金 沢 大 学 ナノマテリアル研 究 所
年 報 2019 年
Annual report
Nanomaterials Research InstituteKanazawa University

目次

新規材料開発グループ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・P1-3
創エネデバイス開発グループ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・P4-7
省エネデバイス開発グループ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・P8-9
ナノ計測グループ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・P10-11
理論・計算科学グループ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・P12-14新規材料開発グループ＜スタッフ＞
グループリーダー

教授

水野 元博

助教

雨森 翔悟

特任助教

重田 泰宏

【 研 究 概 要 】
当グループでは、超分子の特性を活かした革新的なマテリアル研究を推進し、次世代のエ
ネルギー・環境材料、及び生活の質的向上に繋がる材料の開発を目指す。実用化の観点から、固体材料の開発は極めて重要であるが、これまでの超分子を用いた材料開発では液体が主であり、固体材料の開発は未開拓な分野である。当グループでは、固体 NMR などを用いた物
質の局所構造やダイナミクスの解析を物質設計にフィードバックし、超分子を用いた高機能固体材料の開発を推進する。
具体的な研究テーマとしては、燃料電池への活用が期待される固体プロトン伝導物質の開発に取り組んでおり、高分子、メソポーラスシリカ、有機結晶などのナノ空間にプロトン伝
導媒体となる有機分子を配置することで、高いプロトン伝導性を持つ固体電解質の開発を行っている。
“高分子エラストマーの網目空間内における超分子化学”を柱とし、革新的な機能性マテリア
ルの開発を目指し精力的に研究を行っている。従来の超分子は多くの場合、低分子の液体媒体中で生成・利用されてきた。本研究では“ゴム(エラストマー)を超分子形成の媒体として利用する”という独自のアイデアを基に、超分子の平衡による機能性をエラストマーに付与し、新規の機能性固体超分子-高分子材料の創成を進めている。
＜2019 年の研究成果，進展状況＞
固体中の分子の運動が関与したプロトン伝導プロセスに着目し，高プロトン伝導性固体材料の開発に取り組んだ。本年度は，プロトン伝導性有機結晶，プロトン伝導性高分子複合膜を用いたプロトン伝導性材料について開発と物質内部の構造・分子運動の解析を行った。プ
ロトン伝導性高分子複合膜については，アルギン酸にイミダゾールを加えた複合膜について，
プロトン伝導性とイミダゾール分子の運動性との関係を調べた。イミダゾールの量が少ない
ときは，高分子鎖間にイミダゾールを介した水素結合による架橋が形成され，イミダゾール
分子は架橋内でフリップ運動をしていることが見出された。架橋内でのフリップ運動は共同研究により理論計算を用いて考察を進めている。また，固体ＮＭＲ法を用いて様々な機能性物質の解析を行い，物質の機能と分子運動の関係を明らかにした。
高分子エラストマーの網目空間内における超分子集合体の集合挙動の解析と，力学的刺激に応答した高分子エラストマーの創成を目指し精力的に研究を遂行した。具体的には架橋したポリジメチルシロキサン（PDMS）エラストマー中と無架橋の PDMS 中における電荷移動錯

1

体の集合挙動（特に会合定数）の解析を行った。結果として架橋の有無による会合定数の違
いはほとんど示唆されなかった。本結果は媒体のマクロな流動が抑制された環境中（エラス
トマー中）においても，液体中と同様に分子間の会合定数を議論できることを示している。
固体中における特異な超分子化学への展開が期待される。
また PDMS エラストマー中における多孔性配位高分子の in situ 合成による混合マトリック
ス膜の開発を推進した。ガス分離特性に優れる多孔性配位高分子と高分子の複合化によって作製される混合マトリックス膜は高性能なガス分離膜材料として近年注目されている。一方で，多孔性配位高分子の高分子中における凝集が課題となっていた。これを解決する手段として高分子エラストマー中における多孔性配位高分子の in situ 合成法の開拓を進めた。現在，PDMS エラストマー中における多孔性配位高分子の形成を示唆する結果が得られている。
【 研 究 業 績 】＜発表論文＞
1.

Ohashi, R.; Michal, C.; Mehr, H.; Nguyen, T.; MacLachlan, M.; Mizuno, M. “Solid-state 23Na
NMR spectroscopy studies of ordered and disordered cellulose nanocrystal films”
Solid State Nucl. Magn. Reson., 2019, 97, 31-39.

2.

Ogoshi, T.; Maruyama, K.; Sakatsume, Y.; Kakuta, T.; Yamagishi, T.; Ichikawa, T.; Mizuno, M.
“Guest Vapour-Induced State Change of Structural Liquid Pillar[6]arene” J. Am. Chem. Soc.,
2019, 141, 785-789.

3.

Ogoshi, T.; Hamada, Y.; Sueto, R.; Sakata, Y.; Akine, S.; Moeljadi, A. M. P.; Hirao, H.; Kakuta,
T.; Yamagishi, T.; Mizuno, M. “Host-Guest Complexation Using Pillar[5]arene Crystals:
Crystal-Structure Dependent Uptake, Release, and Molecular Dynamics of an Alkane Guest”
Chem. Eur. J., 2019, 25, 1-7. (Hot Paper, Front Cover)4. Ogoshi, T.; Sueto, R.; Yagyu, M.; Kojima, R.; Kakuta, T.; Yamagishi, T.; Doitomi, K.;
Tummanapelli, A. K.; Hirao, H.; Sakata, Y.; Akine, S.; Mizuno, M. “Molecular weightfractionation by confinement of polymer in one-dimensional pillar[5]arene channels” Nat.
Commun., 2019, 10, 479.
5. Ohata, Y.; Kamebuchi, H.; Watanabe, K.; Kouchi, T.; Suzuki, Y.; Imaizumi, T.; Sugaya, T.; Mizuno,
M.; Tadokoro, M. “Slow Dynamics of Premelting Water Molecules Confined in a Hydrophilic
Nanoporous Space” ChemistrySelect 2019, 4, 6627–6633.
6. Hori, Y.; Shiota, Y.; Ida, T.; Yoshizawa, K.; Mizuno, M. “Local structures and electronic properties
of In atoms in In-doped ZnO” Thin Solid Films 2019, 685, 428-433.
＜外部資金＞（ユニット主体）1.

基盤研究 B，「最適な分子運動空間構築に基づいた高プロトン伝導材料の開発」，水野元博，代表，2019-2021 年度，配分額 総額 直接経費 13,500 千円（H31: 6,400 千円）

2.

科研費

若手研究「エラストマーを利用した超分子集合体の力学的制御と力学的刺激応

2答性材料への応用」雨森翔悟，代表， 2018-2021 年度，直接経費 3,100 千円＜共同研究＞
学外
1.

「ナノセルロースクリスタルの新規物性と局所構造解析」水野元博（代表者），雨森翔
悟，大橋竜太郎，Mark J MacLachlan (University of British Columbia)

2.

「固体プロトン伝導物質の研究」水野元博（代表者），大橋竜太郎，清水禎（物質・材料研究機構），丹所正孝（物質・材料研究機構）

3.

「グラファイト層間化合物の局所構造解析」後藤和馬（岡山大学，代表者），水野元博

4.

「多孔性ピラーアレーン結晶に吸着された有機ゲストの分子運動とホスト-ゲスト間相互作用の解析」生越友樹（代表者，京都大学），水野元博

5.

「ナノポーラス空間における水分子の運動状態解析」田所誠（代表者，東京理科大），
水野元博

3

創エネデバイス開発グループ＜スタッフ＞
グループリーダー

教授

當摩 哲也

准教授

辛川 誠

特任助教
招聘型リサーチプロフェッサー

Md.

Shahiduzzaman

Jean-Michel Nunzi【 研 究 概 要 】
太陽電池は再生可能エネルギーの代表格だが、主流のシリコン太陽電池はその重さや形状から設置場所が限られる。そこで注目を集めているのが、薄い、軽い、曲げられるなどのメリットを持つ有機系薄膜太陽電池である。金沢大学ではこれまで、塗って作る太陽電池の技術開発に貢献するなど、当該分野で顕著な実績を上げてきた。当グループではこうしたアド
バンテージを活かし、さまざまな観点・技術から有機系太陽電池の性能向上に取り組んでいる。例えば，光吸収の増加や電荷輸送効率の向上は重要な要素である。真空蒸着により基板に蒸着された有機半導体分子は、基板に対して垂直に立つ、水平に寝るなどの配向をとるが、後者のほうがよく光を吸収し、よく電力を流すことが分かっている。当グループでは、in situ測定が可能な製膜装置を独自に開発し、分子の配向制御技術を追求している。また，「近赤外光」を利用した太陽電池用有機材料の分子設計・合成にも挑戦している。人の目に見えない波長の光を吸収する材料は無色透明になることから、色のない太陽電池として従来にない製品デザインが期待できる。最後に，有機・無機ハイブリッド型の太陽電池も研究対象としており、シリコン系に迫る変換効率を持つ「ペロブスカイト太陽電池」について、多層構造の接合面を制御することで、高性能化の可能性を探索している。有機系薄膜太陽電池が普及にいたる壁のひとつは耐久性ですが、当グループでは様々な研究機関と連携することで、劣化メカニズムを探求し、実用化につなげて行く予定である。
＜2019 年の研究成果，進展状況＞
有機無機ハイブリットであるペロブスカイト太陽電池の研究では、イオン液体添加によるナノ構造制御により論文と特許を取得し、基礎的研究として太陽電池の劣化機構の解明を行った。東海大学との研究として、酸化チタン層の結晶層の制御と高性能を検討し、その成果は Nature Index の Springer Nature の編集チームの”Research Highlight”に選ばれた。さらに、無機型ペロブスカイト太陽電池として、蒸着可能な Cs を元にした太陽電の開発に成功している。
この他、会社との共同研究や RSET の教員との融合研究として、大気圧プラズマジェットを用いた新規製膜法の開発を行っている。若手 PI が中心となり研究を行っている有機半導体創製の研究において、海外研究者との共同研究において新規半導体のトランジスタ応用に成功
し、さらに新規太陽電池用材料の創製にも成功している。さらに、有機薄膜太陽電池の劣化
および耐久性研究を学内研究者との共同研究として行い、光吸収発電層内で生じる有機半導4体材料の経時変化を独自の手法により化学分析することに成功した。この成果は金沢大学
paper of the month に選出された。国立大学附置研究所のアライアンス事業へ参画し、東京工業大学との共同研究として、有機薄膜太陽電池構造を使った光触媒素子の研究を行い、可視光を効果的に吸収することで従来の数倍の光触媒機能の発現に成功し、金沢大学と東京工業大学で同時にプレスリリースを行った。
【 研 究 業 績 】＜発表論文＞
1.

Md. Shahiduzzaman, T. Sakuma, T. Kaneko, K. Tomita, M. Isomura, T. Taima, S. Umezu & S.
Iwamori, ”Oblique Electrostatic Inkjet-Deposited TiO 2 Electron Transport Layers for Efficient
Planar Perovskite Solar Cells” Scientific Reports 9, pp.19494 (2019.12).

2.

Md. Shahiduzzaman, T. Hirayama, T. Chikamatsu, T. Koganezawa, M. Nakano, T. Miyadera, M.
Karakawa, K. Takahashi and T. Taima, “Substrate-Driven Switchable Molecular Orientation in
Bulk Heterojunction Films and Identified by Infrared Reflection Absorption Spectroscopy”,
Molecular Systems Design & Engineering (2020) accepted.

3.

K. Shimada, Md. Shahiduzzaman, and T. Taima, “Platinum leaf counter electrodes fordye-sensitized solar cells”, Japanese Journal of Applied Physics 59, pp.SDDC07 (2020.1).

4.

R. Sato, Y. Chiba, M, Chikamatsu, Y, Yoshida, T, Taima, M. Kasu, and A. Masuda,“Characteristics change in organic photovoltaics by thermal recovery and photodegradation”,
Japanese Journal of Applied Physics 59, pp.SCCD04 (2020). (Published online 2019.11.)

5.

Y. Wada, K. Shinohara, H. Asakawa, S. Matsui, T. Taima, and T. Ikai, “One-Step Synthesis of
One-Dimensional Supramolecular Assemblies Composed of Helical Macromolecular Building
Blocks”, J. Am. Chem. Soc. 141, pp.13995−14002(2019.8).

6.

N. Ohashi, T. Miyadera, T. Taima, and Y. Yoshida, “Evaluation of exciton diffusion length inhighly oriented fullerene films of fullerene/p-Si (100) hybrid solar cells”, Japanese Journal ofApplied Physics 58, pp.121004 (2019.11).

7.

Md. Shahiduzzaman, K. Hamada, K. Yamamoto, M. Nakano, M. Karakawa, K. Takahashi, and T.
Taima, “Thermal Control of PbI2 Film Growth for Two-Step Planar Perovskite Solar Cells” Cryst.
Growth Des. 19, pp. 5320−5325(2019.7).

8.

R. Sato, Y. Chiba, M, Chikamatsu, Y, Yoshida, T, Taima, M. Kasu, and A. Masuda, “Investigationof the power generation of organic photovoltaic modules connected to the power grid for morethan three years”, Japanese Journal of Applied Physics 58, pp. 052001 (2019.4).

5

9.

K. Hamada, K. Yonezawa, K. Yamamoto, T. Taima, S. Hayase, N. Ooyagi, Y. Yamamoto and K.
Ohdaira, “Vacuum deposition of CsPbI3 layers on textured Si for Perovskite/Si tandem solar
cells”, Japanese Journal of Applied Physics 58, pp. SBBF06 (2019.2).

10. K. Yamamoto, T. Miyadera, Y. Matsuo, T. Kuwabara, K. Takahashi, T. Taima, and M. Chikamatsu,“Effects of optical interference and optimized crystallinity in organic photovoltaic cells with a
low-bandgap small molecule fabricated by dry process” Japanese Journal of Applied Physics 58,
pp. SBBG12 (2019.2).
11. Md. Shahiduzzaman, R. Yamada, T. Chikamatsu, T. Ono, Y. Tanaka, Y. Uesugi, M. Karakawa, T.
Kuwabara, K. Takahashi, T. Ishijima, T. Taima, “Thin film deposition method for ZnO nanosheets
using low-temperature microwave-excited atmospheric pressure plasma jet”, Thin Solid Films
674-31 pp. 58-63 (2019.3).
12. Md. Shahiduzzaman, S. Visal, M. Kuniyoshi, T. Kaneko, S. Umezu, T. Katsumata, S. Iwamori, M.
Kakihana, T. Taima, M. Isomura, K. Tomita, “Low-Temperature-Processed Brookite-Based TiO₂
Heterophase Junction Enhances Performance of Planar Perovskite Solar Cells”, Nano Lett. 19-1,
pp. 598-604(2019).
＜著書・編書＞
1.

當摩哲也, 辛川誠, 高橋光信，有機薄膜太陽電池のナノレベルでの構造解明と高性能化，
応用物理 88(10) 2019 年

2.

當摩哲也，イオン液体によるペロブスカイトナノ粒子膜の作製とその生成メカニズム，
鉱山(Web) 72(4) 2019 年＜外部資金＞
1. 公益財団法人中部電気利用基礎研究振興財団, 「交互蒸着による低コスト・高性能な有機無機ハイブリット太陽電池の開発」（2019~2020 年度）, 1,700 千円, 研究代表者：當摩
哲也
2. 株式会社 EMD、共同研究（平成 31 年度）代表：石島達夫、研究分担者：當摩哲也
3. 平成 29 年度～31 年度, 基盤研究(C)，「逆型有機薄膜太陽電池の劣化機構の解明を基軸とした高耐久性素子の創成」代表：高橋光信、研究分担者：辛川誠
4. 株式会社 ハーベス、共同研究（平成 31 年度），研究代表者：辛川誠
5. 平成 31 年度 「ヘミバルクヘテロ構造を有する有機薄膜を用いた光触媒システムの開発」
アライアンス共同研究事業 東京工業大学化学生命科学研究所、代表：辛川誠＜共同研究＞
学内
1. 當摩とRSET石島の共同研究「プラズマジェットを用いた製膜法の開発」
2. 當摩と新学術創成研究機構仁宮の共同研究「イオン液体添加によるペロブスカイトナノ
粒子化」

6

3.

辛川とRSET石島、北川の共同研究「有機太陽電池を電源とするIoTデバイスの開発」

学外
1. 住化分析センターとの共同研究「有機系太陽電池の評価と観察」當摩哲也
2. 株式会社ハーベスとの共同研究「有機薄膜太陽電池の効率向上」辛川誠
3. 日産化学工業株式会社との共同研究「新規蓄熱材の開発」辛川誠

7

省エネデバイス開発グループ＜スタッフ＞
グループリーダー

教授

徳田 規夫

准教授

松本 翼

特任助教

張 旭芳

特任教授

山﨑

特任教授

Christoph E. Nebel

聡【 研 究 概 要 】
省エネデバイス開発グループでは、ダイヤモンド半導体デバイスの早期社会実装を目指し、独自の高密度プラズマを始めとするダイヤモンド成膜技術とニッケルの炭素固溶反応を用いた独自の高速エッチング技術を駆使して、ダイヤモンドウェハ開発からデバイス開発までの各要素技術の研究開発に取り組んでいる。
【 研 究 業 績 】＜発表論文＞
1.

Conductive-probe atomic force microscopy and Kelvin-probe force microscopy characterizationof OH-terminated diamond (111) surfaces with step-terrace structures
Nagai, M., Yoshida, R., Yamada, T., Tabakoya, T., Nebel, C.E., Yamasaki, S., Makino, T.,
Matsumoto, T., Inokuma, T., Tokuda, N.
Japanese Journal of Applied Physics
Volume 58, Issue SI, 2019, Article number SIIB08

2.

Inversion channel mobility and interface state density of diamond MOSFET using N-type bodywith various phosphorus concentrations
Matsumoto, T., Kato, H., Makino, T., Ogura, M., Takeuchi, D., Yamasaki, S., Inokuma, T.,
Tokuda, N.
Applied Physics Letters
Volume 114, Issue 24, 17 June 2019, Article number 242101

3.

High-Rate Growth of Single-Crystalline Diamond (100) Films by Hot-Filament Chemical Vapor
Deposition with Tantalum Filaments at 3000 °C
Tabakoya, T., Kanada, S., Wakui, Y., Takamori, Y., Yamada, T., Nagai, M., Kojima, Y., Ariyada,O., Yamasaki, S., Nebel, C.E., Matsumoto, T., Inokuma, T., Tokuda, N.
Physica Status Solidi (A) Applications and Materials Science
Volume 216, Issue 21, 1 November 2019, Article number 1900244

8

＜著書・編書＞
1.

Homoepitaxial diamond growth by plasma-enhanced chemical vapor deposition
単著,

Tokuda, Norio,

Topics in Applied Physics, 2019

＜特許＞
1.

ダイヤモンド基板およびその製造方法、徳田規夫・松本翼・野口仁、出願日2019/11/18

2.

ダイヤモンド基板およびその製造方法、徳田規夫・松本翼・野口仁、出願日2019/12/23＜外部資金＞
1.

科学研究費 基盤研究B 「低損失縦型ダイヤモンドパワーMOSFET」徳田規夫（研究代表者），平成29-31年 , 9,700千円（直接経費）

2.

科学研究費 挑戦的研究（萌芽） 「ダイヤモンドを用いた革新的アンモニア合成法の開発」, 徳田規夫（研究代表者），平成29-31年 ,

3.

科学研究費

5,000千円（直接経費）

基盤研究 B「強誘電体の巨大分極を利用した超低損失ダイヤモンドパワー

FET の創出」, 川江健（研究代表者）, 德田規夫（研究分担者）, 平成 29-31 年

17,940千円
4.

科学研究費 基盤研究A 「ダイヤモンド表面核スピン格子を用いた室温量子シミュレー
タの基盤構築」, 山崎聡（研究代表者）徳田規夫（研究分担者），平成30-令和2年 平
成31年3,700千円（直接経費）,平成30年5,000千円（直接経費）

5.

科学研究費 国際共同研究強化A 「ダイヤモンドパワーエレクトロニクスの創成」 ,徳田規夫（研究代表者）， 11,500千円（直接経費）,平成30-令和3年

6.

NEDO未踏チャレンジ2050「パワーデバイスの技術革新」, 松本翼（研究代表者）， 令
和元-5年（最長）,100,000千円（間接経費込み最大）

7.

科学研究費 若手研究「窒素ドーピング技術を用いた超低損失反転層ダイヤモンド
MOSFETの開発」,松本翼（研究代表者）,平成31-令和2年，3,300千円（直接経費）＜受賞等＞
第３回薄膜・表面物理分科会論文賞、松本翼・徳田規夫・山﨑聡・猪熊孝夫＜共同研究＞
企業
3件

9ナノ計測グループ＜スタッフ＞
グループリーダー

准教授

淺川 雅

【 研 究 概 要 】
ナノ計測グループではさまざまなナノマテリアルの構造・物性・機能の定量評価や、原子・分子スケールの微視的理解まで新規ナノマテリアルの創出に資する分析手法の開発を目指している。特に液中で原子分解能を有する原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscopy: AFM）を中心に開発・応用展開を進めており、固液界面現象(触媒反応、分子吸着、結晶成長など)の原子・分子スケールの理解を大幅に進展させて、次世代材料の設計に有用な知見を得ることが目標である。この目標を達成するために、まず液中原子分解能 AFM の再現性・定量性を大幅に向上し、これまで取得困難であった原子・分子スケール情報を獲得することを目指して、
AFM 探針の精密設計に取り組んでいる（課題①）。また固液界面に存在する溶媒和構造などの界面構造が分子間相互作用やどのような影響を与えているのか理解するために、材料表面と探針間の相互作用計測に取り組んでいる（課題②）。さらに表面・界面を精密に分子設計
し、構造・機能を発現させるための方法論を確立することを目指している（課題③）。表面・界面における分子集合体をナノサイズの建築物（アーキテクチャ）として捉え、これを自在に設計・建築する「分子ナノアーキテクチャ界面」という概念を着想した。特に物理的・化学的刺激を引き起こす外場を駆使した自在な分子表面・界面のナノ分子集合体の精密・自在な建築を実現する方法論を確立する。これらの取り組みを通して「分子ナノアーキテクチャ
界面」の概念を深化させて、表面・界面の分子スケール設計を実現できる新しい学問領域を切り開く。
【 研 究 業 績 】＜発表論文＞
1.

Yamamoto, S.; Ohta, A.; Hossain, F.; Anjani, G.; Asakawa, H.; Asakawa, T. Solubilization of
Genistein in Phospholipid Vesicles and Their Antioxidant Capacity. J. Oleo Sci. 2019, 68 (1), 61–
66.

2.

Saga, Y.; Kawano, K.; Otsuka, Y.; Imanishi, M.; Kimura, Y.; Matsui, S.; Asakawa, H. Selective
Oxidation of B800 Bacteriochlorophyll a in Photosynthetic Light-Harvesting Protein LH2. Sci.
Rep. 2019, 9 (1), 3636.

3.

Sakamoto, H.; Koto, A.; Takamura, E.-I.; Asakawa, H.; Fukuma, T.; Satomura, T.; Suye, S.-I.
Development of Biofuel Cell Using a Complex of Highly Oriented Immobilized His-Tagged
Enzyme and Carbon Nanotube Surface Through a Pyrene Derivative. J. Nanosci. Nanotechnol.
2019, 19 (6), 3551–3557.

10

4.

Asakawa, T.; Fujii, A.; Yoneda, N.; Ohta, A.; Asakawa, H. Enhanced Aggregation of Stimuli
Responsive Surfactants by Esterolytic Reactions. J. Oleo Sci. 2019, 68 (6), 573–580.

5.

Wada, Y.; Shinohara, K.-I.; Asakawa, H.; Matsui, S.; Taima, T.; Ikai, T. One-Step Synthesis of
One-Dimensional Supramolecular Assemblies Composed of Helical Macromolecular Building
Blocks. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141 (35), 13995–14002.

6.

淺川雅、液中超解像原子間力顕微鏡を用いた固液界面現象の直接観察、C & I Commun（日本化学会コロイドおよび界面化学部会誌）＜外部資金＞
1. 「科研費・国際共同研究加速基金(国際共同研究強化)」，「多角的計測・計算の連携による界面分子鎖の構造・物性に関する分子論的理解」，淺川雅，代表，2017 – 2020，7,800千円
2.

「科研費・若手研究(B)」，「３次元走査型 AFM による界面分子鎖の立体構造・ダイナ
ミクス実空間計測」，淺川雅，代表，2017 – 2019，3,400 千円

3.

「科研費・基盤研究(A)」，「３次元空間イメージングによるキラル分子・高分子の革新
的解析・分離手法の開拓」，淺川雅，代表，2019 – 2022，35,700 千円

4.

「物質・デバイス領域共同研究拠点・基盤共同研究」，「探針先端に固定化した機能性
分子の配向性・ダイナミクスの１分子スケール評価」，淺川雅，代表，2019，100 千円

＜受賞等＞
1.

文部科学大臣表彰 若手科学者賞（淺川雅）2.

第17回ホスト-ゲスト・超分子化学シンポジウム、優秀ポスター賞（波多野、Ｍ１）＜共同研究＞
学内
非公開
学外
非公開

11

理論・計算科学グループ＜スタッフ＞
グループリーダー

准教授

石井 史之

特任助教

山口直也

【 研 究 概 要 】
理論・計算科学グループでは，物質中の電子状態が重要となる磁性・熱電性等の量子物性に注目し，相対論的量子力学と統計力学を基盤とした理論物理学・物性理論の手法とスーパ
ーコンピュータを用いた大規模シミュレーション・計算科学の手法を駆使して，新たな機能物性の開拓や既知の機能物性の起源解明および高機能な新物質の探索を目指している。具体的には，創・省エネルギー材料として有望な熱電変換効果，光起電力効果，スピン流電流変換効果を示す物質系について，密度汎関数法に基づいた第一原理電子状態計算による研究を進めている。
これらの先導的研究を推進するには，電子状態計算の手法、第一原理バンド計算手法の開発が重要となる。我々のグループでは，主に国内で開発され，国際的に共同開発に発展している電子状態計算オープンソースソフトウェアである OpenMX の開発と公開に参画しており，第一原理バンド計算手法の開発を進めている。
＜2019 年の研究成果，進展状況＞
理化学研究所と共同でより高温で単極子を制御できる新たな物質候補を理論提案し、Phys.
Rev. Lett.に発表し、プレスリリースを実施した。前年度から継続して東京大学・理研の実験グループとの共同研究により Nano. Lett., Phys. Rev. Lett.にスピン流にに関連する研究を発表
し、プレスリリースを実施した。計算手法開発・応用研究としては、磁性体における非自明なスピン構造（スパイラル構造）に関するものがある。また、Z2 トポロジカル不変量の計算
手法を電場下の Bi 薄膜に応用し、トポロジカル相転移を明らかにした。また、絶縁体におけるスピン分裂や強誘電体等のマテリアルズインフォマティクスに向けて、周期系に電場を印加する第一原理バンド計算手法の開発に取り組んでいる。
【 研 究 業 績 】＜発表論文＞
1.

M.A.U. Absor and F. Ishii, Doping-induced persistent spin helix with a large spin splitting inmonolayer SnSe, Phys. Rev. B. 99, 075136 (2019).

2.

T. B. Prayitno and F. Ishii, First-principles Study of Spin-wave Excitations of 3d Transition
Metals with Linear Combination of Pseudo-atomic Orbitals, J. Phys. Soc. Jpn 88, 054701 (2019).

3.

S. Onoda and F. Ishii, First-principles design of the spinel iridate Ir2O4 for high-temperature
quantum spin ice, Phys. Rev. Lett. 122, 067201(2019).

4.

H. Sawahata, N. Yamaguchi, and F. Ishii, Electric-field-induced Z2 topological phase transition instrained single bilayer Bi(111), App. Phys. Express, 12, 075009 (2019).

12

5.

J. Puebla, F. Auvray, N. Yamaguchi, M. Xu, S.Z. Bisri, Y. Iwasa, F. Ishii, and Y. Otani,
Photoinduced Rashba Spin-to-Charge Conversion via an Interfacial Unoccupied State, Phys. Rev.
Lett. 122, 256401(2019).

6.

M.A.U. Absor and F. Ishii, Intrinsic persistent spin helix state in two-dimensional group-IV
monochalcogenide MX monolayers (M=Sn or Ge and X=S, Se, or Te), Phys. Rev. B 100,
115104(2019).

7.

T.B. Prayitno and F. Ishii, First-principles Study of Spiral Spin Density Waves in Monolayer
MnCl2 Using Generalized Bloch Theorem, J. Phys. Soc. Jpn. 88, 104705-1--6 (2019).

8.

M.N. Manaf, S. Minami, F. Ishii and M. Saito, First-principles calculation of anomalous
muonium in silicon: origin of the negative Fermi contact interaction constant, Jpn. J. Appl. Phys.
58, 081008 (2019).

9.

H. Isshiki, K. Kondou, S. Takizawa, K. Shimose, T. Kawabe, E. Minamitani, N. Yamaguchi, F.
Ishii, A. Shiotari, Y. Sugimoto, S. Miwa and Y. Otani, Realization of Spin-dependent
Functionality by Covering a Metal Surface with a Single Layer of Molecules, Nano Lett. 19,7119(2019).

＜外部資金＞
1. 「日本学術振興会科学研究費 基盤研究(C)」，「第一原理手法による異常量子輸送を活用した熱電変換ナノ物質デザイン」，石井史之 (代表)，2016 年 4 月 1 日–2021 年 3 月 31
日，3600 千円（直接経費）
2.

「日本学術振興会科学研究費 基盤研究(B)」，「最適な分子運動空間構築に基づいた高プロトン伝導材料の開発」，石井史之（分担），2019 年 4 月 1 日–2022 年 3 月 31 日，3000
千円（直接経費）3.

「文部科学省 科学研究費 新学術領域 公募研究」，「ナノスケールのスピン構造が誘起するトポロジカル熱電変換物質デザイン」，石井史之 (代表)，2018 年 4 月 1 日–2020 年
3 月 31 日，6000 千円（直接経費）

4.

「文部科学省 科学研究費 新学術領域 公募研究」，「第一原理手法によるナノスピン変換物質デザイン」，石井史之 (代表)，2017 年 4 月 1 日–2019 年 3 月 31 日，2000 千円（直接経費）

＜共同研究＞
学内
1.「最適な分子運動空間構築に基づいた高プロトン伝導材料の開発」，水野元博(代表者)，石井史之，山口直也
学外
1. 「二次元物質におけるスピン分裂」石井史之（代表者），M.A.U. Absor（ガジャマダ大学）

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＜その他特記事項＞
1. プレスリリース「単極子を制御できる新たな物質 －高温で量子スピンアイスとして振る
舞う物質を理論設計・解析－」
https://www.kanazawa-u.ac.jp/rd/64554
EE Times Japanに掲載。
2. プレスリリース「銅に色素を塗るだけでスピン変換機能を発現」
https://www.kanazawa-u.ac.jp/rd/71439
北國新聞に掲載。

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