寄附講座（DOWA ホールディングス） Endowed Division (Dowa Holdings Co., Ltd.)
Geosphere Environment
Study of Functional Materials

先進社会環境学専攻

地圏環境政策学分野
環境材料政策学分野
環境物質政策学分野

Control of Environmental Materials

環境調和型新素材素子製造と新たな資源循環システムを目指して教授 白鳥 寿一

教授 鳥羽 隆一

准教授 下位 法弘

助教 大橋 隆宏

Professor

Professor

Associate Professor

Assistant Professor

Toshikazu Shiratori

Norihiro Shimoi

Takahiro Ohashi

Directive）の研究も継続した。また、地圏環境における汚染物質に関し、昨年度から始めた、タイ王国で地下水監視を主体とする新法への対応

DOWA 寄付講座は環境科学研究科と DOWA ホールディングス株式会社の包括的共同研究契約のもと 2004 年に開設した。我々は、工業化と高度消費社会の両方の観点において我々を取り巻く環境問題を解決するべく、・循環型社会を構築するべく電子電気機器廃棄物等からの資源リサイクル技術および社会システム構築などに関する研究
・環境負荷低減を目指すエネルギー削減に特化した機能性材料およびそれらを用いた機構構造の創製に関するを研究テーマにして研究活動を推進する。

を継続して、タイ王国のカセタート大学（Kasetsart University）らに協力している。本年度は、水俣条約締結後のタイ国における水銀回収／保管のあり方についても、現地でステークホルダーを集めたセミナーをコーディネートした。

[ 環境材料政策学分野 ]The DOWA Holdings Co., Ltd. Sponsored laboratory was inaugurated in FY 2004 and comes under the endowed division of the Graduate School ofEnvironmental Studies. The main study aim of our laboratory is to solve problems of environmental conservation while taking into consideration theviewpoints of both manufacturers and the high-consumption society. Research in this division is categorized mainly into (a) establishing processes ofvaluable material resources released in society and controlling, recycling, and disposing of them efficiently and safely, and (b) inventing the preparation offunctional materials that can nurture environmentally friendly engineering applications, such as electronic devices with less impact on the environment.
The research activities of the geosphere environmentalogy division were separation, decomposition, and migration control of pollutants such as heavy
metals. Technologies related to the development of materials for concentrating and retaining rare metals are also being researched. On the other hand, thestudy of the functional materials division focuses on mass production of inorganic materials for electronic, photonic, and energy storage devices. Thesematerials are prepared using solution synthesis or a dry process such as arc discharge evaporation. Research on the control of environmental materials
focuses on the development of technologies for applying carbon nanotubes for light-emitting devices and modifying a negatively charged material for thepurpose of future Li-ion rechargeable batteries.

環境負荷低減に関わる研究
当研究室では、紫外領域での受発光デバイスの開発を行っている。
受光素子に関しては、紫外特定波長域にのみ感度を有する素子構造を検討している。構造としては、Schottky 型を先行して開発しているが、ここではフォトセラピー（皮膚治療）用途の 310nm に中心感度を有する開発例を示す。
Fig.3 は、素子断面構造を示すもので、サファイア基板上に AlN バッファ層、次いで Al 組成を順次低下させた多層膜から構成される。最上層はアンドープの Al 0.25Ga 0.75N であり、この層が 310nm に受光

Thaildan regarding groundwater monitoring and remediation technologies.
During this fiscal year, we coordinated seminars in which stakeholders fromthe local community in Thailand gathered to determine how to collect andstore mercury after the conclusion of the Minamata Treaty.

[ Study of Functional Materials ]Research for reducing the environmental load
In our laboratory, we developed deep ultraviolet-light emitters andphotodetectors. These detectors are sensitive to ultraviolet-specificwavelengths. Below, we show a photodetector that is sensitive to 310 nm
and used in phototherapy.
Figure 3 shows the cross-sectional structure of the device; the ultraviolet
light is irradiated from the side with the sapphire substrate. The AlGaN
layer reduces the short-wavelength light between the sapphire substrate
and the active layer. In addition, as the long-wavelength side (wavelengthslonger than 340 nm) is insensitive, we obtained a spectral responsivity (asshown in Fig. 4). Photo responsivity improved as the reverse bias increased,
and we obtained 260 mA/W (QE:〜100%) at -20V. This occurred because
the dark current under the reverse bias was sufficiently suppressed, as
shown in Figure 5.

Department of Environmental Studies for Advanced Society

Towards Establishing Environmentally Benign Material Synthesis
and Devices and New Material Circulation Systems.

Ryuichi Toba

感度を有する。本層には Ni からなる Schottky コンタクトを蒸着に[ 地圏環境政策学分野 ][ Geosphere Environment ]循環型社会構築に関わる研究

Research for the circular economy

本分野では、地圏環境における汚染物質の分離・分解・管理、循環型社会を構築する上での電子・電気機器廃棄物等からの資源リサイクル技術・社会システムなどの研究を推進している。
循環型社会システムの観点からは、昨年度から、他研究室と共同で行っている宮城県循環型社会システム構築事業を推進している。これは､ 県内の廃棄物由来の資源をより循環させるために、社会と技術の両側面から調査研究を行い､ 県に提言するものである。また、今までの EU の WEEE 指令（Waste Electrical and Electronic Equipment

Fig.1 Pickup resources from municipal waste.

30 Coexistence Activity Report 2018

We are mainly focusing on controlling contaminants in the geosphere and on
developing recycling technologies and a social system for secondaryresources. From the viewpoint of the circular economy, since the last fiscal
year, we have promoted Miyagi Prefecture’s recycling-based social system
in conjunction with another laboratory. The aim of this project is to create astrategic plan for producing secondary raw materials from waste products inlandfills. Because this topic has both technical and social aspects, we canmake use of our experience working with regulations for the waste ofelectrical and electronic equipment in the European Union. In the geopoliticalenvironment, we are continuing to cooperate with Kasetsart University in

Fig.2 Mercury seminar in Thailand.

より形成する。ドライエッチングにより、その下のｎ+Al 0.5Ga 0.5N 層まで選択エッチングし、オーミック電極を形成する。紫外光はサファイア基板側から照射する構造である。Fig.4 に分光受光感度特性の逆バイアス依存性を示すが、310nm に中心感度を有することが分かる。
サファイア基板から受光層に至る AlGaN 層で、短波長側の紫外光はカットされている。また、340nm よりも長波長側の光には不感となっており、310nm 近傍の紫外光にのみ応答することが分かる。逆バイアスを増加させると受光感度が上昇し、-20V では 260 ｍ A/W、量子効率でほぼ 100％が得られている。なお図中赤の破線は量子効率100％のラインである。Fig.5 は暗状態ならびに 310nm 光照射時のダイオードの I-V 特性であるが、逆方向のリーク電流が抑えられたため、受光感度を向上できたと言える。

Fig.3 Device structure of the 310nm photodetector.

Fig.4 The comparison of spectral responsivities under various reverse bias.

Fig.5 Dark current and UV(310nm)photo current of this device.
Coexistence Activity Report 201831

[ Control of Environmental Materials ]低炭素社会構築に関わる研究

Research for the Establishmentof a Low-Carbon Society

電子部品としての単層カーボンナノチューブ(SWCNT) の応用研究

カーボンナノチューブ（CNT）を電子材料に応用した電子素子の実特性の評価より、CNT の結晶性制御が電気的な物理特性の改善に大きく影響を及ぼすことを確認した。そこで高結晶性 CNT、特に高結晶性単層カーボンナノチューブ（hc-SWCNT）を用い、高移動度型
透明導電膜・軽量かつ広帯域で電磁波吸収する電磁波シールド・真空紫外線放出型 UV 真空ランプ・特定のエネルギーを持つエッチャント
ガスラジカルイオン生成制御型 FE 電子源（測定環境を Fig.6、酸素雰囲気における FE ライフ特性評価結果を Fig.7 に示す）等、実用化を念頭においた CNT 搭載型電子デバイスの応用研究を推進している。
これら応用研究を支える材料としてアーク放電による SWCNT 合成の生成高効率化を達成し、現在はその合成メカニズムの解析を進めている。

To obtain the high energy out in an active material observed during a

二次電池活物質の合成研究

本研究は、リチウムイオン二次電池の電極材として Fe–Mn–Si のコンポジット化により高エネルギー出力かつ高容量を有する二次電池正極活物質の合成を目的とする。
三元系活物質は湿式合成が主流であるが、本研究ではメカノケミカル法による乾式合成技術確立を目指す。リチウムイオンを格納する容器として Fe-Mn-Si を用いた三元系化合物の合成に着手し、遊星ボールミルによる粉砕プロセス条件を最適化することでペロプスカイト型の三元系化合物（酸化物）FeMnSiO4 の合成に成功した。当該化合

charge–discharge operation, which is an obstacle to achieving highperformance electrochemical properties, the composite FeMnSiO4 as a
package of Li ions in a lithium ion’s secondary battery active cathode wassynthesized in a simple mechanochemical grinding process. The composite
comprising Fe (or Fe-oxidation), Mn (or Mn-oxidation), and Si oxidation
has a ferromagnesium alloy (FeMn) with silicate crystal as a nanoscalelayered composite with a Perovskite structure and exhibits improved
electrical impedance. In particular, this composite is expected to allow for
the stable insertion of an Li ion into the gap between layered composition,and better capacity retention, higher energy power than previous cathodematerials and indicating considerable optimization of the electrical andionic conductivity in the composite. We will develop a method to insert theLi ion to compensate in the composite stably through plasma processing in
our next trial.

物はリチウムイオンを格納するレイヤー型ナノコンポジット構造を形成しており、リチウムイオンを効率良く格納する結晶構造を有するものと期待される。リチウムイオンの充填はプラズマによるリチウムイオンのラジカル活性による FeMnSiO4 へのインターカレーションを利用する。
従来の正極活物質と比較して高エネルギーかつ高容量化に適した組成の基礎構造構築技術を確立し、今後は実用化に向けた二次電池としての充放電特性評価を推進していく予定である。

Department of Environmental Studies for Advanced Society

用化は未だ達成されていない。我々は CNT による電界電子放出 (FE)Currently, the development of electronic systems requires the fabricationof efficient devices employing carbon nano-materials. Carbon nanotubes(CNTs) are a promising material due to their unique physicochemical
properties: their nanoscale needle shape, high chemical stability, thermal
conductivity, and mechanical strength. The listed properties confer anadvantage in the fabrication of field emitters. Considering this information,
the synthesis of highly crystalline single-walled carbon nanotubes (hcSWCNTs) by arc discharge and their structural characterization were first
briefly reviewed, after which FE’s characteristic properties from the arcproduced nanotubes were discussed, and finally the application of thenanotube emitters in a lighting device was described in our previous study.
We successfully manufactured hc-SWCNT-based electron emission
elements that exhibited stability, adequate luminance, and low power
consumption for the electron emitters. Our next purpose is to synthesize
hc-SWCNTs stably into our laboratory for the next generated electricaldevices.

高容量・高密度エネルギー型リチウムイオン

先進社会環境学専攻[ 環境物質政策学分野 ]Fig.7 FE stability results under a low vacuum with O2 gas of approximately 0.3 Pa comparedwith the change of supplied voltage for a cathode employing hc-SWCNTs.

Fig.6 Schematic view of field emission measurement system under a low vacuum atmosphere inserting O2 gas.

32 Coexistence Activity Report 2018

Coexistence Activity Report 201833