耐熱性酸化物保護膜中の物質移動機構解析

R-1

課題
高温酸化雰囲気下で使用される耐熱部材の表面に付与する保護膜中の物質移動を制御することで、部材の耐久性の大幅向上が期待できる。しかし、保護膜中の物
質移動機構が明らかでないため、保護膜の改良は試行錯誤的にならざるを得ない。
解決手段
組成幅のほとんどないラインコンパウンド保護膜（Al2O3、Yb2Si2O7、Yb2SiO5）について、高温の酸素ポテンシャル勾配（dµO）下に曝された膜中の酸化物イオ
ンの粒界拡散に及ぼすdµO印加の影響を明らかにする。
成果・新規性・粒界密度の大きな多結晶膜の場合、表面近傍の酸化物イオンの粒界拡散がdμO印加により抑制！
・上記抑制効果は、体拡散に対して粒界拡散しやすい酸化物ほど大⇒表面粒界近傍における酸素分子の取り込み（イオン化）により誘起される
表面電荷・空間電荷の大きさが、表面粒界密度に強く依存することを示唆(a) 多結晶膜(b) 双晶膜(Σ31)

Al2O3膜（多結晶、Σ31双晶）を1600 ℃のdµO下に4ｈ曝した後の膜断面の18O分布期待される市場・応用

1400 ℃における膜の高酸素分圧側表面
近傍の酸化物イオンの粒界拡散に及ぼすdμO印加の効果

・次世代航空機エンジン、発電用タービン、並びに、各種熱処理炉等の高温の過酷環境下で使われる耐熱部材の耐久性向上のための保護膜設計
発表文献

M. Wada et al., Acta Mater. 135 (2017) 372-381.
T. Matsudaira et al., Acta Mater., 151 (2018) 21-30.

謝 辞：本研究の一部は、JSPS科研費新学術領域研究｢機能コア科学｣（JP19H05792）および文部科学省
ナノテクノロジープラットフォーム （課題番号JPMXP09A19UT0035）の支援を受けて実施されたものである。
担当者：松平恒昭、和田匡史、川島直樹、北岡諭共同研究者：（東京大学）竹内美由紀、J. Wei、B. Feng、柴田直哉、幾原雄一

輻射熱反射用酸化物膜中の構造安定性に及ぼす化学組成の影響

R-2

課題
Y2+xTi2-xO7-x/2（YTと称する）は、次世代航空機エンジン用部材の輻射熱反射膜の構成相として期待される。しかし、高温の酸素ポテンシャル勾配（dµO ）によって誘起される膜内の物質移動により、膜の構造安定性の低下が懸念される。

解決手段
組成の異なるYT（x=0、0.013）に対して、酸素トレーサーを用いた高温酸素透過試験と、その後の膜断面の二次イオン質量分析を実施することにより、膜内の物質移動機構を解明し、高温dµO下に曝される膜の構造安定性を把握する。
成果・新規性・x値の増加によりYTの酸素透過性が大きく増大する。また、酸素透過に寄与する主たる拡散種は酸化物イオンである。
・酸化物イオンは、酸素サイト（48f）と格子間酸素サイト（8a）を介して体拡散する。
⇒カチオンの移動を伴わないことから、高温dµO下に曝される膜の構造は安定
酸素透過係数、 PLO2 / mol·m-1s-1

10-6

′
∙∙
𝐘𝟐 𝐎𝟑 ՜ 𝟐𝐘𝐓𝐢
+ 𝟑𝐎×
𝐎 + 𝐕𝐎表面

𝟏∙
𝐎 + 𝐕𝐎∙∙ ՜ 𝐎×
𝐎 + 𝟐𝐡𝟐 𝟐

酸素透過試験後のYT（ｘ＝0）のPO2(hi)表面近傍断面の18O分布

n=1/4

酸素空孔濃度一定

x=0.01310-7･PO2(hi)/PO2(lo)=105 Pa/1 Pa･ 1500 ºC x 10 min

n=1/6

x=0

𝐈
𝟏
∙
𝐎 ՜ 𝐎′′
𝐢 + 𝟐𝐡𝟐 𝟐

20 µm

O (48f)PO2(hi)10-81500 ℃

Ti (16c)O2

黄色：拡散経路O (8b)
PO2(lo)=100 Pa
10-9

102

103

104

105

PO2(hi) / Pa

酸素透過係数のPO2依存性期待される市場・応用

Y (16d)
106

格子間酸素
サイト

c
a

b

(8a)

粉末X線回折（結合原子価法）により求めた
酸化物イオンの拡散経路

・航空機エンジン、ガスタービン、熱処理炉用耐熱部材の遮熱コーティング
発表文献・特許

M. Tanaka et al., J. Euro. Ceram. Soc., 37 (2017) 4155.
特許第6032539号

謝 辞：本研究の一部は、JSPS科研費新学術領域研究｢機能コア科学｣（JP19H05792）および文部科学省
ナノテクノロジープラットフォーム (課題番号JPMXP09A19UT0035)の支援を受けて実施されたものである。
担当者：田中誠、松平恒昭、河合江美、川島直樹、小川貴史、松本潮、北岡諭

先進遮熱コーティング用酸化物の結晶構造と熱伝導性の関係

R-3

課題
航空機エンジン用耐熱部材の遮熱コーティングとして期待されるカチオン欠損
ペロブスカイト型酸化物（RTa3O9）の結晶構造と熱伝導性の関係については明らかでない。
解決手段
・RTa3O9（R：La、Nd、GdおよびYb）の熱伝導率を実測
・結晶格子レベルのフォノン散乱を仮定して算出した各温度での最小熱伝導率と比較し、低熱伝導性発現に寄与する局所構造因子を推定
成果・新規性・Rのイオン半径が小さく、かつ、正方晶の場合は、単位格子の2～３倍の大きさのナノドメインを形成
・Rのイオン半径が小さく、高温であるほど熱伝導率の実験値は小さく、かつ、
最小熱伝導率に近づく。
・熱伝導率の実験値は温度上昇に伴い低下するが、逆に最小熱伝導率はわずかに上昇⇒ドメイン界面におけるフォノン散乱が低熱伝導性発現に寄与することを示唆
RTa3O9の熱伝導率の実験値と最小値との比較
3.0

ABF-STEM像
イオン
半径

La

正方晶

大

Nd

直方晶*
（室温）

実験値

Gd

熱伝導率 κ [W/(m･K)]

最小
熱伝導率
(計算値)

結晶系

R

TaO6
八面体傾斜

YbTa3O9

なし
2 nm

4˚

2.5

Yb

正方晶

小
2.0

4˚

ナノドメイン界面*温度上昇に伴う相転移あり

1.5

[001]

Ⅰ

Ⅱ

Ⅳ

Ⅲ

1.0
0.5

0

200

400
600
800
温度 T [℃]

期待される市場・応用

1000 1200

𝜅min =

𝜋 1Τ3
𝑇
𝑘B 𝑛2Τ3 ෍ 𝑣𝑗
6
𝛩𝑗
𝑗

2

𝛩 𝑗 Τ𝑇න0𝑥3𝑒 𝑥𝑒𝑥 − 1 2𝑑𝑥*D. G. Cahill et al., Phys. Rev. B, 46 (1992) 6131-6140.

・航空機エンジン、発電用タービン等の遮熱コーティング材料
発表文献

S. Kitaoka et al., ITSC2019 (2019) 246-251.

謝 辞：本研究は、防衛装備庁安全保障技術研究推進制度委託事業の一環として実施されたものである。
担当者：河合江美、松平恒昭、小川貴史、Craig Fisher、横江大作、加藤丈晴、川島直樹、北岡諭共同研究者：（トーカロ（株））土生陽一郎

熱輻射抑制膜の開発

R-4～熱ロス低減・エネルギー効率向上へ～
課題
発電プラントの高温配管（600 ℃以下）における熱ロス低減が課題→高温部材の熱ロスは、熱輻射+熱伝導（気体・固体）により発生→対象物が高温であるほど熱輻射ロスが顕著
解決手段
・熱輻射抑制膜：高温大気中で安定な熱輻射抑制膜を開発
・部材への施工性：箔基材に成膜することで、配管部材への施工性を向上
・効果の検証：模擬試験により、熱輻射による放熱量低減を実証

・600 ℃以下で優れた熱輻射抑制を発現する遮熱膜
・高温大気中において、耐久性に優れた新材料
・熱ロス低減によりエネルギー効率向上を実現
800.6

高温物質からの輻射スペクトル

600℃

0.4

60
40

500℃

0.2

熱源側

300℃
200℃
100℃

400℃

20
0
15000

14630

14260

13890

13520

13150

12780

12410

12040

5000
10000
Wavelength(nm)

11670

11300

9820

10930

9450

10560

9080

10190

8710

8340

7970

7600

7230

6860

6490

6120

5750

5380

5010

4640

4270

3900

3530

3160

2790

2420

940

2050

570

0

1680

200

0

開発膜模式図Reflectance(%)

界面反応抑制膜

Energy(W/㎠/μm)

輻射抑制膜

箔基材

100

0.8

耐酸化膜

1310

成果・新規性15000

黒体輻射スペクトルと開発膜の反射率スペクトル
大気中

800

700

全放熱量
（測定値）

600
500
400

輻射分(T 4乗)

300

伝導分（T 1乗）

200

現用膜

100
0

Thermal loss (W/m)

Thermal loss (W/m)

800

700
600
500
400
300
200
100

開発膜

0
0

100 200 300 400 500 600 700

Temperature(℃)

0

100 200 300 400 500 600 700

放熱ロス低減の模擬試験

Temperature(℃)

期待される市場・応用
・発電プラントの水蒸気配管などの高温部材
・高温熱源を利用する産業プロセスの省エネ促進担当者：黒山友宏、奥原芳樹
共同研究者：（（株）中部プラントサービス）中別府克司、（（株）JERA）竹内勉、福屋彰人

光による応力・ひずみセンサの蛍光メカニズム解析

R-5

課題
様々な構造物の健全性などを診断する上で応力やひずみ場の計測が重要。従来のゲージ類では配線が煩雑となり、光によるワイヤレス計測ができれば有望となる。
解決手段
ある波長の光をあて別の波長の光を発する「蛍光体」にて、ひずみに対する発光
波長シフトの大きい新規材料を見出し、その発光・波長シフト機構を解明する。
成果・新規性

850

Al3+
Sr2+
O2-

9E+07
8E+07

Emission wavelength (nm)Cr3+：4配位サイト

7E+07
6E+07

800

5E+07
4E+07
3E+07
2E+07

750

1E+07
0

700

650
300

350

400

450

500

550

600

Shift in PL wavelength (nm)・発光機構の解明：Sr1-xAl2O4中の4配位Alサイトを置換したCr3+による発光
Cr3+のd軌道電子遷移で励起・発光スペクトルを説明可能
・波長シフトの理解： 配位子場（結晶中のひずみ場）の変化に対して、・エネルギー変化の大きいd軌道電子遷移（4T2→2E）
・2つの発光ピークの強度変化による波長シフト促進
0.25

Cr-doped Sr1-xAl2O4

0.20

X = 0.02

0.15

X = 0.05

0.10

X = 0.20
0.05

U band0.00

従来：Cr-doped Al2O3 R line J. H. Eggert et al., Phys. Rev. B, 40(8) (1989)

0.000

Excitation wavelength (nm)

0.005

0.010

0.015

Tensile strain (%)

0.020

0.025

Cr添加Sr1-xAl2O4の蛍光現象 と ひずみによる発光波長シフト
Wavenumber (cm-1)

d3 in Td

Y. Tanabe et al., J. Phys. Soc. Jpn., 9 (5), (1954)

4A2

lexc = 370 nm

2A1
4T1

Emission
spectrum

20000

Excitation
spectrum
10000

20000

2T2
2T1
4T2

lemi = 770 nm

10000

2E

0

4T1

10

8

6

4

2

0

PL intensity (a.u.)

D/B

期待される市場・応用

配位子場でのd軌道

30000

0

2

4

6

8

Wavenumber (cm-1)

E/B
30000

t2

エネルギー変化大→波長シフト大

e

t2
t2

e
4T2

t2

e

e

0

PL intensity (a.u.)

蛍光現象と波長シフトのメカニズム

特許第6000837号、特許第6029962号

謝 辞：本研究は、中部電力（株）からの委託研究として実施されたものである。
担当者：奥原芳樹
共同研究者：（中部電力（株））南原健一、渡邊泰孝

4T1

10

2つの発光強度変化→波長シフトを促進

・光によるワイヤレスでの物理量（ひずみ・応力等）のセンシング
・蛍光材料の新物質探索と光分野の新規応用
特許

2E

結晶粒界構造に基づく
熱伝導度の直接予測

R-6

課題
ほとんどの実材料中に存在する結晶粒界は、機械的・電気的・熱的性質を含め、多くの場合でデバイスの性能を決定付ける。しかし、無数のパターンが存在する
粒界構造を網羅的に観察・測定することは困難であり、数nm程度の領域に存在する微視的な原子配列を巨視的な材料特性に結び付ける手段も確立されていない。
解決手段
・計算材料科学を利用し、90種以上のMgO結晶粒界構造を網羅的に解析
・多様な粒界構造の原子配列を、情報科学的手法によりパラメータとして表現
・この情報を入力として機械学習を行うことにより、個々の粒界の物性を予測
成果・新規性・材料科学的知見に基づいた適切な入力パラメータを独自に考案することで、単純な（物理的に解釈可能な）機械学習で高精度に粒界熱伝導度を予測
・結晶粒界に少しの原子配列の乱れが存在するだけで著しく熱伝導性が低下することを世界で初めて実証
・実験方法： 摂動分子動力学法（LAMMPSコード）、階層的クラスタリング、線形重回帰①構造の乱れと熱伝導度の相関②乱れの程度に応じた原子配位環境の分類

原子熱伝導度 (a.u.)

予測値（W/mK）

配位環境の乱れ期待される市場・応用③分類結果を入力とした
熱伝導度の回帰結果

緑：配位欠損大
赤：結合歪み大灰：結合歪み小

計算値（W/mK）

原子配位環境の乱れの程度から
熱伝導度を直接予測可能

・熱電変換材料・遮熱コーティングなどの熱機能性材料全般
・イオン伝導など、結晶粒界が大きな影響を及ぼすデバイスへの手法の適用
発表文献

S. Fujii et al., Nature Communications, 11 (2020) 467.
S. Fujii et al., Acta Materialia, 171 (2019) 154-162.

謝 辞：本研究は、JST「情報統合型物質・材料開発イニシアティブ（MI2I）」 およびJSPS科研費新学術領域「機能コアの材料科学」（19H05786）の一環として実施されたものである。
担当者：藤井進、Craig Fisher、森分博紀共同研究者：（名古屋大学）横井達矢、（大阪大学）吉矢真人

過熱水蒸気によるCFRPからの高効率炭素繊維回収技術

R-7課題
過熱水蒸気処理を利用して炭素繊維強化プラスチック（CFRP）廃材から高品位
な炭素繊維を高効率で回収する場合、マトリックス樹脂の分解挙動を正確に理解することが、最適な過熱水蒸気処理条件を見出すのに不可欠である。
解決手段
過熱水蒸気中においてCFRPの熱重量-示差熱変化/発生ガス同時分析を行い、樹脂の熱分解挙動を明らかにするとともに、取得情報を実際のCFRP廃材の過熱水
蒸気処理条件に展開する。
成果・優位性・過熱水蒸気中では不活性雰囲気中に比べて樹脂分解がより低温から進行 ①⇒反応開始温度付近で保持して、樹脂分解反応を制御するのが有効
・水蒸気の有無により、抽出イオンクロマトグラムの比率が変化 ②⇒過熱水蒸気中では不活性雰囲気中に比べてより大きな分子量のガスが発生
380 ℃の発生
ガス分析結果
0.20

100

0.15
0.10

90

0.05

80

0.00

300

350

400

450

500

450

500

100％

相対強度比

熱重量変化、%

過熱水蒸気雰囲気（50％-H2O/He）

示差熱変化, μV/mg

・供試材： エポキシ樹脂CFRP

400

m/z=44m/z=200
m/z=107m/z=107m/z=200
m/z=44②①

期待される市場・応用

107

200

107

25％

50

100

m/z

150

200

不活性雰囲気（100％-He、比較）

イオン強度

イオン強度

350

OH

HO

50％

0％

温度、℃
300

75％

m：イオンの質量数z：イオンの電荷数

200

300

m/z=44m/z=200
m/z=107m/z=107②

m/z=200
m/z=44

①

350

400

温度、℃

450

500

・CFRP廃材(航空機用部品、燃料電池車用水素タンク等)の炭素繊維リサイクル・セラミックス成形体(大型部品、シート、積層造形品等)の超高速脱脂 等
発表文献・特許

M. Wada et al., Compos. A, 85 (2016) 156.，G. Cai et al., Compos. A, 133(2020) 105869.、特許第5876968号、特許第6340619号、特許第6596790号

謝 辞：本研究の一部は、NEDO委託事業「革新的新構造材料等研究開発」の一環として実施されたものである。
担当者：和田匡史、永納保男、林一美、北岡諭

窒化アルミニウムのレーザー焼結

R-8

課題・窒化アルミニウム（AlN）は代表的な共有結合性化合物で、難焼結性である。
・熱伝導に優れるAlNは、電子デバイス等への広範な応用が期待されるが、低コスト化や複合化のためには、従来の窒素加圧焼結に代わる新しい製造プロセスが必要
解決手段
・短時間焼結が可能なレーザー焼結をAlNに適用①液体窒素中でのAlNの焼結②焼結助剤としても機能するAlN用レーザー吸収助剤の開発
成果・新規性・液体窒素中に置いたAlN圧粉体に約1分間レーザーを照射することにより、
AlNを焼結できることを見いだした。（助剤なし、窒素加圧なし）
・酸化物系焼結助剤を熱処理して得られた「レーザー吸収助剤」を添加すると、AlNのレーザー焼結が容易に進むことを見いだした。
①液体窒素中レーザー焼結②レーザー吸収焼結助剤
助剤 5 wt%添加

380 W/cm2、1 min
焼結深さ: ~100 µm

300 W/cm2 、1 min
焼結深さ: ~500 µm

期待される市場・応用
・AlN基板のインライン焼結プロセス
・低融点材料との複合化による新規高熱伝導材料

謝 辞：本研究の一部は、住友化学株式会社との共同研究で実施されたものである。
担当者：木村禎一、末廣智レーザー直接加熱によるSiC系共晶材料の作製

R-9

課題
SiC系共晶部材は優れた機械的特性を示すことが知られているが、共晶点は2000 ℃以上であり、アーク溶解などの超高温プロセスでのみ得られている。
また、難加工性のため工業利用にはニアネットシェイププロセスが必要である。
解決手段
・レーザーを用いた局所溶融による共晶材料の作製⇒レーザーを圧粉成形体に直接照射⇒照射位置での局所的な溶融－凝固とレーザー走査による部材作製
成果・新規性・Nd:YAGレーザーを用いたSiC系共晶セラミックスの製造プロセスを開発⇒レーザー照射により超高温を容易に実現でき、走査によって任意の領域の溶融凝固が可能⇒ニアネットシェイプ共晶材料プロセスが実現
・実験方法：SiCとVB2またはB4Cの混合粉末にレーザーを直接照射してSiC共晶体を作製
(a)

(b)

(a) SiC-B C
4

(b)

走査方向

(c)

SiC-VB2

(c)

(a)
(b)
(c)

レーザー走査中の表面温度と照射後の微構造（300 W/cm2、スキャン速度：100 mm/s）

期待される市場・応用
担当者：末廣智、木村禎一

レーザー照射後の断面微構造（300 W/cm2、スキャン速度：30 mm/s）

・切削工具などの硬質材料、高温構造材料

ベータ型ゼオライト結晶粒子の自己相似構造発現の由来解明

R-10

課題
・ベータ型ゼオライトはディーゼル内燃機関などの排ガス処理に利用される。
・構造規定剤(SDA)を用いない合成方法の発見によって、ベータ型ゼオライトの耐環境性能を大幅に向上させることが報告されたがその原因は不明であった。
解決手段
・電子顕微鏡法を用いて、SDA-free条件で作製されたゼオライト結晶の微細構
造解析を行い、特性向上因子を解明する。
・特性向上をもたらした微構造因子の発現由来を解明するために、結晶成長機構を解明する。
成果・優位性・SDA-freeの結晶合成では、化学平衡状態を保ちながらエピタキシャル成長し、その結果構造欠陥が少なく耐環境性が向上したことを明らかにした。
・エピタキシャル結晶成長機構に基づいて二次元核の構造モデルを仮定し、コッセル機構によって自己相似構造の発現由来が説明できた。

期待される市場・応用
・内燃機関の排ガス処理触媒
・化学製品の膜分離
発表文献

Y. Sasaki et al., Zeolite, 34, 50-56 (2017)
Y. Sasaki et al., Micropor. Mesopor. Mater., 225, 210-215 (2016)

謝 辞：本研究は、科学技術振興機構（CREST:JPMJCR1324）の支援によって実施されたものである。
担当者：佐々木優吉、Craig Fisher
共同研究者：（あいち産業科学技術総合センター）吉田陽子、（産業技術総合研究所）池田卓史、（東京大学）板橋慶治、大久保達也、（早稲田大学）松方正彦

環境に配慮した高機能難燃剤の
構造解析

R-11

課題
自動車産業、エレクトロニクス産業の発展において、自動車や電子機器の火災事故を防ぐため、従来の「ハロゲン系難燃剤」に代わる新たな安全・安心な産業用
難燃剤の開発および評価技術の向上が必要である。
解決手段
難燃剤の脱ハロゲン化、環境での安定性を目指し、機能性の高いリン系難燃剤と、安全・低コストが期待できる有機酸系難燃剤を同時に活用した新規の高機能・環境に配慮したハイブリット難燃剤および難燃樹脂を実現するために、難燃剤の構造解析、熱分解挙動を解析する。
成果・優位性・開発難燃剤の微構造観察により、ポリエステル生地上に、ハイブリッド難燃剤が、均一に分散していることが明らかになった。
・難燃剤を添加した樹脂は、発熱量が低減し、難燃特性が得られた。
・実験方法： 走査電子顕微鏡（SEM）、示差熱分析法、フーリエ変換赤外分光法

難燃剤を表面に塗布した繊維のSEM-EDS分析

期待される市場・応用

難燃剤を樹脂と複合化する
ことにより発熱量が低減

・難燃剤の開発・解析・評価
・市場：自動車産業、エレクトロニクス産業、繊維産業、住宅産業
謝 辞：本研究は、経済産業省の「戦略的基盤技術高度化支援事業」の一環として中部経済産業局より補助を受けて実施されたものである。
担当者：幾原裕美、菅原義弘、横江大作
共同研究者：（服部（株））有木正幸、深井大、濤立晃酸素吸蔵材料YBaCo4O7+δの原子構造解析

R-12

課題
・酸素ガスは鉄鋼工業等の多くの分野で使われており、低炭素社会への実現に向け、低コスト・低エネルギーでの酸素製造技術が望まれている。
・酸素吸脱着材料を用いる酸素製造技術が注目されているが、酸素貯蔵能力と放出特性は未解明な部分が多く、材料の設計指針が確立できていない。
解決手段
・走査透過電子顕微鏡（STEM）法を用いて、原子分解能レベルで酸素吸脱着材
料中の結晶構造と酸素貯蔵能力の関係を解明

成果・新規性・酸素吸脱着材料YBaCo4O7+δ 中の欠陥構造が焼成温度の違いにより変化する
ことを原子分解能レベルでの観察で明らかにした。
・YBaCo4O7+δ 中の欠陥構造が酸素吸収量を低下させる要因であり、欠陥構造制御により酸素吸蔵性能を向上させる可能を示すことに成功
・実験方法： 走査透過電子顕微鏡
HAADF STEM像
焼成温度 1200 ℃

大

焼成温度

酸素吸収量

小

800 ℃

欠陥領域 拡大像

Ba

Y

結晶モデル

Co

O

酸素吸脱着材料YBaCo4O7+δの焼成温度の違いによる欠陥構造観察結果期待される市場・応用
・酸素貯蔵と放出特性のメカニズム解明による酸素吸脱着特性の向上
・高効率・低コスト酸素製造プラント
謝 辞：本研究は、SIP「高速酸素吸脱着材料による革新的排熱利用酸素製造装置」で実施されたものである。
担当者：黄馨慧、桑原彰秀、小林俊介
共同研究者：（神奈川大学）本橋輝樹

対向拡散CVD法による分離膜特性および生産性の向上

R-13

課題
対向拡散CVD法はメソポーラス細孔内に膜を合成することにより、低欠陥化と高透過率化を可能にする。更なる分離コスト低減のため、トレードオフの関係にある透過率と選択性を両立することが望まれていた。
解決手段
・細孔内への原料ガスの供給促進および均一化→多孔質チューブ内を真空ポンプにて減圧→多孔質チューブ内外の差圧を流量制御バルブにて精密制御→より薄い膜厚で細孔を封孔

成果・優位性・水素透過率と水素選択透過性を同時に向上
・膜面積のスケールアップに対応可能
・成膜プロセスの高い再現性

減圧式差圧制御型対向拡散CVD装置

ガス透過率の差圧依存性期待される市場・応用
・ヘリウム、水素の分離精製
・化学プロセスにおける脱水素反応
・製鉄所副生ガスプロセス、石炭ガス複合化発電における水素分離
謝 辞：本研究は、NEDOグリーンサスティナブルケミカル基盤技術開発により実施されたものである。
担当者：永野孝幸、佐藤功二

Bi系超電導接合領域の微細構造解析
R-14～次世代NMRマグネット開発～
課題
次世代高磁場核磁気共鳴装置（NMR）用のマグネット開発の要素技術として、
高温酸化物超電導線材であるBi2Sr2Ca2Cu3O10+δ（Bi2223）線材を熱処理で超電導接合する技術開発が行われている。しかしながら、接合領域およびその微細構造が明らかになっていない。
解決手段
・クライオイオンミリングにより低負荷切断、低負荷断面加工を繰り返し実施
・各切断面をSEM観察し、接合領域の特定と微細組織観察
・TEM観察による接合領域の微構造解析
成果・優位性・超電導接合領域は～1 mm程度で、接合線材の幅方向全体にわたり、
Bi2Sr2CaCu2O8+δ（Bi2212）が形成されて繋がり、互いに密着
・Bi2223とBi2212はEDSマッピングと反射電子像のコントラストで判別可能
・TEM観察からBi2212/Bi2223界面は互いのc面がほぼ平行に密着
（a）

（c）

Bi2223
Bi2212
Bi2223

Ag

TEM観察
Ag

（b）
Bi2223：Biフィラメント

（d）

接合領域

期待される市場・応用
次世代高温超電導マグネットおよびマグネット部材の微細構造解析（e）（a）接合線材外観と接合の際の温度領域を示した模式図（b）それぞれの切断面の反射電子像およびEDSマッピング（c）接合領域の反射電子像およびEDSマッピング（d）/（e) 接合領域のTEM像および電子回折図形（同一視野）（d）Bi2212の[110]入射条件（e）Bi2223の[010]入射条件

謝 辞：本研究は、JST未来社会創造事業（JPMJMI17A2）による支援のもとで実施されたものである。
担当者：安達康夫、横江大作、加藤丈晴
共同研究者：（室蘭工業大学）金沢新哲、（理化学研究所）柳澤吉紀、（科学技術振興機構）前田秀明

次世代蓄電池固体電解質LaF3のイオン伝導第一原理計算

R-15

課題
金属系活物質のフッ化／脱フッ化反応をredox反応とするフッ化物シャトル二次
電池は、次世代蓄電池として実用化が期待される。その全固体電池化にはフッ化物イオン伝導性に優れた固体電解質の開発が必要不可欠である。
解決手段
・第一原理計算を用いた無添加LaF3およびBaF2添加LaF3における欠陥形成エネ
ルギーの評価と伝導担体の決定
・遷移状態探索によるBaF2添加LaF3におけるフッ化物イオン拡散の素過程解明と長距離拡散におけるボトルネックの特定
成果・新規性・無添加LaF3において、フッ化物イオン空孔の移動エネルギーは0.08～0.17
eV。LaF3中のフッ化物イオン空孔は拡散しやすい電荷担体である。
・Ba添加LaF3において、フッ化物イオン空孔はBa近傍で移動エネルギー障壁が非常に高くなる。そのため、本来フッ化物イオン空孔が移動しやすいLaF3の特徴を十分に活用できない。
・計算方法： 平面波基底PAW法、VASP

Ba添加LaF3のc 軸方向のフッ化物イオン空孔の拡散経路の一つ

左図経路でのフッ化物イオン空孔の移動に伴うエネルギー変化期待される市場・応用
・全固体フッ化物イオン二次電池
謝 辞：本研究は、NEDO「革新型蓄電池実用化促進基盤技術開発（RISING2）」で実施されたものである。
担当者：桑原彰秀、Craig Fisher、森分博紀

次世代蓄電池負極MgF2のSTEM EELSを用いた電極反応解析 R-16
課題
・フッ化物イオン移動を利用したフッ化物シャトル二次電池は高エネルギー密度を達成できる可能性があり、次世代蓄電池として研究が進められてきている。
・電極内部での脱フッ化およびフッ化挙動に関しては未解明な部分が多く、その反応機構に基づく最適な電極設計への指針が確立できていない。
解決手段
・走査透過電子顕微鏡（STEM）とモノクロメータを用いた電子エネルギー損失
分光法（EELS）により、電極反応を解析
成果・優位性・モノクロメータを用いた電子エネルギー損失分光法により、Mg金属の情報を効率的に抽出することで電子線に弱い電池材料の解析手法の構築に成功
・MgF2負極の一部からMg金属相が形成され、また、その形成分布は均一ではなく、離散的に存在していることが明らかとなった。
・実験方法：走査透過電子顕微鏡、モノクロメータによる電子エネルギー損失分光法
BF STEM像

Mg金属マップ（EELSマップ）

正極
負極

充電時の反応式
M1 + xF- → M1Fx + xeM2Fx + xe- → M2 + xF-

フッ化物シャトル電池の模式図(M1, M2は金属、Fはフッ素）

脱フッ化後のMgF2負極内のMg金属形成分布（矢印はMg金属形成箇所）期待される市場・応用
・電極内部の脱フッ化・フッ化のメカニズム解明による電池特性向上
・フッ化物シャトル電池実用化による電気自動車の走行距離の大幅な向上
謝 辞：本研究は、NEDO「革新型蓄電池実用化促進基盤技術開発（RISING2）」で実施されたものである。
担当者：小林俊介、横江大作、桑原彰秀
共同研究者：（東京大学）幾原雄一

全固体酸化物電池用原料粉末の高次構造化

R-17

課題
全固体酸化物電池の厚膜化時の性能低下の原因として、電極内の粒界抵抗ならびに電極活物質／電解質間の界面抵抗があげられる。
解決手段
上記課題の抵抗を低減するために、粒子間の低温焼結や粒子間の接合性を考慮した原料粉末の高次構造化（1．球状原料粒子の合成技術の開発、2．粒子表面
コーティング技術の開発）を行った。

成果・優位性・固体電解質球状粒子の優れた焼結性を確認
・量産可能なプロセスで正極活物質、固体電解質の緻密質球状粒子を作製・気相法を用いた高結晶性コーティング粒子を作製
・従来の粉末焼結プロセスを用いた、高イオン伝導異相界面の形成を目指す。
１．球状原料粒子の合成技術の開発

２．粒子表面コーティング技術の開発

Multi-step Heating Reactor
Air

Ultrasonic Source
Atomizer Mist

PowderCollector

合成プロセス：噴霧熱分解法

Rotating seal
Syringe
O
2 gas
pump

Electric heater
Mixing blade

Rotating seal

O2 gas
Source vapor

Ar gasReaction chamber
Source vaporizer

Vac.

合成プロセス：ロータリーCVD

Li7La3Zr2O12(LLZ) (固体電解質）
LLZ Garnet

LATP
LLZ
LLZ粒子上にLATP膜

2 μm
Al添加LLZ粒子のSEM写真

LiCoO2 (正極活物質）

Al添加LLZ粉末のX線回折図

As-prepared

2 μm

700℃2h2 μm

5 μm

焼結体の微構造（700 ℃ 1 h）
コーティング粒子を用いた焼結体のCole-Cole plot

期待される市場・応用
・二次電池用高性能粉末、SOEC、センサ素子など
謝 辞：本研究は、ALCA-SPRING「無機固体電解質を用いた全固体リチウム二次電池の創出」の支援によって実施されたものである。
担当者：高橋誠治、木村禎一

GDC/YSZ界面での相互拡散が及ぼす単セル抵抗成分への影響

R-18

課題
・SOECやSOFCの特性には電極・電解質の材料特性のみならず、電極/電解質界面で形成される高抵抗相も大きく影響
・電解質および電極/電解質界面由来抵抗成分の定量評価が必要
解決手段
・反応後組成を模擬した粒子を合成し、種々の組成の電解質を作製
・模擬電解質を用いて導電率と電極/電解質界面由来抵抗を分離測定し、それぞれの抵抗成分への影響を評価
成果・新規性・10 mol%YSZ以上の濃度で界面にSrZrO3が形成
・GDCの電解質はYSZ濃度増加とともに導電率が大きく低下
・界面由来抵抗はYSZ濃度の増加とともに増加 ⇒ 電解質導電率低下の影響が大

電解質 電極単セル構造

LSCF: (La0.6Sr0.4)(Co0.2Fe0.8)O3-x
GDC: (Gd0.1Ce0.9)O2-x
YSZ
Ni-YSZ or Ni-GDC

GDC-CYSZ mol%YSZの導電率

GDC-CYSZ mol%YSZ/LSCF界面のSEM/EDX分析結果

界面由来抵抗評価試料期待される市場・応用

導電率評価試料

LSCF/GDC-CYSZ mol%YSZの界面由来抵抗・ SOEC／SOFC単セルの界面由来抵抗成分評価および単セル構造設計指針
謝 辞：本研究は、新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）からの委託業務「水素利用等先導研究
開発事業／水電解技術高度化のための基盤技術研究開発／高温水蒸気電解技術の研究開発」（平成30年度～）で実施したものである。
担当者：川原浩一、鈴木雅也
共同研究者：（東芝エネルギーシステムズ（株））長田憲和、犬塚理子、亀田常治

GaN/Siパワー半導体に形成される
R-19
結晶欠陥のTEMによる構造解析
課題
優れた性能を有するパワー半導体の実現には、そのデバイス特性に強い影響を及
ぼす結晶欠陥を分類・特定し、所望の領域から抽出した結晶欠陥の構造的な特徴との対応づけを可能にする技術群の確立・連携が必要不可欠である。
解決手段
・X線トポグラフィ(XRT)、化学エッチング法等により結晶欠陥を可視化、分類・集束イオンビーム(FIB)法により所望の領域から結晶欠陥を正確に抽出
・大角度収束電子線回折(LACBED)法により結晶欠陥の詳細な構造情報を取得
成果・優位性・XRTや化学エッチング法などとの連携により対象となる結晶欠陥を特定・XRTやウィークビーム暗視野法との相補的な欠陥構造情報を取得
・LACBED法は未知の欠陥種に対しても高精度かつ正確な構造情報が取得可能
・結晶欠陥の詳細な構造情報をもとに、結晶形成時の欠陥形成機構を予測・実験方法：放射光XRT、化学エッチング法、透過電子顕微鏡（明･暗視野法、LACBED法）

GaN複合
転位-1の
明視野像
複合転位-1の反応・対消滅挙動

GaN複合
転位-2の
明視野像

複合転位-2の反応挙動期待される市場・応用・各種パワー半導体の材料開発における製造プロセス改善や不良解析への適用（SiC、GaN、AlN、ダイヤモンド等）
発表文献

Y. Sugawara et al., AIP Advances, 6, 045020-1-045020-7 (2016).
Y. Sugawara et al., J. Crystal Growth, 468, 536-540 (2017).

謝 辞：本研究の一部は、科学技術振興機構（JST）愛知地域スーパークラスタープログラムにて実施されたものである。
担当者：菅原義弘、姚永昭、石川由加里
共同研究者：（名古屋工業大学）三好実人、江川孝志

次世代パワー半導体酸化ガリウムの結晶欠陥分類法開発

R-20

課題
・次世代パワー半導体β型Ga2O3は、対称性の低い単斜晶であるため、結晶中の欠陥の構造が複雑であり、その種類の識別が難しい。
・β型Ga2O3単結晶の高品質を実現するために、欠陥分類技術が必要である。
解決手段
・結晶欠陥を高精度かつ非破壊で分類するX線トポグラフィ法の確立
・基板全体の結晶欠陥を短時間で簡易に検出・分類するエッチング法の開発(上記2手法は単独でも使用可能)
成果・優位性・24種類の回折ベクトルを用いたX線トポグラフィ法を確立し、転位のバー
ガースベクトルの高精度な特定に成功・欠陥を検出・分類する低温アルカリ性腐食液を開発⇒大面積基板の欠陥を半日程度で評価可能
・実験方法： 放射光X線トポグラフィ（XRT）、KOH＋NaOH溶融液によるエッチング処理
(a)

g1

g24

g=hkl, k≠0<010> visible

(b)

(e)

spotlike

d
ape
-sh
line

[001]
[010]

_
{201}

be

edg

scre

w

b

[100]
1}
72.6o {10

(c)

(d)
g5

g=h0l
<010> invisibleg4(a)-(d)複数のgベクトルで撮影したXRT像による欠陥構造解析、(e)欠陥の模式図

[010]

[102]

100μm

KOH＋NaOH溶融液を用いて（010）面基板の欠陥箇所に形成した4、5、6角形ヒロック
F:その他の多角形ヒロック

期待される市場・応用
・β型Ga2O3結晶の欠陥低減とGa2O3パワーデバイスの故障原因同定
発表文献

姚, 石川, 菅原, J. Appl. Phys., 126 (2019) 205106.
姚, 石川, 菅原, Phys. Status Solidi A, 217 (2020) 1900630.
姚, 菅原, 石川, Jpn. J. Appl. Phys. 59 (2020) 045502.
姚, 菅原, 石川, J. Appl. Phys., 127 (2020) 205110.

謝 辞：本研究の一部は、科研費、日本板硝子材料工学助成会助成金、永井科学技術財団奨励金、および高エネルギー加速器研究機構・放射光共同利用にて実施されたものである。
担当者：姚永昭、石川由加里、菅原義弘
共同研究者：（高エネルギー加速器研究機構）平野馨一、（日本大学）高橋由美子

GaN結晶加工時の模擬導入欠陥
3次元構造と荷重の相関

R-21

課題
・パワーデバイス用ワイドバンドギャップ半導体ウエハの高品質化が課題である。
・高硬度・脆性材料であるワイドバンドギャップ半導体でも加工導入欠陥の少ないウエハ加工技術の開発が求められている。
解決手段
・加工モデル条件下での欠陥構造・欠陥導入メカニズムの評価
・砥粒押し込みのモデル実験としてのビッカース圧痕形成と多光子顕微鏡による周辺転位構造の観察
・荷重と周辺の転位構造との相関評価
成果・優位性・<11-20>に平行な転位線に加え、花弁状の転位ループ、ピラミダル面上の転位の3構造があることを確認
・荷重範囲（0.02－1 N）において上記構造を保持・ビッカース圧痕サイズ（d1）に花弁状転位ループサイズ（d2）は比例・実験方法：多光子顕微鏡による圧痕周囲の転位3次元構造観察（下図は荷重＝１ N）

a)

d1

e)

b)

c)

d)

f)

g)

h)

d2

50 μm

a）ビッカース圧痕、b）－ h）表面から1 μmステップで内部方向へ観察期待される市場・応用
・ワイドバンドギャップ半導体パワーデバイス用ウエハの高品質化
・材料内部の3次元欠陥構造の非破壊観察
謝 辞：本研究の一部は、知の拠点あいち重点研究プロジェクト、一部はJSPS科研費（17K05049、20K05176）にて実施されたものである。
担当者：石川由加里、横江大作、菅原義弘、姚永昭

SinterProを用いたプロセス
シミュレーション技術の開発

R-22

課題
セラミックス製品の開発・製造では、試行錯誤を繰り返して焼結プロセスを最適化している。プロセス最適化を高効率で短期間に進めるためには、プロセスシ
ミュレーション技術の活用が不可欠である。
解決手段
焼結・粒成長によるミクロレベルの「組織変化」と、組織変化に伴うマクロレベ
ルの「変形」を取り扱える焼結シミュレーションソフト（SinterPro ver.2）を用いた解析を行い、実験結果と比較し、その妥当性を検証する。
成果・優位性・焼結後の微構造変化を予測：初期粒径による微構造最適化
・焼結中の部材変形を予測：焼成中の破壊を抑制、焼き上がり寸法の精密制御⇒実験結果とよく一致し、プロセス最適化への応用が可能
実験結果（アルミナ）
粗粒
微粒

実験結果（ジルコニア）

・実験方法：SinterPro ver.2を用いた焼結後の微構造・形状シミュレーション

加熱前

1400 ℃×20 h

計算結果

計算結果
微粒
粗粒

低

焼結前
焼結後
焼結・粒成長シミュレーション

2 mm

相対密度

1400 ℃×5 h

1400 ℃×100 h

高加熱前

1400 ℃×5 h

1400 ℃×20 h

1400 ℃×100 h

焼結による変形シミュレーション*

期待される市場・応用

・焼結材料の研究・開発の高効率化⇒新規材料開発、組織の最適化など
・焼結プロセスの問題解決⇒焼結体形状の寸法制御、組織不良の対処など
発表文献*S. Terasaka, H. Matsubara et al., J. Am. Ceram. Soc. 103 (2020) 2035–2047.

謝 辞：本研究の一部は、総合科学技術・イノベーション会議のSIP（戦略的イノベーション創造プログラム）「【革新的構造材料】」（管理法人：JST）の一環として実施されたものである。
担当者：寺坂宗太、野村浩共同研究者：（東北大学）松原秀彰

初期焼結のモデリングと応力解析

R-23

課題
・粉体を積層するデバイスが小型化することで、粉体層が薄く、粒子数が少なくなり、熱環境下での各粒子の挙動が重要となる。
・製造時もしくは熱環境下使用時に粒子間に生じる応力はデバイス中で欠陥を形成するため、粒子配列の変化や応力形成を予測する技術が重要となる。
解決手段
・粒子間ネックの組織形成モデリング：粒界拡散、表面拡散を差分式で表現
・粒子径の異なる粒子列の連成
成果・優位性・想定される材料物性値をもとにした直接計算
・粒子間のネック形状変化および収縮量に依存した応力の予測
6.E+8Free、大粒子

粒界flux・表面flux ⇒ 収縮、表面形状変化
4.E+8

原子体積
表面エネルギー
粒界厚み
粒界拡散係数
表面厚み

表面拡散係数

Stress (Pa)

入力値

Linked、大粒子
0.99

Free、小粒子
2.E+8

0.98
0.E+0

計算モード
/ Free Sintering/ Linked Sintering

収縮を支配する因子：粒界に沿ったflux

0.97

Linked、大粒子-2.E+8粒子半径
初期接触半径Linked、小粒子

Linked、小粒子

二面角
ヤング率

解析例：UO2 800 ℃-4.E+8
1.E+0

1.E+2

1.E+4

1.E+6

1.E+8

Time (sec)

本技術の発展ランダムパッキング粒子の熱環境下での応力形成期待される市場・応用・熱環境にさらされる粉体層：ダイボンド材 全固体電池など⇒粉体の設計、熱環境の影響評価、長期健全性評価
T. Matsuda, Int. J. Ceramic Eng. Sci. 1 (2019) 206-215.

担当者：松田哲志

0.96

大粒子／小粒子列の収縮と応力

4𝐷g 𝛺
𝛾s
𝛹
𝑗r =
𝜎 + 𝛾s 𝐶 𝑥 + 2 sin
𝑥𝑘𝑇
𝑥
2

発表文献

1

1 - Δz/R・解析方法： Finite‐difference method

JFCCにおけるマテリアルズ
インフォマティクス研究

R-24

課題
近年、材料開発の効率化を目指したマテリアルズインフォマティクスの取り組みが注目されている。マテリアルズインフォマティクスには信頼性の高いデータベースが必要であるが、機能性セラミックス材料の場合は粒界の存在、プロセス
条件の違いなどのため、充分に整備されていない場合が多くマテリアルズイン
フォマティクス研究を行う上での障害となっている。
解決手段
上記の課題を克服するために下記のような戦略のもとに研究を実施①結晶そのものの性質による材料特性②第一原理計算にて計算可能な材料特性③社会的ニーズの大きい材料を研究対象
成果・新規性・Er安定化Bi2O3の酸化物イオン伝導経時劣化を抑制するドーパントの抽出に成功
・マテリアルズインフォマティクスの社会実装の取り組みとして、企業との共同研究にて、高誘電率材料設計システムの構築に成功

Er安定化Bi2O3の酸化物イオン伝導の経時劣化を抑制するドーパントの抽出に成功期待される市場・応用

マテリアルズインフォマティクスの社会実装の取り組みとして、企業との共同研究にて、高誘電率材料設計
システムを開発・マテリアルズインフォマティクスによるセラミックス材料の研究
・マテリアルズインフォマティクスの社会実装による企業での材料開発の
効率化
発表文献

Chem. Mater. 29 (2017) 3763−3768, J. Appl. Phys. 57 (2018) 11UB01, Jpn. J.
Appl. Phys. 58 (2019) SLLC01.

謝 辞：本研究は、JST「情報統合型物質・材料開発イニシアティブ（MI2I）」の一環として実施されたものである。
担当者：森分博紀、桑原彰秀、藤井進、設樂一希、田口綾子
共同研究者：（京都大学）田中功、東後篤、世古敦人、林博之

酸素吸蔵材料Ca2AlMnO5+δにおける酸化物イオン拡散機構の研究 R-25
課題
Ca2AlMnO5+δは約500 ℃の中温領域で動作する酸素吸蔵材料として注目されている。実用化に向けて動作速度の高速化が望まれているが、吸収・放出の詳細は解明されておらず、有効な材料設計指針は確立されていない。
解決手段
酸素の吸収・放出現象は、物質表面の酸素吸脱着とバルク内部での酸化物イオン
伝導の２つに大別される。本研究では、バルク内部に着目し、第一原理計算により酸化物イオン拡散の活性化エネルギーを計算した。
成果・新規性
・格子間拡散機構は、準格子間機構よりも活性化エネルギーが低い。
・放出相は酸化物イオンの1次元拡散なのに対し、吸収相は空孔の2次元拡散・実験方法： 平面波基底PAW法（VASPコード）、 Nudged Elastic Band法
吸収前

Oex.
𝑎

𝑎
𝑏
活性化エネルギー

拡散方向

吸収前

吸収後

c軸

0.58 eV

0.56 eV

a軸

0.87 eV

0.55 eV

活性化エネルギー (eV)

吸収後

𝑐

Xi

Xf

Xi

Al

O

反応座標

Xf

１つの酸化物イオンが局所安定なサイト間を移動するのに必要なエネルギー期待される市場・応用
・工場等からの排熱を利用した空気分離装置用材料
謝 辞：本研究は、SIP「高速酸素吸脱着材料による革新的排熱利用酸素製造装置の開発」の一環として実施されたものである。
担当者：松本潮、桑原彰秀、小林俊介、吉田要、吉田竜視
共同研究者：（神奈川大学）本橋輝樹

プロトン伝導体LaScO3の第一原理計算による相安定性

R-26

課題
BaやSrを添加したペロブスカイト型LaScO3は中温域（400～600 ℃）でプロト
ン伝導性を有するため、新規プロトン伝導体として注目されているが、結晶構造
や高温における相転移の詳細についてはまだ明らかでない点が多い。
⇒相転移機構の解明により、材料開発の加速化が期待される。
解決手段
・ペロブスカイト型構造における八面体の傾斜と構造対称性の系統探索による候補構造（相）の特定（11種類）
・第一原理計算による相安定性の評価
・フォノン計算を基に相転移機構の解析
成果・新規性・相転移の順序（高温から冷却した際に現れる順番）：
立方晶系Pm3m ՜正方晶系I4/mcm ՜直方晶系Imma ՜直方晶系Pnma
Glazer表記 a0a0a0 ՜
a0a0c- ՜a-b0a- ՜
a-b+a・高圧合成や薄膜合成による他の結晶系（菱面体など）の安定化も可能
・計算方法：構造探索（SPuDSコード）、第一原理計算（VASPコード）、フォノン分散計算（Phonopyコード）
ഥm
Pm３
I4/mcm
Imma
Pnma
La

DE = 0 eV

DE = -0.74 eV

DE = -0.93 eV

DE = -1.01 eV

ScO6

Wavevector

Wavevector

Frequency (THz)

Frequency (THz)

Frequency (THz)

Frequency (THz)O

Wavevector

Wavevector

期待される市場・応用
・プロトン伝導セラミック燃料電池、固体酸化物型燃料電池など
・強誘電体、強弾性体、マルチフェロイクスなど
・高温セラミックス、高強度セラミックスなど
発表文献

フィッシャーら、燃料電池 Vol.19 No.3 (2020) 95-102

謝 辞：本研究は、NEDOエネルギー・環境新技術先導プログラム「超高変換効率新規プロトン導電テバイスの開発」の支援を受けて実施されたものである。
担当者：Craig Fisher、田口綾子、小川貴史、桑原彰秀

Bi系複合アニオン光触媒における高活性メカニズム

R-27

課題
可視光に応答する光触媒により、水の分解反応による水素エネルギー生成が可能となるが、高活性かつ高耐久性の光触媒材料の開発が課題⇒高活性メカニズムを解明し、開発指針を得る手法の高度化が必要
解決手段
・光により生成した励起電子の振舞いが点欠陥に強く影響されることに着目
・Bi系複合アニオン材料であるBi4NbO8ClとBiOClの対比検討
・第一原理計算により、点欠陥が電子を捕捉する強さを定量的に評価
成果・新規性・Bi4NbO8ClとBiOClにおける酸素空孔の電子捕捉挙動に著しい差異
・Bi4NbO8Clにおける励起電子は非局在化する傾向 ⇨ 還元反応を促進
・Bi系材料の励起電子の非局在化は[Bi2O2]ブロックの積層構造が起源
・解析方法： 第一原理計算

空孔近傍に局在

BiOCl

Bi4NbO8Cl

励起電子の密度分布

VO

Bi-6p軌道の結合により2次元的に非局在化

Cl
Bi(2)

欠陥位置からの距離Bi(1)欠陥位置からの距離NbO6

欠陥近傍における光励起した電子の広がり期待される市場・応用

Bi4NbO8Clの励起電子の広がり

・光触媒材料、発光材料における光応答特性の解明および制御・半導体やイオン伝導体におけるドーパント、不純物およびキャリアの制御
謝 辞：本研究は、JSPS科研費新学術領域「複合アニオン化合物の理解：化学・構造・電子状態解析」（16H06440）の一環として実施されたものである。
担当者：小川貴史、桑原彰秀
共同研究者：（豊田工業大学）山方啓

AI画像処理による電子線ホログラフィー電位計測

R-28

課題
電子線ホログラフィーは材料内部の電位分布をナノメートルスケールで計測可能な透過電子顕微鏡法として注目されてきた。しかし、生体材料など電子線に弱い材料を計測する場合、十分な露光ができないため、電子線ホログラムに多量のノイズが含まれることが計測精度低下の原因となっていた。
解決手段
電子線ホログラムのノイズ低減法として、AI技術（機械学習）に基づく画像処理であるスパースコーディングを採用する。
成果・優位性・電子線ホログラムのノイズをスパースコーディングにより効果的に低減することで電位計測精度が向上
・本ノイズ低減法は、一般的なノイズ低減法とは異なり、画像の特徴成分を
機械学習により抽出する点に優位性がある。
・実験方法： 電子線ホログラフィー、スパースコーディング

GaAs p-n接合の電子線ホログラム(a)、(b)はノイズ低減前。(c)、(d)はノイズ低減後期待される市場・応用

ホログラムから再生した電位分布像(a)－(d)は左図と対応

ノイズ除去前の精度：(a) 0.1 V、(b) 0.5 V
ノイズ除去後の精度：(c) 0.01 V、(d) 0.1 V

・高性能半導体デバイスの研究開発および不良品解析
・生体材料の組織および機能の解析
発表文献

S. Anada et al., Microscopy 68 (2019) 159–166.
S. Anada et al., Micros. Microanal. 26 (2020) 429-438.

謝 辞：本研究の一部は、文部科学省 先端研究基盤共用促進事業（共用プラットフォーム形成支援プログラム）として実施されたものである。
担当者：穴田智史、山本和生、平山司共同研究者：（パナソニック（株））野村優貴

走査電子顕微鏡用
簡易型収差補正器の開発

R-29

課題
電子顕微鏡の高空間分解能化には、レンズのボケ（球面収差）を補正することが必要であるが、従来の補正装置は複雑・大型で高価であった。そのため、小型で簡便、安価な補正装置の開発が求められていた。
解決手段
・特殊な形状の電極（円環状スリット／円孔）に電圧を印加して発生する電界の凹レンズ作用を利用
・電極および搭載治具のコンパクト化（サイズ：数10 mm）
・既存の汎用SEMにも（絞り部分を改造することで）搭載可能な機構
成果・優位性・収差補正により汎用SEMの分解能が向上（達成値：1.2 → 0.7 nm @30 kV／3.0 → 1.5 nm @1 kV）
・サイズ・コストは従来装置の10分の1に低減・調整が簡便で観察条件の変更後に短時間（数分以内）で再調整が完了
・圧縮センシング等の情報処理を併用すればノイズ低減、高解像化も可能

30 kV 未補正

収差補正像

1 kV

未補正

収差補正像

10 mm

複数の電極を組込める治具

100 nm50 nm

期待される市場・応用

1.2 nm

0.7 nm3.0 nm
1.5 nm・SEMの高分解能化による様々なサンプルの高精度・高確度解析
・低加速電圧（数kV以下）での高分解能観察⇒ダメージ受けやすいソフトマテリアル試料等の解析
・AI的画像処理を併用することによる更なるダメージ抑制（極低侵襲化）
発表文献

T. Kawasaki et al., Surf. Interface Anal. (2016) 48, 1160

謝 辞：本研究は、JST先端計測分析技術・機器開発プログラム「超汎用型 SEM用Cs/Cc補正器の開発」において実施されたものである。
担当者：川﨑忠寛、吉田竜視、加藤丈晴
共同研究者：（（株）日立ハイテク）野間口恒典、本村俊一、西中健一、揚村寿英