っているのは大阪大学大学院工学研究科マテリアル生産科学専攻准教授(〒565
0871 吹田市山田丘 21
2021年 2 月 4 日受理[doi:10.2320/materia.60.234]



R2 棟417)

よくわかるピンポイント講座

「演算子」であることを示している．また， m は電子の質離が可能であるので 1 次元を拡張し波数 k の x, y, z 成分を

量，＝ h / 2p であり h はプランク定数， E は固有エネルギ

それぞれ kx, ky, kz とすると，ーである．今，少し式を簡単にして，時間を含まない一次元

E＝のシュレーディンガー方程式を考えてみる．すると，式( 2 )は，以下のように書ける．

( 2m dx ＋V)f(x)＝Ef(x)HÂ f(x)＝ －

2

d2

2

2 2
(kx ＋k2y ＋k2z )
2m

(8)

となる．
(3)

.

状態密度とフェルミ面

これは，波動関数 f(x)にハミルトニアン H
Â を作用させると波動関数 f(x )の前に全エネルギー E というスカラー量が出次に，実際の結晶に則し，周期的境界条件を用いて波動関てくるという意味である．別の言い方をすると，演算子 HÂ

数を記述すると，規格化条件を考慮して波動関数は式( 6 )はエネルギー E に対応しているとも考えられる．ちなみを基に下記のように与えられる．

に，量子力学ではエネルギーだけでなく位置や運動量などのf(x, y, z)＝

他の物理量にも対応する演算子が定義され，位置 x は âx，運1 i(kxx＋kyy＋kzz)
e
L3

(9)

動量 âp は /i・&/&x に対応する．そのため，どのような系で式( 9 )を式( 5 )に代入すれば分散関係は式( 8 )のように得あってもその系の全エネルギーを古典力学の範囲で求めて，られるが，境界条件が異なるため，取り得る波数成分は自由

その変数(位置および運動量)を対応する演算子に変換するこ電子に比べて制限される．

とによりハミルトニアンを導出することが出来る．これをこの時，波動関数は一様に広がっているので，波数は全て「量子化の手続き」という．ちなみに，式( 3 )に量子化の手の実数を取り得る．すると電子の取り得る状態数は波数空間続きを行うとハミルトニアンは，で( 2p )3 / L3 ＝( 2p )3 / V の体積を占めることになる．従っ

H
Â ＝

p2

2m

＋V

(4)

となり，古典力学における全エネルギー(運動エネルギーとポテンシャルエネルギーの和)に相当する．

て，波数 k の大きさが k 以下の状態の数は，スピンの上向
きおよび下向きを含めると次式の通りになる．
2・

k

f

V
( 2p ) 3

4pk2dk＝

0

( )

V 2mE
3p2 2(10)

まずは，簡単のために一辺の長さが L の箱の中での 1 次

ここで，式( 7 )より k＝2mE/2 を利用した．エネルギーが元の自由電子が振舞う波動関数を考えてみる(図)．上で述

E と E ＋ dE の間にある状態の数，つまり状態数は式(10)をべた量子化の手続きに従ってまずはシュレーディンガー方程微分することで得られ，式を作ってみる．自由電子なので箱の中ではポテンシャルはゼロと置くことができて，式( 4 )より 1 次元自由電子のシュレーディンガー方程式は以下のように書ける．
HÂ f(x)＝－

2d2

2m dx2f(x)＝Ef(x)N(E)dE＝

V
2p 2

3/ 2

( ) E dE
2m
2

1/ 2

(11)

となる．この N(E)を状態密度という．今，N 個の電子がエ(5)

ただし，箱の外はポテンシャルエネルギーが無限大で電子がネルギーの低い状態から順々に埋まっていくと，パウリの原理に従って 1 状態に 1 個ずつ埋まっていき，波数空間上である球を作る．これをフェルミ球という(図)．

存在しないものとする．この式を満たす波動関数 f(x)は，一般的に，固体は構成する原子，イオン，分子などが規則

f(x)＝Aeikx(6)

正しく配列している単結晶，多くの結晶粒とその境界から構と書ける．ただし，k は波数である．式( 6 )を式( 5 )に代入成される多結晶，ガラスのように不規則な配列をしている非することにより，固有エネルギー E は k の関数として，晶質などに大別される．理想的な完全結晶は 1 ないし数種

E＝

2k2
2m

(7)

と求まる．これを分散関係という．3 次元の場合は，変数分類の原子が周期的に並んでおり，イオン結合(NaCl など)，
共有結合(半導体など)，金属結合などにより結合し結晶を作る．そのような結晶内では電子の離散的エネルギーはある幅をもってエネルギーバンドを形成する．原子の 1 つの電子状態に対し，エネルギーバンドの状態数は全原子数を N とすると 2N となる．したがって，上述した通り，パウリの原理に従ってエネルギーバンドの下から電子が埋まって分布することになる．
例えば Na 結晶を考える．Na の最外殻の軌道は(3s)1 であり，自由に結晶内を伝導電子として動き回ることが出来る．
前述した通り原子数 N の状態数は 2N であり，伝導電子はちょうどその半分の状態 N を占有することになる．
今， Na 結晶中の 1 つの伝導電子に着目し，この電子がNa 結晶中で振舞う状態を前章で述べたシュレーディンガー方程式を用いて記述することを考える．この電子に働くポテ
図2

箱の中の一次元自由電子モデル．

ま て り あ 第60巻 第 4 号(2021)
Materia Japan

ンシャルは，他の電子から受けるクーロンポテンシャルと，




図3

図4

( a )拡張ゾーン形式および( b )還元ゾーン形式で記述した結晶中の電子の分散関係．

図5(a)金属，(b)絶縁体，(c)半導体の分散関係の模式図．

フェルミ球．

周期的に並んだ Na イオンによるポテンシャルである．まず，一番簡単な金属のモデルとして，結晶の細かい構造を無視し，この周期ポテンシャルを平均化した媒質として取り扱う金属の自由電子模型を考える．この場合，金属表面は無限大のポテンシャルを持つが金属内は一様であるとみなせる．
するとこの金属内の自由電子について，分散関係は式( 7 )のように放物線型の関係が成り立つはずである．
しかしながら，実際の金属は結晶が無限に周期的に並んでいるので，ポテンシャルも周期的であることから周期的境界条件を用いてシュレーディンガー方程式を解くことになる．
簡単のため一次元方向のみを考えると，波動関数はブロッホ帯を挟み上の状態を占有するので電子が自由に動くことが出の定理に従い，

f(x)＝Aeikx・u(x)(12)

来る(図( a))．フェルミ準位が許容帯に存在するのでフェと書ける．u(x)は周期 L，つまり結晶と同じ周期をもつ関数

ルミ面が存在することになる．一方，絶縁体や半導体はフェである．ここで，こういった周期的ポテンシャルを持つ結晶

ルミ準位が禁制帯に存在することになるためフェルミ面が存

格子中の電子状態を表すモデルとして，クローニッヒ・ペニ

在しない(図(b)(c))．逆に言うと，フェルミ面の有無によ

イ模型を考察する．詳細は割愛するが，要点を述べると周期って金属と絶縁体・半導体が定義される．また，上述した通的なポテンシャルを持つ結晶中のブロッホ波の分散関係は，り，自由電子ではフェルミ面は球になるが，結晶内では複雑

第一ブリルアンゾーン(逆格子空間におけるある逆格子点のな形になり，いろいろな現象に影響を与える．

最近接の逆格子点との垂直二等分面によって作られるウィグ
ナーザイツ胞のうち最小の領域)の端でエネルギー準位が反

.

お

わ

り

に

発を起こし，エネルギーギャップが開く状態になる(図( a))．ところで，図 4( a)の分散関係は波数の上限を考えず

以上のように，フェルミ面について電子を扱う量子力学のにバンド構造を記述しており拡張ゾーン形式と呼ばれる．一

観点から導出を行った．今回紹介したフェルミ面は理想的な方，波数が第一ブリルアンゾーンよりも外に位置する，つま金属の自由電子模型を用いると球状になるが，実際のフェルり格子周期よりも速い振動成分がある場合，すべて u ( x )にミ面は必ずしも球にはならず，原子の種類によっては極めて取り込むことが可能である．すると，波数が p / L よりも大複雑な形状になる．しかしながら，フェルミ面は金属の電気

きい場合は折り返して記述することが出来る．折り返したバ的性質を決める非常に重要な概念であり，理解の際の一助にンド構造がマイナス方向に向かい波数 0 になった場合はまなれば幸いである．

た折り返してプラス方向に記述する，という事を繰り返す．
その結果，第一ブリルアンゾーン内で全てを記述することが文

献出来，これを還元ゾーン形式と呼ぶ．いずれのゾーン形式においても，エネルギーギャップ領域では電子が存在しえず禁制帯と呼ばれ，禁制帯を挟んでいる領域は電子が存在し得る
ため許容帯と呼ばれる．
Na 結晶の場合は電子が許容帯の下から埋まり，一部禁止( 1 ) 御子柴宣夫半導体の物理，培風館，(1982)第 3 章．
( 2 ) C. Kittel 固体物理学入門第 8 版＜上＞，丸善，( 2005 )第 6章．
( 3 ) 掛下知行他理工系の量子力学，大阪大学出版会，( 2018)第3 章．

よくわかるピンポイント講座

しさは全くなく，最新のデジタルアートや技術を駆使した体験型コンテンツが様々であり，子供から大人まで誰もがわく
わく楽しむことができるのが，本館の最大の特徴ともいえる．今回は，「環境」エリアを中心的に紹介する．
「環境」エリアでは，環境とエネルギーの二つのキーワードを中心とした展示がある．福岡県内に生息・生育する野生福岡市科学館(福岡市)
文責九州大学

李

動植物の模型を展示する「福岡フィールド」をはじめ，テー

海文(2020年 6 月訪問)

ブルの地球の上にクチビル型のオブジェを置くと擬人化された地球がつぶやくことで様々な環境問題をより実感できる「地球のつぶやき」，自然環境を守る対策をクイズ式で参加できる「環境はてな」などの様々なコンテンツを通じて，環境意識を高めることが期待できる．様々なエネルギー(電気エ福岡市科学館は，九州大学旧六本松キャンパス跡地で建設

ネルギー，光エネルギー，熱エネルギー，位置エネルギー，

された複合商業施設「六本松421」内にある，2017年10月 1

運動エネルギー，化学エネルギーなど)に関して，身近な事

日にオープンした新しい科学館である(図)．本科学館は，

象でエネルギーがどのように姿を変えているか，体を動かし「人が育ち，未来をデザインしていく」という理念を立てて，ながら考えることができる「エナジーシュート」が人気を博

4 フロアで構成されている．3 階には福岡の大学・研究機関している．また，発明家トーマス・エジソンにより開発され，と連携する地元企業の技術を展示する連携スクエアおよび特

1918年に販売された電気自動車(EV)の展示は格別であった

別展の開催のための企画展示室，4 階にはサイエンスナビ，(図)．1900年頃には，電気自動車がガソリンエンジン車よサイエンスクリエイティブ工房および実験室，5 階には基りも多く売られていたが，コストパフォーマンスの低いこと

本展示室，6 階には世界最高水準の最新鋭統合型プラネタリが主な原因で結果的にガソリンエンジン車に勝てなかっウムなどがある．

た(1)．地球温暖化問題が顕在化しているなか，京都議定書や基本展示室では，市民生活から宇宙の広がりまでの幅広い

パリ協定などの発効に伴い， CO2 排出量削減対策の一つと内容を「宇宙」，「環境」，「生活」，「生命」と未来について考して EV が今世紀に入ってから，再び脚光を浴びるようになえる「フューチャー」(図)に分けて展示している．また，った．特にテスラモーターズ社の誕生により，EV の開発競

「サイエンスショーステージ」では，様々な科学テーマがシ争がより一層激化した．このような EV の開発を陰で支えてョーを通じて楽しむことができる．科学館と言っても，堅苦いるのは， 2019 年のノーベル化学賞の受賞者らをはじめとする多数のリチウムイオン電池の開発者の功績であることは間違いない．自動車の電動化へのシフトに向けて，EV のみ
ならず，水素を燃料とした燃料電池自動車( FCV )などの技術革新によって，環境にやさしい自動車の普及が楽しみであ
ろう．

図1

図2

福岡市科学館の外観．

「フューチャー」エリアの様子．

ま て り あ 第60巻 第 4 号(2021)
Materia Japan

図3

電気自動車の展示．

g 科学館で見つけた金属材料“鋳鉄”
基本展示室では，材料関連の展示を見つけられなかったが，3 階の連携スクエアに日之出水道機器株式会社の「鋳鉄」に関する技術紹介や「鋳鉄モニタースタンド」の展示(図＊)があったので少し述べる．
鋳鉄は，鋳物の一種で，鉄に2.14質量以上の炭素を含有
すると共晶点付近で融点が低くなるという特徴を利用して鋳造されるものである．鋳鉄の歴史は今から 2500 年前の紀元前 500 年頃に中国で始まったとされている(2) ．通常の鋳鉄

図4

鋳鉄の展示．

は，炭素やケイ素の含有量および熔解・凝固の冷却速度によって，ねずみ鋳鉄・白鋳鉄・まだら鋳鉄に分類される(3)．鋳
鉄には黒鉛が晶出することで，凝固時の収縮が小さい，振動吸収能力が高い(特にねずみ鋳鉄)，耐摩耗性や耐食性に優れるなどの利点がある一方，じん性が弱いなどの欠点もある．
これらの特性をよく理解したうえで，鋳鉄を利用することが重要である．
（＊この展示は，2020年 9 月までの出展でした．）
福岡市科学館のもう一つの魅力なスポットは，5 階基本展
示室の入り口付近にある「発見の壁」(図)である．壁には身の回りにあるモノや科学的事象が描かれており，レリーフを触ると，モチーフに関するアニメーションが映し出され図5

基本展示室の入口にある「発見の壁」．

る．そして，関連モチーフへ繋がり，やがて「なぜ」へ導く．

文

福岡市科学館はオープン以来人気を集め続け，想定より献10 カ月も早い 2018 年 6 月 10 日に 100 万人目の来館者を迎えた．ぜひ，足を運んで頂き，福岡市科学館のチャーミングポ
イントを「発見」して頂きたい．

( 1 ) https://natgeo.nikkeibp.co.jp/nng/article/news/14/6108/( 2 ) 中江秀雄鋳造工学，85(2013), 238242.
( 3 ) 草川隆次https://www.jstage.jst.go.jp/article/sfj1954/14/8/
14_8_15/_pdf(2020年 7 月 1 日受理)[doi:10.2320/materia.60.237]

福岡市科学館へのアクセス
福岡市営地下鉄七隈線「六本松駅(科学館前)」下車，

3 番出口からすぐ
https://www.fukuokacity-kagakukan.jp/use/traffic_guide.html



科学館めぐり

本
会

告

会

記

事

第85回定時社員総会開催案内 …………………………………239
第63回技術賞，第80回功績賞，第61回谷川・ハリス賞，
第28回増本量賞，受賞候補者推薦依頼 ………………………239
第53回研究技能功労賞受賞候補者の推薦依頼 ………………241
2021年秋期講演大会の外国人特別講演および招待講演募集…………………………………………………………………242
第16回 JIM/TMS Young Leader International ScholarAward 募集案内 …………………………………………………242

掲示板 ……………………………243 会誌・欧文誌 4 号目次 …………245
新入会員 …………………………244 行事カレンダー …………………246
次号予告 …………………………244

事務局 渉 外 ・ 国 際 関 係secgnl＠jim.or.jp
会員サービス全般account＠jim.or.jp
会費・各種支払member＠jim.or.jp
刊 行 物 申 込 みordering＠jim.or.jp
セミナーシンポジウム参加申込みmeeting＠jim.or.jp
講 演 大 会annualm＠jim.or.jp
総 務 ・ 各 種 賞gaffair＠jim.or.jp
学術情報サービス全般secgnl＠jim.or.jp
調 査 ・ 研 究stevent＠jim.or.jp
まてりあ・広告materia＠jim.or.jp
会 誌 ・ 欧 文 誌editjt＠jim.or.jp

投稿規程・出版案内・入会申込はホームページをご利用下さい．

会

告(ホームページもご参照下さい)

第回定時社員総会開催案内
第85回定時社員総会を下記の通り開催いたします．
社員総会の構成員は定款上の社員である「代議員」となります．
日時 年月日(金) ～
場所 日本金属学会事務局(仙台市青葉区一番町 11432)および web
報告事項
1. 2020年度事業報告及び事業報告の附属明細書の報告の件
協議事項
第 1 号議案
第 2 号議案
第 3 号議案
第 4 号議案
第 5 号議案
問合先

2020年度決算承認の件
2021, 2022年年度代議員及び補欠代議員承認の件
2021, 2022年年度理事及び補欠理事一括選任承認の件
2021, 2022年年度理事及び補欠理事選任の件
2021, 2022年年度監事選任の件(公社)日本金属学会

 0222233685

Email: secgnl＠jim.or.jp

第回技術賞，第回功績賞，第回谷川・ハリス賞，
第回増本量賞，受賞候補者推薦依頼～Web フォームによる推薦になりました～
技術賞，功績賞，谷川・ハリス賞，増本量賞，の各受賞候補者の推薦をお願いいたします．本会では多数の優秀な候補者を表彰し奨学に資したいという考えから，広く一般会員からの推薦(3 名連名の正員)を求めております．下記要領により積極的にご推薦下さい．
＊候補者本人による推薦書の提出は認めておりません．
推薦を求める賞(2022年 3 月に受賞予定)
技術賞(第回)
功
績
推薦締切
候 補 者
推薦資格
推薦方法
問 合 先

賞(第回)

谷川・ハリス賞(第回)

各賞共通 年月日(水)各賞共通 個人を対象とします．
各賞共通 本会代議員 1 名または，正員 3 名による推薦
Web フォームより推薦内容を入力下さい．
〒9808544 仙台市青葉区一番町 11432(公社)日本金属学会 各種賞係  0222233685

ま て り あ 第60巻 第 4 号(2021)
Materia Japan増

FAX 0222236312%

本量賞(第回)Email: award＠jim.or.jp




■第
回技術賞
主

旨

推薦要領

推薦方法
.

推薦フォーム金属およびその関連材料に関する工業技術の進歩

推薦者資格を選択する．

発展に貢献した者に授賞するものです．受賞対象

入力項目は，全て必須．
応募部門2 部門から該当する部門を選択する．

者は所属および年齢に制限が設けられております．
候補者の対象 年の月日時点で歳以上かつ勤務先

最終学歴卒業年次および学校名(学部名)を入力，まが民間企業の研究者・技術者．

た，大学院修了者は修了年次と大学名も併せて入力す

本会代議員 1 名または，正員 3 名による推薦る．

下記 URL の推薦フォームにより入力して下さい．

本会活動への貢献本会の委員会，シンポジウム企

推薦資格
推薦方法
.

画，セミナー企画，論文投稿等の活動実績を 300 字以

推薦フォーム内で入力する．

推薦者資格を選択する．
入力項目は，全て必須．

.

業績の大要と推薦理由 1,000 字以内にまとめ，入力

.

論文リストおよび特許リスト

する．

最終学歴卒業年次および学校名(学部名)を入力，また，大学院修了者は修了年次と大学名も併せて入力す 論文リストページのヘッダに候補者名および勤務先◯る．

名を明記し，特に主要な論文を「原著論文」「解説論本会活動への貢献本会の委員会，シンポジウム企文」「国際会議論文」に分別し，計15編以内を選び，画，セミナー企画，論文投稿等の活動実績を300字以

論文題目，発表誌名，巻号頁，共著者を入力する．

内で入力する．
.

 特許リストページのヘッダに候補者名および勤務先◯

業績の大要と推薦理由 1,000字以内にまとめ，入力名を明記し，特に主要な取得済特許の番号，題目，発する．
.

論文リストおよび特許リスト
 論文リスト特に主要な論文を「原著論文」
「解説論
◯

文」
「国際会議論文」に分別し，論文題目，発表誌名，巻号頁，共著者を入力する．

明者，登録日を入力する．
※技術部門は，論文リストおよび特許リスト計 15 編以内を
入力する．
審査基準
学術部門

 特許リスト特に主要な取得済特許の番号，題目，発◯いるか

この賞の審査基準は，下記の通り



工業技術の改良進歩などに大きな業績を残したか

工業技術の改良進歩などに大きく貢献する特許を取得
有用な技術を実用化したか


その技術の社会への影響度は大きいか

その技術は社会に広まっているか

登録完了

学術の進歩につながる学術上特に優れた成果(論文等)を上げたかしたか

創造性・独創性に富み，卓越した研究業績を上げて

明者，登録日を入力する．
審査基準




工業技術の発展につながる有益な発明をしたか

将来更なる研究の発展が見込まれ，世界をリードする研究者に成長すると期待されるか
金属学会の活動に貢献しているか．




技術部門

推薦者のメールアドレス宛に登録完了通知を送信

新規性・進歩性の高い卓越した業績を上げているか

します．




工業技術の発展につながる特に優れた製品や製造方推薦締切 年月日(水)推薦 URL

旨法等を開発したか

https://gijutsushou.jim.or.jp/entry

■第
回功績賞
主

この賞の審査基準は，下記の通り

工業技術の発展につながる有益な発明をしたか

将来更なる発展が見込まれ，世界をリードする技術者に成長すると期待されるか推薦要領

金属およびその関連分野の学術または工業技術の

金属学会の活動に貢献しているか．




登録完了

推薦者のメールアドレス宛に登録完了通知を送信

進歩発達に寄与する有益な論文を発表したものまします．

たは有益な特許を取得したもので，しかも将来を推薦締切 年月日(水)約束されるような新進気鋭の研究者・技術者に授推薦 URLhttps://kouseki.jim.or.jp/entry

賞するものです．「学術」部門の受賞対象者には年齢制限が，「技術」部門の受賞対象者には所属■第回谷川・ハリス賞の制限が設けられております．
主候補者の対象｢学術」部門受賞年度の年月日時点で歳以下

旨

推薦要領

次の各号に該当する優れた研究業績で構造材料分野または高温プロセスに関連する金属および関連の研究者．

材料分野の学術または工業技術の発展に貢献する｢技術」部門企業の研究者または技術者．

ことが大であると認められた者に授賞するもので

対象部門

学術部門，技術部門の 2 部門

す．受賞対象者には年齢制限が設けられておりま

推薦資格

本会代議員 1 名または，正員 3 名による推薦

す．



本 会 記 事

鉄鋼，非鉄等金属の製錬・精錬

最終学歴卒業年次および学校名(学部名)を入力，ま

金属材料の熱処理に関連する研究

た，大学院修了者は修了年次と大学名も併せて入力す

金属および非金属の耐熱材料に関する研究

る．




構造材料分野またはその他高温プロセスに

本会活動への貢献本会の委員会，シンポジウム企おける金属学に関する工業的あるいは基礎

画，セミナー企画，論文投稿等の活動実績を 300 字以的研究

内で入力する．

候補者の対象 年の月日時点で歳以上の研究者．
推薦資格

業績の大要と推薦理由

1,000 字以内にまとめ，入力

する．
.

推薦方法
.

.

本会代議員 1 名または，正員 3 名による推薦

論文リスト

ページのヘッダに候補者名および勤務先名を明記し，特に主要な論文を「原著論文」「解説論推薦フォーム推薦者資格を選択する．

文」「国際会議論文」に分別し，計20編以内を選び，

入力項目は，全て必須．

論文題目，発表誌名，巻号頁共著者を入力する．

最終学歴卒業年次および学校名(学部名)を入力，ま審査基準た，大学院修了者は修了年次と大学名も併せて入力す

機能材料分野で卓越した新素材の発明・発見をしたか

この賞の審査基準は，下記の通り

る．




当該分野で学理または技術の進歩発展に貢献したか本会活動への貢献本会の委員会，シンポジウム企

当該分野で学術上の意味が大きい論文を発表したか画，セミナー企画，論文投稿等の活動実績を300字以

当該分野で効果が大きい重要な発明をしたか内で入力する．



金属学会の活動に貢献しているか

.

業績の大要と推薦理由 1,000字以内にまとめ，入力

登録完了

する．
.

推薦者のメールアドレス宛に登録完了通知を送信
します．

論文リストページのヘッダに候補者名および勤務先

推薦締切 年月日(水)名を明記し，特に主要な論文を「原著論文」「解説論推薦 URLhttps://masumoto.jim.or.jp/entry

文」「国際会議論文」に分別し，計 20編以内を選び，
論文題目，発表誌名，巻号頁共著者を入力する．
審査基準



この賞の審査基準は，下記の通り

第回研究技能功労賞受賞候補者の推薦依頼

構造材料分野で金属および関連材料の学術および工業技術に関して格段の業績をあげたか

高温に関連する製錬・精錬，熱処理，耐熱材料，高温

推薦締切日 年月日(水)物性，高温における金属学等における金属および関連主

旨

多年にわたり卓越した技術により金属の試験およ

材料の学術および工業技術に関して格段の業績をあげ

び研究上欠くべからざる装置の製作，試料調整，たか測定および分析などを通じて他の方々の研究成果



当該分野で学術または技術の進歩発展に貢献したかに大いに貢献し，しかも研究論文などに協力者と

当該分野で学術上の意義が大きい論文を発表したか

して名前も出ないいわゆる「かげの功労者」に対

当該分野で効果が大きい重要な発明をしたかして授賞するものです．受賞対象者には年齢制限



金属学会の活動に貢献しているか

登録完了

推薦者のメールアドレス宛に登録完了通知を送信

通算30年以上実務に従事した方．

します．
推薦締切 年月日(水)推薦 URLが設けられております．
候補者の対象https://tanikawa-harris.jim.or.jp/entry年の月日時点で歳以上の方．
研究遂行上「かげの功労者」として多年にわたり功績著
しい方．

■第
回増本量賞
主旨

推薦要領

を通じて研究者の研究成果に大いに貢献した方．

により貴重な研究業績を挙げて同分野の学理また

企業体において経営者およびそれに準じない人．

は技術の進歩進展に貢献することが大であると認管理職(民間企業および行政職の公務員では「課長」以められた者に授賞するものです．受賞対象者には上)でない人が望ましいが，管理職の場合には事情説明

年齢制限が設けられております．

書を添付する．

本会代議員 1 名または，正員 3 名による推薦

推薦方法
.

からざる装置の製作，試料の調整，測定および分析など

機能材料分野で卓越した新素材の創出または発見

候補者の対象 年の月日時点で歳以上の研究者．
推薦資格「かげの功労者」とは，金属の試験および研究上欠くべ

推薦フォーム推薦資格

本会代議員または支部長

提出書類(推薦書様式は下記 URL にてダウンロードして下さい)

 推薦書
◯

候補者の要件を確認の上，ご推薦願います．

 推薦理由ならびに実務における功労◯推薦者資格を選択する．

A4 版 1 頁( 700 字～ 1,000 字程度)にまとめ，別紙として

入力項目は，全て必須．

下さい．

ま て り あ 第60巻 第 4 号(2021)
Materia Japan




招待講演

送付方法

講演者有益な講演が期待される国内に滞在する外国人

｢研究技能功労賞候補者推薦」と明記の上，下記宛てに研究者とする．

Word 添付書類で送信下さい．

登録完了
問 合 先

推薦者のメールアドレス宛に登録完了通知を送信

講演時間15分(討論 5 分)します．

採択件数5 件程度(公社)日本金属学会
 0222233685

滞在費補助なし

各種賞係

FAX 0222236312%

その他大会参加費免除

Email: award＠jim.or.jp

推薦用紙

推薦書 URLhttps://data.jim.or.jp/kenkyu_ginou/

所定様式(ホームページからダウンロード下さい)により，下記メールアドレス宛に「外国人特別講演推薦」と明記しお送り下さい．送信後 2～3 日過ぎても受理メールの無い場合


年秋期講演大会の外国人特別講演・招待講演募集

はお問合せ下さい．
推薦書提出期日 年月日(金)照会・推薦書提出先

特別講演〒9808544 仙台市青葉区一番町 11432

講演者著名な外国人研究者とする．

(公社)日本金属学会

講演時間30分(討論10分)

 0222233685

採択件数3～4 件

詳滞在費補助10,000円×5 日(上限日数)

細国際学術交流委員会宛Email: stevent＠jim.or.jp

まてりあ60巻 3 号(194頁)
ホームページ講演大会→ 2021 年秋期講演大会

その他大会参加費免除，懇親会招待のご案内

第回 JIM/TMS Young Leader International Scholar Award 募集案内
募集要領
応募資格

 日本金属学会の正会員で派遣時点に満35歳以下であり，本会活動に熱意のある人．
◯
 日本金属学会の機関誌に論文が掲載されたか，または講演を発表した経験があり，かつ英語で講演発表ができる◯人．
 日本金属学会の若手世代の代表として，責任ある行動がとれる人．
◯

若干名(1～2 名)/1 回

派遣人数
応募手続き
応募書類

所定の様式により必要事項を記入の上，事務局まで Email でご送信下さい．
推薦書
 推薦理由(400字程度)◯
 論文および講演発表の業績リスト5 編程度◯

国際口頭発表リスト5 編以内
 TMS 主催の講演大会で発表予定の論文タイトルとアブストラクト(英語で400 word 程度)◯
 本会における若手研究者活動の活性化に対する抱負(英語で400 word 程度)◯
 TMS 主催の講演大会で参加・発表して得られると期待される成果(英語で300 word 程度)◯
 米国での大学・研究所・企業などの訪問計画予定(先方との事前コンタクトは不要)と目的◯

本会補助

派遣費用上限30万円．ただし，TMS への派遣に合わせて北米内の大学・研究機関等を訪問する場合は上限40万円．

推薦書締切年月日(木)提出先〒9808544 仙台市青葉区一番町 11432(公社)日本金属学会「Young Leader」係
 0222233685

詳



細

FAX 0222236312%

Email: stevent＠jim.or.jp

まてりあ60巻 3 号189頁

本 会 記 事お知らせ

〈公募類記事〉
無料掲載募集人員，締切日，問合先のみ掲載．
有料掲載1/4頁(700～800文字)程度．
「まてりあ」とホームページに掲載15,000円＋税ホームページのみ掲載
10,000円＋税〈その他の記事〉 原則として有料掲載．
原稿締切・掲載号毎月 1 日締切で翌月号 1 回掲載
原稿提出方法電子メール(受け取りメールの確認をして下さい)原稿送信先%FAX 0222236312 Email : materia＠jim.or.jp◇第回本多記念賞，第回本多フロンティア賞
及び第回本多記念研究奨励賞受賞者◇
公益財団法人

本多記念会

本多記念会は，令和 3 年 2 月 5 日開催の第181回理事会において，令和 3 年度の第 62 回本多記念賞，第 18 回本多フロ
ンティア賞，第 42 回本多記念研究奨励賞の受賞者を決定しましたので，お知らせいたします．

公

なお，贈呈式は， 令和年月日(金)時分より，

募

東京・神田

◇北海道大学大学院工学研究院 材料科学部門 教員公募◇
募集人員 助教名 (任期付)所
属 材料科学部門 エネルギー材料分野
専門分野 高温の材料化学・腐食科学を背景として物理化学，材料学に基づいた，高温過酷環下で使用される耐高温酸化・腐食材料，コーティングや耐熱材料に関する研究分野
担当講義 大学院における材料科学専攻の演習科目，総合教育部における実験及び演習，学部における応用マ
テリアル工学コースの専門科目(材料工学実験及び演習科目を含む)．
 着任時に博士の学位または PhD を有する方
応募資格 
 経験は問わないが，上記専門分野に関する研究
と教育に意欲のある方
 日本語と英語のいずれによっても教育・指導が
できる方
採用予定日 令和 3 年10月 1 日以降のできるだけ早い時期
任期 5 年(ただし，業績審査により，任期の定めのない教員となることがある)
勤務時間等 月～金曜日・裁量労働制( 8  30 ～ 17  00 を基本)・休憩時間45分
公募締切 令和年月日(水)必着 履歴書，
 研究業績目録， 教育実績( ―
提出書類 
 主要論文 3 編の写し各 1は所定の書式あり)，
採用された場合の研究計画(2,000字程度)，部， 採用された場合の教育に対する抱負( 1,000 字 本人について参考意見を伺える方 2 名程度)，
の氏名・所属・連絡先
提出方法 封筒表面に「材料科学部門助教公募202036」と朱記し，書留で郵送して下さい．応募書類は原則として返却いたしません．なお，応募書類は教員選考の目的以外には使用いたしません．
応募書類送付先〒0608628 札幌市北区北13条西 8 丁目
北海道大学工学系事務部
総務課(人事担当)
 0117066156，6117，6118
問合せ先 〒0608628 札幌市北区北13条西 8 丁目
北海道大学大学院工学研究院 材料科学部門部門長 大野宗一
 0117066344
Email: mohno＠eng.hokudai.ac.jp
提出書類等の詳細につきましては以下の web サイトを参照
下さい．
https://www.eng.hokudai.ac.jp/graduate/research/recruit/

ま て り あ 第60巻 第 4 号(2021)
Materia Japan.

学士会館 で行う予定です．

第回本多記念賞(本賞

金メダル，副賞 万円)

受賞対象研究

金属磁性体における量子輸送現象の理論研究

氏

名

理学博士

現

職

(国研)理化学研究所創発物性科学研究センター副センター長

.

ながおさ

なお と

永長

直人

第回本多フロンティア賞(褒賞金各万円)

受賞対象研究

水素化物の新たな機能開拓とエネルギーデバイスへの応用氏

名博士(学術)

現職

東北大学材料科学高等研究所所長・教授

おり も

しんいち

折茂

慎一

受賞対象研究

金属材料学を基軸とした骨基質配向化機構解明と制御法の
確立

氏

名

博士(工学)

現職

大阪大学大学院工学研究科教授

.

なか の

たかよし

中野

貴由

第回本多記念研究奨励賞(褒賞金各万円)

受賞対象研究マグネシウム合金の変形・破壊メカニズムとその高機能化に関する研究氏

名

博士(工学)

現職

東北大学大学院工学研究科助教

あんどう

だいすけ

安藤

大輔

受賞対象研究原子分解能電子顕微鏡法によるセラミックスの点欠陥構造
解析

氏

名

博士(工学)

現職

東京大学大学院工学系研究科特任准教授

いしかわ

りょう

石川

亮

受賞対象研究マルチスケール組織解析を活用した金属材料の高性能化の指導原理の構築氏

名

博士(工学)

現職(国研)物質・材料研究機構主幹研究員

さ さ き たいすけ

佐々木泰祐

受賞対象研究半導体と金属の固相反応と薄膜デバイス応用に関する研究

氏

名

博士(工学)

現職

筑波大学数理物質系物理工学域准教授

と こう

かおる

都甲

薫

受賞対象研究

プリンテッドエレクトロニクス用の伸縮性・光透過性銀電極に関する研究氏

名

博士(工学)

現職(国研)理化学研究所専任研究員

ふく だ けん じ ろう

福田憲二郎




助

.

成

応募資格者
日本の国公私立大学または公的研究機関に勤務(常勤)する研究者であって国籍は問わない．なおグループでの研究の場◇年度 技術研究助成 募集要項◇
公益財団法人 JFE21世紀財団

合，代表研究者以外の共同研究者は 3 名以内で，大学院生
および外国の大学，日本の他の大学や公的研究機関に所属す.

助成対象となる研究る研究者も可とする． 2018～ 2020 年度の本研究助成を代表研究者として受領した者は，代表研究者としての応募はでき

鉄鋼技術研究鉄鋼材料，製造プロセス，鉄鋼副産物を対象とない．

する基礎/応用研究.

計測・制御・分析・計算科学・数値解析等で鉄鋼を対象と申請の手続き本財団ホームページ( HP )の申請様式に記入し， HP 内のする関連技術や生産技術の研究を含む．

申請画面から財団に送信する．

地球環境・地球温暖化防止技術研究地球環境保全と地球温暖化防止を目的とした技術開発を対象とするエンジニアリン

財団 HPhttp://www.jfe-21st-cf.or.jp

グ(工学)に関係する基礎，応用技術の研究受付開始4 月19日(月)締切月日(金)＊研究分野の範囲は，財団 HP 掲載の募集要項別紙「研.

究分野分類表」をご覧下さい．

審査・選考と助成研究(者)の公表
7 月～ 9 月に財団審査委員会で審査・選考を行い， 9 月末

.

頃に応募者に結果を通知する．同時に財団 HP 等で，助成研助成件数と助成金額

究者と研究テーマを公表する．
件数 25件(原則)(200万円/件)

鉄鋼技術研究概ね12～13件
地球環境・地球温暖化防止技術研究 概ね12～13件＊詳細は財団 HP  http: // www.jfe-21st-cf.or.jp をご覧下さ
い．

.

研究期間

＊お問合せ先(財団事務局)

原則 1 年間(2022年 1 月研究開始・同年12月終了・2023年

 0335974652

Emailzai21c＠jfe-21st-cf.or.jp

1 月報告書提出)．但し， 1 年間を上限として延期・延長は可(その場合2024年 1 月報告書提出)

◇

◇

◇

(2021年 1 月21日～2021年 2 月19日)

正
秋山茂範
李
仁鎬

員
株式会社ジーシー

大熊

学

田中章裕

研究機構

国立研究開発法人物質・材料

牧野勝彦

愛三工業株式会社

研究機構

国立研究開発法人物質・材料

三菱重工業株式会社

外国一般会員CASTEL LERO ALBERTO

University of Turin

◇

まてりあ

◇

第
巻号

［紹
介］ 2021年春受賞者紹介，2021年度新役員紹介［学会賞受賞記念講演］ 高力学的生体適合性金属系バイオマテリ
アルのさらなる展開 ……………新家光雄［本多記念講演］ 金属間化合物を利用した高温構造材料の状態図に基づいた組織設計指導原理と結晶粒界の役割……………………………………………竹山雅夫



◇

予告

［金属素描］ No.16 モリブデン［講義ノート］ 金属製錬反応の速度論 ―プロセスシミュレー
ション― ……………………………………北村信也―他―
編集の都合により変更になる場合があります

本 会 記 事Investigation of Ductile Fracture Mechanism inMultipass Drawing of Hollow Specimen

日 本 金 属 学 会 誌 掲 載 論 文

Akira Shiga, Tomohiro Yamashita, Yutaka Neishi andOsamu Umezawa

Vol. 85, No. 4（2021）―論文―

AZ31マグネシウム合金高温圧延材に対する曲げ引張り加工が集合組織形成・室温成形性に及ぼす影響
石黒雄也

黄

新

塚田祐貴

小山敏幸

超微細球状黒鉛鋳鉄

Ryohei Homi and Hiroshi Utsunomiya

千野靖正

レーザフォーミングにおける変形の相互干渉に及ぼす曲線状加熱の順序の影響
秋山哲也

Formation of NiAl Intermetallic Compound from
Powder Mixture of Nickel and Aluminum by Laser
Ryo Matsumoto, Shota Komaki,
Irradiation

北村貴典

井筒亮介

前田雄太

糸藤春喜

枝根和也
板村正行

小谷友勝
安斎浩一

DyMnO3 の過冷却融液からの急速凝固における核形
成律速相選択Mechanical Behavior of Graphite-Reinforced Aluminum Alloy Composite via Friction Stir ProcessTomonobu Owa, Yasuo Shimizu, Shoji Kaiume anding
Yoshio Hashimoto
Engineering Materials and Their Applications

Tool Wear and Wear Mechanism of Carbide Tool in
Si Alloy Diecastings
Cutting Al

小澤俊平

Masahiko Shioda, Tatsuhiko Mochizuki and
Yukihiro Kishimoto

Ni 過剰 TiNi 合金に生成する非金属介在物相の安定性に及ぼす Ni 濃度と C/O 比の影響

Work Softening Phenomena in Al
Fe Alloys: The
Impurity-Scavenging Effect of the u-Al13Fe4 Phase

早坂

燿

山下史祥

栗林一彦

副島洋平

白鳥

英

赤嶺大志

西田

稔

Materials Transactions 掲載論文
Vol. 62, No. 4（2021）―Regular Article―
Materials Physics

Adsorption of Cs＋ Ion into Di- and Tri-Octahedral
Vermiculites as Demonstrated by ClassicalAkira Takeuchi
Molecular Dynamics Simulation
Mechanics of Materials

Tensile Deformation Behavior of High-Strength
Nanostructured Cu Si Solid-Solution Alloys
Processed by Severe Plastic Deformation
Takahiro Kunimine, Yohei Tomaru, Minami Watanabe and
Ryoichi Monzen

Effects of Yttrium Addition on Bending Deformation Behavior of Magnesium Single Crystals
Kenta Oka, Ryota Fukumori, Masayuki Tsushida,
Hiromoto Kitahara and Shinji Ando
Materials Chemistry

Effects of Fe3＋ on the Corrosion Behavior of HighPurity Aluminum in Neutral Solutions Containing
Ippei Shinozaki, Yohei Sakakibara, Gen Nakayama,Cl－
Eiji Tada, Azusa Ooi and Atsushi Nishikata
Materials Processing

Numerical Analysis of Fillet Shape and Molten
Si Alloy ofFiller Flow during Brazing in the Al
Hirokazu Tanaka
Automotive Radiator

ま て り あ 第60巻 第 4 号(2021)
Materia Japan

Toshihiro Hara, Daisuke Egusa, Mami Mihara,
Hiroki Tanaka, Ikuo Ohnuma and Eiji Abe

Evaluation of Bonding Strength and Interfacial
Resistance of Diffusion-Bonded Ag/Si Interfaces
Yasutaka Hashimoto, Takafumi Kojima and Teruyuki Ikeda

Lamellar Structure Stability of a Two-Phase aMg2Ca Alloy
Mg/C14
Shuntaro Abe, Koji Oishi and Yoshihiro Terada
Environment

Genetic Algorithm Based Automatic Input
Parameter Calibration Method for the Discrete
Element Modeling of Vibration Feeders
Jun Katagiri, Takao Ueda, Naohito Hayashi and
Shigeki Koyanaka―Technical Article―
Corrosion of Polycrystalline Wool by Na2CO3
Takuya Naeshirozako, Nobuyuki Takeuchi,
Vapor
Masaru Sugiyama and Hiroyuki Terada―Current Trends in Research―
Recent Advances in Indentation Techniques andTheir Application to Mechanical Characterization
Takahito Ohmura―Express Rapid Publication―
Low-Temperature Micro-Fracture Toughness Testing of Grain Boundaries in Steel
Yusuke Shimada, Kosei Harada, Yoji Mine,
Masahide Yoshimura and Kazuki Takashima
Announcement




行
開催日

事

カ

名称・開催地・掲載号


年月
セ ラ ミ ッ ク ス 大 学 2021 ( CEPRO2021 ) ( Web 開
15～11.6(全 7 回) 催)

レ

ン

主催

ダ

ー 太字本会主催(ホームページ掲載)
問合先

締切

15～16

軽金属学会第140回春期大会(Web 開催)

日本セラミックス TEL 033362
5231
協会
cersj-kyouiku＠ceramic.or.jp
http://www.ceramic.or.jp/
軽金属学会
https://www.jilm.or.jp/convention/index

19～20

第 7 回岩崎コンファレンス(Web 開催)

日本磁気学会TEL 0352810106
msj＠bj.wakwak.com

4.30

19～20

第37回希土類討論会(松山)日本希土類学会

TEL 0668797352
kidorui＠chem.eng.osaka-u.ac.jp
http://www.kidorui.org/

発表
1.22

20

ナノ学会第19回大会(名大)ナノ学会

21, 28

第 6 回マルチスケール材料力学シンポジウム(Web 開催)
トライボロジー会議 2021 春 東京 ( Web 開催)

日本材料学会

nano19＠mtg-officepolaris.com
https://mtg-officepolaris.com/nano19/
http://www.jsms.jp

24～26

24～30

第414回講習会「製造現場での IoT 活用術―今日から始めるひと工夫―」(Web 開催)

日 本 ト ラ イ ボ ロ TEL 033434
1926
ジー学会
jast＠tribology.co.jp
http://www.tribology.jp/
精密工学会
TEL 0352265191
https://www2.jspe.or.jp/

26～28

第26回計算工学会講演会(北九州)

日本計算工学会28

腐食防食部門委員会第335回例会(Web 開催)

日本材料学会


年月
3～5
2021年度塑性加工春季講演会(Web 開催)
日本顕微鏡学会第77回学術講演会(つくば)
14～16

30

第241回西山記念技術講座
先端鉄鋼製精錬プロセス技術における基礎と実践研究(Web開催)

日本実験力学会2021年度年次講演会(弘前大)


年月
～
日本金属学会秋期講演大会(名城大)(予定)

8 ～10

2021年度工学教育研究講演会(信州大)5.21

日本塑性加工学会 http://www.jstp.or.jp
日本顕微鏡学会
TEL 0364575156
jsm-post＠microscopy.or.jp
http://conference.wdc-jp.com/microscopy/
conf2021/index.html
日本鉄鋼協会TEL 0336695933
educact＠isij.or.jp
https://www.isij.or.jp/


年月
5～8
The 7th International Conference on the 粉体工学会
Characterization and Control of Interfaces forHigh Quality Advanced Materials (ICCCI2022)(富士吉田)

年月
日本機械学会関東
192021茨城講演会(茨城大)
支部

25～27

TEL 0338688957 conf.office＠jsces.org
http://www.jsces.org/koenkai/26/
TEL 0757615321 jimu＠jsms.jp
https://www.jsms.jp

事前
4.15
5.10

日本実験力学会

http://ceramics.ynu.ac.jp/iccci2022/index.
html
iccci2022＠ynu.ac.jp

TEL 0294385046
ibakouen＠ml.ibaraki.ac.jp
TEL 0172393553
annual21＠jsem.jp
http://www.jsem.jp/

TEL 0222233685 FAX 0222236312
annualm＠jim.or.jp
日 本 工 学 教 育 協 TEL 035442
1021
会・川上
kawakami＠jsee.or.jp
http://www.jsee.or.jp/
日本金属学会年月
3～6
The 16th International Symposium on Advanced 日本実験力学会・ TEL 0253689310
Science and Technology in Experimental 小林(新潟大)
office-jsem＠clg.niigata-u.ac.jp
Mechanics(Vietnam)
http://isem16.imech.ac.vn/
28～12.2
The 9th International Symposium on Surface 日本表面真空学会 isss9＠jvssjp
Science (ISSS9)(高松)https://www.jvss.jp/isss9/年月エコデザイン学会 ecodesign2021_secretariat＠ecodenet.com
1～3
EcoDesign2021(奈良)連合
http://ecodenet.com/ed2021/

8 ～10

第47回固体イオニクス討論会(徳島)13～17Materials Research Meeting 2021(MRM2021)
(横浜)


年月
第 18 回アルミニウム合金国際会議( ICAA18 )(富
4～8
山)



日本固体イオニク TEL 088
6567577
ス学会
nakamura.o.koichi＠tokushima-u.ac.jp
https://www.ssi-j.org/symp/ssij47/index.
html
日本 MRSTEL 0362649071
info_mrm＠jmru.org
https://mrm2021.jmru.org/
軽金属学会

http://www.icaa18.org/

本 会 記 事

〈訂

正〉

まてりあ

第60巻(2021) 第 1 号 41頁“あのころ”のまてりあ「日本金属学会創立の裏話」

本記事の左段下 2 行目から右段 2 行目にかけて「・・・日本鉱業会という学会が工学関係の学会でもっとも古い学会らしく，機械学会や電気学会はこの
日本鉱業会から分岐して設立されてきた，というような話も出てきます．」との記述がありましたが，このような事実はございませんでした．
案内人による記事の内容は過去の本誌記事を基に書かれたものですが，歴史的事実は異なりました．
正しくは，「我が国の工学関係の最初の学会は 1879 年に設立された工学会(現・日本工学会)で，その後，各専門分野の研究が盛んとなり専門別の学会が設置され始め，電気学会，機械学会などが創立された．」という表現が適しておりました．
お詫びと共に訂正いたします.
重要なご指摘をくださった会員殿に感謝申し上げます.
日本金属学会会報編集委員会

◇

◇

◇

公益社団法人日本金属学会の組織図

ま て り あ 第巻 第号（） 発行日
発行所

2021年 4 月 1 日

公益社団法人日本金属学会〒9808544 仙台市青葉区一番町一丁目1432
TEL 0222233685 FAX 0222236312

ま て り あ 第60巻 第 4 号(2021)
Materia Japan

発
印
発

定価,円(本体,円＋税)送料円
行
刷
売

人
所
所

山村英明
小宮山印刷工業株式会社
丸善雄松堂株式会社〒1600002 東京都新宿区四谷坂町 1010Materials Transactions 投稿の手引き
Materials Transactions(Mater. Trans.)への投稿は，次の要件を満たさなければならない．
(1) 英文であり，未掲載および他のジャーナルに投稿中でないことかつオリジナリティがあること(Materials Transactions
審査及び査読規程に定める範囲において，重複を認める場合がある)．
(2) 金属とその関連材料の学術および科学技術の発展に寄与するものであること．
(3) 投稿規程に合致するものであること．
(4) 別に定める執筆要領に準拠して作成された原稿であること．
(5) 論文の著作権を本会に帰属することに同意すること．
(6) 掲載が決定した場合は，この規程に定める投稿・掲載料を支払うこと．
(7) 研究不正行為および研究不適切行為をしないことならびに研究不正行為をした場合は本会の定めるところにより処分
を，研究不適切行為をした場合は本会の定めるところにより措置を受けることに同意すること．
(8) 投稿原稿を作成する基となった生データ，実験・観察・研究ノート，実験試料・試薬等の研究成果の事後の検証を可能とするものを論文掲載後 5 年間保存することに同意すること．

.















Mater. Trans. に投稿可能な論文
Regular Article(10頁以内)
金属及びその関連材料の理論，実験並びに技術などに関する学術上の成果を報告し，考察した原著論文で，科学・技術的に質の高い，新規な興味ある内容(結果，理論，手法等)が十分含まれている論文．
日本金属学会誌の学術論文または速報論文に Web 掲載
後 2 年以内であれば，著者および内容が基本的に同一の場合に限り，英訳した論文を投稿できる．その事を脚注に明記する．ただし査読の結果，返却もあり得る．
なお，著者が迅速掲載を希望し，追加費用を負担する場
合は，査読期間短縮を含め迅速掲載のための処理を行う．
Review(15頁以内)
各専門分野の研究開発の背景や最近の状況及び今後の展望等について，重要な文献を引用して，各専門分野の専門家のみならず他分野の専門家や学生等も対象に，その概要を公正にかつわかりやすく解説する論文．日本金属学会誌およびまてりあに Web 掲載後 2 年以内であれば投稿ができる．その事を脚注に明記する．また，日本
金属学会誌およびまてりあ掲載論文と異なる部分がある
場合は，その事を脚注に明記する．
Overview(15頁以内)
単なる一般的な review ではなく，執筆者独自の考えに立って review し，取り上げた問題点の中において自説の位置付けを明確にした論文．ただし，事前に「タイトル」「氏名」「要旨」を編集委員会に提出し，了承を得た後，投稿する方式とする．日本金属学会誌およびまてりあに Web 掲載後 2 年以内であれば投稿ができる．その事を脚注に明記する．また，日本金属学会誌およびまてりあ掲載論文と異なる部分がある場合は，その事を脚注に明記する．
Technical Article(10頁以内)
金属およびその関連材料の実験技術，製造技術，設備
技術，利用技術など，技術上の成果，基準，標準化，データベースなど，および関連する事柄の調査，試験結果を報告した原著論文．
日本金属学会誌もしくはまてりあに Web 掲載後 2 年以内であれば，著者および内容が基本的に同一の場合に限り，英訳した論文を投稿できる．その事を脚注に明記する．ただし査読の結果，返却もあり得る．
Current Trends in Research(10頁以内)
特集企画や受賞論文等を対象にした最近の研究動向について，関連論文を引用し，Graphical Abstract 等を利用しながらその概要をわかりやすく紹介する論文．

Express Rapid Publication(4 頁以内)
速報を要する短い論文．すなわち，新規性のある研究
成果，技術開発に関する新知見，新アイディア，提案
等．最短 2 週間で審査を完了する．迅速掲載のための費用を負担しなければならない．
 Opinion(2 頁以内)

Materials Transactions に掲載された論文に対する意
見，討論またはそれに対する著者からの回答とする．科
学・技術的な発展に貢献できる内容であること．
 その他理事会で決議した分類. 投稿の方法
Mater. Trans. へ の 投 稿 は https: // mc.manuscriptcentral.com/matertrans にて原稿を提出する．
和文掲載済み論文の英訳論文の場合には，和文掲載済み論
文 PDF も送付する．
. 原稿
執筆要領に従って原稿を作成し指定のファイル形式に変換したものを提出する．
3.1 記載内容
 題目・著者名・研究機関，◯
 英文概要・ Keywords，◯

◯
謝辞，◯
文献，◯
 Appendix，◯
表・図説明一覧，
本文，◯
 その後に各別紙の表・図を添付する．
◯
3.2 単位
SI 単位を使用する．
3.3 引用文献・脚注
通し番号で 1,2) ，あるいは 36) のように表し，本文の末尾に一括記載する．著者名，誌名はすべて英語表記する(特に決まっていないものはローマ字表記する)．
. 審査
投稿された論文は欧文誌編集委員会の独自の審査を経て欧文誌に掲載される．編集委員会から原稿の修正を求めら
れ，あるいは返却されることがある．
. 校正
初校は著者の責任で行う．著者校正は原則として 1 回とし，誤植の修正に限る．
. 投稿者負担金
6.1 投稿・掲載費用を支払う(公開日から 1 年間有効の電子ジャーナル購読権 ID/Password を寄贈)．
6.2 カラー図表掲載を希望する場合は実費を負担する．
(1 図表当り1,00円)※オンラインジャーナルのみ(冊子・別刷はすべてモノク
ロ表示)．
6.3 Regular Article の迅速掲載費用11,000円．
公益社団法人日本金属学会

欧文誌編集委員会

2021年 4 月 1 日発行「まてりあ」