共同利用研究報告書
2023

2023 年度

東京工業大学

東京工業大学 科学技術創成研究院

科学技術創成研究院 フロンティア材料研究所

フロンティア材料研究所
Annual Report 2023 – 2024
Collaborative Research Projectsof Laboratory for Materials and Structures,Tokyo Institute of Technology
2024/6, No.28

はじめに

本報告書は、2023年4月から2024年3月に行われた、東京工業大学フロンティア材料研究所における共同利用研究の成果をまとめたものです。実施した共同利用研究は100件で、共同利用に携わった研究者数は372人になります。本年度も多くの共同研究を実施することができました。限られた予算にも関わらず、優れた成果をあげて下さった共同利用研究者の皆様に心より御礼申し上げます。

当研究所の前身である工業材料研究所、応用セラミックス研究所は、セラミックスや建築材料・構造を基盤とする研究分野で卓抜した成果をあげ、大学内外の研究者と共同して強力に研究を推進してきました。平成21年6月25日に無機材料に関する全国共同利用・共同研究拠点「先端無機材料共同研究拠点」の認定を受け、令和5年度は第4期中期目標・中期計画の2年目に当たります。皆様のお力添えを賜り、これからの5年間も拠点として活動して参りますので、よろしくお願いいたします。

基盤的研究経費が削減され、我が国の研究開発能力の低下が懸念される昨今、こうした共同利用
研究の仕組みはますます重要性を増しております。この拠点の運営体制は、少しでも良いものになる
よう、毎年皆様の御意見を反映して改善を重ねております。今後も忌憚のないご意見を頂けますよう、よろしくお願い申し上げます。

共同研究委員会 委員長

東 正樹

2023年度共同利用研究の統計
2023年度採択件数内訳（合計100件、機動的共同利用研究6件を含む）

独立行政法人等公的研究機関

5件

高等専門学校/防衛庁

独立行政法人等公的研究機関
企業

企業
9件
海外
19件

4件

2023年度共同利用研究者数内訳（合計372人）（WS人数含まず）
10人

18人

高等専門学校/防衛庁

海外
41人
大学
63件

学生
86人

大学教員
212人

5人

目 次
頁

はじめに
研究成果要約集
共同利用研究報告

種目

研究題目

代表者

所属

対応教員

特定共同研究神谷 利夫

1

マテリアルデジタルトランスフォーメーションによる電子機能材
料・デバイスの開発

木村 睦

龍谷大学
先端理工学部

建築物における地震時の機能維持技術の確立

吉敷 祥一

東京工業大学4

固体中での量子重ね合わせ状態のダイナミクス

中村 一隆

東京工業大学
フロンティア材料研究所

7

元素戦略にもとづく機能材料の開発

平松 秀典

東京工業大学
フロンティア材料研究所

9

Quantum dynamics of charge and spin orders in highly
correlated electron systems

PopovićDragana

National High Magnetic Field
Laboratory
Florida State University

笹川 崇男

12

High-pressure growth and multiple structural phasetransitions of Pb2NiWO6 single crystal with possible
negative thermal expansion

Youwen Long

Institute of Physics , CAS

東 正樹

14

Enhancing seismic behavior of timber structures

CASUTA
AndreeaTechnical University of
Civil Engineering Bucharest

吉敷 祥一

18

Development of Seismic Resilient Technologies for Pilesupported Wharves

CUI Yao

Dalian University ofTechnology

吉敷 祥一

22

Seismic damage assessment of RC buildings via Operational
Modal Analysis

Di Ludovico
Marco

University of Naples
Federico II

河野 進

25

Assessment of Modeling Techniques for RC Beam–Column
Joints Subjected to Cyclic Loading

H. A. D.
Samith
Buddika

University of Peradeniya

河野 進

27

All-optical manipulation of charge density waves in kagome
metal CsV3Sb5

HU Jianbo

Institute of Fluid Physics,
China Academy of Engineering
Physics

中村 一隆

30

Tailoring the nature of Ni/SiO2 catalysts in the reductionof CO2Lin Yu-Chuan

National Cheng Kung
University

鎌田 慶吾

32

Lateral resistance of vertical structural elements inrelation to confinement characteristics

Marina L.
MORETTI

National Technical
University of Athens

河野 進

35

Codes and standards for the Seismic Design, Construction
and Retrofitting of Historical and Monumental Structuresof Nepal

Maskey NathPremInstitute of Engineering,
Tribhuvan University

河野 進

38

Retrofit Guideline for Nepalese Low Strength Masonry
Buildings

Motra
Bahadur
Gokarna

Tribhuvan University,
Institute of Engineering,
Nepal

河野 進

40

Development of ultra-high performance and effective
utilization technology of fiber reinforced cementitious
composites

NAM Jeongsoo

Chungnam National University

河野 進

42

国際共同研究Ａ

国際共同研究Ｂ

Impact of hydrogen impurity on the TFT device operation
for p-channel Tin monoxide-TFT

野村 研二

University of California,
San Diego

井手 啓介

45

InGaN/GaN量子井戸の超高速光応答

大川 和宏

King Abdullah University of
Science and Technology

中村 一隆

47

Key problem identified from observed damage to seismic
isolators and dampers in constructed base-isolatedbuildings

QU ZheInstitute of Engineering
Mechanics, China Earthquake
Administration

吉敷 祥一

48

Automatic structural damage detection using AI vision
technology

Yang TonyT.Y.

The University of British
Columbia

河野 進

51

Energy behavior of reinforced concrete shear walls

Zeynep Tuna
Deger

Istanbul Technical
University

河野 進

54

異種アニオン置換・挿入による層状ペロブスカイト化合物の結晶・電子構造チューニング

赤松 寛文

九州大学

大場 史康

56

軸力と曲げを受ける鋼構造梁端接合部の耐震性能評価

浅田 勇人

芝浦工業大学吉敷 祥一

58

カルボニルの水素化反応に活性を示す金属伝導性水素化物固体の
創製

飯村 壮史

物質・材料研究機構

平松 秀典

61

免震装置における熱・力学連成挙動への対策

石井 建

北海道大学
大学院工学研究院

吉敷 祥一

62

電磁場が媒介する遠隔系間量子もつれ生成ダイナミクス理論

石田 邦夫

宇都宮大学

中村 一隆

64

GdをドープしたFerrite磁気ナノ微粒子の磁気特性

一柳 優子

横浜国立大学
工学研究院

川路 均

66

免震建物上部構造への制振ダンパー付加による擁壁衝突時の応答制御に関する研究－エネルギーの釣合いに基づくオイルダンパー
設計法の構築－

犬伏 徹志

近畿大学
建築学部

佐藤 大樹

68

4-アミノ-3,5-ジハロ安息香酸のプロトントンネルと相転移機構

上田 康平

阿南工業高等専門学校

川路 均

71

シリカ系材料の局所構造と物性

梶原 浩一

東京都立大学
大学院都市環境科学研究科

平松 秀典

73

種々の先進材料の高密度エネルギー計測分野への応用糟谷 紘一

応用ながれ研究所
レーザー技術総合研究所

川路 均

74

層状テルライドにおける量体化形成とその前駆現象の開拓

片山 尚幸

名古屋大学
大学院工学研究科

笹川 崇男

77

傾斜組成構造を導入したリチウムイオン二次電池エピタキシャル
薄膜の性能評価

神永 健一

東北大学
工学研究科

安井 伸太郎79

電子フォノン結合系のコヒーレント励起の量子理論モデル

萱沼 洋輔

大阪公立大学
理学研究科

中村 一隆

81

衝撃荷重下における超高ひずみ速度変形機構の解明

川合 伸明

防衛大学校
応用科学群応用物理学科

中村 一隆

83

ワイル磁性体候補物質である逆ペロブスカイト型マンガン窒化物
における輸送特性の調査

川口 昂彦

静岡大学

片瀬 貴義

85

スズ含有14族混晶薄膜の低温熱電物性に関する研究

黒澤 昌志

名古屋大学
大学院工学研究科

片瀬 貴義

87

少数キャリア希土類モノプニクタイドにおける新奇電子相関物性
の開拓

黒田 健太

広島大学
先進理工系科学研究科

笹川 崇男

88

レーザ指向性エネルギー堆積法によるWC-HEA超硬合金の開発

國峯 崇裕

金沢大学
理工研究域 機械工学系

安井 伸太郎90

透明電子伝導性酸化物ガラス材料の開発

斎藤 全

愛媛大学

平松 秀典

92

一般共同研究Bスティショバイト型Al, H:SiO2の超イオンH 伝導の解明に向けた単結晶薄膜の作製

笹原 悠輝

京都大学

東 正樹

94

溝形鋼ブレース接合部における高力ボルトの配置方法が最大耐力に与える影響

薩川 恵一

愛知工業大学

吉敷 祥一

95

解析データならびに実測データを用いた建物の減衰モデルの同定に関する研究

白山 敦子

徳島大学大学院
社会産業理工学研究部

佐藤 大樹

97

キノイド型縮環オリゴシロールを用いた単分子電子デバイスの開
発

新谷 亮

大阪大学
大学院基礎工学研究科

真島 豊

100

既存建物の耐震診断基準の建物形状による性能低減係数と測定値による建物の振動特性との関連性に関する研究

鈴木 有美

大阪大学
大学院工学研究科

佐藤 大樹

102

局所C-Vマッピング法と圧電応答顕微鏡の統合計測による強誘電体薄膜のナノスケールドメインダイナミクス解析

平永 良臣

東北大学

重松 圭

104

PbWO4 – LaNbO4系固溶体の相転移現象

高井 茂臣

京都大学
大学院エネルギー科学研究科

川路 均

106

凍害劣化したコンクリート構造部材に対する補修・補強効果の解
明

髙瀬 裕也

室蘭工業大学

西村 康志郎

107

リチウムイオン二次電池用LiNi0.8Fe0.1Mn0.1O2正極材料における粒子径効果の解明

髙橋 勝國

岡山大学
環境生命自然科学研究科

安井 伸太郎110

負熱膨張材料の熱膨張抑制能力評価法の構築

竹中 康司

名古屋大学

東 正樹

112

チタン石型化合物における新規機能性誘電体材料の開発

谷口 博基

名古屋大学
大学院理学研究科

安井 伸太郎114

風荷重を受ける非線形性アクティブ免震の最大応答と最大制御力を考慮した制御系の設計方法の開発

陳 引力

東京理科大学佐藤 大樹

115

実構造部材を想定した2面同時暴露による鉄筋コンクリート部材の劣化挙動の把握

塚越 雅幸

福岡大学

吉敷 祥一

117

界面制御による高性能酸化物系全固体電池の開発

寺西 貴志

岡山大学

安井 伸太郎119

半導体ナノ粒子を用いた室温共鳴トンネルトランジスタの創製

寺西 利治

京都大学

真島 豊

121

擬立方晶構造を用いた高効率熱電変換材料の開発とスマートビル
ディングへの応用

永岡 章

宮崎大学
工学部

安井 伸太郎123

コーン状破壊により損傷した露出柱脚の被災後補修

仲田 章太郎豊橋技術科学大学

吉敷 祥一

126

強固な相互作用を有する表面修飾剤を用いた単電子トランジスタの室温安定動作中村 貴宏

株式会社illuminus

真島 豊

127

実験データベースを用いた鉄筋コンクリート部材の構造性能評価

中村 孝也

新潟大学

西村 康志郎130

実験と理論計算との融合によるリン化物半導体太陽電池の高効率化に関する研究野瀬 嘉太郎京都大学
大学院工学研究科

大場 史康

133

反応焼結法により作製した誘電体セラミックスに関する研究

符 徳勝

静岡大学
工学部電子物質科学科

安井 伸太郎136

希土類酸水素化物の半導体物性に対するヒドリドイオン伝導性の
影響

福井 慧賀

山梨大学
大学院総合研究部

半沢 幸太

138

2元系アモルファス酸化物における非線形伝導現象発生時のイオ
ン移動解析

福地 厚

北海道大学
情報科学研究院

片瀬 貴義

140

合金触媒の活性－電子状態相関に関する研究：PdAu合金による酢
酸ビニルモノマー合成の例

古川 森也

大阪大学
大学院工学研究科

鎌田 慶吾

143

室温マルチフェロイック薄膜における電場印可磁化反転機構の解明に関する研究北條 元

九州大学
大学院総合理工学研究院

東 正樹

145

+

熱放出型ドラッグデリバリーシステム用フェライト粒子の合成と評価

牧之瀬 佑旗島根大学 学術研究院
環境システム科学系

松下 伸広

147

RC造袖壁付き柱の降伏時変形に影響を及ぼす構造因子に関する研
究

松井 智哉

豊橋技術科学大学

西村 康志郎148

耐震性・施工性・断熱性に優れた木質制振壁の開発

松田 和浩

名城大学
理工学部

佐藤 大樹

151

ジラジカルのスピン挙動に着目した開殻分子エレクトロニクス

松田 建児

京都大学
大学院工学研究科

真島 豊

154

ペロブスカイト型酸化物の合成反応メカニズムと特性調査

三浦 章

北海道大学

東 正樹

155

有機-無機ハイブリッドペロブスカイト薄膜の微視的構造と光電
子物性

三浦 智明

新潟大学

山本 隆文

156

高効率有機分子変換に有効な両性金属酸化物担持金触媒の開発

三浦 大樹

東京都立大学
都市環境科学研究科

鎌田 慶吾

158

トポロジカル量子デバイスの作製と評価

三澤 哲郎

産業技術総合研究所

笹川 崇男

159

触媒性能の向上に資する表面金属粒子と固定化有機分子との相互
作用解析

本倉 健

横浜国立大学

鎌田 慶吾

161

透過型電子顕微鏡を用いた蓄電固体材料の微細構造解析

森 茂生

大阪公立大学

東 正樹

162

ペロブスカイト結晶成長制御を目指した自己成長技術のための基
礎研究

森 竜雄

愛知工業大学真島 豊

165

磁性層状化合物における新奇電子物性の開拓と超伝導近接効果

矢野 力三

名古屋大学
工学研究科

笹川 崇男

167

イオンビーム誘起欠陥を有する物質表面のレーザー分光計測

八巻 徹也

量子科学技術研究開発機構
高崎量子応用研究所

中村 一隆

170

長時間・長周期特性を有する模擬地震動を対象とした免震部材の繰り返し特性変化に関する研究山下 忠道

DYNAMIC CONTROL DESIGNOFFICE山下一級建築士事務所

佐藤 大樹

172

先端機能材料の材料特性データベース構築に向けた電気磁気特性の評価に関する研究山本 明保

東京農工大学
大学院工学研究院

半沢 幸太

175

RC梁の主筋座屈に基づく安全限界性能の定量化に関する解析的研
究

尹 ロク現

大阪大学
大学院工学研究科

PRADHAN
Sujan

176

Liイオン二次電池用セパレータの保護膜形成技術の開発

吉野 賢二

宮崎大学

安井 伸太郎178

Investigation of ferroelectric hafnia based multiferroic
heterostructures for novel memmory storage applications.

Rao Aroor
BadariNarayana

Center for Frontier
Sciences, Chiba University

安井 伸太郎181

発光磁気機能性アゾサレン希土類錯体のXPS測定

秋津 貴城

東京理科大学原 亨和

184

磁気温熱療法への応用へ向けたCoPdナノ粒子の磁気特性評価

石島 政直

東京都立大学
都市環境科学研究科

平松 秀典

185

小振幅繰り返し荷重を受けるコンクリート充填鋼管柱の耐震性能
評価

石田 孝徳

横浜国立大学

吉敷 祥一

186

低温化学溶液還元による銅酸化物高温超伝導体中の電子ドープ量の制御井上 亮太郎

日本大学
医学部

気谷 卓

189

高速通信機器搭載に向けた圧電体薄膜の強誘電体ドメイン構造の
設計２

江原 祥隆

防衛大学校
通信工学科

安井 伸太郎192

強誘電体BaTiO3薄膜における傾斜バンドのエネルギーシフトと電気分極の相関性狩野 旬

岡山大学
環境生命自然科学学域

安井 伸太郎

193

一般共同研究C次世代ナノ記録材

小林 斉也

株式会社Future Materialz

東 正樹

195

ウルツ鉱型強誘電体の局所分極反転挙動

清水 荘雄

物質・材料研究機構

安井 伸太郎196

室温で動作するマルチフェロイック酸フッ化物薄膜の開発

近松 彰

お茶の水女子大学

重松 圭

197

バイオマス変換用担持金属酸化物触媒の開発と構造解析

中島 清隆

北海道大学
触媒科学研究所

鎌田 慶吾

200

層状シリケート型Bi2SiO5強誘電体多結晶薄膜の作製

永沼 博

東北大学/名古屋大学

安井 伸太郎203

層状ペロブスカイト強誘電体の研究

濵嵜 容丞

防衛大学校
応用科学群 応用物理学科

安井 伸太郎204

数値解析による合成梁における合成効果の合理化

松井 良太

北海道大学
大学院工学研究院

西村 康志郎205

深紫外光プロセスによる遷移金属基酸化物半導体の薄膜相制御と
構造解析

松田 晃史

東京工業大学
物質理工学院

重松 圭

208

鋼構造制振建物におけるダンパー力が合成梁の挙動に及ぼす影響に関する研究

松田 頼征

工学院大学

佐藤 大樹

211

異常格子熱膨張を示す遷移金属ジルコナイドの開発と物性評価

水口 佳一

東京都立大学
理学研究科

片瀬 貴義

214

The Japan-Korea-Taiwan Joint Seminar on Earthquake
Engineering for Building Structures (SEEBUS)

佐藤 篤司

名古屋工業大学

河野 進

216

2023年 日中韓－高層建築フォーラム中井 政義

株式会社 竹中工務店

吉敷 祥一

217

脇谷 尚樹

静岡大学

片瀬 貴義

220

国際ワークショップ

ワークショップ
卓越した機能発現を目指したセラミックプロセッシングに関する
ワークショップ

共同利用研究に関わる既発表論文一覧

223

特定共同研究（P1）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 10
特定研究（2023年度）「マテリアルデジタルトランスフォーメーションによる電子機能材料・デバイスの開発」
共同利用 研 究 分 担 者 ：木村睦 （龍谷大 学 先端理工 学 部 電子情報 通 信 課 程 ）共同研究対応教員 ： 神谷 利夫－ 研究目的 －アモルファス酸化物半導体（AOS)の新規応用提案 ： メモリスタ ・ 脳型集積回路－ 研究成果・ 効果 －24

Conductance (mS)

23

Reset
IGZO
Ar:O2=20:0

50

I (mA)

Device C

Al
Set
IGZO
Ar:O2=20:5

100

Set

Device A0

Device B-50

NeuronFPGA chip

LTP

Synapse
Crosspoint-type TaOx/Ta memristor

22
Input
Training
Recognizing Neuron-initial phase
80

+3V

21

1
Hz

20

100
ms

100
ms

19

Output

1
Hz
-3V

18

Synapse80 x 80

LTD
17

Reset

16

-100
-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

0

50
Pulse Number

V (V)

100
Recognizing-following phase
Training

SwitchRecognizing-initial phase Recognizing-following phase

T. Katagiri, M. Kimura, In-Ga-Zn-O Memristor with Double Layers of Different Oxygen Vacancy Densities and Long-Term Memory towards Neuromorphic Applications, JJAP 62, 058002, 2023
M. Kimura, Neuromorphic System using Crosspoint-type TaOx/Ta Memristors and Direct Device Training for Associative Memory, IEEE Trans. Electron Devices. 70, 4635, 2023

特定共同研究（P4）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 206
特定研究（2023年度）「建築 物に お け る 地 震 時 の 機 能 維 持 技 術 の 確 立 」
研 究 代 表 者 ： 吉 敷 祥 一 （ 東 京 工 業 大 学 多 元 レジ リ エン ス 研 究 セ ン タ ー ）共同研究対応教員 ： 吉敷祥一

－ 研究目的 －社会活動の中枢としての役割を果たす建築構造物において、地震後も継続して使い続けられる機能維持技術の確立が求められている。また、構造骨組だけでなく、室内空間を構成する非構造部材、室内環境を整える設備機器についても耐震性能を把握し、より高い耐震性能を付与する必要がある。本年度は、吊りボルトの破断による空調用設備機器の落下や損傷が建物の機能喪失に直結する重要な被害であることに着目し、設備機器を支持する吊りボルトの材料特性と断面特性を、要素実験を通して把握した。さらに、吊りボルトと斜材繋ぐ取付金物が、設備機器とそれを支持する部材で構成されるユニット（吊り支持部材）の剛性に与える影響を評価した。

－ 研究成果・ 効果 －Ⅰ. 設備機器支持部材の課題

Ⅱ. 研究成果①吊りボルトの要素実験

La

15

θ
Lb

取付金物
斜材

H/6

仕様が様々

H=0.961P

P

H/6

55°

ウィットねじ

取付金物

いずれも力学特性などが不明

吊りボルト
の剛性k0

0.4

実験値
Lb=100mm
Lb=250mm

0.3

5【吊り軽量機器の耐震支持の一例】
JIS規格から除外

10

突出部

吊り軽量機器

3kN/m]
K[×10
[×10
kN/m]
K
0.5
3

吊りボルト
Lc

②取付金物の要素実験
SS400（表面処理なし）
SS400（表面処理あり）
SUS304（表面処理なし）

0

Lb=100mm

0.2

Lb=250mm

σ [N/mm 2]

0.1

u

0

500

1000

0
0

500

1000

1500

k0
K Lc [mm]Lc [mm]
2000【吊りボルトの引張強さσuのヒストグラム】【全体剛性Kと距離（Lb, Lc ）の関係】➢材質による違いが顕著（表面処理の違いによる影響はほぼなし）➢ロット毎のばらつきが大きい➢Lbが短いほど,k0とKの差が大きい（⇒取付金物の形状により生ずる捩
りモーメントの影響と思われる）吊りボルト（ウィットねじ）の特性と取付金物が吊り支持部材の剛性に与える影響を把握

1

特定共同研究（P7）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 49
特定研究（2023年度）「固体中の 量子重 ね合せ 状態の ダイナ ミクス 」
研究代表者 ： 中村一隆（東 京 工 業 大 学 フ ロ ンテ ィ ア 材 料 研 究 所 ）共同研究対応教員 ： 中村一隆

－ 研究目的 －本研究課題では，フェムト秒光パルスで励起される，電子状態やフォノン状態における量子重ね合わせ状態の超高速ダイナミクスを，フェムト秒時間分解領域分光実験および理論研究により明らかにすることを目的とする。

－ 研究成果・効果 －電子２準位系と調和振動子を用いた量子モデルハミルトニアンとLindbald型量子マス
ター方程式を用いて，コヒーレントフォノン
ダイナミクスの計算を行なった。共鳴条件
でのGaAsにおける光学フォノン強度の励起強度依存性を計算した。構築した量子モ
デルは，他の結合量子系にも適用できるものである。

発表論文・関連論文 ：K. G. Nakamura and I. Takagi, in Progress in Ultrafast Intense Laser Science XVII, Topics in Applied Physics 151, Springer (in press)

特定共同研究（P9）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 21
特定研究（2023年度）「 元 素 戦 略 にも と づ く 機 能 材 料 の 開 発 」
研 究 代 表 者 ： 平 松 秀 典 （ 東 京 工 業 大 学 フロ ン テ ィ ア 材 料 研 究 所 ）共同研究対応教員 ： 同上

－ 研究目的 －資源に乏しい日本において、ありふれた元素からなる物質から有用な機能性を引き出していくことは極めて重要であり、
このような視点から社会に寄与することが求められている。本課題では、エレクトロニクスを中心とする様々な有用な機能性材料の実現を目指し、ありふれた元素をベースに物質開発を行う。研究手法としては、バルクおよび薄膜などの試料作製に加え、試料の構造的、および電子的観測、さらに理論的な解析も含む。

－ 研究成果・ 効果 －大 気 中 の 約8 0 % を 占 め る最 も あり ふ れ た 「 窒 素 」 に 着 目 し 、 有 望 な 窒 化 物 の 機 能 開 拓 に 取 り 組 ん だ「強誘電半導体」として有望と期待されているペロブスカイト型

・ 強誘電性の観察には至らなかった（今後のプロセス開拓が必須）

窒化物LaWN3のヘテロエピタキシャル成長に成功

・ 1022cm−3台の電子濃度と、縮退伝導（左図）・超伝導転移（右図）を観察

発表論文： K. Hanzawa and H. Hiramatsu, “Heteroepitaxial Growth, Degenerate State, and Superconductivity of Perovskite-Type LaWN3 Thin Films”
ACS Applied Electronic Materials, vol. 5, pp. 2793 – 2798 (2023).

2

国際共同研究Ａ（P12）Laboratory for Materials and Structures, Collaborative Research Projects No. 38
International CRP 2023－Category A

Quantum Dynamics of Charge and Spin Orders
in Highly Correlated Electron Systems

Project Coordinator Name：Dragana Popović (Nat. High Mag.Field Lab.)MSL Faculties: Takao Sasagawa- Aims of Research The quantum dynamics of the charge-order domains has been investigated in single crystals of
La1.48Nd0.4Sr0.12CuO4, a prototypical stripe-ordered cuprate high-temperature superconductor, using
electrical transport measurements with pulsed current injection.

- Results We first identify the regime in which nonthermal effects
dominate over simple Joule heating [Fig. (a)] and thendemonstrate that, for small enough perturbation, pulsed
current injection allows access to nonthermally induced
resistive metastable states [Fig. (b)-(c)].
The nonequilibrium effects are revealed only when thetransition is approached from the charge-ordered phase.
The results are consistent with the pinning of thefluctuating charge order, with fluctuations being mostpronounced at the charge-order onset temperature(~71.65 K) [Fig. (d)].
Our experiment establishes pulsed current injection as
a viable and effective method for probing the chargeorder dynamics in various other materials.
Web page: https://nationalmaglab.org/staff/?name=DraganaPopovic[1] Z. Shi, P.G. Baity, J. Terzic, B.K. Pokharel, T. Sasagawa, and D. Popović, Nature Commun. 12, 3724 (2021).

国際共同研究Ａ（P14）
Laboratory for Materials and Structures, Collaborative Research Projects No.1
International CRP 2023－Category A

High-pressure growth and multiple structural phase transitions of Pb2NiWO6
single crystal with possible negative thermal expansion
Project Coordinator Name：Youwen Long (Institute of physics, CAS)MSL Faculties：Masaki Azuma- Aims of Research The research aims to prepare high-quality Pb2NiWO6 single crystals using high-pressure and hightemperature method, and investigate the structural phase transitions and related physical properties.

- Results Temperature-dependent XRD patterns for
Pb2NiWO6 between 5.7 and 300 K. As thetemperature decreases, Pb2NiWO6
undergoes three structural phase transitions
around 280 K, 250 K and 160 K. Below 160
K, the ferroelectric phase begins to appear.
Pb2NiWO6 is a typical material system for
High-quality Pb2NiWO6
single crystals.

studying the relationship between structure
and physical properties.

3

国際共同研究Ｂ（P18）
Laboratory for Materials and Structures, Collaborative Research Projects No.201
International CRP 2023－Category B(Enhancing seismic behavior of timber structures)
Project Coordinator Name：Andreea CASUTAMSL Faculties: Prof. Shoichi KISHIKI- Aims of Research The purpose of the project is to share information on the seismic behavior of timber structures researchedin both Romania and Japan and to exchange successful practices applied for such structures for seismic
resistance. Two doctoral students joined the Romanian university to help with the experimental programon walls to be tested in-plane in a static cyclic regime.

- Results Within the work done during this last year, both Romanian and Japanese
professors collaborated successfully, and Kishiki lab members went to
Bucharest. A paper is now being written about the experimental tests
that were conducted on not-strengthened walls. Another paper was
accepted and will be presented at the WCEE conference in Milano inJune 2024, related to the strengthening solutions tested. The lower rightfigure shows prof. Dutu together with Kishiki lab members (Mr. Hirano
and Mr. Mey), during experiments.
A book was published by CRC-Press – Taylor and Francis Group withthe title “Seismic Resistance of Vernacular Timber Frames with Infills
Case Studies from Japan and Romania”, having as co-author prof.
Yoshihiro YAMAZAKI and it can be used by both Japanese andRomanian students.

7

1

5

6

8
6

4

(-)

(+)
2400 mm3

2

国際共同研究Ｂ（P22）
Laboratory for Materials and Structures, Collaborative Research Projects No.203
International CRP 2023－Category B

Development of Seismic Resilient Technologies for Pile-supported Wharves
Project Coordinator Name：CUI Yao (Dalian University of Technology)
MSL Faculties：
KISHIKI Shoichi- Aims of Research To mitigate the inertial demands transmitted to pile foundations from the wharf deck, Wharves with the Seismic Isolation System (SISW) have been
imposed. This system involves placing isolation bearings at the tops of the piles to concentrate the structural plastic deformation in the isolation layer.
Subsequently, this study presents a Performance-Based Seismic Design (PBSD) method for SISW that combines multiple levels of seismic
objectives. Furthermore, the PBSD method is applied to a reference facility, and its seismic performance is evaluated. The analysis results
demonstrate that the proposed design method effectively fulfills the multi-level seismic objectives for SISW, significantly enhancing the seismic
resilience of wharves in high-intensity seismic regions.

- Results (1) Performance-based seismic objectives for SISW areestablished, and a two-stage PBSD method for SISW is
proposed. In the first stage, the design for the CLE level isbased on the elastic response spectrum method. In thesecond stage, displacement verification is conducted for the
MCE level through time history analysis.
(2) The seismic performance of a reference wharf employing
the proposed PBSD method has been investigated. SISW,
using piles of the same specifications, achieves a higher
fortification level than non-isolated wharves (NIW), attaining"minimal damage" objectives at the CLE level and "controlled
and repairable damage" objectives at the MCE level.
Web page: http://faculty.dlut.edu.cn/cuiyao/zh_CN/index.htm

4

Wharves with
Seismic Isolation System

PBSD procedurefor SISW

国際共同研究Ｂ（P25）
Laboratory for Materials and Structures, Collaborative Research Projects No.213
International CRP 2023－Category B

Seismic damage assessment of RC buildings via OMA

Project Coordinator Name：Marco Di Ludovico (University of Naples Federico II, Italy)
MSL Faculties： KONO Susumu- Aims of Research This project investigates the use of Operational Modal Analysis (OMA) for assessing and quantifying thedamage level of reinforced concrete (RC) structures after an earthquake. In detail, experimental andnumerical data in terms dynamic properties (e.g., natural frequencies, mode shapes) are correlated withdefined damage states and reparability conditions.

- Results A FE modelling has been developed in
OpenSees and validated on pseudodynamic test results. The validated FE
model is used to assess the variation of
fundamental frequencies due to structural
damage RC frames for increasing groundshaking intensity. The figure reports thenatural frequency variation (Δf) as a functionof the ground motion intensity and related
damage level experienced by 100 bare RC
frames.

国際共同研究Ｂ（P27）
Laboratory for Materials and Structures, Collaborative Research Projects No. 212
International CRP 2023－Category B

Assessment of Modeling Techniques for RC Beam–Column Joints Subjected to Cyclic Loading

Project Coordinator Name：H. A. D. Samith Buddika
MSL Faculties: Prof. Susumu Kono
- Aims of Research -The aim of this study is to investigate macro-modeling methods and detailed finite element modeling techniques for reinforced concrete (RC) beamcolumn joints. It involves critically evaluating the strengths and weaknesses of each modeling technique using simulation benchmark data.
Additionally, the study aims to propose recommendations for effectively modeling RC beam-column joints subjected to cyclic loading.

- Results ABAQUS Finite element results for Pull out test by Lettow andEligehausen (2003)

Comparison of experimental results versus numerical results for
OpenSees software

The OpenSees macro models are found to be capable ofsimulating the global response of the structure under cyclicloading. OpenSees model incorporating Braga with bondstrength given in (JSCE code) accurately predict the bar pullout
stress under cyclic loading. In ABAQUS, Concrete Damaged
Plasticity Model with given parameters is capable of modelingthe bond slip behavior of reinforced concrete. Traction
separation law with surface based cohesive behavior is capable
to model the bond-slip in reinforced concrete structures.
Recommended Concrete Damage Plasticity parameters areshown below.

Comparison of experimental results versus numerical results for ABAQUS
software5

国際共同研究Ｂ（P30）
Laboratory for Materials and Structures, Collaborative Research Projects No.44
International CRP 2023－Category B

All-optical manipulation of charge density waves in kagome metal CsV3Sb5
Project Coordinator Name：Jianbo HU
MSL Faculties：KazutakaG. Nakamura- Aims of Research This project aims to utilize ultrafast coherent phonon spectroscopy to investigate the possibility of opticallymanipulating the charge density order in kagome metal CsV3Sb5. This will open exciting prospects for alloptical engineering of the Van Hove scenario to tune correlated quantum phases in topology networks.

- Results Firstly, we have observed only one phonon mode at temperatures
beyond 80K and three additional oscillation modes when thetemperature goes down to 70 K. From the map of FFT, the three
additional coherent phonon modes are highly related to the CDW
structural modulation, and photoexcitation can modulate the CDW phasein CsV3Sb5.
Secondly, we have conducted a three-pulse experiment to rule out thatthese anomalous features originating from the trivial laser-induced
heating effects. The experiment shows that the heat dissipation time for
an individual laser pulse is about ∼1.4 ns in CsV3Sb5 at 80 K, which ismuch less than the 12.5 ns time interval for the 80 MHz repetition rate.

国際共同研究Ｂ（P32）
Laboratory for Materials and Structures, Collaborative Research Projects No.27
International CRP 2023－Category B

Tailoring the nature of Ni/SiO2 catalysts in the reduction of CO2

Project Coordinator Name： Yu-Chuan Lin (National Cheng Kung University)
MSL Faculties: Keigo Kamata- Aims of Research This project aims to investigate the nature of Ni/SiO2 in CO2 hydrogenation. Through the Silicalite-1
confinement effect, the nature of Ni can be tailored from methanation-oriented to reverse water-gas shiftoriented.

- Results This study investigates the catalytic hydrogenation of CO2 to CO
through the reverse water–gas shift (RWGS) reaction using
Ni/SiO2-based catalysts. Ni/SiO2 derived from the reduction ofsilicalite-1-encapsulated, ligand-protected Ni2+ (Ni0.2@S-1-red)demonstrated exceptional performance. The catalyst exhibited a
CO2 conversion rate nearing the equilibrium conversion of
RWGS, a CO selectivity exceeding 99%, and a high space-timeyield of CO (9.7 mol gNi−1 h−1). Key factors include the highly
dispersed Ni0 and Niδ+ species, and the presence of bridging
oxygen in the Ni–O–Si structure, enabling moderate CO2
adsorption. This moderate adsorption facilitates efficientdesorption of the reduced intermediate (*CO), leading to rapid
gaseous CO generation and preventing deep hydrogenation toCH4.

6

国際共同研究Ｂ（P35）
Laboratory for Materials and Structures, Collaborative Research Projects No.207
International CRP 2023－Category B

Lateral resistance of vertical structural elements in relation to confinement characteristics
Project Coordinator Name： Marina L. Moretti (National Technical University of Athens)
MSL Faculties: Susumu KONO

- Aims of Research This project aimed to study analytically the effect of the layout of confinement, both in-height and in-plan on theresistance of reinforced concrete vertical structural elements and also to propose reliable design equations, bothin case of modern reinforcement detailing as well as in case of RC elements with substandard reinforcement
detailing. The project profits from observations on tests performed as part of CRP2022.

- Results The project focused on studying the impact of the confinement layout on the axial strength of RC columns.
A database of 433 specimens, 168 with round and 265 with rectangular cross section has beenassembled. The database includes reinforced concrete specimens with different amount of confinement,
either with only steel transverse reinforcement, or both with steel stirrups and fiber reinforced polymer
jackets. Different design models were applied to predict the axial strength of the columns. Considerable
differences in the design approaches and in the predictive performance of the models considered wasobserved. Better model performance was observed for specimens with round section, for which lateralconfinement is uniform and more effective, as compared to rectangular sections. Reduced accuracy is
obtained in case of columns with sparsely spaced stirrups along the height, for which buckling of thelongitudinal reinforcement bars is liable to occur. One of the major parameters determined to affect theanalytical predictions is the estimation of the effective lateral confining pressure and how this contributes toaxial resistance.
A new design model with comparatively better predictive capacity was proposed, applied in Fig. (a) for therectangular columns of the database. Fig. (b) depicts the relation between the respective lateral confiningpressure and the ratio of analytical to experimental axial strength. The model can be applied for the
calculation of flexural resistance of RC walls with confined regions at both ends of the cross-section.

(a) Model predictions vs. test axial capacity(b) Model efficacy vs. confining pressure

Impact of confinement on the axial capacity of circular and rectangular reinforced concrete columns , ICCS27, Bologna , Italy, 3-6 September 2024.

国際共同研究Ｂ（P38）
Laboratory for Materials and Structures, Collaborative Research Projects No.210
International CRP 2023－Category B

Codes and standards for the Seismic Design, Construction andRetrofitting of Historical and Monumental Structures of Nepal
Project Coordinator Name： Maskey Nath Prem
MSL Faculties: Prof. Susumu Kono

- Aims of Research The project aims to elucidate the physics behind strain-coupled ferromagnetic-ferroelectric domains in
multiferroic heterostructures. In particular, the ability to drive magnetic domain walls by an electric field without
assistance of a magnetic field or spin-polarized current will be demonstrated and assessed. This new driving
mechanism will provide a low-power alternative for the design of spintronic devices.

- Results The study had facilitated in identification of theprinciples and strong base for formulating theseismic/structuralassessment
andapproach
conducive to the typology of the cultural buildings andstructures of Nepal. The interaction in Japan was
supposed to facilitate in developing the updated formof the seismic standards/code at par with any otherinternational code. This study and interaction havehighlighted on the need and ways to develop
Nepalese Code/Standard and the rational ways tohandle with the maintenance of the cultural heritage
rationally.

7

国際共同研究Ｂ（P40）
Laboratory for Materials and Structures, Collaborative Research Projects No.214
International CRP 2023－Category B

Retrofit Guideline for Nepalese Low Strength Masonry Buildings
Project Coordinator Name：Gokarna Bahadur Motra
MSL Faculties: Susumu Kono

- Aims of Research The project aims to evaluate performance of existing and retrofitted low strength masonry buildings using
different retrofit methods and to develop retrofit guideline for such buildings. Jacketing and splint andbandage type retrofitting techniques are investigated. For the particular considered buildings, splint andbandage retrofitting technique is adequate to meet the sieimic demand in the existing building.

- Results -Sampled buildings are investigated via macro modelling technique using
FEM software SAP 2000 to evaluate the preformance before and after
retrofitting. The existing buildings are found deficient for the PGA of
0.36g. Buildings retrofitted with bandage and jacketing of wall section
using welded GI wire mesh as splint reinforcement at inner and outerwalls are found sufficient for PGA of 0.36g, for which the probability ofexceeding the IO limit-state is 80% and 15% for LS and almost
negligible for CP limit-states. Thus, the retrofitted building out performed
the existing one with sufficient safety against life safety and collapse
prevention limit states. The building is expected to function better than atpresent state. The intervention methods proposed are not highlysophisticated and do not require heavy equipment, which can be easily
implemented with the locally available building materials and trained
masons.

Fig. a) Fragility of existing BMM buildings, b) Fragility of retrofitted buildings, c) Retrofited wall cross-section with jacketing

国際共同研究Ｂ（P42）
Laboratory for Materials and Structures, Collaborative Research Projects No.211
International CRP 2023－Category B

Development of ultra-high performance and effective utilization technology of fiber
reinforced cementitious composites

Project Coordinator Name：Jeongsoo Nam (Chungnam National University)
MSL Faculties：：Susumu Kono

- Aims of Research The objective of this research is to assess the potential for improving internal curing in high-strength lightweight mortar byincorporating porous materials and to investigate the possibilities of extending the application of porous materials. The
research aims to provide quantitative criteria for evaluating the internal curing effect and to assess the hydration
characteristics of cementitious materials where internal curing technology is applied- Results P20, V20, and W20 showed high compressive strength when incorporated with LFA,
but the strength decreased with higher LFA ratio. This difference is attributed to theincrease of water infiltration pores and the development of ITZ. The W test group
showed strength improvement with ITZ reinforcement at long-term aging. The
pozzolanic reaction of LFA increases hydration and densifies the ITZ to improve longterm strength development. In addition, excessive internal RH variation adversely
affects the ITZ, which can lead to different strength expression and void effects inlightweight high strength cement composites (LHSCCs).

Web page: https://concrete.cnu.ac.kr/

8

国際共同研究Ｂ（P45）
Laboratory for Materials and Structures, Collaborative Research Projects No.51
International CRP 2023－Category B

Impact of Impacthydrogenon impurity
the TFT
operationof hydrogenon thedevice
device operation
mode p-SnO-TFT
for Kenji
p-channel
Tin monoxide-TFT
Project Coordinator Name：
Nomura(University of California San Diego)
MSL Faculties：Keisuke Ide- Aims of Research The project aims to investigate the impact of hydrogen impurity on TFT device characteristics of pchannel SnO-TFTs, which are considered as promising counterparts of n-channel oxide-TFTs.
Specifically, the focus will be on assessing its influence on the TFT operation mode. This new approach tocontrol the operation mode for SnO-TFT will be proposed.

- Results Pristine p-SnO-TFT
10-4

10-4

10-5

10-5

10-6

10-6

| ID , IG (A)|| ID , IG (A)|The influence of hydrogen on TFT
device characteristics of p-channel
SnO-TFTs was examined by usinghydrogen plasm treatment. We foundthat the TFT operation mode wasaltered by the incorporation ofhydrogen into the SnO channel. The
pristine p-channel mode transitioned
to the ambipolar mode by reducing
the subgap defects by Hydrogen.

10-7
10-8

10-7
10-8
10-9

10-9
10-10

Hydrogen treated
Ambipolar-SnO-TFT-40-20 0 20 40
VG (V)

10-10-40 -20 0 20 40
VG (V)

国際共同研究Ｂ（P47）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 43
国際研究B（2023年度）「InGaN/GaN量子井戸の超高速光応答」

研究代表者 ： 大川和宏（King Abdullah University of Science and Technology）
共同研究対応教員 ： 中村一隆

－ 研究目的 －MS Pゴシック フォント10-14
本研究では、フェムト秒光パルスを用いたInGaN/GaN量子井戸の超高速光応答計測を用いて、キャリアフォノン散乱やフォノン欠
陥散乱のダイナミクスを調べることを研究目的とする。InGaN/GaN量子井戸構造およびGaNを試料として用い、レーザーパルス励起による光応答過程をポンプ・プローブ型の過渡反射率・透過率計測を用いて調べる。

－ 研究成果・効果 －GaN結晶には4THzと17THzの周波数を持つ二つの光学フォノンが存在する。本研究では，ダブルパルスで励起することによって，コヒーレントフォノ
ンのモード選択励起を行うことに成功した。図には，遅延時間を制御した平行偏光条件のフェムト秒パルス対照射による，過渡反射率の変化を示した。2559fs遅延のタイミングでは4THz振動のみが観測されていることを示している。

平行偏光のダブルパルス励起したn-GaNの過渡反射率：（左）横軸をポンププローブ遅延時間，縦軸をダブルポ
ンプ間隔とした反射率変化の２次元マップ，（右）左の図で第２ポンプ照射後の横軸時間をフーリエ変換して表した２次元マップ9国際共同研究Ｂ（P48）
Laboratory for Materials and Structures, Collaborative Research Projects No.202
International CRP 2023－Category B

Key problem identified from observed damage to seismic isolatorsand dampers in constructed base-isolated buildings
Project Coordinator Name： Zhe Qu

MSL Faculties: Shoichi Kishiki- Aims of Research This project aims to enhance the understanding of the ultimate performance of seismic isolators. We aimed todetermine the primary cause of damage to seismic isolators and dampers in the constructed base-isolatedbuildings. We aim to develop a numerical model to better simulate the response of base-isolated buildings, with aparticular focus on the behavior of rubber bearings or friction pendulum bearings.

- Results -Shear failure of
rubber bearing

Buckling of damper

Eq. 1

0

-7

0.02 MPa
166 %-200 -1000
100 200
Shear strain γ（%）

Responseof isolator

Displacement in y direction (m)Vertical stress（MPa）

The seismic response of two base-isolated buildings during the Luding earthquake is simulated based on on-site
observations, design information, and ground motion recorded by nearby seismometers. The simulation results ofthe superstructure and relative displacement in the isolation layer are consistent with the on-site observations.
However, if the parameters of the seismic isolators and dampers in the buildings are reasonable and theconstruction quality is assured, they should not severely damaged. Further investigation is required to determine
the reason for the observed damage.
7
200
Moxi
Hailuogou

100
0
-100

γmax=71%

γmax=173%
-200
-200
-100
0
100
200
Displacement in x direction (mm)orbit of isolationlayer

Web page: http://qu-zhe.net/

国際共同研究Ｂ（P51）
Laboratory for Materials and Structures, Collaborative Research Projects No.208
International CRP 2023－Category B

Automatic structural damage detection using AI vision technology

Project coordinator name：Tony T.Y. Yang (The University of British Columbia)
MSL Faculty：KONO Susumu
MSL Faculties：- Aims of Research Develop and implement autonomous bolt loosening assessment using unman aerial vehicle and 3D
vision-based technology.

- Results Figure 1 shows the 3D point cloud generated using the developed technology. Figure 2 shows theimplementation on a real-world application.

10

国際共同研究Ｂ（P54）
Laboratory for Materials and Structures, Collaborative Research Projects No.209
International CRP 2023－Category B

Energy behavior of reinforced concrete shear walls

Project Coordinator Name： Zeynep Tuna Deger (Istanbul Technical University)
MSL Faculties：

Prof. Susumu Kono

- Aims of Research This study aims to investigate the influence of wall design parameters (e.g. geometry, reinforcement) andto develop a data-driven model to predict energy dissipation capacity of reinforced concrete shear walls. A
well-established, powerful machine learning-based method (Gaussian Process Regression, GPR) and ameta-modeling method (The High Dimensional Model Representation, HDMR) is utilized in this study- Results GPR results: Regression-based feature selection methods reveal that nine wall design parameters (features) have arelatively stronger influence on the NCDE of the shear walls, namely: geometric properties (i.e., length, thickness, boundary
width, aspect ratio), concrete compressive strength, axial load ratio, longitudinal boundary and web reinforcement ratio, andtransverse boundary reinforcement spacing. The influential features are noted as consistent with the experimental results.
The reliability of the predictive model is evaluated based on the following four statistical metrics: coefficient of determination,mean absolute error, root mean square error, and mean prediction accuracy (the ratio of predicted to actual NCDE values).
The mean R2 of the GPR method based on test data over a thousand different train–test data sets is 0.830, whereas thebest R2 is obtained 0.963. The mean predicted to actual NCDE ratio is very close to 1.0 indicating that high accuracy androbustness is achieved.
HDMR results: The method allows to develop explicit analytical functions to represent complex relationships. The predictivemodel is validated using unused data, and it demonstrated robustness and high accuracy, with a prediction accuracy close
to 1.00 and a high coefficient of determination.
Relevant research papers: Topaloglu, B., Kaya, G. T., Sutcu, F., & Deger, Z. T. (2022, November). Machine learning-based
estimation of energy dissipation capacity of RC shear walls. In Structures (Vol. 45, pp. 343-352). Elsevier.

一般共同研究Ｂ（P56）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 8
一般研究B（2023年度）「 異 種 ア ニ オン置 換 ・ 挿 入 による 層 状 ペロ ブ ス カ イ ト 化 合 物 の 結 晶 ・ 電 子 構 造 チ ュ ー ニ ング 」
研究代表 者 ：赤松 寛文（九 州 大 学 ）
共 同 研 究 対 応教 員 ： 大 場 史 康－ 研究目的 －結晶構造は物性と深く関連しているため、構造歪みの制御は物性の創出や制御のために不可欠である。ペロブ
スカイト関連化合物においてよく見られる配位八面体の回転は、許容因子に基づいて、カチオンの置換により制御されることが多い。本研究では、本研究では構成アニオンの置換に焦点を当てる。異原子価アニオンドープあるいは格子間隙アニオンの導入を通じた原子・電子構造の修飾による誘電特性制御の可能性を検討する。

－ 研究成果・ 効果 －Ruddlesden-Popper相NaSmTiO4に対して、フッ素含有
ポリマーPTFEを混合し焼成することによりフッ素化を行った。SmO岩塩層側のアピカル位置の酸化物イオンの一部がフッ化物イオンを置き換えるとともに、Naイオ
ンが欠損することが明らかになった。 SmO岩塩層側のアピカル位置の酸化物イオンは、NaO岩塩層側のアピ
カル位置の酸化物イオンと比べてTi4+イオンとの結合が弱いために、フッ化物イオンと置き換わったと考えられる。その置換と同時にNa+イオンが欠損することにより、電荷が補償される。今後はその他の層状ペロブス
カイトへのフッ化物イオン挿入を検討する予定である。

Na
O
Sm
F
c
Ti
a

b
Na0.3SmTiO3.3F0.7

11一般共同研究Ｂ（P58）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No.205.3
一般研究B（2023年度）「軸力と 曲 げ を 受 け る 鋼 構 造 梁 端 接 合 部 の 耐 震 性 能 評 価 」
研究代表 者 ： 浅田 勇人（芝 浦 工 業 大 学 ）共同研究対応教員 ： 吉敷 祥一－ 研究目的 －曲げと軸方向力を同時に作用させた梁端接合部の載荷実験から，その現実的な性能を実証し，軸方向力の影響を考慮した設計法ならびに軸方向力による性能低下を防止できる補強工法を提案することを目的とした。

－ 研究成果・ 効果 －2.0

PL-19 (SM490A)□-300×300×tc (BCR295)

350

RH-400×200×8×13 (SN400B)(b) 参照

1.5

1600
387

10-PL-9 (SS400)

1650
2065
2215

185

173

PL-16
(SS400)(b) 接合部詳細

300

10R

0.0

370

173

35

12
12

35

(c) 水平スチフナ詳細

試験体（水平スチフナ有）

無補強

軸力増大

12-15

0.5

173

35R

CJP

35

7
35°

(a) 試験体12-0

軸力増大による
12-7.5耐力低下

1.0

水平スチフナ (c) 参照

ダイアフラムPL-19 (SN400B)

12-0
12-7.5
12-15
12-HS-15

Mb /bMp 水平スチフナ有

水平
0

3

6
骨格曲線

水平スチフナ有θb /bθp9

1212-HS-15

ηu
0

50

100

150

塑性変形能力梁ウェブ接合部に水平スチフナを付加することで，軸力による梁端接合部の耐力・塑性変形能力の低下を防止できる。

一般共同研究Ｂ（P61）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 19
一般研究B（2023年度）「カルボニルの水素化反応に活性を示す金属伝導性水素化物固体の創製」
研究代表者 ： 飯村壮史（NIMS））
共同研究対応教員 ： 氏名平松秀典－ 研究目的 －本研究では、ルイス酸点との配位結合によって安定化されたH−を有する金属伝導性固体を創製し、カルボニル化合物への水素化反応活性を調べる。金属が持つ空軌道と水素との相互作用に着目し、固体材料でもヒドリド錯体並みの水素化反応活性を持ちうるのかを問う。フロンティア材料研究所とは材料の評価に関して共同し研究を行う。

－ 研究成果・ 効果 －令和５年度は、まず種々の前周期遷移金属基酸化物（eTM酸化物）に水素ドーピングを施し、ドーピングによって電気伝導性が発現する材料の探索を行った。次に水素取り込みが確認されたeTM酸化物を対象に、その格子中の様々なサイトに置いたHiの欠陥生成エネルギーを第一原理計算から評価することで酸化物の電子構造と水素イオンと実際に結合する
近接イオンの化学的性質から格子間水素Hiの取り込みやすさを評価した。第一原理計算ソフトにはVASPを用い、欠陥生
成エネルギーの評価に必要な種々の計算や静電ポテンシャルに基づく安定Hi位置の同定などはpydefectを用いて半自動的、半網羅的に行った。
合計５つのeTM酸化物中のHiの安定水素位置（フェルミ準位を価電子帯下端CBMとしたとき、Hi+の生成エネルギーが最も低かったHi）と生成エネルギーを調べ、今回調べた化合物ではプロトンが常にヒドリドよりも安定であることがわかった。
また価電子帯上端VBMの波動関数を評価し、最安定Hi+は、VBMを構成する酸素のローンペアと結合することが分かった。
また、実験によってHi+位置が同定されている４つの化合物では、計算から求めた最安定Hi+位置と実験結果を比較し、全て合致した。
酸素2sを基準としバンドアラインメント作成したところ、当初電子を安定化する深いCBM がHi+を安定化する主たる駆動力と考えていたが、よりバンドギャップが広い酸化物中でもHi+が安定化され、その際、浅いVBMを構成する酸素ローンペアがBrønsted塩基点となってHi+の安定化に寄与することが分かった。

12

一般共同研究Ｂ（P62）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 205.2
一般研究B（2023年度）「 免 震 装 置 にお け る 熱 ・ 力 学 連 成 挙 動 へ の 対 策 」
研究代表 者 ： 石井建（ 北 海 道 大 学 大 学 院 工 学 研 究 院 ）共同研究対応教員 ： 吉敷祥一

－ 研究目的 －
免震構造は通常設計レベルの地震動に対して上部建物の安全性を大きく向上させるが、そこに用いられる主要な免震装置は地震時のエネルギー吸収に応じて装置温度が上昇し減衰性能が低下するという熱・力学連成挙動を生じることが指摘されている。本研究は、免震装置の熱・力学連成挙動の発生機構を詳しく分析し、地震時の性能低下を防止するための対策手法を検討することを目的とする。

－ 研究成果・ 効果 －
速度依存性と温度依存性を数値的に分離する手法の合理化(1) 格子状の再サンプリング(2) 二変数関数の分離

評価式の作成速度・温度・摩擦係数の関係（実験結果）

摩擦係数の等高線図（評価値）

石井建, 菊地優, 入澤祐太, 和氣知貴: すべり系支承の力学特性における速度依存性と温度依存性を同時に評価するための加振実験および分析手法の提案, 日本
建築学会構造系論文集, Vol. 88, No. 814, pp. 1646–1654, 2023.12.

一般共同研究Ｂ（P64）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 46
一般研究B（2023年度）「電磁場 が 媒 介す る 遠 隔 系 間 量 子も つ れ 生 成 ダ イ ナ ミク ス 理 論 」
研究代表 者 ： 石田邦夫 （ 宇 都 宮 大 学 ）共同研究対応教員 ： 中村一隆

－ 研究目的 －光励起下の電子・格子系における過渡ダイナミクス計算において、特に光の量子化を考慮した場合には数値計
算規模が指数関数的に増大する。この問題を克服するため、小規模の部分系についての波動関数を用いてより大きな規模の系を記述可能な手法を開発した。

－ 研究成果・ 効果 －2サイト系時間依存シュレーディンガー方程式の解
Φ 𝑡𝑡𝑡𝑡 について、2段階の特異値分解を行う

１．電子・格子系と光子系の分離
Φ 𝑡𝑡𝑡𝑡

計算結果
光子数

電子励起率

光子系

= � 𝜆𝜆𝜆𝜆𝑛𝑛𝑛𝑛 𝜂𝜂𝜂𝜂𝑛𝑛𝑛𝑛 (𝑡𝑡𝑡𝑡 ⟩|𝜃𝜃𝜃𝜃𝑛𝑛𝑛𝑛 𝑡𝑡𝑡𝑡 ⟩𝑛𝑛𝑛𝑛

電子・格子系

２．時間依存性の分離𝜂𝜂𝜂𝜂𝑛𝑛𝑛𝑛 𝑡𝑡𝑡𝑡

= � 𝜅𝜅𝜅𝜅𝑘𝑘𝑘𝑘𝑛𝑛𝑛𝑛 𝜁𝜁𝜁𝜁𝑘𝑘𝑘𝑘𝑛𝑛𝑛𝑛 𝑡𝑡𝑡𝑡 |Γ𝑘𝑘𝑘𝑘𝑛𝑛𝑛𝑛 ⟩𝑘𝑘𝑘𝑘|Γ𝑘𝑘𝑘𝑘𝑛𝑛𝑛𝑛 ⟩から4サイト系の波動関数を構築して基底とした同等の精度で計算量は約1/30000に低減より大きな系への適用と実空間繰り込み手法の確立へ

発表論文: K. Ishida and F. Sunaga, “Dynamics of photoinduced entanglement in electron-phonon systems”, to be published in Progress in Ultrafast Intense Laser Science
XVII

13

一般共同研究Ｂ（P66）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No.１３
一般研究B（2023年度）「GdををドープしたFerrite磁
磁気ナノ微粒子 の磁気特性」
研究代表 者 ： 一柳優子 （ 横 浜 国 立 大 学 工学研究 院 ）共同研究対応教員 ： 川路均－ 研究目的 －これまでに当研究室では、独自の湿式混合法を用いてナノサイズの磁気ナノ微粒子を作製し、その磁気特性について評価してきた。そのなかで、異方性の小さいMnFe2O4ナノ微粒子について、保磁力を減少・初透磁率を増大させるためにGdをドープしたMnFe2O4ナノ微粒子を作製し、その磁気特性を向上させることを目的とした。また、作製した磁気ナノ微粒子について交流磁場応答の測定を行い、MPI応用・磁気温熱療法応用の可能性を探った。

－ 研究成果・ 効果 －に作 製
MnGd0.065Fe1.935O4を粒径別(10.6 nm, 14.0 nm, 17.0 nm, 21.2 nm)に
（交流磁化率実数部）
粒径別交流磁化温度依存性（交流磁化率𝜒𝜒𝜒𝜒 = 𝜒𝜒𝜒𝜒′ − 𝑖𝑖𝑖𝑖𝜒𝜒𝜒𝜒“ ）室温（300 K）付近では17 nm以下の粒子が高い交流磁(実数部：𝜒𝜒𝜒𝜒′)(虚数部：𝜒𝜒𝜒𝜒“ )化率実数部を持つ→交流磁場を印加することで磁化の変化を高調波として検出するMPI応用において高い応答を示すことが期待（交流磁化率虚数部）
室温（300 K）付近では14 nm以上の粒子が高い交流磁化率虚数部を持つ→17 nmのサンプルで最も磁気緩和損失による発熱が期待（磁気緩和損失の発熱量P = μ0πχ”fh2）
一方で、虚数部の値が大きい粒子に関しては交流磁場に対する応答が阻害されるため、高調波応答が弱くなる
可能性がある。
粒径14.0 nmの粒子がMPI応用・磁気温熱療法応用に最適である
発表論文・関連論文 ：T. Sakamoto, K. Nii, Y. Fujita, T. Moriwaki, H. Amano, R. Abe and Y. Ichiyanagi“Harmonic response of Gd-doped Mn-ferrite nanoparticles under AC magnetic field and optimization of Gd doping for MPI applications”, AIP Advances,vol. 14(2024)

一般共同研究Ｂ（P68）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 218.2
一般研究B（2023年度）

免震建物上部構造へのオイルダンパー付加による擁壁衝突時の応答制御に関する研究－エネルギーの釣合いに基づくダンパー設計法の構築－

研究代表 者 ： 犬伏徹志 （ 近 畿 大 学 ）共同研究対応教員 ： 佐藤大樹

－ 研究目的 －
免震建物のロバスト性やレジリエンス性能向上のため，擁壁衝突時における免震建物上部構造応答をオイルダ
ンパーにより制御する。今年度は上部構造に加わる衝突エネルギー推定式の提案を行うため，上部構造の特性，
衝突速度，擁壁部の特性をパラメータとした数値解析を行い，衝撃力と擁壁との接触時間から計算される力積を評価する。

－ 研究成果・ 効果 －

0.0
0.0

衝突速度 Vcol (m/s)

0.5, 0.75, 1.0, 1.25, 1.5

擁壁高さ Hw (m)2.0, 3.0, 5.0, 8.0

擁壁厚さ tw (m)Hw/10, Hw/10×1.5

擁壁配筋 pt

0.002, 0.005, 0.01, 0.015

背後地盤 VS (m/s)
ダッシュポット
減衰係数 c (N･s/m)
衝突範囲

14

力積変化率

4.0, 5.0, 6.0100, 200, 300, 400
地盤弾性時の 0, 0.05, 0.1, 0.2, 0.5, 1.0 倍(Hw-Hc)/4 程度，(Hw-Hc )/2 程度，(Hw-Hc )

0.4
0.6
衝突範囲

0.8

tw / Hw =0.1

4.0
2.0
2.0

4.0
6.0
H (m)
w

8.0

10.0

1.5

1.0
0.5
0.0
0.0

1.0

6.0

0.0
0.0
※pt：引張鉄筋比

0.2

2.0

1.5

力積変化率

0.5

2.0

0.2

0.4
0.6
c の倍率

0.8

1.0
0.5
0.0

1.0

4.0

2.0

3.0

1.5

力積変化率

1.0

8.0

免震周期 TISO (s)

Vs100
Vs200
Vs300
Vs400

力積変化率

1.5

力積変化率

パラメトリック
スタディ

力積変化率

2.0

2.0
1.0
0.0
0.00

0.05

0.10
t /H
w

w

0.15

0.20

0

0.005

0.01
p

0.015

0.02

0.5
1.0
1.5
衝突速度vcol (m/s)

2.0

t

1.0
0.5
0.0
0.0

各パラメータが力積におよぼす影響の分析を行った。今後はこれらの関係を一般化した力積の評価式および衝突エネルギー推定式の提案を行う。さらに，エネルギーの釣合いに基づく応答予測式を構築する。

一般共同研究Ｂ（P71）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 11
一般研究B（2023年度）「4-ア
アミノ-3,5-ジ
ジ ハ ロ 安 息 香 酸 の プ ロト ント ン ネ ル と 相 転 移 機 構 」
研 究 代 表 者 ： 上 田 康 平 （ 阿 南 工 業 高 等 専 門 学 校 創 造 技 術 工 学 科 化 学 コ ース ）共同研究対応教員 ：川路均

－ 研究目的 －4-アミノ-3,5-ジハロ安息香酸（ハロゲン＝Cl, Br, I）の室温相では，水素結合中のプロトンがコヒーレントプロトント
ンネル状態を実現し，低温相でインコヒーレントプロトントンネル状態へ相転移する。これらの相転移は，低温相に量子的な効果が反映された熱異常を示す可能性があるが，未解明にある。そこで，PPMSで比熱を測定し， 4アミノ-3,5-ジハロ安息香酸の相転移機構を明らかにすることを目的とする。

－ 研究成果・ 効果 －Cp,m / J mol

−1

K

−1

200

150

100

50

0
0

100

T/K

200

300

4-アミノ-3,5-ジヨード安息香酸の比熱本研究で求めた4-アミノ-3,5-ジヨード安息香酸の比熱を示す。
4-アミノ-3,5-ジヨード安息香酸は， 1H NMRの結果から40 K前
後でコヒーレント－インコヒーレントプロトントンネル相転移を起こすとされているが，比熱測定ではその相転移に対応する熱異常が観測されなかった。この結果は，138 Kで同様の相転移を示
す4-アミノ-3,5-ジクロロ安息香酸の振る舞いと対照的である。
4-アミノ-3,5-ジクロロ安息香酸では，1H NMRや35Cl NQRで相転移が観察されたのと同じ温度に明瞭な熱異常が観察されている。
4-アミノ-3,5-ジヨード安息香酸で相転移温度に明確な熱異常が無いということは，この変化が相転移前後でエントロピーに大きな差がない相転移，もしくはクロスオーバー的な現象であることを示唆している。

一般共同研究Ｂ（P73）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 17
一般研究B（2023年度）「 シ リカ 系 材 料 の 局 所 構 造 と 物 性 」
研究代表 者 ：梶原浩 一 （ 東 京 都 立 大 学 大 学 院 都 市 環 境 科 学 研 究 科 環 境 応 用 化 学 域 ）共同研究対応教員 ： 平松秀典

－ 研究目的 －シリカはSi-O結合を骨格とする化合物群であるが、Siが強い結合による三次元的な網目構造を構築するため構造の多様性が高い。また、このようなシリカ系材料の物性は、構造だけでなく、しばしば欠陥の影響を大きく受ける。本研究では、SiO2の組成をもつ結晶や非晶質(シリカガラス)、ゼオライトなど多種のシリカ系材料の構造や欠陥を種々の分光法・測定手法を用いて解析し、それらの物性との互いの相関を明らかにすることを目的とした。

－ 研究成果・ 効果 －
 Si原子1個あたり1個の有機官能基Rを有するシルセスキ
オキサンで、R基が環状アルキル基であるシクロヘキシ
ル基のとき、深紫外透明性を有し、SiOH基を多量に含むため親水性で親水性基板等に対して強く接着し、縮合熱硬化もしにくい低融点ガラスが得られることを見出した。
 含リチウムソーダライトLi8B6Si6O24Cl2を発見した。この化合物は初めての含ホウ素アルカリソーダライト、かつ均一融液から結晶化ガラスが得られる初めてのソーダライ
トであり、得られた結晶化ガラスはリチウムイオン伝導性を示し金属リチウムとの接触に対しても安定であった。
発表論文・関連論文 ： K. Kajihara, R. Suzuki, R. Seto, H. Itakura, M. Ishijima, “Poly(cyclohexylsilsesquioxane)-based hydrophilic thermoset-resistant deep-ultraviolettransparent glasses with low melting temperatures,” ACS Appl. Mater. Interfaces 15, 31880-31887 (2023); H. Arima, N. Tezuka, M. Ishijima, K. Kanamura, K. Kajihara,“Lithium-ion-conducting glass-ceramics of a boron-containing alkali sodalite Li8B6Si6O24Cl2,” J. Ceram. Soc. Jpn. 131, 291-297 (2023)

15

一般共同研究Ｂ（P74）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No.14

一般研究B (2023年
年度)「種々の先進材料の高密度エネルギー計測分野への応用」
研究代表者： 糟谷紘一 （応用ながれ研究所 ＆ レーザー技術総合研究所）
共同研究対応教員： 川路 均
－ 研究目的 ・ 概要 －パソコン関連一式設備を見直し、基本情報処理用PC等等を追加購入設置した。非接触レーザー超音波可視化検査装の本研究に適したコンパクトで安価な市販品調査を行い、マイクロチップレーザー利用の装置を開発する必要があることを再確認した。被検査体に及ぼす検査用レーザー等の照射損傷の極小化ができる本計画の主目的は、核融合分野に限らず、医療診断・診療等の生体応用や広範囲新材料開発分野にも応用可能であり、近い将来のスピンオフ研究に生かすことができる
から、関連の研究シンポジウムにも参加し、講演と情報収集を行った。更に、応用分野は異なるが、マイクロチップレー。ザー搭載の小型ロボットによる溶接分野への応用が進んでおり、本研究への展開が期待できることを示した。

－ 研究成果・ 効果 －レーザー誘起超音波法による諸材料厚さ測定法の有用性を再確認した。
また、同種装置の小型化・低価格化のためには、マイクロチップレーザーの活用が必須であり、今後のさらなる研究・開発が期待されることを示し た。
レーザー等照射による被測定
対象に及ぼす照射損傷の極小化は、より広範囲の開発・応用分野にも展開できることを示 した。

図１ 阪大・野村・浅井研のチップレーザー搭載超音波計測システム

表1 ユニテック社の市販チップレーザー特性

発表論文：1) 糟谷紘一, 徳永和俊, 川路均.平
平等拓範, 沖野晃俊 他, 九大応力研共同利用研究成果報告, 26, 1, 158-159, 2023. 2) ibid., 東工大・フロン
ティア材料研共同利用研究報告書, 27, 1, 93-95, 2023. 3) ibid., 2023年
年度NIFS共共同研究夏の合同研究会, 筑波大, 2023年
年9月
月5日
日-9月
月6日
日. 4) ibid.,
第1回回医療フォトニクスシンポジウム～フォトニクスの医療応用を加速させるには～, 2024年
年3月月13日
日14:00～～20：：00、、阪大・銀杏会館.

一般共同研究Ｂ（P77）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 41
一般研究B（ 2023 年度）「層状テルライドにおける量体化形成とその前駆現象の開拓」
研究代表者 ： 片山 尚幸（名古屋大学大学院工学研究科）
共同研究対応教員 ：笹川 崇男－ 研究目的 －
低温で七量体転移を生じるTaTe2に対して、高温相における前駆的局所揺らぎの存在を明らかにするために、単結晶を用いた放射光X線構造研究が必要となる。本共同利用課題において、SPring-8 での放射光X線構造解析に必要となる大型単結晶を育成・評価することを本研究の目的とする。

－ 研究成果・ 効果 －ヨウ素を輸送剤として用いた気相輸送法(CVT法)により、大型単結晶の育成に成功。その後、七量体化が生じるこ
とも電気抵抗測定により確認した。
得られた単結晶試料を用いた放射光X
線構造解析により、高温相において七量体化に向かう局所的な原子変位が生じていることを突き止めた。

N. Katayama, Y. Matsuda, K. Kojima, T. Hara, S. Kitou, N. Mitsuishi, H. Takahashi, S. Ishiwata, K. Ishizaka, and H. Sawa, Phys. Rev. B 107 (2023) 245113.
K. Kojima, N. Katayama, Y. Matsuda, M. Shiomi, R. Ishii, and H. Sawa, Phys. Rev. B 107 (2023) L020101.
K. Kojima, N. Katayama, K. Sugimoto, N. Hirao, Y. Ohta, and H. Sawa, Phys. Rev. B 108 (2023) 094107.
T. Kubo, K. Kojima, N. Katayama, T. Runˇcevski, R. E. Dinnebier, A. S. Gibbs, M. Isobe, and H. Sawa, Phys. Rev. B, accepted (2024).

16一般共同研究Ｂ（P79）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 58
一般研究B（2023年度）「傾斜組成構造を導入したリチウムイオン二次電池エピタキシャル薄膜の性能評価」
研究代表者 ： 神永 健一（東北大学工学研究科）
共同研究対応教員 ： 安井伸太郎－ 研究目的 －本研究では，代表的なリチウムイオン二次電池正極材料である3元系LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2(NMC)を研究対象とする．ガルバノミラー
走査型パルスレーザ堆積装置を利用して，基板界面から薄膜最表面にかけてNi濃度とCo濃度を線形に変化させたNMC傾斜組成
エピタキシャル薄膜を実際に作製し，均一組成膜との電池性能の比較によって傾斜組成導入の効果を吟味することを目的とする．
東北大は傾斜組成エピタキシャル薄膜の作製を担当し，フロンティア研は薄膜の電池測定を担当した．

－ 研究成果・ 効果 －SIMS測定(a)

SrRuO3

SrTiO3

Intensity [arb.units.]

基板側充放電測定（均一組成NMC）(b)
Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2

Li(Ni2/3Mn1/3Co0)O2

SrRuO3

先行例と同程度[2]

STO substrate

一方、傾斜組成膜ではサイクル回らず

東北大独自開発のガルバノミラー走査型パルスレーザ堆積装置[1]による
NMC傾斜組成エピタキシャル薄膜の作製

引き続き傾斜構造導入と電池性能の相関を検証

関連論文 ：[1] Rev.Sci. Instru., 90, 093901 (2019).
[2] RSC Adv., 6, 78963-78969 (2016).

一般共同研究Ｂ（P81）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 48
一般研究B（2023年度）「電子フォノン結合系のコヒーレント励起の量子理論モデル」
研究代表者 ： 萱沼洋輔（大阪公立大学理学研究科）
共同研究対応教員 ： 中村一隆

－ 研究目的 －
半導体・絶縁体などの結晶におけるコヒーレントフォノンの生成・観測メカニズムの解明を理論的側面から明らかにする。固体という舞台の上で演じられるフォトン・電子・フォノンという素励起の超高速ダイナミクスを、量子経路
LO
干渉の視点から解き明かし、実験データの解析を行う。

－ 研究成果・ 効果 －理論

eEnergy実験

Intensity (arb. units)

遅延時間アト秒制御2連ポンプパルス励起によるコヒーレントフォノン生成強度

ωLOPC

g

ωLO

Pump-Pump Delay t12 (fs)LOフォノン生成強度の2連ポンプ遅延時間依存性から誘導ラマン過程で生成されることが確定

Q

LOモードとLOPCモードの起源の違い

17一般共同研究Ｂ（P83）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 45
一般研究B（2023年度）「衝撃荷重下における超高ひずみ速度変形機構の解明」
研究代表者 ： 川合伸明（防衛大学校 応用科学群 応用物理学科）
共同研究対応教員 ： 中村一隆

－ 研究目的 －材料の変形・強度特性は、顕著なひずみ速度依存性を示し、ひずみ速度が104 /s以上にも達する衝撃圧縮下においては、静的な荷重条件とは全く異なる機械的特性を示す。本研究課題は、超高ひずみ速度変形下における強度・変形特性の評価を目的としている。本年度においては、高分子材料の衝撃強度特性を評価するため、ポリカーボネートの衝撃荷重下における最大せん断応力およびスポール強度の測定・評価を行った。

－ 研究成果・ 効果 －
 衝突裏面の自由表面速度プロファイル測定により、試験体内部に生じた引張応力に起因するプルバック速度を決定し、スポール強度を導出
 平面衝撃圧縮により達成される一軸ひずみ圧縮状態を利用し、衝撃波伝播方向とそれに垂直な応力の差から最大せん断応力を導出

ポリカーボネートにおける衝撃応力に対するスポール強度および最大せん断応力

スポール強度測定： 2 GPa以上の衝撃応力によりスポール強度が低下することが明らかとなった。
せん断強度測定： 3 GPaまでの衝撃応力に対しては、負荷応力の増加に伴い内部に生じるせん断応力も増加していく一方、衝撃応力が3 GPaを超える領域においては、せん断応力は減少に転じることが明らかとなった。

一般共同研究Ｂ（P85）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 35
一般研究B（2023年度）「ワイル磁性体候補物質である逆ペロブスカイト型マンガン窒化物における輸送特性の調査」
研究代表者 ： 川口昂彦（ 静岡大学）
共同研究対応教員 ： 片瀬貴義 准教授－ 研究目的 －次世代の超高集積磁気デバイスの実現のために、漏れ磁場が小さいにも関わらず大きな異常ホール効果を示す「ワイル反強磁性体」が注目を集めている。我々は、その候補材料であるMn3(Ge,Mn)Nに着目した。本研究では、それらの組成について、PLD法を用いてエピタキシャル薄膜を得ること、およびその異常ホール効果を測定することを目的とした。

－ 研究成果・ 効果 －PLD 法 を 用 い て 、 MgO(001) 基 板 お よ び
MgO(111)基板上に、Mn3(Ge,Mn)N薄膜を作製した。それぞれの基板上で、エピタキシャル成
長していることが確認された。微量の酸化物
相の混在も見られたが、抵抗測定の結果、数mΩcmの抵抗率を示し、低温まで金属的に抵抗が減少するという、バルク試料と近い振る舞いが観測された。一方、ホール効果測定の結果、いずれの薄膜でも異常ホール効果の発現は見られなかった。文献調査の結果、異常ホール効果の発現には十分な格子歪の導入が必要であると考えられる。

Fig. 1: Temperature dependence ofresistance of Mn3(Ge,Mn)N thinfilm grown on MgO(001).

Fig. 2: field dependence ofHall resistance ofMn3(Ge,Mn)N/MgO(111).

発表論文・関連論文 ：杉浦怜希, 菅原祐哉, 川口昂彦, 坂元尚紀, 脇谷尚樹, 第36回日本セラミックス協会秋季シンポジウム講演予稿集, 2M02, pp.46, 2023.9.
杉浦怜希, 菅原祐哉, 川口昂彦,坂元尚紀, 脇谷尚樹, 第43回電子材料研究討論会プログラム, 1B06, pp. 5, 2023.11.

18

一般共同研究Ｂ（P87）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 34
一般研究B（2023年度）「スズ含有14族族混晶薄膜の低温熱電物性に関する研究」
研究代表者 ： 黒澤 昌志（ 国立大学法人東海国立大学機構 名古屋大学 大学院工学研究科）
共同研究対応教員 ： 片瀬 貴義－ 研究目的 －これまでの共同利用推進で、従来のモデルでは説明できない巨大なフォノンドラッグ熱電能（格子振動に電子が引きずられて発電する現象）がゲルマニウムスズ（Ge1−xSnx）半導体の“薄膜”で発現すること、そのパワーファク
タ（単位長さに温度差1Kを印加した際の発電量）は他を凌駕することを見い出した。今回の新規申請では、この特徴を活かした局所排熱デバイスの創製を新たな目標に設定し、「冷却性能の精密制御により様々な温度での局所排熱」を可能とする新しいスズ含有14族混晶薄膜の熱電材料開発に取り組んだ。

－ 研究成果・ 効果 －様々なスズ含有14族混晶薄膜の低温熱電物性を明らかにした。
• Si1−xSnx：Ge1−xSnx と比較し、ゼーベック係数のピーク温度が5〜10K高温側にシフトする(左図)。
• Si1−x−yGexSny：電子濃度が増大してもフォノンドラッグ成分|Sp|が残存。結果、Ge1−xSnx より2倍程度
大 き な パ ワ ー フ ァ ク タ (2.3×103µW/cmK2)が得られた(右図)。
受賞２件 [1] 大岩樹, 柴山茂久, 坂下満男, 中塚理, 片瀬貴義, 黒澤昌志：第7回 応用物理学会フォノンエンジニアリング研究会 優秀ポスター賞 (2023/8/6)[2] 大岩樹, 柴山茂久, 坂下満男, 中塚理, 片瀬貴義, 黒澤昌志：第54回(2023年春季) 応用物理学会講演奨励賞 (2023/9/19)

一般共同研究Ｂ（P88）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No.42
一般研究B（ 2023 年度）「少数キャリア希土類モノプニクタイドにおける新奇電子相関物性の開拓」
研 究 代 表 者 ： 黒 田 健 太 （ 広 島 大 学 先 進 理 工 科 学 研 究 科 物 理 学 プログ ラ ム）
共同研究対応教員 ： 笹川崇男

－ 研究目的 －少数キャリア希土類モノプニクタイドにおける局在・遍歴電子の電子相関や多体効果が示す異常物性の機構解
明および新奇量子物性の開拓を目的として行う。希土類イオン 4f 結晶場の大きさ，キャリア数やフェルミ面の大きさなど物理パラメーターと対応づけることで，悪魔の階段へ導く機能物性の解明を目指す。そして，セリウム系
で発現していた多体効果のバランスが崩れたときにどのような電気・磁気特性が発現するのか調査する。

－ 研究成果・ 効果 －CeAs と CeBi は共に通常の反強磁性転移を示すのに対して，CeSb では複雑な転移現象である「悪魔の階段」を示す。

CeAs の光電子分光測定によって，電子・ホール
バンドの温度変化を観測した

CeAs の光電子分光測定によって，電子ボゾ
ン結合によるキンク構造を２つ観測した。

関連論文 ：
黒田健太，新井陽介 他： “Devil’s staircase transition of the electronic structures in CeSb” Nature Communications 11, 2888 (2021)., “Multipole polaron in the devil’s
staircase of CeSb” Nature Materials 21, 410 (2022).,19

一般共同研究Ｂ（P90）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 61
一般研究B（2023年度）「レーザ指向性エネルギー堆積法によるWC-HEA超超硬合金の開発」
研究代表者 ： 國峯 崇裕（金沢大学 理工研究域 機械工学系）
共同研究対応教員 ： 安井 伸太郎－ 研究目的 －レーザ指向性エネルギー体積法 (Laser Directed Energy Deposition: L-DED)によって，WCとCo金属相からなる，
WC-Co超硬合金中のCo金属相をハイエントロピー合金（High-Entropy Alloy: HEA）に代替したWC-HEA超硬合金
を材料開発する．主として金属相を溶融させて作製する従来型のWC-HEA超硬合金の開発に加えて，高出力のレーザ加工で金属相とセラミックス相を同時に溶融させて作製するハイエントロピーカーバイド（High Entropy
Carbide: HE Carbide）型のWC-HEA超硬合金も研究開発の対象とする．

－ 研究成果・ 効果 －WC-Co超硬合金の機械的性質の向上を目的として，HEAを代替バインダーとして使用した．実験ではCrMnFeCoNi HEA粉末をバインダーとして使用し，L-DEDによってWC-HEA超硬合金を造形した．WC-Co超硬合金粉末も比較のために使用した．造形試料は，主にWC，M2C，M6Cの3種類の炭化物と2相に分離したW含有量の異なるHEA相で構成されていることが明らかにされた．エネルギー分散型X線分光法（EDS）
分析により，形成されたM2C，M6C炭化物とHEA相はW，Cr，Mn，Fe，Co，Ni の元素を含有していることが示された．WC-Co超硬合金粉末を使用した造形試料と比較して，100〜250 Wのレーザ出力で加工したWCHEA超硬合金造形試料では200 HV以上の高い硬度を示した．これらの結果は，レーザ照射後に WC-Co 超硬合金では M6Cが形成されるのに対して，WC-HEA超硬合金ではM2Cが形成されることに起因する．
300 Wでは，WC-Co超硬合金造形試料においてもM2Cが形成されたため，WC-HEA超硬合金造形試料の硬度とほぼ同じ硬度が得られた．

Fig. 1. SEM-BSE images showing microstructuresof the L-DEDed WC-Co and WC-HEA cemented
carbides. (A) WC and binder phase, (B) M6C, (C)M2C in the WC-Co cemented carbide. (D) M2C in
the WC-HEA cemented carbide.

一般共同研究Ｂ（P92）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 18
一般研究B（2023年度）「透明電子伝導性酸化物ガラス材料の開発」
研究代表者 ：斎藤 全（愛媛大学）
共同研究対応教員 ： 平松秀典

－ 研究目的 －
可視光透明な酸化物半導体の設計指針は、結晶、非結晶を問わず、伝導帯下端(LUMO)が金属酸化物の球対称なs軌道からなり、かつ閉殻なd10軌道を有する酸化物により構成されることにある。伝導帯がs–p混成軌道からなる酸化物ガラスとして、Bi2O3–B2O3ガラスがあり、Fe3O4とフッ素を添加したガラスに対して、導電率、キャリアー
密度、移動度、ゼーベック係数に関する電子輸送特性を調べた。

－ 研究成果・ 効果 －xFe3O4‒yBiF3‒(55‒x‒y)Bi2O3‒45B2O3 glass

・導電性酸化物ガラスの創出を目指して、伝導帯下端がs軌道性のBi2O3を含み、n型ドーピングを目的として、Fe3O4とフッ素を導入した
Fe3O4–BiF3–Bi2O3–B2O3ガラスを見出した。
・10Fe3O4–45Bi2O3–45B2O3半導体ガラスにフッ素を添加した
試料は高伝導度を示す。電子伝導メカニズムとして、不純物準位(Fe2+およびFe3+)間のホッピング伝導と結論付けている。

20

一般共同研究Ｂ（P94）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 75
一般研究B（2023年度）「スティショバイト型Al, H:SiO2の超イオンH+伝導の解明に向けた単結晶薄膜の作製」
研究代表者 ： 笹原 悠輝（京都大学）
共同研究対応教員 ： 東 正樹 教授－ 研究目的 －SiO2はSiの一部がAlに置換されることで水酸化物イオンとして水素を取り込むことができるため、高圧高温環境においても唯一脱水をせずに地球マントルの最深部にまで表層の水を輸送できると考えられている鉱物である。スティショバイト型AlドープSiO2中のH+は超高圧超高温条件で高速で伝導すると理論的に予測されており、地球内部の電気伝導度観測で観察されている高電気伝導度異常領域の原因であると考えられている。観測結果を説明するためにはスティ
ショバイト型AlドープSiO2の電気伝導度とその結晶方位依存性を調べる必要があるが、物性研究に必要な大型単結晶合成がこれまで困難であったため、これまで実験的な電気伝導度測定が行われた例はない。そこで本研究では、Al2O3基板上にSi1-xAlxO2-x(OH)xの非晶質薄膜を堆積した試料を用意し、その試料を超高圧処理することでスティショバイト型Al, H:SiO2の大型エピタキシャル薄膜の合成を行うことを目的とする。

－ 研究成果・ 効果 －前駆体SiO2溶液

TEOS/グルコース/
濃硝酸/EtOH

薄膜作製(スピンコート)

高圧合成(川井型マルチアンビル装置)

SiO2薄膜(0.3–10 μm)

スピンコート前駆体では薄膜が剥離することを発見

一般共同研究Ｂ（P95）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 205
一般研究B（2023年度）「 溝 形 鋼 ブレ ー ス接 合 部 に お け る高 力 ボ ル ト の 配 置 方 法 が 最 大 耐 力 に 与 え る影 響 」
研究代表者 ： 薩川恵一（愛知工業大学）
共同研究対応教員 ： 吉敷祥一

－ 研究目的 －本研究では、溝形鋼のブレース接合部におけるボルトの配置方法に着目し、その中で継手長さやゲージが最大耐力に与える影響を確認する。

－ 研究成果・ 効果 －M20 , M22 , M24 (F10T)

1.0

lpp p p p

lg

g
g

最終列目

0.8

0.6

0.6

ガセットプレート：PL12(SM490)

g：ゲ
ゲージ

60

120

n=5

n=4
n=3
n=3

n=4

n=5

n=6

180

n=7

0
55 100Pmax/Pu
n=3

n=4

n=5
n=7

0.6 n=2

2-2配
配置
lg60
lg110
継手長さlp(mm)
200

1.0
0.8

n=2

0.2

全ゲージ長さlg(mm)0Pmax/Pu

0.4

lp:480
lp:320
lp:160

1-1配
配置

0.2
0

溝形鋼：C200×80×7.5×11
C300×90×9×13

1.0

0.8

0.4
一列目

ⅼp：継
継手長さ

Pmax/Pu

300

C200

400

500

0.4

n=5

2-2配
配置
lg180
lg120
lg60

n=3

0.2
0.0

55 100継手長さlp(mm)
200

300

400

500

C300

ⅼg：全
全ゲージ長さ

溝形鋼ボルト配置

ボルトの配置方法が最大耐力に与える影響について確認した。継手長さと全ゲージ長さが最大耐力に影響があることが確認できた。

21

一般共同研究Ｂ（P97）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 218.3
一般研究B（2023年度）「解析データならびに実測データを用いた

建物の減衰モデルの同定に関する研究」

研 究 代 表 者 ： 白 山 敦 子 （ 徳 島 大 学 大 学 院 社 会 産 業 理 工 学 研 究 部）
共同研究対応教員 ： 佐藤 大樹－ 研究目的 －建物の内部粘性減衰については、多くの観測記録の検討などによって、大まかな傾向などは示されつつあるが、その原因や大きさ、特性などは今も明らかになっていない。本研究では、東京工業大学すずかけ台キャンパスの建物（J1棟とS2棟）を対象として、東北地方太平洋沖地震において得られた加速度データを用いてシステム同定を行い、建物の固有周期ならびに減衰定数について検討する。

－ 研究成果・ 効果 －J1棟においては、地下1階のデータを入力、9階のデータを出力とし、S2棟は、X、Y方向のそれぞれについて、1階を入力、4階と7階を出力としたケースと1階を入力、7階を出力としたケースの2つの解析を行う。なお、解析時間は、全時間(900秒)とし、システム次数は最適なものを採用した。
これらの結果より、J1棟の固有周期は約0.66秒となった。また、S2棟のX方向は約0.38秒、Y方向は約0.78秒となり、Y方向のほうが固有周期は長い結果となった。
建物概要と観測システムならびに解析方法について説明するとともに、全時間を対象とした部分空間法による同定を行い、各建物の固有周期ならびに減衰定数を算定した。

一般共同研究Ｂ（P100）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 24
一般研究B（2023年度）「キノイド型縮環オリゴシロールを用いた単分子電子デバイスの開発」
研究代表者 ： 新谷 亮（大阪大学 大学院 基礎工学研究科）
共同研究対応教員 ： 真島 豊

－ 研究目的 －単分子電子デバイスは、その小さなサイズと低い消費電力からナノテクノロジーを支える次世代のデバイスとして期待されており、空気下帯電状態で再現性よく安定に動作するデバイスを構築するためには、動作条件下で安定なπ共役有機化合物の開発・利用が必要となる。本共同研究では、代表者が開発した新しい有機合成手法
によって精密に構造制御された新規π共役化合物を用いた単分子電子デバイスを作製し、その半導体特性の発現および機能の向上を目的とする。

－ 研究成果・ 効果 －デバイス作製に用いる化合物として、今年度も引き続きS
Si2x2構造をもつケイ素架橋π共役化合物を中心に検討し、その両端にリンカーを介してチオール部位をもたせた分子をヘテロエピタキシャル球状無電解
金めっき白金ナノギャップ電極に固定化した。昨年度の知見に基づき、リンカーとしては左右非対称のものを用いることとし、その剛直性/柔軟性についての検討とともに、デバイス作製時に光電場を照射する新たな手法の開発について取り組んだ。その結果、メチレンまたはエチレン鎖をもつ分子に対し、光電場を電極間と平行に照射することにより、分子が電極に化学吸着する効率が向上し、以前の分子および手法を用いた場合よりも高い確率で電極間を架橋したデバイスが作製できることがわかり、共鳴トンネル現象を示すデバイスの作製にも成功した。
今後はπ共役骨格およびリンカー構造をさらに改良し、それを用いたデバイス作製と機能評価を行う予定である。

22

一般共同研究Ｂ（P102）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 224
一般研究B（2023年度）「既存建物の耐震診断基準の建 物形状 によ る 性能低減 係数と 測定値によ る 建物 の振動 特性と の関連性に関す る 研究」
研究代表者 ： 鈴木有美（大阪大学大学院工学研究科）
共同研究対応教員 ： 佐藤大樹

－ 研究目的 －既存RC造建物の耐震診断基準では，建物の不整形性の影響を簡略化された形状係数ＳDにより耐震性能を低減することで評価しているが，不整形な建物の応答（例えば，ねじれによる変位の増幅等）との整合性については検証が不十分である．
本研究では、2017年改訂版の耐震診断基準に示されているSD値のうち，水平剛性偏心に関わる項目について実地震応答の対応性を解明することを目指し，本研究ではその初期段階として，過去に実施された非弾性ねじれ応答に関する振動台実験の公開済みのデータを用い，SD値の評価と応答値と比較検証することを目的とした．

－ 研究成果・ 効果 －3つの非弾性捩れ偏心システム

2017年度改訂版耐震診断基準
偏心に関わる形状指標SDにの評価

割線剛性によるSD評価結果への影響は限定的

SD値の検証結果

C法による評価結果が応答値とやや相関

発表論文・関連論文 ：鈴木有美： ねじれ偏心を有する鉄筋コンクリート造建物の地震応答と耐震診断基準における割線剛性を用いた形状指標の対応性検証，
第16回日本地震工学シンポジウム論文集，横浜，2023年11月

一般共同研究Ｂ（P104）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 54
一般研究B（2023年度）「局所C-Vマ
マッピング法と圧電応答顕微鏡の統合計測による
強誘電体薄膜のナノスケールドメインダイナミクス解析」
研究代表者 ： 平永良臣（東北大学）
共同研究対応教員 ：重松圭

－ 研究目的 －強誘電体材料・デバイスの開発において，ナノスケールでのドメインダイナミクスの理解は極めて重要である．本
研究では，局所C-Vマッピング法および圧電応答顕微鏡を併用した計測を通じて，強誘電体薄膜材料について，
これまでの単一の手法によるアプローチでは得られなかったような新たな知見を得て，当該分野の発展に資することを目的とする．

－ 研究成果・ 効果 －局所C-Vマッピング法／圧電応答顕微鏡統合計測システムによるドメインダイナミクス解析の例
測定サンプル：HfO2基多結晶強誘電体薄膜
1

#1

#2

#3

#4

#5

#6

#7

#8

8
2

4

3

6

5
7

PFM面内分極像

SNDM
二次高調波像発表論文・関連論文 ：平永良臣, 長 康雄： 局所C-Vマッピング法を用いた強誘電体メモリ材料のナノスケールドメイン挙動分析, 映像情報メディア学会技術報告, pp.9-15 （2023年6月）

23一般共同研究Ｂ（P106）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 12
一般研究B（2023年度）「PbWO4 – LaNbO4系固溶体の相転移現象」
研 究 代 表 者 ： 高 井 茂 臣 （ 京 大 院 エ ネ科 ）共同研究対応教員 ： 川路 均

－ 研究目的 －
我々はこれまでPbWO4-LaNbO4系固溶体の灰重石型構造を示す高温領域について，格子間酸化物イオンを導入し酸化物イオン伝導性の発現を見出してきた．本研究では，この系においてFergusonite型構造の低温相になる2次に近い1次相転移をDSCで検出することを目的とした．

－ 研究成果・ 効果 －Heat flow / a.u.

Exo.

on heating

Endo.

504℃

Almost secondorder transition

495

500

505

510

515

Temperature / oC

Fergusonite(m)DSCによって相転移を検出できた．
今後は表題の系の相図を完成させる．

Scheelite(t)一般共同研究Ｂ（P107）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 221
一般研究B（2023年度）「凍害劣化したコンクリート構造部材に対する補修・補強効果の解明」
研究代表者 ： 髙瀬 裕也（室蘭工業大学）
共同研究対応教員 ： 西村 康志郎－ 研究目的 －劣化した鉄筋コンクリート建物を長寿命化させるには，1) 劣化したコンクリート構造部材の耐震性の把握，2) 劣化した構造部材に対する補修効果および補強効果の定量評価，3)効率的な補修・補強工法および設計法を確立する必要がある。そこで，本研究では，鉄筋コンクリート（RC）梁を製作し，主筋の引き抜き実験（付着実験）および3点曲げ加力実験を実施し，表層コンクリートの劣化が付着強度と曲げ強度に及ぼす影響を検証する。

付着実験のパラメータ1) 相対動弾性係数DM
100 %，80 %，60 %2) 未補修/補修

ポリマーセメントモルタル(PCM)

拘束治具

主筋

主筋

(A) コンクリート (B)3) 付着長さ：10d/7d
補修試験体

D13ネジ節鉄筋

ロードセル

表層を劣化させ，
びしゃんではつり，
PCMで断面修復

回転治具

付着試験体

主筋裏側まで補修

かぶりのみ
補修

試験体

付着実験の加力方法

３点曲げ加力実験：DM=100%と60%の2体で検証した。

(A) かぶりコンクリートのみ補修(B) 主筋の下部まで補修

センターホールジャッキ
加力治具

付着強度τbmax (N/mm2)－ 研究成果・ 効果 －相対動弾性係数DM (%)
付着実験の結果：劣化により付着強度も低下した。また，(A)の補修では，完全に強度回復しなかった。
DMが60%になると，終局曲
げモーメントが6%低下した。

発表論文・関連論文 ：中村遼太郎，及川雄大，朱俊彦，高瀬裕也：側面が劣化したRC梁における補修厚さがせん断強度に及ぼす影響, コンクリート構造物の補修，補強，アップグレード論文集, Vol.23, pp.263-266, 2023.10

24一般共同研究Ｂ（P110）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 62
一般研究B（2023年度）「リチウムイオン二次電池用LiNi0.8Fe0.1Mn0.1O2正極材料における
粒子径効果の解明」
研究代表者 ： 髙橋 勝國（岡山大学 環境生命自然科学研究科）
共同研究対応教員 ： 安井 伸太郎－ 研究目的 －
安価かつ環境負荷の低い鉄元素を含有した正極材料LiNi0.8Fe0.1Mn0.1O2は、従来材料のLiNi0.8Co0.1Mn0.1O2と異なり粒子径によって電池性能が大幅に変化する。本研究では粒子径を制御したLiNi0.8Fe0.1Mn0.1O2を合成し、粒子径と電池性能の相関性を明らかにすることで、粒子径が電池性能に寄与するメカニズムを解明する。

－ 研究成果・ 効果 －NFMのサイクル特性評価結果から、 (a)(b)
NFM811の粒子径が増加するのに伴って、容量維持率が減少することが明らかになり、従来のNCM811とは逆の傾向を示した。この理由として、Feの相分離があると考えられる。FeはNi、Co、Mnとは異なり八面体サイトへの選択制が無く、容易に四面体配位と八面体配位の両方を有するスピネル構造へと不可逆的な相転移を起こす。この不可逆的な相転移は、鉄系正極材料ではナノ粒子化によって抑制されることが報告されている。本研究でも同様に粒子径の減少によって不Fig. 2(a) Cycle performances from 2.5 to 4.5 V at 0.1 C for 10 cycles of
可逆的な相転移反応が抑制されたため、 NFM811s with different annealing temperature. (b) The correlation between
the average particle size and capacity retention ratio of NFM811s.
容量保持率が増加したと考えられる

一般共同研究Ｂ（P112）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 2
一般研究B（2023年度）「負熱膨張材料の熱膨張抑制能力評価法の構築」
研究代表者 ： 竹中康司（名古屋大学）
共同研究対応教員 ： 東正樹－ 研究目的 －産業技術の高度化にともない、熱膨張制御の要求が高まっている。これに応えうるものとして、「温めると縮む」
負熱膨張材料が大きな関心を集めており、様々な新規材料が提案されてきた。これらの負熱膨張材料に対し、材料間の比較や、材料設計を容易にするため、熱膨張抑制能力評価手法を確立することを目的とした。本年は、異なる製造バッチのピロバナジン酸リン酸塩Cu1.8Zn0.2VPO7微粒子についてなされた結果を検討した。

－ 研究成果・ 効果 －①30vol%-Cu1.8Zn0.2VPO7/エポキシ樹脂複合体の合成
マトリックス：（株）ADEKA製（基剤EP-4100Eと硬化剤EH-105L）
フィラー：異なる6バッチのCu1.8Zn0.2VPO7微粒子
体積比：負熱膨張フィラー30vol%に対しマトリックス樹脂70vol%
回転モールド法により固化[1]②（株）共和電業製歪ゲージ（KFL）で線熱膨張評価（100-400 K）③複合則を用いてフィラーの線膨張係数αｆを推定[2]α: 線膨張係数, v: 分率 c: 複合材料, ｆ: フィラー, m: マトリックス
αc = vfαf ＋ vmαm , ただし vf ＋ vm = 1
ここでαm = 63 ppm/K

6サンプルのαc（実測値）とαｆ（見積値）
αｃ： 37.8 39.6 38.9 39.9 37.6 38.2 [ppm/K]
αｆ ： -20.7 -14.7 -17.0 -13.8 -21.2 -19.2 [ppm/K]
実測のばらつき（5%程度）に対してαfの見積のばらつ
きは40%と大きい → 定量性に課題※フィラーの体積比が30vol%と小さいことによる
今 後 の 課題
同じバッチ（全く同一）のフィラーを用いた精密な評価
フィラー比率を増大（均一分散が難しくなる恐れ）
より熱膨張の小さなフィラーの活用

関連論文 [1] K. Nabetani et al., Appl. Phys. Lett. 106 (2015) 061912.
[2] V. Warne-Lang et al., Ceram. Int. 46 (2020) 27655–27659.

25

一般共同研究Ｂ（P114）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 64
一般研究B（2023年度）「チタン石型化合物における新規機能性誘電体材料の開発」
研究代表者 ： 谷口博基（名古屋大学大学院理学研究科）
共同研究対応教員 ： 安井伸太郎－ 研究目的 －結晶構造中に酸素四面体と酸素八面体の複合的ネットワークを有するチタン石型化合物に着目し、新たな反強誘電体の設計と探索に取り組む。それによって見出した物質系の物性を最適化することによって、優れた蓄エネ
ルギー特性や高電圧下における高誘電率を備えたセラミックス新材料の開発に取り組む。

－ 研究成果・ 効果 －チタン石型CaTiSiO5

CaTi(Si0.5Ge0.5)O5の誘電特性

CaTi(Si0.5Ge0.5)O5のナノ領域

CaTi(Si0.5Ge0.5)O5のSHG

反強誘電性短距離秩序に起因したユニークな
極性ナノ領域によって生じる特異的誘電率増強効果

一般共同研究Ｂ（P115）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 218.1
一般研究B（2023年度）「風荷重を受ける非線形性アクティブ免震の設計方法の開発」
研究代表者 ： 陳引力（東京理科大学）
共同研究対応教員 ： 佐藤大樹

－ 研究目的 －試行錯誤的な設計に起因するアクティブ免震の応用のボルトネックを取り除き、数値シミュレーションと試行錯誤を必要としない制御系の設計パラメータを決定するための簡易的な設計方法を提案する。今までは、免震層の変位のみを抑えるための重み行列を対象にして、風方向においての簡易設計方法を提案した。今年度は重み行列を制限しない場合の設計方法を提案する。

－ 研究成果・ 効果 －
ア
ク
テ
ィ
ブ
免
震
モ
デ
ル

最大制御力を予測するためのガストファクター
従来の予測式

修正後の予測式

Case 1Case 2

Case 3

Case 4

解析結果

従来の方法では、免震層の変位のみを抑えるための重み行列ケース（Case 1）において予測できるが、重み行列を変更する場合は適応対象外となる。
修正後の方法は重み行列の選択を制限せずに（Cases
1~4）、最大制御力を精度良く予測することができるようになった。

関連論文 ： Yinli Chen, Daiki Sato, Kou Miyamoto, Jinhua She, Osamu Takahashi: Gust Factor Approach for Estimating Maximum Response and Control Force in High-RiseBase-Isolated Buildings with Active Structural Control, Structural Control and Health Monitoring, Vol. 2024, 9995641, 2024.3, doi: 10.1155/2024/9995641

26一般共同研究Ｂ（P117）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 205.4
一般研究B（2023年度）「実構造部材を想定した2面
面 同 時 暴 露 に よ る 鉄 筋 コ ン ク リ ー ト 部 材 の 劣 化 挙 動 の 把 握」研究代表者 ： 塚越雅幸（福岡大学）
共同研究対応教員 ：吉敷祥一－ 研究目的 －コンクリート表層の空隙構造は，調合や施工，養生条件などの影響を受けて大きく異なることが報告されている。
そこで本研究では，コンクリート表層の空隙構造をW/Cと材齢の違いで調整した供試体を用い，表面含浸材の浸透性に与える影響を検討することを目的とする。

－ 研究成果・ 効果 －
材齢1週
吸水 吸水
養生
※

吸水

1-①

1-②

0
-2
-4

1-③

-6
-8

※:試験操作ミスにより2日間だけの吸水

0

4
2

養生

含浸材浸漬供試体
規定量塗布供試体

-2
1-①
1-②

-6
-8

0

2

吸水吸水

吸水

4-②

4-③

養生

0
-2
-4
-6

-8
14 28 42 56 70 84 98
0 14 28 42 56 70 84 98
試験期間(days)
試験期間(days)(a) 含浸材なし供試体
材齢1週
材齢4週
4
含浸 吸水
吸水
吸水
吸水
含浸 吸水

0
-4

材齢4週

4

吸水

供試体の質量変化量(g)

供試体の質量変化量(g)21-③

供試体の質量変化量(g)

水分移動シミュレーションにより含浸材浸漬後のモルタルの水分の拡散係数を推定した。高W/Cのほうが細孔構造が疎であるため含浸
材の浸透量が大きくなり，見掛けの拡散係数の低減率は小さくなった。また，モルタルの材齢が進行すると細孔構造が緻密になり含浸
材の浸透量が小さくなり，拡散係数の低減率は小さくなった。

4

供試体の質量変化量(g)試験期間中での供試体への含浸材の浸透や水分の吸水および乾燥による質量変化を，水分移動シミュレーション予測結果と併せて図1にまとめて示す。全体的に高W/Cの方が乾燥と吸水による質量の変化量は大きく，また材齢の進行により変化量は小さくなる傾向にあった。また，含浸材なし供試体に比べて含浸材浸漬供試体のほうが，よりマイナス側の値を推移している。これは，含浸材による水分浸透抑制効果により，吸水量が抑制され乾燥量が卓越したためであると考えられる。

2

養生

0
-2
-4

4-②
4-③

-6
-8

14 28 42 56 70 84 98
0 14 28 42 56 70 84 98
試験期間(days)
試験期間(days)(b) 含浸材浸漬・規定量塗布供試体
図1 曝露試験中の吸水・乾燥による試験体重量変化

関連論文 ： 1)浦川 奈実, 塚越 雅幸, 中山 一秀, 櫨原 弘貴 : ケイ酸塩系含浸材の浸透および吸水防止効果に及ぼす素地モルタルの性質の影響, 2023 年度（第63回）九州支部研究報告, pp. 129-132, 2024. 3

一般共同研究Ｂ（P119）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 63
一般研究B（2023年度）「界面制御による高性能酸化物系全固体電池の開発」
研究代表者 ： 寺西貴志（岡山大学）
共同研究対応教員 ： 安井伸太郎－ 研究目的 －R4まで：主として液系リチウムイ
オン電池(LIB)において，誘電体界面の出力改善効果を実証した．

誘電体界面技術を酸化物全固体電池に適用する．酸化物全固体
電池おける誘電体界面の効果確定と，誘電体を介した電荷移動メカニズムについて調査することを目的とした．

－ 研究成果・ 効果 －今回検討した系では液系LIBのような誘電体
界面による電荷移動の顕著な促進効果は確認されなかった．今後更なる条件検討が必要．
⇒全固体LIBのSE(固体電解質)内では，Li+は正電荷を帯びたシングルイオンとして存在す
る．よって，正電荷であるLi+は絶縁性のBTO
表面よりも負電荷を帯びたLCO表面に強く引き付けられる．すなわち，LCO表面で優先的に吸着が起こるため，LCO/LLZT界面の直接的なイオン拡散が支配的になると推察した．

発表論文・関連論文 ：* Y. Toyota, T. Teranishi et al., ACS Appl. Energy Mater. 7, [4], 1440-1447 (2024)., T. Teranishi et al., J. Power Sources, 494, 229710 (2021).,
T. Teranishi et al., J. Appl. Phys. 131, 124105-1-10 (2022).

27

一般共同研究Ｂ（P121）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 25
一般研究B（2023年度）「半導体ナノ粒子を用いた室温共鳴トンネルトランジスタの創製」
研究代表者 ：寺西利治（京都大学）
共同研究対応教員 ：真島豊

－ 研究目的 －本研究では、単電子トンネル素子の電圧印加による室温共鳴トンネルトランジスタ動作を目指し、寺西研究室において種々の粒径（バンドギャップ）の半導体ナノ粒子を合成する。次に、半導体ナノ粒子を真島研究室で作製したナノギャップ電極間に化学結合により配置することにより、トンネル遷移により少数のエネルギーレベルを通じて電子がソースからドレインへと共鳴輸送される室温共鳴トンネルトランジスタを創製する。

－ 研究成果・ 効果 －9.3±0.8 nm六方晶CdSナノ粒子の部分アニオン交換により、六方晶CdSと立方晶CdTeが異方的に相分離した13.9±1.2 nmのタイプII
型CdS/CdTe二量体ナノ粒子の合成に成功した。CdS/CdTe二量体ナノ粒子をナノギャップ
電極への選択集積し、電流−電圧特性を評価したところ、9 Kにおいて単電子トランジスタとして動作することが分かった。さらに、±1.5 V
程度で非対称なさらなる電流の立ち上がりが観察され、この整流性は、室温においても若干観察された。

一般共同研究Ｂ（P123）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 60
一般研究B（2023年度）「 擬 立 方 晶 構 造 を 用 い た高 効 率 熱 電 変 換 材 料 の 開 発 と スマー ト ビル デ ィ ング へ の 応 用 」
研 究 代 表 者 ： 永 岡 章 （ 宮 崎 大 学 工 学 部 環 境 ・ エ ネル ギ ー 工 学 研 究 セ ンタ ー ）共同研究対応教員 ：安井伸太郎－ 研究目的 －
Zero Energy Building (ZEB)を代表とするスマートビルディングにおける熱利用を目標として、100 ºC以下で高効率を示す熱電材料開発を開発する。本研究では、擬立方晶構造の対称性から価電子帯に縮退が生じ、高いゼーベック係数（＝高いパワーファクター）が期待出来るカルコパイライト化合物ZnSnAs2（ZTA）に注目し、Zn/Sn比が異なるサンプルの熱電特性の評価を行った。

－ 研究成果・ 効果 －・全てのZTAサンプルで、ゼーベック係数が正の値を示したためp型半導体であることを確認した。
・Zn/Sn比が0.81において、
パワーファクターが375
KでBi2Te3と同等の最大
2890 μW/mK2示した。

Zn/Sn比の異なるZTAの(a) ゼーベック係数、(b) 電気伝導率、(c) パワーファクターの温度変化
発表論文・関連論文 ： A. Nagaoka et al. Mater. Trans., 64 2535 (2023)

28

100 ºC以以下の熱利用において高いポテン
シ ャル を 示 す 。

一般共同研究Ｂ（P126）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 205.1
一般研究B（2023年度）「コーン状破壊により損傷した露出柱脚の被災後補修」
研究代表者 ： 仲田章太郎（豊橋技術科学大学）
共同研究対応教員 ： 吉敷祥一

－ 研究目的 －本研究課題は、 近年の地震被害において被害が散見されている露出柱脚の被災後補修法を構築することが目的である。 2023年度は、増打ちコンクリート部（以下、補修部）を対象とした要素実験を行い、補修部のあと施工
アンカーおよび柱主筋が被災後補修の力学性能に与える影響について検討した。

－ 研究成果・ 効果 －試験体ごとに露出柱脚の耐力を左図に示す。図中、●印は最大耐力、 ●印は残存耐力の実験値であり、破線は本研究が提案した両者の計算値である。
定着部破壊の最大耐力は指針式とダボ効果の和，界面部破壊の最大耐力は既往研究の界面のせん断応力度と界面部の総面積の積として評価する。
一方、残存耐力は、破壊後に作用するあと施工アン
カーと柱主筋が全て降伏すると仮定して、それらの和として評価する。
最大耐力と残存耐力の計算値は、両者の実験値と概ね対応している。したがって、本
本研究課題が提案した評価式を用いて、最大耐力と残存耐力を評価できる。

500 P [kN]
400
300
200
100
計算値
0

最大耐力
残存耐力

定着部破壊

界面部破壊

1) 仲田章太郎, 齊藤大樹：露出柱脚のアンカーボルトを対象とした締め直しによる被災後補修に関する解析的検討 その1 不完全な締め直しが行われた露出柱脚の余震に対する安全検証, 日本建築学会大会大会学術講演, 日本建築学会大会学術講演梗概集, 日本建築学会, 構造Ⅲ, pp. 869-870, 2023.9
2) S. Nakada, W. Ramos, T. Saito：NUMERICAL STUDY ON SEISMIC REPAIR BY RETIGHTENING ANCHOR BOLTS FOCUSING ON SAFETY VERIFICATION AGAINSTAFTERSHOCKS, 18th World Conference on Earthquake Engineering, Proceedings of 18th World Conference on Earthquake Engineering,

一般共同研究Ｂ（P127）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 26
一般研究B（2023年度）「強固な相互作用を有する表面修飾剤を用いた単電子トランジスタの室温安定動作」
研究代表者 ：中村 貴宏 (株株式会社illuminus)
共同研究対応教員 ： 真島 豊

－ 研究目的 －本共同研究では，単電子トランジスタの室温領域における構造安定化を目的として研究を行った．レーザー還元法により構造安定化が確認されている金－白金合金ナノ粒子を対象とし，異なる分子構造を有する表面修飾剤を用いた修飾を検討した．作製された表面修飾ナノ粒子の電子顕微鏡観察と熱物性測定により，ナノ粒子の構造と熱安定性を評価した．

－ 研究成果・ 効果 －レーザー誘起還元法により作製した熱安定に優れる金－白金
合金ナノ粒子に対して，ドデカンチオール修飾後に二価のチオールを持つトルエンー3，4—ジチオールを用いた分子置換により修飾した場合，ならびにアルキル架橋効果が期待される
3－メルカプトプロピル(ジメトキシ)メチルシランの添加により修飾した場合において，従来のドデカンチオール修飾した金－白金合金ナノ粒子に比べて，熱安定が向上していることが確認された．今後は，同ナノ粒子を単電子島とし，熱安定に効果が見られた表面修飾剤により安定化したナノギャップ電極より構成されるSETを形成し高温領域における動作安定性について検討を行う．
TEM image of surface modified Au－Pt nanoparticles
with dodecanthiol (C12S) → toluene-3,4-dithiol.

29

一般共同研究Ｂ（P130）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 220
一般研究B（2023年度）「実験データベースを用いた鉄筋コンクリート部材の構造性能評価」
研究代表者 ： 中村孝也（新潟大学）
共同研究対応教員 ： 西村康志郎－ 研究目的 －せん断破壊型鉄筋コンクリート(RC)柱を対象として，実験データベース1)における過去に実施された多数の実験結果を用いて変形性能を調べる。崩壊変形（軸力保持能力喪失時水平変形）および限界変形（水平力が最大耐力の80％まで低下したときの水平変形）を対象として，主筋量や軸力比およびせん断補強指標2)に着目して変形性能に関わる条件を検討する。

－ 研究成果・ 効果 －崩壊変形とせん断補強指標2)の関係を図1に示す。崩壊変形は1.28％～20.6％であった（検証に用いた試験体は44体）。
相関係数は0.18であり，あまり相関は見られない。
崩壊変形においては主筋比の影響が大きい可能性が考えられるため，崩壊変形とせん断補強指標の分母を主筋軸力比ηSに変更したもの（主筋軸力比指標）の関係を図2に示す。横軸をせん断補強指標から主筋軸力比指標に変更した図3では，相関係数が0.34と対応が良くなった。
図2より主筋軸力比指標が小さいと崩壊
変形は小さいものが多いことがわかる。
ηs=N/(Ag・σy)

図1

崩壊変形とせん断補強指標の関係

図2

崩壊変形と主筋軸力比指標の関係

ここで，N：軸力，Ag:主筋総断面積，σy:主筋降伏強度

参考文献 1)向井智久，渡邊秀和，坂下雅信，田才晃，楠浩一，磯雅人，楠原文雄，西村康志郎，中村孝也，田尻清太郎，谷昌典：実験データベースを用いた鉄筋
コンクリート造部材の構造特性評価式の検証（2020年版），国立研究開発法人建築研究所建築研究資料，2020 2)日本建築学会：鉄筋コンクリート構造保有水平耐力計算規準・同解説，2021.2

一般共同研究Ｂ（P133）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. ７
一般研究B（2023年度）「実験と理論計算との融合によるリン化物半導体太陽電池の高効率化に関する研究」
研究代表者 ： 野瀬嘉太郎（京都大学大学院工学研究科）
共同研究対応教員 ： 大場史康

－ 研究目的 －当研究グループでは，これまでにユビキタス元素から構成されるリン化物半導体を用いた太陽電池に関する研究を遂行し，世界で初めて発電に成功した。一方で，実用化にはさらなるエネルギー変換効率の向上が求められる。そこで本研究では，二元系，三元系のリン化物半導体を用いた太陽電池に関してデバイスにおける各種ヘテロ接合界面に関する研究を遂行し，得られた界面構造
および物性と理論計算の結果とをつき合わせて高効率化への指針を得ることを目的とする。

－ 研究成果・ 効果 －MBE
129 kV/cm

300 nmリン化法

130 kV/cm

300 nm

MBEによるCdSnP2 (CTP)製膜
におけるプロセス相図（基板温度とCd分圧）

従来のリン化法よりも表面
形態，電気的特性ともに良好

n-CTP/p-ZTP 接 合 を 用 い た
太陽電池特性．変換効率は低いものの，光起電力を確認．

フォトリフレクタンスによる界面
電 場 評 価 ． CTP/ZTP 界 面 は
透明導電膜が無くても十分に大きな電場を有している

発表論文・関連論文 ： 1) I. Sumiyoshi et al., J. Appl. Phys., 133 (2023), 235702. 2) S. Nakatsuka et al., ACS Appl. Energy Mater., 1 (2018), 1635.
3) Y. Hinuma et al., J. Appl. Phys., 114 (2013), 043718. 4) S. Nakatsuka et al., Jpn. J. Appl. Phys., 58 (2019), 075508. 5) D. E. Aspnes et al.,Phys. Rev. B, 7 (1973), 4605.

30一般共同研究Ｂ（P136）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No.59
一般研究B（2023年度）「反応焼結法により作製した誘電体セラミックスに関する研究」
研究代表者 ：符徳勝（静岡大学）
共同研究対応教員 ：安井伸太郎－ 研究目的 －セラミックスの緻密化や物性は作製プロセスに大きく影響を受ける。本研究では、 BaTiO3-SrTiO3固溶体を対象とし、新しい焼結手法であるSPSを用いた反応焼結法によってセラミックスを作製し、結晶相の形成や緻密化の可能性を明らかにした。

－ 研究成果・ 効果 －

20

40

2θ
θ (Deg) 60

100.0

Relative Density (%)

15min
10min
5min
0min

Density (g/cm3)

30min

220
300,221
310
311

211
210

200

111

100

Intensity

110

5.96

99.5

5.92

99.0
5.88

98.5
5.84

5.80

80

98.0

0

5

10

15

20

25

Time (min)

30

97.5

SPSを用いた反応焼結法による(Ba,Sr)TiO3セラミックスの作製では、N2雰囲気、印加圧力50 MPa、温速度
100℃/分、焼結温度1200℃の条件下で焼結温度に達する段階でBaTiO3とSrTiO3間の固相反応は完了し、単相のBSTOセラミックスが形成された。得られたセラミックスの相対密度が９９をも超えた。

一般共同研究Ｂ（P138）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No.56
一般研究B（2023年度）「 希 土 類 酸 水 素 化 物 の 半 導 体 物 性 に 対 す る ヒ ド リ ドイ オ ン 伝 導 性 の 影 響 」
研究代表者 ： 福井 慧賀 （山梨大学 大学院総合研究部）
共同研究対応教員 ： 半沢 幸太－ 研究目的 －水素の陰イオンであるヒドリドイオン（H−）を含む希土類酸水素化物は，水素欠陥の生成に由来する抵抗変化やフォトクロミズムなど半導体的な性質を有するだけでなく，H−についてイオン伝導性を示すことが明らかとなっている．本研究は希土類酸水素化物のH−伝導性が半導体物性に与える影響を調査することで，イオン伝導性を有する半導体材料についての知見を深めるとともに，新たな活用法を検討することを目的とする．
－ 研究成果・ 効果 －

雰囲気制御可能なゼーベック測定装置を構築
酸水素化ランタン（LaH2.6O0.2）に対するアルゴン／水素雰囲気下での熱起電力測定
 加熱方向・電圧の極性→いずれの雰囲気でもキャリアタイプはn型
 水素中で傾き増加： 水素欠陥減少に伴うキャリア密度の減少を示唆
測定方法の都合で正確な温度測定が困難→装置を改良予定
Ar/H2

熱電対

VTC

VEMF

LaH2.6O0.2

電極（パラジウム）ペルチェ素子3
2

VEMF (mV)




1

Ar

0
-1

H2

-2
-3

-3

-2

-1

0

1

2

3

VTC (mV)

図1 雰囲気制御ゼーベック測定装置の構成．

図2 熱起電力測定結果．

31

一般共同研究Ｂ（P140）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 33
一般研究B（2023年度）「2元
元系アモルファス酸化物における非線形伝導現象発生時のイオン移動解析」
研究代表者 ： 福地 厚 （北海道大学 情報科学研究院）
共同研究対応教員 ： 片瀬 貴義－ 研究目的 －アモルファス酸化物半導体においては近年、材料に対し外部電場を印加することでメモリスタ型動作などの様々な非線形伝導現象が発現し得る事が報告されており、その非線形を活かした新たなデバイス応用が現在開拓されつつある。本研究ではこれらの非線形伝導現象の起源となる材料内のイオン移動の詳細な機構解明を目指して、アモルファス酸化物による超平坦薄膜の作製と、プローブ顕微鏡法によるイオン移動の直接観察を実施する。

－ 研究成果・ 効果 －アモルファス状態でありながらその表面に原子平坦面を形成した超平坦a-TaOx薄膜とa-NbOx薄膜を新たに作製し、探針/試料界面に理想的に均一な電気的・構造的接触を形成した条件下において導電性原子間力顕微鏡(C-AFM)法による電気計測を行ったことで、応用デバイスと同様の特性を持
つメモリスタ型の抵抗変化現象をプローブ顕微鏡を用いて直接的に電気計測することが可能となった(右図)。
C-AFMによる構造・伝導度分布の観察結果からは、aTaOxが示す抵抗変化現象の連続性には、準安定a-TaO2相との間でのアモルファス相転移が重要な役割を果たす事が示唆されており、アモルファス酸化物の非線形伝導現象のデバイス応用に向けた重要な知見を得ることができた。

一般共同研究Ｂ（P143）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No.28
一般研究B（2023年度）「合金触媒の活性－電子状態相関に関する研究：PdAu合合金による酢酸ビニルモノマー合成の例」
研究代表 者 ： 古川 森也（大 阪 大 学 大学院工学 研 究 科 ）共同研究対応教員 ：鎌田 慶吾－ 研究目的 －酢酸ビニルモノマー(VAM)は石油化学工業における重要な化学中間体であり，KOAc/Pd–Au/SiO2(Pd/Au = 4)を用いたエチ
レンのアセトキシル化(HOAc +C2H4 +1/2O2 → VAM + H2O)により主に製造されている．PdにAuおよびKOAcを添加することで活性・選択性が飛躍的に向上することが知られており，AuおよびKOAcの機能についてこれまで様々な議論がなされてきたが，これらを詳細に解明した報告は未だない．本研究では，様々な組成のPd–Au/SiO2を精密に合成し，反応前後における構造解析，速度論的検討，DFT計算を詳細に行うことでAuとKOAcの役割を解明することに成功した．

－ 研究成果・ 効果 －
本研究では，精密に合成したPd–Au合金を活用することでエチレンのアセトキシル化に有効なKOAc/Pd–Au/SiO2触媒が持つAuとKOAcの役割を解明することに成功した．
(1) エチレンのアセトキシル化の反応中においてPd–Au合金の粒子径や組成は変化せず，一方でC2H4 由来の炭素原子が合金の格子間隙に取り込まれカーバイドが形成される．
(2) KOAcはPd–Au合金への炭素ドープを促進するとともに，ドープされた格子間炭素を保持する役割も果たす．
(3) Auの効果（電子的効果＋幾何学効果）と 格子間炭素の効
果（電子的効果）の相乗により律速段階であるOAcとC2H4のカップリングの障壁が低下し活性が向上する．
(4) Auと格子間炭素の効果によりC2H4の分解が抑制され，選択性も向上する．
論文： Y. Nakaya, E. Hayashida, R. Shi, K. Shimizu, S. Furukawa*, J. Am. Chem. Soc., 2023, 145, 2985-2998.
"Interstitial Carbon Dopant in Palladium–Gold Alloy Boosting the Catalytic Performance in Vinyl Acetate Monomer Synthesis"32一般共同研究Ｂ（P145）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 3.1
一般研究B（2023年度）「室温マルチフェロイック薄膜における電場印可磁化反転機構の解明に関する研究」
研究代表者 ： 北條 元（九州大学大学院総合理工学研究院）
共同研究対応教員 ： 東 正樹

－ 研究目的 －
室温で強誘電性と反強磁性が共存したBiFeO3は、電場による磁化制御が可能な物質として注目を集めている。
SrTiO3(111)基板上のBiFeO3薄膜は、バルクと同じ菱面体晶構造を持つにも関わらず、室温で0.01 μB/Fe程度の飽和磁化をもった超常磁性的な挙動を示す。本研究ではBiFeO3薄膜中の転位構造解析と転位周りの歪み場の解析を行い、超常磁性状態が安定化される機構を解明することを目的とした。

－ 研究成果・ 効果 －(a)

本研究ではSrTiO3(111)基板上のBiFeO3薄膜中の貫通転位の構造と転位周りの歪み場を調べ、同薄膜における超常磁性的な磁気特性の起源について検討した。直交する面内2方向からのコントスト実験により、薄膜内の貫通転位は刃状成分<11-2>pcとらせん成分<111>pcをもった混合転位であることがわかった。ピー
ク対解析法を用いて転位周りの歪み場の解析を行った。その結果、磁気構造が変化するために必要な±2%程度の格子歪みが転位周り10 nm2程度に存在することが確認できた。転位コアとその周辺領域が磁化に寄与すると仮定すると、それらの領域に通常の傾角コリニア構造では説明できない大きな磁化が発現している可能性が示唆された。

(b)<111>方向からの(a)ADF像と(b)をバーガーズベクトルを表す模式図

一般共同研究Ｂ（P147）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 72
一般研究B（2023年度）「熱放出型ドラッグデリバリーシステム用フェライト粒子の合成と評価」
研 究 代 表 者 ： 牧 之 瀬 佑 旗 （ 島 根 大 学 学 術 研 究 院 環 境 シス テ ム 科 学 系 物 質 化 学 コ ー ス ）共同研究対応教員 ：松下 伸広
協力者 :佐佐野 藍子, 久保田 雄太, 中川 泰宏, 生駒 俊之－ 研究目的 －
がん治療の分野で研究されているドラッグデリバリーシステム(DDS)は、通常の服薬に比べて少量で作用し、副作用を抑えることが可能となる
重要な治療法である。誘導の一つに磁力による方法が研究されており、磁性ナノ粒子が用いられる。この粒子には、薬剤を誘導するだけでなく、
交流磁場において発熱するという特性がある。これを利用して粒子を発熱させ薬剤を放出させること(熱放出)が可能ならば、より効果的に薬剤を運ぶことができる。しかしながら、DDS応用の磁性粒子の発熱特性については未知の部分が多い。そこで本研究では、水熱合成したフェライト
ナノ粒子をシリカでコートした複合体を作製し、その発熱特性や水分散媒中での分散の様子、磁気特性を評価した。

－ 研究成果・ 効果 －フェライト(Fe3O4)ナノ粒子＊オレイン酸修飾水熱合成
oleic acid

量論比のFeCl2, FeCl3、オレイン酸塩、アンモニア
水を原料として水熱合成

複合化

シリカ

フェライト
ナノ粒子

複合体

→

磁気特性
飽和磁化
(emu/g):60→22
保磁力(Oe):118→87

水分散状態における発熱特性

10 mg/mL

Fe3O4ナノ粒子
複合化後

Fe3O4

TEM

複合化後
点線は寒天固定における測定結果

(分散剤)

CTAB

(シリカ原料)

TEOS

焼成

→

TEM

13nm程度のナノ粒子が得られた

Fe3O4ナノ粒子

ナノ粒子を中心に均一に被覆層を形成✓飽和磁化及び保磁力の低下→軟磁性体
水分散状態の写真✓水に分散性あり ✓磁石に追従✓発熱温度が低下✓複合化後も水分散で50℃℃達成→中心部では50 ℃より高温の可能性✓複合化後も軟磁性体✓磁石での輸送可能✓水分散では目標温度50℃を達成→ 薬物送達・放出の可能性

33

一般共同研究Ｂ（P148）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. ２１９
一般研究B（2023年度）「RC造
造袖壁付き柱の降伏時変形に影響を及ぼす構造因子に関する研究」
研究代表者 ： 松井 智哉（豊橋技術科学大学）
共同研究対応教員 ：西村 康志郎－ 研究目的 －建物に対して弾塑性フレーム解析によって耐震性能の評価をする際には、2次壁付き部材の断面形状が多様であることから、モデル化において多くの工学的な判断が必要となる。本研究では，壁筋比が異なる袖壁付き柱を対象に静的加力実験を実施し，耐力および変形挙動を把握するとともに，復元力特性モデルにおける降伏時変形の評価とその適用性について検討を行う。

－ 研究成果・ 効果 －RC造袖壁付き柱の復元力特性；降伏時の変形の評価法●評価法１
菅野式を準用した手法
𝛼𝛼𝛼𝛼𝑦𝑦𝑦𝑦 = 0.043 + 1.64 𝑛𝑛𝑛𝑛 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑡𝑡𝑡𝑡 + 0.043

●評価法２

𝑎𝑎𝑎𝑎
+ 0.33𝜂𝜂𝜂𝜂0
𝐷𝐷𝐷𝐷

𝑑𝑑𝑑𝑑
𝐷𝐷𝐷𝐷

耐力壁のモデル化手法に準じて曲げ変形とせん断変形をそれぞれモデル化
曲げ
せん断
𝑀𝑀𝑀𝑀𝑢𝑢𝑢𝑢 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑛𝑛𝑛𝑛
𝑝𝑝𝑝𝑝𝑤𝑤𝑤𝑤 𝜎𝜎𝜎𝜎𝑦𝑦𝑦𝑦
𝛼𝛼𝛼𝛼𝑦𝑦𝑦𝑦 =+ 0.14𝛽𝛽𝛽𝛽𝑢𝑢𝑢𝑢 =𝐸𝐸𝐸𝐸𝑐𝑐𝑐𝑐 𝐼𝐼𝐼𝐼𝑒𝑒𝑒𝑒 𝜀𝜀𝜀𝜀𝑦𝑦𝑦𝑦
𝐹𝐹𝐹𝐹𝑐𝑐𝑐𝑐

実験結果との比較

壁筋が及ぼす影響評価法１：実験結果を過大評価
評価法２：実験結果と対応

今回の実験では，壁筋比が大きくなるほど，降伏時剛性低下率は小さく，降伏時変形は大きくなる傾向を示すことが確認された

2

発表論文・関連論文
松井智哉，佐々木菜月，Chadraabal Enkh-od：RC造袖壁付き柱の構造実験と降伏時変形の評価に関する考察，コンクリート工学年次論文集，Vol.44，No.2，pp.337-342，
2022.7

一般共同研究Ｂ（P151）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 218
一般研究B（2023年度）「耐震性・施工性・断熱性に優れた木質制振壁の開発」
研究代表者 ： 松田和浩（名城大学理工学部建築学科）
共同研究対応教員 ： 佐藤大樹

－ 研究目的 －真壁形式のパネル内に予め断熱材や制振材（ダンパー）を組み込んでおけば、現場での施工性は非常に高く、かつ、パネル内で断熱材の屋内側に制振材を組み込めば、温度依存性の影響を抑制し、ダンパー性能の安定性を高めることも可能と思われる。本研究では、釘配列の影響を上下左右の4点に縮約する手法を応用することで、提案する壁の特性を評価する手法を提案するとともに、評価結果と実験の比較を行う。

－ 研究成果・ 効果 －試験体
ｱﾝｶｰﾎﾞﾙﾄ
ｽﾄｯﾊﾟｰＬ柱

壁実験セットアップ

20

土台

試験体詳細

提案する制振壁について、動的な強制変形実験を実施

34

0

100
変形 (mm)

荷重－層間変形関係

柱 Ｒ
拘束
制振材

Ｄ

0

制振材 -20
が剥離

面材

枠材

25.2%

-100

荷重 (kN)

剥離前までの実験結果を解析で概ね再現できた。
今後は剥離を起こさない
よう接着方法を改善する 0

変形 [㎜]

27mm

引き寄せ金物

29.3%

1/50

18mm

ﾊﾟﾝﾀｸﾞﾗﾌ
2,730

ｱｸﾁｭｴｰﾀ
100kN
ﾛｰﾄﾞｾﾙ

拘束材
枠材釘
間柱
間柱釘

層間変形1/75載荷で、制振材が剥離した1/75

20

荷重 (kN).
θ=1/75rad.

梁
Ｕ

32.3%

4.55mm

柱脚固定式

1/100

θ=1/100rad

変形角 減衰定数910

実験値 [kN/㎜] 解析値 [kN/㎜]

4.55

0.59

0.55

18

0.41

0.45

27

0.25

0.40

試験体N
解析値
変形 (mm)実験値
0100

実験と解析の比較

一般共同研究Ｂ（P154）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 22
一般研究B（2023年度）「 ジ ラ ジ カ ル の スピ ン 挙 動 に 着 目 し た開 殻 分 子 エ レク ト ロ ニ ク ス」
研究代表者 ： 松田建児（京都大学 大学院工学研究科）
共同研究対応教員 ： 真島豊－ 研究目的 －２つのスピンの三重項状態と一重項状態がエネルギー的に近く、温度変化により占有数が変化するジラジカル
分子を合成し、分子コンダクタンスを個別に観測することを目的とする。三重項状態と一重項状態の分子物性を、
時間によってデジタルに変化する物性として計測することができると考えられる。開殻系分子が関与するユニー
クな電子物性を見出し、新たな分子エレクトロニクス機能を実現することを目的とする。

－ 研究成果・ 効果 －三重項状態と一重項状態のエネルギーが室温で共存可能なほど近く、紫外可視域の光吸収挙動
が三重項状態と一重項状態で大きく異なるジラジ
カル分子の合成に成功した。トリプチセン骨格をもつこの分子は室温で650 nmの近赤外領域に吸収帯を持つが、温度を下げるとこの吸収帯の強度が増加し、強度変化は磁化率測定によって求められた一重項状態の占有率で説明できたことから一重項状態に特有の吸収であることが示唆された。

発表論文 D. Shimizu, H. Sotome, H. Miyasaka, K. Matsuda, ACS Cent. Sci. 2024, on the web. Doi: 10.1021/acscentsci.4c00284.

一般共同研究Ｂ（P155）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 4
一般研究B（2023年度）「ペロブスカイト型酸化物の合成反応メカニズムと特性調査」
研究代表者 ： 三浦 章（北海道大学）
共同研究対応教員 ： 東 正樹

－ 研究目的 －複雑な相の形成において、近年中間相や液相の形成が調査されている。たとえば、YBa2Cu3O7-xの合成では、
熱力学的に駆動されるBaO2とCuOとの間の熱力学的反応と、それに続くY2O3とBa-Cu-O液体との高速反応によることが、その場XRD-TEM解析によって明らかになった。本研究では、そこで、CaO、CuO、TiO2からのダブル
ペロブスカイトCaCu3Ti4O12の生成をモデルとして、合成反応をXRDとSEMで調査した。

－ 研究成果・ 効果 －CaTiO3、CuOおよびTiO2からの反応を、空気
および真空下でその場XRDによって測定しました。 温度が上昇すると、TiO2 と CuO の相
分率はおよそ減少し始めます。 700℃で。
CaCu3Ti4O12は750℃以上で出現し、その相比は増加とともに増加した 温度。 800℃以上では、CuOの還元により少量のCu2Oが現れました。その場SEM解析の結果、750℃以上で急激な形態変化が観察された。液相生成の可能性も含めて、現在調査中である。

CaTiO3、CuOおよびTiO2からの反応のin-situ XRD

35

一般共同研究Ｂ（P156）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 50
一般研究B（2023年度）「有機-無機ハイブリッドペロブスカイト薄膜の微視的構造と光電子物性」
研究代表者 ： 三浦智明（新潟大学）
共同研究対応教員 ： 山本隆文

－ 研究目的 －次世代のペロブスカイト太陽電池材料として注目を集めているFAPbI3(FA+ : CH(NH2)2+)のSCN−アニオン置換による安定性・光電変換機能向上の機構を解明することにより、より優れた材料開発への指針が得られる。本研究では、 新規SCN−アニオン置換ペロブスカイトの合成と構造解析を行うことにより、安定性向上に寄与する微視的構
造を明らかにする。さらに、時間分解光電流、分光測定に向けた薄膜作成を行う。

－ 研究成果・ 効果 －I−のSCN −による置換
a)

b)

欠陥なし

一次元配列した格子欠陥
1/5 欠陥c)

1/3 欠陥構造を持つ薄膜

1/3 欠陥薄膜の外観

紫外光照射による発光

一次元配列した格子欠陥構造が明らかになった。今後は薄膜状態での分光・光電流測定を行う
予定である。
関連論文 ： T. Ohmi, I. W. H. Oswald, J. R. Neilson, N. Roth, S. Nishioka, K. Maeda, K. Fujii, M. Yashima, M. Azuma, T. Yamamoto, J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 19759.

一般共同研究Ｂ（P158）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 29
一般研究B（2023年度）「高効率有機分子変換に有効な両性金属酸化物担持金触媒の開発」
研究代表者 ：三浦大樹（東京都立大学都市環境科学研究科）
共同研究対応教員 ： 鎌田慶吾

－ 研究目的 －金ナノ粒子と担体である金属酸化物の双方の触媒特性を協働させることで、効率的な有機分子変換の実現が期待できる。本研究では、ルイス酸性と塩基性の双方を有する両性金属酸化物を担体とする金ナノ粒子触媒を活用することにより、高効率な有機分子変換を実現することを目的として検討を行った。

－ 研究成果・ 効果 －Me3Si-SiMe3
Au/ZrO2R

O
O

アルキルエステル

B2pin2
Me3Si-SiMe3
Au/ZrO2RR SiMe3

アルキルラジカル[Si] [Si][B] [B]

塩基点

R Bpin酸点
両性 酸化物担持Au 触媒

R[Si] R[B]

両性酸化物であるZrO2にAuナノ粒子を担持した触媒を用いることで、エステルに含まれる安定なC–O結合がC–Si結合1)やC–B結合2)へと効率的に変換できることを明らかにした。Auナノ粒子の近傍にある塩基点がジシランを活性化することで、ジシランからAu
ナノ粒子への１電子移動が促進されること、酸点がエステルを活性化することでシリルラジカルの求核付加が進行しアルキルラジカ
ル中間体が効率的に発生することが分かった。本反応を用いることで多様な有機ケイ素化合物や有機ホウ素化合物が効率的に合成できる。
関連論文 ：
1) Miura, H.; Doi, M.; Yasui, Y.; Masaki, Y.; Nishio, H.; Shishido, T. J. Am. Chem. Soc. 2023, 145. 4613–4625.
2) Doi, M.; Miura, H.; Shishido, T. Org. Lett. 2024, DOI:10.1021/acs.orglett.4c00225.

36一般共同研究Ｂ（P159）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 40
一般研究B（2023年度）「トポロジカル量子デバイスの作製と評価」」
研究代表者 ： 三澤哲郎（産業技術総合研究所）
共同研究対応教員 ： 笹川崇男

－ 研究目的 －ヘリウムイオン顕微鏡技術を用いて集束ヘリウムイオンビームを試料に照射することで、ナノメートルレベルの局
所物性制御が可能である。この技術を用いて様々なトポロジカル物質にトンネル障壁層を形成することにより、ジョセフソン接合を作製しトポロジカル量子デバイスの作製および評価を行う。

－ 研究成果・ 効果 －高温超伝導体YBCOにおける実証
照射量に応じた系統的な物性変化の制御を観測• 超伝導臨界温度の制御• ジョセフソン臨界電流の制御• ノーマル抵抗の制御• シャピロステップの観測

YBCOの酸素秩序状態を、集束ヘリウムイ
オンビームにより局所的に乱すことにより超伝導を局所的に抑制することができた。これによりトンネル障壁層を形成し、ジョセフソン
接合とする技術が確立された。
今後ヘリウムいうオン照射の現象理解を目指すとともに、トポロジカル物質、特に剥離したファンデルワールス層状物質に対し本技術を適用し、ジョセフソン接合の作製および新奇準粒子状態の検出、制御へ向け研究を進めていく。

実験に使用したYBCO薄膜の断面模式図（左）と作製した
四端子測定バー型素子の模式図（右）一般共同研究Ｂ（P161）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 30
一般研究B（2023年度）「触媒性能の向上に資する表面金属粒子と固定化有機分子との相互作用解析」
研究代表者 ： 本倉 健（横浜国立大学）
共同研究対応教員 ： 鎌田 慶吾－ 研究目的 －
活性なPd種とアルキル鎖をもつ有機塩基を固体表面に共存させて、鈴木-宮浦カップリング反応において触媒的に固定化塩基を機能させる。さらに、Pd種と有機塩基の構造と相互作用に関して調査する。

－ 研究成果・ 効果 －R1 X +

R2 B(OH)2

Ph
HO
HO B
NH

Si
OO O

Ar
HN

Pd-organic baseco-immoblized catalyst
H 2O
X
Pd

Si
OO O

+

H X

Pd K-edge FT-EXAFS

B(OH)3

Pd-Pd
Pd foilwith amine: 66%
without amine: 25%

NH

Pd(OAc)2

Si
OO O

SiO2/NHnBu/Pd

R1 R2

SiO2

① 近傍に固定した有機塩基によってアリールホウ酸を活性化② 副生成物をア
ミノ基の疎水性効
果で触媒活性点
近傍から排除SiO2/NHnBu/Pd
Pd-N/O回目反応後
1回

Pd(0)粒子とアミノ基の相互作用によって固定
37

一般共同研究Ｂ（P162）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 3
一般研究B（2023年度）「透過型電子顕微鏡を用いた蓄電固体材料の微細構造解析」
研究代表者 ： 森 茂生（大阪公立大学）
共同研究対応教員 ： 東 正樹

－ 研究目的 －本研究では、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いてホロコーン照射による暗視野法（ホロコーン暗視野法）と電子回折を用いたPDF法を用いて、ガラスセラミックス系蓄電固体材料で構成される全固体電池のヘテロ/ホモ界面近傍でのナノスケールで生じる結晶/非晶質状態（結晶構造、結晶対称性、サイズ、形状や密度(結晶化度)）および局所歪を定量的に評価・解析し、充放電サイクル特性等の電池特性を支配する物理化学因子（特に構造的因子）を明らかにすることを目的とする。

－ 研究成果・ 効果 －研究対象試料：60LiNiO2-20Li2MnO3-20Li2SO4(LNMSO622)
熱処理温度：LNMSO622-milled，LNMSO622-300 (300℃熱処理），LNMSO622-600 （600℃熱処理）

電子回折パターン(a) LNMSO622-milled，(b) LNMSO622-300(c) LNMSO622-60

LNMSO622-milled試料の高分解能TEM像

試料の熱処理温度が上昇するとともにナノ結晶が粗大化し、有する結晶相が立方晶岩塩型構造が優勢な状態から六方晶構造が優勢な状態へ遷移していることが分かった．粗大化した六方晶構造のナノ結晶が増加がLiイオンの拡散を困難にすることで電池性能が劣化していることが考えられる．

一般共同研究Ｂ（P165）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 23
一般研究B（2023年度）「ペロブスカイト結晶成長制御を目指した自己成長技術のための基礎研究 」
研究代表者 ： 森 竜雄（愛知工業大学）
共同研究対応教員 ： 真島 豊

－ 研究目的 －ペロブスカイト太陽電池はシリコン並みの変換効率とその作製の容易さからシリコンを補完する太陽電池と期待されている。この太陽電池は多結晶構造であり、その結晶性を膜厚方向に成長させることが重要である。この結晶構造をポリマーを利用することで自発的に実現したい。
－ 研究成果・ 効果 －
期待したイメージPS

Pero

実際のイメージ
図1 XRD特性へのポリスチレン添加の影
響
ポリスチレン添加により結晶が減少し、微細化

図2 ペロブスカイト膜のSEM像の比較
ポリスチレン(PS)領域がキャリア電導を阻害=> 界面の改善とPSの添加方法を検討

発表論文・関連論文 ： 11th Int’l Conf. Molecular Electronics & Bioelectronics, Matsue, 19-21 June (2024) 発表予定

38

一般共同研究Ｂ（P167）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 39
一般研究B（2023年度）「磁性層状化合物における新奇電子物性の開拓と超伝導近接効果」
研究代表者 ：矢野力三（名古屋大学 工学研究科）
共同研究対応教員 ：笹川崇男－ 研究目的 －正味の磁化が小さいながらも強磁性体と同等な現象を発現する物質に注目が集まっている。そのような物質ではより高感度の磁気センサや高集積化した磁気メモリの実現が期待されている。さらに超伝導体との組み合わせ(接合)によって、通常では発現しない超伝導状態が実現できる可能性がある。本年度ではその新たな磁性化合物候補の探索を行い、候補物質の単結晶育成法の確立および物性評価を行った。

－ 研究成果・ 効果 －将来的な応用も考慮して大気中で安定なカルコゲン化合物に着目した。候補物質としてAB2X4 (A,B = 3d 元素)に着目し、気相輸送法によって図1左中写真のような単結晶の育成に成功した。この物質の磁化測定から、フェリ磁性的磁気曲線であり、比較的正味の磁化が小さいことを確認した(図1左)。ホール抵抗率の測定により、温度域によって振る舞いが大きく変わるような異常ホール効果を観測した(図1右)。通常の磁場に対して線形ホール効果に加えて磁化に依存するものを異常ホール効果という。反強磁性体にもかかわらず大きな異常ホール効果を示す典型的な物質のMn3Snと比べても、ホール効果の絶対値はMn3Snに匹敵するが磁化の大きさは1桁大きかった。Mn3Snと同様の異常ホール効果の起源 図1(左)初めて育成に成功した単結晶の磁化曲をもつ可能性がある新たな候補物質といえ、正味の磁化も組成制 線と結晶が外景． (右)同単結晶の各温度におけるホール抵抗率の磁場依存性。
御によって今後さらに小さくできる可能性がある。
関連論文： R. Yano et al., Nature Communications, 14, 6817 (2023). 関連発表： 矢野力三ら， 日本物理学会 第78回2023年次大会， 19aA404-10

一般共同研究Ｂ（P170）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 47
一般研究B（2023年度）「イオンビーム誘起欠陥を有する物質表面のレーザー分光計測」
研究代表者 ：八巻 徹也 （量子科学技術研究開発機構 高崎量子応用研究所 ）共同研究対応教員 ： 中村一隆

－ 研究目的 －本研究は、イオンビーム誘起欠陥を有する炭素担体を利用した高活性白金ナノ微粒子触媒の創製に資するため、レーザー分光計測によって物質表面へのイオンビーム照射効果の解明を目指すものである。特に、フェムト秒時
間分解分光計測により、フォノン・電子ダイナミクスにおけるイオンビーム誘起欠陥の影響を調べる。

－ 研究成果・ 効果 －380 keV Ar+を1.0×1012～1.0×1014 ions/cm2の間で照射量を変えて高配向性熱分解グラファイトに照射し、フェムト秒時間分解過渡反射率計測を行った。グラファイト面間及び面内C-C振動モード（それぞれ1.35 及び47.4 THz）のコヒーレントフォノン振動を計測することができた。1.0×1014 ions/cm2では、グラファイト面間C-C振動モードの周波数は赤方遷移し、面内C-C振動モードの周波数は青方遷移することがわかった。
(a)（a）グラファイト面間C-C振動モードの周波数変化(b)（b）グラファイト面内C-C振動モードの周波数変化

発表論文・関連論文 ： T. Kimata, T. Kato, I. Takagi, Y. Konno, H. Okazaki, S. Yamamoto, T. Yamaki, K.G. Nakamura, “Coherent optical phonons in HOPG modified by Ar-ion
irradiation” 33rd International Conference on Diamond and Carbon Materials (Spain, 2023.9.12)、T. Kimata, T. Kato, I. Takagi, Y. Konno, H. Okazaki, S. Yamamoto, T. Yamaki,
K.G. Nakamura, “380-keV Ar+-irradiation effects on optical phonons in graphite studied with transient reflection measurement” J. Appl. Phys. 134, 135306 (2023).

39一般共同研究Ｂ（P172）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 217
一般研究B（2023年度）「長時間・長周期特性を有する模擬地震動を対象とした免震部材の繰り返し特性変化に関する研究」

研究代表者 ：山下 忠道（DYNAMIC CONTROL DESIGN OFFICE山
山下一級建築士事務所）
共同研究対応教員 ： 佐藤 大樹－ 研究目的 －本研究では、鉛プラグ挿入型積層ゴム支承を設けた免震建物を対象に、長時間・長周期地震動により生じる特性
変化を、応答解析を行わずに判断できる指標を提案することを目的として、地震調査研究推進本部で作成された1946年昭和南海地震の模擬地震動ならびに対象地域毎に公表されている南海トラフ沿いの巨大地震を想定した
長周期地震動(「基整促波」)を用いて、繰り返し特性変化に影響を及ぼす長周期地震動特性について検討を行う。

－ 研究成果・ 効果 －
免震層の歪200%の等価減衰定数であるh=20%の擬似速度応答スペクトルでは、40cm/sを境に、東大阪市役所、大阪舞洲や徳島空港では傾向が異なることがわかった。また、エネルギースペ
クトルは、前述した3地点において全体的に180cm/sを超えていることがわかる。
免震層の累積吸収エネルギーより算出した
LRBの繰り返し特性変化と比較すると、東大阪市
役所の吸収エネルギーと特性変化が最も大きく、
大阪舞洲、徳島空港がそれに続いて大きい結果となっっており、スペクトルの結果と対応していることがわかる。
繰り返し特性変化に影響を及ぼす長周期地震
動特性について、擬似速度応答スペクトルとエネ
ルギースペクトルに着目すれば、煩雑な地震応
答解析を行わなくても、特性変化が生じやすい
地震動の特徴がわかった。

一般共同研究Ｂ（P175）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No.57
一般研究B（2023年度）「先端機能材料の材料特性データベース構築に向けた電気磁気特性の評価に 関 する 研 究 」
研究代表者 ： 山本 明保 （東京農工大学 大学院工学研究院）
共同研究対応教員 ： 半沢 幸太－ 研究目的 －先端機能材料のハイスループット創出に向けた課題の一つであるインフォマティクス応用に供する、良質な材料
特性データベース構築のためのデータ取得を行うことを目的とする。

－ 研究成果・ 効果 －BaFe2As2(Ba122)は鉄系高温超伝導体の母物質の一つであり、元素置換（キャリアドープ）により超伝導が発現する。
上部臨界磁場が高いため、高磁場応用に期待されている。
本研究では、スパークプラズマ焼結法によりプロセス条件を変化させて試料を合成し、電気的磁気的特性を評価した。
単結晶（25 K）を上回る高い転移温度と、ＨＩＰ法で報告された値を超える臨界電流密度が得られている。これらのデー
タをデータ駆動型プロセス設計へと展開予定である。
発表論文 ： N. R. Ayukaryana and A. Yamamoto, Densification Behavior Investigation of K-doped Ba122 Bulk Superconductor through Spark Plasma Sintering,
STAC-D2MatE 2024/2/29.

40

一般共同研究Ｂ（P176）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 223
一般研究B（2023年度）「RC梁
梁の主筋座屈に基づく安全限界性能の定量化に関する解析的研究」
研 究 代 表 者 ： 尹 ロク 現 （ 大 阪 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科 ）共同研究対応教員 ：Sujan Pradhan－ 研究目的 －既往の主筋座屈の研究は大きな軸力が生じるRC柱部材に焦点を当てて研究が行われてきたが、RC梁の主筋座屈に焦点を当てたものはなく、その安全限界点に対する変形性能の具体的な評価手法は明らかに定めていない。本研究では主筋の座屈に基づくRC
梁の安全限界性能評価法を構築することを目的とし，数値解析を通して検討する。ここで，解析モデルについては梁主筋座屈が確認された既往の試験体を対象に数値解析を行い，梁座屈発生点を適切に評価できるモデル化方法を検証する。

－ 研究成果・ 効果 －① 解析モデル作成② 解析モデルの検証③ 解析結果の分析

180

280

Fiber model: Beam

Rigid zone
Elastic zone

Beam
300

Fiber model: Column
y
320

x

解析モデル概要

実験 VS. 解析（せん断力ー変形角関係）

Coulmn解析結果における座屈評価と実験結果の比較（座屈耐力）

主筋座屈が発生した試験体を対象に骨組解析を行い，実験結果の再現性を確認することで，本解析モデルの妥当性を検証した。また，数値解析より得られた梁主筋の応力－ひずみ関係を梁主筋の座屈発生点を評価した結果，実験結果と良好に対応することを示した．

一般共同研究Ｂ（P178）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 74
一般研究B（2023年度）「Liイ
イオン二次電池用セパレータの保護膜形成技術の開発」
研究代表者 ： 吉野賢二（宮崎大学）
共同研究対応教員 ： 安井伸太郎－ 研究目的 －LIBの安全性や機能に関わる重要な部材であるセパレータの熱安定性を向上させるために、メチルアルミノキサン（MAO）をN-メチルピロリドン（NMP）でAl濃度1 wt％に希釈した前駆体溶液(MAO/NMP)を用いたスプレー塗布を行った。また、多孔質フィルムであるセパレータ上にMAO/NMP溶液を塗布することで、セパレータ保護膜としての効果を検証した。

－ 研究成果・ 効果 －ポリオレフィン製セパレータ上の新規保護膜の効果の検証

塗布前後の外観写真（左：塗布前、右：塗布後）(a)：塗布前(b)：塗布後

図 3：SEM像（上：表面、下：断面）

塗布前セパレータの表面上には、延伸により形成された微細孔が確認できた。塗布後セパレータの表面には、全体を覆う堆積物は確認されず、塗布前と同様に微細孔が表面に現れていることが観察され、また、厚さ方向に延びる基材を中心に微細孔構造が形成されていることが観察された。塗布後のセパレータの収縮率は25.5%と、塗布前に比べ12.5%減少した。それゆえ、微細孔側壁にAl2O3 の保護膜により熱安定性の向上効果が得られた。

41

一般共同研究Ｃ（P181）
Laboratory for Materials and Structures, Collaborative Research Projects No.66
General CRP 2023－Category C

Investigation of ferroelectric hafnia based multiferroic heterostructures for novel memorystorage applications.
Project Coordinator Name： Badari Narayana Aroor Rao (Chiba University)
MSL Faculties: Shintaro Yasui- Aims of Research The project aims to investigate the use of ferroelectric hafnia thin films and LSMO heterostructures for
multiferroic applications. We first aimed to optimize the fabrication condition of LSMO and hafnia epitaxial
films on STO substrate. The main objective was to understand the effect of varying oxygen partialpressure during growth and varying top-electrode material on ferroelectric stability of hafnia.

- Results •••••Higher oxygen pressure during LSMO deposition improves
the ferroelectric stability of hafnia layer.
Stoichiometric oxygen in the hafnia layer is necessary toobserve ferroelectricity.
Oxygen vacancies play an active role in establishingferroelectricity in hafnia.
XPS analysis confirmed films showing good ferroelectricity
had stoichiometric oxygen in hafnia layer and excess
oxygen in non-lattice sites in LSMO layer.
Choice of top and bottom electrode materials are also
important. Those that promote oxygen mobility are needed.

Oxygen pressure dependenceof ferroelectricity in hafnia

一般共同研究Ｃ（P184）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No.15
一般研究C（2023年度）「発光磁気機能性アゾサレン希土類錯体のXPS測測定」
研究代表者 ： 秋津貴城（東京理科大学）
共同研究対応教員 ：原 亨和－ 研究目的 －発光性と磁性を担うキラルサレン希土類(III)錯体カチオンと、光機能性（アゾ基の光異性化）を担うアゾベンゼンアミノ酸シッフ塩基銅(II)錯体アニオンからなる、高分子膜複合材料の構成要素の、希土類(III)イオンの元素確認をXPSで行うことを最終目的とした。
－ 研究成果・ 効果 －アゾベンゼンアミノ酸シッフ塩基銅錯体

キラルサレン希土類錯体

キラルサレン希土類錯体カチオンと、光機能性（アゾ基の光異性化）を担うキラルアミノ酸シッフ塩基銅
錯体アニオンからなる、高分子膜中での複合機能材料の創製。

複合膜の光照射前後電子スペクトル（黄色帯は配位子のn-π*バンド）

記事発表 T. Akitsu et al.,”[Editorial] Chemistry for Space Group Symmetry beyond Crystals”, Symmetry, 2024年, 3月（accepted）.

42

一般共同研究Ｃ（P185）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 20
一般研究C（2023年度）「磁気温熱療法への応用へ向けたCoPdナ
ナノ粒子の磁気特性評価」
研究代表者 ： 石島 政直 （東京都立大学都市環境科学研究科）
共同研究対応教員 ：平松 秀典－ 研究目的 －がんの治療法の一つに磁気温熱療法が挙げられる。この手法では交流磁場下における磁気ナノ粒子の緩和減少による発熱を利用している。マグネタイトなどの酸化物磁性ナノ粒子についての発熱特性評価は多く報告されているが、合金ナノ粒子の発熱特性についての報告は数が少ない。本研究では、合金としてCoPdを選択し、組成や元素分布の異なるCo-Pdナノ粒子の磁気特性評価を目的とする。

－ 研究成果・ 効果 －CoPdナノ粒子の合成

CoPdナノ粒子の磁気特性評価

アルコール還元法を用いて元素分布の異なるCoPdナノ粒子を合成した。得られた粒子の磁気特性を評価し、元素分布によって飽和磁化が異なることを確認した。

一般共同研究Ｃ（P186）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No.205.5
一般研究C（2023年度）「小振幅繰り返し荷重を受けるコンクリート充填鋼管柱の耐震性能評価」
研究代表者 ： 石田孝徳（横浜国立大学）
共同研究対応教員 ： 吉敷祥一

－ 研究目的 －近年、南海トラフを震源域とする長周期地震動の発生が危惧されており、高層建物では小振幅の多数回繰り返
しに対する部材の安全性検証が求められている。一方、柱は常時大きな軸力を支持していることに加え、地震荷
重下では、水平1方向だけでなく、水平2方向の変形を強いられることとなる。本研究では、角形断面のコンクリー
ト充填鋼管柱を対象に小振幅での水平2方向載荷実験を行い、水平2方向変形下での履歴曲線、耐力劣化挙動を明らかにすることを目的とする。

－ 研究成果・ 効果 －ピーク荷重の推移
水平面内の載荷履歴を楕円形とした
一定軸力下での水平2方向載荷実験

局部座屈変形δbの推移

全体挙動

Μpeak[kNm]δbδb

δb[mm]

安定限界以降パラメータ： 振幅、楕円率、載荷方向
δb,cr
繰り返し回数

繰り返し回数

載荷履歴が耐力劣化挙動や局部座屈変形の推移に及ぼす影響を調査
既往の中空鋼管における知見（安定限界＝耐力劣化と局部座屈変形が急激に進展する限界）の適用性を検証

43

一般共同研究Ｃ（P189）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 53
一般研究C（2023年度）

低温化学溶液還元による銅酸化物高温超伝導体の電子ドープ量の制御研究代表者 ： 井上 亮太郎（日本大学医学部）
共同研究対応教員 ： 気谷 卓

－ 研究目的 －研究代表者らはこれまでに200℃以下の低温で酸化物を還元する手法＝低温化学溶液還元を開発してきた。これを用いて銅酸化物高温超伝導体の超伝導転移温度の制御を目指す。電子ドープ系銅酸化物高温超伝導体
Nd1-xCexCuO4-y (NCCO)を還元した。固体粉末試料の63Cu室温NMRスペクトルを測定し磁気的構造を調べる。

－ 研究成果・ 効果 －
低温化学溶液還元（常圧環流方式）

一般共同研究Ｃ（P192）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No.65
一般研究C（2023年度）「高速通信機器搭載に向けた圧電体薄膜の強誘電体ドメイン構造の設計2」
研究代表者 ： 江原 祥隆（防衛大学校通信工学科）
共同研究対応教員 ： 安井 伸太郎－ 研究目的 －本研究では、高速通信機器搭載に向けた圧電体薄膜の候補としてBa(ZrxTi1-x)O3膜に着目し、MgO単結晶基板
上にエピタキシャル成長した全固溶領域において膜厚が異なるBa(ZrxTi1-x)O3(x = 0 -1.0)膜を作製し、結晶構造
及び電気的特性を評価する。

－ 研究成果・ 効果 －P – E, SHGにより相転移を確認

厚さの異なるBZT膜の結晶構造と誘電特性、光学特性結果
各膜厚における格子定数変化

各膜厚におけるC-V, P–E特
特性

500nm

c/a、
、Pr、εr, SHGの
の膜厚依存

200nm

学会発表 ：[1]髙橋 良・江原 祥隆・濱嵜 容丞・澤井 眞也・安井 伸太郎・安岡 慎之介・舟窪 浩・西田 謙、日本セラミックス協会第36回協会秋季シンポジウム、2Q19[2] R. Takahashi, Y. Ehara, Y. Hamasaki, S. Sawai, S. Yasui, S. Yasuoka, H. Funakubo, K. Nishida, MRS Fall Meeting and Exhibit, EL03. 10. 11[3]髙橋 良・江原 祥隆・濱嵜 容丞・澤井 眞也・安井 伸太郎・安岡 慎之介・舟窪 浩・西田 謙、2024年日本セラミックス協会基礎討論会、1C1444

一般共同研究Ｃ（P193）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 69
一般研究C（2023年度）「強誘電体BaTiO3薄膜における傾斜バンドのエネルギーシフトと電気分極の相関性 」
研究代表者 ： 狩野 旬（岡山大学環境生命自然科学学域 ）共同研究対応教員 ： 安井 伸太郎－ 研究目的 －我々により解明された強誘電体の傾斜バンド構造は未知な点が多い。傾斜バンド構造のエネルギーシフト量は電気分極が結晶中に形成させる反電場に線形対応することが予測されるが，強誘電体薄膜における電気分極は，膜厚，単結晶基板，電極に依存することが知られており，これらの複数パラメーターを制御した環境での実験が求められる。そこで本研究では，強誘電体BaTiO3(BTO)について複数パラメーターを変えた試料を精密合成し，その試料の分極量を定量化させることを目的とした。

－ 研究成果・ 効果 －パルスレーザー堆積装置を用いた，強誘電体BTO薄膜の合成電極とBTOの仕事関数バランスを考え，下部電極をSrRuO3 (SRO)とした。面内歪みを大きくすることでas grownでの分極安定性を保持した
かったため， (LaAlO3)0.3–(SrAl0.5Ta0.5O3)0.7 (LSAT)単結晶基板を用いることにした。そのためBTO，SRO，LSATの各原子軌道の結合エネ
ルギーの見積もりを行った(右図)。我々の注目している原子軌道はTi-2p1/2であるが，図からもわかるようにTi-2p1/2の結合エネルギーとの重畳がないことが確認された。 現在，成膜中である。成膜が出来次第P-Eループ実験により，分極反転を確認したうえで分極値を実測する。なお傾斜バンド構造のエネルギーシフト量はSpring-8 BL09XU
にて測定を予定している。
発表論文・関連論文 ： Sci. Rep. 10, 10702 (2020), 日本物理学会誌 77, 469 (2022)

一般共同研究Ｃ（P195）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 5
一般研究C（2023年度）「次世代ナノ記録材」
研究代表者 ： 小林 斉也
共同研究対応教員 ： 東 正樹

（株式会社Future Materialz））－ 研究目的 －サーバーのバックアップとして必須である磁気テープ用の材料は年々その記録密度が増大し、情報担体の磁性体は超微細であることが求められている。次世代のナノ記録材の開発は非常に重要である。高圧
合成法を利用することで20nm以下のナノ記録材の粒子を種々の合成条件にて作製し、得られた試料の構
成相・粒子サイズ、磁気特性、組成に関する検討を網羅する。

－ 研究成果・ 効果 －同じ前駆体原料より、種々の合成条件で検討した 。
30minというとても短い反応時間において、常圧下では粒子生成しないが、高圧下ではきちんと生成していることがXRDパターンより理解できる。粒子の結晶子サイズは圧力が低い
1.5GPaで小さく、6GPa下ではほぼ生成しなかった。
VSM測定結果では、合成圧力が低いほど保磁力と磁化の値が高いことが分かった。

左図：各条件で合成した試料のXRDパターン。
右 図 ： そ れ ら の VSM 測 定 結 果（磁気特性）。

45

一般共同研究Ｃ（P196）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 68
一般研究C（2023年度）「ウルツ鉱型強誘電体の局所分極反転挙動」
研究代表者 ： 清水 荘雄（物質・材料研究機構）
共同研究対応教員 ： 安井 伸太郎－ 研究目的 －Al1-xScxNにおける強誘電性が報告された後に、ウルツ鉱型構造を持ついくつかの物質において強誘電性が報告されているが、これまで強誘電性が確認されている物質は、カチオンを置換した固溶体であり、単純な化合物での報告はほとんどない。そこで、本研究では、このような置換元素が本質的に必要かどうかについて無置換のAlNでの強誘電性について研究を行うことによって検討した。

－ 研究成果・ 効果 －抗電界を
プロ ッ ト成膜温度を低 下

450 ℃で成膜AlNにおける強誘電性の測定結果

250 ℃で成膜AlNにおける室温の強誘電性抗電界のSc濃度依存性

450 ℃で製膜したAlNでは、局所的な分極反転が室温では観測されたのに対して、285 ℃で測定した場合には明瞭な強誘電性をした。さらに成膜温度を低下させた場合においては、室温においても分極反転を確認す
ることに成功した。結果として、抗電界がSc濃度に対して線形に低下していくことが分かった。
発表論文・関連論文 ： K. Hasegawa, T. Shimizu, T. Ohsawa, I. Sakaguchi, and N. Ohashi, Appl. Phys. Lett. 123, 192903 (2023).

一般共同研究Ｃ（P197）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 55
一般研究C（2023年度）「室温で動作するマルチフェロイック酸フッ化物薄膜の開発」
研究代表者 ： 近松 彰 （お茶の水女子大学）
共同研究対応教員 ： 重松 圭

－ 研究目的 －誘電性と磁気的挙動を同時に示すマルチフェロイック物質は、電場によって物質の磁気状態を制御するデバイスへの応用が期待されている。これまで報告されているマルチフェロイック物質は、一部を除き低温でしかその特性を示さないため、実用化に向けて室温で安定して動作する物質の開発が切望されている。本研究では、極性構造を持つ鉄酸フッ化ビスマスの単結晶薄膜を作製し、結晶構造、誘電特性、光学バンドギャップを調べた。

－ 研究成果・ 効果 －Bi0.8Ba0.2FeO2.8F0.2薄膜の圧電応答顕微鏡像

フッ化前後のBi0.8Ba0.2FeO2.9薄膜の光学吸収スペクトル•

フッ化反応の反応温度を変えることで、フッ素量と結晶構造（ペロブスカイト構造と蛍石構造）を制御できることを見出した。

•

作製した酸フッ化物薄膜の強誘電性を実験で証明した。

•

フッ化に伴いバンドギャップが小さくなることを実験で明らか
にした。

研究発表：
• 佐野 瑞歩, 上垣外 明子, 片山 司, 廣瀬 靖, 近松 彰, “鉄酸ビスマス薄膜のトポケミカルフッ化反応における温度依存性”, 第84回応用物理学会秋季学術講演会, 熊本城ホール(熊本県熊本市), 2023年9月, 21p-D903-11.(口頭)• 上垣外 明子, 佐野 瑞歩, 重松 圭, 出村 郷志, 片山 司, 廣瀬 靖, 近松 彰, “ペロブスカイト型鉄酸フッ化ビスマス薄膜の強誘電性と磁気特性”, 第84回応用物理学会秋季学術講演会, 熊本城ホール(熊本県熊本市), 2023年9月, 21p-A307-6.(口頭)46

一般共同研究Ｃ（P200）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 31
一般研究C（2023年度）「バイオマス変換用担持金属触媒の構造解析」
研究代表者 ： 中島 清隆（北海道大学 触媒科学研究所）
共同研究対応教員 ： 鎌田 慶吾－ 研究目的 －HMFアセタール体の酸化的エステル化反応において，目的生成物であるフランジカルボン酸ジメチルの高い生産率と保護材である1,3-プロパンジオールの回収率を両立し，かつ塩基添加を大幅に抑制した環境調
和型触媒反応プロセスの構築に取り組んだ．

－ 研究成果・ 効果 －HMFアセタールの逐次的な酸化的エステル化反応をデザインした．ワンポット反応に比べ，MFDC収率の向上，添加する塩基量の大幅削減，保護材の高い回収率を達成することができた．
発表論文・関連論文 ：1) Jan J. Wiesfeld et. al., “Oxidative Esterification of Acetal-Protected 5Hydroxymethylfurfural to Dimethyl Furan-2,5-dicarboxylate with High
Recovery of Protecting Agent”, ACS Sus. Chem. Eng., 2024, 12, 450-458. 2) Nirupama Sheet et. al., “A Protection Strategy for High-yield Synthesis of Dimethyl
Furan2,5-dicarboxylate from 5-Hydroxymethylfurfural Using Methanol as an Acetalizing Agent”, ChemCatChem, 2024, e202301259.

一般共同研究Ｃ（P203）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 70
一般研究C（2023年度）「層状シリケート型Bi2SiO5強誘電体多結晶薄膜の作製」
研究代表者 ： 永沼 博（東北大学/名名古屋大学）
共同研究対応教員 ： 安井伸太郎－ 研究目的 －本研究は、PLD法を用いてPt電極付きSi基板上にBi2SiO5多結晶膜を作製する最適条件を探索し、膜構造解析だ
けでなく、強誘電性および光学特性を含めて系統的に評価することを目的とする。

－ 研究成果・ 効果 －Bi2SiO5多結晶膜の最適製膜条件の探索と強誘電性評価
室温

ポストアニーリング温度が550, 600℃のときBi2SiO5多結晶単相膜が得られた。(ラマン分光解析の結果と一致)

強誘電性を評価したところ、室温でエピタキシャル膜より僅かに高い自発分極は22Pr=7.2 uC/cm2、比較的高い比誘電率1143を得た。

(発表論文) H. Takahashi, S. Maruyama, H. Naganuma (責任著者), H. Taniguchi, R. Tahakashi, S. Yasui (受入教員), K. Kaminaga, Y. Matsumoto, J. Alloys and Compounds,
988, 174195 (2024). オープンアクセス

47

一般共同研究Ｃ（P204）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. ６７
一般研究C（2023年度）「層状ペロブスカイト強誘電体の研究」
研究代表者 ：濵嵜 容丞（防衛大学校 応用科学群 応用物理学科）
共同研究対応教員 ： 氏名 安井 伸太郎－ 研究目的 －層状ペロブスカイト強誘電体は、高いキュリー温度を持つことが知られており、その中でもペロブスカイトスラブ構
造を持つ酸化物に着目した。本研究では凖安定相の直方晶LaTaO4に着目し、エピタキシャル薄膜の作製を試みた。

－ 研究成果・ 効果 －X線回折パターン

酸素分圧、基板温度等の条件で製膜し、直方晶LaTaO4エピタキシャル薄膜を作製に成功した。

一般共同研究Ｃ（P205）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 222
一般研究C（2023年度）「数値解析による合成梁における合成効果の合理化」
研究代表者 ： 松井良太（北海道大学）
共同研究対応教員 ： 西村康志郎－ 研究目的 －
デッキプレートと鉄筋コンクリートを一体化した床スラブを一体化させた合成梁の合成効果を評価するうえで、鉄筋コンクリートが負担する圧縮力は同定しがたい。代表者らは、数値解析モデルで有効幅を同定したが、対象とした試験体数が寡少であった。そこで、今後の数値解析による合成梁の有効幅を検討するうえで役立つ、合成梁の仕様と耐力に着目したデータベースを構成することとした。

700

3.5

600

3

500

2
1

100

0.5
0

50

100 150 200
スラブ厚t [mm]図1 試験体寸法

250

0

1

・試験体寸法 （図1）
スラブ厚：40 – 200 mm

0.5

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0

0.1
0.2
0.3
(a)
(b) 0
t/D
t/D
図2 最大耐力と寸法の関係： (a) 鋼梁耐力指標との比(b) 合成梁耐力指標との比

48

データベースより得られた定量的な結果とした左図を挙げる。具体的な数
値の範囲は以下の通り。

1.5

1.5

200
0

D

Mmax/cMp (指針)

300

2

t

2.5

400

Mmax/sMp

梁せいD [mm]－ 研究成果・ 効果 －鋼梁せい：200 – 612 mm
・合成梁最大耐力 (図2）0.4

鋼梁比：1.09 – 3.24
（相関係数0.62)
合成梁比：0.85 – 1.51

一般共同研究Ｃ（P208）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 76
一般研究C（2023年度）「 深 紫 外 光 プ ロ セ ス によ る 遷 移 金 属 基 酸 化 物 半 導 体 の 薄 膜 相 制 御 と 構 造 解 析 」
研究代表 者 ： 松田晃史 （ 東 京 工 業 大 学 物質理工学 院 材料系）
共同研究対応教員 ： 重松圭－ 研究目的 －遷移金属基などの酸化物半導体において、高温プロセス･不純物ドープに依らず深紫外光照射・活性化学種を介した長距離秩序の形成、構造･化学状態制御、顕著な導電性向上がこれまでに見出された。
本研究はコバルト系・ガリウム系のワイドギャップ酸化物半導体に着目し、そのエピタキシャル薄膜を用いて特に真空紫外波長域を含む深紫外光照射による長距離秩序構造の変化と物性への影響を見出すことを目的とした。

－ 研究成果・ 効果 －酸化コバルト系半導体ではCoO (111) 薄膜へエキシマランプ照射(λ = 172 nm)を行い、表面近傍におけるスピネル型Co3O4 (111)へエピタキシャル構造を維持した結晶相変化を伴う102程度の導電率向上を見出した。また、熱バリア層・シード層を伴ったフレキシブルCOP基板上において、非晶質
�Ga2O3薄膜のエキシマレーザーアニーリング(λ = 248 nm)により、β-Ga2O3 (201)一軸配向結晶化およびワイドバンドギャップ化を見出した。

VUV

エキシマランプによる真空紫外光照射により、岩塩型CoO (Co2+)からスピネル型Co3O4(Co2+, Co3+)へエピタキシャル構造を維持した表面近傍の構造制御と導電性向上を得た。

エキシマレーザー照射によるGa2O3薄膜の
急速一軸配向性固相結晶化を得た。

発表論文・関連論文 ： [1] K. Kaneko, T. Oga, S. Kaneko, T. Katase, M. Yoshimoto, A. Matsuda, J. Ceram. Soc. Jpn., 131, 383–388 (2023).
[2] K. Kaneko, Y. Qiao, S. Kaneko, M. Yoshimoto, A. Matsuda, MRM2023, G4-O503-06, Kyoto, Japan, Dec-2023.
[3] R. Kai, T. Oga, S. Kaneko, M. Yoshimoto, A. Matsuda, MRM2023, G4-P401-13, Kyoto, Japan, Dec-2023.
他

一般共同研究Ｃ（P211）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 218.4
一般研究C（2023年度）「 鋼 構 造 制 振 建 物 に お け る ダ ン パ ー 力 が 合 成 梁 の 挙 動 に 及 ぼ す 影 響 に 関 する 研 究 」
研究代表 者 ： 松田頼征 （ 工 学 院 大 学 ）共同研究対応教員 ： 佐藤大樹

－ 研究目的 －
制振構造においてダンパーが取付く構面の挙動は、層間変形によるものとダンパー力によるものが複合することが知られている。本研究は、コンクリートスラブを含めた当該構面の合理的な設計法・評価法の確立に資するため、ダンパー力がスラブに及ぼす影響を載荷実験から明らかにするものである。

－ 研究成果・ 効果 －スラブ内鉄筋の歪から算出したスラブ有効幅の分布は、層間変形のみを与えた実験と概ね一致する。

同じ試験体に層間変形を与えた実験
本実験
設計指針有効幅

B(mm)

1000

0
0

2000

実験セットア ップ と 力 学 モデ ル
ダンパーが取付く構面にダンパー力のみを与える実験を実施した。

100

合成梁図心

(mm)

スラブ内鉄筋の歪値に基づく有効幅分布 軸力の作用線は鋼
軸力の作用線002000

合成梁図心と軸力の作用線の分布（鋼梁図心を原点とする）

梁図心付近にあり、これと合成梁図心との距離、及び軸力によって偏心曲げモーメントが作用する。
49

一般共同研究Ｃ（P214）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 36
一般研究C（2023年度）「 異 常 格 子 熱 膨 張 を 示 す 遷 移 金 属 ジ ル コナ イ ド の 開 発 と 物 性 評 価 」
研究代表 者 ： 水口佳一 （ 東 京 都 立 大 学 理 学 研 究 科 ）共同研究対応教員 ： 片瀬貴義

－ 研究目的 －正方晶系CuAl2型構造を持つ遷移金属ジルコナイドCoZr2, NiZr2, FeZr2, およびそれらの固溶系において，熱膨張係数（X線回折による）および基礎物性を評価し，さらに比熱や音速の測定，フォノン計算から上述の光学フォノンと異常熱膨張の関連を探ることを目的とした．また，本系における体積ゼロ熱膨張実現に向けた物質開発も目的とした．

－ 研究成果・ 効果 －フォノン・音速評価

高圧下熱膨張係数測定(BL10XU, SPring-8)・比熱測定による光学フォノンエネル
ギーと振動子強度の評価
・音速測定によるデバイ温度評価
・フォノン計算（トルコGazi大との共同）●フォノンバンド●音速計算●グリュナイゼンパラメータ

CoZr2の熱膨張係数（(a) αa: a軸， (b) αc：c軸， (c) β：体積）の圧力依存性．圧力印加によってa軸の正の熱膨張が抑制され，負の体積熱膨張が発現することを見出した．

発表論文： Y. Watanabe et al., Adv. Electron. Mater.2024, 2300896 (2024).

国際ワークショップ（P216）
Laboratory for Materials and Structures, Collaborative Research Projects No.215
International CRP 2023 Workshop

The Japan-Korea-Taiwan Joint Seminar on Earthquake Engineering for Building
Structures (SEEBUS)
Date and time: 2023.12.01-2023.12.02
Place: National Taiwan University of Science and Technology
Project Coordinator Name： Atsushi Sato
MSL Faculties：：：Susumu Kono

- Aims of Research The latest research findings will be shared among three countries (Korea, Taiwan, andJapan), and a discussion will be held to analyze them.
- Results Over the course of two days, each country
made 10 presentations on the primarystructural materials used in reinforced concreteand steel structures, totaling 30 presentations.
Fruitful discussions were held during theworkshop, with active participation andquestions. It was agreed that the next
workshop would take place in Seoul, Korea.

50

国際ワークショップ（P217）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No.204
国際ワークショップ（2023年度）「2023年年 日 中 韓 － 高 層 建 築 フ ォー ラ ム 」

開催日時： 2023年7月7日（金） 9：00～17：30
場 所 ： 東京工業大学 大岡山キャンパス（ディジタル多目的ホール）
研究代表者 ： 中井 政義 （株式会社 竹中工務店 ）共同研究対応教員 ： 吉敷 祥一－ 研究目的 －本フォーラムは、CTBUH（Council on Tall Buildings and Urban Habitat：高層ビルと都市居住協議会、本部は米国シカゴ）のアジアでの活動の一環として、中国、韓国、日本の構造エンジニア、学識経験者を中心に、2014年より、ほぼ毎年開催されている国際会議である。高層建築分野における最新の研究、構造設計事例など様々な取り組
みについて、日中韓３か国で情報の共有を図るとともにそれらに関する議論を行うことを主目的とする。

－ 研究成果・ 効果 －冒頭の基調講演では、田村幸雄教授（重慶大学）より高層建物の形態と風力特性の関係について、一連の風洞実験に基づく研究成果が紹介された。中国からは、①ＡＩを活用した構造設計技術、②耐震性能設計、③地震後の機能維持から見た耐震設計手法に関する３件、また韓国からは、①ソウル市内の都市再生事業、②ＡＩを活用した火災安全システムと耐火性能設計、③設備のマルチトレードプレファブ工法に関する３件の発表がなされた。
また今回は、昨年のCTBUH技術論文（IJHRB）最優秀賞を受賞したオーストラリアのKenny Kwok教授より、高層建築の風に対する居住性能評価に関する講演があった。
日本からは、①日本の高層建築の歴史、②変位増幅機
構と同調粘性マスダンパーを用いた構造設計、③麻布台
ヒルズにおけるDXの取り組みに関する３件が発表された。
フォーラム参加者は、ZOOM参加を含め120名近くとなり、各講演に対して活発なディスカッションが行われ、各国の交流を深める有意義な会議となった。
Kenny Kwok教授の講演
ディスカッションの様子

ワークショップ（P220）
フロンティア材料研究所 共同利用研究 No. 37
ワークショップ（2023年度）「 卓 越 し た機 能 発 現 を 目 指 し たセ ラ ミ ッ ク プ ロ セ ッ シ ン グに 関 す る ワ ー ク シ ョッ プ 」
開催日時：２０２３年７月２２日、９月３０日
場所：東京工業大学 大岡山キャンパス 南７号館２階２０１講義室
研究代表者 ： 脇谷尚樹（ 静 岡 大 学 ）共同研究対応教員 ： 片瀬貴義 准教授－ 研究目的 －本ワークショップでは、薄膜、微粒子、バルク等幅広い形態の種々の機能性セラミックスについてプロセッシングを最適化することにより卓越した機能を発現させることを目指している。この目的を達成するため、本ワークショッ
プでは多くのセラミックスの研究者によってプロセッシングが結晶構造、微構造、ナノ構造、バンド構造やその他の物性に及ぼす影響について議論・検討を行う。

－ 研究成果・ 効果 －（１） [第３回ナノ材料研究会] 講演３件、参加者：１１名、参加機関：８機関[第４回ナノ材料研究会] 講演３件、参加者：１１名、参加機関：８機関（２）本年度は４年ぶりに研究会を２回、対面開催することができた。それぞれ、ともに参加者は11名であったが、すべての講演に関してほぼ全員からの質問・コメントがあり、非常に熱のこもった議論がなされた。興味深い研究について深く議論したことで、研究の幅が広がった・新しい知見を得られた、などの意見が寄せられ、非常に有意義な研究会となった。さらに、今年度だけで合計５名の新しい若手研究者にご参画いただくことができ、共同研究なども含めて研究会の益々の発展が期待される。

図 第４回ナノ材料研究会における集合写真

51

マテリアルデジタルトランスフォーメーションによる電子機能材料・デバイスの開発

１

東京工業大学 科学技術創成研究院 フロンティア材料研究所

神谷利夫

龍谷大学 先端理工学部

木村 睦

はじめに
共同利用研究「マテリアルデジタルトランスフォーメーションによる電子機能材料・デバイスの開発」として、さまざまな成果が得られたが、特に本報告では、昨年度に引き続き、アモルファス酸化物半導体（AOS)の新規応用提案として、メモリスタ・脳型集積回路について報告する。

２

研究目的
研究代表者らは、これまで、アモルファス酸化物半導体（AOS)の新規材料研究や新規応用提案を行ってきた。最近では、レアメタルを含まない Ga-Sn-O（GTO）を用いた薄膜トランジスタを開発し、代表的な AOS である In-Ga-Zn-O（IGZO）に迫る初期特性と経時安定性を確認している。2022 年度は、さらに新規 AOS として Ga-Al-O（GAO）の研究を行うとともに、引き続いてメモリスタのアナログ特性やミスト CVD 成膜の熱電素子の特性向上を確認した。いっぽうで、近年は特に注目を集めている
人工知能分野への応用として、ニューラルネットワークをハードウェア化したニューロモーフィッ
クシステムへの応用を試みている。2022 年度は、3 層 3D 積層のクロスバーアレイのシナプス素子とそれを用いるニューロモーフィックシステムでの連想記憶の動作確認に成功し、論文を発表した。
また、メモリスタとキャパシタを組み合わせた新たなシナプス素子も提案している。本研究では、
IGZO のみならず GTO や GAO などといった新規 AOS も含めて、脳型集積回路を試作し、動作を確認し、さらに高度な機能獲得を目指す。最終的には、超コンパクト・超低消費電力・超ロバストな人工知能の実現が期待できる。そのほか、新規材料の評価も行う。

３

研究成果

[メモリスタ] [1]異なる酸素空孔(VO)密度の 2 層を有する In-Ga-Zn-O(IGZO)メモリスタを開発し、ニューロモルフ
ィック応用に向けた長期記憶(LTM)を確認した。VO 密度の高い IGZO 層はショットキー挙動を回避する擬似電極として機能し、VO 密度の低
い IGZO 層はコンダクタンス変化層と

Al

Al

Al

して機能する。パルス電圧を印加する

I
G
Z Ar:O2=20:5
OIG
Z Ar:O2=20:5
O

I
20:5
G
Z Ar:O2= 20:0
O

ことで、メモリスタ特性に基づく長期

Al

Au

Au

Device A

Device B

Device C

増強（LTP）と長期抑圧（LTD）が観測され、ニューロモルフィック応用への将来的な可能性が示された。

異なる VO 密度の 2 層を有する IGZO メモリスタ

-1-

24
23

Reset
IGZO
Ar:O2=20:0

50

Conductance (mS)

100

I (mA)

Device C

Al
Set
IGZO
Ar:O2=20:5

Set

Device A0

Device B

-50

LTP

22
+3V

21

1
Hz

20

100
ms

100
ms

19

1
Hz
-3V

18

LTD
17

Reset

16

-100
-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

0

50
Pulse Number

V (V)メモリスタ特性100

LTP 特性

なお、GAO やミスト CVD 成膜に関しても研究成果が得られているが、論文の投稿中のため、ここでは記載しない。
[脳型集積回路] [2]
我々は、クロスポイント型 TaOx/Ta メモリスタを用いたニューロモーフィック・システムと、連想記憶用の直接デバイス・トレーニングを開発した。まず、クロスポイント型 TaOx/Ta メモリスタを作製し、十分なメモリスタ特性を得た。次に、フィールドプログラマブルゲートアレイチップとクロスポ
イント型 TaOx/Ta メモリスタを用いてニューロモーフィックシステムを実装し、連想メモリの機能を実現する。特に、デバイスを直接トレーニングすることで、ニューロモーフィック・システムのアーキ
テクチャが従来のトレーニングに比べて劇的にシンプルになる
1E-2
TaOx
Ta
Pt

Pt

1E-3

Forming
Reset

Set

1E-4

I (A)

Glass

1E-5
Ta
Pt

1E-6

Pt
TaOx

1E-7
-3

(a) Device structure(b) Overview photograph

-1

0
V (V)

1

2

(c) Memristor I–V characteristics

クロスポイント型 TaOx/Ta メモリスタ

-2-

-2

3

Synapse
80 x 80

Distorted

T
L

Recognizing-following phase































RevisedOutputDistorted

Input
Training
Recognizing Neuron-initial phase80

Synapse
Crosspoint-type TaOx/Ta memristor

RevisedNeuronFPGA chip

Distorted

Training

Recognizing-initial phase Recognizing-following phase

RevisedX

SwitchTraining

脳型集積回路のニューロモーフィックシステムと連想メモリの実現
なお、メモリスタとキャパシタを組み合わせた新たなシナプス素子に関しても研究成果が得られているが、論文の投稿中のため、ここでは記載しない。

[新規材料の評価]
新たな AOS の評価に関しても研究成果が得られているが、研究が投継続中のため、ここでは記載し
ない。

４

ま と め
本研究では、IGZO のみならず GTO や GAO などといった新規 AOS も含めて、脳型集積回路を試作し、動作を確認し、さらに高度な機能獲得を目指した。メモリスタとしては、異なる VO 密度の 2 層を有す
る IGZO メモリスタを開発し、ニューロモルフィック応用に向けた LTM を確認した。脳型集積回路としては、クロスポイント型 TaOx/Ta メモリスタを用いたニューロモーフィック・システムと、連想記憶用の直接デバイス・トレーニングを開発した。

[1] Tetsuya Katagiri, Tokiyoshi Matsuda, Hidenori Kawanishi, and Mutsumi Kimura, In-Ga-Zn-O
Memristor with Double Layers of Different Oxygen Vacancy Densities and Long-Term Memory towards
Neuromorphic Applications, Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 62, No. 5, 058002, May 2023, DOI: 10.35848/13474065/acd498[2] Mutsumi Kimura, Ryo Tanaka, Shihori Akane, Isao Horiuchi, Yasushi Hiroshima, and YasuhikoNakashima, Neuromorphic System using Crosspoint-type TaOx/Ta Memristors and Direct Device
Training for Associative Memory, IEEE Trans. Electron Devices, Vol. 70, Issue: 9, pp. 4635-4640, Sep.
2023, DOI: 10.1109/TED.2023.3296393-3-

R

建築物における地震時の機能維持技術の確立
東京工業大学 吉敷祥一

１

はじめに
我が国は過去の震災の経験を基に人命の保護を第一優先として，耐震研究を発展させてきたが，東日本大震災以降，壁や天井・設備機器の損傷が数多く確認されている．たとえば，建

La
吊りボルト
Lc

築設備機器の地震被害は，構造躯体への取付部や設備機器同士の連結部に集中しており，特に，吊りボルトの破断による空

斜材

Lb

突出部

吊り軽量機器

調用設備機器の落下や損傷 1)は，建物の機能喪失に直結する重大な被害である．

取付金物

θ

図 1 吊り軽量機器の耐震支持例

けること，終局状態の一つとして吊りボルトの低サイクル疲

H/8(a) メートルねじ

H=0.961P

55°

H/6

60°

量機器では，突出部の曲げモーメントが大きくなるため，全体の剛性・耐力は吊りボルトの曲げによる断面特性の影響を受

P

H/8

P

H=0.866P

介して支持されている（図 1）．繰返し荷重下における吊り軽

H/6

空調機などの吊り軽量機器は，構造躯体から吊りボルトを(b) ウィットねじ

図 2 ねじ形状の違い 5),6)

労破断が生じうることが明らかになっている 2)~4)．一方，力学性能を支配する建築設備機器の吊りボルトには，メートルねじ（図 2(a)）ではなく，ウィットねじ（図 2(b)）5)が慣例的に用いられている．しかしながら，ウィットねじは，1968 年にJIS 規格 6)から除外されており，ウィットねじの曲げに対する断面特性は明らかではない．さらに，設備機器を支持する吊り

図 3 取付金物の形状

ボルトと斜材を繋ぐ取付金物（図 3）により，設備機器およびそれらを支持する部材で構成されるユニット（以下，吊り支持部材）の剛性が低下することも報告されている 4)が，その特性は不明確なままである．
以上に示した現状から，地震後の建物の継続使用性を実現するにあたって，“設備機器の機能維持”に向けた耐震設計法の確立は，重要な研究課題と言える．

２

研究目的

本研究では，建築設備機器の耐震支持に用いられている吊りボルトを対象とし，まず引張実験により材料特性を把握した上で，曲げ実験により曲げに対する断面特性を評価する．次いで，取付金物の位置が吊り支持部材の剛性に与える影響について把握するため，取付金物を含む吊りボルトの要素実験を実施する．

-4-

３

研究成果
引張実験より得られた材料特性（降伏応力度 σy，引張強さ σy，破断ひずみ εf）のヒストグラムを図 4に示す．図では，生地材（SS400 材），鉄ユニクロメッキ（SS400 材），ステンレス（SUS304 材）に分けてそれぞれ示している．まず，降伏応力度についてみると，ロット毎のばらつきが大きく，公称値（SS400 材：235N/mm2，SUS304 材：205N/mm2）の 1.7〜4.3 倍程度に分布している．降伏応力度の平均値は，550~600N/mm2 程度であり，鋼種による差は小さいことが分かる．引張強さについてもロット
毎のばらつきが大きく，公称値（SS400 材：400N/mm2，SUS304 材：515N/mm2）の 1.2〜2.2 倍程度に分布している．引張強さの平均値は，SS400 材で 630~660N/mm2 程度であるが，SUS304 材では 894N/mm2程度であり，鋼種による差が大きい．最後に，破断ひずみについては，平均値として SS400 材で 0.12
程度，SUS304 材で 0.55 である．以上より，降伏応力度は SS400 材と SUS304 材でほぼ等しいが，引張強さと破断伸びは SS400 材と比べて SUS304 材の方が高い結果が得られた．また，本実験の範囲で扱った吊りボルトの材料特性については，表面処理の違いによる影響はほとんど見られなかった．
次いで，同一ロットの吊りボルトを用いて，曲げ実験を行い，吊りボルトの曲げに対する断面特性（断面二次モーメント I，断面係数 Z，塑性断面係数 Zp）を評価した．曲げ実験から得た降伏モーメン
ト My，全塑性モーメント Mp を基に，断面特性 I，Z，Zp を算出し，これらの実験値と有効径から算出される断面特性 Is，Zs，Zps（以下，規格値）を比較する．規格値に対する実験値の比率 I/Is，Z/Zs，Zp/Zpsのヒストグラムを図 5 に示す．断面二次モーメントは，ばらつきは比較的小さく，鋼種や呼び径に依らず規格値の 50〜80%程度に分布している．また，耐力にかかわる断面係数は規格値の 80~140%程度，
塑性断面係数は規格値の 70~130%程度に分布している．一方，平均値としてみれば，有効径に基づく評価に対して，剛性は 60%程度，耐力は 80~90%程度となることがわかる．
最後に，取付金物を含む吊りボルトの要素実験を行い，取付金物の位置が吊り支持部材の剛性に与える影響を把握した．試験体は，SS400 材（生地材）の全ねじの吊りボルトに図 3 の取付金物を取り付

















 [N/mm 2]



y

0

500

1000



 [N/mm 2]
u









0

図 4 材料特性のヒストグラム


 [-]















0.5

1






s


0

0.5

1

1.5

 s


0

0.5

1

1.5

 ps



p

0

0.5

1

図 5 曲げに対する断面特性のヒストグラム
生地材(SS400)

鉄ユニクロメッキ(SS400)-5-ステンレス(SUS304)

1.5

けた部材である．取付金物の剛性を同定するため，図 6 に示す直列ばねモデルを考える．取付金物を含む吊りボルトの剛性 K（以下，全体剛性）は，吊りボルトの剛性 k0 と取付金物の剛性

kj

A

k0

Lb

B

Lc

図 6 直列ばねモデル（吊りボルト+取付金物）

kj の直列和として仮定している．まず，全体剛性
3

K と端部から取付金物までの距離（Lb, Lc）の関K [×10 kN/m]
0.5

係を図 7(a)に示す．図の縦軸は全体剛性 K，横0.4

軸は Lc であり，図の実線は吊りボルトの剛性 k00.3（計算値），プロットは全体剛性（実験値）を0.2表している．Lb が短いほど，k0 と K の差が大き

0.2

0.15

既報2) における取付金物の剛性0.1

Lb=100mm
Lb=250mm

0.1

0.05

k0
K

0

くなっており，取付金物を取り付けたことによk j [×10 3 kN /m ]

実験値K
Lb =100mm
Lb =250mm
吊りボルトの剛性k 0

0

500

1000

1500

2000

L c [mm]

0
0

100

200

300

400

500
L [mm]b(b) 取付金物の剛性 kj(a) 全体剛性 K
図 7 各試験体の剛性の比較

る吊りボルトの剛性低下が確認できる．次いで，取付金物の剛性 kj と端部から取付金物までの距

離 Lb の関係を図 7(b)に示す．図の実線は文献 2)において同定した取付金物の剛性（計算値），プロッ
トは本実験により同定した取付金物の剛性（実験値）である．取付金物の剛性は，Lb が短いほど上昇していることが分かる．取付金物の載荷点位置と吊りボルトとの間には，偏心が存在するため，吊りボル
トには捩りモーメントが生ずる．Lb が短いほど捩りモーメントによる変形が拘束されるため，取付金
物の剛性 kj が大きくなったものと考えられる．

４

まとめ
本研究では，建築設備機器に慣例的に用いられるウィットねじを対象とし，引張実験と曲げ実験に

より材料特性と曲げに対する断面特性を把握した．さらに，取付金物を含む吊りボルトの要素実験を行い，取付金物の位置が吊り支持部材に与える影響について明らかにした．

参考文献
1)
2)
3)
4)
5)
6)

東北空調衛生工事業協会：東日本大震災による設備機器被害状況報告（平成 24 年 10 月）
平野一郎，黒澤未來，吉敷祥一：建築設備機器の吊り支持部材の剛性・耐力と低サイクル疲労性能の評価，鋼構造年次論文
報告集，第 30 巻，pp.468-474，2022.11
橋本信，松島俊久，三好功一，田嶋一之，金子貴司，荒井安行：吊り式設備機器の耐震支持法における静的実験（その 1,2），
日本建築学会大会学術講演梗概集，環境工学，pp.1021-2024, 2014.9
木下貴博，佐藤恭章，青井淳，森山敏彦：建築設備機器における吊りボルトの疲労破断に関する基礎的検討，日本建築学会大会学術講演梗概集，構造Ⅰ,pp.1049-1050, 2019.9
日本規格協会：JIS ハンドブック ねじ 1963，1963 年
日本規格協会：JIS ハンドブック 4-1 ねじⅠ， 2022 年-6-固体中の量子重ね合わせ状態のダイナミクス
東京工業大学科学技術創成研究院フロンティア材料研究所

１

中村一隆

はじめに

量子重ね合わせ状態は量子力学特有の状態であり，量子コヒーレンスやエンタングルメントと密接に関連しており，量子情報通信や量子コンピュータなどの新しい量子技術の基礎となっているものです。しかし，固体物質中において量子重ね合わせ状態は急速に失われてしまうため，そのダイナミク
スを明らかにするためには，超速速の時間分解計測が必要である。
２

研究目的

本研究課題では，フェムト秒光パルスで励起される，電子状態やフォノン状態における量子重ね合わせ状態の超高速ダイナミクスを，フェムト秒時間分解領域分光実験および理論研究により明らかにすることを目的とする。
３

研究成果

固体に超短光パルスを照射することで，フォノン状態の重ね合わせ状態を発生させ，その時間発展を反射率の時間変化として検出することができる。通常，フェムト秒パルスを用いたポンププローブ型
計測が行われ，プローブパルスの反射光強度が時間遅延の関数として，コヒーレントに振動（コヒーレントフォノン振動）する。この振動の振動数や強度変化を調べることで，フォノンの振動数やデコヒーレンス時間を調べることができる。われわれの研究グループでは，GaAs 半導体単結晶や炭素材
料についてフェムト秒時間分解領域分光実験を行い，コヒーレントフォノン計測や量子経路干渉実験を行なっている[1,2]。そこで得られた実験結果の解析と解釈を行うために，量子モデルを用いた理論研究を行なった。特に，コヒーレンスの消失する過程のダイナミクスを取り扱うために，量子開放系
を考え，量子マスター方程式を導入した数値計算を行えるようにした[3,4]。
GaAs 単結晶を対象として理論モデルを考えた。注目する系は，電子２準位系（基底状態と励起状
態）と調和振動子系の結合系を考え，電子フォノン相互作用を取りいれた。光パルスによる電子遷移には電気双極子相互作用と回転波近似を用いた。フォノン状態は，調和振動子のフォック状態で展開した。また，本研究では多粒子系の立場から電子状態の位置付けを行なった。基底状態は価電子帯が全て電子で埋まっていて伝導帯が空の状態，励起状態は価電子帯の電子がひとつ伝導帯に励起された状態として，電子の生成消滅演算子を用いて定義した。状態の時間発展は，Lindblad 型量子マスター
方程式を用い，QuTip パッケージ[5]を用いて計算した。この計算では，位相緩和を取り込むことができるとともに，われわれのグループがこれまで行なってきた２次摂動計算を超えた計算ができ，励起パワー依存性を計算することができるようになった。
共鳴条件で光励起したとき，光吸収経路により励起状態で生成したコヒーレントフォノン強度が励起パワー密度に線形に依存する領域において，ラマン経路により基底状態で生成したコヒーレントフ
ォノン強度はサブリニアに増加し，飽和に近づいていく傾向が得られた。また，ダブルパルス励起による量子経路干渉の計算を行うと，ラマン経路では，ポンプポンプ時間遅延がゼロ近傍で強度の飽和が得られることが示され，これまでの実験結果と整合性の良い計算結果が得られた。また，実験で得られる量子経路干渉の干渉パターンがラマン経路による場合の干渉とよくあっていることも示され

-7-

た。
本研究で行なったモデルは，他の結合量子系にも応用可能であり，光学フォノンとプラズモンの結合状態のコヒーレント振動計算も行えるようになってきている。

４

ま と め

電子２準位系と調和振動子を用いた量子モデルハミルトニアンと Lindbald 型量子マスター方程式を用いて，コヒーレントフォノンダイナミクスの計算を行なった。共鳴条件での GaAs における光学フォ
ノン強度の励起強度依存性を計算し，ラマン経路におけるフォノン生成の方が光吸収経路よりも低い強度で飽和に近づくことを明らかにした。構築した量子モデルは，他の結合量子系にも適用できるものと期待される。

参考文献
1) K. G. Nakamura et al., Phys. Rev. B 99 (2019) 180301(R).
2) I. Takagi et al., Phys. Rev. B 107 (2023) 184305.
3) I. Takagi et al., Solid State Commun., 373-374 (2023) 115316.
4) K. G. Nakamura and I. Takagi, in Progress in Ultrafast Intense Laser Science XVII, Topics in Applied
Physics 151, Springer (in press)
5) J. R. Johansson et al., Comp. Phys. Comm. 184 (2013) 1234, and Comp. Phys. Comm. 183 (2012)
1760.

-8-

元素戦略にもとづく機能材料の開発
東京工業大学 フロンティア材料研究所

１

平松秀典

はじめに
資源に乏しい日本において、ありふれた元素からなる物質から有用な機能性を引き出していくことは極めて重要であり、このような視点から社会に寄与することが求められている。本課題では、エレクトロニクスを中心とする様々な有用な機能性材料の実現を目指し、ありふれた元素をベースに物質開発を行う。研究手法としては、バルクおよび薄膜などの試料作製に加え、試料の構造的、および電子的観測、さらに理論的な解析も含む。

２

研究目的
地球上の大気の約 80%を占める最もありふれた元素である「窒素」に着目し、有望な窒化物の機能発現を目的とした。具体的には、現在、強誘電体を光吸収層に用いた太陽電池応用には BiFeO3 などのペロブスカイト型酸化物強誘電体が有力候補物質とされているが、これらの酸化物はバンドギャップが大
きく、太陽光の大部分を透過してしまうという本質的な課題を内包している。そのため、高効率な強誘電太陽電池応用のためには、より適切な狭いバンドギャップを有する新材料の開拓が望まれている。そういった中で、ペロ
ブスカイト型構造を有する窒化物
LaWN3

は 、 約

1.5−1.8eV 程度の適切なバンドギャップから成る半導体
的な電子構造と、約60 V/C の高い自発分極を有する分極構造（空間群：
R3c）を併せ持つことから、強誘電半導体となる可能性が示唆されていた[1]。

Fig. 1. LaWN3 エピタキシャル薄膜の成長条件最適化と構造解析。(a)薄膜成長条件として基板温度（Ts）

2021 年にアメリカとタングステン（W）スパッタカソードの電力密度（PW）を変化させた際の、得られた結晶相と成長の研究グループが、条件の関係。(b)最適化された LaWN3 エピタキシャル薄膜の面直方向の X 線回折パターン。(c)LaWN3

その薄膜試料の合00012 回折における X 線ロッキングカーブ。(d)原子間力顕微鏡を用いたエピタキシャル薄膜表面像。
−(e)サファイア面内に沿った LaWN3 エピタキシャル薄膜の X 線回折パターン。(f) LaWN3 3030 回折と−成に初めて成功しサファイア 3030 回折の面内対称性。(g)サファイア基板と LaWN3 エピタキシャル薄膜の面内のエピタ

たが、試料が高キャ

キシャル関係。

-9-リア濃度の多結晶体であったことから、圧電性の観察のみに留まり、期待されている強誘電性の分極反転の観察には至っていない[2]。
また、2022 年には東工大のグループが 5 GPaの超高圧を使った多結晶体の合成に成功したが、こちらも期待されていた強誘電体特性の報告には至らなかった[3]。そこで本研究では、高品質 LaWN3 エピタキシャル薄膜を c
面サファイア単結晶基板上に作製し、その光電子輸送特性を評価し、強誘電性の観察を目
指した。

３

研究成果

Fig. 2. LaWN3 エピタキシャル薄膜の電気伝導度（σ）の温度依存性。挿入高周波マグネトロンスパッタリングガ

図は、室温における熱起電力測定結果。

ンを採用したマルチカソード
システムを用いて、Fig.1(a)に示
すように様々な基板温度と W
カソードの電力密度で試料を作製することで、LaWN3 相が得られる成長条件を探索した。詳細な構造解析（Fig.1(b)−1(f)）から、LaWN3 エピタキシャル薄膜
は Fig.1(a)の赤色領域で示される 1000 度以上の高温で得られることがわかった。サファイア
基板と得られた LaWN3 薄膜の間のエピタキシャル関係をFig. 3. LaWN3 エピタキシャル薄膜の室温における(a)光吸収スペクトルと(b)分光エリプソメト
リーによって得られた光学スペクトル。(a)の挿入図は試料の写真。

Fig.1(g)に示す。Fig.1(e)の面内回−折パターンでサファイア 112 0−

回折と LaWN3 3030 回折が観察されたことから、LaWN3 ドメインは面内においてサファイアに対して30 度回転してヘテロエピタキシャル成長していることが明らかになった。
得られた LaWN3 エピタキシャル薄膜に対して室温で Hall 効果測定を行った結果、既報[2]と同様に
約 2×103 S/cm の高い電気伝導度（σ）と約 2×1022 cm−3 の高い電子濃度を有することがわかった。さらに、σ の温度依存性（Fig. 2）から、σ が温度に対してほとんど変化しない縮退半導体となっていることも明らかになった。
Fig.3 は得られた LaWN3 エピタキシャル薄膜の光学スペクトルである。約 1.8 eV の光学ギャップを明らかにし、近赤外光領域において、高濃度電子に由来する自由電子吸収（FCA）を観察した。このFCA を反映して、試料は黒色であった（Fig.3(a)挿入図）。
以上のように、LaWN3 薄膜が金属的な縮退伝導を示したことから極低温（<2 K）における電気抵抗- 10 -

率を調べた。その結果（Fig. 4）、約 0.7 K において超伝導転移を観測した。期待された強誘電性の観測には至らず、対照的に高電子濃度と超伝導転移を観測した原因として、W やN の化学組成ずれが考えられる。そのため、より高品質な試料を実現する薄膜成長条件の更なる最適化や、全く異なる作製プロセスの開拓が強誘電性発現のための課題となる。

４

ま と め
大気の約 80%を占める最もありふれた元素である「窒素」に着目し、強誘電半導体とFig. 4. LaWN3 エピタキシャル薄膜の極低温における電気抵抗率（ρ）のして有望と期待されているペロブスカイト

温度依存性。外部磁場依存性から、約 0.7 K における急峻な ρ の変化型構造を有する窒化物 LaWN3 のヘテロエピ

は超伝導転移を示す。

タキシャル成長に初めて成功した。期待された強誘電性の観測には至らず、それとは対照的に 1022 cm−3 台の非常に高い電子濃度と、縮退伝導に加え、超伝導転移も観測した [4]。期待通りの特性に至らなかった原因として、W や N の化学組成ずれが考えられる。そのため、より高品質な試料を実現する成長条件の更なる最適化や、全く異なる作製プロセスの開拓が今後必要不可欠になると考えている。

参考文献[1] Y. W. Fang, C. Fisher, A. Kuwabara, X. W. Shen, T. Ogawa, H. Moriwake, and E. Huang, Lattice dynamics
and ferroelectric properties of the nitride perovskite LaWN3. Phys. Rev. B 95, 014111 (2017).
[2] K. R. Talley, C. L. Perkins, D. R. Diercks, G. L. Brennecka, and A. Zakutayev, Synthesis of LaWN3 nitride
perovskite with polar symmetry. Science 374, 1488–1491 (2021).
[3] S. Matsuishi, D. Iwasaki, and H. Hosono, Synthesis of perovskite-type LaWN3 by high-pressure solid-state
metathesis reaction. J. Solid State Chem. 315, 123508 (2022).
[4] K. Hanzawa and H. Hiramatsu, Heteroepitaxial Growth, Degenerate State, and Superconductivity of
Perovskite-Type LaWN3 Thin Films. ACS Appl. Electron. Mater. 5, 2793 – 2798 (2023).

- 11 -

Quantum Dynamics of Charge and Spin Orders
in Highly Correlated Electron Systems
Dragana Popović
National High Magnetic Field Laboratory
Florida State University
1. Team Members
Tokyo Institute of Technology: T. Sasagawa
National High Magnetic Field Laboratory: B.K. Pokharel, Y. Wang, J. Jaroszynski,
J. Terzic, Z. Shi, P.G. Baity
2. Introduction & Aims of Research
In all families of carrier-doped highly correlated electron systems, charge and spin density
modulations/orders are observed, but their relevance for the unconventional properties such as
high-temperature superconductivity, pseudo-pap behavior of metallic states, and so on, is still
an open question. Although detecting charge/spin-ordering fluctuations has been a challenge
because of the remarkable stability of them and their short-range nature, both believed to be
due to the pinning by disorder, they have been reported recently in several systems over awide range of doping. However, relatively little is known about their quantum dynamics.
In order to study the quantum dynamics of charge/spin-orders in highly correlated electron
systems, we developed a technique in which electrical pulses were applied to drive thecharge/spin-orders out of equilibrium and their response was studied using electrical transportmeasurements. We studied single crystals of a cuprate high temperature superconductor
La1.48Nd0.4Sr0.12CuO4, in which charge-order (CO) is in the form of stripes. The striped CO is
stabilized by the anisotropy within the CuO2 planes that is present only in the low-temperature
tetragonal crystallographic phase, and the onset of the static CO occurs at T ~ 71.65 K in
La1.48Nd0.4Sr0.12CuO4.
3. Results
We apply electric pulses multiple times. Fig. 1(a) shows the data obtained with τ = 2.5 ms,
Ip = 4 mA pulses applied four times. The first three pulses cause observable drops in thec-axis resistance Rc, and further pulse application does not result in any change of Rc. This
provides evidence that an electric pulse causes predominantly nonthermal effects. To explore
the conditions necessary to overcome the thermal regime, we determine both the first drops
and the “residual drops”, i.e., ΔRc produced by all subsequent pulses, as a function of Ip for a
fixed τ [Fig. 1(b)] and vice versa [Fig. 1(c)]. In both cases, we see similar behavior: the first
and total drops increase rapidly with Ip (and τ), followed by a much weaker dependence orquasi-saturation at high Ip (and long τ). Finally, by using multiple-pulse current injection in
the regime where nonthermal effects dominate, we probe the current-induced resistive- 12 -

metastable states as a function of T. We find that the first, residual, and total drops all have a
sharp peak at T = TCO ~71.65 K and that the drops are observed only in the warm-up case[Fig. 1(d)].
Our study of the pulsed current injection has revealed that there is indeed a thresholdenergy that needs to be injected into the system to induce switching into another resistive
metastable state. The results are consistent with the pinning of the fluctuating CO, withfluctuations becoming weaker away from the transition, in agreement with general
expectations. Thus, our experiment establishes pulsed current injection as a viable andeffective method for probing the charge-order dynamics in various other materials.

Figure 1 (a) Multiple identical pulses applied at T = 71.65 K in a warm-up process, generating multiple
drops in in the c-axis resistance Rc. The first ΔRc drop is marked as the “first drop”, and the rest aremarked as the “residual drop”. On applying the pulses many times, Rc does not change anymore and thesum of all the resistance drops is marked as the “total drop”. The first, residual, and total drops at T =71.65 K vs (b) Ip for τ = 2.5 ms, and (c) τ for a fixed Ip = 20 mA. (d) The drops obtained after applying 8
μs, 80 mA current pulses multiple times at various temperatures. All the drops show a peak at T = TCO ~71.65 K.

[1] Z. Shi, P.G. Baity, J. Terzic, B.K. Pokharel, T. Sasagawa, and D. Popović, Nature
Commun. 12, 3724 (2021).
[2] B.K. Pokharel, Y. Wang, J. Jaroszynski, T. Sasagawa, and D. Popović, Appl. Phys. Lett.
118, 244104 (2021).
[3] Z. Shi, P.G. Baity, J. Terzic, T. Sasagawa, and D. Popović, Nature Commun. 11, 3323
(2020).
[4] Z. Shi, P.G. Baity, T. Sasagawa, and D. Popović, Science Advances 6, eaay8946 (2020).

- 13 -

High-pressure growth and multiple structural phase transitions of Pb2NiWO6
single crystal with possible negative thermal expansion
Project Coordinator Name: Youwen Long (Insititute of physics, CAS)
Affiliation: Masaki Azuma
１ Introduction
Double perovskite oxides A2BB'O6 have attracted much attention in recent years for their interesting physicalproperties, such as magnetoelectric multiferroicity, half metallicity, and negative thermal expansion. Comparedwith polycrystalline samples, single crystals are more conducive to exclude external factors, such as grainboundary effects, and thus obtain intrinsic properties. Recently, we have successfully prepared high-quality
Pb-based B-site ordered double perovskite Pb2NiWO6 single-crystal and polycrystal samples using highpressure and high-temperature methods. Pb2NiWO6 crystallizes into a cubic structure with the space group
Fm−3m at room temperature. The bond valence sum calculations and X-ray absorption spectroscopy indicatethat the charge combination is Pb22+Ni2+W6+O6. An antiferromagnetic phase transition was found to occur at
30 K by specific heat and dc susceptibility measurements. Surprisingly, the X-ray diffraction data at different
temperatures and dielectric constant tests show that Pb2NiWO6 undergoes multiple structural phase transitions
at low temperatures. Although the detailed process of structural phase transition is still unclear, a ferroelectricphase was found below 150 K. In addition, as is well known that ferroelectric structure phase transition isusually accompanied by a large negative thermal expansion, so the negative thermal expansion in Pb2NiWO6
is worth expecting. In this CRP-A project, we plan to measure the temperature dependent X-ray diffraction and
Synchrotron X-ray diffraction at lower temperature to study the effect of temperature on the crystal structure.
Besides, we will also verify the negative thermal expansion phenomenon through structural refinement anddetermine the driving force of phase transition by Synchrotron X-ray diffraction experiments.
Our research group (group leader: Prof. Youwen Long) is specialized for high-pressure synthesis and related
physical property study in the Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences. Prof. Masaki Azuma, whois the host of this cooperation research at MSL, can provide synchrotron-based spectroscopy studies. Bothgroups have a long-time collaboration in high-pressure science and technology fields, as well as spectroscopy
measurements. Actually, we have already completed several CRP projects of charge transfer and physicalproperty studies of PbCoO3 in 2018, high-pressure synthesis of PbFeO3 in 2019, high-pressure synthesis of
CaFe3Ti4O12 in 2021 and negative thermal expansion of antiferroelectric Pb2CoMoO6 in 2022. Novel results
are found in these compounds, resulting in some high-impact scientific journals such as Nature
Communications, Journal of the American Chemical Society and Small. In conclusion, based on our close
collaboration in recent years, a series of interesting original results are highly expected to be obtained by thepresent collaborative research project (Category A) on Pb2NiWO6.

- 14 -

２ Aims of Research

Double perovskites with two cations occupying B-site orderly gained an increasing amount of interest in
recent years due to their interesting properties and possible applications. In the B-site ordered double
perovskites A2BBO6, the twelve-coordinated A-site is occupied by a large cation, such as alkali metals,
alkaline earth metals and rare earth ions, while 3d, 4d or 5d transition metal ions orderly occupy the sixcoordinated B/B-site. Notably, Pb-based double perovskites Pb2BBO6 hold a special position amongferroelectric and antiferroelectric materials because of the stereochemical activity of Pb2+ ion and the existenceof oxygen octahedral sublattices. In addition, the ionic displacement and octahedral tilt can take place with thechange of temperature or pressure, which will trigger a series of structural phase transitions. However, thevolatilization of Pb and the formation of pyrochlore impurities increase the difficulty in the synthesis of singlecrystal and polycrystalline samples for Pb-based double perovskites. High-pressure and high-temperature andmethods can effectively avoid these problems. Herein, we investigated the growth, crystal structure evolution
and related physical properties of Pb-based double perovskite Pb2NiWO6 in detail. The propose of this projectis aimed to prepare high-quality Pb2NiWO6 single crystals by high-pressure and high-temperature methods,
and understand the relationship between structure and properties.
３ Results
Firstly, we tried to use high-pressure and high-temperature method to synthesize high-quality and large size
Pb2NiWO6 single crystals. High-purity (>99.9%) starting materials of PbO, NiO and WO3 powders were used.
After high-pressure and high-temperature treatment, Pb2NiWO6 single crystals with the size of about 300 μm
were obtained (see Figure 1).
In order to analyze the process of structural evolution of Pb2NiWO6, temperature-dependent Synchrotron Xray diffraction (SXRD) was performed using a large Debye-Scherrer camera installed at beamlines BL02B2 (λ= 0.41987 Å) of SPring-8 in a wide window from 5.7 to 300 K. As the temperature decreases, Pb2NiWO6
undergoes a series of low-temperature structural phase transitions. As shown in Figures 2 and 3, there are threeobvious diffraction peaks separating at 280 K, 250 K and 160 K, indicating three structural phase transitions
occur during the cooling. Further indexing based on the SXRD shows that Pb2NiWO6 may undergo structural
evolution from cubic to monoclinic. Then, the structure refinements were performed by the Rietveld method
using the GSAS program to examine the crystal structure of Pb2NiWO6. As shown in Figure 4 (a), Pb2NiWO6
crystallizes into a tetragonal structure with the space group I4/m at 280 K. From 270 K to 160 K, the symmetryof Pb2NiWO6 further decreases. The space group may be Immm (see Figure 4 (b)). Below 160 K, theferroelectric phase begins to appear. The space group of this ferroelectric phase is Pc.

- 15 -

Figure 1. SXRD patterns for Pb2NiWO6

Figure 2. SXRD patterns for Pb2NiWO6

between 5.7 and 300 K.

between 5.7 and 300 K.

Figure 3. Enlarged SXRD patterns for Pb2NiWO6 between 5.7 and 300 K.

- 16 -

Figure 4. Powder SXRD pattern and refinement results at (a) 280 K and (b) 250 K for Pb2NiWO6.
４ Conclusion / Summary
High-quality single-crystal Pb2NiWO6 samples were prepared at high-pressure and high-temperature. As thetemperature decreases, Pb2NiWO6 undergoes three low-temperature structural phase transitions at 280 K, 250
K and 160 K. Pb2NiWO6 crystallizes into a Fm-3m cubic phase at 300 K, and changes to a tetragonal structurewith the space group I4/m at 280 K. From 270 K to 160 K, the symmetry of Pb2NiWO6 further decreases. The
space group may be Immm. Below 160 K, the ferroelectric phase begins to appear. The space group of thisferroelectric phase is Pc. Pb2NiWO6 exhibits interesting low-temperature structural evolution andmagnetoelectric properties, providing a desirable material system for studying the relationship between
structure and physical properties.

- 17 -

(Enhancing seismic behavior of timber structures)
Project Coordinator Name: Andreea CASUTA
Affiliation: Technical University of Civil Engineering Bucharest
１ Introduction
Romania is a country with moderate to high seismic activity, and even if big earthquakes occur every 40-50
years, they are not as often as in Japan, thus population is not so aware of the seismic danger. Basically, theearthquake occurs once or twice in a lifetime for one person. The last big earthquake was in 1977, so recently
Romania started to prepare for the next earthquake. Within this objective, a governmental collaboration wasestablished between Romania and Japan, generated by the research collaboration between UTCB and Tokyo
Institute of Technology. The project theme focuses on timber frame structures, as Romania and Japan have
many houses within this typology. This year’s focus was on traditional houses with timber frame and different
types of infills.

２ Aims of Research
The purpose of the project is to share information on the seismic behavior of timber structures researched inboth Romania and Japan and to exchange successful practices applied for such structures for seismic resistance.
Continuing the collaboration, 2 doctoral students exchange was done, thus two students from Kishiki Lab
joined the Romanian research project called “Appropriate strengthening methods for traditional paiantă houses”
for three months. Within this project, experimental tests were conducted on walls, connections and materials
for houses with timber frame structure and different types of infills: burned mud brick masonry, wattle anddaub, earth and straw, AAC bricks, timber logs (Fig. 1).
A series of 16 walls were tested in-plane in a static cyclic regime. The specimens’ layout is shown in Table 1.
Most of the walls were first tested without strengthening and after that, strengthening was applied, and thenthey were tested again, to check the effectiveness of the solution as it would be in the real situation after anearthquake.
The envelope curves obtained from the tested un-strengthened walls are shown in Fig. 2.

- 18 -

Fig. 1 – Types of infills that were tested- 19 -

Table 1 List of test specimens
Specimen name

S1-a

Configuration

Infill type

RemarkSpecimen nameNone

For monotonic
loading

S6-a

S1-b

None

For cyclic loading

S6-b

S2

None

Cross-section ofelements is
100x100 mm

S7

S3

None

None intermediary
post

S8

S4-a, S4-b, S4-c

Fired earth brick(230 x 60 x 110mm)

The mortar has
only clay, sandand water

S9-a, S9-b

S5-a, S5-b, S5-c

Horizontal strips
and earth mixed
with staws

Dimension
50 x 22 x 2000mm

Configuration

Fig. 2 – Envelope curves of all the tested un-strengthened walls- 20 -

Infill type

Remarkwattle and daubLong diagonals
connected with
nails

Small diagonals
connected to thewattle and daubpost in a steppedjoint
The connections
between theNonediagonals and theframe are made in
Autoclaved
AAC brickaerated concrete
Dimension(AAC) brick
599 x 100 x 200
masonrymm
Timber logs with a
120x1200 mm
creoss section-

３ Results
Within the work done during this last year, both Romanian and Japanese professors collaborated
successfully, and sent a paper that was also accepted at the World Conference on Earthquake Engineering in
2024,to be held in Milan, Italy. The co-authors of the paper included both prof. KISHIKI and Prof. DUTU, butalso PhD students of Kishiki lab, Mr. Ichiro HIRANO and Mr. Sometrey MEY.
Two journal papers will be submitted with the experimental results.

４ Conclusion / Summary
The collaboration between Tokyo Institute of Technology and Technical University of Civil Engineering
Bucharest is beneficial for both. For the Japanese university due to the opportunity to promote their knowledge
to foreign countries and for the Romanian university due to the opportunity to improve the research andengineering practices.

- 21 -

Development of Seismic Resilient Technologies for Pile-supported Wharves
Project Coordinator Name:CUI YaoAffiliation: Dalian University of Technology, Faculty of Infrastructure Engineering, School of Civil
Engineering, Institute of Structural Engineering
１

Introduction

Pile-supported wharves are a fundamental structural form in ports, consisting primarily of decks and piles. As
pivotal maritime transportation hubs, the construction and operation of pile-supported wharves play a crucialrole in fostering domestic and global trade growth. However, the escalating seismic activity worldwide has led
to varying degrees of damage to wharf pile foundations in previous earthquakes [1, 2].
Current seismic design codes [2-4] typically focus on controlling the horizontal displacement response of thewharf by pile ductility design. Nevertheless, such design philosophy tends to underestimate the stiffness
concentration effect of inboard piles or batter piles. To mitigate ductile damage and the stiffness concentration
effect in pile foundations, the implementation of wharves with the seismic isolation system (SISW) have been
imposed [5]. However, research on SISW has thus far been limited to case studies, and a systematic
performance-based seismic design (PBSD) method has not been proposed. Therefore, this study proposesseismic objectives for SISW based on ASCE 61-14 [4] and presents a two-stage PBSD method for SISW.
Finally, the effectiveness of the proposed design method for SISW is demonstrated and validated through adesign case.
２

Aims of Research

Existing research on SISW lacks clear design methods and fails to effectively integrate with seismic
performance objectives. Therefore, this study presents a Performance-Based Seismic Design (PBSD) method
for SISW that combines multiple levels of seismic objectives. Subsequently, the PBSD method is applied to areference facility, and its seismic performance is evaluated.
３

Results

3.1 Seismic Performance Objectives for Wharf with Seismic Isolation System
The ASCE Code "Seismic Design of Piers and Wharves (ASCE 61-14)" [4] establishes the minimum
seismic hazard and performance requirements, specifying the performance levels of wharves according todifferent design classifications and seismic levels. In line with ASCE 61-14, this study presents the design
objectives for SISW as outlined in Table 1.

- 22 -

Table 1 Design objectives for SISW
Seismic level
Probability of exceedance
DesignH2classification H1
H0

Operatinglevelearthquake（OLE）
50%/50 years
Minimal damage
Minimal damage

Contingency
levelearthquake（CLE）
10%/50 years
Minimal damage
Minimal damage

Minimal damage

Controlledandrepairable damage

Maximum
considered
earthquake（MCE）
2%/50 years
Minimal damage
Controlled and repairable
damageLife safety protection

3.2 Performance-Based Design Method for Wharf with Seismic Isolation System
This study proposes the isolation bearing Arrangement and the a two-stage design method for SISW, as
illustrated in Fig. 1. The isolators should be arranged in a manner that ensures balanced lateral stiffness of eachpile in the transverse row, distributing the seismic demands evenly among all piles. The design process consistsof two stages: CLE level and MCE level. The design parameters of the isolation bearings are determined using
the linear response spectrum method for the CLE level, while nonlinear time history analysis is employed toverify the deck displacement for the MCE level.

(a) Seismic isolation bearing arrangement(b) PBSD method for SISW

Fig. 1 SISW construction and design method
3.3 Seismic Performance Evaluation of wharf with seismic isolation system
This section establishes a numerical model for a non-isolated wharf (with the same model size, pile foundationmaterial, and modelling method as the SISW) to conduct time history analysis at CLE and MCE levels. The
dynamic response results of the SISW are compared to discuss the differences between them in pile bending
moment.
Fig. 2 present the distribution of bending moments in the piles at the peak displacement moments for the two
types of wharves. In the SISW, all piles remain within the design elastic limits, while the outboard piles D and
E of the NIW enter the plastic stage during the MCE levels. By balancing the stiffness of transverse piles, the
SISW increases the proportion of seismic demand shared by the outboard piles, reduces the bending moment
demand on the inboard piles, prevents short pile failure, and promotes balanced resistance of the wharf pilegroup against seismic action.

- 23 -

piles A and B

piles C、D、E

Fig. 2 Comparison of pile bending moments (piles C、D、E) at the moment of maximum displacement
for two types of wharves (Wave Hollister, MCE level results only)
References[1] Chang S. Disasters and Transport Systems: Loss, Recovery and Competition at the Port of Kobe After the
1995 Earthquake. J Transp Geogr 2000;8:53–65. https://doi.org/10.1016/S0966-6923(99)00023-X.
[2] Working Group No. 34 of the Maritime Navigation Commission International Navigation Association.
Seismic Design Guidelines for Port Structures. California: A.A. BALKEMA; 2001.
[3] Overseas Coastal Area Development Institute of Japan (OCDI). Technical Standards and Commentaries
for Port and Harbour Facilities in Japan. Tokyo: OCDI; 2009.
[4] American Society of Civil Engineers. Seismic Design of Piers and Wharves (ASCE/COPRI 61-14)-1.
Virginia: American Society of Civil Engineers; 2014. https://doi.org/10.1061/9780784413487.
[5] Mito M, Uwabe T, Kitazawa S, Makabe T, Nakahara T. The Shaking Table Tests and Seismic Response
Analysis on the Pier with Isolation System. Proceedings of Civil Engineering in the Ocean 2000;16:469–74.
https://doi.org/10.2208/prooe.16.469.
４

Conclusion

This work introduces a performance-based seismic design (PBSD) method for wharves with the seismic
isolation system (SISW). Subsequently, a reference wharf is designed using the proposed method, and its
seismic performance is numerically investigated. The specific findings are as follows:(1) Performance-based seismic objectives for SISW are established, and a two-stage PBSD method for SISW
is proposed. In the first stage, the design for the CLE level is based on the elastic response spectrum method,with a focus on determining the design parameters of isolation bearings to achieve uniform pile stiffness. In
the second stage, displacement verification is conducted for the MCE level through time history analysis.
(2) Through the seismic performance investigation of a reference wharf employing the proposed PBSD method,
the following conclusions are drawn:
1) SISW, using piles of the same specifications, achieves a higher fortification level than non-isolated wharves(NIW), attaining "minimal damage" objectives at the CLE level and "controlled and repairable damage"objectives at the MCE level.
2) SISW avoids "short pile failure" caused by increased stiffness in inboard piles compared to NIW, and thedesign principle of uniform pile stiffness enables transverse piles to collectively resist seismic action.

- 24 -

Seismic damage assessment of RC buildings via Operational Modal Analysis(OMA)
Project Coordinator Name: Marco Di Ludovico
Affiliation: University of Naples Federico II
１ Introduction
One of the most controversial problems in the aftermath of damaging earthquakes is the lack of agreed andtransparent policies for assessing the safety levels and reparability of structures and infrastructure. Indeed, thetechnical difficulties for assessing the safety level of damaged buildings prevent the development of sound andagreed re-occupancy criteria in the aftermath of an earthquake. As a matter of fact, apart from the Japanese
Guidelines for post-earthquake damage evaluation, in most of the building tagging procedures which areapplied after relevant seismic events the post-earthquake safety level is only evaluated by visual inspections,with expert judgements of damage level, extension and related building usability. With the technical advancesin sensor, computation, and communication systems as well as developments in sophisticated signal processing
and system identification algorithms, structural health monitoring (SHM) has emerged as a promisingtechnology-driven solution for the rapid damage assessment of civil infrastructure. Output-only modal
identification, also known as Operational Modal Analysis (OMA), has attracted attention among researchers
as a valid approach for measuring modal parameters for updating finite element (FE) models and digital twins,providing acceptable accuracy in structural analysis results.
２ Aims of Research
A quantitative damage assessment of buildings is essential for the reparability of existing structures after aseismic event. This project investigates the use of Operational Modal Analysis (OMA) for assessing andquantifying the damage level of reinforced concrete (RC) structures after an earthquake. Following the resultsfrom the previous CRP 2022, the project assesses through numericalanalyses the correlation between seismic damage level andvariations in modal properties of structures. To this aim, a refined
finite element model validated on experimental results has been
built for reinforced concrete frames and buildings with masonry
infilled walls, widely adopted in the Mediterranean regions. A
methodology

forderiving

thresholdvaluesfordamageidentification and quantification has been developed using thesoftware OpenSees to assess the correlation between frequency
variation and seismic damage level for increasing ground motion
intensity.
Figure 1. Numerical model.

- 25 -

３ Results
A pprobabilistic damage assessment has been conducted on a dataset of 100 3D RC bare frames withgeometrical and mechanical parameters typical of Mediterranean residential buildings.

A seismic damage scale compatible with the EMS 98 has been selected and fragility curves
expressing the probability of exceedance of a certain damage level as a function of thevariation of the natural frequency of the frame have been derived, as reported in Figure 2.

Figure 2. Damage scale and fragility functions for the natural frequency variation.

４ Conclusion / Summary
A methodological framework has been developed to correlate the variation of natural frequency of
structures in relation with an occurred damage. Natural frequency variations due to seismic damage havebeen experimentally measured on full-scale infilled RC frames subjected to pseudo-dynamic tests, and FE
models validated against experimental data are able to reproduce the natural frequency variation as a functionof damage to structural components. Probabilistic damage assessment has been performed to produce
fragility functions that correlate the frequency variation with the probability of occurrence of different
damage levels. Such functions can be adopted for a fast damage assessment based on the acquisition of datafrom vibration-based SHM systems. Future works will include different sources of uncertainties for a better
definition of fragility functions for infilled RC frames.

- 26 -

Assessment of Modeling Techniques for RC Beam–Column Joints Subjected
to Cyclic Loading
Project Coordinator Name: H. A. D. Samith Buddika
Affiliation: Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, University of Peradeniya
１ Introduction

Beam–column connections are the most critical components of reinforced concrete (RC) structures. Joints
in RC structures constructed with no seismic provisions have an insufficient capacity and ductility underlateral loading and can cause the progressive failure of the entire structure. Therefore, several modelingtechniques have been devised in the past to capture the non-linear response of such joints. Modelingtechniques used to capture the non-linear response of reinforced-concrete-beam–column joints range from
simplified lumped plasticity models to detailed fiber finite element (FE) models. The macro-modelingtechnique is highly efficient in terms of the computational effort, analysis time, and computer memory
requirements.

Although macro-models excel in forecasting global responses, they lack the capability tosimulate local responses. On the other hand, detailed finite element (FE) models have the ability toforecast both global and local responses of structures. Nevertheless, they demand significant computation
effort, analysis time, and computer memory resources. In this study, multi-spring models and detailed FE
models of beam-column joint region will be developed and validate with the full-scale cyclic results data
available in the Kono Laboratory at Tokyo Institute of Technology. As each model is critically evaluated,
and their respective capabilities and limitations are explored, it should help researchers to improve andbuild on modeling techniques both in terms of accuracy and computational efficiency.
２ Aims of ResearchExamination of macro-modeling methods and detailed finite element modeling techniques for
RC beam-column joints



Critical assessment of the strengths and weaknesses of each modeling technique throughsimulation benchmark dataProposal of recommendations for modeling RC Beam-Column Joints under Cyclic Loading

３ Results

Experimental setup and proposed numerical models with OpenSees and ABAQUS is shown in Figure 1.
The specimen is subjected to reverse cyclic loadings. This section discusses the results from the multispring models with OpenSees and detailed FE models with ABAQUS software.

- 27 -ABAQUS model
Figure 1. Experimental setup with proposed macro element model (OpenSees) and detailed FE model (ABAQUS)

Three selected bond models (JSCE 2005; Braga-CEB-FIP 1990; Zuo 2000) are considered for macro element
model in OpenSees. In ABAQUS, surface based cohesive behavior bond model together with concrete damage
plasticity model used to simulate the bond slip behavior in reinforced concrete. In ABAQUS, concrete damage
plasticity parameters were selected after simulating pullout experimental tests available in the literature (Figure3). Comparisons of global response from OpenSees with experimental data shown in Figure 2. Comparisonsof global response from ABAQUS with experimental data shown in Figure 5.

Macro-model with Brage, JSCE

Macro-model with Brage, CEB-FIP

Macro-model with Zuo

Figure 2. Comparison of experimental results versus numerical results for OpenSees software

Figure 3. Finite element results for Pull out test-Lettow andFigure 4. Stress distribution along the steel

Eligehausen (2003) in ABAQUS

concrete interface S11 from ABAQUS- 28 -

Macro model incorporating Braga with bond strength given in JSCE code most appropriate in predicting the
global response of beam-column joint under cyclic loading. On the other hand, macro models cannot be used
to understand the local deformation behavior and stress distribution in the plastic hinge region. The ABAQUS
model was very mush capable of predicting the pull out behavior cylinder specimens available in the literature.
However, in this study, ABAQUS model is found to be time consuming and encounter numerical errors whenmodeling the full-scale beam-column model under cyclic analysis. The Figures 5 show strain results obtain for
main reinforcement and second stage reinforcement. Note, ABAQUS model results are available up to 1.10%
drift only.

ABAQUS model results

Strain (μ)versus drift angle (R) of main

Strain (μ)versus drift angle (R) of

reinforcement from ABAQUS

second stage main reinforcement fromABAQUS

Figure 5. Comparison of experimental results versus numerical results for ABAQUS FE Software
４ Conclusion / Summary
The OpenSees macro models are found to be capable of simulating the global response of the structure undercyclic loading. OpenSees model incorporating Braga with bond strength given in (JSCE code) accurately
predict the bar pullout stress under cyclic loading. The model building and analysis is duration is significantly
smaller compared. A 3D finite element model was introduced using Abaqus software, to simulate the behavior
of Reinforced Concrete Beam-Column joint under static cyclic loadings.

Concrete Damaged Plasticity Modelwith given parameters is capable of modeling the bond slip behavior of reinforced concrete. Traction separation
law with surface based cohesive behavior is capable to model the bond-slip in reinforced concrete structures.
Recommended Concrete Damage Plasticity parameters in ABAQUS based on the pull out data are shown
below.

- 29 -

All-optical manipulation of charge density waves in kagome metal CsV3Sb5
Project Coordinator Name: Jianbo HU
Affiliation: Institute of Fluid Physics, Chian Academy of Engineering Physics
１

Introduction

When the Fermi energy (EF) approaches the Van Hove singularity (VHs) in electronic band structure (i.e., theso-called Van Hove scenario), electronic interactions are drastically amplified by the divergent density of states(DOS), leading to new phases of matter with exotic properties. This physical concept inspires enormous
experimental demonstrations of correlated electron phenomena and has been further utilized as an intriguing
avenue to statically engineering collective quantum phenomena in various material systems. However, an
important path forward is to dynamically tune the Van Hove scenario using an optical pulse, which may achieve
novel correlated electron phases that persist, far from equilibrium, and are inaccessible by conventional static
tuning approaches.
In this work, we utilize ultrafast coherent phonon spectroscopy to investigate the possibility of opticallymanipulating the charge density order in kagome metal CsV3Sb5. Comprehensive temperature and excitation
density-dependent coherent phonon behaviors reveal an unexpected manipulation of the CDW state withphotoexcitation, which persists over nanoseconds, is absent of threshold, and exhibits a monotonic lowering oftransition temperature (TCDW) with increasing excitation fluence.
２

Aims of ResearchThis project aims to utilize ultrafast coherent phonon spectroscopy to investigate the possibility of opticallymanipulating the charge density order in kagome metal CsV3Sb5, which is based on the nonequilibrium
perturbing the energy resonance between the VHs and the Fermi level. This will open exciting prospects for
all-optical engineering of the Van Hove scenario to tune correlated quantum phases in topology networks.
３

Results

Firstly, we have observed only one phonon mode with a frequency of ∼4.0 THz at temperatures beyond 80K
and three additional oscillation modes with frequencies of ∼1.3, ∼2.9, and ∼3.5 THz when the temperaturegoes down to 70K. From the map of FFT, three additional coherent phonon modes appear abruptly just below
a critical temperature at ∼74 K, implying that they are highly related to the CDW structural modulation, andphotoexcitation can modulate the CDW phase in CsV3Sb5. In addition, there exists a second critical transition
temperature (∼50 K), at which the frequency of the ∼3.5 THz mode undergoes a sudden discrete shift andthe amplitude of the ∼1.3 THz mode becomes heavily divergent.

- 30 -

Figure. 1. (a)Transient photoinduced coherent oscillations after subtracting the incoherent electronic response (the left panel) andcorresponding FFTs (the right panel). The curves are offset vertically for clarity. (b) Normalized two-dimensional color map of the Fouriertransform as a function of temperature and frequency. Two charge density orders with distinct transition temperatures can be resolved.

Secondly, we have conducted a three-pulse experiment to rule out that these anomalous features originatingfrom the trivial laser-induced heating effects. The experiment shows that the heat dissipation time for anindividual laser pulse is about ∼1.4ns in CsV3Sb5 at 80 K, which is much less than the 12.5 ns time interval forthe 80 MHz repetition rate. Hence, we can confirm that the photoinduced modulation of CDW states in
CsV3Sb5 is nonthermal in origin and this modulation can persist for nanoseconds.

Figure 2. Pump-pump-probe coherent phonon spectra of CsV3Sb5 at 80 K. (a) Schematic of the three-pulse experiment. The fluence ofeach pump pulse is ∼1.6μJ/cm2. (b) Normalized two-dimensional color map of transient photoinduced coherent oscillations as a functionof the pump-pump delay and the pump-probe delay.

４

Conclusion / Summary

Experiments in our work demonstrate that in kagome metal CsV3Sb5 one can effectively tune the CDW phaseby a weak laser pulse with distinct features including the absence of excitation threshold, a monotonic decreaseof TCDW with increasing fluences, and an ultraslow recovery process, which is attributed to photoexcitation
modulated energy resonance between the band fermiology and the Van Hove singularity in kagome lattices.
Our observations highlight the role of band topology in emergent electronic phenomena and may provide
enlightenment for the nonequilibrium manipulation of exotic quantum phenomena.

- 31 -

Tailoring the nature of Ni/SiO2 catalysts in the reduction of CO2
Project Coordinator Name: Yu-Chuan Lin
Affiliation: National Cheng Kung University
１ Introduction
CO2 valorization into C1 chemicals like formic acid, CO, and methanol can mitigate the impact of global
warming by replacing fossil-based processes. Most valorization routes involve reduction steps, where CO2
accepts electrons from an electron-donating reagent, typically H2. The fundamental products of CO2 reduction
are CO and CH4, originating from the reverse water–gas shift (RWGS) and the Sabatier reaction (CO2methanation), respectively. Occasionally, RWGS and CO2 methanation run concurrently with CO methanation
and reverse dry reforming. The interconnected nature of these reactions poses a challenge, particularly inlimiting methane formation to maintain high CO selectivity, as exemplified in the RWGS system.
２ Aims of Research
In this study, a RWGS-focused Ni catalyst (Ni₀.₂@S-1) was developed by reducing encapsulated Ni cations insilicalite-1 (x = 0.2 wt% and 2.0 wt%). Comparative analysis with other Ni catalysts, such as impregnationmade (Ni₀.₂/S-1) and reduced Ni phyllosilicate (Ni₀.₂@PS), revealed that Ni₀.₂@S-1 exhibited superior RWGS
activity, boasting a CO space–time yield (STYCO) of 9.7 mol gNi⁻¹ h⁻¹ and no detectable CH₄ byproduct. The
moderate strength of the Ni–O–Si bond in S-1-encapsulated Ni played a pivotal role in creating finely dispersed
Ni⁰ and Niδ⁺, along with enriched bridging oxygen of Ni–O–Si species post-H₂ reduction. Comprehensive
analysis of catalyst properties, including bulk and surface structures, was conducted alongside a mechanistic
study. The characterization results revealed that a weaker adsorption and higher adsorption energy on theNi@S-1 surface. This supports the rapid adsorption and observed high selectivity of CO, underscoring the roleof the silica framework (S-1) in tuning reduced Ni species from methanation-oriented to RWGS-oriented active
phases.
３ Results
Figure 1a illustrates the catalytic outcomes. For Nix/S-1-red catalysts, CO2 conversion (53.2–57.0%) andselectivities of CO (36.8–38.3%) and CH4 (61.7–63.2%) closely resembled reported results for 2.0 wt%
Ni/SiO2 in CO2 methanation (XCO2 = 67%, SCO = 57%, SCH4 = 43%). Conversely, varying Ni loading for
Nix@S-1-red and Nix@PS-red yielded distinct performances. At 2.0 wt% Ni loading, CO2 conversion (41.1–
55.3%) and selectivities of CO (51.0–59.2%) and CH4 (40.8–49.0%) mirrored those of Nix/S-1-red catalysts.
However, at 0.2 wt% Ni loading, Ni0.2@S-1-red and Ni0.2@PS-red achieved conversions of 41.4% and 2.6%,
respectively, producing exclusively CO (>99.9%) with undetectable methane. This underscores that the activityof the Ni catalyst is influenced by varying silica frameworks. Furthermore, the Ni content and structural- 32 -

parameters for each used catalyst closely matched its fresh form, indicating the absence of Ni leaching andagglomeration.
The impact of temperature on Ni0.2@S-1-red and Ni2.0@S-1-red was examined, as depicted in Fig. 1b,
considering an equilibrium conversion of CO2 based on gas-phase thermodynamics for RWGS andmethanation. For Ni0.2@S-1-red, CO2 conversion rose from 9.1% to 47.8% with increasing temperature,yielding solely detectable CO. Notably, at 450 and 500 °C, observed CO2 conversions closely matchedequilibrium values (43.4% and 49.6%, respectively), affirming the high RWGS activity of Ni0.2@S-1-red. In
contrast, Ni2.0@S-1-red exhibited higher CO2 conversion (46.3–58.4%) than the RWGS equilibrium line,
accompanied by significant CH4 production (60.0% to 15.2%) in the 350 to 500 °C range, indicating concurrent
RWGS and methanation processes.
Given that methane results from deep hydrogenation of *CO on Ni, increasing contact time was expected toboost methanation rates. Fig. 1c illustrates the effect of contact time (GHSV) on Ni0.2@S-1-red at 450 °C.
While extending contact time (GHSV from 12,000 to 1,500 mL gcat⁻¹ h⁻¹) enhanced CO2 conversion to reach
the RWGS equilibrium line, it did not affect methanation rates (CO selectivity > 99%). Thus, the RWGS-active
nature of Ni0.2@S-1-red was confirmed.
The durability test of Ni0.2@S-1-red is presented in Fig. 1d. The conversion of CO2 (32.3%) and CO selectivity(>99%) remained consistent over a 100-hour on-stream test, underscoring the high stability of Ni0.2@S-1-red.
Analysis of the isotherm, XRD pattern, and EXAFS profile after the 100-hour test revealed that the surface
area (357.8 m² g⁻¹), relative crystallinity (77%), and CN values of the RDF profile for the 1st Ni–O (4.76) and2nd Ni–Ni (5.09) shells closely matched those of its fresh form. The nearly unchanged structure of post-reaction
Ni0.2@S-1-red further emphasized its stability in CO2 hydrogenation.

- 33 -

Figure 1. (a) Catalytic performances of the tested catalysts in CO2 hydrogenation. Reaction conditions: T =450 °C, P = 0.1 MPa, H2/CO2 = 3, and GHSV = 6000 mL gcat−1 h−1. (b) The tests of temperature effect of
Ni0.2@S-1-red and Ni2.0@S-1-red. Reaction conditions: P = 0.1 MPa, H2/CO2 = 3, and GHSV = 6000 mL gcat−1h−1. (c) The tests of GHSV effect of Ni0.2@S-1-red. Reaction conditions: T = 450 °C, P = 0.1 MPa,

H2/CO2 = 3. (d) The 100 h on-stream test of Ni0.2@S-1-red. Reaction conditions: T = 450 °C, P = 0.1 MPa,
H2/CO2 = 3, and GHSV = 12 000 mL gcat−1 h−1.
４ Conclusion / Summary
In this study, we've harnessed the silica-confinement effect to finely adjust Ni catalyst characteristics in RWGS.
The Ni0.2@S-1-red catalyst, produced through Ni-encapsulated S-1 reduction, has shown promising results,
achieving near-theoretical CO2 conversion with exclusive CO production. This success is attributed to Lewis
acidic Ni2+ and bridging O of Ni δ + – O – Si, both exhibiting moderate CO2 adsorption strengths. CO
demonstrated weaker adsorption and higher adsorption energy on the Ni@S-1 surface than the S-1 surface.
Importantly, the potential extension of this confinement effect to other supports, such as Titanium Silicalite-1(TS-1) zeolite, is currently under investigation.

- 34 -

Lateral resistance of vertical structural elements in relation to confinement
characteristics

Project Coordinator Name:
Affiliation:
１

Marina L. Moretti

National Technical University of Athens

Introduction

Reliable estimation of the lateral resistance of vertical structural elements is most essential for theassessment of seismic capacity of existing structures and also for retrofit design. Design code principles for
new structures are appropriate for structural elements which conform to the reinforcement detailingcharacteristics prescribed by the specific code. Therefore, design equations often fail to accurately estimate
the lateral resistance of elements with different detailing. A similar shortcoming exists also in case of older
structures with inadequate transverse reinforcement in which the longitudinal bars tend to buckle in theevent of an earthquake because of sparsely spaced stirrups. Hence the need of a reliable design model ofthe estimation of lateral resistance of vertical structural elements, irrespective of the confinement
characteristics.
２

Aims of ResearchThis project aimed to study analytically the effect of the layout of confinement, both in-height and in-plan,on the resistance of reinforced concrete vertical structural elements and also to propose reliable design
equations, both in case of modern reinforcement detailing as well as in case of RC elements with
substandard reinforcement detailing. The project focused on the impact of the confinement layout on theaxial strength of RC columns, also in the presence of extra confinement provided by fiber reinforced
polymer jackets. Design models, including code equations, were assembled from the literature.
Furthermore, a new design model was proposed. The predictions of all models were evaluated against an
assembled broad database. The project profits from observations on tests performed as part of CRP2022.
３

Results

A database of 433 specimens, 168 with round and 265 with rectangular cross section, has been assembled
aiming at the evaluation of the predictive capacity of the design models considered. The database includes
reinforced concrete specimens with different amount of confinement, either with only steel transverse
reinforcement, or both with steel stirrups and fiber reinforced polymer jackets (FRP). Different designmodels were applied to predict the axial strength of the columns. Considerable differences in the design- 35 -

procedures were observed, including the accuracy of predictions. Available models have, in general, better
performance for round section, in which lateral confinement is uniform, as compared to rectangularsections. Reduced accuracy is also obtained in case of columns with sparse stirrups along the height, forwhich buckling of the longitudinal reinforcement bars may occur. One of the major parameters determined
to affect the analytical predictions, particularly for rectangular cross sections, is the estimation of theeffective lateral confining pressure and how this contributes to axial resistance.
For the specimens with rectangular sections in the database Figure 1 displays the comparison between
analytical and experimental axial resistance owing to confinement, fc,c, divided by the unconfined concrete
strength, fco, for the lateral confining efficiency attributed both to steel stirrups and to FRP confinement
calculated according to ACI Committee 440 (Fig. 1a), and to Eurocode 8, part 3 EC8-3) (Fig. 1b). It isobserved that ACI overestimates, while EC8-3 underestimates the contribution of confinement. The
predictive capacity of the proposed model is better, as shown in Fig. 2a.

(a)

(b)

Fig. 1 Comparison between ratios of analytical and experimental axial strength, fc,c to unconfined concrete
strength, fco for confinement stress according to (a) ACI Committee 440, (b) Eurocode 8, part 3 (EC8-3).

(a)

(b)

Fig. 2 Proposed model (a) Comparison of analytical and experimental axial strength, (b) Ratios ofanalytical to experimental axial ratio versus lateral confinement stress calculated according to the model.

- 36 -

For RC walls with confined ends at their section (Fig. 3a), the model may serve to estimate thecompressive force carried by the confined areas at the calculation of flexural resistance of RC walls andthe respective shear force that corresponds to flexural resistance.

Unconfined area

(a)

(b)

Fig. 3 (a) Reinforced concrete shear wall cross-section with confined ends at either side of the section (b)Column cross section with steel transverse reinforcement, the hatched areas considered as not confined.
４

Conclusion / Summary

Based on a database assembled from the literature, consisting of RC columns confined by steel stirrups andalso by fiber reinforced polymer jacketing, it was determined that design models often fail to accurately
predict the axial strength of columns with rectangular cross-section and confinement characteristics
different than those that comply to typical modern reinforcement detailing. One of the major parametersthat affect the analytical predictions is the estimation of the effective lateral confining pressure and how
this contributes to axial resistance. A new design model was proposed which more accurately describes theeffect of confinement properties on axial resistance. The model may also be used to calculate the flexural
resistance of RC walls with confined areas at either end of their cross section.

- 37 -

Codes and standards for the Seismic Design, Construction andRetrofitting of Historical and Monumental Structures of Nepal
Project Coordinator Name: Maskey Nath Prem
Affiliation: Institute of Engineering, Tribhuvan University
１

Introduction

The Code and Standards are a set of rules that specify the minimum acceptable level ofsafety for constructed objects including historical and monumental buildings. The
construction code with seismic provisions is essential for countries lying in seismicallyvulnerable regions. The Seismic code for design of buildings in Nepal, first developed
and published in 1994, had not been reviewed and updated until the present time. In viewof the development in research and technology and new knowledge learnt from the pastlarge earthquakes in the region and the world in last 28 years, the updating of the
document was essential. However, the country is lagging behind in the specific rules andregulations in the case of historical and monumental structures. It was envisaged that thelessons learnt from the Japanese structural and seismic design code could greatly
enhance the preparation process of the Codes and standards for the Seismic Design,
Construction and Retrofitting of Historical and Monumental Structures of Nepal

２

Aims of Research
The proposed research was imed at preparation of the earthquake code for the historical and monumentalbuildings and structures of Nepal. The principal objectives were to:３

1.

Determine the level of the seismicity and related spectral acceleration values.

2.

Identify the formulation of empirical formulae for natural time-period of buildings.

3.

Work out the requirements of brick masonry construction and timber elements.

4.

Adoption of

5.

Identify the recent methods of seismic analysis and design.

6.

Load combination cases and load factors for earthquake loads.

7.

Determine the provisions for ductility, redundancy and over strength.

8.

Work out the maintenance (Regular as well as Corrective) of the structures.

the Probabilistic format in the code.

Results- 38 -

The study had facilitated in identifying principles and strong base for formulating the seismic/structuraldesign approach conducive to the typology of buildings and environment of Nepal. The interaction in
Japan had facilitated in developing the updated form of the seismic code at par with any otherinternational code for the historical and monumental structures. This study and interaction havehighlighted on the strengths and weaknesses of the present Nepalese Seismic Code and the rational ways
to enhance it with special emphasis on the traditional structures of Historical and Monumental
importance in Nepal.

４Conclusion / Summary
The study and the interaction with Prof. S. Kono and other personalities participating in the collaborative
research along with the participants from the Laboratory for Materials and Structures have become verymuch helpful vide discussions on the methods and possible damages during earthquake, andincorporation of them in the revised Nepalese code as a collaborative research. The seismic provisions
stipulated in the Japanese codes and standard laws appear stringent and conservative, however it has
exhibited the minimum damages of buildings in the big earthquakes in the past. This is a strong lesson toother parts of the world in terms of earthquake safety, particularly the two levels of earthquake design.
However, the recent development of research and technology is needed to incorporate in the stipulation
during the revision.

- 39 -

Retrofit Guideline for Nepalese Low Strength Masonry Buildings
Project Coordinator Name: Prof. Gokarna Bahadur Motra
Affiliation: Tribhuvan University, Institute of Engineering, Nepal
MSL Faculty: Prof. Susumu Kono
Institute of Innovative Research, Tokyo Institute of Technology
1 Introduction
Low strength masonry buildings are the ones which are constructed without the technical assistance of engineer,so do not comply with the codes and guidelines. As per Nepal’s census data 2021, out of 6660841 building
stock, 2200886 are stone/bricks in mud mortar, 1984029 are stones/bricks in cement-sand mortar, 1492693 are
RC frames, 944148 are wooden and 39085 others. Among these, total buildings in mud mortar and most of thestones/bricks based buildings in cement-sand mortar are also of low strength masonry. Due to the prevailing
geological formations stones are locally available construction material and relatively cheaper compared toothers, so masonry structures are popular in the rural areas of Nepal. In the capital city Kathmandu, many ofMalla and Rana era architectures made of brick masonry bonded with lime-surkhi/mud mortars. In plain areasand valleys where stones are not available, brick masonry predominates.
In 1934, Nepal-Bihar, 1988 Udayapur, 2015 Gorkha and 2023 Jajarkot - Nepal earthquakes, many of suchbuildings were severely damaged with many deaths and huge economic loss, indicating the vulnerability ofsuch buildings. Recent 2015 Gorkha and 2023 Jajarkot earthquakes not only showed risks of these buildings,
but also provided an opportunity to learn lessons for future preparedness to encounter the challenges of disaster.
So, there is urgent need to strengthen/retrofit masonry buildings so as to minimize loss of life and property
during future earthquakes.
2 Aims of Research
The project aims to evaluate1) Performance of existing low strength masonry buildings
2) Performance of masonry buildings using retrofit solution3) Develop retrofit guideline for masonry buildings
Building typology selected for the case study is the brick masonry with mud mortar (BMM) that represents amajor portion of buildings typology present within the rural municipalities. First, a detailed visual assessment
was done and a detail structural condition assessment was carried out. Five different BMM buildings wereselected for the analysis, namely, BMM-1, BMM-2, BMM-3, BMM-4 and BMM-5. Material properties were
evaluated via non-destructive testing and lab experiments on brick units.
3 Results
Macro-modelling approach is adopted to model the buildings using Finite Element Software, SAP 2000 v20.0.0.
The masonry wall elements are modelled as thick shell and the roof slabs as thin shell area elements. The
nonlinearities in the masonry wall system are represented by the use of non-linear link elements. The demand
and the capacity curves were developed to obtain the performance point. Using the capacity spectrum method
for various ground motion parameters, different values of performance points are obtained. These results are- 40 -

correlated to a damage state, expressing the vulnerability of a structure to a defined intensity measure, as theprobability of exceedance of a specified damage stage as a function of input earthquake intensity parameters
like: PGA, PGV, SA, etc., i.e., fragility curve. Three categories of limit states: Immediate Occupancy (IO) at
0.13% drift, Life Safety (LS) at 0.2% drift and Collapse Prevention (CP) at 0.4% drift is defined for generating
the fragility curves.

Fragility curves for BMM a) Existing Building b) Retrofitted Building c) Retrofit Detail
From above Fig. a), at 0.4g PGA, the probability of exceedance of collapse prevention level reaches more that
80%. It is thus evident that the buildings taken into consideration are in risk for life safety. This suggests thatthe performance of these buildings needs to be enhanced by improving the properties of the URM walls using
suitable retrofitting techniques.
For the PGA of 0.36g, corresponding to the Maximum Considered Earthquake (MCE) as per IS 1893, theexisting buildings have the probability of exceeding the IO, LS, and CP limit-state of 100%, 95%, and 80%(Fig. a). The same building is retrofitted with bandage and jacketing wall section using 12G welded GI wire
mesh @25mm c/c as splint reinforcement at both inner and outer walls, with 4.75 mm anchorage bars staggered
at 600 mm c/c vertically and 350 mm c/c horizontally (Fig. c). The remaining sections of wall are reinforced
with 12G GI wire mesh jacketing both inside and outside connected through SWG 10 staggered at 600 mm c/c
and anchored to the tie beam at the ground floor level. Now, for same PGA of 0.36g, the probability ofexceeding the IO limit-state is 80% and 15% for LS and almost negligible for CP limit-states (Fig. b). It is thus
evident that the retrofitted building has better seismic capacity than the existing building.
4 Conclusion / Summary
A detail study of the five brick in mud mortar (BMM) buildings is carried out. Possible intervention solutions
for the selected building were explored to improve the seismic resistance. Based on several methods available,
use of wire mesh with splint, bandage and jacketing was found appropriate for the building. Split-bandage withmesh jacketing is proposed to resist the local failure of the walls at critical sections. Further, an enhancementof around 60% was achieved for the retrofitted building over the existing one. The retrofitted building clearly
outperforms the existing one with sufficient safety against life and collapse prevention limit states. The building
is expected to function better than at present state.
The intervention methods proposed are not highly sophisticated and do not require heavy equipment. They canbe easily implemented with the locally available building materials and trained masons. Since the activities
related to retrofitting works are different to the construction of new buildings, use of trained masons is
recommended with proper supervision in order to limit additional damage to building during hammering anddrilling on already cracked walls.

- 41 -

Development of ultra-high performance and effective utilization technology offiber reinforced cementitious composites(Utility of lightweight fine aggregate as a moisture medium)
Project Coordinator Name: Jeongsoo Nam
Affiliation: Chungnam National University, Korea
１ Introduction
The use of Lightweight Aggregates (LWA) in modern construction is recognized as a significant
technological strategy for creating lightweight structures, enhancing strength, and improving performance.
These lightweight aggregates are primarily employed as key components in Lightweight Concrete (LWC),
providing an opportunity to reduce the weight of buildings while maintaining or even enhancing their strength.
Lightweight concrete consists of water, cement, and lightweight aggregates. Depending on the characteristicsof these aggregates, the density of the concrete decreases, thereby reducing the structural load and improving
the stability of buildings. Lowering the water-cement ratio (W/C) and low water-binder (W/B) ratios can havea negative impact on achieving adequate strength and hydration. Low W/C and a lack of capillary pore spacecan prevent cement from reaching a final hydration degree of less than 50%. Therefore, internal curing methods
are commonly used to control internal moisture and enhance hydration in high-strength concrete to achieve thedesired performance.
２ Aims of Research
The objective of this research is to assess the potential for improving internal curing in high-strength
lightweight mortar by incorporating porous materials and to investigate the possibilities of extending theapplication of porous materials. The research aims to provide quantitative criteria for evaluating the internal
curing effect and to assess the hydration characteristics of cementitious materials where internal curing
technology is applied.
３ Results
The lightweight fine aggregate (LFA) types presented in this study, namely Perlite, Vermiculite, and WGB,
possess absorption rates of 5.62%, 24.88%, and 13.04%, respectively. Each LFA has a fine porous structure
capable of storing the necessary moisture within its pores. This suggests that these materials can be used asmoisture mediators when incorporated into mortar. The movement of the moisture absorbed by LFA is basedon capillary action due to pore structures. The fundamental principle of internal curing using LFAs is that thelargest pores release moisture first to the surrounding environment. Since LFA pores are typically larger thanthe pores in the adjacent cement paste, cement paste can continuously withdraw moisture from the pores of
LFA. However, the effective moisture release from LFA is influenced by factors such as shape, texture, andquality, similar to conventional aggregates. Therefore, this study analyzed the internal curing environment- 42 -

based on absorption rates and release rates, excluding the capillary effect of LFA. The movement of moisturewith respect to weight changes can be expected to yield various internal curing effects in different LFA
environments.
Figure 1 assumed the area enclosed by the axes and the curve on the RH-time graph to represent the hydration
degree of the mortar. It indicated a larger area for LFA concrete compared to conventional aggregate mortar.
Cement particles react with water to produce hydration products, causing a decrease in the RH inside the mortar.
When it drops below a certain threshold, hydration reactions cease. However, by incorporating pre-saturated
lightweight aggregates, moisture is supplied from the aggregates to the paste as the paste's hydration progresses.
Therefore, the hydration reaction can be sustained for a longer duration in lightweight aggregate mortar
compared to conventional aggregate mortar. This effect leads to an overall improvement in the degree ofhydration.

Figure 1. Schematic representation of expected RH levels within mortar
Figures 2, 3, and 4 shows the compressive and flexural strengths of the specimens at each grade. Except for
PL, specimens P20, V20, and W20 showed the highest compressive strength in each test group. In the P test
group, P40 had the highest flexural strength. The higher the percentage of LFA incorporation, the lower thestrength. This is due to the fact that the compressive strength of LFA used as an internal curing material islower than that of standard aggregates. In addition, a slightly lower strength can be observed in concrete madewith collected LFA due to increased porosity that allows water to penetrate initially water penetration.
Although the measured specimens were in the mortar state, it was shown that an increase in some water
infiltration pores can have a similar effect on the strength of concrete. However, most specimens showed atrend toward increased compressive strength up to 90 days of age, demonstrating that proper internal curing
can improve compressive strength without reducing the effective water-cement ratio as verified.

- 43 -

<Compressive strength><Compressive strength><Compressive strength><Flexural strength><Flexural strength><Flexural strength>

Figure 2. Perlite

Figure 3. Vermiculite

Figure 4. Waste glass bead

Test groups P and V showed the highest 7 days strength of the flexural strength specimens. The
intensification of the gradual decrease in RH indicates the progression of the hydration response. The decrease
in intensity after 7 days could be due to the development of water infiltration voids as the initial hydration
progresses, as well as autogenous shrinkage due to high moisture conditions. However, despite the loss ofstrength presumed to be due to autogenous shrinkage, in some cases the reduced strength at 7 days tended to
improve by 90 days. This was most pronounced in the W group. This appears to be due to the strengthenhancing effect of the ITZ of the LFA and paste. The pozzolanic reaction by LFA enhances the hardening
effect around the LFA, which can lead to high hydration in any direction of the aggregate. in any direction of
the aggregate. This has the effect of densifying the ITZ, which may explain the strength development at longer
ages. In particular, the enhancement effect of flexural and compressive strength was higher in the specimens
using WGB, and it seems that the ITZ improvement effect between WGB and cement paste is excellent.
４ SummaryP20, V20, and W20 showed high compressive strength when incorporated with LFA, but the strength
decreased with higher LFA ratio. This difference is attributed to the increase of water infiltration pores and thedevelopment of ITZ. The W test group showed strength improvement with ITZ reinforcement at long-term
aging. The pozzolanic reaction of LFA increases hydration and densifies the ITZ to improve long-term strength
development. In addition, excessive internal RH variation adversely affects the ITZ, which can lead to different
strength expression and void effects in lightweight high strength cement composites (LHSCCs).

- 44 -

Impact of hydrogen impurity on the TFT device operation
for p-channel Tin monoxide-TFT
Kenji Nomura
Department of Electrical and Computer Engineering, University of California, San Diego
１ Introduction
Oxide-semiconductor thin-film transistor (oxide-TFT) technology is widely recognized as promising for thedevelopment of next-generation electronics, including flexible/wearable electronics, due to its good
manufacturability and low-temperature processability. Therefore, oxide-TFT currently leads the mainstream
in TFT technology for displays and endeavors to further expand into a wider range of device applications.
However, despite significant advancements in oxide-TFT technology, several key semiconductor technologies,
including carrier doping, defect termination, and polarity control, are not yet established due to the absence ofa comprehensive understanding of oxide materials. In particular, the absence of high-performance p-channel
TFT is recognized as the most significant technological issue in oxide-TFT technology. Moreover, hydrogen
impurities are well-known to play an important role in many oxides. However, the influence of p-type oxide
remains unclear. Therefore, it is indispensable to investigate the impact of hydrogen impurity in oxide toadvance oxide-TFT technology.
２ Aims of ResearchThis study examined the effect of hydrogen impurity on TFT device characteristics of p-channel SnO-TFT,
which is considered promising p-channel oxide-TFTs. In particular, the impact of hydrogen on the TFT
operation mode will be focused. This new approach to control the operation mode for SnO-TFT will be
proposed.
３ Results
Inverter-staggered p-channel SnO was fabricated using thermally-oxidized SiO2 (thickness is ~150nm) / n+-Si
substrate. The SnO channels were deposited by pulsed laser deposition (PLD) with KrF excimer laser at room
temperature (RT). Subsequently, thermal annealing at 260C was applied to induce the crystallization of SnO.
PLD-deposited Indium tin oxide (ITO) with channel width (W) and length (L) of 300 m and 50 m was used
for source and drain ohmic contact. Figure 1 (a) depicts typical transfer characteristics of the p-channel SnOTFTs. The drain currents (IDS) are increased by increasing negative gate bias (VGS), indicating the devices areoperated in p-channel mode. Hydrogen-plasma treatment was conducted using conventional dry-etchingequipment (Canon Anelva L-201D-L) where a sample was placed in a positive column of plasma to suppress
ion bombardment. After the chamber was evacuated to below 5×10 −5 Pa, hydrogen partial pressure was- 45 -

maintained at 8 Pa. Figure 1 (b-c) illustrates the variation in transfer characteristics of the SnO-TFTs byhydrogen plasm treatment with different RF power levels. We observed a significant variation of TFT
characteristics by hydrogen treatment to the SnO-TFTs. The devices treated at the low RF power exhibit
ambipolar transport behavior, both electron and hole contribute channel conductions. This observation can be
explained by the effect of the defect termination. i.e. oxygen vacancy, by the incorporation of hydrogen in the
SnO channel. In general, the pristine p-channel device involves a high-density oxygen vacancy defect near thevalence band maximum (VBM), and the Fermi level is strongly pinned. Thus, the SnO channel usually exhibits
p-channel mode only, despite its narrow bandgap nature of 0.8 eV. By reducing the near-VBM defects byhydrogen, the Fermi level is effectively controlled by the gate field, resulting in SnO-TFTs exhibiting
ambipolar characteristics. Moreover, the threshold turn-on shifted to a more negative direction with theincreasing RF power levels in the hydrogen treatment, suggesting that the equilibrium Fermi-level position is
moved to the conduction band edge.

４ Conclusion / Summary
The impact of hydrogen impurity on TFT device characteristics of p-channel SnO-TFT was examined byusing hydrogen plasm treatment. We found that the TFT operation mode was altered by the incorporation ofhydrogen into the SnO channel. The p-channel mode was changed to ambipolar mode operation by hydrogen
treatment. This was predominantly understood by the effect of oxygen vacancy defect termination by hydrogenin SnO. The detailed mechanism of the transition and supporting experimental, such as structural analysis, andtransport characteristics, is required for future study.

- 46 -

InGaN/GaN 量子井戸の超高速光応答
King Abdullah University of Science and Technology 大川和宏

１ はじめにInGaN をベースとしたマイクロ LED は、In ドープ量を制御することで可視光領域の広い範囲で高効率な発光をすることから、次世代のディスプレイのコアデバイスとしての応用が期待されている。赤色領域では In 含有量を増やす必要があるために、欠陥、表面効果や格子不整合のために効率が落ちることが問題となっている。
２ 研究目的
本研究では、フェムト秒光パルスを用いた InGaN/GaN 量子井戸の超高速光応答計測を用いて、キャリ
アフォノン散乱やフォノン欠陥散乱のダイナミクスを調べることを研究目的とする。InGaN/GaN 量子
井戸構造および GaN を試料として用い、レーザーパルス励起による光応答過程をポンプ・プローブ型の過渡反射率・透過率計測を用いて調べる。レーザー光源には、パルス幅 60fs および 10fs のフェム
ト秒レーザーオシレータを用いる。光源からの中心波長 800nm の近赤外パルスを用いて、瞬間的誘導
ラマン散乱過程による InGaN および GaN のコヒーレント光学フォノンの計測を行い、光学フォノンの寿命の計測を試みる。
３ 研究成果2022 年度には, 近赤外（中心波長 800nm）サブ 10fs レーザ
ーを用いて，GaN 単結晶試料（厚さ 350μm で Si-ドープ，(0001)面）のポンププローブ型過渡反射率計測を行った。
それにより，約 4THz と 17THz の二つのモードのコヒーレン
トフォノン振動を計測した。2023 年度は，遅延時間を制御したダブルパルスを用いた励起により，モード選択したフ
ォノンのコヒーレント制御を行なった。図１には，平行偏光に設定したダブルパルス励起で，ポンプパルス間隔を2500fs から 2700fs の範囲で制御して計測した過渡反射率計
測の２次元マップを示す。上側の図は，ポンプポンプ間隔
が 2700fs のときの過渡反射率の時間変化であり，第２ポン
プパルス照射後には約 60fs 周期の 17THz のフォノンだけが優先的に励起されている。ダブルポンプパルス間隔を制御
図１ ダブルパルス励起した GaN 単結晶
することで，遅い振動モードと速い振動モードの光学フォのポンプ・プローブ型過渡反射率計測
ノン強度をコヒーレント制御することができた。
また，InGaN/GaN 量子井戸試料については，厚みの異なる試料を用いてフェムト秒レーザーの過渡反射計測を試みているが，高速の過渡応答の計測にはまだ至っていない。

４ ま と め
近赤外 10fs レーザを用いた，ダブルポンプの過渡反射率計測で、GaN 単結晶試料におけるコヒーレン
トフォノンの二つのモードを計測し，ポンプパルス間の遅延時間を制御することで，光学フォノン振
動強度をコヒーレント制御することに成功した。

- 47 -

Key problem identified from observed damage to seismic isolators anddampers in constructed base-isolated buildings
Project Coordinator Name: Zhe Qu
Affiliation: Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration
１ Introduction
Earthquake damage investigation and finite element simulations were conducted to determine theprimary cause of observed damage in two constructed base-isolated buildings affected by the 2022 Ms6.8
Luding earthquake. The two base-isolated buildings are situated within a 15-kilometer radius of theepicenter. While their superstructures remained essentially intact, severe damage was observed in theisolators or dampers, rendering the buildings unfit for occupancy. Three-dimensional models wereconstructed to simulate the response of two base-isolated structures. Ground motions recorded by nearby
seismometers were processed and utilized as input for the simulations. Possible reason for the observed
damage was identified.
２ Aims of ResearchThis project aims to enhance the understanding of the ultimate performance of seismic isolators. We
aimed to determine the primary cause of the damage to seismic isolators and dampers in the constructedbase-isolated buildings. We aim to develop a numerical model to better simulate the response of baseisolated buildings, with a particular focus on the behavior of rubber bearings or friction pendulum
bearings.
3 Results
The damage to seismic isolators after the 2022 Ms 6.8 Luding earthquake were observed in a 4-story
base-isolated building within a 5km radius of the fault. Its isolation layer comprises 20 lead core rubber
bearings with a diameter of 600mm (LRB600) and 12 lead core rubber bearings with a diameter of
700mm (LRB700). Severe damage from partial to complete rupture of the rubber layers was observed
on many isolators (Figure 1). Isolators located in the corners are generally much damaged than those in
the middle.

Figure 1 Observed damage to isolators- 48 -

To simulate the response of the base-isolated building and its isolators, a lumped mass-spring model wasbuilt in a finite element analysis platform, Open System for Earthquake Engineering Simulation(OpenSees). The parameters of the LRBs are based on those specified for standard isolator products
according to the Chinese code.Ground motion recorded by two nearby seismometer stations (Moxi and
Hailuogou) are used as input for the simulation. Typical pulse-like ground motion was identified in therecordings from Moxi station.
The simulation results align with the observation, showing relatively small horizontal response of thesuperstructure. From on-site investigation, the residential displacement of the isolation layer wasmeasured as near 200mm in the x direction (Figure 2(b)). Excited by the ground motion recorded at Moxi,
the maximum relative displacement of isolation layer in the model reached 169mm in the x direction(Figure 2(a)). The displacement responses are comparable. The vertical acceleration in higher floors in
the model exceeds 1g because seismic isolators cannot prolong the period of the vertical modes of thestructure. Figure 8(c) and 8(d) illustrate the response of shear strain 𝛾 and vertical stress of an isolator
in the corner of isolation layer. The tensile stress of the isolator reached 1.33MPa under Hailuogou record
when the corresponding shear strain equaled 54%. Smaller tensile stress of 0.02MPa and much larger
shear strain of 166% was observed on the isolator when the model was subjected to Moxi record. In
previous tensile performance tests of rubber bearings conducted by other researchers, the tensile-shear
failure envelope of the bearing under static force was obtained as:
𝜎 = 0.3𝛾 − 3.0𝛾 + 6.4(1)

Where 𝛾 is the shear strain of rubber bearing; 𝜎 is the ultimate tensile stress of tensile-shear failure
when the shear strain equals 𝛾. During the simulation, none of the isolator reached the ultimate state
defined by Equation 1. Although this four-floor base-isolated building experienced intensive vertical andhorizontal pulse-like ground motions, the tensile stress and shear strain response of the isolators did notexceed the tensile-shear failure surface according to the simulation. Further investigation into the broken

Displacement in y direction (m)isolators is required to determine the reason for the observed massive isolator failures.
200

Moxi
Hailuogou

100

200mm

0
-100

max=71%max=173%
-200
-200
-100
0
100
200
Displacement in x direction (mm)

(a)

(b)

Figure 2(a) Orbit of simulated relative displacement of isolation layer; 2(b) residential displacement of
the isolation layer; 2(c) shear strain and vertical stress of isolator under Moxi record; 2(d) shear strain
and vertical stress of isolator under Hailuogou record
The damage to viscous fluid dampers after the 2022 Ms6.8 Luding earthquake were observed in a 7-story
base-isolated building. The isolation layer is composed of 46 lead core rubber bearings (LRBs), 8 natural
rubber bearings (NRBs), and 12 viscous fluid dampers (VFDs). On-site investigation indicated that thesuperstructure of the building was essentially intact, with damage limited to slight cracking of individual
masonry infill walls and overturning of certain cabinets. In the isolation layer, no significant damage was- 49 -

found in the isolation bearings, and there were no visible residual deformations. However, the viscousdampers installed in the isolation layer suffered varying degrees of damage. The main forms of damage
include overall buckling (Figure 3(a)) and failure or detachment of anchor connections (Figure 3(b)).
There was also instance where damper experienced both forms of damage simultaneously (Figure 3(c)).

(a)

(b)

(c)

Figure 3 Observed damage to VFDs in the term of: (a) overall buckling, (b) detachment of anchor
connections, (c) overall buckling and detachment of anchor connections
Similarly, a lumped mass-spring model was built in OpenSees. Maxwell model was used to simulate the
VFD. Maxwell model is represented by a viscous damper element and an elastic spring element
connected in series. The Moxi record was chosen as the input because it exhibits a pulse-likecharacteristic. To access the contribution of VFDs to the responses of base-isolated building, a model
without VFD in the isolation layer was also analyzed. The distribution of peak horizontal responses inthe superstructure was calculated. The response is not significant enough to cause damage thesuperstructure, as observed on-site. The maximum relative displacement of isolation layer is 200mm.
According to the simulation, the VFDs only reduced the maximum relative displacement for
approximately 5%. The maximum relative velocity of the isolation layer was 0.8m/s, the corresponddamping force of VFD is 447kN. The compression instability bearing capacity estimated based on thesize of the VFD support member is 1100kN. The Anchor bearing capacity of VFD support member
correspond to the yield strength of anchor bars is 1400kN. If the parameters of the dampers are reasonable
and the construction quality of the embedded components is assured, the VFDs should not experience
connection anchorage failure under the influence of the ground motion recorded at Moxi.
４ Conclusion / Summary
The seismic response of two base-isolated buildings during the Luding earthquake is simulated based on
on-site observations, design information, and ground motion recorded by nearby seismometers. The
simulation results of the superstructure and relative displacement in the isolation layer are consistent withthe on-site observations. However, if the parameters of the seismic isolators and dampers in the buildings
are reasonable and the construction quality is assured, they should not severely damaged. Further
investigation is required to determine the reason for the observed damage.

- 50 -

Automatic structural damage detection using AI vision technology
Project Coordinator Name: Tony T.Y. Yang
Affiliation: The University of British Columbia
１ Introduction
With the fast growing and optimization of the AI (such as deep learning) algorithms,
the increasing size of training data, as well as enhanced computational power,
convolutional neural network (CNN, or Conv-Net), which is a class of deep neural networks(or deep learning), has been advancing rapidly. In recent years, CNNs have dominated thefields of computer vision, speech recognition, and natural language processing. Meanwhile,the effectiveness of CNNs have been successfully demonstrated in a variety of civilengineering applications. In this research, the state-of-the-art CNN architecture will
be developed and optimized to automatically assess the condition of the structures moreaccurately and efficiently. This will provide fast, reliable and cost economical
structural safety assessment, hence enhancing the safety of the structure.
２ Aims of Research
In this study, a novel 3D vision-based methodology is proposed for autonomous boltloosening assessment. First, a 3D point cloud of bolted connection is created using
readily available 2D images. Second, a new convolutional neural network (CNN)-based method
is developed to localize structural bolts in the 3D point cloud. Further, a 3D point
cloud processing algorithm is developed to recognize and quantify bolt loosening.
Parameter studies were conducted to investigate the effectiveness of the proposed pipeline.
Finally, a real-world implementation has been conducted to quantify bolt loosening on asteel column base connection with bolts. The results indicate that the proposed boltloosening assessment methodology can effectively localize and quantify bolt loosening athigh accuracy and low cost.
３ Results
Figure 1 below shows the 3D reconstruction of a structural steel using 2d images. The 3D
reconstruction was constructed using 4 steps. In step 1, image-to-image association isestablished from input images to determine a scene graph. In step 2, the structure-frommotion algorithm is implemented to estimate the sparse cloud. In step 3, a multi-view
stereo algorithm is implemented to generate a dense 3D point cloud using the sparse 3D
point cloud and the images from the scene graph. In step 4, the dense point cloud- 51 -

preprocessing is implemented to reduce noise. Figure 2 shows the implementation of thetechnology for autonomous bolt loosening inspection.

Figure 1: 3D reconstruction of the structural bolts

Figure 2: Implementation of autonomous bolt loosening inspection.

- 52 -

４ Conclusion / Summary
Identification of bolt loosening is crucial to prevent potential catastrophic eventsand maintain structural integrity. In this study, a novel MAV-based bolt loosening
assessment methodology using 3D vision and 3D point cloud processing is proposed. The
proposed method consists of MAV-based data collection, 3D vision-based bolt localization,and 3D point cloud-based loosening assessment. A real-world case study has been carriedout. The results indicate that the proposed technology can successfully inspect structuralbolts and identify bolt looseness for actual structural engineering application.

- 53 -

Energy behavior of reinforced concrete shear walls
Project Coordinator Name: Zeynep Tuna Deger
Affiliation: Istanbul Technical University
１ Introduction
Recently, an alternative approach on earthquake-resistant structural design approach known as the energybased design method has gained popularity. This method considers the impact of repeated loads on seismic
performance and offers an alternative index to response quantities. The philosophy of this approach is to meeta building's energy demands by ensuring sufficient energy capacity in its structural members, based on theirmechanical properties. The ultimate goal is to enhance the building design by either reducing the seismic
demands or improving the building's dynamic characteristics. Therefore, it is important to understand theenergy dissipation behavior of structural members, particularly their energy dissipation capacity. This study
focuses on the energy dissipation capacity of reinforced concrete shear walls, which are frequently used toprovide strength and stiffness against lateral forces in regions with high seismic activity.
２ Aims of Research
Due to their relatively high in-plane lateral stiffness, reinforced concrete shear walls are effective in reducing
structural lateral displacement while resisting high seismic forces and dissipating substantial energy. Energy
serves as an indicator of structural damage associated with plastic deformations under cyclic loading and is apromising index for future earthquake engineering when the energy-based approach becomes widely employed.
This study aims to develop a machine learning-based predictive model for the wall energy dissipation capacity
based on 312 reinforced concrete shear wall specimens. The energy dissipation capacity is calculated based on
experimental results in terms of cumulative energy dissipated until collapse or other local failures. It is
normalized by the drift ratio at each cycle to compensate for the varying number of cycles in different loading
protocols. The primary objective of this study is to examine the energy dissipation capacity of reinforced
concrete shear walls. Review of the existing literature has shown that the influence of important design
parameters on energy dissipation capacity has been studied in some instances, but not comprehensively.
Moreover, current seismic codes do not provide guidance on how to estimate energy dissipation characteristics.
This research endeavors to address this knowledge gap.
３ Results
A well-established, powerful machine learning-based method (Gaussian Process Regression, GPR) and ametamodeling method (The High Dimensional Model Representation (HDMR)) is utilized in this study to
examine the key wall design parameters (e.g., material properties, reinforcement details) that impact the energy
dissipation capacity of shear walls. To achieve this, a comprehensive database of 300 shear walls tested under- 54 -

cyclic loading is compiled. Eighteen design parameters were identified as having an effect on dissipated energy,
and the most critical ones are identified using feature selection techniques. In addition to feature selection, apredictive model is created to estimate cumulative dissipated energy.
GPR results: Regression-based feature selection methods reveal that nine wall design parameters (features)
have a relatively stronger influence on the NCDE of the shear walls, namely: geometric properties (i.e., length,
thickness, boundary width (𝑏0), aspect ratio), concrete compressive strength, axial load ratio, longitudinalboundary and web reinforcement ratio, and transverse boundary reinforcement spacing. The influential features
are noted as consistent with the experimental results.
The reliability of the predictive model is evaluated based on the following four statistical metrics: coefficientof determination, mean absolute error, root mean square error, and mean prediction accuracy (the ratio ofpredicted to actual NCDE values). The mean R2 of the GPR method based on test data over a thousand different
train–test data sets is 0.830, whereas the best R2 is obtained 0.963. The mean predicted to actual NCDE ratio
is very close to 1.0 indicating that high accuracy and robustness is achieved.
HDMR results: The method allows to develop explicit analytical functions to represent complex relationships.
The predictive model is validated using unused data, and it demonstrated robustness and high accuracy, with aprediction accuracy close to 1.00 and a high coefficient of determination.
４ Conclusion / Summary
This research is expected to shed light on certain unclear aspects of energy-based design. Specifically, knowing
the amount of input energy required will enable the calculation of the energy dissipation capacity of shear walls.
The findings of this research will be useful as they allow for comparison of different detailing options in shear
wall design based on their ability to dissipate energy. Also, the proposed models can be useful in the assessmentof structural damage in existing buildings by providing insight into energy-based damage.

- 55 -

異種アニオン置換・挿入による層状ペロブスカイト化合物の結晶・電子構造チューニング
九州大学

１

赤松 寛文

はじめに

結晶構造は物性と深く関連しているため、構造歪みの制御は物性の創出や制御のために不可欠である。
最近、Sr3Sn2O7 や CsNdNb2O7 といった層状ペロブスカイト酸化物において強誘電性が確認された。これらの物質の強誘電構造歪みは酸素配位八面体の回転によって誘起されることが明らかにされている。
ペロブスカイト関連化合物においてよく見られる配位八面体の回転は、許容因子に基づいて、カチオンの置換により制御されることが多い。一方で、アニオンの置換や挿入による制御はほとんど報告されていない。最近、層状ペロブスカイト酸化物の層間サイトへのフッ化物イオンの挿入により、八面体の回転パターンが変化することが第一原理計算により予測された[1]。本研究では構成アニオンの置換に焦点を当てる。イオンサイズ効果、すなわち許容因子チューニングにとどまらず、異原子価アニオン
ドープあるいは格子間隙アニオンの導入を通じた原子・電子構造の修飾による誘電特性制御の可能性ついても検討する。

２

研究目的

近年、ペロブスカイト関連化合物において、アニオン配位八面体の回転により強誘電性や圧電性が誘起されることが注目されている。中心対称性をもつ Ruddlesden-Popper 型層状ペロブスカイト NaLaTiO4は酸素配位八面体回転を示さないが、La をより小さな希土類で置換すると中心対称性を消失させる配位八面体回転が観察される[2]。このような構造歪みを制御する手段としては陽イオン置換が一般的であり、陰イオンの置換・挿入による八面体回転制御の報告例は少ない。本研究では、フッ素含有ポリマーとの混合焼成により、NaRTiO4 (R: 希土類)へフッ化物イオンを導入し、配位八面体回転様式を含む
結晶構造を明らかにすることを目的とする。

３

研究成果
母相酸化物である NaRTiO4 (R = La, Sm, Y, Gd)を固相反応法あるいは錯体重合法により合成した。合成した母相に対して種々のモル当量の PTFE を混合して、400 °C で 12 h、大気フローで焼成してフッ素導入を行った。合成したサンプルに対して放射光 XRD 測定を行い、リートベルト法、差フーリエ合
成および結合価数和解析により、結晶構造の詳細を明らかにした。

- 56 -

図 1(a)に示した 001 回折ピークから、希土類の種類に関わらず、フッ素仕込み量の増加に伴い、生成物
は母相と面外格子定数の伸びたフッ素化相の二相共存を経て、フッ素化相単相へ移行していることが確認された。また、La 系ではフッ素仕込み量が母相
1 mol に対して 2 mol、それ以外の希土類系では 1 mol
でフッ素化反応が完結したと考えられ、La 系とそれ以外の希土類系では異なるフッ素化挙動が示唆された。リートベルト法に基づいた結晶構造解析により、La 系のフッ素化相では F が LaO 層内席およびTi 周りの配位八面体の LaO 層側アピカル位に存在することが明らかになり、組成は NaLaTiO3F2 である
ことが示唆された。また、Sm 系のフッ素化相においては、Na 欠損および SmO 層側アピカル位の O と Fの部分置換が明らかになり、組成は Na0.3LaTiO3.3F0.7であることが示唆された[図 1(b)]。フッ素化挙動の違いは希土類イオンのサイズに起因すると考えられる。

図 1 (a) R = La および Sm における放射光
XRD パターンのフッ素仕込み量依存性。(b)

４

ま と め

Sm 系フッ素化相の精密化した結晶構造。

本研究では、Ruddlesden-Popper 相 NaRTiO4 に対して、フッ素含有ポリマーPTFE を混合し焼成することによりフッ素化を行った。La 系では、フッ化物イオンはアピカル位置の酸化物イオンを置き換えるとともに、LaO 岩塩層内にインターカレートすることが明らかになった。それにより、アニオン配位八面体の回転が生じ、中心対称性のない構造に変化することが明らかになった。Sm 系では、フッ化物
イオンは SmO 岩塩層側のアピカル位置の酸化物イオンを置換し、それに伴って Na イオンが欠損する
ことが明らかになった。本研究結果は、カチオンの置換だけでなくアニオンの修飾もアニオン配位八面体回転の制御に有効であることを強く支持している。今後、このような設計指針に基づき、層状ペロ
ブスカイト圧電体および強誘電体が創製させることが期待される。

【参考文献】[1] Y. Zhang, J. Wang, P. Ghosez, Phys. Rev. Lett. 125, 157601 (2020).
[2] H. Akamatsu et al., Phys. Rev. Lett. 112, 187602 (2014).

- 57 -

1

軸力と曲げを受ける鋼構造梁端接合部の耐震性能評価
芝浦工業大学

１

浅田 勇人

はじめに
鋼構造制振骨組の設計資料に基づく調査によって，梁には軸力比に換算して最大 30% 程度の軸力が作用することが指摘されており 1)，曲げだけでなく，軸力を同時に作用する場合の梁端接合部の設計法を構築する必要性が示唆されている．
これを受けて，2022 年度は，角形鋼管柱と H 形断面梁からなる柱梁部分架構の載荷実験および数値解析を行い，引張軸力が梁端接合部の耐力および塑性変形能力に与える影響を検討した．その結果，鋼管壁が薄く，梁端接合部の耐力が鋼管壁の面外曲げ耐力で決定する場合，軸力が増大するつれて，耐力だけでなく，塑性変形能力が大幅に低下することが明らかとなった．

２

研究目的
以上を踏まえて，本研究では，軸力と曲げを同時に受ける鋼管壁が薄い梁端接合部を対象とし，図 1に示す梁ウェブ接合部に水平スチフナを取り付ける構法(図 1)を適用した場合の，水平スチフナによる補強効果を載荷実験によって検討することを目的とする．

３

研究成果
試験体形状，試験体一覧を図 1 および表 1 に示す．試験体は角形鋼管柱(BCR295)と H 形断面梁

(SN400B)を通しダイアフラム形式で接合した T 字形部分架構で，梁フランジとダイアフラムの完全溶込み溶接には複合円型スカラップを設けた．試験体は計 4 体であり，実験変数は梁に作用させる引張
軸力の大きさ nb (=0，7.5，15％)と水平スチフナの有無である
水平スチフナは，図 1(c)に示すように柱の切断を不要とする外ダイアフラム形式で，隅肉溶接(溶接
サイズ=12mm)によって接合した．水平スチフナの板厚および形状は，鋼構造接合部設計指針 2)に準拠して算定し，外ダイアフラム接合部の降伏耐力が梁ウェブの降伏軸力を上回るよう決定した．

載荷は，図 2 に示すように試験体の柱の上下端を固定して，梁右端に取り付けたジャッキによって行った．
軸力を導入した試験体では，まず水平ジャッキによって所定の引張軸力 Nb を与えた後，鉛直ジャッキによって，正負交番繰返し載荷を行った．載荷履歴は，梁の全塑性モーメント bMp に対応する梁の弾性回転角の計算値 bθp（=0.0054rad）を基準とし，0.5bθp を 1 サイクル，2.0bθp を 2 サイクル行った後，荷重が最大荷重の 90%以下に低下するまで 4.0bθp の一定振幅繰返し載荷を行った．
荷重変形関係を図 3 に，破壊状況を図 4 に示す．全試験体で共通して，4 bθp の載荷振幅で梁フランジ
スカラップ底に延性き裂を生じ，水平スチフナを付加した 12-HS-15 を除き，最終的にき裂が梁フラン
ジ板厚方向に貫通（図 4(a)）し，実験を終了した．試験体 12-HS-15 は，他の試験体同様にスカラップ
底にき裂を生じたが，最終的に梁フランジ溶接止端部（図 4(b)）で破断した．

- 58 -

表 1 試験体一覧
試験体PL-19 (SM490A)□-300×300×tc (BCR295)

350

12-0

RH-400×200×8×13 (SN400B)(b) 参照1)

12-7.5

1)

12-15

1600
387

10-PL-9 (SS400)

柱軸力比n b 軸力N b b M pe * j M p ob* j M p
水平
スチフナ
(%)
(kN) (kNm) (kNm) (kNm)

梁□-300× RH-400×
300×12 200×8×13(BCR295) (SN400B)

なし

12-HS-15

あり

0

0

355

349

349

7.5

187

352

340

340

15

374

317

317

15

374

428

343

343

軸力比n b ：梁断面に基づく降伏軸力を無次元化した軸力比，*
b M pe ：スカラップ底の断面欠損を考慮した梁の全塑性モーメント(梁の断面耐力)，
ob*：崩壊荷重(鋼管壁の面外曲げ耐力)，
jM p

水平スチフナ (c) 参照

jM p

*

*
ob*
：梁端接合部の全塑性耐力でmin(b M pe ，j M p )

1650
2065
2215

35

(a) 試験体
CJP

185

173

鉛直
ジャッキ

PL-16
(SS400)173

2000mm

300
10R
35

35R

400

Mb (kNm) 終局時

Mp

▼b

600
400

200

200

0

0

-200

-200

-400

-400

き裂発生時 θb (rad)-600-0.03 -0.015 0 0.015 0.03(a) 12-0

600
400

Mb (kNm) き裂発生時

▼b

Mp

600
400
0
-200

-600
-0.03 -0.015

00.015 0.03(c) 12-15

2030mmMb (kNm)

終局時
▼b

Mp

(b) 12-7.5

0
き裂発生時の耐力
終局時の耐力 (≦0.9bMθmax) (rad)eb
終局時
bMp および bK の計算値

820mm

一定引張

き裂発生時 θb (rad)-600-0.03 -0.015 0 0.015 0.03

-200
-400

負

図 2 セットアップ(a) 12-15
Mb(kNm) き裂発生時

▼b

Mp

終局時

200

200

水平
ジャッキ

横座屈
補剛位置

図 1 試験体形状
600(b),(c)

1650mm35(c) 水平スチフナ詳細(b) 接合部詳細

正

試験体

173

7
35°

12
12

370

ダイアフラムPL-19 (SN400B)

-400
-600
-0.03 -0.015

θb (rad)00.015 0.03(d) 12-HS-15(b) 12-HS図 3 荷重変形関係

図 4 破壊状況の例

骨格曲線を図 5 に示す．無補強の場合では，軸力の増大に伴い耐力の低下がみられるが，水平スチフ
ナによって補強した 12-HS-15 では，nb=15%を作用させたにもかかわらず，軸力なしの無補強試験体12-0 とほぼ同等の曲げ耐力を発揮した．
水平スチフナ補強による塑性変形能力の改善効果を検討するために，無補強試験体と水平スチフナ
補強試験体のスカラップ底に延性き裂が発生するまでの累積塑性変形倍率 ηc と，終局（荷重が最大荷
重の 90%に低下した時点）までの累積塑性変形倍率 ηu を図 6 に示す． 無補強試験体では，軸力の増大に伴い，ηc，ηu ともに大きな低下が見られるのに対し，nb=15%で水平スチフナ補強した 12-HS-15 では，き裂発生および終局時までの塑性変形能力は軸力なしの無補強試験体 12-0 とほぼ同等となっている．

- 59 -

2.0

12-0
12-7.5
12-15
12-HS-15

Mb /bMp

1.5
1.0
0.5

θb /bθp

0.0
0

3

6

9

12

12-0

12-0

12-7.512-7.5

12-15

12-15

12-HS-15

ηc 12-HS-15010

図 5 骨格曲線

４20(a) ηc (き裂発生まで)

30

ηu
0

50

100

(b) ηu (終局まで)

150

図 6 累積塑性変形倍率

ま と め

載荷実験より，梁ウェブ接合部中央に水平スチフナを付加することで，軸力による耐力および塑性変形能力の低下を防止できることを確認した．

参考文献
1)
2)

高橋 聡史ら：座屈拘束ブレースに関する実験研究および実物件調査，日本建築学会関東支部研究報告書，
pp.233-236，2007.3
日本建築学会：鋼構造接合部設計指針，第３版，2021.

- 60 -

カルボニルの水素化反応に活性を示す金属伝導性水素化物固体の創製
物質・材料研究機構

１

飯村壮史

はじめに
アート錯体等のヒドリド（H−）錯体はカルボニル化合物に対し高い水素化反応活性を示すことは古くから広く知られている。最近では固体材料においてもヒドリドイオン（H−）を含む電子絶縁性の固体水素化物が次々と合成され、イオン伝導性等の機能に関心が集まっている。しかし、これら固体水素化物中の水素化反応活性については報告が無い。ヒドリド錯体並みの水素化反応活性を持つ固体水素化物が出来れば、分離回収の観点でヒドリド錯体を用いた均一系触媒よりも優れた触媒となり得る。
２

研究目的
本研究では、ルイス酸点との配位結合によって安定化された H−を有する金属伝導性固体を創製し、カルボニル化合物への水素化反応活性を調べる。金属が持つ空軌道と水素との相互作用に着目し、固体材料でもヒドリド錯体並みの水素化反応活性を持ちうるのかを問う。フロンティア材料研究所とは材料の評価に関して共同し研究を行う。
３

研究成果

令和５年度は、まず種々の前周期遷移金属基酸化物（eTM 酸化物）に水素ドーピングを施し、ドー
ピングによって電気伝導性が発現する材料の探索を行った。次に水素取り込みが確認された eTM 酸化物を対象に、その格子中の様々なサイトに置いた Hi の欠陥生成エネルギーを第一原理計算から評価することで酸化物の電子構造と水素イオンと実際に結合する近接イオンの化学的性質から格子間水素 Hiの取り込みやすさを評価した。第一原理計算ソフトには VASP を用い、欠陥生成エネルギーの評価に必要な種々の計算や静電ポテンシャルに基づく安定 Hi 位置の同定などは pydefect を用いて半自動的、半網羅的に行った。
合計５つの eTM 酸化物中の Hi の安定水素位置（フェルミ準位を価電子帯下端 CBM としたとき、Hi+の生成エネルギーが最も低かった Hi）と生成エネルギーを調べ、今回調べた化合物ではプロトンが常にヒドリドよりも安定であることがわかった。また価電子帯上端 VBM の波動関数を評価し、最安定
Hi+は、VBM を構成する酸素のローンペアと結合することが分かった。また、実験によって Hi+位置が同定されている４つの化合物では、計算から求めた最安定 Hi+位置と実験結果を比較し、全て合致した。
酸素 2s を基準としバンドアラインメント作成したところ、当初電子を安定化する深い CBM が Hi+を安定化する主たる駆動力と考えていたが、よりバンドギャップが広い酸化物中でも Hi+が安定化され、その際、浅い VBM を構成する酸素ローンペアが Brønsted 塩基点となって Hi+の安定化に寄与することが分かった。
４

ま と め
実験による酸化物への水素ドープと第一原理計算による水素の化学状態と位置の解析を行った。その結果、eTM 酸化物中で安定化される Hi+について、それを取込む eTM 酸化物の電子状態や化学的特徴が明らかになった。来年度は、ヒドリドを安定化する材料の探索と水素イオンと CO2 との反応性を評価する。

- 61 -

免震装置における熱・力学連成挙動への対策
北海道大学大学院工学研究院

１

石井建

はじめに
近年、耐震設計で想定する規模を大きく超える地震動が観測・予測されており、従来よりも高い水準

での地震時安全性が要求されるようになりつつある。免震構造は通常設計レベルの地震動に対して上部建物の安全性を大きく向上させるが、そこに用いられる主要な免震装置は地震時のエネルギー吸収に応じて装置温度が上昇し減衰性能が低下するという熱・力学連成挙動を生じることが指摘されている。特に、履歴減衰による応答低減を期待するプラグ挿入型積層ゴム・高減衰ゴム系積層ゴム・弾性す
べり支承などの免震装置について、加力実験による熱・力学連成挙動の把握および数値解析のためのモデル化が行われている。
２

研究目的
上記の背景に対して、本研究は、免震装置の熱・力学連成挙動の発生機構を詳しく分析し、地震時の性能低下を防止するための対策手法を検討することを目的とする。具体的に、下記の項目について取り組み、大地震に対しても性能を確保できる免震装置の設計に向けた指針を得たい。
(1) 理論モデルや既往の実験結果を参照し、免震装置に発生する熱・力学連成挙動のメカニズムを詳細に分析する。支配方程式やパラメータを整理し、オープンソースの有限要素解析フレームワークである OpenSees[1]にて熱・力学連成挙動の数値解析システムを実装する。
(2) 開発したシステムを用いてシミュレーション解析を実施し、地震時の性能低下をもたらすボトル
ネックとなる箇所を特定する。この結果に基づき、効果的な対策方法を提案する。
(3) 対策方法に応じた効果の度合いを定量化する。さらに、免震建物全体の数値計算モデルを作成し、免震建物の地震時安全性を検証する。
３

研究成果
本年度は、大地震時には顕著な熱・力学連成挙動を生じることが予想されている高摩擦弾性すべり

支承について、摩擦係数の評価方法の合理化を行った[2]。弾性すべり支承の荷重−変位関係はバイリ
ニア型となり、降伏荷重は装置すべり部の摩擦係数によって定まる。その摩擦係数は、すべりが生じる
際の速度・温度・面圧などに依存して変動するため、力学挙動において各種依存性が同時に発現する。
図 1 に、面圧を一定とした条件で、摩擦係数の速度と温度に対する依存性を同時に測定した実験結果を示す。変動範囲は、速度について 15〜400 mm/s, 温度について 16〜242℃, 摩擦係数について 0.025〜0.146 である。高速または低温となるときに摩擦係数が大きくなっている。この結果を分析して摩擦係数の依存性を評価するにあたり、本研究では、速度と温度に対する依存性を数値的に分離するための手法を提案した。

- 62 -

図 1 温度・速度・摩擦係数の関係（実験結果）

図 2 摩擦係数の等高線図（評価値）

提案する手法は、(1) 格子状の再サンプリング (2) 二変数関数の分離 の二段階でデータを分析するものである。(1)は、後の手順で実施する数値的微分を行いやすくする目的で、速度および温度のデータ間隔がやや不規則である実験結果を整列させたデータ点の分布を得る処理である。再サンプリン
グによるデータの過度な平滑化を抑止する重み関数分布について、あわせて提案した。(2)は、二変数関数が定数および二つの一変数関数の積として表される場合を想定して、数値的な微積分による関数の分離を定式化した処理である。これらの手順により、具体的な評価式の関数形を与えることなく、速度依存性と温度依存性が数値的に分離された状態での関数値が得られる。この段階でそれぞれの依存性に対する評価関数を作成し、再度掛け合わせて再現された摩擦係数の等高線図を図 2 に示す。再サンプリングを行ったため、評価式の有効な範囲は速度について 15〜400 mm/s, 温度について 20〜
240℃である。提案手法によって評価された摩擦係数は、実験結果とよく対応している。この特性を用いて熱・力学連成挙動解析を行い、解析結果と実験結果を比較することにより、評価手法およびその結果の妥当性を確認した。
４

まとめ
弾性すべり支承を対象として、摩擦係数の速度依存性と温度依存性を数値的に分離して評価する手法を開発した。この手法は、すべり支承に限らず、類似の特性を示す装置全般に対して同様に適用可能である。評価によって得られた特性を構造計算プログラムに反映させることで、より現実に近い地震
応答解析結果が得られると期待できる。
参考文献[1] Open System for Earthquake Engineering Simulation – Home page, https://opensees.berkeley.edu/(2024 年 3 月 31 日アクセス).
[2] 石井建, 菊地優, 入澤祐太, 和氣知貴: すべり系支承の力学特性における速度依存性と温度依存性を同時に評価するための加振実験および分析手法の提案, 日本建築学会構造系論文集, Vol. 88, No. 814,
pp. 1646–1654, 2023.12.

- 63 -

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Gd をドープした Ferrite 磁気ナノ微粒子の磁気特性
横浜国立大学
一柳優子

１

はじめに

昨今、ナノメートルオーダーを持つ磁気ナノ微粒子が、医療分野での幅広い応用に向けた研究が盛んに行われている。例えば、磁気的性質をもつ微粒子をトレーサーや MRI 造影剤として利用すること
で患部の場所の特定や、外部から磁気微粒子に磁場を印加した時の発熱を利用した磁気温熱療法(Magnetic Hyperthermia)、磁気粒子イメージング（Magnetic Particle Imaging, MPI）などが挙げられる。昨年度まで、MnGdxFe2-xO4 を組成別に作製し、高調波応答の測定と磁化測定を行った。その結果、

x = 0.065 のサンプルが初透磁率、保磁力ともに優位性を持ち、高調波測定においても最大の応答を示した。本報告では、MnGd0.065Fe1.935O4 を粒径別に作製したサンプルの直流磁化温度依存性・交流磁化率について報告する。
２

研究目的

当研究室ではこれまでに、様々な 3d 遷移金属を用いて磁気ナノ微粒子を作製し、その磁気特性について評価してきた。そのなかで MnFe2O4 ナノ微粒子は保磁力が小さく超常磁性的振る舞いをすることがわかっている。本報告では、磁気温熱療法や MPI に適した磁気特性の向上を目指し 4f 希土類金属である Gd を用いた MnGdxFe2-xO4 磁気ナノ微粒子を作製した。希土類元素である Gd は f 軌道に 7 つの不対電子を有し、軌道角運動量がない。そのため、磁気異方性が小さく、保磁力の減少、初透磁率の増大が望める。作製した磁気ナノ微粒子について磁気特性の測定を行い、磁気温熱療法応用・MPI 応用の可能性を探るため交流磁場応答の測定を行った。
３

研究成果

組成の中で最も高い高調波応答を示した MnGd0.065Fe1.935O4 ナノ微粒子について、10 〜 21 nm の範囲で粒子を 4 種類作製し(10.6 nm, 14.0 nm, 17.0 nm, 21.2 nm)、粉末 X 線解析、蛍光 X 線分析を行った結果、すべてのサンプルが秤量通りの組成比であることを確認した。これらのサンプルについて
SQUID 磁束計を用い直流磁化温度依存性及び交流磁化の測定を行った。
まず、粒径別のサンプルの強磁性転移温度を明らかにするため、100 Oe の直流磁場を印加しながら300 K まで 10 K 刻みに零磁場冷却(ZFC)過程と磁場中冷却(FC)過程の磁化を測定した。ZFC 曲線の温度を平均ブロック温度 TB ave、ZFC 曲線と FC 曲線の温度を最大ブロッキング温度 TB max と定義する。

M-H の結果から、室温で超常磁性的にふるまうと考えることが出来た 10.6 nm のサンプルについて、
TB ave が 125 K 付近にあり、TB max も 200 K と室温に比べ十分に低い値をとることから、室温において超常磁性を示すと考えられる。17.0 nm のサンプルは TB ave、TB max が共に 300 K 付近に存在していることから、室温では強磁性と超常磁性が混在。21.2 nm のサンプルでは、TB ave、TB max ともに
350 K 以上であることがわかり、室温強磁性であることが示唆された。各粒径における直流磁化温度依- 66 -

存性の測定結果を Fig.1 に示す。

Fig.1 MnGdxFe2-xO4 (x = 0.065)ナノ微粒子の粒径別直流磁化温度依存性(a)10.6 nm (b)14.0 nm (c)17.0 nm (d)21.2 nm
続いて、交流磁化率の測定を行った。交流磁化率を印加磁場に追従する成分の実数部と印加した交流磁場に対し 90°遅れ成分である虚数部に分け、温度依存性を測定した。交流磁化率実数部について、
室温(300 K)付近では粒径 17 nm 以下の粒子が比較的高い交流磁化率を示した。この結果から比較的粒径の小さい 10.6 nm, 14.0 nm の粒子について、交流磁場を印加した際に磁化の変化を読み取る MPI 応
用時について、高い応答を示すことがわかる。虚数部について、室温(300 K)付近では 14 nm 以上の粒子が比較的高い交流磁化率を示し、中でも 17 nm のサンプルが最大値を示した。この結果から交流磁化率の虚数部の大きさに従い増加する磁気緩和損失の発熱量が大きくなる、17.0 nm, 14.0 nm のサン
プルにおいて高い発熱が期待できる。しかし、虚数部の値が大きい粒子について、交流磁場に対する応答が阻害されるため、高調波応答が小さくなることが予想される。交流磁化率温度依存性の結果のグラフを Fig.2, Fig.3 に示す。

Fig.2 MnGdxFe2-xO4 (x = 0.065) ナノ微粒子の粒径別交流磁化温度依存性（実部）
４

Fig.3 MnGdxFe2-xO4 (x = 0.065)ナノ微粒子の粒径別交流磁化温度依存性（虚部）

まとめ

今回の研究では、Gd をドープした中で最大の高調波応答を示した MnGd0.065Fe1.965O4 ナノ微粒子について粒径別に粒子を作製し、交流磁化率温度依存性の測定を行った。測定結果から実数部において粒径 14.0 nm のサンプルが最も高い交流磁化率を示し、虚数部においても 17.0 nm、次点で 14.0 nmが比較的高い交流磁化率を示した。以上より、MnGd0.065Fe1.965O4 ナノ微粒子において粒径 14.0 nm が
MPI 応用・磁気温熱療法応用の両面において優位性を持つことを確認することが出来た。

- 67 -

免震建物上部構造への制振ダンパー付加による擁壁衝突時の応答制御に関する研究−エネルギーの釣合いに基づくオイルダンパー設計法の構築−
近畿大学建築学部

１

犬伏徹志

はじめに

近い将来に上町断層帯地震や南海トラフ巨大地震など，現行の設計想定を大幅に上回る地震動の発生が予測されている。免震建物がこのような地震動を受けると周囲の擁壁へ衝突し，上部構造に過大な応答や損傷が生じる可能性がある。擁壁衝突時における上部構造の応答に関する研究は比較的多くなされているものの，応答制御に関する研究は少なく，その方法も確立されていない。上部構造の耐力を高くすれば塑性化などの大きな損傷は避けられるが，加速度応答の低減は期待できず，また層せん
断力が増大することで転倒モーメントが大きくなり，免震部材に過大な軸方向力が作用して損傷する可能性がある。上部構造が一般的な耐力を有する場合においても擁壁衝突後に建物機能維持や継続使用を可能とするためには，上部構造の修復が不要もしくはそのレベルを最低限とし，転倒モーメントも抑制するための応答制御技術が必要である。
２

研究目的

本研究では，免震建物のロバスト性やレジリエンス性能向上のため，擁壁衝突時における免震建物
上部構造応答をオイルダンパーにより制御することを目的とする。制振構造において提案されているエネルギーの釣合いに基づく地震時応答評価法の考え方を免震構造かつ擁壁衝突の場合に展開し，擁壁衝突時における上部構造の最大応答を目標値以内とするために必要なダンパー量の算定方法を構築
する。
３

研究成果

本年度は上部構造に加わる衝突エネルギー推定式の提案を行うため，上部構造の特性，衝突速度，擁壁部の特性をパラメータとした数値解析を行い，衝撃力と擁壁との接触時間から計算される力積を評価した。力積は衝突前後の免震建物の運動量の変化であるため，衝突後の建物速度は力積を用いて表される。そして，衝突時に上部構造に加わる衝突エネルギーは，衝突前後の免震建物の運動エネルギーの変化量と考えることができる。
図 1 に解析モデルを，表 1 にパラメータ一覧を示す。上部構造は剛体，免震層は線形ばねとし，動的相互作用ばね・ダッシュポット・衝突ばねは研究代表者が提案している擁壁部簡易評価法 1)を用いる。免震建物の平面形状は 30 m×30m とし，上部構造の規模として 1 次固有周期 Tf = 0.5, 1, 2, 3, 4 (s)を想定する。Tf = 0.025H の関係から上部構造高さ H (m)を算定し，層高さ hi = 3.5m と仮定して階数を求める。上部構造の単位面積あたりの重量を 13kN/m2 と仮定し，平面形状と階数から上部構造重量を算定する。また，免震層重量は上部構造 1 層の重量の 2 倍とする。

- 68 -

基礎梁上端から免震層直上大梁下端までの距離 Hc は 1.0m し，免震層直上大梁の幅は 1.0m，梁せいは(Hw-1) m とする。スパンは 6m と仮定し，擁壁と直交する大梁本数を 6 本として衝突ばね剛性を算定する。擁壁のコンクリート強度は Fc36，鉄筋種別は SD345(σy = 345×1.1 N/mm2)とする。擁壁はファイバー要素でモデル化し，コンクリートには NewRC モデル，鉄筋にはノーマルバイリニア（剛性低下率
1/100）の復元力特性を与える。擁壁幅は建物幅と同じ 30m とする。
解析には Newmark-β 法 (β=1/4)を用い，各要素に与える初期減衰は 0%とする。入力波は 2 周期分の正弦波加速度（2 周期目は振幅 2 倍）とし，概ね定常状態に達したところで擁壁へ衝突させる（図 2）。
衝突速度が所定の値となるよう入力倍率および水平クリアランスを調整する。
動的相互作用ばね
ダッシュポット
衝突ばね 擁壁

上部構造
（剛体）

剛体
免震部材
（線形ばね）

表 1 パラメータ一覧
免震周期 TISO (s)4.0, 5.0, 6.0

衝突速度 Vcol (m/s)

0.5, 0.75, 1.0, 1.25, 1.5

擁壁高さ Hw (m)2.0, 3.0, 5.0, 8.0

擁壁厚さ tw (m)Hw/10, Hw/10×1.5

擁壁配筋 pt

0.002, 0.005, 0.01, 0.015

背後地盤 VS (m/s)

100, 200, 300, 400

ダッシュポット
減衰係数 c (N･s/m)

図 1 解析モデル図
免震層変位

衝突範囲
自由振動

地盤弾性時の 0, 0.05, 0.1, 0.2, 0.5, 1.0 倍(Hw-Hc)/4 程度，(Hw-Hc )/2 程度，(Hw-Hc )※ 総解析ケース数：34560

時間(s)

水平クリア
ランス
所定の衝突
速度となる
よう設定

※pt：引張鉄筋比

衝突
TISO

TISO
（加速度振幅 2 倍）

図 2 免震建物応答と擁壁衝突発生のイメージ
図 3 にパラメトリックスタディの結果の一例を示す。基準ケースは，TISO=4.0s，Vcol＝1.0m/s，Tf = 0.5s，Hw = 2.0m，tw = 0.2m，pt = 0.2％，c = 0.0 とする。
図 3(a)は衝突ばねを設ける範囲（衝突範囲）を免震層直上大梁せいの 1/4 倍程度, 1/2 倍程度, 1 倍と変化させた場合の力積の変化率を示したもので，1 倍の力積を基準にしている。その結果，いずれの衝突範囲においても力積の変化率は 1.0 程度となっており，衝突範囲が力積におよぼす影響は小さいことがわかる。したがって，以降の検討では，これら衝突範囲のうち最大の力積を用いることとする。
図 3(b)は背後地盤のダッシュポットの減衰係数 c を，地盤を弾性とした場合の 0〜1.0 倍と変化させた場合の力積の変化率を示したもので，0 倍（ダッシュポット無し）の結果で基準化している。c の値が大きくなるほど，また背後地盤の Vs が大きくなるほど力積は線形的に大きくなっており，背後地盤の減衰性能が力積に影響をおよぼすことがわかる。
図 3(c)は擁壁の引張鉄筋比 pt を 0.002〜0.015 と変化させた場合の力積の変化率を示したもので，pt=
0.002 の結果で基準化している。pt が大きくなるほど擁壁耐力も大きくなり，力積は線形的に大きくなっている。背後地盤の Vs の影響は小さい。

- 69 -

図 3(d)は擁壁高さ Hw を 2.0m〜8.0m (tw / Hw =0.1)と変化させた場合の力積の変化率を示したもので，
Hw = 2.0m の結果で基準化している。Hw が大きくなるほど力積は曲線的に増大しており，Vs の影響は小さい。Hw や tw の増加による擁壁部抵抗の増大が力積におよぼす影響が大きいと思われる。
図 3(e)は擁壁の tw / Hw を 0.1, 0.15 と変化させた場合の力積の変化率を示したもので，tw / Hw =0.1 の結果で基準化している。tw が 1.5 倍になると力積は約 2 倍になっており，図 3(d)同様，tw の増加による擁壁部抵抗の増大の影響が大きいことがわかる。Vs の影響は小さい。
図 3(f)は建物重量（すなわち Tf）を変化させた場合の力積の変化率を示したもので，Tf = 0.5s を想定した建物重量の結果で基準化している。建物重量が増加すると力積もやや増大するが，重量比が 4.0 程
度以上で概ね一定となっている。Vs の影響は小さい。
図 3(g)は衝突速度 Vcol を変化させた場合の力積の変化率を示したもので，Vcol = 1.0m/s の結果で基準化している。Vcol の増加とともに力積は線形的に大きくなっている。Vs の影響は小さい。

0.5
0.0
0.0

0.2

0.4
0.6
衝突範囲

0.8

2.0

1.5

1.5

1.0
0.5
0.0
0.0

1.0

(a) 衝突範囲の影響
tw / Hw =0.1

6.0
4.0
2.0
0.0
0.0

2.0

4.0
6.0
H (m)

8.0

0.2

0.4
0.6
c の倍率

0.8

1.0
0.5
0.0

1.0

10.0

2.0

3.0

1.5

2.0
1.0
0.05

w

0.10
t /H
w

(d) 擁壁高さの影響

0.005

0.01
p

0.015

0.02

(c) 引張鉄筋比の影響

4.0

0.0
0.00

0

t

(b) 減衰係数の影響

力積変化率

力積変化率

8.0

力積変化率

1.0

2.0

力積変化率

力積変化率

1.5

力積変化率

Vs100
Vs200
Vs300
Vs400

2.0

0.15

w

(e) 擁壁厚さの影響

0.20

1.0
0.5
0.0
0.0

2.0
4.0
6.0
Tf=0.5sに対する重量比8.0(f) 建物重量の影響

力積変化率

2.0
1.5
1.0

図 3 各パラメータによる力積の変化率

0.5
0.0
0.0

0.5
1.0
1.5
衝突速度vcol (m/s)

2.0(g) 衝突速度の影響

４

まとめ
衝突エネルギー推定式の提案を行うため，上部構造の特性，衝突速度，擁壁部の特性をパラメータとした数値解析を行い，衝撃力と擁壁との接触時間から計算される力積を評価し，各パラメータが力積におよぼす影響の分析を行った。今後はこれらの関係を一般化した力積の評価式およびそれを用いた衝突エネルギー推定式の提案を行う。さらに，エネルギーの釣合いに基づく応答予測式を構築する。
参考文献

1)

⽝伏徹志，宮本裕司，荏本孝久，⼭下忠道：擁壁が弾塑性特性を有する場合の簡易評価法への適用− 免震建物の擁壁衝突時における擁壁部水平抵抗の簡易評価に関する研究

その 2 −，⽇本建築学会構造系論文集，第 81 巻，第 730 号，pp.1993-

2003，2016- 70 -

4-アミノ-3,5-ジハロ安息香酸のプロトントンネルと相転移機構
阿南高等工業専門学校

１

上田康平

はじめに

4-アミノ-3,5-ジハロ安息香酸（ハロゲン＝Cl, Br, I）で発見されたコヒーレント−インコヒーレント
プロトントンネル相転移は，プロトンの量子性が顕在した新たな相転移であり，古典粒子の相転移ではプロトン位置の秩序無秩序相転移と対応する。その相転移機構や状態の解明が期待されている。
２

研究目的

安息香酸及び安息香酸誘導体は，結晶中で２本の非常に強い水素結合で結ばれた二量体を形成しており，水素結合中のプロトンは量子トンネル効果によって 2 つのサイト間を移動する。4-アミノ-3,5-ジハロ安息香酸の室温結晶相は，極めて対称性の高い構造をしている[1]。この物質の水素結合中のプロトンは高温相でコヒーレントプロトントンネル状態を実現しており，低温相でインコヒーレントプロトント
ンネル状態へ相転移する[2]。この相転移は，量子的な効果が反映された熱異常を示す可能性がある。4アミノ-3,5-ジクロロ安息香酸の比熱は，138 K に低温にハンプを持つ二次相転移を示した。低温のハンプは，通常の二次相転移には見られないもので，プロトントンネル系の相転移の特徴を表していると考えられる。一方，40 K までコヒーレント状態を保つ 4-アミノ-3,5-ジヨード安息香酸は，良質の結晶が得られず，転移の詳細は未解明である。最近，低収率ながら 4-アミノ-3,5-ジヨード安息香酸の単結晶を得る方法が分かった。そこで，1 mg 程度の試料で比熱測定が可能な PPMS を利用することで，単結晶試料で，4-アミノ-3,5-ジヨード安息香酸の比熱を測り，コヒーレント−インコヒーレントプロトントン
ネル相転移の性質を明らかにすることを目的とする。

ヨード安息香酸の比熱を示す。4-アミノ-3,5-ジ
ヨード安息香酸は，1H NMR の結果[2]から 40
K 前後でコヒーレント−インコヒーレントプ
ロトントンネル相転移を起こすとされている

K

図１(a)に，本研究で求めた 4-アミノ-3,5-ジ

−1

研究成果

Cp,m / J mol

３

−1

200

150

100

が，比熱測定ではその相転移に対応した明瞭な50

熱異常は観測されなかった。この結果は，13800K で相転移を示す 4-アミノ-3,5-ジクロロ安息

100

200

300

香酸の振る舞いと対照的である。4-アミノ-3,5-T/K

ジクロロ安息香酸では，1H NMR や 35Cl NQR

図 1 4-アミノ-3,5-ジヨード安息香酸の比熱- 71 -

で相転移が観察されたのと同じ温度に明瞭な熱異常が観察されている。4-アミノ-3,5-ジヨード安息香酸
で相転移温度に明瞭な熱異常が無いということは，この変化が相転移前後でエントロピーに大きな差がない相転移，もしくはクロスオーバー的な現象であることを示唆している。古典的には秩序相に相当す
る低温相においてもプロトン秩序化による安定化と量子揺らぎが拮抗した状態になっている可能性が
ある。
４

ま と め

4-アミノ-3,5-ジハロ安息香酸のヨウ素体と塩素体で，相転移に由来する熱異常の様相が大きく異なる
ことが分かった。どちらの物質の熱異常も低温相の量子性を反映していると考えられる。今後は，本研究で得られた比熱を解析することで，転移エントロピーを定量化することで，相転移の機構解明につなげたい。
[1] K. Ueda, M. Oguni, T. Asaji, Cryst. Growth Des. 14 (2014) 6189.
[2] T. Asaji, K. Ueda, M. Oguni, Chem. Phys. 457 (2015) 32.

- 72 -

シリカ系材料の局所構造と物性
東京都立大学 大学院都市環境科学研究科 環境応用化学域 梶原 浩一

１

はじめに
シリカは Si–O 結合を骨格とする化合物群であるが、Si が強い結合による三次元的な網目構造を構築するため構造の多様性が高い。また、このようなシリカ系材料の物性は、構造だけでなく、しばしば欠陥の影響を大きく受ける。このうち、-石英とシリカガラスは高純度で大きな試料が得やすいため、それぞれ結晶性および非晶質シリカとしてのモデル物質と位置づけられており、照射による欠陥過程の解析や、その過程に非晶質性が与える影響を調べるうえで有用である。また、低密度シリカ結晶であるシ
リカゼオライトや Si–C 結合を有する有機–無機ハイブリッドなども、シリカ系材料での機能探索や物性評価を行ううえで興味ある物質群である。
２

研究目的
本研究では、Si を含む結晶や非晶質(シリカガラス)、ゼオライト、有機–無機ハイブリッドなど多種のシリカ系材料の構造や欠陥を種々の分光法・測定手法を用いて解析し、それらの物性との互いの相関を明らかにすることを目的とした。今年度は、主に、水とケイ素源(ケイ素アルコキシド)、少量の酸触媒のみから溶媒を使わずに有機–無機ハイブリッドが合成できる無共溶媒法による親水・熱硬化耐性深紫
外透明低融点ガラスの開発、および新規含リチウムソーダライトの結晶化ガラス合成と評価に関する研究を行った。
３

研究成果
Si 原子 1 個あたり 1 個の有機官能基 R を有するシルセスキオキサンで、R 基が環状アルキル基であるシクロヘキシル基のとき、深紫外透明性を有し、SiOH 基を多量に含むため親水性で親水性基板等に対して強く接着し、縮合熱硬化もしにくい低融点ガラスが得られることを見出した。この材料は、本研究室で開発した、ケイ素源である三官能ケイ素アルコキシドと希酸のみを原料として用い、有機溶媒等を使用しない無共溶媒法を用いて合成することができた。また、含リチウムソーダライト Li8B6Si6O24Cl2を発見した。この化合物は初めての含ホウ素アルカリソーダライト、かつ熔融急冷結晶化法によって均一融液から結晶化ガラスが得られる初めてのソーダライトであった。得られた結晶化ガラスは 60°C で~10−6 S cm−1 のリチウムイオン伝導性を示し、金属リチウムとの接触に対しても安定であった。
４

ま と め
環状アルキル基を含むシルセスキオキサンに着目し、そのうちシクロアルキル基を選択することで、親水・熱硬化耐性深紫外透明低融点ガラスを実現した。また、新規リチウムイオン伝導性ソーダライト
Li8B6Si6O24Cl2 を発見し、結晶化ガラスが作製できることを示した。

- 73 -

種々の先進材料の高密度エネルギー計測分野への応用
応用ながれ研究所とレーザー技術総合研究所

糟谷紘一

１. はじめに
過酷な条件下で使用する材料の諸特性を明らかにし、それらを生かした諸応用を提案し、これらの課題に関連する、最近の共同研究結果について、その概要を述べる。
２. 研究目的
東京工業大学フロンティア材料研究所の真空蒸着装置を活用して、諸材料を加熱し、基板材料表面のコーティングによる新規なサンプルを作成し、各種計測装置により、高温下での表面損耗量等を測定する。これらの結果を生かして、極限状態材料の損耗破壊監視計測法の確立を目指すことが、本共同研究の最終目標である。本研究では、近く再開する高熱流照射実験のために、関連計測装置の準備と新規な方法の調査・提案をした。
３. 研究成果
3-1 基本設備の更新 すなわち、近く（2025 年夏頃）、MS 系の公式 OS サポートが Windows10から Windows11 に切り替わるので、サポート以後の安全確保のために、旧機 1 式を対応可能な
新しい PC 等に更新した。但し、各個システム稼働のためのソフトウェアが Win10 対応以前のものについては、同ソフトウェア稼働時には、安全のため、外部ネットワーク接続なしで稼働するように、注意している。
3-2-1 変位計測システムの追加整備可能性の検討 マルチカラー同軸変位計 1 式のうち、昨年度までに完了していなかった、より遠距離配置の真空或いは指定雰囲気中の対象物測定のために、より遠距離測定可能な変位計システムの検討をした。損耗量のその場測定の応用範囲を広げるために必要であったが、変位計ヘッドを入れ替えるだけでなく、ヘッドをバックアップする部品系 1 式（コントローラ、増設ユニット等）も追加調達する必要があることが判明したので、本年度は、準備のための小実験をするにとどめた。たとえば、これまでに用意した古い真空蒸着装置のベルジャー部と同一種類のガラス板の背後に被検材を置いて、被検材厚さ測定ができるかどうかを調べた。現在、測定結果の検討中である。
3-2-2 レーザー総研現有のレーザー励起超音波計測装置と最近の製品調査 旧機の場合、2 本のレーザーと発生超音波のフーリエ解析装置を個別に購入し、全体装置を組み立てたものであったが、超音波の発生と同計測装置が同社の既製品と同様の場合、スペックの違いによりかなり異なるが、おおむね定価が 2～3 千万円なので、性能ダウンしてもそれほど低価格化はできないとの答えであった（ポリテック社調べ）。同種の調査を別社製品についても実施したが、その結果を、以下に述べる。
これまでに使用の当該厚さ測定装置の装置価格は必ずしも安価ではなく、その応用範囲をさらに広げるためには、より小型化、低価格化を実現する必要がある。そこで、さらなる調査を実施した。その結果、非接触レーザー超音波可視化検査装置なる製品名で、つくばテクノロジー（株）からカタログ販売されているものがあり、同社に連絡したが詳細は不明で、製品価格的にはポリテック社例と同程度で、本研究の最終目的には合致しないことが判った。したがって、
本研究目的をカバーでき、かつ、さらなる広範囲への応用が可能な、かなり安価で小型の新製品開発の可能性検討がぜひ必要であることが判った。これに関連して、次節 3-2-3 節の研究項
目の発表があることを期待して、また 7 章のスピンオフ研究への展開を模索するために、6 章
4)のシンポジウムに参加すると共に、最新情報の収集を試みた。その結果の重要成果として、1）
我々のこれまでの研究成果を生かしたスピンオフ研究がかなり重要であることと, 2)下記 3-4
項のアップコンバージョン関連材料に関する新情報を得ることができた（三好憲雄・筑波大学研究員、金のナノ粒子に関する生体材料）。そこでもし可能なら、下記の 3-3 節の準備項目に、
この種の材料が利用できるかどうか、検討することを追加したい。

- 74 -

3-2-3 レーザー励起超音波計測法の生体診断への応用 以前実施のレーザー照射サンプルの損
耗閾値測定研究時に手伝っていただいた研究者が、最近、チップレーザー超音波法による生体計測研究をしており、近畿大学和歌山キャンパスの研究室や慶応大学医学部との共同研究により、かなりコンパクトな装置システムを開発している模様である。かなりの期間の Research Map
等を含む文献調査をしても、内容の詳細は判明しなかったが、最近サブジュール程度の繰り返
しインパクトレーザにより、大まかな必要超音波励起ができている模様であることが判った。
3-2-4 マイクロチップレーザーの製品とその広範囲応用に関する調査結果 ユニテック社のイ
ンターネットホーム頁等に関連情報(Table 1)が出ていることが判った。そこで、同社に連絡を取り、コンパクトで安価なレーザー励起超音波測定装置開発の可能性について検討を依頼したが、現在までの所、応答がないままである。いっぽう、オプトクエスト社に製品調査・問合せをすると、1 機種が標準製品として出荷できることが判ったが、定価ベースで約 230 万円するとのことで、別途研究費を申請する必要があることが判った。
3-3 アップコンバージョン（UC）光を利用する複合分光法の準備 構造材料本体背面或いは、これの背後に置いた高温用透明材料との組み合わせ材料に、UC 材料の薄層を加えたサンプルを作成し、これらの高速温度上昇時の分光測定を計画した。
４ 最新マイクロチップレーザー搭載のレーザー超音波発生・計測装置(Fig.1) ごく最近判明したことであるが、本研究計画に取って極めて有効な研究結果が、近く公表される模様である。
大阪大学大学院工学研究科のホーム頁に記載の最新情報（野村和史研究室）を下に書く。
1) 2024/04/24-26 論文発表予定：The 10th Tiny Integrated Laser and Laser Ignition
Conference 2024 (TILA-LIC2024), Pacifico Yokohama, K. Nomura, N. Okuyama, T. Sano,
T. Inoue, Development of Dynamic Laser Ultrasonic System Mounted on Robot Arm
Using Microchip Laser, XXXX (2024), (2024/4/26). (Fig. 1 装置は Table 1 のレーザー使用).
2) 2024/03/18-19 レーザー加工学会第 100 回記念講演会, 東京都立産業貿易センター浜松町館, 野
村和史，出野壮士，佐野智一: レーザー超音波法における超音波励起強度のレーザーパラメータ依存性に関する研究, レーザー加工学会講演論文集 (2024) XX, (2024/3/17, Poster).

４．謝辞 本研究は、東京工業大学・フロンティア材料研究所と九州大学応用力学研究所の共同研究経費の援助を受けた。また、前者の研究支援職員と後者の糟谷直宏教授を含む共同研究
支援職員 並びに、応用ながれ研究所スタッフの支援を受けた。併せて感謝の意を表します。
５．研究組織糟谷紘一 A,B, 井澤靖和 B, 徳永和俊 C, 川路 均 D, 平等拓範 E,F, 沖野晃俊 G, A 応用ながれ研
究所, B レーザー技術総合研究所, C 九州大学応用力学研究所, D 東京工業大学フロンティア材料研究所, E 分子科学研究所, F 理化学研究所, G 東京工業大学未来産業技術研究所（2024/03/15 記）
６．研究成果報告一覧 最近の当該共同研究結果を、下記の論文などで公表或いは公表予定。
1) 糟谷紘一, コチャエフ・オルグ, 井澤靖和, 徳永和俊, 川路 均, 種々の熱入射法による材料表面の高エネルギー密度入射損耗解析法の開発, 九州大学応用力学研究所共同利用研究成果
報告, 26, 1, 158-159, 2023.
2) 糟谷紘一グループ, 種々の先進材料の高密度エネルギー計測分野への応用, 東京工業大学・
技術創成研究院・フロンティア材料研究所共同利用研究報告書, 27, 1, 93-95, 2023.
3) 糟谷紘一, 徳永和俊, 川路 均, 平等拓範, 核融合材料の損耗過程の・その場測定法に関する最近の試み, 2023 年度 NIFS 共同研究夏の合同研究会, 筑波大学総合研究棟 B112 講義室＋オ
ンライン, 2023 年 9 月 5 日-9 月 6 日.

- 75 -

4)糟谷紘一グループ, レーザー照射に付随する検体の放射損傷の極小化とその医療診断への応用に向けて, 第 1 回医療フォトニクスシンポジウム～フォトニクスの医療応用を加速させるには～, 2024 年 3 月 13 日 14:00～20：00、大阪大学銀杏会館 3 階, ポスター講演.
７．スピンオフ研究課題の提案
当該研究課題は、元々、核融合関連高温材料の研究のために進めてきたものである。特にごく最
近は、産官学全体の異常なまでの核融合炉開発付随研究の高まりがあって、根っからの核融合関連研究者にとっても、増々ありがたい環境になっている。但し、核融合発電実現が近づいたことの宣伝が嘘であったことが判明する場合、ごく近い将来か、もう少し先になるかは別として、世界の失望・反動は、計りしれなく深いものになるであろう。それでも、さらに引き続き核融合研
究を続けるべきかと問われるなら、やはり地球上の生体のさらなる存続を望む限り、続けざるを得ないと答えるしか道はないであろう。
さらに続けて、本研究の代表者は以下のことを付記したい。元々核融合材料の損耗研究であった
研究課題は、何もこれのみに限定されるべきものではなく、より生々しい生体防衛の観点からの、スピンオフ的研究課題へと敷衍する。すなわち、例えばレーザー光照射による生体診断・治療分野において、対象物に与える乱れ（よくない状態変化）を、可能な限り小さく抑えて診断・治療する方法の選択を可能とする進化した方法の提案を、能動的に展開したいと言うモチベーションの盛り上がりをもたらす。―――という訳で、ごく最近、研究代表者らはスピンオフの１つの方向を模索するため、上記(6-4)項）のシンポジウムに参加することにした。余命期間がより短い者に取っては、こちらの課題の方が、短期間で寄与できることがより多くありそうである。
7-1

レーザー変位計の生体計測への応用に関する最近の調査結果

本年度末に近い残り少ない期間になってから下記のシンポジウムが開催された。そこで、急遽、一念発起して、これに参加して、関連情報収集をし、ついでに我々の研究中心がスピンオフして着手できることがあるかどうかを調査した。その際最新の医療（加療と診断）研究分野で関連性が高いと思われることとして、加療にレーザー光やプラズマを用いる場合に、加療後の出来栄えをよくし、加療による副作用をできる限り抑えること、換言すると、副反応（副作用）を極小にして最大加療効果を得るために必要な諸条件の担保確保研究が必須であると考えるようになった。そこで、本研究代表者が以前長年所属していた大学研究室の隣の研究室に所属し、その頃から現在に至る長期間に渡り、温度制御が可能なミニプラズマジェットの応用研究の一部に、役立
ちそうな研究情報があることが判明した。その代表例として、低温（或いは室温）プラズマによる生体表面或いは生体内部の止血治療があった（東工大・未来産業技術研究所・沖野研究室）。

Fig.1 マイクロチップレーザー使用の超音
波・材料サンプル構造計測システム（阪大・野村・浅井研究室）.

Table 1 市販マイクロチップレーザーの特性表（ユニテック社仕様）.

- 76 -

層状テルライドにおける量体化形成とその前駆現象の開拓

名古屋大学大学院工学研究科

１

片山尚幸

はじめに
構成元素の金属イオンが軌道自由度を持つ遷移金属化合物の中には、低温で軌道秩序と同時に金属イオンが寄り集まり量体化「分子」を形成する系が存在する。これらの量体化分子は高温では消失し、レギュラーな格子が実現すると考えられてきた。しかし、二体相関分布(PDF)解析法を用いた最近の研究により、これらの量体化分子が高温相においても生き残っていることが発見された。量体化の動的なゆらぎが出現していると考えられ、注目を集めている。
VTe2, NbTe2, TaTe2 の三種の 5 族遷移金属テルライドでは、高温から直線型の三量体が形成されている。結合性軌道と非結合性軌道、反結合性軌道が形成され、結合性軌道に二個の電子が格納された
三中心二電子結合で結合しているとされる。V, Nb, Ta はすべて 5 族元素で形式価数が同じであるため、これらのテルライドは似通った電子状態をもつが、TaTe2 では低温で一部の原子が変位し七量体へと変化する。放射光 X 線を用いた回折実験を行った結果、高温において変位を生じる Ta 原子の異方性温度因子が低温での変位方向に向けて伸びを生じている様子を突き止めた。高温相において七量体化に向かう揺らぎが異方性温度因子の伸びという形で観測されている可能性がある。
２

研究目的
単結晶試料を用いた放射光 X 線精密構造解析や、蛍光 X 線ホログラフィーなどの局所構造解析手法を駆使することで、こうした周期性を持たない揺らぎを評価することが可能となる。本研究では、これらの実験を行うために必要な単結晶試料を共同利用の設備を利用して準備することを目的とした。得られた試料については、SPring-8 BL02B1 における単結晶 X 線回折実験を行い、得られた回折データを用いてスプリットサイトモデルを用いた構造解析を行う。これにより、特定方向の揺らぎを評価することが可能となる。より定量的な評価のために、SPring-8 BL47XU において蛍光 X 線ホログラフィ
ー測定を行う。後者については次年度の実験実施を予定しており、今年度は測定に必要な mm サイズの大型単結晶育成までを課題とする。
３

研究成果

笹川研究室の電気炉を用いた CVT 合成により、TaTe2 の大型単結晶試料を得ることに成功した。本年度には BL02B1 で単結晶 X 線回折実験を行い、split site モデルを用いた構造解析から Ta サイトに前駆的な局所歪が生じている様子を明らかにした。熱によって揺らいだ状態が実現していると予想される。
また、BL47XU 実験に向けた 3mm 級サイズの大型単結晶試料も育成に成功した。2024 年度前期にBL47XU で蛍光 X 線ホログラフィー測定を予定している。

- 77 -

４

ま と め

以上のように、TaTe2 において低温七量体化に向けた局所原子変位の存在を明らかにすることに成功した。2024 年度に予定している蛍光 X 線ホログラフィー測定により、より定量的で明確な評価が可能になると期待している。本年度に得られた成果については、Physical Review B 誌に論文を発表した。
N. Katayama, Y. Matsuda, K. Kojima, T. Hara, S. Kitou, N. Mitsuishi, H. Takahashi, S. Ishiwata, K.
Ishizaka, and H. Sawa, Phys. Rev. B 107 (2023) 245113.
また、今年度のそれ以外の研究成果と前年度以降の共同利用の成果についても、計 3 本の論文として成果をまとめた。
K. Kojima, N. Katayama, Y. Matsuda, M. Shiomi, R. Ishii, and H. Sawa, Phys. Rev. B 107 (2023) L020101.
K. Kojima, N. Katayama, K. Sugimoto, N. Hirao, Y. Ohta, and H. Sawa, Phys. Rev. B 108 (2023) 094107.
T. Kubo, K. Kojima, N. Katayama, T. Runˇcevski, R. E. Dinnebier, A. S. Gibbs, M. Isobe, and H. Sawa,
Phys. Rev. B, accepted (2024).

- 78 -

傾斜組成構造を導入したリチウムイオン二次電池
エピタキシャル薄膜の性能評価
東北大学工学研究科

１

神永健一

はじめに

近年，希少金属 Co の使用量削減を実現するリチウムイオン電池正極材として，Co の一部を豊富な資源である Ni と Mn で置換した 3 元系 LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2(NMC)が注目されている．特に，最近 NMCについては，材料内部から表面にかけて Ni 濃度を連続的に変化させた傾斜組成構造の導入により電池特性の向上が報告されている[1]．しかし，既報は結晶粒界や多形の影響を含んだバルク多結晶体での報告のみで，傾斜構造と電池特性の相関の解明にはエピタキシャル薄膜が理想的である．そこで本研究では NMC 傾斜組成エピタキシャル薄膜を作製し電池測定を試みたので報告する．
２

研究目的
本研究では，代表的なリチウムイオン二次電池材料である NMC を研究対象とする．ガルバノミラー

走査型パルスレーザ堆積(PLD)装置[2]を利用して，基板界面から薄膜最表面にかけて Ni 濃度を線形に変化させた NMC 傾斜組成エピタキシャル薄膜を実際に作製し，均一組成膜との電池性能の比較によって傾斜組成導入の効果を吟味することを目的とする．東北大は傾斜組成エピタキシャル薄膜の作製を担当し，フロンティア研は薄膜の電池測定を担当した．
３

研究成果

XRD 面外・面内 2𝜃-𝜃測定（Fig.1）から，傾斜 UP は均一 NMC と均一 NM に跨るブロードなピークを示し，面内 Phi scan 測定からエピタキシャル成⻑が確認された．また，SIMS 深さ方向分析(Fig.2)から傾斜 UP に関して膜表面側から基板側に向かうにつれて，Ni の組成が線形に増加，Mn の組成はほぼ一定，Co の組成は線形に減少していることが示された．以上より，設計通りの傾斜組成構造を有するエ
ピタキシャル薄膜が得られたことがわかる．しかし、これらの薄膜を用いた電池性能評価を行なったところ、充放電サイクルが回らないことがわかった。次年度以降、製膜条件等をより詳細に検討して、傾斜組成構造と電池性能の相関の解明を試みる．
４

ま と め
ガルバノミラー走査型 PLD 装置を用いて設計通りの傾斜組成構造を有する NMC エピタキシャル薄膜に成功した．しかし、これらの薄膜を用いた電池性能評価を行なったところ、充放電サイクルが回らず電池として機能していないことがわかった．次年度以降、製膜条件等のさらなる検討により傾斜組
成構造と電池性能の相関の解明を試みる．
【参考文献】[1] Adv. Energy Mater. 6, 1601417 (2016). [2] Rev. Sci. Instru., 90, 093901 (2019).

- 79 -

Fig.1 (a)面外 XRD2𝜃-𝜃測定, (b)面内 XRD2𝜃-𝜃測定．

Fig.2 (a)傾斜 UP

SIMS 深さ方向組成分析, (b)傾斜 UP 模式図．

- 80 -

電子フォノン結合系のコヒーレント励起の量子理論モデル
大阪公立大学理学研究科
１

萱沼

洋輔

はじめに
結晶中のフォノンは、通常は熱エネルギーの担い手であって、構成原子のランダムな運動と理解されている。しかしながら半導体や絶縁体である固体結晶に時間幅の短い（通常パルス幅数十フェムト秒以下）のパルス光をポンプ光として照射すると、その瞬間的光吸収または光散乱に伴って位相の揃ったフォノン振動（コヒーレントフォノン）が励起される。コヒーレントフォノンは、結晶の誘電率を周期的に変調するので、ポンプ光に引き続くプローブ光の反射率変化や透過率変化を通じて観測できる。コヒーレントフォノンの時間分解測定は、固体という舞台の上で演じられる光パルス・電子・フォノンという素励起間の超高速過程の典型として多くの研究者の興味を引いている。
２

研究目的
本研究課題は、東京工業大学フロンティア材料研究所の中村一隆研究室の実験的研究と、萱沼の理論的研究の密接な連携のもとで、半導体(GaAs など)および絶縁体（ダイヤモンドなど)結晶におけるコ
ヒーレントフォノンの生成・観測メカニズムの解明を目的として遂行された。
ポンプ・プローブ分光とは、ポンプ光からの遅延時間の関数としてプローブ光の反射率変化などを測定する手法である。そのために得られたデータから「物質中でどのような量子力学的過程が起きているのか？」を推測し解析する理論が必要になる。本研究課題の目的はそこにある。
３

研究成果
本研究課題をめぐる実験・理論の共同研究は、すでに１０年を越える実績があり、新しい局面を切り拓いてきた。共著論文の数も多く、2023 年度に限っても、原著論文 3 篇がある[1-3]。
本年度の研究の中心課題は、「GaAs 結晶における縦モード光学型フォノン（LO フォノン）とプラズモン(PL)との混成ダイナミクスと、コヒーレント振動生成の全体像の解明」である。
イオン性半導体 GaAs においては、強いポンプ光による電子励起の結果、伝導帯に高密度の電子が励起され、これがプラズモンを形成することが知られている。プラズモンはさらに LO フォノンと混成し、2 本の LOPC モード (L-, L+) に分裂すると考えられている。すなわち、強励起された電子励起状態（伝導帯）においては、LO フォノンは良い固有状態とは考えられないはずである。ところが、東京工業大学中村グループを含め、国内外の研究グループにおいて、ほとんど常に「裸の」LO フォノ
ンと「LOPC モード」によるコヒーレント振動が共存することが報告されている。これは一種の「謎」であるが、まだ明確な解答が出されていない。
我々は共同研究において、「LO フォノン・LOPC モード共存」の理由は、それぞれの素励起の生成にいたる量子経路が異なる、すなわちそれぞれの棲むヒルベルト空間が異なる、という結論に至っている。つまり「共存」とはポンプ・プローブ分光に不可避の、みかけの共存に他ならない。この解- 81 -

釈は、単に共存の謎を解くだけでなく、それぞれの振動振幅のポンプ光強度依存性の違いや、振動位相の違いなどの特徴も再現している。この成果は、現在論文投稿準備中である。
４

ま と め
本研究課題の研究が深まるにつれて、次々に新しい局面が見えてきた。これは研究というものの本質であろう。「GaAs 結晶のコヒーレントフォノン生成機構」という限られた対象ではあるが、簡単と思われていた現象の意外な全体像がようやく明らかになりつつある。ここで得られた知見は今後、他の物質、他の超高速過程研究の有用な足掛かりとなるであろう。
2023 年度発表論文[1] Y. Furusho, R. Yagi, M. Suda, T. Maruhashi, I. Takagi, Y. Kayanuma, F. Minami and K. G.
Nakamura, Ultrafast quantum-path interferometry of photo-absorption involving excitons in a GaAs
multi-quantum-well structure, Solid State Commun. 113056, 3601 (2023).
[2] I. Takagi, Y. Kayanuma and K. G. Nakamura, Ultrafast Quantum path interferometry to determine
the electronic decoherence time of the electron-phonon coupled system in n-type gallium arsenide,
Phys. Rev. 107, 184305 (2023).
[3] I. Takagi, Y. Kayanuma and K. G. Nakamura, Stimulated Raman blockade in coherent phonon
generation, Solid State Commun. 11536, 373 (2023).

- 82 -

衝撃荷重下における超高ひずみ速度変形機構の解明
防衛大学校 応用科学群 応用物理学科

１

川合 伸明

はじめに
一般に材料の降伏強度・塑性変形時の流動応力といった機械的特性は、ひずみ速度に依存して変化する。そのため、ひずみ速度が 104 /s 以上に達するような衝撃波の伝播を伴う衝撃荷重下においては、変形強度が静的変形時と比較し数倍も大きくなるなど、変形挙動が大きく異なることが知られている。
この衝撃荷重下における機械特性の変化に関して、主たる構造・機械材料である金属材料においては多くの研究が行われており、変形機構の詳細検討が進められている。一方、加工・成形性、軽量性、光学特性などの理由から、近年、工業材料として様々な機械・構造に用いられているエンジニアリングプ
ラスチックにおいては、衝撃波の伝播を伴うような強い衝撃荷重による実験例は限られており、その衝撃応答挙動は未だ十分に理解されていない。
２

研究目的
以上のような背景から、本研究では、エンジニアリングプラスチックの中でも優れた耐衝撃性を有する透光性プラスチックとして、高速移動機器の透明部材を中心に、多くの構造部材に用いられているポリカーボネートに着目し、その衝撃荷重に対する強度特性評価を目的に、衝撃圧縮下におけるせん断強度およびスポール強度の測定を行った。
３

研究成果
衝撃圧縮実験は、火薬銃により加速された衝突板を平板試験体と平面衝突させることにより行った。

スポール強度は、レーザー速度干渉計を用いて測定された試験体裏面速度の時間プロファイルから導出した。衝撃圧縮下のせん断強度は、平面衝撃圧縮が一軸ひずみ圧縮状態であることを利用し、試験体内部に埋め込まれたマンガニン応力ゲージにより測定された衝撃波伝播方向の応力とそれに垂直な応力の差から導出した。
Fig. 1 に、本研究で得られたスポール強度と印加した衝撃応力との関係を示す。約 2 GPa を超える
衝撃応力の付加により、スポール強度が低下する結果となった。この 2 GPa という衝撃応力は、ポリカーボネートの衝撃波速度−粒⼦速度関係が変化する圧縮状態と一致している。このことは、応力解放過程で生じるスポール破壊において、直前の圧縮過程における物質の状態変化が破壊挙動に影響を及ぼすことを示唆するものである。Fig. 2 に、衝撃圧縮下におけるせん断応力と印加した衝撃応力の関係を示す。せん断応力の変化挙動においては、スポール強度において⾒られた衝撃波速度−粒⼦速度関係の変化と連動した変化は確認できず、3 GPa までの衝撃応力域においては、印加される衝撃応力の増加と共に、内部に生じるせん断応力も増加していく。しかし、3 GPa 以上の衝撃応力域においては、衝撃応力の増加に伴い、せん断応力は低下し、5 GPa の衝撃応力下においては、せん断応力が殆ど- 83 -

保持されていない状態となっている。このことは、5 GPa 以上の衝撃圧縮下においてポリカーボネー
トがほぼ強度を消失し、流体のような状態となっていくことを示唆している。
４

ま と め
本研究では、ポリカーボネートの衝撃荷重に対する強度特性評価を目的に、平面衝撃圧縮下におけるせん断強度およびスポール強度の測定・評価を行った。スポール強度測定においては、2 GPa 以上の衝撃応力負荷によりスポール強度が低下することが示された。せん断強度測定では、3 GPa までの衝撃応力に対しては、負荷応力の増加に伴い内部に生じるせん断応力も増加していく一方、衝撃応力が 3 GPa を超える領域においては、せん断応力は減少に転じることが示された。現状、スポール強度とせん断強度の挙動に関連性を⾒出すことはできていないが、いずれもポリカーボネートの状態変化に起因した挙動変化と考えられる。ポリカーボネートの衝撃強度特性の理解を進めるために、状態方
程式に代表される熱力学的な応答も含めた総合的評価を行っていくことが必要である。

Fig. 1. Spall strength versus shock stressFig. 2. Shear stress versus shock stress- 84 -

ワイル磁性体候補物質である逆ペロブスカイト型マンガン窒化物
における輸送特性の調査
静岡大学

１

川口 昂彦

はじめに

近年、物性物理やスピントロニクスの分野でトポロジカル物質が注目を集めている。その中でも、Mn3Sn
を始めとしたワイル磁性体は室温でその特異な物性を発現し、新しい磁気デバイス構築へのカギを握っているため盛んに研究が進められている。特に異常ホール効果に注目すると、通常の強磁性体では磁化の大きさに比例した異常ホール係数が見られるが、ワイル磁性体では非常に小さな磁化しか持たない弱強磁性体でありながら、ベリー曲率の増大に起因した内因的要因により、通常の強磁性体に匹敵する大きな異常ホール効果が発現することが報告されている。しかし、このようなワイル磁性を発現する物質でこれまでに発見されているものは数種類と限られており、材料選択性の観点から更なる物質探索が求められている。
２

研究目的

本研究では、逆ペロブスカイト型構造を有するマンガン窒化物のひとつである Mn3AN (A=金属元素、半導体元素)に着目した。本物質はマンガンの磁気モーメントがカゴメ格子を組むことで、磁気フラスト
レーションを生じることや、理論計算においてフェルミ準位近傍にワイル点の存在が示唆されていることから、ワイル磁性を発現することが期待されている。実際、A=Ni, Sn において比較的大きな異常ホール効果の発現が報告されている。また、A=Ge の場合、Γ4g 型の磁気秩序を組んだ場合 A=Sn に比べて数倍大きな異常ホール効果を発現し得ることが理論計算から示唆されている。さらに、A=(Ge,Mn)とすることで、磁気転移温度が室温以上に上昇することを確認している。しかし、Mn3(Ge,Mn)N の磁気特性や輸送特性に関する報告は極めて少ない。これまでに我々は MgO(001)基板上への Mn3(Ge,Mn)N 単相薄膜のエピタキシャル成⻑に成功しているが、ホール効果の測定には⾄っていなかった。そこで、本研究では Mn3(Ge,Mn)N 薄膜の磁気物性調査を目的とした。
３

研究成果

Mn3(Ge,Mn)N 薄膜はパルスレーザー堆積(PLD)法を用いて作製した。Mn2N0.66, Ge の混合粉末の混合粉末を真空封入した石英管内で固相反応により合成し、単相の多結晶粉末試料を得た。得られた
Mn3(Ge0.6Mn0.4)N 粉末を放電プラズマ焼結法で焼結し、これを PLD 法のターゲットとした。レーザーには Nd:YAG 4 倍高調波(266 nm, 10 Hz)を用い、背景真空度 1-4×10-5 Pa、基板温度 500℃で 20-30 nm程度の膜厚となるように成膜を行った。基板には MgO (001)あるいは MgO (111)を用いた。得られた薄膜は X 線回折(XRD)や蛍光 X 線分析(XRF)によって、結晶、膜厚、組成を評価した。また、磁化測定や輸送特性測定には MPMS-3(カンタムデザイン社)の SQUID および抵抗測定オプションを用いた。

- 85 -XRD の結果、MgO(001)基板上では(001)面外配向した Mn3(Ge1-xMnx)N エピタキシャル薄膜、
MgO(111)基板上では(111)面外配向した Mn3(Ge1-xMnx)N エピタキシャル薄膜が成⻑していることが明らかとなった。組成は x=0.2-0.3 程度であった。ここで MgO(111)基板上では微量の MnO 相もエピ
タキシャル成⻑して混在していることが分かった。また、高速電子反射回折(RHEED)による表面観察から、(001)配向薄膜は完全な２次元成⻑モードである⼀⽅で、(111)配向薄膜では３次元島状成⻑モードと２次元成⻑モードの中間であることが示唆された。ロッキングカーブを測定したところ、それぞれの半値全幅はΔω(002)=1.2°、Δω(111) = 2.2°であった。すなわち(111)配向薄膜の⽅が結晶性は低いことを示唆しているが、これは MnO 相の混在に由来していると考えられる。MnO 相形成の原因
はターゲット中の微量酸化物由来あるいは MgO 基板表面の水酸化物との反応由来であると考えられる。⼀⽅、MnO 相は絶縁体であるが、2 K-350 K の抵抗測定の結果、どちらの薄膜も同様に、300 K
付近では数 mΩcm の抵抗率を示し、低温まで金属的に抵抗が減少した。これらはバルク試料と近い振る舞いであることから、輸送特性への MnO 相による影響は小さいと考えられる。なお、20 K 以下で抵抗の上昇がみられたが、温度域や変化の大きさから近藤効果によるものだと類推される。
次に、ホール効果測定を行ったところ、どちらの薄膜でも、ホール抵抗の磁場依存性は検出限界以下程度しか見られず、異常ホール効果は観測されなかった。この原因について考察する。Y. You らによって報告された Mn3SnN 薄膜の結果では、面外格子定数の短い薄膜でのみ異常ホール効果を発現しており、著者らは薄膜の格子歪み（面内⽅向に伸張）が異常ホール効果発現に必要であると主張している。理論計算では歪によって異常ホール効果が発現しやすいΓ4g 型の磁気構造が変化することが示唆されている。今回得られた薄膜では、基板との熱膨張差による格子歪の導入は見られるものの、磁気構造が変化するほどの格子歪ではなかったと考えられる。第⼀原理計算では、立⽅晶に仮定した Mn3GeN
では異常ホール効果が発現しないΓ5g 型磁気構造が最安定であることから、格子歪が不十分な場合は異常ホール効果が発現しないと考えられる。以上の考察が正しければ、異常ホール効果を発現させるためには、エピタキシャル歪を導入するか、熱膨張係数の大きく異なる基板上に成⻑すればよい。後者の手法としては例えば、Mn3GeN はの熱膨張係数は約 23 ppm/K であるため、約 2 ppm/K である Si
基板上にエピタキシャル成⻑することで、より大きな格子歪が導入され、異常ホール効果の発現が期
待される。
４

ま と め

PLD 法を用いて、MgO(001)基板および MgO(111)基板上に、Mn3(Ge,Mn)N 薄膜を作製した。それ
ぞれの基板上で、エピタキシャル成⻑していることが確認された。微量の酸化物相の混在も見られたが、抵抗測定の結果、数 mΩcm の抵抗率を示し、低温まで金属的に抵抗が減少するという、バルク試料と近い振る舞いが観測された。⼀⽅、ホール効果測定の結果、いずれの薄膜でも異常ホール効果の発現は見られなかった。文献調査の結果、異常ホール効果の発現には十分な格子歪の導入が必要であると考えられる。

- 86 -

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少数キャリア希土類モノプニクタイドにおける新奇電子相関物性の開拓
広島大学先進理工系科学研究科

１

⿊⽥健太

はじめに
現代テクノロジーを支える機能物性がかくも多様であるのは，秩序を伴う相転移のおかげである。

秩序が生じると, 基底状態からのずれに対する復元力である素励起（ボソン）が発生して，伝導電子とボソンの協奏的な相関（電子ボソン結合）により形成される準粒子が系のマクロな機能物性を決定づける。例えば，フォノンやマグノンと結合した準粒子であるポーラロンや磁気ポーラロンは，超伝導や磁気抵抗などの機能物性を特徴づけるため，電子ボソン結合を理解することは機能物性を制御するための重要な知見を与える。しかし，これまでに観測された電子ボソン結合は，たった 3 種類 (フォノン、マグノン、プラズモン) に限られていた。その中申請者らは，異常な相転移現象「悪魔の階段」を示す CeSb において，秩序下における Ce 4f 励起に由来するボソンと結合した準粒子「多極子ポーラ
ロン」の形成を，レーザー角度分解光電子分光 (ARPES) による超精密測定によって初めて観測した[Kuroda et al., Nature Commun. 11, 2888 (2020)., Arai, Kuroda et al., Nature Mater. 21, 410 (2022).] 。
２

研究目的
本研究では，電子ボソン結合として新たに見出した準粒子「多極子ポーラロン」の機能特性を理解するため，類似物質 CeAs も含めて系統的に調べることで，CeSb のみで発現する 「悪魔の階段」の電子相関機構を「多極子ポーラロン」の新しい視点で理解することを目的とする。本研究ではこの目的達成のために，ARPES による電子バンド構造観察だけでなく，非弾性 X 線散乱分光やレーザーラマン
散乱分光による素励起の同定，およびそれらが発達する温度・エネルギースケールに着目して，実験で得られる遍歴電子・フォノン・局在結晶場分裂などの多自由度からの視点でアプローチした。
３

研究成果
高精度の ARPES 測定を CeAs に対しても行ったところ，結合定数が大きな (=3.7) キンク構造を観測した。CeSb と比較すると以下に述べる 2 点で大きく状況が異なっている。CeSb の電子ボソン結合は結晶場分裂のエネルギースケールである 7 meV でのみ発達していたが，CeAs では同様のエネル
ギースケールの ~10 meV だけでなく， ~20 meV でも観測されている。キンク構造は多くの物質で調べられてきたが，ダブルキンク構造はこれまで報告例が無く，CeAs が初めてである。さらに， CeSb
では磁気転移に対応して電子モード結合が現れ，常磁性相において電子モード結合は発達していないが， CeAs の電子モード結合は，磁気転移 (TN= 8 K) 関係なく発達しており，常磁性相 (T=10 K) においても強いキンク構造が明瞭に観測されている。
これらの違いから，CeAs/CeSb で電子相関機構が異なっていることが推察される。そこで，CeAs で- 88 -

観測されてエネルギースケール 10 meV/20
meV から該当する素励起の考察を行った。
まずは，素励起として考えられるのは，マグノン（スピン波），結晶場励起，そしてフォノンである。マグノンは ~2 meV のエネル
ギースケールであることが中性子散乱で報告されており [B. Halg et al., Phys. Rev. B, 34,
6258. (1986).]，想定しているボソンエネルギ
ーと異なるため，その可能性を排除できる。
20 meV のエネルギーは，光学フォノンに該当すると考えられる。一方で， CeAs の結晶場励起 4f7 → 4f8 は 15 meV 程度である こ と が 知 ら れ て お り [H. Heer et al, J.

図 1: CeAs のキンク構造と温度変化。10 meV/20 meV

Phys. C: Solid State Phys., 12, 5207 (1979)]，キのエネルギーでキンク構造を観測した。

ンク構造が観測された 10 meV のエネルギ
ーと若干の違いが見られる。そこで最も可能性が高いものとして考えている素励起は，結晶場励起とフォノンが混成した，電振モード (vibronic mode) と呼ばれる素励起である [P. Thalmeier et al, J. Phys.
Rev. Lett, 21, 1588 (1982).] 。CeAs では，Ce 4f 軌道がよく局在しているため局所的な性質を持つ光学フォノンと結合する可能性がある。このような vibronic モード実現の可能性は，実際に CeAl2 などの物質でラマン分光によって示唆されている [Guntherodt et al., Phys. Rev. Lett. 51, 2330 (1983).] 。
そこで，ラマン散乱分光と非弾性 X 線散乱分光を行ったところ， 12meV 程度の結晶場励起に加えて 20 meV 程度の光学フォノンが 100 K あたりから発達している様子を捉えた。これらのエネルギースケールは，ARPES で決定された電子ボゾン結合のエネルギーとよく一致する。したがって，CeAsの特徴は，CeSb で観測された結晶場励起との結合に加えて，光学フォノンとの結合が強く寄与していることがわかった。また，観測された光学フォノンの温度変化は，縦波光学フォノン (LO) と横波光学
フォノン (TO) の分裂（LO/TO 分裂）に対応していた。この LO/TO 分裂は希薄キャリア GaAs などの化合物半導体で知られていることから，CeAs と CeSb の電子相関機構の違いはキャリア数が重要なパラメーターになっていると考えらえる。
４

まとめ
以上のように本研究では，CeAs/CeSb の電子相関機構の違いに注目するために，ARPES による超精密な電子構造観察に加えて，非弾性 X 線散乱分光およびレーザーラマン散乱分光による素励起を詳細に調べた。CeSb と同様，CeAs においても伝導電子と結晶場励起の結合が観測されたが，CeAs では
さらに光学フォノンの電子ボゾン結合が強く寄与していることがわかった。そして，CeSb と CeAs の違いは，それらのキャリア数の違いで説明できることがわかった。これらを理解して得られる描像を
CeSb の物理へフィードバックすることが，本研究で注目し「悪魔の階段」の機構解明に繋がると期待する。

- 89 -

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Fig. 1. SEM-BSE images showing microstructures of the L-DEDedຊ 150 W ࡢ᫬Ⅼ᳨࡛ฟࡉࢀ㸦ὀ

WC-Co and WC-HEA cemented carbides. (A) WC and binder phase,

グ: 100 W ຍᕤࡢヨᩱ࡛ࡣ㐀ᙧᒙ(B) M6C, (C) M2C in the WC-Co cemented carbide. (D) M2C in theࡀⷧࡍࡂࡓࡓࡵ㸪XRD

WC-HEA cemented carbide.

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[1] Y. Peng, W. Zhang, T. Li, M. Zhang, L. Wang and S. Hu, Surf. Eng., 37 (2021), 678–687.
[2] Y.B. Peng, W. Zhang, T.C. Li, M.Y. Zhang, L. Wang, Y. Song, S.H. Hu and Y. Hu, Int. J. Refract. Met. Hard
Mater., 84 (2019), 105044.
[3] B. Gludovatz, A. Hohenwarter, D. Catoor, E.H. Chang, E.P. George and R.O. Ritchie, Science, 345 (2014),
1153–1158.
[4] A.S. Kurlov and A.I. Gusev, Inorg. Mater., 42 (2006), 121–127.

                    - 91 -

透明電子伝導性酸化物ガラス材料の開発
愛媛大学

１

斎藤 全

はじめに

酸化物ガラスの組成開発を実施し、電気特性を調査する。可視光領域で高い光透過率を有し、高屈折率の光学的特徴を示すバルク型酸化物ガラスに電気伝導性を付加することで、フォトニク
スデバイスとしての応用が拓ける。毒性元素を用いずに、製造、使用、廃棄における環境に配慮した透明電子伝導性酸化物ガラスを新しく開発する試みである。
２

研究目的

周期表における p-ブロック元素から s2 型の最外殻電子構造を有する Sn2+、Bi3+を、d-ブロック
元素から s0 型の最外殻電子構造を有する In3+、Ga3+などを含む酸化物ガラスを作製する。上記イ
オンは，その球対称に近い波動関数の広がりに特徴があり、酸素イオンの方向性電子軌道(電子雲)を空間的に補償する役割を有する。微視的に均一な電子雲分布から光電場に対して等方的かつ高い電子分極性が実現している。加えて、バンド構造において、伝導帯の波動関数の重なり積分が大きい高電子伝導性の透明酸化物ガラスの実現が見込まれる。
アモルファス IGZO（In, Ga, Zn, O からなる化合物）は、非晶質物質ではキャリアードーピングが実現した数少ない例であり、室温において移動度 10 cm2/(V∙s)を示す n 型半導体である 1。一方、酸化物ガラスでは、遷移金属を多量に含み、電子を伝導キャリアーとする V2O5–P2O5 ガラス
2や CdO–GeO2 3 が報告されており、電子伝導メカニズムは、前者はホッピング伝導 2、後者はバンド伝導である 3。酸化物結晶とは異なり、電気伝導性酸化物ガラスでは、アモルファス構造に起因する局在準位が存在し、試料が高抵抗であるために、信頼できる直流電気伝導度および移動度の値は報告されていない 2, 4。本年度は、前年度の成果 5 を踏まえて、非晶質試料の低抵抗化をはかるためにフッ素を導入した試料に対して、電気伝導特性を調査した。
３

研究成果

急冷凝固法によって、Fe3O4 とフッ素ドーピングした非晶質 Bi2O3–B2O3 （組成: xFe3O4–yBiF3–(55–x–y)Bi2O3–45B2O3, x = 10–20, y = 20–45 mol%）を作製した。試料の光透過率を分光光度計で測定し、光吸収係数の光子エネルギー依存性を得た。そして、光吸収スペクトルに対して Tauc
プロットをおこない、光学バンドギャップを得た。ホール移動度、キャリアー濃度、キャリアーの極性を求めるために、ホール起電圧とゼーベック係数の温度依存性を、室温から 400oC の範囲で測定した。

x = 20, y = 35 mol%試料の吸収係数スペクトルの Tauc プロットから、光学バンドギャップは
3.1 eV と判断した。可視領域における試料の光吸収係数は、試料中の Fe3+濃度の増加に伴って増- 92 -

加した。
400oC における伝導度は、x = 20, y = 35 mol%試料で 10−1 S/cm であった。活性化エネルギー
0.05 eV であった。x = 20, y = 35 mol%試料の伝導度は、100−400oC の範囲で時間依存性は観測されなかったことから、電子伝導であることが示唆された。電流−電圧特性は、上記の温度範囲
ですべて線形であり、ショットキー障壁などのないオーミックな特性を確認した。400oC におけるホール移動度は 2.5 × 10–1 cm2/(V∙s)であり、キャリアー濃度は 2.7 × 1017 cm–3 であった。ホール係数とゼーベック係数の符号はともに負で、キャリアーは電子であることを確認した。ただし、330oC 未満では信頼性のあるホール起電圧は得られなかった。
４

ま と め

非晶質 xFe3O4–yBiF3–(55–x–y)Bi2O3–45B2O3 において、高伝導性酸化物ガラスを得た。電子伝導メカニズムについて、Fe3O4(Fe2+、Fe3+)を高濃度にドーピングすることでキャリアー電子が生成し、主としてホッピング伝導により電子が非局在化されるモデルを提案している。
5 参考文献(1) K. Nomura et al., Nature, 432, 488 (2004).
(2) E. P. Denton et al., “Vanadate glasses”, Nature, 173, 1030 (1954).
(3) S. Narushima, et al., “Electronic transport and optical properties of proton-implanted amorphous 2CdO·GeO2
films”,

J. Non-Cryst. Solids, 274, 313 (2000).

(4) H. H. Qiu et al., “DC conductivity of Fe2O3–Bi2O3–B2O3 glasses”, Mater. Chem. Phys., 58, 243 (1999).
(5) K. Mitsui et al., “Effect of iron substitution on electronic conductivity of bismuth sesquioxide glasses”,
J. Appl. Phys., 134, 0751011 (2023).

- 93 -

スティショバイト型 Al, H:SiO2 の超イオン H+伝導の解明に向けた単結晶薄膜の作製
京都大学

１

笹原 悠輝

はじめに
SiO2 は Si の一部が Al に置換されることで水酸化物イオンとして水素を取り込むことができるため、

高圧高温環境においても唯一脱水をせずに地球マントルの最深部にまで表層の水を輸送できると考えられている鉱物である。スティショバイト型 Al ドープ SiO2 中の H+は超高圧超高温条件で高速で伝導すると理論的に予測されており、地球内部の電気伝導度観測で観察されている高電気伝導度異常領域の原因であると考えられている。観測結果を説明するためにはスティショバイト型 Al ドープ SiO2 の電気伝導度とその結晶方位依存性を調べる必要があるが、物性研究に必要な大型単結晶合成がこれまで困難であったため、これまで実験的な電気伝導度測定が行われた例はない。
研究代表者は、担当教員である東正樹教授と協力して、東研所有の高圧合成装置を用いることで薄膜試料への超高圧技術の開発を進めてきた(2021 年度共同研究 採択番号 8)。その過程で、Al2O3 基板上にスティショバイト度類似した構造である δ-AlO(OH)の単結晶薄膜が得られることを見出した。また、同装置を用いてスティショバイト型 SiO2 を合成できることも報告されている。
２

研究目的

本研究では、Al2O3 基板上に Si1-xAlxO2-x(OH)x の非晶質薄膜を堆積した試料を用意し、その試料を東研所有の川井型マルチアンビル装置で~15 GPa 程度、~2000 K で超高圧処理することでスティショバイト
型 Al, H:SiO2 の大型エピタキシャル薄膜の合成を行うことを目的とする。
３

研究成果

スピンコートを用い、様々な膜厚(~300 nm, ~1.5 μm, ~10 μm)を有する非晶質 SiO2 薄膜を Al2O3(0001)基
板上に用意し、それらに対して川井型マルチアンビル装置を用いて 15.6 GPa, 1200 °C で超高圧処理を行った。しかし、超高圧処理後に薄膜が剥がれ、基板のみが回収された。申請者らは、これまで PLD 成膜
した薄膜試料への超高圧処理を行ってきたが、それらの実験においても、加熱製膜したエピタキシャル
薄膜ではほとんど剥がれることがなかったのに対し、室温成膜の非晶質薄膜は剥がれやすいことを確認している。スピンコート膜は PLD 膜と比べてさらに界面の密着性が悪いことから、それが膜の剥離の原因であると考えられる。
４

ま と め
本年度はスピンコート成膜した SiO2 薄膜への超高圧処理により、高圧相スティショバイト型 SiO2 のエピタキシャル薄膜合成を目指した。しかし、膜が剥離し、狙いの薄膜は合成できなかった。次年度は前駆体薄膜の合成手法を工夫し、スティショバイト型 SiO2 のエピタキシャル薄膜合成を目指す。

- 94 -

溝形鋼ブレース接合部における高力ボルトの配置方法が最大耐力に与える影響
愛知工業大学

１

薩川恵一

はじめに
本研究では、溝形鋼のブレース接合部におけるボルトの配置⽅法に着目し、その中で継⼿⻑さやゲージが最大耐力に与える影響を確認する。
２

研究目的
ブレース構造が用いられる鋼構造建築物について、ブレースの接合部はブレースが負担する保有水平耐力に達するまで接合部を破断させないことが重要である。文献 1)では、溝形鋼をブレースとして使用した時の高力ボルト摩擦接合によるブレース接合部の引張耐力の算定において、溝形鋼の全断面積からボルト孔欠損部と無効突出脚部分の面積を引くことで応力が作用する有効断面積を評価している。加藤らによる研究では、ボルト本数以外にも有効断面積に影響を与えうる因子を明らかにし、文献
1)のものより精度よく有効断面積を導くことができる評価式を提案している。しかし、溝形鋼のブレー
ス接合部におけるボルトの配置を並列配置や千鳥配置とした接合部の有効断面積は明らかになっていない。本研究では、ボルトの配置⽅法に着目し、その中で継⼿⻑さやゲージが最大耐力に与える影響を確認する。ひずみ分布からは、応力の流れを確認するとともに、継⼿⻑さ、ゲージが及ぼす影響についても確認する。
３

研究成果

図 1 に並列配置の荷重変形関係を⽰す。各配置の継⼿⻑さは同⼀で、2 行配置と 3 行配置の全ゲージ
⻑さは同⼀である。縦軸は荷重、横軸は接合部変形である。1 行配置は、2 行配置と 3 行配置の最大耐力よりも大きく下回った。2 行配置と 3 行配置では、3 行配置の最大耐力が 2 行配置の最大耐力を下回ったが、その差はボルト孔欠損分と同程度であった。溝形鋼の接合部の性能は配置方法によらず、継⼿
⻑さと全ゲージ⻑さで評価できる。
写真 1 に各配置の崩壊状況を⽰す。(a)は 1 行

2000

配置、(b)は 2 行配置、(c)は 3 行配置である。

1500

1 行配置では、フランジがウェブ面に折り重な1000るような変形が⽣じ、第⼀ボルト孔付近に⻲裂

500

荷重P(kN)00が発⽣した。2 行配置と 3 行配置では、1 行配置のようなフランジの大きな変形は見られず、

図1

2-2配置
(1780 kN)

3-3配置
(1644 kN)

Pu=An×σu
An:ボルト孔控除断面積σu:引張強さ

1-1配置(1093 kN)

2-2配置

lp:320 , lg:180
変形δ (mm)

10

20

30

40

3-3配置

並列配置における配置の違いによる比較

第⼀ボルトのゲージ間での破断が確認できた。
よって、全ゲージ⻑さが⻑い 2-2 配置では、ゲージ間への応力伝達が円滑でないことが予想されていたが、(b)のように破断することから
全ゲージ⻑さが⻑い 2 行配置でもゲージ間に(a) 1-1 配置

応力が伝達されていることがわかる。

(b) 2-2 配置
写真 1- 95 -

各配置の崩壊状況(c) 3-3 配置

図 2 に C300 の継⼿⻑さの違いによる荷重
2000

荷重P(kN)

2000

変形関係を⽰す。2-2 配置の全ゲージ⻑さが

lg:180

lp:320の結果である。縦軸は荷重、横軸は接合部変とその上昇効果は小さくなる。図 3 に C300

lg:60

lp:160

1000

1000

2-2配置
lg120

500

形である。継⼿⻑さが⻑くなるに従い最大耐力は上昇したが、ある程度の継⼿⻑さになる

lg:1201500

1500

同⼀で継⼿⻑さが 160mm、320mm、480mm

荷重P(kN)

lp:480

0

0

10

2-2配置
lp320

500
変形δ(mm)
20

30

0

40

図 2 継手長さの上昇効果
1.0における全ゲージ⻑さの違いによる実験結010

変形δ(mm)

20

30

40

図 3 全ゲージ長さの上昇効果

Pmax/Pu

0.8

果を⽰す。2-2 配置の継⼿⻑さが同⼀で全ゲ

0.6
0.4

ージ⻑さが 60mm、120mm、180mm の結果

lp:480
lp:320
lp:1601-1配置

0.2を⽰している。全ゲージ⻑さが⻑くなるにつ0

全ゲージ長さlg(mm)

0

60

120

180

れ最大耐力は上昇したが、全ゲージ⻑さを
図4120mm から 180mm にしても効果は小さかった。全ゲージ⻑さが 60mm の試験体では、耐力低下後に加力し、最大耐力が上昇するこ

1.0
0.8

Pmax/Pu

1.0
n=6

n=3

0.6

Pmax/Pu

n=5

n=4
n=4

n=4

0.8

n=7

n=5

n=5

n=3
n=7

0.6 n=2

n=3

n=5

n=2

とを確認した。全ゲージ⻑さが短い試験体で0.4

は、ゲージ間の破断後に突出脚への応力伝達0.2をしたことで最大耐力が上昇したと考えら

継手長さ別の全ゲージ長さ違いによる比較

055 100

2-2配置
lg60
lg110

0.4
0.2

継手長さlp(mm)
200

300

400

500

(a)C200れる。

0.0

55 100継手長さlp(mm)
200

300

400

500

(b)C300
図5

図 4 に、継⼿⻑さごとの全ゲージ⻑さによ

2-2配置
lg180
lg120
lg60

n=3

2-2 配置の耐力比る効果を⽰す。図中には全ゲージ⻑さが60mm、120mm、180mm の結果を⽰している。いずれの継⼿⻑さにおいても、全ゲージ⻑さが⻑くな
ると最大耐力は上昇したが、全ゲージ⻑さが 120mm 以上になると最大耐力の上昇はあまり見られない。また継⼿⻑さが⻑い試験体ほど全ゲージ⻑さによる効果は小さいことがわかる。
図 5 に 2-2 配置における耐力比を⽰す。(a)は C200、(b)は C300 の結果であり、図中の実線は文献
1)のボルト本数から得られる耐力比である。両断面とも、全ゲージ⻑さが短い試験体は文献 1)の耐力
比を下回り、全ゲージ⻑さが⻑い試験体は上回る結果となった。つまり断面サイズの大きな溝形鋼では、全ゲージ⻑さをある⼀定以上確保する必要がある。
４

ま と め

本研究では、断面の大きな溝形鋼ブレース接合部を対象に単調引張試験を行い、ボルトの配置方法が最大耐力に与える影響について確認した。継手長さと全ゲージ長さが長いほど最大耐力が上昇することが確認できた。

- 96 -

解析データならびに実測データを用いた
建物の減衰モデルの同定に関する研究
徳島大学大学院 社会産業理工学研究部

１

白山 敦子

はじめに

建物の内部粘性減衰については、多くの観測記録の検討などによって、大まかな傾向などは示されつつあるが、その原因や大きさ、特性などは今も明らかになっておらず、引き続いての検討が必要である。
また、建築物の減衰を観測記録により推定する方法としては、最下層の記録を入力、他の層を出力としてシステム同定を行い、減衰定数と固有周期(または固有振動数)を算出する方法がある。
本研究では、東京工業大学の建物を対象として、概要と観測システムならびにシステム同定の解析方法を説明し、東北地方太平洋沖地震において得られた加速度データを用いてシステム同定を行い、建物の減衰定数を検討する。

２

研究方法
対象建物は、東京工業大学すずかけ台キャンパス(横浜市緑区)にある、主な用途を研究室とした 2

棟：J1 棟と S2 棟とする。図 1 ならびに図 2 に、建物の外観と平面形状を示す。
J1 棟は、地上 9 階、地下 1 階、塔屋 2 階の鉄筋鉄骨コンクリート造で、長辺方向が 42.4m、短辺方向が 15.5m の整形な建物である。J1 棟の加速度計は、地下 1 階と 9 階に、それぞれ 2 か所に設けており、同定の際、X 方向の加速度記録について、2 地点の平均値を重心位置の値と仮定し検討する。

●
●

X

加速度計
(地下 1 階,9 階)

加速度計(地下 1 階,9 階)●●

42,400(a) 外観写真(b) 計測位置
図 1 J1 棟の概要
Y
加速度計
(1,4,7 階)

17,000X●●≒37,100≒24,600≒61,700(a) 外観写真(b) 計測位置
図 2 S2 棟の概要

- 97 -

15,500Y

S2 棟は、地上 7 階、塔屋 1 階の鉄骨造で、長辺方向が約 61.7m、短辺方向が 17m の比較的整形な建物である。S2 棟の加速度計は、1 階、4 階、7 階に 1 か所設置されており、同定は X, Y の 2 方向について行う。
これらの建物は、2005 年より地震観測を行っており、2011 年東北地方太平洋沖地震の本震(M9.0、震源深さ 24km)において、加速度記録が得られている。気象庁から発表されている近隣の震度は 5 弱である。
検討に用いる観測記録は、計測開始から 100 個のデータの平均値を全体から引き、初期値の補正を行っている。観測された加速度時刻歴波形を図 2 に示す。
200

Acc. (cm/s2 )9F_X方向：出力データ
100

B1F_X方向：入力データ

0
-100
-200
0

100

200

300

400

500
Time (s)

600

700

800

900

(a) J1 棟：地下 1 階、9 階
300

300
7F_X方向：出力データ
4F_X方向：出力データ
1F_X：入力データ

100

7F_Y方向：出力データ
4F_Y方向：出力データ
1F_Y：入力データ

200

Acc. (cm/s2 )Acc. (cm/s2 )

200
0
-100
-200

100
0
-100
-200

-300

-300
0

100

200

300

400
500
Time (s)

600

700

800

900

0

100

200

300

400
500
Time (s)

600

700

800

900

(b) S2 棟：1 階、4 階、7 階
図 2 時刻歴加速度波形

本研究では、観測記録の加速度時刻歴を入出力データとして使用する。部分空間法では、設定した次数の状態空間モデルを推定しており、状態空間モデルは次式で表される。
𝐱(𝑡) = 𝐀𝐱(𝑡) + 𝐁𝐮(𝑡) + 𝐇𝐞(𝑡)(1)𝐲(𝑡) = 𝐂𝐱(𝑡) + 𝐃𝐮(𝑡) + 𝐞(𝑡)(2)

ここに、A、B、C、D および H は状態空間行列であり、
u(t)、y(t)、e(t)および x(t)は、それぞれ時刻 t における入力ベクトル、出力ベクトル、外乱ベクトル
および状態ベクトルである。
次に、構造物の固有振動数と減衰定数の同定方法について、外乱を受ける構造物の運動方程式は次式で表される。
𝐌𝛏(𝑡) + 𝐂𝛏(𝑡) + 𝐊𝛏(𝑡) = 𝐟(𝑡)

(3)

𝛏(𝑡)
𝛏(𝑡)
𝟎
𝐈
𝟎
=
+
𝐟(𝑡)
𝟏
𝟏
−𝐌 𝐊 −𝐌 𝐂 𝛏(𝑡)
𝐌 𝟏
𝛏(𝑡)

(4)

ここに、M は質量マトリクス、C は減衰マトリクス、K は剛性マトリクス、(t)および f (t)は、それぞれ時刻 t における変位ベクトルおよび外力ベクトル、I は単位マトリクスである。式(5)、式(6)を用いれば、式(7)のように書ける。
𝐱(𝑡) =

𝛏(𝑡)𝛏(𝑡)𝐱(𝑡) =𝟎𝐈
𝟎𝐱(𝑡) +𝐮(𝑡)𝐌 𝟏−𝐌 𝟏 𝐊 −𝐌 𝟏 𝐂

𝐮(𝑡) = 𝐟(𝑡)

(5)

(6)

(7)

式(7)と式(1)に示した状態方程式から、行列 A が式(8)のように与えられる。

- 98 -𝐀=

𝟎𝐈−𝐌 𝟏 𝐊 −𝐌 𝟏 𝐂(8)

行列 A の j 次の固有値j は、構造物の j 次モードの固有円振動数j (rad/s)と減衰定数 h j を用いて次式で表される。なお、i は虚数単位である。
𝜆 = −𝜔 ℎ ± 𝑖𝜔

1−ℎ

(9)

式(9)より、構造物の固有周期と減衰定数を求める 1)。

３

研究成果
J1 棟においては、地下 1 階のデータを入力、9 階のデータを出力とし、S2 棟は、X、Y 方向のそれぞれについて、1 階を入力、4 階と 7 階を出力としたケースと 1 階を入力、7 階を出力としたケースの 2
つの解析を行う。なお、システム次数は最適なものを採用した。
表 1 に部分空間法により、全時間(900 秒)を用いて同定した各建物の固有周期と減衰定数を示す。

表 1 固有周期と減衰定数(a) J1 棟
固有周期(s)

減衰定数

1次0.65870.03552次

0.40890.30743次

0.17780.0526(b) S2 棟 X 方向入力(c) S2 棟 Y 方向入力

入力：1 階入力：1 階出力：4 階、7 階
出力：7 階
固有周期
固有周期
減衰定数
減衰定数
(s)
(s)

入力：1 階入力：1 階出力：4 階、7 階
出力：7 階
固有周期
固有周期
減衰定数
減衰定数
(s)
(s)

1次

0.39910.2156

0.37900.05251次

0.80330.04830.76050.06202次

0.36350.04400.37650.3334

2次

0.66940.06120.59670.03833次

0.32160.59070.32890.05653次

0.27770.39230.22350.0998

これらの結果より、J1 棟の固有周期は約 0.66 秒となった。また、S2 棟の X 方向は約 0.38 秒、Y 方向
は約 0.78 秒となり、Y 方向のほうが固有周期は長い結果となった。

４まとめ
建物概要と観測システムならびに解析方法について説明するとともに、全時間を対象とした部分空間法による同定を行い、各建物の固有周期ならびに減衰定数を算定した。

参考文献
1)肥田剛典, 永野正行：部分空間法に基づくシステム同定による建物の固有振動数と減衰定数の推定
精度, 日本建築学会構造系論文集, 第 79 号, pp.923-932, 2014.6- 99 -

キノイド型縮環オリゴシロールを用いた単分子電子デバイスの開発
大阪大学大学院基礎工学研究科

１

新谷 亮

はじめに
熱や光、電圧などによって導電性が変化し、その制御が可能な半導体は、現代社会において不可欠である。従来のシリコンに代表される無機半導体ばかりではなく、柔軟性・軽量性・デザイン性などに優れた有機半導体に関する研究も盛んに行われており、一般に、これらの材料は、集合体としてのバルクでの機能発現である。これに対し、微小サイズの技術であるナノテクノロジーの分野は、近年ますます注目されており、多くの研究が行われているが、この分野の大きな進歩のためには、バルクではなく単分子レベルでのデバイス構築が非常に重要であり、単分子デバイスによる導電性の発現・制御に関する研究および開発が必須となっている。一方、これまでに代表者は、独自の合成手法を開発することにより、新規π共役有機化合物であるキノイド型縮環オリゴシロールの効率的な合成に成功している。
また、これらの化合物がいずれも室温空気下において非常に安定であり、電気化学測定によって可逆な酸化還元挙動を示すことも見出している。この知見に基づき、研究所の真島豊教授との共同研究を実施しており、分子構造を精密に制御した単分子有機素子を新規に構築し、無電解金めっき白金ナノ
ギャップ電極等を用いたデバイスの作製および動作測定を行うことで、それらの様々な条件下での導電性に関する特性を調査している。

２

研究目的
単分子電子デバイスは、その小さなサイズと低い消費電力からナノテクノロジーを支える次世代のデバイスとして期待されており、これまでにも単分子素子として用いる様々なπ共役有機化合物が合成され、その利用が検討されている。しかしながら、多くのπ共役有機化合物は、空気への曝露や電荷の変化に伴って容易に分解してしまうため、デバイスの耐久性や再現性において課題を有しており、空気下帯電状態で再現よく動作するデバイスの構築には、安定性の高いπ共役有機化合物の開発・利用が必要である。このような背景のもと、本共同研究では、代表者が近年開発した独自の有機合成手法を用いて、精密に構造制御された新たな高安定性単分子有機素子を創出し、それを用いたデバイスにおける半導体特性の発現と機能の向上を目的とする。これまでの検討により、ケイ素架橋部位を 2 つあるいは 4 つ有するπ共役化合物を用いたデバイスが単分子トランジスタとして機能することを見出しており、測定結果をフィードバックした新たな分子設計による新規化合物の合成とそれを用いたデバイスの作製および導電性測定を通じて、有機分子の母骨格並びにリンカーの構造とその性質との関係を明らかにするとともに、優れた単分子有機半導体開発を目指している。

- 100 -

３

研究成果
これまでの共同研究によって、下記のように Si2x2 を母骨格とするπ共役化合物が単分子トランジ

スタの有機分子素子として有効に機能することを見出してきている。とくに昨年度は、左右のリンカー長が異なる非対称な構造をもつ分子 1 を合成し、これを用いたデバイスの作製およびその導電性について調査を行った結果、それ以前に用いていた左右対称型のリンカーをもつものに比べて、ゲート
変調能などにおいて優れた特性を示すことがわかった。しかしながら、電極の片側でのみ分子が化学吸着したデバイスは比較的うまく作製できるものの、電極間を架橋したデバイスの構築においては、
依然としてその効率の改善が必要となっていた。
そこで、今年度の研究においては主に、引き続き Si2x2 を母骨格とし、リンカー部位の剛直性/柔軟性がデバイス構築およびその性能に与える影響についての知見を得るために、左右の非対称リンカーにメチレンあるいはエチレン鎖を導入した分子 2 を合成した。また、これを用いたデバイス作製時において、光電場による分子配向の効果についても新たに検討を行った。その結果、光電場を電極と平行に照射することにより、分子が電極に化学吸着する効率が向上し、以前の分子および手法を用いた場
合よりも高い確率で電極間を架橋したデバイスが作製できることがわかり、共鳴トンネル現象を示す
デバイスの作製にも成功した。

４

ま と め
今年度の共同研究により、母骨格となる Si2x2 の両側に、長さが異なり、以前よりも柔軟性をもつ

リンカー部位を有する分子 2 が単分子デバイスの有機素子として機能することを明らかにした。当初の目標であるナノギャップ電極間を架橋したデバイスの作製にも成功し、その作製効率のさらなる改善が期待される。今後は、Si2x2 とチオール部位との間のリンカーの剛直性/柔軟性をさらに調節することで架橋構造の効率的な構築の実現に向けた検討を行うとともに、母骨格の構造による影響についても検討を進め、得られるデバイスの特性を調べることで構造－物性相関を理解するとともに、有用性の高い架橋型単分子電子デバイスの開発を目指す予定である。

- 101 -

既存建物の耐震診断基準の建物形状による性能低減係数と測定値による建物の振動特性との関連性に関する研究
大阪大学大学院工学研究科 鈴木有美

１

はじめに

過去の地震被害調査では，鉄筋コンクリート（以下，RC）造建物の大部分で損傷が軽微であるにもかかわらず，部分的な著しい損傷が発生することで局所崩壊に至る例が数多く報告されてきた．その主要因の一つとして，一般的に異なる剛性をもつ部材が非対称に配置された水平剛性偏心を有する建物で発生しやすい地震時のねじれ応答が挙げられる．しかし，大地震下では構造部材が弾性限界を超えた
非弾性域での挙動を示し，全体の剛性やねじれ抵抗のバランスが変化することが想定され，従来の偏心率の評価によりねじれ応答が予測できない可能性が指摘されている．実際に，初期剛性による偏心がなくほぼ整形な建物であっても，「非弾性ねじれ応答（Inelastic torsion）」により建物の片側に損傷が偏る現象が地震被害調査において確認されており，非弾性挙動によるねじれ応答の変化にも対応した評価方法の確立が必要であることを示唆している．
我が国で用いられている既存 RC 造建物の耐震診断基準（以下，耐震診断基準）では，初版より定式化されていた弾性剛性に基づく偏心率に対し，2017 年改訂時に偏心率の算定に割線剛性を用いることで部材の非弾性域での挙動を考慮しやすくなったとされている．しかし，改訂後の割線剛性に基づく RC造建物の偏心率が，耐震性能低減率，すなわち，形状指標（以下，SD 値）に与える影響は適用例が限られておりさらなる検証が求められている．この課題は耐震診断基準に明記されており，実験・解析の両面から適用性を明らかにすること，とりわけ，非弾性域の部材挙動が影響する非弾性ねじれ応答の検証は必要不可欠である．
２

研究目的

本研究では、2017 年改訂版の耐震診断基準に示されている SD 値のうち，水平剛性偏心に関わる項目について実地震応答の対応性を解明することを目指し，本研究ではその初期段階として，過去に実施された非弾性ねじれ応答に関する振動台実験の公開済みのデータ 1）を用い，SD 値の評価と応答値と比較検証することを目的とする。
３

研究成果

Figure 1 に示す(a)水平剛性偏心，(b)損傷偏心，(c)変形性能偏心の 3 つの偏心システムについて、耐震診断基準の形状指標の評価を行いその適用性を改訂前の基準も含めて検証した結果を Figure2 と以下に示す。


改訂前の耐震診断基準と改訂後の A 法の比較との比較により、割線剛性を用いた評価は偏心率

l には影響するが，本研究の検討対象は l >0.15 となり，形状指標自体に与える影響は限定的であることを明らかにした。

- 102 -



剛性偏心では、算定方法により水平剛性偏心に関わる形状指標の評価結果が異なることが確認された。

損傷偏心では、改訂版の割線剛性を用いても形状指標への影響が無いことが確認されたが、損傷した部材の剛性低減を既往の研究例えば 2)をもとに適切に考慮することで形状指標に偏心の影響が反映できる可能性を示した。



変形性能偏心については割線剛性を用いても偏心の影響を形状指標へ反映できないことが確認され、現行基準には改善の余地があることを示した。

Figure 1 検討対象の偏心システム概念図

Figure 2４

改訂前後の形状指標の評価結果

まとめ

本研究は、ねじれ応答を引き起こす水平剛性偏心、損傷偏心、変形性能偏心の３つの偏心システムについて、2017 年改訂版の耐震診断基準による形状指標の評価をすることで、現行基準の適用性とその課題について検討を行った。
改訂版の基準により評価された形状指標は、水平剛性偏心では C 法による評価結果が応答値とやや相関するものの、非弾性ねじれ応答を考慮した損傷偏心と変形性能偏心による地震応答とは特筆すべき相関はみられないことが確認された。また、適切な割線剛性評価の必要性用や変形性能偏心への適用性に関する課題を指摘した。
以上の結果は海外の既存 RC 造建物を対象とした実験研究に対して検討した限定的な結果であり，柱の破壊性状の判定基準や日本国内の既存 RC 建物に対する検討は今後の課題である。
参考文献
1) Suzuki, T. et al. 2021 Shake table tests of seven-story reinforced concrete structures with torsional irregularities: Test program and datasets.,
Earthquake Spectra, 37(4), 2946-2970.
2) Marder et al. 2020. Post-earthquake assessment of moderately damaged reinforced concrete plastic hinges., Earhtquake Spectra, 36(1), 299321.

- 103 -

局所 C-V マッピング法と圧電応答顕微鏡の統合計測による
強誘電体薄膜のナノスケールドメインダイナミクス解析
東北大学

１

平永良臣

はじめに

強誘電体材料・デバイスの開発において，ナノスケールでのドメインダイナミクスの理解は極めて重要である．研究代表者らが近年開発した局所 C-V マッピング法は，強誘電体の分極反転ダイナミクスをナノスケール分解能で解析し，可視化することができる手法である．本手法では，探針電極を用いて強誘電体に特有なバタフライ状の C-V カーブ測定を行い，さらに探針を走査しながら測定を繰り返すことでその面内分布を調べることができる．これにより短時間でドメイン反転特性の空間分布を反映した
膨大な情報量の測定データが取得できる．本手法を駆使したナノスケール分析手法の開発を推し進める
ことによって，各種強誘電体における分極反転メカニズム対する理解がより一層深まると期待される．
２

研究目的

強誘電体のナノスケール分析手法としては，局所 C-V マッピング法以外にも，圧電応答顕微鏡（Piezoresponse Force Microscopy; PFM）がこれまで広く一般に用いられてきた．両手法はそれぞれに
⻑所・短所を有しており，互いに相補的な関係であると⾔える．本研究では，両者を併用した計測を通じて，強誘電体薄膜材料について，これまでの単一の手法によるアプローチでは得られなかったような
新たな知見を得て，当該分野の発展に資することを目的とする．
３

研究成果

局所 C-V マッピング法と PFM の同視野観察を可能とする複合計測システムの開発を行った．図 1 は同計測システムによる観察の一例（測定サンプル：HfO2 基多結晶強誘電体薄膜）ある．図 1(a)に示す
PFM において，明部・暗部はそれぞれ Y 方向（像における上下方向）の圧電応答が大きい領域および小さい領域を示す．一方，局所 C-V マッピング法では非線形的な容量変化応答に対応した高調波信号像が取得される．図 2(b)-(d)にはこのうち 1ω（基本波）振幅像，２ω（二次高調波）振幅像，3ω（三次高調波）振幅像を示す．これらの高調波像より各画素における C-V カーブを再合成することができる．
図 2 にはいくつかの画素において C-V カーブ再合成を行った例を示す．このようにして得られた C-V
カーブの面内分布に関するデータセットと，同視野において観察された PFM 像とを比較することにより，各点における分極軸の方向や，交流バイアス電界を印加したときのスイッチング挙動について，詳細に議論することができる．今回得られた観察結果においては，概観的には PFM 像及び局所 C-V マッ
プデータの対応関係はおおむね合理的であったが，詳細について現在解析中である．

- 104 -

図 1 (a)in-plane PFM 像 (b)-(d) 容量変化応答像 [(b) 1ω振幅像，(c) 2ω振幅像，(d) 3ω振幅像]

図 2 各画素において再合成された局所 C-V カーブの例

４

ま と め

局所 C-V マッピング法と PFM の同視野観察を可能とする複合計測システムの開発を行い，両手法による同視野観測に成功した．現在，同システムによって得られた複合計測データを統計的に（機械学習
手法的なアプローチの含め）解析する手法について検討中である．

- 105 -

PbWO4 – LaNbO4 系固溶体の相転移現象
京都大学大学院エネルギー科学研究科

１

高井 茂臣

はじめに
灰重石型構造を示す PbWO4 の Pb の一部を La で置換すると格子間酸化物イオンが形成し，高温で高い酸化物イオン伝導性を示す．我々の研究グループでは，この欠陥構造とイオン伝導性発現のメカ
ニズムについて精力的研究を行ってきた．近年，灰重石型構造の高温相をもつ LaNbO4 についても，
Nb の一部を W で置換すると格子間酸化物イオンを形成し，同様に高温で酸化物イオン伝導性が発現することが報告された．PbWO4 系と LaNbO4 系では構成元素と置換元素の組み合わせが類似していること，およびいずれも格子間酸化物イオンがイオン伝導性を引き起こすことから(PbWO4)1y(LaNbO4)y 系の y = 0.5 を⺟体として Pb/La 比を La 側に変化させた Pb1-xLax(W0.5Nb0.5)O4+(x-0.5)/2 を合成たところ，La の過剰添加量とともに電気伝導率は上昇した．
一方 LaNbO4 は，高温では灰重石型構造を示すものの，500℃付近で 2 次に近い 1 次転移を経て低温では Fergusonite 型構造を示す．室温の X 線回折では(PbWO4)1-y(LaNbO4)y に対して y ≥ 0.8 では
Fergusonite 型構造を y ≤ 0.7 では灰重石型構造を示すため，PbWO4 - LaNbO4 混晶系を包括的に論じるためには相関係を明らかにしておく必要がある．そこで本研究は高感度の DSC を用い，相転移を検出できるかどうか調べることにした．
２

実験方法(PbWO4)1-y(LaNbO4)y 試料は PbO，La2O3，H2WO4，Nb2O5 を出発原料として通常の固相反応法で合成した．1 次焼成は 800℃，2 次焼成は 900〜1300℃とし，それぞれ 10 時間行った．得られた試料は X 線
回折により単一相であることを確認した．
DSC は東工大フロンティア材料研究所既設の熱流束型 DSC (TA インスツルメンツ, Q100)を用いて測定した．試料量は約 30 mg とし，昇温および冷却速度はそれぞれ 20℃/min とした．

ャートを示す．潜熱によるピークは見られないものの，504℃付近にジャンプが観測され，DSC でも 2 次に近い相転移を検出可能であることが分かった．今後は組成比の異なる試料で測定し，on heating

Heat flow / a.u.

Fig. 1 に昇温方向で測定した LaNbO4 の熱流束チ

Exo.

研究成果

Endo.

３

(PbWO4)1-y(LaNbO4)y 系の状態図を完成させる予定
495

である．

500

505

510

515

o

Temperature / C

Fig. 1 DSC chart of LaNbO4 measured on heating.

- 106 -

౜֒྾Կͪ͢αϱέϨʖφߑଆ෨ࡒͶଲͤΖึरʀึ‫ްک‬Վ͹մ໎࣪ར޽‫ۂ‬୉ָ  ∃ੋ༡໷̏ ͺͣΌͶ
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リチウムイオン二次電池用 LiNi0.8Fe0.1Mn0.1O2 正極材料
における粒子径効果の解明
岡山大学 環境生命自然科学研究科

１

髙橋

勝國

はじめに

高いエネルギー密度を示すリチウムイオン二次電池(LiB)は、電気自動車動力源やスマートグリッドの電力調整する役割を担っており、低炭素社会におけるキーデバイスの一つである。この LiB の課題として、コストが高いことが挙げられる。高コストとなる要因の一つが正極材料に含まれる Co である。そこ で 、 Co の 利 用 量 削 減 に 向 け て 、 層 状 酸 化 物 の Ni や Mn 、 Al を 多 く 含 有 す る 様 々 な 組 成 のLiNixCoyMnzO2(NCM)や LiNixCoyAlzO2 (NCA)などが開発された。しかし、これらの NCM や NCA 中には、含有量は少ないものの Co は含まれており、さらなるコスト削減の妨げになっている。そのため、NCM
や NCA などと同等の性能を有し、かつ Co-free の正極材料の開発が必要とされている。
Co の代替元素として低コストで、環境負荷が小さく、資源量の多い Fe が注目されている。近年では、
ナノサイズの LiNixFeyMnzO2(NFM)や LiNixFeyAlzO2 (NFA)が NCA や NCM と同等の電池性能を示すことが報告された。しかしながら、昨年度の研究結果からマイクロサイズの LiNi0.8Fe0.1Mn0.1O2 (NFM811)はLiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NCM811)と比較して低いサイクル特性を示すことが明らかになった。構造評価結果
から充放電過程で部分的にスピネル構造へと不可逆的な相転移をすることで、このサイクル特性の低下が引き起こされていることが明らかになり、NFM では粒子径によって電池性能が大きく異なることが
示された。
２

研究目的
本研究では粒子径を制御した LiNi0.8Fe0.1Mn0.1O2 を合成し、粒子径と電池性能の相関性を明らかにすることで、粒子径が電池性能に寄与するメカニズムを解明する。
３

研究成果
前駆体である(Ni0.8Fe0.1Mn0.1)(OH)2 は Sol-Gel 法によって調製した。その前駆体粉末を LiOH・H2O と1:1.03 のモル比で混合し、空気下 300℃で 4 時間、
酸素雰囲気下 750℃から 850℃で 15 時間焼成を行
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Li(Ni0.8Fe0.1Mn0.1)O2(NFM811)を調製した。これらの試料の物性評価および充放電性能試験すること
で、NFM811 における粒子径が電池性能に与える影響について解明した。

各温度における SEM 像を Fig. 1 に示す。複数の SEM 像から 50 個の粒子サイズを取得し、平Fig.1 SEM images of NFM811 annealed by various
temperature- 110 -

均粒子径を求めた。平均粒子径は 750℃～850℃でそれぞれ 0.53、0.86、1.17、1.67、2.16 µm であり、熱処理温度の増加に伴って NFM811 の粒子径が増加する傾向を示した。この結果から、熱処
理温度によって、粒子径の異なる NFM811 が合成できること確認した。この粒子径が制御された
NFM811 のサイクル試験を行った。サイクル試験回数に伴う電池容量の推移を Fig. 2a、粒子径に対する容量維持率を Fig. 2b に示す。この結果から、粒子サイズの増加と共に容量保持率が減少する傾向を示した。NCM の粒子径が電池性能に及ぼす影響については数多くの研究が報告され、ナノ粒子と比較してマイクロ粒子の方が高いサイクル安定性を示すことが報告されている。マイク
ロ粒子では比表面積が小さくなり、電解液との接触面積が減少するため、電池容量は低下するが、電解液との副反応の影響が小さくなる。そのためサイクル安定性が増加する。しかし、NFM では
NCM とは逆の傾向を示した。この理由として、Fe の相分離があると考えられる。Fe は Ni、Co、Mn とは異なり八面体サイトへの選択制が無く、容易に四面体配位と八面体配位の両方を有する
スピネル構造へと不可逆的な相転移を起こす。この不可逆的な相転移は、鉄系正極材料ではナノ粒子化によって抑制されることが報告されている。本研究でも同様に粒子径の減少によって不可
逆的な相転移反応が抑制されたため、容量保持率が増加したと考えられる

Fig. 2(a) Cycle performances from 2.5 to 4.5 V at 0.1 C for 10 cycles of NFM811s with different annealing
temperature. (b) The correlation between the average particle size and capacity retention ratio of NFM811s.

４

ま と め
Sol-Gel 法を用い、焼成温度を変化させることで粒子サイズの制御に取り組み、NFM811 において粒子径が電池性能に及ぼす影響を明らかにした。また、サイクル試験結果から容量保持率は
粒子サイズと相関がみられ、粒子サイズの減少に伴って容量保持率が増加する傾向が示され、従来の NCM811 とは逆の傾向を示した。この要因として、Fe は Ni、Co、Mn とは異なり八面体サイトへの選択制が無く、容易に四面体配位と八面体配位の両方を有するスピネル構造へと不可逆的な相転移を起こすことが考えられる。本研究により、NFM を実用化するには、サイクル特性およびレート特性の両方の観点から粒子サイズをナノサイズとする必要があることが明らかになった。

- 111 -

負熱膨張材料の熱膨張抑制能力評価法の構築
名古屋大学

１

竹中康司

はじめに

産業技術の高度化にともない、部材の熱膨張制御の要求が高まっている。その目的に応えうるものとして、「温めると縮む」負熱膨張材料が大きな関心を集めており、これまでに様々な新規材料が提案されてきた。いくつかの材料については、樹脂や金属との複合化の試みも始まっている。しかしながら、微粒子化や焼結といった工程で負熱膨張特性が変化したり、他材料との複合化処理の際に化学的・物
理的に変質したりと、実際の複合材料における熱膨張抑制能力を評価する手法が未だ確立されておらず、負熱膨張材料間の比較や、材料設計に支障が出ており、評価法の標準化は急務である。
２

研究目的

本研究では、これまで多くの新規負熱膨張材料の開発と評価で実績のあるフロンティア材料研究所・東教授のグループと共同し、簡便で信頼できる負熱膨張材料の熱膨張評価手法を確立することを目的とした。ここでは、名古屋大学で開発されたピロバナジン酸リン酸塩負熱膨張材料 Cu1.8Zn0.2VPO7 微粒子についてなされた結果について検討した。
３

研究成果

負熱膨張材料は多くの場合、何か別の材料と複合化し、その材料の熱膨張を制御する分散剤（フィラー）として使用されることが想定されている。また、加熱により分解、変質する場合も多く、必ずしも焼結することができない場合も多い。そこで、粉体を何かの基剤（マトリックス）に配合し、その複合体を評価することで、負熱膨張材料の熱膨張抑制能力を評価することが最も汎用的であると考えた。
その際のマトリックスとしては、複合化処理温度低い樹脂が好適である。また、①安価で入手しやす
い、②取り扱いが容易、③変質しにくく、特性が安定、の条件が求められる。多くの樹脂を検討した
結果、株式会社 ADEKA 製の 2 剤混合型エポキシ樹脂（基剤 EP-4100E と硬化剤 EH-105L）を採用し、EP-4100E（比重 1.17）と EH-105L（比重 1.13）を 10:3 の質量比で混合したものをマトリックスとした[1]。フィラーとしては、1μm レベルの微粒子が安定して得られる Cu1.8Zn0.2VPO7 を用いた。この
Cu1.8Zn0.2VPO7 粉末をマトリックスと体積比で 3:7 になるように混合し、東教授が開発した「回転モールド法」[2]により固化することで、フィラーの沈降が抑えられ、均一に分散した複合体を得た。
図には、異なる 6 つのバッチの Cu1.8Zn0.2VPO7 粉体とエポキシ樹脂との複合体について測定された線熱膨張の結果をまとめる。線熱膨張は、樹脂複合体に歪ゲージ（株式会社共和電業：KFL）を用いて、100-400 K の温度範囲で測定された。図中に示す数値は、複合材料の線膨張係数 αc と、複合則を仮定して算出したフィラーの線膨張係数 αf の、温度 250 K から 350 K での平均値である。複合則とは、フィラーとマトリックス、それぞれの線膨張係数、αf と αm、を体積比 vf と vm で案分して複合材料の線- 112 -

膨張係数 αc を見積もるもので、
αc = vfαf ＋ vmαm

(1)の関係にある。ここで vf ＋ vm = 1 である。通常、樹脂と酸化物のように、その弾性率に大きな差がある場合は、弾性率の高い方の線膨張係数がより強く反映されることから、ここで算出される αf の数値
は、現実より負熱膨張の度合いが大きく出ることに注意しなければならないが、相対的な比較は可能である。ちなみに、基剤の線膨張係数αm はおよそ 63 ppm/K である。
この結果を見ると、30vol%の配合の場合、αc の結果は 37.6 ppm/K から 39.9 ppm/K の間に収まっていて、ばらつきはおよそ 5%であるのに対し、αf の数値としては-13.8 ppm/K から-21.2 ppm/K とばら
つきは 40％程度になる。本研究では、別のバッチのフィラーを用いた測定であり、バッチ間の特性のばらつきも含んだ結果となっているので、検討には注意を要するものの、もともとフィラーの配合比
が 30vol%と相対的に小さいために、αc のわずかなずれが、αf の見積には大きく響いてしまうことは確かで、今後の課題と言える。フィラーの含有量を増やせば「感度」は上がるので有効で-100あるが、増やしすぎれば、今度は均一な分散の他、熱膨張のより小さなマトリックスを選10定するなどの工夫が有効と思われる。

膨張材料 Cu1.8Zn0.2VPO7 微粒子を 2 剤混合型エポキシ樹脂に分散した複合材料の結果に基づいて、負熱膨張フィラーの熱膨張抑制能力の検証について検討した。フィラーの含有量が 30vol%程度であると、複合材料の熱膨張評価の結果におけるばらつきに比べ、見αf#0070 37.8 -20.7#0134 38.9 -17.0-3異なるバッチのピロバナジン酸リン酸塩負熱

αc#0132 39.6 -14.7

線熱膨張ΔL/L (100 K) [10 ]

ま と め

100

30vl%-Cu1.8Zn0.2VPO7/epoxy

が難しくなるなど、別の問題も出てくる。こ４

摂氏温度 [℃]0#0138 39.9 -13.8#0168 37.6 -21.2#0517 38.2 -19.2

5積もったフィラーの線膨張係数の値のばらつきが大きくなる傾向にあることがわかった。今後は、同じフィラーを用いたときにどの程度の差が出るか、マトリックスの素材や0100

配合比を変えた場合にどうなるか、を調べる必要がある。材料の特性だけでなく、いかに均一分散を実現するかなど、試料作製法の観点からの検証も必要であろう。

200
300
絶対温度 [K]400

図 30vol%-Cu1.8Zn0.2VPO7 粉体/エポキシ樹脂複合体の線熱膨張. 基準温度 100 K. 図中の αc, αf の数値の単位は ppm/K.

[1] K. Nabetani et al., Appl. Phys. Lett. 106 (2015) 061912.
[2] V. Warne-Lang et al., Ceram. Int. 46 (2020) 27655–27659.

- 113 -

チタン石型化合物における新規機能性誘電体材料の開発
名古屋大学大学院理学研究科

１

谷口博基

はじめに
地殻に豊富に存在する高クラーク数元素の酸化物（ユビキタス酸化物）に着目し、新たな機能性材料の開発に取り組む。特に本研究では申請者のこれまでの成果に基づいて酸素四面体系酸化物、特にシリケート/アルミネート系酸化物に着目し、優れた誘電・圧電特性を備えた新規物質系の探索を実施する。本研究の成果によって、優れた機能性と高い環境親和性を共に備えた革新的な酸化物誘電体材料の創出が見込まれる。
２

研究目的
結晶構造中に酸素四面体と酸素八面体の複合的ネットワークを有するチタン石型化合物（Ax+B(6-x)+

M4+O5 および Ax+B(7-x)+M3+O5）に着目し、新たな反強誘電体の設計と探索に取り組む。それによって見出した物質系の物性を最適化することによって、優れた蓄エネルギー特性や高電圧下における高誘電率を備えた革新的誘電体材料の新規開発に取り組む。
３

研究成果
今 年 度 は 前年 度 に 引 き続 き 、 ２ 種類 の 反 強 誘電 性 チ タ ン石 型 化 合 物の 全 率 固 溶系 で あ る(1-x)CaTiSiO5 – xCaTiGeO5 に着目して多結晶試料における誘電特性の温度依存性および組成依存性を系
統的に評価し、前年度に x = 0.5 の組成において見出した特異的な誘電率増強効果の起源解明に取り組んだ。前年度には、等価型電子顕微鏡観察によって反強誘電性の短距離秩序に起因するナノスケールの局所構造の発現を明らかにし、その局所構造が誘電率増強効果の起源としての役割を担う可能性を見出している。それに対して今年度は、さらに第二次高調波発生（SHG）の温度依存性の評価を実施した。その結果、終端組成の CaTiSiO5 および CaTiGeO5 はいずれも SHG 不活性の反強誘電体であるにもかかわらず、x = 0.5 の組成においては相転移温度以下で SHG シグナルが発生することを新たに見出した。この結果より、x = 0.5 の組成におけるナノスケールの局所構造が極性を有していることを明らかにした。
一方、チタン石型化合物における新しい反強誘電体物質系の探索にも取り組み、新規反強誘電体である SrTiGeO5 を新たに見出した。
４

まとめ
本研究によって得られた成果は、局所構造制御を用いた誘電体の機能性デザインにおける新たな基礎学理を切り拓くものであると同時に、再生可能エネルギー開発やパワーエレクトロニクス技術の革新に大きく貢献する新材料の創製に繋がるものである。

- 114 -

風荷重を受ける非線形性アクティブ免震の最大応答と最大制御力を考慮した制御系の設計方法の開発
東京理科大学

１

陳引力

はじめに

アクティブ制御とパッシブ免震との併用（アクティブ免震）により、従来のパッシブ免震よりさらに高い制御性能が得られる研究が多数報告されている。しかし、アクティブ免震の場合、設計パラメータが多く、これらのパラメータと制御性能との関係が陽な形で表現されていない。そのため、制御系が一般的に試行錯誤によって設計され、設計の見通しが悪くなる。この問題を解決するために、望ましい制御性能が得られる簡易設計方法の提案が必要です。
２

研究目的

試行錯誤的な設計に起因するアクティブ免震の応用のボルトネックを取り除き、数値シミュレーショ
ンと試行錯誤を必要としない制御系の設計パラメータを決定するための簡易的な設計方法を提案する。
既往研究では、免震層の変位のみを抑えるための重み行列を対象にして、風方向においての簡易設計方法を提案した。しかし、提案された方法は重み行列の選択に厳しい制限があるため、応用先が非常に限定されている。
本年度では、「アクティブ免震を対象とした重み行列の設計に制限しない簡易設計方法の開発」を目的として、研究を行った。
３

研究成果

研究成果を右の図に示す。
図に最大制御力を予測するためのガストファクターの制度検証を示す。
従来の予測式は免震層の変位のみを抑えるための重み行列を対象とした場合(a) Case 1(b) Case 2(c) Case 3(d) Case 4（Case 1）、精度よく最大制
御力を予測することができるものの、他のケースにおいては適応対象外となる。
新しく提案した方法はすべてのケース（Case 2：最上層- 115 -

の変位を抑える、Case 3：免震層の変位と速度を抑える、Case 4：最上層の変位と速度を抑える）において、最大制御力を予測することができる。
関連した研究成果は以下の論文に採択された。


Yinli Chen, Daiki Sato, Kou Miyamoto, Jinhua She, Osamu Takahashi: Gust Factor Approach for Estimating
Maximum Response and Control Force in High-Rise Base-Isolated Buildings with Active Structural Control,
Structural Control and Health Monitoring, Vol. 2024, 9995641, 2024.3

４

ま と め
今年度の研究において、従来提案したアクティブ免震の簡易設計方法の修正を行った。解析結果により、新たに開発された設計方法は重み行列の選択への制限がなく、応用先をより広げた。

- 116 -

実構造部材を想定した 2 面同時暴露による鉄筋コンクリート部材の劣化挙動の把握
福岡大学

塚越雅幸

１ はじめに
表面含浸材はコンクリート表面から含浸し，撥水性の付与やセメントと反応硬化し細孔構造を緻密化する材料である。表面含浸材は無色であるため，施工現場では塗布量で管理されている。しかし，コン
クリート表層の空隙構造は，調合や施工，養生条件などの影響を受けて大きく異なることが報告されている。そのため，塗布量で管理した場合，同一部材であっても疎な部分と密な部分が存在する。
２ 研究目的
本研究では，コンクリート表層の空隙構造を W/C と材齢の違いで調整した供試体を用い，表面含浸
材の浸透性に与える影響を検討することを目的とする。
３ 研究成果3.1 試験体の作製および吸水試験の概要
モルタル供試体は W/C=45， 55，65%の 3 水準とし，φ50×100mm の円柱形状とした。モルタルは打設後翌日に脱型し，23℃環境下でそれぞれ 1 週または 4 週，12 週間封緘養生した後，打ち込み下面を暴露面とし，この面にケイ酸塩系の固化型を 5.0mm の深さで張った桶に 3 日間浸漬した。その後，7日間気中養生した。養生後，供試体の暴露面側を，水道水を 5.0mm の深さで張った桶に 3 日間浸漬させ，吸水と乾燥の繰り返し試験を行った。
3.2 吸水試験結果
試験期間中での供試体への含浸材の浸透や水分の吸水および乾燥による質量変化を，その 3 で検討する水分移動シミュレーション予測結果と併せて図 1 にまとめて示す。全体的に高 W/C の方が乾燥と吸水による質量の変化量は大きく，また材齢の進行により変化量は小さくなる傾向にあった。また，含浸材なし供試体に比べて含浸材浸漬供試体のほうが，よりマイナス側の値を推移している。これは，含浸材による水分浸透抑制効果により，吸水量が抑制され乾燥量が卓越したためであると考えられる。
3.3 水分移動シミュレーションによるモルタル中の水分拡散速度に及ぼす含浸材の作用量の推定
実験では，モルタル供試体の総質量として吸水・乾燥量しかもとめられない。そこで，実験供試体と同様の寸法を想定し，厚さ方向に 10 cm の断面１次元方向に微小区間Δy = 0.5cm でメッシュ切りし，モルタル内の水分移動速度に及ぼす含浸材の効果を推定した。
図 1 より実験結果と予測結果を比較すると，予測結果は概ね試験結果を再現していることが確認できる。この通り，モルタルの吸水・乾燥試験結果にフィットするように逆解析的に，W/C ごとのモルタル
中の水分の拡散係数および，暴露面からの水分流速をここでは吸水速度係数と乾燥速度係数と定義しそれぞれ求めた。さらに含浸材の浸透深さである暴露面から 2.0cm の範囲は改質されたものとしてこの部分の含浸材による拡散係数の低減率と養生期間と W/C の関係を図 2 に示す。拡散係数の低減率はどの- 117 -

1-①

-4

1-③

-6
※:試験操作ミスにより2日間だけの吸水

-8
0

含浸 吸水
養生

2

吸水

含浸材浸漬供試体
規定量塗布供試体

-2
1-①
1-②

-6
-8
0

-2

1-③

4-②

4-③

-4
-6
-8
0

4

吸水

0

-4

0

14 28 42 56 70 84 98
試験期間(days)
材齢1週

4

供試体の質量変化量(g)1-②

214 28 42 56 70 84 98
試験期間(days)(a) 含浸材なし供試体
材齢4週
含浸 吸水

2
0
-2

4-②

-4

4-③

-6

0
12-③

-2
-4
-6
-8

4
2

14 28 42 56 70 84 98
試験期間(days)
材齢12週
含浸吸水

養生

0
-2

12-③

-4
-6

-8
14 28 42 56 70 84 98
0 14 28 42 56 70 84 98
試験期間(days)
試験期間(days)(b) 含浸材浸漬・規定量塗布供試体
図1 曝露試験中の吸水・乾燥による試験体重量変化

14 28 42 56 70 84 98
試験期間(days)

-8

吸水 吸水

養生

2

0

吸水

養生

材齢12週

4

吸水

0

含浸材の浸透量 (g)

-2

吸水吸水
養生

供試体の質量変化量(g)

0

材齢4週

4

吸水

供試体の質量変化量(g)2

吸水

供試体の質量変化量(g)

供試体の質量変化量(g)

吸水 吸水
養生
※

供試体の質量変化量(g)

材齢1週

4

1.0
0.95
0.90
0.85
0.80
1

65

55
4
W/C (%)
12 45
養生期間 (週)図2 拡散係数の低減率と養生期間とW/Cの関係

1.1
0.9
0.7
0.5

65

1

4
養生期間 (週)55
12 45

W/C (%)

図3 含浸材浸透量と養生期間とW/Cの関係

材齢，W/C においても 0.85〜0.95 の間に分布しており，材齢 1 週と 12 週時点で含浸材に浸漬させた場
合を比較すると，材齢 12 週の方が含浸材の浸透量が小さくなったことにより，拡散係数の低減率が小さくなった。このことから，含浸材の改質効果を拡散係数の低減率で評価したところ，図 3 に示す含浸
材の含浸量と拡散係数の低減率には負の相関がみられた。
４

ま と め

モルタルへの水分の拡散予測シミュレーションを作成し，含浸材浸漬後のモルタルの水分の拡散係数を推定した。高 W/C のほうが細孔構造が疎であるため含浸材の浸透量が大きくなり，見掛けの拡散係数の低減率は小さくなった。また，モルタルの材齢が進行すると細孔構造が緻密になり含浸材の浸透量が小さくなり，拡散係数の低減率は小さくなった。
5

投稿論文

1) 浦川 奈実, 塚越 雅幸, 中山 一秀, 櫨原 弘貴 : ケイ酸塩系含浸材の浸透および吸水防止効果に及ぼす素地モルタルの性質の影響, 2023 年度（第 63 回）九州支部研究報告, pp. 129-132, 2024. 3- 118 -

界面制御による高性能酸化物系全固体電池の開発
岡山大学 寺⻄貴志

１

はじめに
これまでに我々は誘電体酸化物ナノ粒子と活物質粒子を複合化させることで，有機電解液系 LIB の高速充放電特性を大幅に改善させることに成功している．H27 年度より，本共同利用研究を通して，PLD 法を用いたモデル二次元積層膜の作製と電池評価を行ってきた．これまでに，BaTiO3(BTO)をドッ
ト状に数%の被覆率で担持した LiCoO2(LCO)膜において，レート特性は大幅に改善した．インピーダン
ス解析，電流分布計算，電池充放電後の SEI(Solid Electrolyte Interface, 固体電解質界面)の状態観察等か
ら，誘電体−活物質−電解質の三相界面(Triple Phase Interface, TPI)近傍において Li イオンの優先拡散パスが形成されていることを突き止めた．R3 年度は，誘電体ナノキューブを用いて，さらに TPI 密度を増加させて，出力特性を大幅に改善することに成功した．R4 年度より，本知見を酸化物系全固体電池に適用する検討を進めている．
２

研究目的
誘電体界面技術を酸化物全固体電池に適用する．酸化物全固体電池おける誘電体界面の効果確定と，誘電体を介した電荷移動メカニズムについて調査することを目的とした．
３

研究成果

3.1. BTO を導入した SE(Solid Electrolyte)支持型電池
0.2〜1 C にて充放電を行い，放電容量維持率を算出した (Figure 1)．1 C における放電容量維持率はBTO 導入後約 5%低下した．また，電極/SE 界面 Rct は BTO 導入後，0.3 kΩ ほど増加した．Figure 2 に正極/SE 界面近傍の微細構造を示す．LCO 及び BTO 粒子と LLZT 基板間には LBO が介在していた．つまり，目的としていた LLZT-BTO-LCO の直接接合した構造になってはいなかった．つまり，今回検討した電池構造では，BTO の界面電荷移動促進効果を正しく抽出できていないことが分かった．
3.2. BTO-LLZT 複合電解質の検討
3.1 の結果から，LLZT-BTO-LCO が直接接合した構造を有する電池の作製を目的とした．そこで BTO
を予め LLZT 粒子上に焼結した BTO-LLZT 粉末と LCO からなる正極合材を使用して，LBO を用いずに電池作製を試みた．0.1 C で充放電試験を実施した．初回充放電におけるクーロン効率は，BTO 導入後
約 6%低下した．また，電極/SE 界面 Rct も BTO 導入後 0.6 kΩ ほど増大した．Figure 3 に BTO-LLZT 粒
子と LCO 界面の微細構造を示す．BTO-LLZT 粒子と LCO 間に多くの空隙が存在していた．つまり，当初期待したような，LLZT-BTO-LCO が直接接合した，密な構造体とはなっていなかった．したがって，
Figure 3 右図のように，BTO-LCO 界面に沿った電荷移動ではなく，BTO 表面のみの拡散が支配的となるため，LLZT から LCO に至るまでの電荷移動が遅れると考えた．

- 119 -

3.3. PLD 法との組合せによる薄膜電池の作製
3.2 の結果を踏まえ，LLZT-BTO-LCO が密に直接接合した構造を作製すべく，BTO 担持した LLZT 基
板上に LCO を成膜した．Figure 4 に成膜した LCO と基板間の微細構造を示す．隙間がなく，良好な正極/LLZT 界面が形成されていることを確認した．Figure 5 に電池特性を示す．横軸に BTO 被覆率，第一縦軸に電極/SE 界面 Rct，第二縦軸に 2nd サイクル目の放電容量をまとめた．電極/SE 界面 Rct は BTO 被覆率に対して，単調増加した．BTO 被覆率の増加に伴い，放電容量は低下した．
3.4. 全固体電池における誘電体界面の効果
今回検討した系では液系 LIB のような誘電体界面による電荷移動の促進は確認されなかった．この要因について，液系 LIB と酸化物系全固体 LIB それぞれの電極/電解質界面における静電的相互作用から説明を試みた．液系 LIB の電解液中で Li+は溶媒和状態にあり，負に帯電している．LCO 表面は充放電
時，電子密度の増加に伴い，同じく負に帯電する．よって，溶媒和リチウムと LCO 間に強い斥力が働く．一方，絶縁性の BTO 表面と溶媒和リチウムは，正負イオン同士が静電引力を持ち，2 点で配位結合する．以上のことは液系 LIB の DFT-MD 計算結果とも一致する*．それに対し，全固体 LIB の SE 内では，Li+は正電荷を帯びたシングルイオンとして存在する．よって，正電荷である Li+は絶縁性の BTO 表
面よりも負電荷を帯びた LCO 表面に強く引き付けられる．すなわち，LCO 表面で優先的に吸着が起こ
るため，LCO/LLZT 界面の直接的なイオン拡散が支配的になると推察した．
* T. Teranishi, K. Kozai, S. Yasuhara, S. Yasui, N. Ishida, K. Ishida, M. Nakayama and A. Kishimoto, J. Power
Sources, 494, 229710 (2021).

Figure 2. BTO-LCO を用いて作製した全固体

Figure 1. BTO 導入前後の放電容量維持率

LIB の正極/SE 界面における微細構造

Figure 3. BTO-LLZT 粒子と LCO 界面の微細構造

Figure 4. 薄膜電池の正極/LLZT 界面構造

Figure 5. 各 BTO 被覆率における電極/SE 界面 Rct と 2nd サイクル放電容量- 120 -

半導体ナノ粒子を用いた室温共鳴トンネルトランジスタの創製
京都大学

１

寺西 利治

はじめに
ナノテクノロジーの発展により、ボトムアップ手法によりナノスケールのデバイス構造を構築する

技術が進歩しており、緻密な集積化技術が必要なナノデバイスの出現が可能となってきた。このようなデバイス創製が実現できれば、ナノスケール領域の電子や分子の振る舞いを観測するだけでなく、その制御が可能になる。単電子トランジスタは、ナノスケールにおける電子の振る舞いを利用することにより、1 個の電子でデバイス動作を制御でき、デバイスサイズも消費電力も従来のデバイスよりも桁違いに小さいため、将来の超大規模、超低消費電力の集積回路用デバイスとして期待されている。中でも、単電子島に半導体ナノ粒子を用いると、電子が電極間で共鳴輸送される量子力学的な系になる
ことから、大きく注目されている。

２

研究目的
ナノギャップ電極の間にナノ物質を配した単電子トランジスタは、微細化に伴い MOS 素子など従来素子の問題点が指摘される中、未知数ながら将来を嘱望されている素子構造である。ナノ物質が半導体ナノ粒子になると、トンネル遷移により少数のエネルギーレベルを通じて電子がソースからドレインへと共鳴輸送される量子力学的な系になる。真島研究室では、電極材料を Au から Pt に換えること
により、電極線幅 30 nm 以下のナノギャップ電極の作製プロセスを確立し、無電解金メッキを施すことにより、様々な粒径の量子ドットに対してゲート変調を可能とするナノギャップ電極構造の作製方法を確立している。本研究では、単電子トンネル素子の電圧印加による室温共鳴トンネルトランジス
タ動作を目指し、寺西研究室において種々の粒径（バンドギャップ）の半導体ナノ粒子を合成する。次に、半導体ナノ粒子を上記ナノギャップ電極間に化学結合により配置することにより、室温共鳴トン
ネルトランジスタを創製する。さらに、10 nm 程度のタイプ II 型二量体ナノ粒子の世界最小ダイオー
ド特性についても検討する。

３

研究成果
昨年度までに、種々の粒径を有する単分散 CdS ナノ粒子を架橋性有機配位子（ジチオール）でナノ

ギャップ電極に選択集積させたデバイスを作製しトランジスタ特性を検討してきた。本年度は、10 nm
程度のタイプ II 型二量体ナノ粒子の世界最小ダイオード特性について検討するために、六方晶 CdS のアニオン交換により、六方晶 CdS と立方晶 CdTe が異方的に相分離したタイプ II 型 CdS/CdTe 二量体
ナノ粒子の合成と電子輸送特性について検討した。
高温安定相である六方晶 CdS ナノ粒子の部分アニオン交換により、六方晶 CdS と立方晶 CdTe が異方的に相分離したイプ II 型 CdS/CdTe 二量体ナノ粒子を合成した。具体的には、デシルアミン中、9.3±0.8
nm 六方晶 CdS ナノ粒子にトリオクチルアミンおよび Te を加え、255°C で 20 分アニオン交換反応を行- 121 -

った。アニオン交換前後のナノ粒子の透過電子顕微鏡像を図１a に示す。コントラストの異なる二つの相からなる二量体ナノ粒子が形成しており、粉末 X 線回折（図 1b）や紫外可視近赤外吸収スペクトル（図 1c）から、六方晶 CdS と立方晶 CdTe が異方的に相分離した 13.9±1.2 nm のタイプ II 型 CdS/CdTe
二量体ナノ粒子が生成していることが分かった。
次に、真島研究室にて電子線ビームリソグラフィと無電解金メッキを用いて作製した 10 nm のギャ
ップ長を有するヘテロエピタキシャル球状 Au/Pt ナノギャップ電極に、架橋性有機配位子を用いてCdS/CdTe 二量体ナノ粒子を化学吸着させ電流−電圧特性を評価した。その結果、9 K において±0.5 V
程度の範囲でクーロンブロッケード現象が観察され、電流の立ち上がりは理論曲線とよく一致しており、ゲート変調特性も観察されたことから、この素子は単電子トランジスタとして動作していることが分かった。さらに、±1.5 V 程度で非対称なさらなる電流の立ち上がりが観察され、この整流性は、室温においても若干観察された。室温における電流値は数倍の増大に留まっているため、この電流はトンネル伝導が支配的である。この整流性の起源については、再現性を含め今後さらに検討を進める予定である。

図１．(a)アニオン交換前後のナノ粒子の透過電子顕微鏡像、タイプ II 型 CdS/CdTe 二量体ナノ粒子の (b) 粉末 X 線回折パターンと (c) 紫外可視近赤外吸収スペクトル

４

ま と め
世界最小ダイオードの作製を目指し、9.3±0.8 nm 六方晶 CdS ナノ粒子の部分アニオン交換により、六方晶 CdS と立方晶 CdTe が異方的に相分離した 13.9±1.2 nm のタイプ II 型 CdS/CdTe 二量体ナノ粒子の合成に成功した。CdS/CdTe 二量体ナノ粒子をナノギャップ電極への選択集積したところ、単電子トランジスタとして動作することが分かった。さらに、整流性が低温および室温において観察された。今後は、この整流性の起源を明らかにするために、再現性を含め検討を進める。

- 122 -

擬立方晶構造を用いた高効率熱電変換材料の開発とスマートビルディングへの応用
宮崎大学工学部 環境・エネルギー工学研究センター

１

永岡 章

はじめに

地球規模での環境問題を解決するためには、再生可能エネルギーの利用促進が必要不可欠であり、それぞれの“コンビネーション”と“どう利用するか？”が重要となる。これらの代表として「創るエネルギー≧使うエネルギー」となる建物（スマートビルディング）＝Zero Energy Building (ZEB)が注目されており、太陽光発電利用が中心となっているが、コンセプト実現のためには更なる発展が必要である。本
研究では、ZEB の実現へ向けた相乗効果として、これまで得やすいが積極的に利用されてこなかった熱エネルギーに注目した。
２

研究目的
太陽電池モジュールを建物壁面や窓に導入した ZEB 応用の実証実験から、窓枠やモジュール裏は 50〜80 ºC の高温となるため、熱電発電による熱利用によって相乗効果が期待出来る。本研究では、ZEBを代表とするスマートビルディングにおける熱利用を目標として、100 ºC 以下で高効率を示す熱電材料開発のために、擬立方晶構造を用いることで電子バンドにおける“縮退度”、“異方性”、“歪み”をチューニングし、高効率な熱電材料を開発する。
３

研究成果

本研究で扱う新規 II-IV-V2 族正方晶カルコパイライ
ト化合物はジンクブレンド構造を c 軸方向に 2 つ積み重ねた構造である。さらに ZnSnAs2 (ZTA)は、格子定数比 c/2a が 1.00 に近いため、擬立方晶の対称性から
価電子帯に縮退が生じ、高いゼーベック係数（＝高い
出力因子）が期待出来る [1]。擬立方晶の観点から、

図 1 カルコパイライト構造 ZnSnAs2 (ZTA)

これまで報告の少ないカルコパイライト化合物 ZTA の結晶成⻑条件を調査し、Zn/Sn 比が異なるサンプ
ルの熱電特性の評価を行った。図 1 に作製した ZTA インゴット写真を示す。
図 2 に Zn/Sn 比を変化させた ZTA サンプルの粉末 X 線回折(XRD)測定結果を示す。Zn-poor 組成ではSnAs 相、Zn-rich 組成では Zn3As2 相のピークが同定された。さらに、走査型電子顕微鏡 (SEM)とエネル
ギー分散型 X 線分析 (EDX)測定からも SnAs と Zn3As2 相がそれぞれの組成で確認された。Zn-poor 組成
ではアクセプター欠陥である Zn 空孔 (VZn)とドナー欠陥である Zn サイトの Sn (SnZn)欠陥が形成されやすいと考えられる。Zn-rich 組成ではアクセプター欠陥である Sn サイトの Zn (ZnSn)欠陥とドナー欠陥である Sn 空孔 (VSn)が形成されやすいと考えられる。

- 123 -

1 1 10316

312

Intensity (arb. unit)

112

204

#JICST-10023

Zn1.2Sn0.8As2

Zn-richZn1.1Sn0.9As2

Zn0.9Sn1.1As2

Zn-poor
Zn0.8Sn1.2As2

ZnSnAs2

Zn3As2
SnAs

20

30
40
50
60
70
Diffraction angle (deg.)80

図 2 Zn/Sn 比を変化させた ZTA の粉末 XRD 結果

図 3 (a) ゼーベック係数、(b) 電気伝導率、(c) パワーファクターの温度変化
図 3 に測定温度 323-573 K における ZTA の (a)ゼーベック係数 S、(b)電気伝導率 σ、(c)出力因子：パワーファクター (σS2)の温度変化を示す。図 3(a)よりゼーベック係数の符号は、すべてのサンプルで常に正の値を示したため、p 型伝導である。Zn/Sn を変化させたサンプルのゼーベック係数は、化学量論組成と比較して大きな値を示した。第一原理計算による欠陥形成エネルギーを考慮すると、アクセプター欠陥である VZn が ZTA 中で支配的である。Zn-rich 組成では VZn が減少し、ホール濃度が低くなりゼーベック係数が増加したと考えられる。実際に室温でのホール効果測定より、化学量論組成と Zn-poor 組成
では、ホール濃度 1019 cm-3 示し、Zn-rich 組成では、1017-1018 cm-3 示した。図 3(b) 電気伝導率の温度変化から Zn-poor 組成と比較して、Zn-rich 組成では電気伝導率が大幅に低下した。これは、Zn-rich 組成
で、ホール濃度が低下したことが起因したと考えられる。図 3(c) パワーファクターの温度変化から、
Zn/Sn 比が 0.81 において、出力因子が 375 K で Bi2Te3 と同等の最大 2890 μW/mK2 示した [2]。アクセ
プター欠陥である VZn が増加し、ホール濃度が増加し、ゼーベック係数と電気伝導率を最適化したことが起因していると考えられる。
図 4(a)に ZTA 多結晶の電気伝導率の 80-300 K における温度変化を示す。電気伝導率データは、定量- 124 -

的に以下の式 (1)で表現できる。

𝜎 𝑇

𝜎 𝑒𝑥𝑝

𝑇
𝑇

𝜎 𝑒𝑥𝑝

𝐸
𝑘 𝑇

𝜎
𝑇

𝑒𝑥𝑝

𝐸
𝑘 𝑇

1

化学量論組成と Zn-poor 組成では、80-300 K において電気伝導率が一定の値を示した。ホール濃度の増加により半金属・縮退
半導体の挙動を示したと考えられる。今回、半導体の挙動を示
す Zn-rich 組成から点欠陥情報を得る。測定結果から最小二乗法を用いて式 (1)をフィッテイングすることで電気伝導機構について調査した。σH、σB、σGB はプレファクター、T0 は Mott 特性
温度、EA と EGB はそれぞれ活性化エネルギーと粒界におけるバリア、kb はボルツマン定数である。式(1)の第一項は、欠陥中のモット・バリアブル・ホッピング伝導 (M-VRH)、第二項は典型的な熱活性によるバンド伝導、第三項は粒界における粒界バリアを表す [3-4]。図 4(b)に電気伝導率 σ の T-1/4 プロットを示す。
150 K 以下の温度域において直線的に変化することから、MVRH が支配的である。150 K から室温においては熱活性化エネ
ルギーや粒界バリアによる影響が大きい。M-VRH から本サン
プルには多数の欠陥が存在することが示唆された。150 K から室温までのアレニウスプロットの傾きから Zn-rich 組成の活性化エネルギーが得られた。ゼーベック係数とホール効果測定より p 型が確認された ZTA では、EA= 22-24 meV と浅い欠陥準位

図 4 80-300 K における電気伝導率の(a) 温度変化と(b) T-1/4 プロットを示した。欠陥形成エネルギーを考慮すると、アクセプター欠陥である VZn の欠陥準位であることが考えられる。粒界バリア EGB は、0.5-3 meV と低いため、電気伝導にあまり影響しないことが示唆される。
４

ま と め
擬立方晶構造と組成変化による点欠陥制御によって、Zn/Sn 比が 0.81 において ZnSnAs2 は 375 K で高い出力因子 2890 μW/mK2 を達成した。このことから 100 ℃未満の熱利用に高いポテンシャルを有していることを明らかにした。本材料の電気伝導機構について、150 K 以下の低温域において、M-VRH
伝導が支配的であり、多くの点欠陥が存在することが明らかになった。室温付近については、浅いアク
セプター準位（22-24 meV）によるバンド伝導が支配的であり、粒界バリアはキャリアの電気伝導にあまり影響しないことが示唆された。
引用文献[1] J. Zhang et al., Adv. Mater., 26 3848 (2014)[2] S. K. Pundir et al., Adv. Mater. Lett., 7 549-554 (2016)[3] A. Nagaoka et al., Appl. Phys. Express, 11 051203 (2018)[4] V. Kosyak et al., Appl. Phys. Lett., 100, 263903 (2012)[5] A. Nagaoka et al., Appl. Phys. Lett., 103 112107 (2013)- 125 -

コーン状破壊により損傷した露出柱脚の被災後補修

豊橋技術科学大学

仲田章太郎

１ はじめに屋内運動場は災害時の避難所として利用される重要な施設であり，露出柱脚が多用されている。しかしながら，近年の地震において，露出柱脚におけるアンカーボルトの残留伸びやコーン状破壊による被害が多く散見されている。これを受け，本研究課題では，損傷した露出柱脚の被災後補修法を構築する。

２ 研究目的2023 年度は，増打ちコンクリート部（以下，補修部）を対象とした要素実験を行い，補修部のあと施工アンカー
および柱主筋が被災後補修の力学性能に与える影響について検討した。

３ 研究成果
ひび割れ耐力 Pcr，最大耐力 Pmax，残存耐力 Pres ごとに，露出500

柱脚の各耐力を図 1 に示す。図中，実線，破線，一点鎖線は後

400
300

述する計算値，マーカーは実験値である。

200
100

まず，ひび割れ耐力を見ると，実験値はコーン状破壊耐力の計算値の範囲に収まっている
次に，最大耐力に着目する。定着部破壊では指針式とダボ効果の和，界面部破壊では既往研究の界面のせん断応力度と界面部の総面積の積として次式で表す。
2
0.31 FC    Ae  0.7  as s  Y  1.3  na  d a  Fc a  Y
Pmax    Ac

上式は実験値を概ね再現できていることがわかる。
最後に，残存耐力に着目する。残存耐力は，破壊後に作用

ひび割れ耐力Pcr[kN]
コーン状破壊耐力

実験値

  

ABR400を用いた場合の耐力115kN

0
700
600
最大耐力Pmax [kN]
500
400
300
200
100
0

500

既往の研究

実験値
鋼構造接合部設計指針

計算値

  

残存耐力Pres[kN]
実験値

400
300
200
100

計算値

0

するあと施工アンカーと柱主筋が全て降伏すると仮定し，次式で表す。
Pres  ab na  aa a  y / 3  ab ns  as s  y

D6_8(4) D6_10(6) D6_12(8) D10_8(4) D13_8(4) D6_8(4)

計算値は，実験値をよく評価できている。

定着部破壊

界面部破壊

図 1 露出柱脚の耐力
４ ま と め2023 年度は，要素実験により露出柱脚の耐力の評価について検討した。残存耐力はコーン状破壊耐力の計
算式，最大耐力と残存耐力は破壊形式に応じた上式により評価できることを示した。

- 126 -

強固な相互作用を有する表面修飾剤を用いた単電子トランジスタの室温安定動作株式会社 illuminus

１

中村 貴宏

はじめに

単電子トランジスタ (SET) は，ギャップ間隔が一桁ナノメートルオーダーのナノギャップ電極と，ナノギャップ電極間にトンネル接合した分子やナノ粒子の単電子島，デバイス動作を制御するゲート電極から構成されたナノ電子デバイスである．これまでの研究において，真島研で確立されている金無電
解めっき被覆白金ナノギャップ電極 1 と，研究代表者の独自手法であるレーザー誘起還元法 2 により作
製した金−白金合金ナノ粒子を単電子島として構築した SET の室温付近における構造安定性の改善が確認されている．一方，ナノギャップ電極やナノ粒子はアルカンチオール修飾により安定化しているが，温度上昇に伴いアルカンチオール分子の運動が活発化すること，ナノギャップ電極の先端やナノ粒子の曲率半径が極めて小さいことに起因してアルカンチオール分子のアルキル基間の距離が遠く分子間相互作用が不十分であることなどから，表面修飾分子の最適化によってデバイスのさらなる構造安定化が可能となると考えた．
２

研究目的

本共同研究では，SET のさらなる構造安定化を目的とし，温度安定性と構造安定性に優れる白金ベー
スナノギャップ電極と合金ナノ粒子の単電子島，さらにそれらの金属と強固な相互作用を有する表面修飾剤から構成される SET を作製し，同デバイスの室温安定動作を実現することを目的に研究を行った．
まずは，レーザー誘起還元法により作製される構造安定化が確認されている金−白金合金ナノ粒子を対象とし，異なる分子構造を有する表面修飾剤を用いた修飾を検討した．ナノ粒子の表面修飾のための表
面修飾剤としてトルエン−3，4−ジチオール (toluS2)，[4−(tert-ブチル)フェニル]メタンチオール(buPhS)，3−メルカプトプロピル(ジメトキシ)メチルシラン (C4SiS) の三種類を選択した (Fig. 1)．
これらの表面修飾剤はそれぞれ二価のチオールによる表面修飾 (toluS2)，表面修飾分子間のπ−π相互作用 (buPhS)，表面修飾分子間のアルキル架橋による安定化 (C4SiS) が期待される．それぞれの表面修飾剤を用いて，相間移動法もしくは分子置換によりナノ粒子の表面修飾を行った．作製された表面修
飾ナノ粒子の電子顕微鏡観察と熱物性測定により，構造と熱安定性を評価した．
(a)

(c)

(b)

Fig. 1. molecular structures of (a) toluene-3,4-dithiol, (b) (4-tert-butylphenyl)methanethiol, and(c) 3-mercaptopropyl(dimethoxy)methylsilane.

- 127 -

３

研究成果

濃度 5.0×10-4 mol/dm3 の金ならびに白金の前駆体水溶液を作製し，それぞれの金属のモル比が 1 : 1となるように混合した．混合水溶液に対して再⽣増幅システムより発振された波⻑ 800 nm，パルス幅100 fs，平均エネルギー7 mJ，最大繰り返し周波数 1 kHz のフェムト秒パルスレーザー光を焦点距離 50mm の集光レンズを用いて所定の時間集光・照射して金−白金合金ナノ粒子を得た．
トルエン−3，4−ジチオール，[4-(tert-ブチル)フェニル]メタンチオールを用いた相間移動法によるナノ粒子の表面修飾ではナノ粒子分散コロイド溶液から有機溶液中へのナノ粒子の抽出が確認されたが，抽出されたナノ粒子の TEM 観察結果ではナノ粒子同士の凝集・融合が確認された．これは金属と表面修飾剤，表面修飾剤同士の分子間相互作用が強いことに起因して相間移動の際に表面修飾された粒
子同士が結合したためであると考える．従って，これまで相間移動法によるナノ粒子の表面修飾に用いてきたドデカンチオールにより表面修飾を行ったのち，表面修飾後のナノ粒子分散液に対してトルエン−3，4−ジチオール，[4-(tert-ブチル)フェニル]メタンチオールを加えて分子間の置換作用による表面修飾を試みた．ナノ粒子の電子顕微鏡観察結果を Fig. 2 に示す．いずれの場合においても各粒子が分散性良く存在していることが確認され，ナノ粒子が修飾されていることが示唆された (Fig. 2 (a) および(b))．また，アルキル架橋による効果を期待した 3−メルカプトプロピル(ジメトキシ)メチルシランによる表面修飾は，レーザー合成ナノ粒子分散水溶液中への添加により行った．ナノ粒子の電子顕微鏡観察結果 (Fig. 2 (c)) では互いの粒子が一定の間隔を保って存在していることが確認され，ナノ粒子の表
面修飾が示唆された．
(a) C12S → toluS2(b) C12S → buPhS(c) C4SiS

Fig. 2. TEM micrographs of surface modified Au－Pt nanoparticles with (a) dodecanthiol (C12S) →toluene-3,4-dithiol (toluS2), (b) dodecanthiol (C12S) → (4-tert-butylphenyl)methanethiol (buPhS) and(c) 3-mercaptopropyl(dimethoxy)methylsilane (C4SiS).
表面修飾が示唆された各ナノ粒子における熱重量・示差熱同時測定 (TG-DTA) を用いた分析結果から，ドデカンチオール修飾後に [4−(tert-ブチル)フェニル]メタンチオールを添加したナノ粒子は，ドデカンチオール修飾したナノ粒子と同じ温度付近 (280 oC) で燃焼に起因するピークが確認され，重量減少も酷似していることから，修飾剤は置換されていないことが示された．これはドデカンチオールと[4−(tert−ブチル)フェニル]メタンチオールがいずれも分子内の硫⻩原子一点での修飾であることに加えて、[4−(tert−ブチル)フェニル]メタンチオールはかさ高い tert−ブチル基を有していること，かつ分子鎖⻑がドデカンチオールに比べて短いために，先に修飾していたドデカンチオールとの立体障害に起因して十分な置換反応が進行しなかったためであると考える．一方，ドデカンチオール修飾後にトル
エン−3，4−ジチオールを添加したナノ粒子ならびに，3−メルカプトプロピル(ジメトキシ)メチルシラ
ン修飾したナノ粒子は，測定温度領域において燃焼に起因するピークが確認されておらず，重量減少もドデカンチオール修飾ナノ粒子と比較して緩やかであることから，いずれも耐熱性が向上していること- 128 -

が確認された．前者はトルエン-3,4-ジチオールが 2 価のチオールであることから置換反応が進行し，さらに芳香環を有しているため飽和炭化水素基のみを有するドデカンチオールよりも耐熱性が向上したものと考える．後者 (C4SiS) では，ナノ粒子表面に結合した 3−メルカプトプロピル(ジメトキシ)メチ
ルシラン間において縮合反応が進行し，シロキサン結合が⽣じたために耐熱性が向上したものと考える．
４

ま と め

単電子島の熱安定性を向上することを目的に，レーザー誘起還元法により作製した金−白金合金ナノ粒子を対象とし，異なる分子構造を有する表面修飾剤を用いた修飾を行った．二価のチオールを持つト
ルエン−3,4−ジチオール，アルキル架橋効果が期待される 3−メルカプトプロピル(ジメトキシ)メチル
シランにより修飾したナノ粒子は，従来のドデカンチオール修飾したナノ粒子に比べて熱安定が向上していることが確認された．今後は，同ナノ粒子を単電子島とし，ナノギャップ電極を上記熱安定に優れる表面修飾剤で修飾した SET を形成し高温領域における動作安定性について検討を行う．

- 129 -

実験データベースを用いた鉄筋コンクリート部材の構造性能評価
新潟大学

１

中村孝也

はじめに
せん断破壊型鉄筋コンクリート（RC）柱は，曲げ破壊型 RC 柱よりも脆性的な破壊の仕方をするた

め，設計で用いることは控えられている。用いられたとしても最大耐力以降の大変領域には期待しな
いため，変形性能についてあまり調べられていない。また，大地震に対して建物が崩壊することを防止することが必要である。そのためには，どのような状態に達したときに柱が軸力を保持できなくなって崩壊に至るのか，またそのときの水平変形量を把握しておくことが重要である。
２

研究目的
本稿では，既往の部材実験データベース 1) の試験体について，主筋比や軸力比，せん断補強指標 2)の観点から，せん断破壊型 RC 柱の崩壊変形および限界変形に着目して変形性能に関わる条件を検討す
る。
３

研究成果

3.1 研究対象
文献 1)の試験体のうち，以下の条件に当てはまるものを選んで検討した（補強された試験体および特殊な試験体は除外した）。主筋は異形鉄筋，せん断補強筋は異形鉄筋または丸鋼，加力方式は両端固定式で軸力一定，載荷履歴は単調載荷または繰り返し載荷である試験体を選択した。また，引張軸力および軸力ゼロの試験体は除外した。検証に用いた試験体は全 44 体であり，パラメータ範囲を表 1 に示す。ここで，コンクリート軸力比とはコンクリートのみを考慮した軸力比で，η=N/(b・D・σB)とした（N : 軸力(N)，b・D : 柱断面積(mm2)，σB :コンクリート圧縮強度(N/mm2)）。
3.2 研究方法
図１に水平力と水平変形（部材角）の関係の例を示す。試験体がそれまで安定して保持していた軸力を急に保持できなくなった瞬間の水平変形を崩壊変形とした。また，試験体が最大耐力に達したときの水平変形を最大耐力時水平変形，各サイクルのピーク時およびサイクル中に耐力が低下した点を結ぶ直線補完をし，水平力が最大耐力の 80％まで低下した時の水平変形（部材角）を限界変形とし，それぞれの変形と崩壊変形の関係を調べた。

- 130 -

表 1 検証に用いた試験体のパラメータ範囲
コンクリート圧縮強度σB (N/㎟）

11～122

主筋降伏強度σy（N/㎟）

340～721

引張鉄筋比 Pt（％）

0.27～1.99

主筋比 Pw（％）

0.6～2.9

せん断補強筋降伏強度（N/㎟）

338～756

せん断補強筋比 Pw（％）

0.11～0.77

柱内法高さｈ₀/柱せい D

2.0～4.0

コンクリート軸力比 η0.16～0.36

図1

水平力と水平変形の関係の例

3.3 限界変形とせん断補強指標の関係
曲げ破壊型 RC 柱の多数の実験結果を分析した結果，せん断補強指標は，梁部材と柱部材の変形性能を評価できる指標であると判断されている 2)。ここで，せん断補強指標は，靱性指針式の主な因子であるせん断補強量 Pwσwe をコンクリートの圧縮有効強度ν0 Fc で除したものである (Pw：せん断補強
筋比，σwe：せん断補強筋の有効強度(N/mm²) (ただし，≦85√Fc を満足するものとする。) ，ν0：コ
ンクリートの有効強度係数 (=1.7 Fc-0.333) ，Fc：コンクリートの設計基準強度(N/mm²))。
過去の研究 3)において，主筋軸力比ηS と限界変形に相関があったことから，せん断補強指標の分⺟（ν0 Fc）を主筋軸力比ηS に変更したところ(Pwσwe/ηS)，限界変形との相関が強くなることが分かっている。ここでηS はせん断破壊型 RC 柱の破壊性状を考慮して，主筋のみを考慮した軸圧縮耐力に基づく軸力比とし，ηs =N/(Ag・σy)とした(Ag:主筋総断面積(mm2)，σy :主筋降伏強度(N/mm2))。
3.4 崩壊変形とせん断補強指標の関係
崩壊変形とせん断補強指標の関係を図２に，せん断補強筋比 Pw＜0.2％，0.2％≦Pw＜0.4％，0.4％≦
Pw＜0.6％，0.6％≦Pw に分けて示す。崩壊変形は 1.28％〜20.6％であった（検証に用いた試験体は 44体）。図 2 では，各点が Pw ごとに縦に並ぶようになる。また，相関係数は 0.18 であり，あまり相関は見られない。
崩壊変形においても主筋の影響が大きい可能性が考えられるため，崩壊変形とせん断補強指標の分
⺟を主筋軸力比ηS に変更したもの（以下，主筋軸力比指標）の関係を図 3 に示す。横軸をせん断補強
指標から主筋軸力比指標に変更した図 3 では，各点が混在するようになり，相関係数も 0.34 と良くなった。図 3 より主筋軸力比指標が小さいと崩壊変形は小さいものが多いことがわかった。

図 2 崩壊変形とせん断補強指標の関係

図3- 131 -

崩壊変形と主筋軸力比指標の関係

3.5 崩壊変形/最大耐力時水平変形，崩壊変形/限界変形と主筋軸力比指標の関係
崩壊変形/最大耐力時水平変形，崩壊変形/限界変形と主筋軸力比指標の関係をそれぞれ図４，図５にせん断補強筋比 Pw＜0.2％，0.2％≦Pw＜0.4％，0.4％≦Pw＜0.6％，0.6％≦Pw に分けて示す。崩壊変形/最大耐力時水平変形は 1.9〜41.2（検証に用いた試験体は 40 体），崩壊変形/限界変形は 1.21〜9.57（検証に用いた試験体は 25 体）であった。
相関係数は，図４の崩壊変形/最大耐力時水平変形では 0.14，図５の崩壊変形/限界変形では 0.03 となり，ともに相関があるとは言えない。最大耐力時水平変形，限界変形ともに崩壊変形との関係は薄いといえる。

図 4 崩壊変形/最大耐力時水平変形と

図 5 崩壊変形/限界変形と主筋軸力比指標の関係
４

主筋軸力比指標の関係まとめ
せん断破壊型 RC 柱の崩壊変形を検討した。崩壊変形においても，限界変形と同様にせん断補強指標の分⺟ （ν0 Fc）を主筋軸力比ηS に変更したもの(主筋軸力比指標(Pwσwe/ηS))の方がせん断補強指標より相関が強くなることがわかった。
主筋軸力比指標と崩壊変形/最大耐力時水平変形，崩壊変形/限界変形の間には相関は見られなかった。このことから崩壊変形は最大耐力時水平変形，限界変形との関係は薄いといえる。
参考文献
1) 向井智久，渡邊秀和，坂下雅信，⽥才晃，楠浩一，磯雅⼈，楠原文雄，⻄村康志郎，中村孝也，⽥尻清太郎，谷昌典：実験データベースを用いた鉄筋コンクリート造部材の構造特性評価式の検証（2020年版），国立研究開発法⼈建築研究所建築研究資料，2020.3
2) 日本建築学会：鉄筋コンクリート構造保有水平耐力計算規準・同解説，2021.2
3) 伊藤悟，富⽥尚輝，庄司優，中村孝也:せん断破壊型 RC 柱の変形性能評価 その 3 せん断補強指標の検討，日本建築学会大会学術講演梗概集，構造Ⅳ，pp.115-116，2023.9- 132 -

実験と理論計算との融合によるリン化物半導体太陽電池の高効率化に関する研究
京都大学大学院工学研究科

１

野瀬嘉太郎

はじめに
現在，太陽電池材料としてはシリコンが主流であるが，近年，省資源，コスト等の面から化合物半導体を利用した薄膜太陽電池も期待されている．当研究グループでは，これまでにユビキタス元素から構成されるリン化物半導体を光吸収層として用いた太陽電池に関する研究を遂行してきた．特に，
ZnSnP2 (ZTP) 太陽電池に関しては先駆的な成果が得られており，現在，エネルギー変換効率は 3.87%を達成している 1). 太陽電池の高効率化には光生成したキャリアの再結合をいかに抑制するかにかかっている．
昨年度は ZTP 内のバルク再結合に関する研究を行い，少数キャリア寿命を改善する指針を得た 2)．
一方で，pn 接合界面における再結合を抑制するためには，p 型伝導を示す ZTP とバンド構造的にも結晶格子的にも整合した n 型半導体が求められる．そこで本研究では，ZTP と同じカルコパイライト型構造をもつ CdSnP2 (CTP) に着目した．CTP はこれまでに n 型伝導を示すことが報告されており 3)，また，これまで n 型半導体として用いてきた CdS に比べて ZTP との伝導帯オフセットが小さいことが，大場教授らの理論計算からも示唆されている 4)．

２

研究目的
これまでの研究で，ZTP バルク結晶上に CTP を製膜し，接合の整流性を確認している 5)．しかしこの場合，Cd-Sn 合金のリン化によって CTP 薄膜を得ているため，組織が不均一なことに加え，CTP 膜の抵抗が高いという課題があった．そこで本研究では，分子線エピタキシ (MBE) によって CTP を製膜し，CTP/ZTP 接合の作製，およびこれを用いた太陽電池を作製し，CTP を用いることの優位性を実証することを目的とした．

３

研究成果
まず，MBE における CTP の製膜条件を探索した．基板にはソーダライムガラスを用い，種々の条件のうち，Cd のビーム等価圧力，pCd, 基板設定温度 Ts に対して条件の探査を行った．なお，Cd, Sn については純物質を蒸発源に用い，リンについては Sn4P3/Sn の複合材料を用いた．基板温度に関しては別
途パイロメーターによりその表面温度を測定し，製膜中の温度変化が 10 ℃ 以内となるように制御した．その結果，図１に示すように CTP の単相膜が得られる条件は，高基板温度・高 Cd 分圧から低基
板温度・低 Cd 分圧に広がっていることがわかった．この条件は平衡論的に理解することができる．図２には Cd-Sn-P4 系化学ポテンシャル図のリン分圧が 10-2 atm の条件で Sn 分圧方向に投影した図を示している．化学ポテンシャル図は各成分の化学ポテンシャルを軸にとった平衡相図であり，各相の安定- 133 -

化学ポテンシャル範囲を示している．各成分の気相を軸にとる場合，それらの化学ポテンシャルと分圧とは一対一に対応するため，成分の分圧を軸にとることができる．図１，図２を比較すると，CTP の
安定領域の広がり方や三相共存領域の存在など，定性的には両者は矛盾がない．したがって，一般的には非平衡プロセスである MBE であっても，平衡論の観点から得られる相を議論できることがわかった．さらに図３に示すように，得られた膜の組織は従来のリン化法よりも平坦であり，キャリア濃度は1018 cm−3 程度と太陽電池の n 型半導体に適した物性であった。CTP においては，Sn が Cd サイトを置換するアンチサイト欠陥がドナーとして働くと考えられる。リン化法による CTP 膜のキャリア濃度は1015 cm−3 程度であったが，この場合，反応中の Cd 脱離を考慮して前駆体の組成を Cd 過剰に設定しており，Sn アンチサイト欠陥の生成に不利な状況にあったと推察される。一方，MBE では Sn, Cd とも常に供給されており，その分圧比を制御することで，適度なキャリア濃度を実現できたと考えられる。
そこでこの条件を用いて n-CTP/p-ZTP 接合を作製し，そのデバイス特性を評価した．本研究では，界面の平坦性を考慮して，溶液成長で得られた ZTP バルク結晶上に CTP を MBE 成長させた．その結果，光起電力が生じ，太陽電池として動作することを確認した．一方で，エネルギー変換効率としては従来のものよりも低かった．そこで n-CTP/p-ZTP 界面のみを評価するためフォトリフレクタンス (PR)測定を行った．その結果を図４に示す．図には n-CdS/p-ZTP に対する測定結果も併せて示している．いずれのセルにおいても ZTP のバンドギャップ値 1.64 eV よりも高エネルギー側に Franz-Keldysh 振動と呼ばれる反射率変化の振動が観察された。これを Aspnes らのモデル 6)を用いて解析することで界面電場を評価することができる．その結果，図５に示すように n-CTP/p-ZTP 界面については 130 kV/cmと比較的大きい値であった．したがって，今回作製したデバイスにおいては pn 接合部分以外に変換効率を低下させる要因があると推察される．さらに，従来の n-CdS/p-ZTP 接合の界面電場は 97 kV/cm で

400
360

Sn

320
280

CTP+SnCTP

240

CTP+Cd+Cd3P2
200
10

-4

-3

10

-2

Temperature / C

400
650
Sn

Cd

600
327
560
287

CTP

CTP+Cd+Cd3P2

540
520

247

Cd3P2

500
480

200
-12-7 -10 -5 -8 -3 -6 -1 -4 1
-23
10
10 10 10 10 10

10pressure of Cd, pCd / Pa

図１．DLTS スペクトル．

p(Cd(g)) / Pa
図２．化学ポテンシャル図．

図３．断面 SEM 像．

CTP/ZTP-1
E ~ 130 kV cm
0.03

3/2

/ eV

3/2

0.04

(4/3)(En-Eg)

Substrate temperature, TS / ºC

あったことから，n-CTP/p-ZTP 接合の方が電荷分離に有利であることが実証された．

0.02

CdS/ZTP-1
E ~ 97 kV cm

0.01

0

1

2

3

4

Index of extrema

図４．PR スペクトル．

図５．界面電場の評価．

- 134 -

４

ま と め
本研究では ZTP 光吸収材料に適した n 型材料として CTP に着目し，MBE による製膜条件の確立，および CTP/ZTP 接合の評価を行った．MBE を用いることで，モルフォロジー，電気的特性ともに従来のリン化法による CTP 膜に比べて大幅に改善できた．また，PR 法による界面電場の評価から CTP/ZTP
接合は従来の CdS/ZTP 接合に比べて大きな電場が生じていることがわかった．理論計算から予想される通り，CTP は ZTP の接合相手として有望であることを実証した．今後は，pn 接合界面以外の部分の最適化により，変換効率向上が期待できる．

参考文献
1)

T. Kuwano, et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 221 (2021), 110891. 2) I. Sumiyoshi et al., J. Appl. Phys., 133(2023), 235702. 3) S. Nakatsuka et al., ACS Appl. Energy Mater., 1 (2018), 1635. 4) Y. Hinuma et al., J. Appl.
Phys., 114 (2013), 043718. 5) S. Nakatsuka et al., Jpn. J. Appl. Phys., 58 (2019), 075508. 6) D. E. Aspnes et al.,Phys. Rev. B, 7 (1973), 4605.

- 135 -

反応焼結法により作製した誘電体セラミックスに関する研究
静岡大学工学部電子物質科学科

１

符 徳勝

はじめに
BaTiO3 や Pb(Zr,Ti)O3(PZT)などの誘電体セラミックスは、高い誘電率と優れた圧電性を有しています。そのため、積層セラミックスコンデンサ（MLCC）や圧電セラミックスとして、家電、医療機器、自動車などの様々な分野で広く利用されている。セラミックスは多結晶であるため、試料の微構造はセラミックスの誘電や圧電などの特性に大きな影響を与える。一方で、セラミックスの微構造は作製プロ
セスによって左右される。BaTiO3 や PZT セラミックスは一般的に固相反応法によって作製される。伝統的な固相反応法では、仮焼結段階で結晶相が形成された後に焼結が行われ、セラミックスが形成される。それに対して、反応焼結法では、結晶相が形成されながらセラミックスの焼結も進行するため、仮焼結段階を経由しない。伝統的な固相反応法に比べて、反応焼結法はよりシンプルなプロセスを持つ。
しかしながら、反応焼結法による誘電体セラミックスの作製やその特性に関する研究はまだ少ない。そのため、2023 年度では、0.95BaTiO3-0.05SrTiO3（BSTO）固溶体を研究対象とし、SPS を用いた反応焼結法でセラミックスの作製を行いました。

２

研究成果
N2 雰囲気、印加圧力 50 MPa、昇温速度 100 ℃/min、焼結温度 1200 ℃で焼結時間による結晶相形成

変化の結果は Fig.1 に示されている。焼結温度 1200 ℃に達する段階で、BaTiO3（BTO）と SrTiO3（STO）
間の固相反応は既に終了し、単相の BSTO セラミックスが形成された。得られた BSTO セラミックスは平衡状態の正方晶ではなく、擬立方晶のぺロブスカイト構造を示している。
Fig.2 は焼結時間による密度及び相対密度の変化を示している。焼結時間の増加に伴い、密度の加傾向が観測された。15 分の焼結で密度が最大となり、その後、密度が減少した。SPS を用いた反応焼結法で作製した BSTO セラミックスは極めて緻密であり、15 分で得られた試料の相対密度は 99%を超えた。

３

まとめ
SPS を用いた反応焼結法で BSTO セラミックスの作製を検討した。N2 雰囲気、印加圧力 50 MPa、

温速度 100℃/分と焼結温度 1200℃の条件で焼結時間による結晶相の形成を調べた結果、焼結温度に達する段階で、ＢＴＯとＳＴＯ間の固相反応は既に完了し、単相の BSTO セラミックスが形成されたことが判明した。また、この手法で作製した BSTO セラミックスは極めて緻密で、相対密度 99%を超えた試料が得られた。SPS を用いた反応焼結法がセラミックスの緻密化に有効であることが示された。

- 136 -

110

300,221
310
311

210

220

211

200

111

100

Intensity

30min

15min
10min
5min
0min

20

40

2 (Deg) 60

80

Fig. 1. Change of X-ray diffraction patterns of ceramics samples prepared from BaTiO3 andSrTiO3 powders at 1200 C by reaction sintering with SPS.

3

Density (g/cm )

99.5

5.92

99.0
5.88
98.5
5.84

5.80

98.0

0

5

10

15

20

Time (min)25

30

Fig. 2. Density and relative density of ceramics samples shown in Fig. 1.

- 137 -

97.5

Relative Density (%)

100.0

5.96

希土類酸水素化物の半導体物性に対する
ヒドリドイオン伝導性の影響
山梨大学 大学院総合研究部

１

福井 慧賀

はじめに
水素原子は最も小さな原子であるが，その陰イオンであるヒドリドイオン（H−）は 1s 軌道に収容された 2 つの電子間の大きなクーロン反発により，酸化物イオン（O2−）と同程度のイオン半径（約 1.2
Å）を持つ．そのため，酸化物の O2−を H−で置換，また反対に水素化物の H−を O2−で置換することで，種々の酸水素化物を得ることができる．この置換により電気伝導性やイオン伝導性，超伝導，フォト
クロミズムなど，もとになった酸化物や水素化物にはない物性を示すことが知られている．
希土類酸水素化物（REH3−2xOx）は蛍石型構造を有し，0 ≤ x ≤ 1 の広い組成範囲で固溶体を形成する．また，x < 0.25 の水素リッチ組成では室温で高い H−伝導度を示すことが判明している．イオン伝導性をもつ物質は外部の雰囲気や電圧の印加によってイオン密度が変化するため，電気的中性条件に従い電子・ホール密度もあわせて変化する．したがって REH3−2xOx の半導体物性は雰囲気および測定条件に依存すると考えられる．

２

研究目的
本研究は希土類酸水素化物の H−伝導性が半導体物性に与える影響を調査することで，イオン伝導性を有する半導体材料についての知見を深めるとともに，新たな活用法を検討することを目的とする．

３

研究成果
室温で 10−4 S cm−1 程度の H−伝導度を示す酸水素化ランタン（LaH2.6O0.2）を固相反応法により作製

し実験に用いた．酸水素化ランタンは他の多くの水素化物や酸水素化物と同様に大気中の酸素や水分で劣化するため大気に触れることなく測定を行う必要があり，適用可能な測定手法に制約がある．そこで，半導体物性の評価方法の中で比較的簡便に行うことができるゼーベック測定に的を絞り，外部の雰囲気を制御できる測定装置を構築した．
図 1 に雰囲気制御ゼーベック測定装置の概略図および実際の写真を示す．試料ベレットに対し水素透過性を有するパラジウムを可逆電極としてスパッタ法にて取り付け，銅製の集電板で挟んだ．その外側両面に熱電対を配置した．熱電対と集電板は互いに絶縁されている．小型のペルチェ素子を片面に設置することでペレットの面直方向に温度勾配をつけられる形式とした．なお，雰囲気制御のため
ベッセル内に組み込む都合上端子数に限りがあることから，上下の熱電対は片側を共通とすることで温度差のみを測定可能とし，集電板，熱電対およびペルチェ素子用の電源について片側を共通接地とした．
図 2 にアルゴンおよび水素雰囲気下での起電力測定の結果を示す．共通接地とした影響で熱電対の起電力がオフセットしたため試料両面の温度差を正確に求めることはできなかったが，温度変化に伴う熱起電力の発生が確認された．また，温度勾配と方向と電圧の極性からいずれの雰囲気においても- 138 -

キャリアタイプは n 型であることがわかり，前年度のゼーベック測定を再現する結果が得られた．
水素雰囲気で測定した場合，アルゴン中よりも起電力の温度依存性が大きい（傾きが大きい）ことが観察された．酸水素化ランタンにおけるドナーは水素欠陥であると考えられるため，水素中において水素欠陥が減少したことでキャリア密度が小さくなり，ゼーベック係数が増加したと考えられる．
４

ま と め
雰囲気制御可能なゼーベック測定装置を構築し，酸水素化ランタン（LaH2.6O0.2）の熱起電力測定を行った．水素中ではアルゴン中に比べ熱起電力が大きくなったことから，水素欠陥が減少しキャリア
密度が小さくなったと考えられる．ただし装置の構成上正確な温度測定が行えずゼーベック係数として定量的に評価することはできなかったため，今後装置の改良を行う計画である．また組成の異なる試料に関する測定や他の半導体物性評価手法についても実施する予定である．

- 139 -

2 元系アモルファス酸化物における非線形伝導現象発生時のイオン移動解析
北海道大学情報科学研究院

１

福地 厚

はじめに

アモルファス酸化物半導体は、主にその高い電子移動度や製膜の容易性等の観点から、高性能な半導体材料としてトランジスタ素子等の応用用途に向けて過去 20 年に渡り盛んな研究開発が行われてきた物質群である。一方で近年では一部のアモルファス酸化物において、材料に対して外部より電場を印加することで、その材料内には特異的かつ多様な非線形伝導現象が発現しうることが実験的に指摘されており、次世代コンピューティングへの応用に向けた機能性エレクトロニクス材料としても新たな用途が開拓されつつある。アモルファス TaOx(a-TaOx)におけるアナログ抵抗変化(メモリスタ動作)現象や、
アモルファス NbOx(a-NbOx)における負性微分抵抗現象・スナップバック現象などがその代表的な例である。これらの物質は 2 元系アモルファス金属酸化物という単純な組成を持ちながらも、一般的な半導体材料とは異なり、電場・電流の印加条件に応じてその電流–電圧(I–V)特性が多様に変化し得る事が報
告されており、それらの I–V 特性が持つ非線形性を利用することによって、ニューロモルフィックコン
ピューティングにおける人工シナプス素子・人工ニューロン素子等の新規スイッチング材料として、高度な素子機能を実現させることが期待されている。
一方でこれらのアモルファス酸化物が示す非線形伝導現象の発生メカニズムに関しては、物性物理学的な機構解析が現在までに十分に進んでおらず、その物理機構に関する理解の乏しさが、物質・デバイ
ス開発や機能開拓における重要な障害となっているのが現状である。過去の研究においては主に I–V 測
定からの類推や数値シミュレーションを基に、アモルファス酸化物内に生じるイオン移動が各種の非線形伝導現象の基礎原理となっていることが指摘されてきものの、具体的なイオン移動過程に関しては理論・実験の両面で明確化に至っておらず、現在、国内外においてそのイオン移動機構の実験的な解析が盛んに試みられている状況にある。
２

研究目的

本研究の目的は a-TaOx、a-NbOx をはじめとする各種のアモルファス酸化物半導体を用いて、アモル
ファス状態でありながらもその表面に原子平坦面を有する超平坦薄膜を作製し、その表面を用いてプローブ顕微鏡法による構造および伝導度分布の原子スケールでの直接的な観察を行うことで、非線形伝導現象の起源となるイオン移動の物理的な機構を明確化させ、さらにはイオン移動機構の詳細な理解を基に、アモルファス酸化物を用いた人工シナプス・人工ニューロン素子の設計・開発指針を確立することである。アモルファス酸化物膜においてその非線形伝導現象の起源となる、材料内の電場・熱分布に起因するイオン移動に関しては、最小で数 nm から数Åまでの極めて微小な空間的範囲において発生することが既往研究においては指摘されている。この発生範囲の微視性に加えて、その発生⺟体が非晶質物- 140 -

質であることからも、このイオン移動現象の詳細な機構解析は実験的にも計算的にも実施が困難であり、これらの実験的な特徴が同現象の物理的な理解を妨げる重大な原因となっている。一方でこの非線形伝導現象の起源とされる、原子スケールのイオン移動を観測するための実験方法としては、プローブ顕微鏡法が潜在的に特に有望な手法となると考えられる。プローブ顕微鏡法では高い空間分解能が簡便に得られることに加えて、導電性探針を用いることで観察箇所における非線形伝導現象のその場電気計測を実現できる可能性が有り、また測定法に応じて伝導度分布やキャリア密度分布も構造と同時にその場観察することが可能となる。一方で a-TaOx おけるアナログ抵抗変化現象や a-NbOx における負性微分抵
抗現象のプローブ顕微鏡法による電気計測は従来の報告においては実現されておらず、観測の実現に向けては新たな実験技術の開発・開拓が求められてきた。この点に関して半導体材料などを対象とする過去のプローブ顕微鏡法電気計測に関する研究では、探針/薄膜試料界面における構造的な乱雑性に起因する、接触界面での局所的な電流集中が安定な電気計測および構造観察を妨げる重大な要因となり得ることが指摘されていた。そのため本研究ではこれらの報告を基に、非線形伝導現象のプローブ顕微鏡計
測の実現ためにはアモルファス酸化物薄膜の表面の高度平坦化が有効となるとの予測を立て、パルスレーザー堆積(PLD)法による超平坦 a-TaOx 薄膜・a-NbOx 薄膜の作製と、導電性原子間力顕微鏡(C-AFM)
法によるその I–V 特性の電気計測、およびその際のイオン移動過程の構造観察を行った。
３

研究成果
本研究においては前年度までの実験を通じて、Nb:SrTiO3 (001)ステップアンドテラス基板上への、原子平坦表面を持つ超平坦 a-TaOx 薄膜と a-NbOx 薄膜の作製が達成されていた。今年度にはそれぞれの超平坦薄膜に対して、C-AFM による電気計測と構造観察をより広範なデバイス機能・計測条件を対象として行ったほか、抵抗変化前後における各アモルファス膜の詳細な構造・組成分析や、さらには aTaOx 膜において観察されたイオン移動機構を原子構造としてモデル化するための、分子動力学法による計算機実験などを実施した。a-TaOx (5.7 nm)/Nb:SrTiO3(001)超平坦薄膜に対し、C-AFM による
直流 I–V 測定によって膜内に直径 30 nmの均一な伝導経路を形成した後に、その伝導経路に対して電圧強度が+2.5 V と−1.7 V、保持時間が 1.0 ms のパルス電圧を連続的に印加することで観測された、アナログ型(連続型)の抵抗変化特性が図 1(a)である。この測定条件下では+2.5 V の印加時に連続的な高抵抗化、−1.7 V の印加時に連続的な低抵抗化がそれぞれ a-TaOx を用いた応用デバイスと同等の電流範囲(~10−4 A)において発生しており、
C-AFM による人工シナプスの素子機能の再現が実現されている。こ図 1. a-TaOx(5.7 nm)/Nb:SrTiO3 (001)薄膜においてパルス
電圧の連続印加により測定された(a) アナログ型の抵抗変化現象、及びその(b) 抵抗変化後の表面 C-AFM 像(上段: 形状像、下段: 電流像、走査範囲は 200 nm × 200nm である)と (c) イ オ ン 移 動 過 程 の 模 式 図 。 a-TaOx(5.7nm)/Nb:SrTiO3 (001)薄膜においてパルス電圧の連続印加により測定された(d) 非アナログ型(確率型)の抵抗変化現象、及びその(e)抵抗変化後の表面 C-AFM 像(上段: 形状像、
下段: 電流像、走査範囲は 200 nm × 200nm である)と(f)イオン移動過程の模式図。

- 141 -

の抵抗変化過程の間に、同一の探針を用いて観察された、aTaOx 膜の形状像と電流分布像が図 1(b)である。各像が示す通り、このアナログ型抵抗変化の発生途中においては、初回の高抵抗化過程を除いて a-TaOx 膜内には構造・伝導度分布の明確な変化は発生しないことが明らかとなった。この結果は、a-TaOx におけるアナログ型の抵抗変化は、膜内部における Ta イオンのドリフト移動は伴わずに進行する現象
であることを強く示唆しており、その起源は電極(探針)界面において高い連続性を持って進行する、電気化学的な酸化還元反応(図 1(c))である可能性が高いと考えられる。
一方で直流 I–V 測定による伝導経路の形成後に、正電圧を印加することなく、電圧強度が−3.0 V のパルス電圧を aTaOx 膜に対して連続的に印加した場合には、上記のアナロ
グ型とは異なる、確率型(非連続型)の抵抗変化現象が発現する事が本研究では明らかとなった。図 1(d)の電気抵抗変化が示す通り、この条件においては電圧印加ごとに a-TaOx 膜の抵抗は非系統的に変化し、その一方で約 2 桁の巨大な抵抗変化が特定のパルス電圧の印加時に確率的に生じることが観測された。さらにこの確率型の抵抗変化現象の測定過図 2. (a) 非アナログ型(確率型)の抵抗変化現象後の a-TaOx(5.7 nm)/Nb:SrTiO3(001)薄膜に対する(上段、中段) 走査型
電子顕微鏡像と(下段) AFM 形状像。スケールバーは 300 nm である。(b) (a)中段
画像内の各箇所において測定した、aTaOx(5.7 nm)/Nb:SrTiO3 (001)薄膜のオージェ電子分光スペクトル。

程では、アナログ型現象の発生時とは異なり、a-TaOx 膜内には数 nm 高さの凝集構造の発生が電圧印加とともに進行することが、膜の C-AFM 観察によって示された(図 1(e), 実線楕円部分)。この負電圧パルスの印加時においては、正電圧パルスの印加時とは逆に、a-TaOx 内の伝導経路には還元反応が繰り返して誘起されることから(図 1(f))、本測定で観測された不連続的な抵抗変化と凝集構造の形成は、aTaOx の還元を基にする現象であると予期される。膜内にこの確率的抵抗変化現象が生じた後の a-TaOx膜に対し、オージェ電子分光によるスペクトル分析を行った結果が図 2 である。この分析を基に決定された凝集構造部分の a-TaOx の組成式は TaO1.80 であり、このことから図 1(d,e)の確率的抵抗変化過程において観察された a-TaOx の構造的凝集の起源は、初期組成 TaO2.46 を持つ a-TaOx 膜内において還元反応を基に発生した、準安定相である a-TaO2 のドメイン析出であると考えられる。これらの結果は、アナログ型の抵抗変化をもたらす正電圧パルスの印加時には a-TaOx 内には異相析出は一切発生しないのに対し、負電圧パルスの印加時には準安定相 a-TaO2 の析出とともに抵抗変化機能の確率過程化が発現する事を明確に実証したものであり、従来考慮される事の少なかったアモルファス相転移現象がアモル
ファス酸化物の抵抗変化機能および非線形伝導現象には重要な役割を果たすことを強く示唆する。
４

ま と め
原子平坦表面を持つ超平坦 a-TaOx 薄膜を作製し、探針/試料界面に理想的に均一な電気的・構造的接触を形成した条件下での C-AFM 計測を行うことで、応用デバイスと同様のアナログ型抵抗変化現象をC-AFM より直接的に電気計測することが可能となった。C-AFM による構造・伝導度分布の観察結果からは、a-TaOx が示す抵抗変化現象の連続性には、準安定 a-TaO2 相との間のアモルファス相転移が重要な役割を持つことが示されており、今後の応用デバイス開発における重要な知見を得ること成功した。

- 142 -

合金触媒の活性－電子状態相関に関する研究：
PdAu 合金による酢酸ビニルモノマー合成の例
大阪大学大学院工学研究科 古川

１

森也

はじめに

酢酸ビニルモノマー(VAM)は塗料，接着剤，繊維，表面コーティング剤等の製造に使用される，石油化
学工業における重要な化学中間体であり，その需要は年々増加している．
商業的には KOAc/Pd–Au/SiO2(Pd/Au = 4)を用いたエチレンのアセトキシル化(HOAc + C2H4 + 1/2O2 → VAM + H2O)により主に製造されている．本反応では Pd に(1) Au を添加することで活性・選択性が向上すること，(2) KOAc を添加することで活性・選択性が更に向上することが知られている．このプロセスは数十年に渡り商業的に使用されており，Au および KOAc の機能についてこれまで様々な議論がなされてきたが，これらを詳細に解明した報告は未だない．この背景には，高い相純度で均一に分布した Pd–Au 合金ナノ粒子の調製が困難であるという Pd–Au 系の技術的な課題がある．不均一な Pd–Au 合金ナノ粒子の使用は本プロセスの理解を複雑化するため，従来の検討では，実触媒とは異なる合金組成・表面構造を有するにも関わらず，Pd/Au(111)や Pd/Au(100)をモデル表面に用いた研究が進められてきた 1-2)．しかしながら，これらのモデルで得られた活性化エネルギー(80–160 kJ mol−1)はナノ粒子触媒で得られた見かけの活性化エネルギー(17–56 kJ mol−1)を再現しておらず，モデルの選択が不正確であることを示唆している．ゆえに実触媒に基づく実験的・理論的アプローチにより Au および KOAc の役割を解明することが重要となる．

２

研究目的

これに対し本研究では，合金組成および粒子径分布が均一な一連の SiO2 担持 Pd1−xAux 合金ナノ粒子(x = 0，0.1，0.2，0.3，0.5，0.75)を調製し，これらを用いてエチレンのアセトキシル化を行った．反応前後の構造解析から反応中に Pd–Au 合金のサイズ・組成は変化せず，一方で炭素原子が Pd–Au 合
金の格子間隙に自発的に取り込まれ，カーバイドを形成することを初めて明らかにした．さらにこの知見に基づき速度論および DFT 計算による詳細な検討を行った結果，Pd に対する Au と KOAc の役
割を解明することに成功した 3) ．本講演ではその詳細について報告する．

３

研究成果

一連の Pd1−xAux/SiO2 に関して，
元素マップから Pd と Au が粒子全体に均一に分布していること，XRD，EXAFS 解析から目的の Pd–Au 固溶体合金構造が均一に形成されていることが確認された．
また XAFS，
CO 吸着 FT-IR から Au の導入に伴う Pd の電子密度の低下と Pd–Pd アンサンブルの減少が確認された．エチレンのアセトキシル化(160°C)を行った結果，ほとんどの触媒で短い誘導期 (~65 min)が確認された．95 min における TOF，選択性は Pd–Au の Au 分率に対して火山型プロットを示した (Pd0.8Au0.2
で頂点)．さらに KOAc の添加により，すべての Au 比率において反応速度が著しく向上した．反応後- 143 -

の XRD において全ての触媒で低角度側に新しい回折線が観測された．特に Pd では PdC0.13 に相当す
る回折線が確認され，Pd 格子内への炭素原子の取り込みが示唆された．XANES スペクトルではカー
バイド形成に由来する変化が，EXAFS 解析からは合金のサイズ・組成が保持されたまま結合距離が増大することが確認された．
同様の結果は 300°C でエチレン処理した触媒(Pd–Au–C)でも観測され，VAM
合成中にエチレン由来の炭素原子が Pd–Au 合金に取り込まれることを初めて明らにした．
KOAc の添加により C%は劇的に増加し，さらには触媒性能との間に明確な正の相関が確認された．見
かけの活性化エネルギー(Eapp)は Au の導入により減少し，KOAc 添加によりさらに減少した．特に C%と Eapp には相関関係が確認され，C%の増加に伴う活性の向上が明らかとなった．速度論的検討からは
HOAc と O2 に対する反応次数はゼロに近い値が得られた一方で，エチレンに対する反応次数は Au と格子間炭素により負から正へと変化し，活性・選択性の向上の傾向と良く一致した． 一方，対照実験として C2H4 処理により予め炭素を導入した Pd0.8Au0.2C 触媒に対し KOAc を添加せずに反応を行った
ところ，未処理の KOAc 未添加触媒と同等の低い活性を示し，また反応後の C%も低下していた．以上のことから，KOAc は金属相への炭素の導入を促進するとともに，それを保護する役割を果たしていると考えられる．
最後に DFT 計算から，律速段階であるアセテート種とエチレンのカップリングが，Au の効果（電子的効果＋幾何学的効果）と格子間炭素の効果（電子的効果）の相乗により劇的に促進されることが明らかとなった．また，この効果により副反応（エチレン燃焼による CO2 の副生）も抑制され，選択性も向上することが判明した．以上，Au と格子間炭素の導入により，活性・選択性が劇的に向上することが分かり，本反応における Au と KOAc の真の役割を解明することに成功した．

４

ま と め

本研究では，精密に合成した Pd–Au 合金を活用することでエチレンのアセトキシル化に有効な
KOAc/Pd–Au/SiO2 触媒が持つ Au と KOAc の役割を解明することに成功した．
(1) エチレンのアセトキシル化の反応中において Pd–Au 合金の粒子径や組成は変化せず，一方で C2H4由来の炭素原子が合金の格子間隙に取り込まれカーバイドが形成される．
(2) KOAc は Pd–Au 合金への炭素ドープを促進するとともに，ドープされた格子間炭素を保持する役割も果たす．
(3) Au の効果（電子的効果＋幾何学効果）と 格子間炭素の効果（電子的効果）の相乗により律速段階
である OAc と C2H4 のカップリングの障壁が低下し活性が向上する．
(4) Au と格子間炭素の効果により C2H4 の分解が抑制され，選択性も向上する．

論文情報Interstitial Carbon Dopant in Palladium–Gold Alloy Boosting the Catalytic Performance in Vinyl
Acetate Monomer Synthesis
Y. Nakaya, E. Hayashida, R. Shi, K. Shimizu, S. Furukawa*,
J. Am. Chem. Soc., 2023, 145, 2985-2998.

- 144 -

室温マルチフェロイック薄膜における電場印可磁化反転機構の解明に関する研究
九州大学大学院総合理工学研究院

１

北條 元

はじめに
BiFeO3 は菱面体晶系のペロブスカイト型酸化物で、室温で強誘電性と反強磁性が共存するマルチフェロイック物質である。これまでに Fe サイトを一部 Co で置換した BiFe0.9Co0.1O3 において弱強磁性が発現すること、そしてその磁化の向きが電気分極の方向により制御できることが確認できている。
BiFe0.9Co0.1O3 は BiFeO3 と同じ菱面体晶構造をもち、電気分極の方向は擬立方表記で<111>を向いている。Fe(Co)–O6 八面体は電気分極の方向に交互に逆位相で回転しており、その結果としてジャロシンス
キー・守谷相互作用により電気分極の垂直方向に弱強磁性の磁化が発現する。すなわち、電気分極の反転に伴って磁化の向きを反転させるためには、Fe(Co)–O6 八面体の回転パターンも変化する必要がある。
一方、母物質である BiFeO3 において、電場を印加した際の電気分極の反転は 180°の一段階ではなく、
71° +109° の二段階で起こることが理論計算により提案されている。しかしながら、このことが実験的に証明されたことはない。
一方、BiFeO3 は G 型の反強磁性秩序にサイクロイド変調が重畳した磁気構造をもつためマクロな自発磁化を持たない。しかし、SrTiO3(111)面上の BiFeO3 薄膜はバルクと同じ菱面体晶構造を持つにも関わらず、室温で 0.01 μB/Fe 程度の飽和磁化をもった超常磁性的な挙動を示す[1]。薄膜中には貫通転位が多数存在することが確認できており、BiFeO3 薄膜の磁気構造が格子歪みに敏感で弱強磁性状態が安定化されやすいことを考慮すると[2]、転位周りの歪みにより局所的に弱強磁性クラスターが安定化されている可能性がある。
２

研究目的
本研究では母物質である BiFeO3 に着目し、電気分極の反転前後における Fe–O6 八面体の酸素カラムの位置を原子分解能の走査透過電子顕微鏡(STEM)を用いて直接観察することで、電気分極反転に伴う
Fe–O6 八面体回転パターンの変化の有無を調べ、電場印加磁化反転機構を解明することを一つ目の目的とした。また、BiFeO3 薄膜中の転位構造解析と転位周りの歪み場の解析を行い、超常磁性状態が安定化される機構を解明することを二つ目の目的とした。
３

研究成果
本研究は昨年度からの継続課題として実施した。昨年度は集束イオンビーム(FIB)を用いて断面 TEM

試料を作製し STEM 観察を行ったが、分極が反転した領域を見つけることはできなかった。FIB を用いた試料加工時に電子線や Ga イオンなどの荷電粒子を書き込み領域に照射するために、分極の向きが戻ってしまっていることが考えられる。そこで今年度は Pt 上部電極を用いて分極反転を行い、その領域をくさび研磨法により薄片化することを試みた。しかしながら SrTiO3 基板は<11-2>方向からの応力に対して非常に脆く、目的の薄さになる前に亀裂が入り、試料が破損してしまうことがわかった。

- 145 -

続いて BiFeO3 薄膜中の転位構造解析の結果について述べる。<1-10>pc(a)と<11-2>pc の面内二方向からコントラスト実験を行った。<1-10>pc 方向からの観察では<111>pc、<11-2>pc どちらの方位を励起しても転位のコントラストに大きな変化は見られなかったが、<11-2>p 方向からの観察では<111>pc 方向に励起した際に一部転位のコントラストが消失した。従って、BiFeO3 薄膜中の転位は<1-10>pc 方向に垂直な成分を含む b を持つ(b)

可能性が示唆された。また、<111>pc 方向に励起した場合は転位のコントラストは消失しないため、b は<111>pc 方向の成分も含んでいると考えられる。試料の奥行き方向の厚さを 20 nm と仮定すると貫通転位の密度は 6×1010cm-2 程度と見積もられた。
プランビュー観察により得られた転位周辺の環状明視野(ADF)像を

図 1 <111>方向からの(a)ADF 像と(b)b を表す
模式図

図 1(a)に示す。貫通転位の b の刃状成分は<11-2>pc であることが明らかとなった。しかし、<11-2>pc は図 1(b)に示すように BiFeO3 の基本並進ベクトルではないため、貫通転位は<11-2>pc に加えて<111>pc のらせん成分を持つ混合転位であることが期待できる。このことはコントラスト実験から予想される結果とも一致している。
続いて転位周辺の格子歪みの程度を見積もるためにピーク対解析法を用いて転位周りの歪み場の解析を行った。磁気構造が変化するために必要な±2%程度の格子歪み[2]が転位周り 10 nm2 程度に存在することが確認できた。しかし、貫通転位の密度を考慮すると、±2%程度の歪みが存在する領域は薄膜全体の体積の 1%弱程度であることが明らかとなった。
以上の結果をもとに、磁性の起源について議論する。転位とその周辺領域が磁化に寄与すると仮定
すると、薄膜全体で飽和磁化が 0.01 μB/Fe に達するためには、これらの領域が平均して 1 μB/Fe 程度の磁化を持つ必要がある。この磁化の値は、通常の傾角コリニア構造では説明できないことから、転位コ
アおよびその周辺で巨大な磁化が発現している可能性が示唆された。その原因の一つとしては転位コ
アおよびその周辺で弱強磁性状態におけるスピン傾角が増加している可能性が挙げられる。一方、BiFeO3 と同じ G 型の反強磁性体である NiO 薄膜において、転位コアで Ni が選択的に欠損することで局所的に強磁性状態になる[3]と報告されている。BiFeO3 薄膜でも Fe の副格子が最近接の Bi や O と共に周期的に欠損することで転位コアにおいて強磁性状態が安定化されている可能性も考えられる。バ
ルクの BiFeO3 では{111}面ごとに Fe が反強磁性の副格子を形成していることから、選択的に{111}面
が抜けることによっても強磁性状態は安定化され得ると考えられる。
４

ま と め
本研究では SrTiO3(111)基板上の BiFeO3 薄膜中の貫通転位の構造・電子状態と転位周りの歪み場を調べ、同薄膜における超常磁性的な磁気特性の起源について検討した。薄膜内の貫通転位は刃状成分<112>pc とらせん成分<111>pc をもった混合転位であることがわかった。転位コアとその周辺領域が磁化に寄与すると仮定すると、それらの領域に通常の傾角コリニア構造では説明できない大きな磁化が発現している可能性が示唆された。
参考文献[1] H. Hojo et al., Adv. Mater. 2017, 29, 163131. [2] D. Sando et al., Nature Mater. 2013, 12, 641. [3] I. Sugiyama
et al., Nat. Nanotech. 2013, 8, 266.

- 146 -

熱放出型ドラッグデリバリーシステム用フェライト粒子の合成と評価
島根大学 学術研究院 環境システム科学系 物質化学コース 牧之瀬 佑旗
共同研究対応教員 ：松下 伸広, 協力者 :佐野 藍子, 久保田 雄太, 中川 泰宏, 生駒 俊之
１

はじめに

がん治療の分野で研究されているドラッグデリバリーシステム(DDS)は薬物療法の一種であり、薬剤を患部にピンポイントに送り届けることで、通常の服薬に比べて少量で作用し、副作用を抑えることが可能となる重要な治療法です。DDS では患部に薬物を届ける必要があり、その中でも磁力により誘導する方法は磁性ナノ粒子を用いたナノテクノロジー応用材料として盛んに研究されています。DDS は、
薬剤、それを運び保護する担体により構成されます。磁力誘導の DDS においては、磁性ナノ粒子が複合化された粒子が用いられます。磁性ナノ粒子だけではサイズが小さすぎること、表面への薬剤担持・保護が困難なことから、一般的に粒子はゲルやリポソーム、シリカによりコーティングされます。この中でシリカは他の手法に比べて熱に対する耐性が高いという特徴があります。
２

研究目的

磁性ナノ粒子は薬剤を送達するだけでなく、交流磁場において発熱するという特性があります。これを応用して粒子を発熱させて薬剤を放出させること(熱放出)が可能ならば、より効果的に薬剤を運ぶことができます。しかしながら、DDS 応用に関する粒子の発熱特性についてはあまり調査されていません。
そこで本研究では、水熱合成したフェライトナノ粒子をシリカでコートした複合体を作製し、その発熱特性や水分散媒中での分散の様子、磁気特性を評価しました。
３

研究成果

13 nm を最頻値とするフェライト(Fe3O4)ナノ粒子は、量論比の FeCl2, FeCl3、オレイン酸塩、アンモニ
ア水を原材料としたオレイン酸修飾水熱合成法により作製されました。シリカコートは、得られたナノ粒子を CTAB および NaOH 水溶液に混合し、TEOS を加え、ろ過、洗浄、加熱処理することで行いました。透過型電子顕微鏡画像により、フェライトナノ粒子を中心とした包括シリカコート層が確認され、目的とする複合粒子が形成できていることを確認しました。磁気特性をヒステリシスループにより評価
し、飽和磁化が被覆焼成処理前 60 [emu/g]から処理後 22 [emu/g]となり、シリカ成分の増加によって重さ当たりの磁化の減少が認められました。保持力は 118 [Oe]から 87[Oe]へ軟磁性化しました。シリカコートした複合体は水分散媒への分散性を示し、磁石に追従する傾向を示しました。水分散媒へ分散させたサンプルの発熱特性を評価し、被覆焼成処理後でも 60 分間の交流磁場加熱によって 50℃へ到達可能なことが示されました。
４

ま と め

熱放出型の DDS 用フェライトナノ粒子をオレイン酸修飾水熱合成法により作製し、シリカコートを行
い、磁気特性や発熱特性を評価しました。シリカコート複合体は 22 [emu/g]の飽和磁化を示し、水中に分散可能で、磁石に追従し、水中で 50℃まで発熱が可能であることが示されました。今後は薬剤の担持や放出について研究を行う予定です。

- 147 -

RC 造袖壁付き柱の降伏時変形に影響を及ぼす構造因子に関する研究豊橋技術科学大学

１

松井智哉

はじめに

鉄筋コンクリート造建物においては柱および梁の構造躯体に袖壁、腰壁、方立壁などの壁板 2 次壁が取り付く場合が多い。このような建物に対して弾塑性フレーム解析によって耐震性能の評価をする際には、2 次壁付き部材の断面形状が多様であること、さらにそれらの部材で構成される架構も様々となることから、モデル化において多くの工学的な判断が必要となる。しかしながら、汎用性のあるモデル化手法の確立には至っていないのが現状である。
２

研究目的

袖壁付き柱の復元力特性のモデル化手法については技術解説書 1)において菅野式を袖壁付き柱に拡張した評価法が示されているが精度のばらつきが大きいなど課題が見受けられる 2)。そのようなことから，
文献 3)，4)では袖壁付き柱の静的加力実験を実施し，復元力特性の評価を行うとともに既往の実験データを基に降伏時剛性低下率に及ぼす構造因子について検討を行っており，引張鉄筋比が大きくなると降伏時剛性低下率は小さくなることを報告している。そこで本研究では，壁筋比が異なる袖壁付き柱を対象に静的加力実験を実施し，耐力および変形挙動を把握する。さらに，既往の復元力特性モデルの適用性について検討を行う。
３

研究成果

3.1 実験の概要
表 1 に試験体概要，図 1 に試験体の寸法および配筋図を示す。試験体は壁縦横補強筋比が異なる曲げ破壊先行型

CW4ｆ

0
0
9

CW3ｆ

480
50 120 140
262.5 120
225 5093.7
0565103.1
5565121.965121.965121.965121.935121.965121.9
65165
5565
6565
65.6
5
103.1
121.9121.9
21.9121.9
121.916535
21.9
65.6
8
3
3
50
0.
4
75
28
5
1
47
3
3
5
8
壁縦筋：
壁縦筋：
0
5
D6@130ダブル
D6@130チドリ(SD295)(SD295)
2400
480
480
480
480
480
93.8 225

93.7

同住宅の外構面に配置された部材を想定しており，約表−1 試験体概要

壁

縦横筋

端部縦筋
軸力比 𝑁/𝑏𝐷𝜎
軸力(kN)
シアスパン(mm)シアスパン比

CW3f

CW4f

93.8

CW3ｆ
42 7 0b×D＝420×480

CW4ｆ- 148 -

端部縦筋：2-D10(SD295)
柱主筋：12-D19(SD345)
帯筋：3-D6@75(SD295)
2600
1700

1700
12-D19 (SD345) pt = 0.64%
3-D6@75 (SD295) pw = 0.32%
480(両側共通)
120
D6@130 チドリ
D6@130 ダブル(SD295)ps=0.41％(SD295)ps=0.81％
2-D10
0.1
639
665
1700
1.18

壁横筋：
D6@130チドリ(SD295)壁横筋：
D6@65ダブル(SD295)図 1 試験体寸法および配筋図（左：CW3f，右：CW4f）

10 1. 3
6 1. 9

281.3

159.3

61 9.

159.4

450

柱

試験体
柱断面(mm)
柱全長 (mm)
主筋
帯筋
長さ(mm)
厚さ tw(mm)

0
2
0
20
25
128
0
2

450

の袖壁付き柱の 2 体である。また，試験体は 5 階建て共

1/2 スケールである。試験体の柱断面は 420×480mm，柱内法高さは 1700mm，袖壁⻑さは 480mm，
壁厚は 120mm，反曲点高さを内法高さとし，シアスパン比 M/(Q・L)は 1.18 となる(L は部材の全せい＝1440mm)。実験変数である壁筋比は，試験体 CW3f は 0.41%，試験体 CW4f は 0.81%である。試験体は図−2 に示す載荷装置に設置し，静的漸増繰り返し水平載荷を行った。また，載荷装置に取り付けた 2 台の鉛直油圧ジャッキによって柱軸力比 N / (bDσB)を 0.1 として算出した一定軸力（CW3f：
639kN，CW4f：665kN）を試験体に作用させると同時にシアスパン比が 1.18 となるように作用せん断力に対応させて当該鉛直ジャッキにより試験体頂部に付加モーメントを作用させた。
図２に各試験体の水平荷重−変形角関係を示す。両試験体は袖壁脚部において最初の曲げひび割れが発
生し，袖壁のひび割れが進展した。柱に曲げひび割れが発生した。R=1/400rad.のサイクルで壁端部縦筋および壁縦筋の降伏が確認された。R=1/133rad.のサイクルで最大耐力に達し，柱主筋の降伏，袖壁
コンクリートの圧壊がみられた。
3.2 復元力特性の評価
静的荷重増分解析に用いる袖壁付柱の復元力特性の評価法として，次に示す 2 つのモデル化手法による復元力特性と実験値との比較を行い，適用性を検討する。1 つ目の評価法は，技術解説書 1)で示されている袖壁付き柱の評価法を用いる。2 つ目の評価法は，曲げ変形およびせん断変形に対する復元力特性
をどちらも非線形としてトリリニアでモデル化し，足し合わせたものを全体の復元力特性とする。降Shear force(kN)

400
200

600

CW3f

400

Qmax (+)=515kN
Qmax (-)=520kN

0最大耐力Qmax
計算耐力Qmu
柱主筋降伏端部縦筋降伏
壁縦筋降伏

-200
-400
-600
-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

Shear force(kN)

600

200

CW4f
Qmax (+)=602kN
Qmax (-)=601kN

0
最大耐力Qmax
計算耐力Qmu
柱主筋降伏端部縦筋降伏
壁縦筋降伏

-200
-400
-600

5

-4

-3

-2

Drift Angle (%rad.)

-1

0

1

2

3

4

5

Drift Angle (%rad.)

図 2 ⽔平荷重−変形角関係

実験

300
200
100

700

0.2

0.4

0.6

0.8

Drift Angle (%rad.)

評価法2

1.0

500

評価法1

300

降伏点の実験値
最大耐力Qmax
柱主筋降伏端部縦筋降伏
壁縦筋降伏

200
100
0
0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

Drift Angle (%rad.)

1.0

1.2

400

実験

300
200

0
0.0

1.2

実験

400

500

600

100

700

CW4ｆ（全体変形）

600

Shear force(kN)

降伏点の実験値
最大耐力Qmax
柱主筋降伏端部縦筋降伏壁縦筋降伏

700

CW3f（曲げ変形）
Shear force(kN)

評価法1

400

評価法2

600

Shear force(kN)

500

0
0.0

700

CW3f（全体変形）

評価法2

600

Shear force(kN)

Shear force(kN)

600

0.2

0.4

0.6

Drift Angle (%rad.)

0.8

1.0

評価法2

400
300
200

実験

実験

300
200
100

700

CW4f（せん断変形）

600
500
400

0.4

0.6

Drift Angle (%rad.)

図 3 復元力特性の比較

0.8

1.0

評価法2

300
200
100

0.2

0.3

Drift Angle (%rad.)400- 149 -

500

0
0.0

CW4f（曲げ変形）

評価法2

500

0
0.0

CW3f（せん断変形）

100

Shear force(kN)

700

0
0.0

実験
0.3

Drift Angle (%rad.)伏時の剛性低下率は，技術解説書 1)で示されている耐震壁を対象とした算定方法に準ずる。
図 3 に復元力特性の実験値と計算値の比較を示す。評価法 1 における降伏時剛性低下率は両試験体において計算値に対する実験値の比は CW3f では 2.22，CW4f では 1.96 であり，実験の剛性低下率を過小に評価することとなった。実験による降伏変形は計算値の 4〜5 割程度であり，実験の降伏時剛性低下
率を過小評価することに伴い実験の降伏変形を大きめに評価している。耐震壁のモデル化手法を準用した評価法 2 は降伏時変形の計算値は実験値と概ね一致しており，実験の全体変形を良好に評価できている。
図 4 に降伏時剛性低下率αy の実験値と計算値の比較を示す。図 4(a)は npt を横軸とし，図 4(b)は ps を横軸としてαy の実験値／計算値を示している。計算値に対する実験値の比の平均値は 1.46，変動係
数は 39%となる。また，全体的に過小評価となるが，特に npt が小さくなるほど過小評価の傾向がある。これは図 4(b)の ps との関係についても同様の傾向が確認された。ps とαy の実験値の関係および

ps と降伏時変形の実験値との関係を図 5 に示す。図には回帰直線を併せて示している。既往の実験を含めても，ps が大きくなると実験値のαy は小さくなり，これに対応して実験の降伏時変形は大きくなることが確認できた。
４

ま と め

壁筋比が異なる袖壁付き柱の加力実験を実施した。得られた知見を以下に示す。
・両試験体とも R＝1/133rad.のサイクルで袖壁コンクリートの圧壊により最大耐力に達し曲げ破壊に至った。・壁筋比が大きくなるほど最大耐力時の変形角は大きくなった。・菅野式を準用した手法では降伏時変形を過大評価し，耐力壁モデルを用いた手法では実験結果と概ね一致した。・評価法 1 における npt あるいは ps が小さく，降伏時剛性低下率を過小評価する傾向がある。・壁筋比が大きくなる
ほど，降伏時剛性低下率は小さく，降伏時変形は大きくなる傾向にある。

npt

2.5

CW2f ： 0.059
CW3f ： 0.070
CW4f ： 0.072

2.01.5
αy実験値/計算値

平均 ：1.46
0.5 標準偏差 ：0.56
変動係数 ：39%
0.0
0.04
0.06
0.08

曲げ破壊型
せん断破壊型
0.10

0.12

(b)

壁筋比ps

3.0
CW2f
CW3f

2.5

CW4f

2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0.0

npt

曲げ破壊型
せん断破壊型
0.4

0.8

ps(%)

1.2

0.35

(a)

壁筋比ps

0.30
CW3f

0.25
0.20

CW4f

CW2f

0.15
0.10
0.05

曲げ破壊型
せん断破壊型

0.00
0.0

0.4

0.8

ps(%)

1.2

0.6 (b)

降伏時変形 (%rad.) 実験値

3.0

1.0

3.5

npt

降伏時剛性低下率αy 実験値(a)

実験値αy／計算値αy

実験値αy／計算値αy

3.5

壁筋比ps

0.5

CW4f

0.4
0.3
0.2

CW2f

CW3f

0.1
0.0
0.0

曲げ破壊型
せん断破壊型
0.4

0.8

ps(%)

1.2

図 4 降伏時剛性低下率の実験値と計算値

図 5 壁筋比と降伏時剛性低下率及び変形

の比較

との比較

【参考文献】
1)国土交通省国土技術政策総合研究所：2015 年建築物の構造関係技術基準解説書，2015.6
2)建築研究所：実験データベースを用いた鉄筋コンクリート造 部材の構造特性評価式の検証，建築研究
資料 No.197，2020.3
3)松井智哉，佐々木菜月ほか：RC 造袖壁付き柱の構造実験と降伏時変形の評価に関する考察，コンク
リート工学会年次論文集，pp.337-342，2022.7
4)大勝圭輝，松井智哉ほか：破壊形式の異なる鉄筋コンクリート造袖壁付き柱の静的加力実験，コンク
リート工学会年次論文集，pp.349-354，2022.7- 150 -

耐震性・施工性・断熱性に優れた木質制振壁の開発
名城大学

１

松田和浩

はじめに
木材の NC 加工技術の普及により部材製造時の寸法精度が向上し、在来軸組工法住宅において真壁

形式のパネル工法を容易に実現できるようになった。真壁形式のパネル内に予め断熱材や制振材（ダンパー）を組み込んでおけば、現場での施工性は非常に高く、かつ、パネル内で断熱材の屋内側に制振材を組み込めば、温度依存性の影響を抑制し、ダンパー性能の安定性を高めることも可能と思われる。

２

研究目的
本研究では、釘配列の影響を上下左右の 4 点に縮約する手法 1)を応用することで、提案する壁の特性を評価する手法を提案するとともに、評価結果と実験の比較を行う。この手法の利点は単位面積当たりのダンパーの復元力特性が得られれば、ダンパーの配置を考慮してモデルを作成することができ、部材ごとにモデル化するような詳細な手法と比べて、モデル作成の手間や解析時間の点で優れている。

３

研究成果

３．１ 制振壁の動的面内せん断実験の概要と結果
図 1 に試験体形状を示す。図 1(a)に記載する点 U, D, L, R はそれぞれ各フレームの中心点であり、縮約点である。図 1 より、試験体は芯々寸法で高さ 2730mm、幅 910mm とし、ダンパーとして 5mm 厚の防振材（以降、制振材）を枠材と接合し全周に配置した。ここで枠材とは面材に生じる力を軸組流すための部材である。拘束材を設けることで面材の面外方向への挙動を拘束した。また、枠材釘の剛性を制振材の剛性より十分大きくすることで制振材の変形を大きくし、制振材の影響が大きく出るよう設定した。なお、拘束材と面材の間にはナフロンシートを挟み、摩擦が生じないように配慮した。
910

910

拘束材釘 屋外側
拘束材

梁

梁

間柱釘
ﾅﾌﾛﾝｼｰﾄ(2㎜厚)ﾊﾟｰﾃｨｸﾙﾎﾞｰﾄﾞ
制振材
枠材
屋内側
枠材釘

拘束材釘
枠材釘
間柱
間柱釘

(c) 断面
柱

柱
面材

L

L
梁

Ｌ

柱

拘束材
Ｒ
制振材

Ｒ

Ｕ

ＤＵ

枠材

制振材
:w
の横幅
:制振材

Ｄ

土台

(a)立面（屋内側）

土台

L

ＤＬ

(b)立面（屋外側）
図 1 真壁パネル制振壁試験体- 151 -

Ｕ

柱

H

Ｌ

H

2,730

Ｕ

柱

L

ＤＲ

(d) 制振材の配置

間柱

試験方法は面内せん断試験の柱脚固定式である（図 2）。試験体には柱頭・柱脚の仕口部分が先行破
壊しないように引き寄せ金物を取り付ける。引き寄せ金物のボルト軸力はセンターホール型ロードセ
ルで計測し、試験開始前のボルト軸力は 3kN で管理する。加力中に試験体の面外倒れを防ぐために梁の２か所にパンタグラフを設けている。載荷は正負交番の繰り返し加力とし、せん断変形角が概ね目
標変形角に達してから各 3 サイクル行った。目標変形角は 1/600, 1/450, 1/300, 1/200, 1/150, 1/100, 1/75,
1/50, 1/30rad であり、振動数は 2.06, 2.06, 2.06, 1.70, 1.27, 0.85, 0.63, 0.42, 0.25Hz である。
図 3 に試験体の荷重―層間変形関係と θ= 1/100, 1/75, 1/50 rad.時の減衰定数を示す。θ= 1/200rad.で微小なスリップ性状を確認した。θ= 1/100rad.程度で試験体と制振材が一部分剥離し剛性が低下している。
さらに θ= 1/75rad.程度で試験体と制振材が大部分剥離し剛性や減衰定数が低下している。その後、θ=1/30rad.では制振材の剥離以外に目立った損傷は確認できなかった。
20

柱脚固定式
32.3%

1/75

29.3%

引き寄せ金物

1/50

25.2%

0
-100

試験体

0

ｱﾝｶｰﾎﾞﾙﾄ
ｽﾄｯﾊﾟｰ-20

図 2 壁実験セットアップ

θ=1/75rad.

ｱｸﾁｭｴｰﾀ
100kN
ﾛｰﾄﾞｾﾙ

1/100

ﾊﾟﾝﾀｸﾞﾗﾌ

θ=1/100rad.

変形角 減衰定数 荷重 (kN)100

変形 (mm)

図 3 荷重―層間変形関係

３．２ 制振壁の解析の概要と結果
図 4 に真壁パネル制振壁の力学モデル、図 5(a)に図 1(d)の縮約点 U における力学モデル、(b)は文献
2)で提案された縮約点 U における力学モデルを示す。真壁パネル制振壁の力学モデルは図 4 のようにダンパーと枠材釘の直列バネによる抵抗力と面材の圧縮筋交効果の並列結合による力学モデルと考える。また、図 5(a) は同図(b)を参考にして作成した。4 点縮約法を応用した場合の縮約点 U における制振材の縮約時倍率 NDU は式(1)のように定義する。

N DU  

H DU 0w
2

LDL  LDR  w 2
y dy
2

H
2
U

2w

H DU 

HU

H DU

y 2 dy  
2

w

2
w

(1)

枠材釘

ﾀﾞﾝﾊﾟｰ 枠材釘

面材釘

枠材釘

上(せん断)
ﾀﾞﾝﾊﾟｰ せん断ﾊﾞﾈ

上(せん断)
せん断ﾊﾞﾈ せん断ﾊﾞﾈ

右(引張)
引張ﾊﾞﾈ

右(引張)
せん断ﾊﾞﾈ

引張ﾊﾞﾈ

左(圧縮)
圧縮ﾊﾞﾈ

面材の
圧縮筋交効果せん断ﾊﾞﾈ(a) 本研究の場合

図 4 制振壁の力学モデル

左(圧縮)
圧縮ﾊﾞﾈ

(b) 文献 2)の場合

図 5 点Ｕにおける力学モデル- 152 -

図 6 に今回の実験で得られた実験値と解析結果に文献 2) に示されている枠材釘を１本も打っていない試験体 N の荷重変形関係の包絡線（圧縮筋交効果）を加えた荷重―層間変形関係の包絡線（以降、解析値という）の比較と実験値と解析値の変形 4.55, 18, 27mm 時の剛性について示す。今回の実験において包絡線や剛性から変形 18mm 程度までは解析値が実験値と非常に良い対応を示している。変形
18mm 以後は試験体と制振材の剥離が生じたため、解析値より実験値の荷重や剛性が大きく低下して
いる。

18mm

4.55mm

荷重 (kN)27mm

変形 [㎜]

20

実験値 [kN/㎜] 解析値 [kN/㎜]

4.55

0.59

18

0.41

0.45

27

0.25

0.40

試験体N
解析値
実験値

0.55

変形 (mm)00100

図 6 荷重―層間変形関係（包絡線）の比較

４

ま と め
本論文では、真壁パネル制振壁の動的面内せん断実験を実施し、制振壁の力学的挙動を把握した。また 4 点縮約法を応用してダンパーの効果を縮約する手法を用いた場合の力学モデルに基づいて得られた壁の荷重変形関係の包絡線は、試験体と制振材が一体化している範囲においての実験値の包絡線と一致することを確認した。制振材の接合方法の改良と大変形時の制振壁の力学的挙動の評価について
は今後の課題である。

参考文献
1)

松田和浩, 笠井和彦, 坂田弘安：フレームモデルによる木質制振架講の地震応答解析, 日本建築学会構造系論文
集, 第 76 巻, 第 661 号, pp.609-618, 2011.3

2)

松田和浩, 増田顕, 原智隆：真壁パネル耐力壁の釘要素に着目したバネモデル作成手法, 日本建築学会技術報告集, 第 29 巻, 第 73 号, pp.1308-1313, 2023.10- 153 -

ジラジカルのスピン挙動に着目した開殻分子エレクトロニクス
京都大学大学院工学研究科

１

松田 建児

はじめに
一般の閉殻電子構造をもつ分子は基底一重項状態の電子配置をとり、三重項状態の寄与はほとんどない。光励起によって生成する励起一重項状態は、エネルギー的に近い励起三重項状態と熱平衡にある場合もあるが、短時間で基底状態に失活する。ここで、弱い交換相互作用を持つジラジカル分子では、一重項状態と三重項状態が室温で共存でき、ボルツマン分布に従い占有数が変化する。同一の骨格をもつ分子の一重項状態と三重項状態での物性の違いはスピンに由来する磁性の観点では様々な検討がなされてきたが、それ以外の物性の違いについては積極的な検討がなされてこなかった。
２

研究目的
２つのスピンの三重項状態と一重項状態がエネルギー的に近く、分子集団では温度変化によりボルツマン分布に従い占有数が変化するようなジラジカル分子を合成し、分子エレクトロニクスの手法を用い１つの分子のコンダクタンスを個別に観測することを目的とする。分子集団では統計的な平均でしか観測できない三重項状態と一重項状態の分子物性を、時間によってデジタルに変化する物性として計測することができると考えられる。開殻系分子が関与するユニークな電子物性を見出し、新たな分子エレクトロニクス機能を実現することを目的とする。
３

研究成果
三重項状態と一重項状態のエネルギーが室温で共存可能なほど近く、紫外可視域の光吸収挙動が三重項状態と一重項状態で大きく異なるジラジカル分子の合成に成功した。トリプチセン骨格をもつこの分子は室温で 650 nm の近赤外領域に吸収帯を持つが、温度を下げるとこの吸収帯の強度が増加し、強度変化は磁化率測定によって求められた一重項状態の占有率で説明できたことから一重項状態に特有の吸収であることが示唆された。
４

まとめ
相互作用が小さい場合は、三重項状態と一重項状態の物性に違いが出ないことが推測され、大きい

場合は、三重項状態と一重項状態の占有数が大きく偏ることが推測されるが、今回合成したジラジカ
ル分子は、物性の違いと占有数の共存を両立できると予想され、有望である。この分子について、真島研究室で単分子コンダクタンスの測定を行う予定である。測定結果と分子軌道の理論的解析を合わせて、開殻分子の単分子コンダクタンス挙動を理解したい。

- 154 -

ペロブスカイト型酸化物の合成反応メカニズムと特性調査
北海道大学 三浦章

１

はじめに複雑な相の形成において、近年中間相や液相の形成が調査されている。たとえば、Fe、Si、S からの
Fe2SiS4 は、FeS2 の形成を経て形成され、FeS2 の分解に伴う S 液体が形成されると反応速度が向上する。Y2O3 、BaO2 、CuO から高温銅酸化物超伝導体である YBa2Cu3O7-x への反応経路を in-situ
XRD/TEM で調べた。YBa2Cu3O7-x の合成では、熱力学的に駆動される BaO2 と CuO との間の熱力学的反応と、それに続く Y2O3 と Ba-Cu-O 液体との高速反応によることが、その場 XRD-TEM 解析によって明らかになった。これらの結果は液相生成が固相反応に重大な影響を与えることを示唆している。
２

研究目的

そこで、CaO、CuO、TiO2 からのダブルペロブスカイト CaCu3Ti4O12 の生成をモデルとして、合成反応を XRD と SEM で調査した。
３

研究成果

CaTiO3、CuO および TiO2 からの反応を、空気および真空下でその場 XRD によって測定しました。
温度が上昇すると、TiO2 と CuO の相分率はおよそ減少し始めます。 700℃で。 CaCu3Ti4O12 は 750℃
以上で出現し、その相比は増加とともに増加した 温度。 800℃以上では、CuO の還元により少量の
Cu2O が現れました。その場 SEM 解析の結果、750℃以上で急激な形態変化が観察された。液相生成の可能性も含めて、現在調査中である。

４

ま と め
本研究では、ダブルペロブスカイト構造を持つ CaCu3Ti4O12 の生成挙動を調査した。XRD から三元系化合物は観測されておらず、反応メカニズムのさらなる調査が必要である。

- 155 -

有機-無機ハイブリッドペロブスカイト薄膜の微視的構造と光
電子物性
新潟大学

１

三浦 智明

はじめに

有機-無機ハイブリッド薄膜はペロブスカイト太陽電池材料としてすでに実用化されているが、現行の材料である MAPbI3(MA+ : CH3NH3＋ )ペロブスカイトは熱的に分解しやすいことから、素子の耐久性や作製時の歩留などに問題がある。-FAPbI3(FA+ : CH(NH2)2+)は MAPbI3 と比較して熱分解耐性が高く、光学バンドギャップも約 1.5 V と太陽電池材料により適していることから、次世代のペロブスカ
イト太陽電池材料として注目を集めている。しかし、-FAPbI3 は熱力学的には準安定相であり、室温で光や空気中の水分をきっかけとして安定相である-FAPbI3(バンドギャップ約 2.4 V)に相転位してしまうことが問題となっている。相の安定性を高めるために様々なアニオン置換が試みられているが、表面の I−をチオシアン酸イオン(SCN−)に部分的に置換することによる安定化が報告されている。SCN−をはじめとしたアニオン置換による結晶構造の変化および薄膜状態での粒界構造変化が光電子物性に与える影響を詳細に解明することにより、FAPbI3 を用いた太陽電池の高性能化に関する知見が得られる
ことが強く期待される。
２

研究目的
SCN−置換 FAPbI3 ペロブスカイトの微視的構造と光電子物性の関係を明らかにすることを本共同研究の目的とした。まず、バルク結晶構造と相転位機構に対する SCN−置換効果に関して、X 線回折を主な研究ツールとした詳細な検討を行った。また、薄膜状態における光電流、分光測定に向けて SCN−置換
FAPbI3 ペロブスカイト薄膜の成膜条件検討を行った。
３

研究成果

-FAPbI3 は 1.5 V のバンドギャップを有する⿊⾊の⽴⽅晶結晶である(図１a)。SCN−添加条件で固相合成を行ったところ、373 K 程度の比較的低い温度で新規有機-無機ハイブリッド化合物の合成に成功した(図 1b)。得られた赤⾊単結晶は 1.9 eV 程度のバンドギャップを有し、乾燥空気中、室温で安定であることが分かった。X 線結晶解析の結果、赤⾊結晶は正⽅晶であり、格子欠陥が一次元的に規則正
しく配列した興味深い構造を示すことが明らかとなった【1】。赤⾊結晶は単位格子の 1/5 が一次元格子欠陥に置換された組成であったが、さらに、SCN−の添加量を増加させることにより、1/3 が一次元格
子欠陥に置換された⻩⾊結晶(バンドギャップ 2.2 eV)が得られた(図 1c)。

- 156 -

a)

欠陥なし

b)

1/5 欠陥c)

1/3 欠陥図 1. SCN−置換による FAPbI3 ペロブスカイトの構造変化

この 1/3 格子欠陥の組成に近い組成で溶液法を用いた薄膜作製を試みた。良溶媒-貧溶媒法を用いてITO 電極付きガラス基板上にスピンコートにより溶液を塗布し、100 ℃のアニーリングを行ったとこ
ろ、微⻩⾊薄膜が得られた(図 2 左)。紫外光照射により顕著な発光を示すことから、その光電子物性に興味がもたれる(図 2 右)。

図 2. SCN−置換 FAPbI3 ペロブスカイト薄膜(左)および紫外光
照射下における発光(右)今後は本薄膜を用いた時間分解分光測定を行う。また、くし形金電極付きガラス基板上に成膜し、過渡光電流測定を行うことで光生成電荷キャリアの動力学を解明する。これを従来の FAPbI3 薄膜と比較することにより、SCN−置換により生じた一次元格子欠陥が光電変換機能に与える影響を明らかにする予
定である。
４

ま と め

FAPb I3 の SCN−アニオン置換により、一次元格子欠陥を有する新規ペロブスカイト結晶および薄膜の作製に成功した。今後は薄膜状態での時間分解分光・光電流測定により、一次元格子欠陥が光電子物性に与える影響を明らかにする。これにより光電変換能および素子の安定性向上へ向けた指針が得られることが期待される。
参考文献 【1】 T. Ohmi, I. W. H. Oswald, J. R. Neilson, N. Roth, S. Nishioka, K. Maeda, K. Fujii,

M. Yashima, M. Azuma, T. Yamamoto, J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 19759.

- 157 -

高効率有機分子変換に有効な両性金属酸化物担持金触媒の開発
東京都立大学都市環境科学研究科

１

三浦大樹

はじめに

粒子径が数 nm 以下に制御された金ナノ粒子は他の金属ナノ粒子にはないユニークな触媒特性を示すことが知られている。我々は担持金ナノ粒子触媒が、金ナノ粒子のルイス酸性や酸化還元能と担体の表面に存在する酸塩基点が協働することで、種々の触媒的な有機分子変換反応が効率的に進行することを明らかにしている。

２

研究目的

金ナノ粒子と担体である金属酸化物の双方の触媒特性を協働させることで、効率的な有機分子変換の実現が期待できる。両性金属酸化物はルイス酸性と塩基性の双方を有するユニークな材料であるため、それらを金ナノ粒子触媒の担体として活用することにより担持金触媒の有機合成用触媒としての有用性がさらに高まると考えられる。本研究では、両性金属酸化物担持金ナノ粒子触媒を開発することにより、種々の高効率有機分子変換を実現することを主な目的とする。

３

研究成果

種々の金属酸化物担持 Au 触媒を用いて、酢酸アルキルエステルとジシランの反応を検討した結果、両性酸化物である ZrO2 や Al2O3 を担体にした場合に、エステルに含まれる極めて安定な C(sp3)–O 結合がC(sp3)–Si 結合へと効率的に変換され、対応する有機ケイ素化合物が合成できることを見出した。一方、表面にほとんど塩基点を持たない SiO2 や TiO2 などに Au ナノ粒子を担持した触媒を用いた場合には反応がほとんど進行しなかった。反応機構解析により、ジシランを Au ナノ粒子が 1 電子酸化することで反応性の高いシリルラジカルが発生し、それが安定な C(sp3)–O 結合のホモリシスによるアルキルラジカ
ル生成に寄与することがわかった。ここで、塩基点がジシランを活性化することで、ジシランから Au ナ
ノ粒子への１電子移動が効率的に起こること、また酸点がエステルを活性化することでシリルラジカルの求核付加が効率的に進行することが分かった。さらに、本触媒系にジボロンを添加することで、エステルの C(sp3)–O 結合が C(sp3)–B 結合へと変換され、有機ホウ素化合物が合成できることも明らかにし
た。

４

ま と め

本研究では、Au ナノ粒子の酸化還元特性と、両性金属酸化物の酸塩基性質が高度に協働することで、従来にない効率的な分子変換が可能になることを明らかにした。
参考文献

1) Miura, H.; Doi, M.; Yasui, Y.; Masaki, Y.; Nishio, H.; Shishido, T. J. Am. Chem. Soc. 2023, 145. 4613–
4625.
2) Doi, M.; Miura, H.; Shishido, T. Org. Lett. 2024, DOI:10.1021/acs.orglett.4c00225.

- 158 -

トポロジカル量子デバイスの作製と評価

産業技術総合研究所

１

三澤 哲郎

はじめに
トポロジカル物質においては新奇準粒子状態が実現すると考えられており、接合構造を用いた新奇準粒子の検出・操作が試みられている。ジョセフソン接合は一般に超伝導体デバイスの基本構造とされており、トポロジカル超伝導体研究を用いたジョセフソン接合の作製が求められている。現状ではトポロジカル物質を用いた高品質ジョセフソン接合の作製手法は限られており、それらを組み合わせた複雑な構造を持つ素子の作製も難しい。本研究ではヘリウムイオン顕微鏡を用い集束ヘリウムイオン
ビームを試料物質へ照射することにより、試料物質に局所的な物性変化を誘起し、それを障壁層とする手法の利用を検討する。
２

研究目的
このアプローチの実証として高温超伝導体 YBa2Cu3O7（YBCO）薄膜に対しヘリウムイオン顕微鏡技術を適用することによりジョセフソン接合を作製することを試みた。
３

研究成果
厚さ 25 nm の YBCO 薄膜をフォトリソグラフィとアルゴンミ
リングを利用しパターニング
し、四端子測定用バー型素子とした（図１）。YBCO 薄膜は物性劣化を避けるため、再表面に保護膜として Au が in-situ 積層

図１使用した YBCO 薄膜の断面構造（左）と、リソグラフィ

により作製したブリッジ型素子構造の形状（右）。

されたものを用いた。ブリッジ部については Au 保護層を Ar イオンミリングにより除去した。ヘリウムイオン顕微鏡による集束ヘリ
ウムイオンビーム（He-FIB）照射を行い測定試料を準備した。冷凍機を用い低温における測定を行ったところ照射量の増大に応じ系統的に抵抗増加が見られたことから、He-FIB 照射による局所物性変化が生じたことが確認された。またマイクロ波の照射下においてはシャピロステップが観察されたことから、特定の条件下におけるジョセフソン接合が形成されることが確かめられた。また電流電圧特性
はジョセフソン接合の理論モデルである resistively and capacitively shunted junction モデル（RCSJ モデル）によりよく記述できた。

- 159 -

４

ま と め
ヘリウムイオン顕微鏡技術を用いたジョセフソン接合について、YBCO を用いた実証を行った。今後さらに素子作製と評価を行い、本技術を高度化していくことが必要である。そのためには電子顕微鏡技術、第一原理計算、ビームシミュレーション技術などを活用し原子レベルから現象理解を深めることが必要と思われる。トポロジカル物質に対し本手法を適用し、新奇準粒子状態の探索と解明を進めていくことを目指す（図２）。

トポロジカル
物質単結晶

ナノ厚薄片

He-FIB照射

図２ トポロジカル物質を用いたジョセフソン接合作製の概念図- 160 -

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- 161 -

透過型電子顕微鏡を用いた蓄電固体材料の微細構造解析
大阪公立大学

１

森 茂生

はじめに

蓄電固体材料で構成される固体電解質-固体電解質および電極-固体電解質等のヘテロ/ホモ界
面では、特異なイオン輸送、蓄積特性がしばしば観測される。これらの現象は蓄電固体界面近傍でのナノスケールで生じる物理化学状態（イオン濃度・価数、化学ポテンシャル、電位、結晶/非晶質構造、歪）などの変調・分布に起因すると考えられている。本研究では、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いてホロコーン照射による暗視野法（ホロコーン暗視野法）と電子回折を用いた PDF 法を用いて、ガラスセ
ラミックス系蓄電固体材料で構成される全固体電池のヘテロ/ホモ界面近傍でのナノスケールで生じる結晶/非晶質状態（結晶構造、結晶対称性、サイズ、形状や密度(結晶化度)）および局所歪を定量的に評価・解析し、充放電サイクル特性等の電池特性を支配する物理化学因子（特に構造的因子）を明らかにすることを目的とする。
２

研究目的
今日，高容量、充放電のサイクル寿命が長い 1)という理由から電気自動車などの電源として広く普及しているのがリチウムイオン電池(LIB)である。しかし、LIB を構成する液体電解質に可燃性の有機電解液が用いられているため，安全性に問題がある．そこで，電解質を難燃性の無機固体電解質に置き換えた全固体 LIB の実用化が望まれている．
しかし，全固体 LIB では固体電解質の質量密度が大きいため，電池全体のエネルギー密度が低くなるという欠点や，充放電に伴う体積変化をおこし、界面形成に問題があるという欠点がある．これらの問題を解決する手掛かりとして，結晶性の固体電解質をアモルファス化することで多くの Li 格納
サイトが存在すること，Li が拡散しやすい経路が形成されること、体積変化を吸収可能なこと 2)3)4)，
Li2SO4 を添加することで高いイオン伝導度がえられること 5)，熱処理により高容量が得られること 6)ことが知られている．
そ こ で 本 研 究 で は 熱 処 理 を 行 っ た 60LiNiO2-20Li2MnO3-20Li2SO4(LNMSO622) に 着 目 し た ．
LNMSO622 はカチオンが無秩序に配列した立方晶岩塩型構造を結晶相に有し，300℃で熱処理を行うと初期放電容量が 186 mAhg-1 (熱処理温度 300℃) となることが知られているが、そのメカニズムについては理解されていない．本研究では透過型電子顕微鏡(TEM)をもちいて、LNMSO622 の熱処理による微細組織の変化を調べ、微細組織と充放電特性との相関について検討を行った．

３

研究成果

3-1 試料作製方法
LiNiO2 ,Li2MnO3 ,Li2SO4 ,を 60 mol%, 20 mol%, 20 mol%の配合比率で乳鉢混合した後，メカノケミカ
ル法を用いて試料合成を行った. 熱処理については 300 ℃及び，600 ℃でそれぞれ１時間熱処理を行- 162 -

った．

3-2 構造評価方法
透過型電子顕微鏡(JEM-2100 plus, 加速電圧 200 kV)を用いて、電子回折法、高分解能 TEM 法およびホロコーン暗視野法により微細構造観察を行った．また、大気曝露を避けるため，一軸傾斜真空ホルダーを使用した．結晶相の同定には電子回折図形解析ソフト ProcessDiffraction7)を用いて構造解析を行った.

3-3 実験結果と考察
Fig. 1 に熱処理温度による構造変化を調べるため電子回折図形，および，そこから得られた散乱強度プロファイルにおいて横軸を散乱角度 2θ に変換した図を示す．また、電子回折図形からは多結晶の存在を示すデバイ ・シェラーリングが見られた (Fig. 1(a), (b), (c))．また，LNMSO622-600 において
2θ=19°においてカチオンの秩序配列を示唆するブロードなピークがみられ，2θ=22°で Li2SO4 に帰属されるピークが出現していた(Fig. 1(d))．
Fig. 2a, 2b, 2d に LNMSO622-milled，LNMSO622-300，LNMSO622-600 の高分解能 TEM 像を示す．
LNMSO622-milled においてアモルファス母相中に約 10 nm の立方晶岩塩型構造に由来するナノ結晶が分散していることがわかる (Fig. 2a). ここで、高速フーリエ変換パターンを得ることにより、立方晶岩
塩型構造、六方晶型構造および Li2SO4 による結晶構造男同定を行った. また，LNMSO622-300 においてはアモルファス母相中に約 10 nm の立方晶岩塩型構造とともに六方晶型構造，Li2SO4 に由来するナノ結晶，が存在している (Fig. 2b)．さらに、LNMSO622-600 においてはアモルファス母相中に約 10 nmの立方晶岩塩型構造とともにより多くの六方晶型構造，Li2SO4 に由来するナノ結晶が存在していることがわかった (Fig. 2d)．
以上により，LNMSO622 はアモルファス母相中に直径約 10 nm ナノ結晶が分散した微細構造をもち，熱処理温度が上昇するとともにアモルファス領域が減少して結晶領域が増大することが明らかとなった，ここで結晶相が立方晶岩塩型構造から、六方晶構造に変わり、Li2SO4 のナノ結晶の析出が生じることが分かった．六方晶構造は立方晶岩塩型構造に比べ，Li イオンの拡散経路の数が少なく 8)，熱処理による六方晶構造のナノ結晶の増加が Li イオンの拡散を妨げ、電池性能に悪影響を与えていると考えら
れる．

４

ま と め

試料の熱処理温度が上昇するとともにナノ結晶が粗大化し、有する結晶相が立方晶岩塩型構造が優勢な状態から六方晶構造が優勢な状態へ遷移していることが分かった．粗大化した六方晶構造のナノ結晶が増加が Li イオンの拡散を困難にすることで電池性能が劣化していることが考えられる．

- 163 -

Fig.1 (a) Electron diffraction patterns of LNMSO-milled, (b) 300, (c) 600,
and (d) the corresponding intensity profile.

Fig.2, 高分解能 TEM 像と高速フーリエ変換パターン
a. LNMSO622-milled sample, b. LNMSO622-300 and c. LNMSO622-600

参考文献
1) J.M. Tarascon, M. Armand, Nature 414 (2001) 359-367.
2) Idota, T. Kubota, A. Matsufuji, Y. Maekawa, T. Miyasaka, Tin-based amorphous oxide: a high-capacity
lithium-ion-storage material, Science 276 (1997) 1395–1397.
3) J.H. Ku, J.H. Ryu, S.H. Kim, O.H. Han, S.M. Oh, structural defects in amorphous molybdenum dioxide
electrode, Adv. Funct. Mater. 22 (2012) 3658–3664.
4) H. Ye, L. Wang, S. Deng, X. Zeng, K. Nie, P.N. Duchesne, B. Wang, S. Liu, J. Zhou, F. Zhao, N. Han, P.
Zhang, J. Zhong, X. Sun, Y. Li, Y. Li, J. Lu, Amorphous MoS3 infiltrated with carbon nanotubes as anadvanced anode material of sodium-ion batteries with large gravimetric, areal, and volumetric capacities,
Adv. Energy Mater. 7 (2017), 1601602.
5) K. Nagao et al., MRS Advances, 3 (2018) 1319T.
6) Hakari et al., J. Power Sources, 562 (2023) 232739.
7) Lábár, J. L., Ultramicroscopy, 103 (2005) 237-249.
8) Alexander Urban, Jinhyuk Lee, Gerbrand Ceder, Adv. Energy Mater. 4 (2014) 1400478- 164 -

ペロブスカイト結晶成長制御を目指した自己成長技術のための基礎研究
愛知工業大学

１

森

⻯雄

はじめに
ペロブスカイト太陽電池はフレキシブル化ができるなど従来のシリコンを初めとする無機系太陽電池とは異なる使用方法が実現できるため、次世代太陽電池として世界各所で開発競争が進んでいる。
ペロブスカイト太陽電池は成膜過程の影響が強く素子性能に反映されることが知られており、種々の結晶成⻑向上⼿法が知られている。ペロブスカイト膜の作製には、1 ステップ法と 2 ステップ法が知られている。例えばハロゲン化鉛ペロブスカイト CH3NH3PbI3 では、ヨウ化鉛膜を先に形成してヨウ化メ
チルアミン溶液に浸漬して、ペロブスカイト化するのが 2 ステップ法であり、ヨウ化鉛とヨウ化メチ
ルアミン(MAI)の混合溶液からペロブスカイト化するのか 1 ステップ法である。本研究では 1 ステップ
法による結晶過程の改善を目指す。
２

研究目的

当初はポリスチレンナノ粒子を分散させ、その凝集力を利用したいと考えていたが、水分散ナノ粒子しかなく、ペロブスカイト前駆溶液に水を添加することは問題があるので、断念した。ペロブスカイトは
基本的に塩であり、水分に対して弱い。そこでポリスチレンを適量混合して、その凝集性を利用することを試みた。ポリスチレン領域とペロブスカイト領域とは屈折率が異なり、その繰り返し反射による光学吸収の増加も期待した。
３

研究成果
1 ステップに用いる溶媒(ジメチルホルムアミド(DMF)、1 メチル 2 ピロリドン(MPY))にはポリスチ

レンを溶かすことはできたが、事前にヨウ化鉛、MAI を調整した 1 ステップ用の溶液には溶かすことができなかった。そこで調整方法を工夫して、ポリスチレンが添加された 1 ステップ溶液を調整して、スピンコート法によりペロブスカイト膜を作製した。

図 2 作製したペロブスカイト膜の SEM 像
図 1 作製したペロブスカイト膜の XRD- 165 -

図1はポリスチレンの添加有無で作製したペロブスカイト膜のX線回折である。上側はポリスチレンを
1 mol%添加した試料、下側は未添加試料である。試料膜厚はほぼ同程度であるが、CH3NH3PbI3の結晶ピーク強度が60%弱であり、結晶性が悪くなっていることを示唆している。ただし、ポリスチレン添
加量に比べてピーク強度の減少が大きいので非晶性もしくは微小なCH3NH3PbI3が形成されている可能性がある。図2は作製したペロブスカイト膜のSEM像である。このSEM像は真島研究室所有の電界放出形走査電子顕微鏡（日立ハイテクFE-SEM Regulus 8230 ）によって撮られた。左側の未添加ペロブ
スカイト膜はほぼ均等なコントラストを保っており、結晶サイズもばらつきがあるものの比較的大きめである。一方、右側のポリスチレン添加ペロブスカイト膜では、白っぽく見える結晶が少なくない。
これは電子線によるチャージアップである。未添加試料では、照射された電子線はペロブスカイトの良好な導電性により、設置側から流失していると考えられる。チャージアップは粒子間に絶縁性であるポリエチレン領域が形成されていると考えられる。このことはCH3NH3PbI3結晶粒界にポリスチレン
相が自発的に形成できていることを示唆する。ただし、我々は膜厚方向に平行に相分離を期待していたが、キャリア取出方向である膜厚方向に対して水平な領域を形成し、キャリア輸送を妨げていると考えられる。しかしながら、過去の報告では故意にペロブスカイト層と正孔輸送層界面にポリスチレン層を形成しても、キャリア抽出は妨げず効率を改善したという報告もある。今後検討を進めたい。
４

ま と め
ポリスチレンを添加したペロブスカイト膜の作製を実現できた。しかしながら、当初期待した膜厚方向に対する自己組織化以外に、粒界におけるポリスチレン領域形成が確認された。そのため、光キャリ
ア取出が阻害されることが分かった。ただし、これらのことは先行類似研究と矛盾しているので、添加量などを調整して検討を進めたい。
本研究の成果については、6 月の応用物理学会有機分子・バイオエレクトロニクス分科会主催の国際会
議 M&BE11 などに報告する予定である。

- 166 -

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- 168 -

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[2] Satoru Nakatsuji et al., Nature 527, 212 (2015).
[3] Jason Alicea, Rep. Prog. Phys. 75, 076501 (2012).
[4] R. Yano et al., J. Phys. Soc. Jpn. 89, 034702 (2020).
[5] R. Yano et al., Nature Communications, 14, 6817 (2023).

- 169 -



イオンビーム誘起欠陥を有する物質表面のレーザー分光計測
量子科学技術研究開発機構 高崎量子応用研究所

１

八巻 徹也

はじめに
研究代表者らはこれまでに、Ar+ビーム照射グラッシーカーボン（GC）基板上に作製した Pt ナノ微粒子に対して、①GC 担体との界面相互作用の増大と②酸素還元反応（ORR）触媒活性の向上を見いだ
している[1]。①、②の実験事実は相互に関係していると考えられるが、その詳細を理解するに至っていない。そこで、レーザー分光計測に基づく超高速キャリア・フォノンダイナミクスの視点で炭素担体へのイオンビーム照射・欠陥導入効果について調べることにより、欠陥構造を含む炭素担体と Pt ナノ
微粒子との界面における構造・相互作用がどのようなメカニズムで ORR 触媒活性向上に至るのかを明らかにする。

２

研究目的
本研究は、イオンビーム誘起欠陥を有する炭素担体を利用した高活性 Pt ナノ微粒子触媒の創製に資するため、レーザー分光計測によって物質表面へのイオンビーム照射効果の解明を目指すものである。

３

研究成果
フェムト秒レーザー（パルス幅 10 fs 以下で中心波長が 800 nm 近傍）を用いたポンプ・プローブ型

過渡反射率計測[2]により、イオンビーム照射した高配向性熱分解グラファイト（Highly oriented pyrolytic
graphite: HOPG）のフォノンダイナミクスを調べた。結晶性の高い HOPG 基板に対して、380 keV Ar+を1.0×1012～1.0×1014 ions/cm2 の間でフルエンスを変えて照射し、計測試料とした。イオンビーム照射には、量子科学技術研究開発機構高崎量子応用研究所イオン照射研究施設（TIARA）のイオン注入装置を利用した。
図１に示す通り、フルエンスによらず、振動周期が約 750 fs の振動（振動数 1.35 THz）が観測された[3]。これはグラファイトの面間 C-C 振動モード（E2g1）のフォノンに対応する。図２（a）に示す通り、
面間 C-C 振動モードの周波数を評価したところ、未照射からフルエンス 5×1013 ions/cm2 までは周波数に大きな変化は見られなかったが、フルエンス 1×1014 ions/cm2 では周波数が赤方遷移することが分かった。また、振動周期が約 21 fs（振動数 47.4 THz）のグラファイト面内 C-C 振動モード（E2g2）の照射による変化も調べたところ、図２（b）に示す通り、フルエンス 1×1014 ions/cm2 で周波数が青方遷移することが分かった。

４

ま と め
380 keV Ar+照射した HOPG（フルエンス：1.0×1012～1.0×1014 ions/cm2）のフェムト秒時間分解過渡

反射率計測を行い、グラファイト面間及び面内 C-C 振動モード（それぞれ 1.35 及び 47.4 THz）のコヒ
ーレントフォノン振動を計測することができた。1.0×1014 ions/cm2 では、グラファイト面間 C-C 振動モ- 170 -

ードの周波数は赤方遷移し、面内 C-C 振動モードの周波数は青方遷移することがわかった。この結果は、グラファイト面間と面内にそれぞれ引張応力と圧縮応力がかかっていることを示していることから、HOPG へのイオンビーム照射は欠陥形成だけでなくグラファイト面間及び面間の構造に歪みももたらしていることが確認された。

図１各フルエンスに対するグラファイト面間 C-C 振動モードの過渡反射率変化

図２（a）照射フルエンスに対するグラファイト面間 C-C 振動モードの周波数変化（b）照射フルエンスに対するグラファイト面内 C-C 振動モードの周波数変化

参考文献[1] 例えば、T. Kimata et al., “Activity enhancement of platinum oxygen-reduction electrocatalysts using ionbeam induced defects”, Phys. Rev. Mater. 6, 035801 (2022) 、 T. Kimata, K. Nakamura, and T. Yamaki,“Electrocatalysts developed from ion-implanted carbon materials” in “High energy chemistry and processing inliquid”, eds. T. Yatsuhashi et al., pp. 311-330 (Springer Nature Singapore Pte Ltd. 2022).
[2] K. G. Nakamura et al., “Spectrally resolved detection in transient-reflectivity measurements of coherent
phonons in diamond”, Phys. Rev. B 94, 024303 (2016).
[3] T. Kimata et al., “380-keV Ar+-irradiation effects on optical phonons in graphite studied with transientreflection measurement” J. Appl. Phys. 134, 135306 (2023).

- 171 -

長時間・長周期特性を有する模擬地震動を対象とした免震部材の繰り返し特性変化に関する研究
DYNAMIC CONTROL DESIGN OFFICE 山下一級建築士事務所

１

山下 忠道

はじめに

鉛プラグ挿入型積層ゴム支承(以下、「LRB」)は、長周期・長時間地震動による大振幅・多数回の繰り返し変形を受けると、鉛プラグの温度上昇により、LRB の切片荷重特性値 Qd が変化し、免震建物の応答に影響を与える。免震部材の繰り返し特性変化を考慮する方法として、簡略法や精算法が提案されているものの、時刻歴応答解析を行わなければ、特性変化するか否かを判断することができない 1）。

２

研究目的

本研究では、鉛プラグ挿入型積層ゴム支承を設けた免震建物を対象に、長時間・長周期地震動により生じる特性変化を、応答解析を行わずに判断できる指標を提案することを目的として、南海トラフ沿い
地震の場合における、繰り返し特性変化に影響を及ぼす長周期地震動特性について検討を行う。

３

研究成果検討に用いた入力地震動は、地震調査研究推進本部で作成された 1946 年昭和南海地震の模擬地震動 36

波(18 地点・2 方向)2)ならびに対象地域毎に公表されている南海トラフ沿いの巨大地震を想定した長周期地震動 10 波(以下、「基整促波」)3)の計 46 波を用いた。図 1 に各地震動の地点を示す。

表 1 長周期地震動の検証用スペクトルレベル
巨大地震による長周期地震動
標準波・告示波

図 1 入力地震動の対象地点

全体的特定の周期帯

80≦Sv≦120cm/s

80≦Sv≦120cm/s

120≦Sv≦180cm/s

120≦VE≦180cm/s

180≦VE≦270cm/s

270≦VE≦400cm/s

図 2 に各入力地震動における擬似速度応答スペクトル(h=5%、h=20%)、エネルギースペクトル(h=10%)を示す。また、免震層の歪が 10%、100%、200%、250%時の等価剛性における等価固有周期と表 1 に示すエネルギースペクトルレベル 4)を合わせて記載している。
図 2 の速度応答スペクトルより、昭和南海地震では、東大阪市役所 NS が特定の周期帯で 120cm/s を超えている。また、全体的に、固有周期約 2 秒以降の領域において、大阪舞洲や徳島空港では 80cm/s程度となっている。免震層の歪 200%の等価減衰定数である h=20%の擬似速度応答スペクトル(図 3)で- 172 -

は、40cm/s を境に、傾向が異なることがわかった。図 4 のエネルギースペクトルは、前述した 3 地点
において全体的に 180cm/s を超えていることがわかる。
検討対象は、図 5 に示す 5 階建ての基礎免震建物である。表 1 に示す諸元の等価せん断型線形モデルを採用しており、上部構造の固有周期を表 3 に示す。剛性は 1 次固有周期を 1.5 秒とした逆三角形 1 次モードに比例した分布とし、内部粘性減衰は 1 次モードの減衰定数を 1%とした剛性比例型減衰を採用する。免震層は基礎位置とし、鉛プラグ挿入型積層ゴム支承(LRB)と弾性すべり支承(ST)で構成し、配置と諸元を図 6 と表 4 に示す。また、表 5 に免震層の歪に対応した、Biggs による等価減衰定数を示す。

表 2 上部構造諸元
6.0 m
6.0 m
6.0 m
6.0 m
6.0 m

図 5 解析モデル

表 3 固有周期

階

重量
(kN)

初期剛性
(kN/cm)

次数

固有
周期(s)

5

116519.4

10430.8

1

1.500

4

116519.4

18775.5

2

0.612

3

116519.425034.0

3

0.387

2

116519.4

29206.4

4

0.283

1

116519.4

31292.5

5

0.224

免震層

174779.1―- 173 -

表 5 等価減衰定数(特性変化無し)
免震層
等価
歪
減衰定数

表 4 免震部材の概要
記号

ゴム厚 外径[鉛径]
(mm)
(mm)

種別

1000 [220]

LRB

250

.

𝑘

.

0.340

せん断弾性率
0.385MPa
1200 [260]

100%

0.297

200%

0.219

ST 摩擦係数
0.007

250%

0.194

0.001214𝐷

0.05698 𝐷

1100 [240]40

図 6 免震部材の配置
切片荷重：𝑄 ′

10%

1000

𝑘𝑄 5)
0.06

1.25

𝑒𝑥𝑝

,

𝐸′⁄𝑉 ：代表累積吸収エネルギー(Nmm),𝑟 ,シングルプラグ：𝑟

1

354

354

𝐷

r：鉛プラグ径から求められるエネルギー低減比率

0

0

特性変化率

0.2

KA1

100

SZ1
SZ2
SZ3

0.4

CH1
CH2
CH3

0.6

200

OS1
OS2
OS3

300

大分県庁NS
大分県庁EW
別府港NS
別府港EW
宮崎県庁NS
宮崎県庁EW

0.8

徳島空港NS
徳島空港EW
徳島県庁NS
徳島県庁EW
高知県庁NS
高知県庁EW
室⼾岬NS
室⼾岬EW

400

愛知県庁NS
愛知県庁EW
三重県庁NS
三重県庁EW1

和歌山県庁NS
和歌山県庁EW
潮岬NS
潮岬EW
兵庫県庁NS
兵庫県庁EW
京都府庁NS京都府庁EW
滋賀県庁NS
滋賀県庁EW
奈良県庁NS
奈良県庁EW500

大阪府庁NS
大阪府庁EW
東大阪市役所NS
東大阪市役所EW
大阪舞洲NS
大阪舞洲EW

E/Vp(MPa)

E：累積吸収エネルギー(Nmm)，VP：鉛プラグの体積(mm³)，DP：鉛プラグ径(mm)鉛プラグ単位体積当たりの累積吸収エネルギー
切片荷重の低下率k

図 7 各入力地震動における累積吸収エネルギーと特性変化率
図 7 に免震層の累積吸収エネルギーと LRB の繰り返し特性変化を示す。東大阪市役所の吸収エネル
ギーと特性変化が最も大きく、大阪舞洲、徳島空港がそれに続いて大きい結果となった。また、基整促
波では、OS1, OS2, CH1, CH2, SZ1, SZ2 において、特性変化がみられる。これらの地点は、スペクトルの結果と対応していることがわかる。

４

ま と め

本研究では、応答解析を行わずに特性変化を判断できる指標を提案することを目的として、繰り返し特性変化に影響を及ぼす長周期地震動特性について、擬似速度応答スペクトルとエネルギースペクトルに着目して検討を行った。その結果、煩雑な地震応答解析を行わなくても、特性変化が生じやすい地震動の特徴がわかった。
参考文献
1)白山敦子 他：南海トラフ地震における準精算法による繰り返し特性を考慮した基礎免震建物の応答評価、日本建築学会大会学術講演梗概集(関東)，pp.603-604, 2020.92)地震調査研究推進本部：「長周期地震動予測地図」2012 年試作版-南海地震(昭和型)の検討
https://www.jishin.go.jp/evaluation/seismic_hazard_map/lpshm/12_choshuki/
3)国土交通省:超高層建築物等における南海トラフ沿いの巨大地震による長周期地震動対策について, 2016.6
https://www.mlit.go.jp/jutakukentiku/build/jutakukentiku_house_fr_000080.html
4)内閣府：長周期地震動対策に関する調査報告書, 2007 年 3 月
5)脇島健二 他：長周期地震動に対する免震材料の性能評価(その 2)鉛プラグ挿入型積層ゴム支承，日本建築学会大会学術講演梗概集(東北)，pp.1007-1008，2018.9- 174 -

先端機能材料の材料特性データベース構築に向けた
電気磁気特性の評価に関する研究
東京農工大学 大学院工学研究院

１

山本 明保

はじめに

データサイエンス的手法を導入した新しい材料開発手法が大きな注目を集めている。新材料をデータ駆動により探索（MI: マテリアルズインフォマティクス）、合成（PI: プロセスインフォマティクス）
する際には、信頼性の高いデータベース基盤へのアクセスが重要となる。我々は、セラミクス先端機能材料の一つとして、鉄系高温超伝導体の母物質 BaFe2As2(Ba122)を取り上げ、PI への展開に向けた電気
磁気特性データベース構築を進めている。Ba122 は元素置換（キャリアドープ）により超伝導が発現する。臨界温度 Tc と上部臨界磁場 Hc2 が銅酸化物系に次いで高く、臨界傾角が大きいため、多結晶形態での強力磁石応用が期待されている。本研究では、スパークプラズマプロセス条件を変化させて試料を合成し、それらの電気磁気特性データを取得した。

２

研究目的

先端機能材料のハイスループット創出に向けた課題の一つであるインフォマティクス応用に供する、良質な材料特性データベース構築のためのデータ取得を行うことを目的とする。

３

研究成果

Ba0.6K0.4Fe2As2 の化学組成となるように秤量した単体金属粉末を、Ar 雰囲気下で高エネルギーボールミ
ル混合し、メカニカルアロイングにより Ba122 前駆体を合成した。得られた前駆体粉末をスパークプラ
ズマ型に充填し、一軸圧力下において+50C/min の速度で昇温し、スパークプラズマ焼結温度を550-900C、保持時間を 0-30 min と変化させ、直径 10 mm、厚み約 1.3 mm の多結晶バルク試料を作製した。臨界電流密度 Jc は、SQUID VSM により測定した磁化ヒステリシスから評価した。四端子法により電気抵抗率 ρ の温度依存性を測定し、超伝導転移の 90%となる温度を Tc と定義した。電気抵抗率の温度依存性のデータより、全ての試料が超伝導転移し、ゼロ抵抗を示した。Jc の外部磁場依存性のデータか
らは、600C と 700C で焼結した試料の Jc は 1×105 A/cm2 以上であり、ＨＩＰ法により高圧合成した試料を超える値が得られたことが分かった。

４

ま と め

本研究では、プロセス条件を変化させて Ba122 試料を合成し、電気磁気特性データを取得した。独自の高エネルギーボールミル混合法と、スパークプラズマ焼結法を組み合わせることで、高い臨界温度と、従来報告されていた値を上回る高い臨界電流特性が得られた。

- 175 -

RC 梁の主筋座屈に基づく安全限界性能の定量化に関する解析的研究
大阪大学大学院工学研究科

１

尹

ロク現

はじめに
RC 建物の耐震性能評価指針では主要構造部材の使用限界、修復限界、安全限界について、具体的な損傷状況と限界点との関係が示された。現在の耐震性能評価指針に示される RC 梁の安全限界点
は①曲げ耐力が劣化し最大耐力の 80%に低下する部材角、②曲げ抵抗機構の劣化による曲げ降伏後のせん断破壊が生じる部材角、

図 1 梁の座屈性状③梁主筋が引張破断する部材角のうち最小のものとすることが提案されている。しかし、応募者の先行研究における梁降伏型の RC 架構実験では梁において上記の①〜③のような損傷は大変形角においても確認されなかった。しかし、大変形角で梁の端部において梁主筋の座屈現象が目視で確認された（図 1 参照）。鉄筋が座屈すると繰り返し載荷によって破断が促進される（低サイクル疲労が発生する）ことが報告されている。そのため、RC 梁の性能評価において主筋の座屈は安全限界点に相当すると判断される。
既往の主筋座屈の研究は大きな軸力が生じる RC 柱部材に焦点を当てて研究が行われてきたが、RC
梁の主筋座屈に焦点を当てたものはなく、その安全限界点に対する変形性能の具体的な評価手法は明らかに定めていない。よって、RC 梁の真の構造安全性を把握するためには主筋座屈を考慮する必要がある。
以上のような背景を踏まえ，本研究では主筋の座屈に基づく RC 梁の安全限界性能評価法を構築することを目的とし，数値解析を通して検討を行う。
２

研究目的
本研究では主筋の座屈に基づく RC 梁の安全限界性能評価法を構築することを目的とし、数値解析

を通して検討する。ここで、解析モデルについては梁主筋座屈が確認された既往の試験体を対象に数値解析を行い、梁主筋座屈発生点を適切に評価できるモデル化方法を検証する。
３

研究成果
図 2 に示す RC 架構の静的載荷実験を対象に骨組解析モデルを作成し実験を模擬した増分解析を行った。また、解析より得られた梁主筋の応力−ひずみ関係に基づいて実験結果における梁主筋座屈発生
点の評価を試した。図 3 に試験体の骨組解析モデルの概要を示す。また、上記解析モデルを用いた解析結果（荷重－変形関係）を実験結果と比較して図 4 示す。解析結果は実験結果における履歴性状を概ね再現でき、本解析モデルの妥当性を確認した。図 5 に解析より得られた梁主筋の応力−ひずみ関- 176 -

係を用いて、座屈耐力を評価してみると図 6 に示すように実験の座屈発生点を概ね評価することがで
きた。
180

NORTH

Fiber model: Beam

Pin bearing

δ1

Rigid zone
Elastic zone

δ3

Beam
300

・

Hydraulic jack 2000kN

Fiber model: Column

δ2

y

δ4
l=2250mm320

h=1200mm

Hydraulic jack 1000kN

280

SOUTH

x

Column

図 3 解析モデル概要

図 2 試験体設置図

andAnalysis
andModified
Stress > 0 in tension, Stress < 0 in compression

50

400

▼

▼
▼
▲

◆▼
▲

▲
◆

●

● ▲

2

Stress (N/mm )Lateral Force (kN)

100

0
-50

Test
Analysis

-100
-4

-3

-2

-1
0
1
Drift Ratio (%)

2

3

0
,
,
,

-200
-400
0

4

図 4 せん断力－変形角関係（実験 VS. 解析）

20

40
60
-3
Strain (x10 ):1/100,: 1/50 ,: 1/25

,
,

:1/67
:1/33
Unit: rad80100

図 5 梁主筋の応力－ひずみ関係
02Compressive Stress (N/mm )

200

-200
-400
-600
-800
-1000
-1200

Test
Anal

-1400
1

1.5 2
3
4
Drift Ratio (%)

図 6 解析結果における座屈評価と実験結果の比較（座屈耐力）
４

ま と め
主筋座屈が発生した試験体を対象に骨組解析を行い、実験結果の再現性を確認することで、本解析モデルの妥当性を検証した。また、数値解析より得られた梁主筋の応力−ひずみ関係を梁主筋の座屈発生点を評価した結果、実験結果と良好に対応することを示した。

- 177 -

Li イオン二次電池用セパレータの保護膜形成技術の開発
宮崎大学
１

吉野賢二

はじめに
多様な機器やシステムの利用が急速に進む中、リチウムイオン電池 (LIB) は、スマートフォンや PC、

ゲーム機など、電力源としての需要がとても高まっており、我々の生活の中に欠かせないデバイスの一つとなっている。近年では高度な貯蔵デバイスの進歩により電気自動車にも使用されるなど LIB の応用が徐々に拡大しているため、LIB の高エネルギー密度化の要求が高まっている。LIB におけるセパレータの役割は、電池の正極・負極を隔離し、内部短絡を防ぐこと、電解液を保持して正極-負極間のイオン電導を確保することであり、LIB の安全性や性能の重要な役割を果たしている。実用化されているセパレータのほとんどはポリエチレン (PE) やポリプロピレン (PP) などのポリオレフィンベースで造られており、ポリオレフィン製セパレータは製造コストが低く、機械的特性や化学的安定性に優れているが、濡れ性が悪く熱安定性が低いといったデメリットがある。セル内の温度がセパレー
タの融点に近づくと、セパレータの収縮により寸法が小さくなり、正極と負極が直接触れることで短絡し、大電流による事故につながる。
セパレータの熱安定性を向上させるため、様々な無機粒子をポリマーバインダーで表面にコーティ
ングする方法が多く報告されている[1, 2]このコーティング層は数ミクロン程の厚さであり、イオン輸
送に影響を与えず熱収縮を抑制することができるが、膜厚が厚くなるにしたがって電池のエネルギー密度が低下するという懸念がある。また、温度が高くなるとセパレータは軟化、溶融してしまうので、低温プロセスでコーティングする必要がある。
２

研究目的
今回使用したセパレータは乾式法で製造された Celgard2400（旭化成社製）である。ポリオレフィン製であり、低コストで、機械的特性と化学的安定性が優れているという特徴がある。
本研究では、LIB の安全性や機能に関わる重要な部材であるセパレータの熱安定性を向上させるた
めに、メチルアルミノキサン（MAO）を N-メチルピロリドン（NMP）で Al 濃度 1 wt％に希釈した前駆体溶液(MAO/NMP)を用いたスプレー塗布を行った。また、多孔質フィルムであるセパレータ上に
MAO/NMP 溶液を塗布することで、セパレータ保護膜としての効果を検証した。
３

研究成果

溶液塗布による効果を調査するため、セパレータ上に MAO/NMP
溶液をセパレータ温度 70 度で塗布を行った。溶液塗布前後のセパレータの外観写真を図 1 に示す。塗布前セパレータは平らであるのに対して、溶液塗布後は、全体が塗布面側にカールしていることが確認できた。この現象は溶液とセパレータの熱膨張係数の違いによるものであると考えている。また、塗布前後の表面を SEM で観察を行い、- 178 -

図 1：塗布前後の外観写真

図 2 に示す。塗布前セパレータの表面上には、延伸により形成された微細孔が確認できた。塗布後セパレータの表面には、全体を覆う堆積物は確認されず、塗布前と同様に微細孔が表面に現れていることが観察された。
次に、断面 SEM 像を図 3 に示す。厚さ方向に延びる基材を中心に微細孔構造が形成されていることが観察された。この構造はシシケバブ構造と呼ばれ、乾式セパレータ独自の構造である[3]。塗布後セパレータの表面に堆積層は確認されず、内部の微細孔側壁に沿って白いコントラストが確認された。
TEM/EDX のマッピング画像により、セパレータ内部に⿊いコントラストや、Al、O のマッピングは検出されなかった。⿊いコントラストが、内部の微細孔側壁に沿って析出しており、Al と O のマッピ
ング部分と一致していることが観察された。このことから、⿊いコントラストは Al と O の析出によるものだと判断される。塗布前では Al とＯは 0.05, 0.81 %を示しほとんど観察されなかった。塗布後は1.07, 4.07 %を示し、塗布前と比べ内部に Al と O が析出している。

(a)：塗布前(b)：塗布後
図 2：表面 SEM 像(a)：塗布前(b)：塗布後
図 3：断面 SEM 像

溶液塗布前後の収縮率を図 4 に示す。塗布前セパレータの加熱後の収縮率は 38 ％を示し、大きく収縮していることが観察された。塗布後セパレータの収縮率は 25.5 ％と、塗布前に比べ 12.5 ％減少した。この結果から、溶液塗布による熱安定性の向上の効果があることが示された。セパレータ内部の微細孔側壁に析出した Al2O3 の多結晶が、熱安定性の向上の効果を発揮していると考えられる。

- 179 -

電気化学インピーダンスの測定結果を図 5 に示す。塗布前の抵抗値は 4.19 であった。塗布後の抵抗値は 4.47 であり、0.28 増加したことが観察された。溶液の塗布による抵抗値への影響は少ない結果であった。これは、堆積層がほとんどなく、微細孔が表面に現れていることで、抵抗値の増加が少なかったと考えられる。

図 4：加熱後の収縮率比較４

図 5：塗布前後の抵抗値比較

まとめ
乾式法で製造されたセパレータ(Celgard2400)上に圧縮 N2 ガスを用いて MAO/NMP 溶液をスプレー法で塗布を行った。得られた結果を以下に示す。
① MAO/NMP 溶液を塗布することによりセパレータ内部に溶液が浸透し、微細孔側壁に Al2O3 の多結晶が析出することにより熱安定性の向上効果が得られた。
② 低温では溶液は内部に浸透せず表面に堆積し、高温では内部の深くまで溶液が浸透しなかったことから、Al2O3 の析出は溶媒が蒸発して起こる現象であることを突き止めた。
③ 塗布量を増やすことにより、内部への浸透と共に表面に堆積層が形成され、熱安定性は向上した
が抵抗値が大幅に増加することが観察された。

以上の結果から、MAO/NMP 溶液を用いたスプレー塗布は、膜厚の増加がなく、抵抗値を増加させずに熱安定性を向上させているため、LIB 用セパレータの性能向上のための有望な手法である。

参考文献[1] Pyoeng Su Kim, Anh Le Mong, Dukjoon Kim, Journal of Membrane Science, 612 (2020) 118481.
[2] Dhrupad Parikh, Charl J. Jafta, Bishnu P. Thapaliya, Jaswinder Sharma, Harry M. Meyer III,
Chris Silkowski, Jianlin Li, Journal of Power Sources, 507 (2021) 230259.
[3] Lei Ding, Dandan Li, Fanghui Du, Daoxin Zhang, Sihang Zhang, Ruizhang Xu, Tong Wu,
Journal of Power Sources, 543 (2022) 231838.

- 180 -

Investigation of ferroelectric hafnia based
Multiferroic heterostructures for novel memory storage applications.
Project Coordinator Name: Badari Narayana Aroor Rao
Affiliation: Center for Frontier Sciences, Chiba University
１ Introduction
Ferroelectric materials have a polar crystal structure with a spontaneous electric polarization that can bereversed by an external electric field. Very few materials retain their ferroelectric properties in thin film,
especially as their thickness is reduced. In contrast, hafnia-based ferroelectric thin-films have recently attracted
attention due to their robust ferroelectric properties even in films as thin as few unit cell layers. The stabilityof the ferroelectric phase in hafnia depends on various factors, such as the substrate, dopant, electrode material,and deposition condition. While most of the initial research on hafnia films was based on films deposited on
silicon substrates, recently, researchers have succeeded in stabilizing the ferroelectric phase of hafnia on
perovskite substrates like SrTiO3, DyScO3, and GdScO3. In this work, we used pulsed laser deposition (PLD)
to fabricate epitaxial hafnia films on La2/3Sr1/3MnO3 (LSMO) films, which were deposited on SrTiO3 (100)(STO) single crystal substrates. Most of the earlier studies focused only on optimizing the growth conditionsof hafnia film. We found that varying the deposition condition of LSMO also affects the ferroelectric phasestability of hafnia. It was easier to obtain high-quality ferroelectric phase of hafnia on LSMO deposited at
higher oxygen pressure. With this consideration, we compared the structural and ferroelectric properties of 4%
La-doped hafnia (4La-HFO) under different growth conditions of both hafnia as well as LSMO layers. We
used La-doped HfO2 for our study due to reports of enhanced ferroelectricity in these films.
２ Aims of Research
The main objective of our study was to investigate the use of ferroelectric hafnia thin films and lanthanum
strontium titanate (LSMO) heterostructures for multiferroic tunnel junction memories. We wanted to optimize
the fabrication of the LSMO and hafnia epitaxial thin films on the substrate to obtain maximum coupling
between the ferroelectric property of hafnia and the magnetic property of LSMO. Hence, our primary objective
was to understand the factors affecting the ferroelectric stability of the hafnia layers, which were studied byvarying oxygen partial pressure during growth and varying top-electrode material.
３ Results
The LSMO and hafnia films were deposited using a pulsed laser deposition (PLD) system located in the
Physics department of Chiba University, in Prof. Hiroko Yokota’s laboratory. The PLD targets were preparedby solid state synthesis, by mixing, calcining, and sintering the oxides of the respective elements in appropriate
ratios. To study the effect of oxygen partial pressure, LSMO was deposited on the STO substrates at 775 °C at
three different oxygen pressures (PO2) namely 15 Pa, 20 Pa and 25 Pa. These films are named accordingly as
L15, L20 and L25. Similarly, for 4La-HFO deposition, the film was deposited at 700 °C and four different PO2
of 1 Pa, 5 Pa, 10 Pa, and 15 Pa, and the films named H1, H5, H10 and H15 respectively. For electrical- 181 -

measurements, Pt-electrodes were deposited in vacuum by PLD (15 mJ, 10 Hz) on top with masks of 100 μm
diameter. X-ray diffraction was carried out by using a high-resolution X-ray diffraction using a Rigaku
Smartlab system located in Tokyo Institute of Technology, Suzukakedai campus. XPS was measured in a JEOL
spectrometer (JPS-9030) available in the Chiba Iodine Resource Innovation Center, Chiba University. Out-ofplane piezoresponse force microscopy (PFM) measurements were carried out using the frequency tracking
DART mode of an MFP-3D Asylum Research microscope located in Tokyo Institute of Technology,
Suzukakedai campus. Ferroelectric measurements were carried out using a Radiant ferroelectric tester(Precision LC) available in Prof. Hiroko Yokota’s laboratory. We fabricated and characterized ourhafnia/LSMO heterostructures with the above method and analyzed the results for films deposited under
different conditions. The detailed results have been compiled and a draft has been prepared for submission to
an international journal (https://arxiv.org/abs/2308.07600).
The main highlights of the results are that we found the ferroelectricity in the hafnia layer is sensitive to theoxygen partial pressure used during growth of both LSMO and hafnia layer. We showed that depositing LSMOat higher oxygen pressures increased the polarization of thehafnia layer, while the hafnia layer needed an optimum
oxygen pressure during deposition where it exhibited highest
ferroelectric polarization. In figure 1, it can be clearly seenthat ferroelectric polarization increases with increasing
oxygen pressure during LSMO deposition, whereas for hafnia
deposition, it is optimum in between 5 to 10 Pa. In particular,
we found the highest polarization when LSMO was depositedat 25 Pa and hafnia layer was deposited at 5 Pa, and hence
those pressures were selected as the optimized growth
conditions.
We also carried out x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) on
our samples to understand the state of oxygen bonds during

Figure 1. Effect of oxygen pressureduring growth of LSMO and Hafnia
layer on ferroelectric polarization ofhafnia layer.

different growth pressures. Figure 2 shows the XPS
corresponding to the oxygen 1-s shell of hafnia and LSMO layers. Typically, for hafnia, we observe two peaks
arising from the oxygen. The peak at 530.2 eV corresponds to the lattice oxygen forming the Hf-O-Hf bond,and the other at 532.4 eV corresponds to the non-lattice and surface oxygen, forming sub-oxides of hafnium.
In addition, when the film is exposed to air, the moisture can form an -OH bond with the surface oxygen, which
also gives rise to another peak around 531 eV. In order to remove the signals from these hydroxyl bonds, thefilm was etched with argon inside the XPS chamber for 10 seconds. This etching was done just before
measurement, so that only the peaks corresponding to hafnium oxide could be observed without any signal
from hydroxyl bonds at the surface. It is also important to note that the peak from non-lattice oxygen cancorrespond to both oxygen-deficient and oxygen-excess films. In oxygen-deficient films, the Hf-O bonds nearan oxygen vacancy can change from their ideal values to compensate for the charge imbalance, thereby giving
rise to the non-lattice peak in the XPS. In oxygen-excess films, the additional oxygen atoms are forced into

- 182 -

interstitial sites, which again give rise to the non-lattice peaks.
Figure 2a shows the O-1s peak from the hafnia films
deposited under different PO2. We can see that the intensityof the secondary peak arising from non-lattice oxygen isminimum for PO2 of 5 Pa (H5L25). This means that H5L25
has oxygen very close to stoichiometry, and hence, hasconsiderably less non-lattice oxygen. The H1L25 film is
oxygen deficient while H10L25 film is oxygen excess, both
giving raise to increased intensity of the non-lattice peak. In
figure 2b, we compare the O-1s peak on the LSMO film,
after etching out the hafnia layer in the XPS chamber. The
insets show the Hf-4d and La-3d XPS spectra, and thedisappearance of the hafnia peak and appearance of strong
La-peak confirms that all the hafnia has been etched out.
Like the hafnia film, the O1s spectra of LSMO film also
shows a main peak corresponding to the lattice oxygen, anda secondary peak at corresponding to non-lattice oxygen.
The O1-s spectra of the LSMO layer shows that the nonlattice peak intensity increases with increasing PO2 during
LSMO deposition. This indicates that LSMO has excess
oxygen when deposited at higher PO2 of 20Pa and 25 Pa,
leading to increase in the non-lattice oxygen. These weakly

Figure 2. XPS spectra for films
deposited at different PO2 a) 4La-HFO
layer b) LSMO layer.

bonded non-lattice oxygens in LSMO may contribute to enabling the ferroelectricity in the hafnia layer.
We also found that the deposition of the top electrode needs to be optimized to obtain enhanced ferroelectricity.
It was found that passive top electrodes like Pt and Au showed good ferroelectricity, but the fatigue
performance was not satisfactory, and the polarization started to decrease after about 104 voltage cycles. On
the other hand, active electrodes like Co, or Ti showed slightly lower ferroelectric polarization, but the fatigue
performance was very bad, and the polarization decreased after about 200 cycles itself. Hence, it is necessary
to select an ideal top electrode, to obtain enhanced ferroelectric properties with good fatigue properties. This
problem needs to be resolved before being able to realize a hafnia/LSMO based multiferroic tunnel junction
memory device.
４ Conclusion / Summary
From our research conducted so far, it can be concluded that oxygen vacancies play an important role in the
ferroelectric properties of hafnia, which is not the case in conventional ferroelectrics. While the exact role ofoxygen vacancies is not clear yet, there may be significant movement of oxygen vacancies through the Hafnia
layer during ferroelectric switching. Hence, choice of optimized top and bottom electrode is very important, as
they can control the mobility of the oxygen vacancies.

- 183 -

発光磁気機能性アゾサレン希土類錯体の XPS 測定
東京理科大学

１

秋津貴城

はじめに
これまでに、光電子移動反応から展開して、均一系触媒となる配位子サレンを有する希土類錯体に着目して、合成方法・光機能性（アゾ基の光異性化）・磁気機能性（単分子磁石）を多重的に研究してきた。単分子磁石は超高密度磁気記録デバイスや量子コンピュータへの応用が期待される材料だが、分子設計指針は成熟していない。近頃当研究室では、深層学習を用いて、結晶構造データベースから抽出した分子構造から約 70％の精度で単分子磁石特性の有無を予測するモデルの作成に成功した。合成実験面においては、希土類イオンは化学的性状が似通っており、確認するために、元素選択的な分析が可能な XPS 測定の活用を試みたい。

２

研究目的
アゾベンゼン置換基の有無が異なるキラル配位子を有するサレン希土類錯体の配位子ならびに遷移金属―希土類複核金属錯体を系統的に合成してきた。合成できた錯体について、発光あるいは磁気機能性の評価を行ったものの、アゾベンゼン置換基が発光特性を妨げる場合があり、多重機能性を目指すには、同じ分子の中にいくつかの機能性部位を盛り込む方法には限界があることが分かった。そこで、発光性（および磁性）を担うキラルサレン希土類錯体カチオンと、光機能性（アゾ基の光異性化）を担うキラルアミノ酸シッフ塩基銅錯体アニオンから構成される、複合材料とする方法を新たに試すことを目的とした。

３

研究成果
すでに研究室内で合成方法が確立されている部品、すなわちアゾベンゼンを有するサリチルアルデヒ

ド誘導体アルデヒドと、サリチルアルデヒド誘導体とアミノ酸からなるシッフ塩基の、合成方法を組みあせて、キラルアミノ酸シッフ塩基銅錯体を合成して、高分子膜中での複合化の際 pH を調整してアニオン化とした。一方、既報に従いキラルサレン希土類錯体（硝酸塩）を合成し、複合化の際の溶解による硝酸イオンの解離（カチオン化）を試みたが、同時に希土類(III)イオンも解離するらしい。どちらも元素分析値が理論値と一致せず、希土類イオンの XPS 測定の段階には進めないと判断した。

４

ま と め
高分子膜中の錯イオンの複合化における、溶液への溶解による硝酸イオンの解離と同時に希土類(III)イオンも解離する問題は、過去の研究でサレン希土類錯体の濃度を高めることで解消できるとされてきた。しかし、脱プロトン化に適する pH 条件下で、アニオン錯イオンとカチオン錯イオンの共存下での分散は新たな試みであり、今後この問題を解決して、希土類イオンの XPS 測定による元素確認が可能な系を得たいと考えている。

- 184 -

磁気温熱療法への応用へ向けた Co-Pd ナノ粒子の磁気特性評価東京都立大学都市環境科学研究科

１

石島政直

はじめに

がんの治療法の一つに磁気温熱療法が挙げられる。この手法では交流磁場下における磁気ナノ粒子の緩和減少による発熱を利用している。マグネタイトなどの酸化物磁性ナノ粒子についての発熱特性評価
は多く報告されているが、合金ナノ粒子の発熱特性についての報告は数が少ない。
２

研究目的
本研究では、合金として Co-Pd を選択し、アルコール還元法を用いて元素分布の異なる Co-Pd ナノ粒子を合成し、その磁気特性評価を目的とした。アルコール還元法とは、還元溶媒であるアルコールに金属塩を溶解させ、沸点近傍に加熱することで粒子を得る合成プロセスであり、遷移金属から貴金属まで幅広い粒子の合成が可能であるとされるが元素分布の制御などが可能である。
３

研究成果

アルコール還元法を用いて CoPd の元素分布制御を試み、得られた試料の STEM 測定結果を Figure １に示す。添加する保護剤を変更することにより、Pd コア–Co シェル
構造のナノ粒子と固溶体の作り分けに成功した。いずれの粒子の平均粒径も〜4 nm で

Figure 1 STEM images of the core shell (left) and alloy (right)

あった。

CoPd nanoparticles.

得られた試料について Quantum design
社製の PPMS を用いて VSM 測定を行った。コアシェ
ル粒子ではヒステリシスはほとんど観測されなかった。固溶体構造では飽和磁化が 10 emu g–1 を示した。
コアシェル構造では Co シェルの厚みが〜1 nm である
ため超常磁性を示し、固溶体構造では超常磁性を示さなかったことが示唆された。
４

ま と め

アルコール還元法を用いて元素分布の異なる CoPd
ナノ粒子を合成した。得られた粒子の磁気特性を評価
し、元素分布によって飽和磁化が異なることを確認した。今後は組成や元素種の変更を進める予定である。

Figure 2 M-H curves of the core shell and alloy
CoPd nanoparticles.

- 185 -

小振幅繰り返し荷重を受けるコンクリート充填鋼管柱の耐震性能評価横浜国立大学石田孝徳

1 はじめにコンクリート充填鋼管(以下、CFT)は、鋼管がコンクリートを拘束する一方で、コンクリートが鋼管の局部座屈を抑制し、高い耐力と靭性を期待できる構造形式である。これらの性能を活かし、多くの高層建物に CFT 柱が用いられている。最近の地震動研究では、南海トラフを震源域とする長周期地震動の発生が危惧されており、高層建物では小振幅の多数回繰り返しに対する部材の安全性検証が求められている。一方、柱は常時大きな軸力を支持していることに加え、地震荷重下では、水平 1 方向だけでなく、
水平 2 方向の変形を強いられることとなる。本研究では、角形断面の CFT 柱を対象として、水平 2 方向
変形下での耐力劣化挙動を把握するため、一定軸力下での小振幅繰り返し載荷実験を行う。

2 実験計画2.1 試験体の概要
試験体は材長 1800mm の CFT 柱であり、両端部にエンドプレートが完全溶込溶接されている。鋼管(BCR295)の幅 B は 200mm であり、板厚 t は 9mm とした。一方、充填コンクリートは、設計基準強度を50N/mm2 とした高強度コンクリートを用いている。試験体一覧および試験体に用いた鋼材とコンクリー
トの材料試験結果を表 1 に示す。
表 1 試験体一覧
断面寸法

y

u

*a
2

[N/mm ]

c*b
2

[N/mm ]

*c2

[N/mm ]

材齢 *d
[日]

B/t

P/P y

水平面内の載荷履歴

水平1方向（載荷方向0°）

変位振幅

楕円率

終局状態

Monotonic0

局部座屈

一定振幅 1.5 pc

0

局部座屈

一定振幅 2 pc

0

局部座屈

一定振幅 2.5 pc

0

局部座屈

0.25

局部座屈

0.5

局部座屈

1

局部座屈

0.25

局部座屈

0.5

局部座屈

1

局部座屈

一定振幅 1.5 pc□-200×9(BCR295)

367

420

76

197

22.2

水平2方向
(載荷方向0°)0.3

一定振幅 2 pc

水平1方向（載荷方向45°）

水平2方向載荷(載荷方向45°)

Monotonic0

局部座屈

一定振幅 1.5 p

0

溶接止端部破断

一定振幅 2 p0

局部座屈

一定振幅 1.5 p

0.5

局部座屈

一定振幅 2 p

0.5

局部座屈

*a：鋼管の降伏応力度、*b：鋼管の引張強さ、*c：コンクリートの圧縮強度、*d：試験開始時期のコンクリート材齢- 186 -

2.2 載荷条件
試験体の変形状態を図 1 に示す。載荷は、まず 4 本の鉛直ジャッキにより軸力比 P/Py=0.3 に対応する
一定圧縮軸力を作用させ、2 本の水平ジャッキにより強制変形を与えた。本実験では、水平面内の載荷履歴と変位振幅をパラメーターとした。試験体一覧を表 1 に示す。水平面内の載荷履歴は、図 2 に示すように楕円形とし、楕円率は、楕円の長径 l1 に対する短径 l2 の比として 0、0.25、0.5、1.0 の 4 種類とした。ま た、楕円の長軸と鋼管平板がなす角(以下、載荷方向)は 0°と 45°の 2 種類とした。変位振幅は一定とし、楕円の長軸方向の部材角を 1.5、2.0、2.5p の 3 種類とした。ここで、p は軸力を考慮した
1 軸曲げを受ける CFT 柱の全塑性曲げ耐力 Mp に対応する弾性部材角の計算値である。また、後述する安定限界に関する検討のため、載荷方向をそれぞれ 0°、45°とした単調載荷実験も行った。

図 2 水平面内の載荷履歴

図 1 試験体の変形状態
3 実験結果3.1 検討方針

図 3 に示す局部座屈が発生する領域の鋼管平板部中央の軸方向変形b(局部座屈変形)に基づき、水平 2 方向変形が耐力劣化挙動や繰り返し変形性能に及ぼす影響を検討する。また、角形鋼管柱の小振幅繰り返し変形挙動 1)で提案された安定限界の定義が、CFT 柱に適用可能であるかについても検討する。安定限界は、図 4 に示すように、単調載荷下で最大耐力 Mcr に至る時の局部座屈変形をb,cr とした
とき、繰り返し荷重下でのb がb,cr に到達した時点と定義される。小振幅で繰り返し変形を受ける角形
鋼管柱では、安定限界に到達すると顕著な耐力劣化とb の急増が生じることが知られている。

図 4 安定限界 1)の定義

図 3 局部座屈変形- 187 -

3.2 各サイクルのピーク荷重と局部座屈変形の推移
長軸方向における各サイクルのピーク荷重 Mpeak とサイクル数との関係を図 5 上段に、各サイクルのピーク荷重時における局部座屈変形b とサイクル数との関係を図 5 下段に示す。ここで、図 5 上段の黒色破線は Mp を、下段の黒色破線はb,cr を示す。図より、初期サイクルで最大耐力に至り、耐力が劣化していることがわかる。載荷履歴について比較すると、載荷振幅、楕円率が大きいほど、また、載荷方向が 45°より 0°の場合に、耐力劣化の度合いやb の進展が大きいことがわかる。ただし、図 5(b)に示
す楕円率についての比較において、 =0.25 は =0(水平 1 方向)より緩やかな耐力劣化とb 進展がみられた。これは、実際の長軸方向の振幅が、 =0 試験体では目標振幅 2.0p と概ね対応していたのに対して、 =0.25 試験体では 1.77p となり、小さかったためであると考えられる。
次に、安定限界の適用性について検討する。b の推移をみると、いずれの試験体についても、b,cr に到達するあたりでb が急増していることがわかる。また、最大耐力の推移についても、いずれの試験体について、b がb,cr に到達したあたりで変化が見られ、b,cr 到達以後は耐力劣化の度合いが大きくなっている。以上より、文献 1)の安定限界の定義を CFT 柱に適用できるといえる。

(a)振幅の比較(載荷方向 0°)(b)楕円率の比較(載荷方向 0°,1 = 2.0 p)(c)載荷方向の比較(= 0)(d)載荷方向の比較(= 0.5)

図 5 載荷履歴による Mpeak とb の推移の比較

4 まとめ
本研究では、局部座屈変形に着目した小振幅でのコンクリート充填角形鋼管柱の水平 2 方向繰り返し載荷実験結果の分析を行った。得られた知見を以下にまとめる。
1)

既報 1)の安定限界の定義より、CFT 柱による耐力劣化の度合いが大きくなる時点と局部座屈変形が急激に増加する時点を概ね捉えることができる。

2)

載荷振幅、楕円率が小さいほど、また、載荷方向が 0°より 45°場合のほうが、耐力劣化やb の進展が緩やかになる。

参考文献
1)

Takanori Ishida, Yang Dong, Shoichi Kishiki, Satoshi Yamada, Takashi Hasegawa: Cyclic behaviors of SHS columns subjected to small
amplitude loading, Engineering Structures, 252, 113611, 2022.2 doi:10.1016/j.engstruct.2021.113611- 188 -

低温化学溶液還元による
銅酸化物高温超伝導体中の電子ドープ量の制御
日本大学医学部 井上亮太郎

１

はじめに

銅酸化物高温超伝導体の多くは結晶構造中に CuO2 平面を持ち、電子相関の強い CuO2 平面にキャリアを導入することで超伝導が発現すると考えられている。CuO2 平面に導入するキャリアは正孔のものがよく知られているが、R2-xCexCuO4-y (R = Nd, Pr etc.)のように電子を導入するものも存在する。電子ドープ
系銅酸化物高温超伝導体の電子相図を調べ、正孔ドープ系の電子相図と比較することは、高温超伝導の発現機構解明のために重要である。
しかしながら R2-xCexCuO4-y (R = Nd, Pr etc.)において CuO2 平面に導入される電子の制御機構は十分に解明されていないというのが現状である。まず 3 価の R = Nd, Pr etc.を 4 価の Ce で置換することによって電荷中性条件から結晶中に電子が導入される（x = 0.15 程度が適当）。その上で、酸素分圧制御雰囲気中
でのアニールクエンチ処理によって少量の酸素欠陥を導入しないと超伝導は発現しないことが知られている。電荷中性条件から酸素欠陥と共に電子がさらに結晶中に導入されることは実験的に確認できているが、このアニールクエンチ処理を Ce 置換量の微増で補うことはできない。即ち酸素欠陥の導入には、電子ドープ以外の効果があることが分かっており、例えば CuO2 平面内における反強磁性的電子相
関の部分的な抑制などがその候補に挙がっている。
我々は、200℃以下という低温でヒドリド還元剤を用いて酸化物を還元する手法である低温化学溶液還元を開発してきた。これまでは主に酸化物中の遷移金属不純物元素の価数制御を行ってきたが、より直接的な物性制御の実現を目指して電子ドープ系銅酸化物高温超伝導体の超伝導転移温度制御に取り組むことにした。

２

研究目的

ヒドリド還元剤を用いた低温化学溶液還元によって、電子ドープ系銅酸化物高温超伝導体のNd1.85Ce0.15CuO4-y に酸素欠陥を導入し超伝導を発現させる。
初年度であった 2021 年度には、Nd1.85Ce0.15CuO4-y セラミック粉末試料を焼成し、ヒドリド還元剤の種類・濃度・反応温度などの条件を変えて低温化学溶液還元を施した。SQUID(超伝導量子干渉計)による磁化率の温度依存性を測定したが超伝導転移を確認できなかった。ヒドリド還元剤 LiBH4 を用いて還元温度
101℃で還元した場合には、母物質の反強磁性的電子相関を十分に抑制できていないと思われたので、2022 年度はヒドリド還元剤を LiBH4 に固定してより高温での低温化学溶液還元を試みた。188℃で還元した試料において比熱の温度依存性を測定したが超伝導転移を確認できなかった。2023 年度は新しいヒドリド還元剤 LiBH3[N(CH3)2]の使用を試みた。

- 189 -

３

研究成果
表１

測定試料

Sampleヒドリド還元剤

還元剤濃度(mM)

還元温度(C)

還元時間(h)

1

未還元

—

—

—

2

LiBH4

200

101

65.5

3

LiBH3[N(CH3)2]

200

101

60

4

LiBH(C2H5)3

200

101

64

表１に測定試料の一覧を示す。3 種類のヒドリド還元剤 LiBH4、LiBH3[N(CH3)2]、LiBH(C2H5)3 はこの順
番で還元力が強くなるとされており、還元剤濃度・還元温度・還元時間がほぼ同じとするとこの順番で還元が進んでいると推定できる。粉末 X 線回折(XRD)で見ると Sample 3, 4 では回折ピークのブロードニングが見受けられる。
今回は室温の核磁気共鳴分光(NMR)を用いて還元度合いを調べた。印加磁場 7 T で周波数 79.58 MHz、
パルス幅 2.8 s のラジオ波(RF 波)パルスを照射し、ソリッドエコーパルス系列( 90 x — () —90 y )を使って、63Cu の NMR スペクトルを取得した。パルス間隔 は 50 s、パルス系列の繰り返し時間は 0.1
s とした。

図１ (a) 室温 NMR スペクトル (b) Sample3 のフィット結果
図 1(a)にソリッドエコーパルス系列によって取得した時間信号を Fourier 変換して得られる NMR スペ
クトルを示す。図 1(b)に示すように、これを式(1)のような 3 つの Lorentzian ピークでフィットした。
𝑦=𝐴( ) Γ ( ) /2𝜋(𝑥 − 𝑥( )(1)) + (Γ ( ) /2)

ここで Lorentzian ピーク n (n = 1, 2, 3)の中心周波数（等方性化学シフト）を xc(n)、半値幅（線幅）を(n)、積分強度を A(n)とした。それぞれの試料におけるフィット結果を図 2 にまとめる。

図２ フィット結果 (a) 中心周波数(等方的化学シフト) (b) 線幅- 190 -(c) 積分強度

まず中心周波数について見ると、試料ごとに若干の変動はあるもののおおむね一定と見なせる。63Cu は
スピン I = 3/2 を持つ原子核であり、電気四重極子モーメントを持っている。固体粉末試料の場合、電場勾配と印加磁場のなす角度に関する積算によって、サテライトピークは周波数領域で大きく広がり
観測するのが難しい。また電子ドープ系銅酸化物超伝導体ではホールドープ系に比べて電気四重極子
分裂が小さくなることが実験的に知られており、CuO2 面での電場勾配がかなり小さくなっていると考えられている 1)。これは電子ドープ銅酸化物超伝導体が取る T-構造において、本当は存在しないはずの apical O サイトに残存する酸素が引き起こす CuO2 面の結晶学的な乱れが原因であるという議論もあるが、一方で第一原理計算からは、乱れのない T-構造においても電子ドープによって電場勾配が急速に消失するという予測が得られている 2)。いずれにせよ図１で測定されているのはスピン I = 1/2 →+1/2 の中心遷移のみであると考えている。3 つの Lorentzian ピークの起源は同定できていない。これらの中心周波数は 5−10%程度離れており、これは Pr1.85Ce0.15CuO4-y の配向粉末試料で知られている印加磁場方向によって引き起こされるずれ 0.7%よりも 1 桁近く大きい 3)。従って異なるサイトに由来するものと考えるのが妥当である。
次に Lorentzian ピークの半値幅について見ると、特に中心周波数 2050 ppm 近傍の 2 番目の Lorentzian
ピークの半値幅が Sample 1, 2 および Sample 3, 4 で 2 倍程度異なっている。Sample 3, 4 では XRD 回折
ピークのブロードニングが見受けられているので、あるいは結晶構造の劣化に起因している可能性もあるが、反強磁性磁気秩序の抑制兆候と見なすことができるかも知れない。
最後に Lorentzian ピークの積分強度についてであるが、還元が進むにつれて、全体的な振動子強度の増大し、3 つの Lorentzian ピークの強度比が変化している。Pr2-xCexCuO4-y の粉末試料において x < 0.125 の不足ドープ領域で温度の減少と共に NMR スペクトルの積分強度が減少することが報告されている 4)。
これはホールドープ系で知られている CuO2 面での動的なスピンダイナミクスの変化に相当するものと解釈されている。
本研究の未還元試料 Sample1 は最適ドープに近いものであるが、還元が進むと CuO2
面での動的なスピンダイナミクスの変化が引き起こされている可能性がある。更なる議論のためには
温度依存性などの測定結果の蓄積が必要である。

４

まとめ

電子ドープ系銅酸化物高温超伝導体の Nd1.85Ce0.15CuO4-y に酸素欠陥を導入し超伝導を発現させる目的
で、ヒドリド還元剤を用いた低温化学溶液還元を施した。今年度は室温で固体粉末試料の NMR スペク
トルを取得し還元度合いの違いによる変化を調べた。系統的な変化が得られたもののスペクトルの同定には至らなかった。今後の議論には、温度依存性などの測定データの蓄積が求められる。

４

参考文献

1) S. Kambe, H. Yasuoka, H. Takagi, S. Uchida and Y. Tokura, J. Phys. Soc. Jpn., 60(1991)400.
2) C. Bersier, S. Renold, E. P. Stoll and P. F. Meier, J. Phys.: Condens. Matter, 18(2006)7481.
3) G. V. M. Williams, S. Krämer, R. Dupree and A. Howes, Phys. Rev. B, 69(2004)134504.
4) G. V. M. Williams and J. Haase, Phys. Rev. B, 75(2007)172506.

- 191 -

高速通信機器搭載に向けた圧電体薄膜の強誘電体ドメイン構造の設計 2
防衛大学校通信工学科 江原 祥隆

１はじめに
ペロブスカイト型構造強誘電体はその結晶構造に起因する強誘電性、焦電性、圧電性、高誘電率等の特性を有するマルチ材料であり、特に圧電体薄膜は不揮発性メモリ、センサー、MEMS 等の多岐に渡るデバイスへ応用されている。近年、無線通信技術の発展に伴いミリ波帯やマイクロ波帯の電磁波を使用した通信デバイスの研究が盛んに行われており、フェーズドアレイアンテナといった高速通信機
器への実装を目指し、高周波領域に対応し得る圧電体材料の研究開発を行っている。高周波領域においては低い誘電損失が必要であることからチタン酸バリウム系の固溶体である Ba(ZrxTi1-x)O3(BZT)に着目した。Zr が固溶する事で BaTiO3 よりも低誘電損失、高い絶縁性、広い温度範囲安定した誘電特性等の利点があり、高周波応用に期待できる。そして焼結体 BZT は x = 0.2 付近で分極ドメインサイズがナノオーダを有し、誘電率に周波数分散が生じるためリラクサー強誘電体として電圧印加に対して大
きな誘電率のチューナビリティ性が生じる。しかしながら、薄膜形状では基板の効果により、BZT の特異なドメイン構造に影響を与えチューナビィリティ性を失う事が予想されため、薄膜形状においても最適な組成を調査する必要がある。

２

研究目的

本研究では高速通信機器搭載に向けた圧電体薄膜の候補として BZT 膜に着目し、MgO 単結晶基板上にエピタキシャル成長した全固溶領域 Ba(ZrxTi1-x)O3 (x = 0 ~ 1.0)膜の作製及び基礎物性の評価を研究目
的とした。

３

研究成果

パルスレーザー堆積法を用いて 500nm の BZT (x = 0 ~ 1.0)膜を MgO 基板上に作製した。全固溶領域において単配向エピタキシャル膜であることを XRD 測定により確認した。また Zr 含有量増加に伴い、分極-電界カーブの残留分極値と抗電界が減少した。誘電率のチューナビリティは x = 0 ~ 0.5 の領域において 50%付近と高い値を示した。正方晶性、残留分極値、誘電率の組成依存性より、室温における相境界が x = 0.2 ~ 0.3 の間に強誘電体から常誘電体への相転移を示唆しており、同時に第 2 高調波発生顕微鏡の結果からも確認できた。また共同利用装置の圧電応答顕微鏡(PFM)をもちいて分極ドメイン観察をしたところ、微細な分極ドメイン構造を持つことが確認できた。BZT の膜厚が薄くなっても誘電率のチューナビリティは確認でき、BZT 材料が高周波応用に実装できる可能性見出した。

４

まとめ

共同研究を利用し、MgO 単結晶基板上に高品質な BZT 膜の作製及び評価に成功した。今後は高周波領域に適したデバイスへの実装化を目指す。共同研究の成果は 3 件の学会発表を行った。

- 192 -

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                    - 194 -



次世代ナノ記録材
株式会社 Future Materialz

１

小林 ⻫也

はじめに
サーバーのバックアップとして必須である磁気テープ用の材料は年々その記録密度が増大し、情報担体の磁性体は超微細であることが求められている。次世代のナノ記録材の開発は非常に重要である。

２

研究目的
本研究課題では、高圧合成法を利用することで 20nm 以下のナノ記録材の粒子を種々の合成条件にて作製し、得られた試料の構成相・粒子サイズ、磁気特性、組成に関する検討を網羅する。

３

研究成果
同じ前駆体原料より種々の合成条件で検討したが、ここでは、1.5, 3, 6GPa での 460℃×30min 処理品について述べる。
常圧下では反応時間 30min では粒子は生成しないが、高圧下では粒子がきちんと生成していることが XRD パターンより理解できる。粒子の結晶子サイズ（＝粒子サイズであることを TEMで確認済み）は圧力が低いほど小さく（1.5GPa
で 16.3nm）、逆に、圧力が高い 6GPa ではほぼ生成が確認できなかった。なお、XRD パターンの赤線は目的とする磁性材のフィッテングカー
ブであり、それ以外のピークは作製時の添加物や不純物である。これらは後工程で除去することができるので無視する。
VSM 測定結果では、生成相の XRD ピークがシャープなサンプルほど、保磁力と磁化値が高いことが分かった。

４

ま と め
合成圧力が低いほど粒子が細かく、且つ、磁気特性が良いことが分かった。さらに低い圧力下での合成や、作製したサン
プルの常圧下でのアニールによる影響等を行い、さらに目標値を得るための最適条件を探索する予定である。
以上- 195 -

ウルツ鉱型強誘電体の局所分極反転挙動
物質・材料研究機構

１

清水 荘雄

はじめに
ウルツ鉱型の化合物半導体は、⻘⾊発光ダイオードやパワー半導体等に広く用いられているが、結晶構造中に極性を有していることから、圧電材料としての応用も拡大している。このウルツ鉱型材料の
極性は、これまで外場による反転(強誘電性)は起きないと考えられてきたが、2019 年に Al1-xScxN において強誘電性が確認され、大きな注目を集めている。一方で、この物質の強誘電特性、特に分極反転に関する挙動は、新規に発見された物質であるがゆえ、ほとんど明らかになっていない。
２

研究目的
Al1-xScxN における強誘電性が報告された後に、ウルツ鉱型構造を持ついくつかの物質において強誘電性が報告されている。
しかしながらこれまで強誘電性が確認されている物質は、カチオンを置換した固溶体であり、単純な化合物での報告はほとん
どない。これは置換されたカチオンが強誘電性の発現、つまり自発分極の反転を助ける役割を果たしていることを想起させる。そこで、本研究では、このような置換元素が本質的に必要かどうかについて無置換の AlN での強誘電性について研究を行うことによって検討した。
３

Fig. 1(a) P-E hysteresis curve measured
for the 450 °C deposited AlN film at 25
and 285 °C.

研究成果
Figure １には 450 ℃で製膜した AlN における P-E 特性の測定結果を示している。室温では飽和が不十分であり局所的な分極反転にとどまっているのに対して、285 ℃で測定した場合には角型のヒス
テリシスループが観測されており強誘電性を示すことが分かった。さらに成膜温度を低下させた場合においては、絶縁破壊電界が増大することによって、室温においても分極反転を確認することに成功した。PUND 法による測定から見積もった残留分極の値は 150 μC/cm2 であり、第一原理計算によって報告されている値とよい一致を示した。一方で、強誘電性の確認はできているものの高電界領域での分極反転における律速段階は、Al0.7Sc0.3N ではドメイン進展、AlN では核形成となっていることを示
唆する結果を得た。
４

ま と め
本研究では、無置換の AlN において強誘電性の発現を確認することができた。これにより、ウルツ鉱型物質でも置換元素は本質的ではないことが明らかになった。一方で、ドメインダイナミクスは Sc 濃度によって変化することを示唆する結果を得ており、今後は分極反転に対する Sc 置換の効果をより詳細に調査することを予定している。

- 196 -

室温で動作するマルチフェロイック酸フッ化物薄膜の開発
お茶の水女子大学

１

近松 彰

はじめに
同一の相で複数のフェロイック秩序（強誘電性、強磁性、強弾性等）を示すマルチフェロイック物

質は、一方のフェロイック特性を他方の共役場で操作できる特徴を持つ[1]。今日、マルチフェロイッ
ク物質の中でも誘電性と磁気的挙動を組み合わせた電気磁気物質が特に注目され、電場によって物質の磁気状態を制御する不揮発性磁気メモリや磁気センサーなど、電気磁気効果に基づくデバイス応用が期待されている。しかしながら、これまで報告されているマルチフェロイック物質は鉄酸ビスマス
等ごく一部を除き低温でしかその特性を示さない。そのため、実用化に向けて室温で安定して動作す
る物質の開発が切望されている。
最近、極性構造を持つ PbFeO2F [2]や Bi1-xBaxFeO3-xFx [3] の多結晶体が初めて合成され、酸素の一部をフッ素に置換した酸フッ化物でもマルチフェロイック特性を示す可能性が示唆された。酸フッ化
物は、酸素とフッ素 2 種類の陰イオンが陽イオンに配位するため、酸化物単体と比べて局所的な対称性が低下する。すなわち、強誘電性に必要な極性構造を取りやすくなる。また、フッ化により酸化物
イオンを介した遷移金属間の磁気的相互作用も変化し、電気伝導性や磁気特性の転移温度も変化すると推測される。このように、酸フッ化物は室温マルチフェロイック特性のポテンシャルを秘めているが、実証には至っていない。これは、誘電特性の測定に耐えうるリークのない酸フッ化物の単結晶あるいは単結晶薄膜が得られていないからである。
２

研究目的

本研究では、極性構造を持つ鉄酸フッ化ビスマスに注目し、これまで我々が開発した複合アニオン
酸化物エピタキシー法により鉄酸フッ化ビスマスの単結晶薄膜を創製し、それらの結晶構造、誘電特性および光学バンドギャップを調べた。
３

研究成果

薄膜の結晶構造
面直方向のθ–2θ XRD 測定から、200–300 ℃でフッ化した薄膜では 001 と 002 の回折ピークの位
置が温度の上昇とともに低角度側にシフトする様子が観測され、ペロブスカイト構造を維持したまま c
軸⻑が増加したことが分かった。この結果は、薄膜中の酸素の一部がフッ素に置換されたことを示唆している。350 ℃でフッ化した薄膜では、ペロブスカイト構造を示す回折ピークが完全に消失し、新たに蛍石構造を示す回折ピークが観測された。図 1 に、Bi0.8Ba0.2FeO2.9 前駆体薄膜と 200, 350 ℃でフッ化した薄膜の 103 回折付近で測定した逆格子マッピング（RSM）像を示す。ペロブスカイト薄膜の[100]方向は、蛍石薄膜の[110]方向に対応している。薄膜と SrTiO3 基板（0.3905 nm）のエピタキシ- 197 -

ャル関係はフッ化後も維持され、qx 値と面内格子定数は、前駆 体 膜 が （ 2.53 nm–1, 0.395nm）、200 ℃および 350 ℃でフッ化した薄膜がそれぞれ（2.54 nm–1, 0.394 nm）、
（2.58
nm–1, 0.388 nm）であった。一方、200 ℃でフッ化した薄膜のqz 値 7.19 nm–1 は、前駆体薄膜の qz 値 7.21 nm–1 よりも小さく、
350 ℃でフッ化した薄膜の qz

図 1．SrTiO3 基板上に堆積した (a) Bi0.8Ba0.2FeO2.9 前駆体薄膜、値は 5.43 nm と大幅に減少し(b) 200 ℃、(c) 350 ℃でフッ化した薄膜の RSM 像–1た。これらの結果から前駆体薄膜と 200 ℃および 350 ℃でフッ化した薄膜の c 軸⻑を算出すると、それぞれ 0.416 nm、0.417 nm、0.552 nm であった。
X 線光電子分光、エネルギー分散 X 線分光法の化学状態分析も考慮すると、薄膜のトポケミカルフ
ッ化反応における結晶構造変化は以下のように記述できる。200〜300 ℃でフッ化反応させたときは、薄膜はペロブスカイト構造を保ったまま酸素の一部がフッ素に置換する。このとき、Fe の価数は 3 価のままである。一方、350 ℃でフッ化反応させたときは、Fe が 2.5 価に還元され、フッ素あるいは脱離(a)

した酸素が [001]方向の Bi/Ba サイトと Fe サイトの間に入ることで、c 軸⻑が大きく伸びた蛍石型構造になる。このように、Bi0.8Ba0.2FeO2.9 薄膜のトポ
ケミカルフッ化反応では、反応温度の違いによりドープされるフッ素量や結晶構造が変化することが明らかになった。
200 ℃でフッ化した薄膜の誘電特性
図 2(a)に、200 ℃でフッ化した薄膜の周波数 20
kHz、300 K で測定した分極−電場曲線および電流(b)−電場曲線を示す。分極−電場曲線では、飽和分極が 21 μC/cm2、抗電界が 136 kV/cm であるヒステ
リシスループを明瞭に示し、電流−電場曲線では抗電界で分極反転ピークが現れた。また、図 2(b)に示
すように、この薄膜の圧電応答顕微鏡（PFM）像で–12 V 印加した部分が明瞭な分極反転している様子が見て取れる。これらの結果から、作製した酸フッ

図 2．200 ℃でフッ化した薄膜の(a) 周波数

化物薄膜が強誘電性を持つことが証明された。この20 kHz、300 K で測定した分極−電場曲線お

強誘電性は、薄膜の空間群 P4mm の正方晶構造に起よび電流−電場曲線と(b) PFM 像- 198 -

因すると考えられる。さらに、残留分極量は 9μC/cm2 であり、強誘電体メモリーとして実際に使用 さ れ て い る SrBi2Ta2O9 の 残 留 分 極 量 10.0
μC/cm2 [6]に匹敵することが明らかになった。
フッ化後の薄膜の光学バンドギャップ
図 3 に Bi0.8Ba0.2FeO2.9 前駆体薄膜と 200 ℃、
350 ℃でフッ化した薄膜の光吸収スペクトルを示す。3.0 eV 付近のピーク強度がフッ化温度の上昇とともに減少した様子が見て取れる。先行研究の第一

図 3．SrTiO3 基板上に堆積した Bi0.8Ba0.2FeO2.9原理電子状態計算[7]によると、Bi0.8Ba0.2FeO2.9 と前駆体薄膜、200 ℃と 350 ℃でフッ化した薄Bi0.8Ba0.2FeO2.8F0.2 はともに間接的なバンドギャッ

膜の光吸収スペクトルおよび(αhν)1/2 Tauc

プを持つため、Tauc プロットは (αhν)1/2 で表せ

プロット（挿入図）

る。曲線の直線部分を(αhν)1/2 = 0 に外挿することで、Bi0.8Ba0.2FeO2.9 前駆体薄膜と 200 ℃と 350 ℃でフッ化した薄膜の光学バンドギャップ値は、それぞれ 2.0 eV、1.7 eV、1.2 eV と見積もられた。 バンドギャップがフッ化により減少したのは、フッ素を含むことで s-Bi、p-Bi、d-Fe、p-O 軌道間の混成の仕方が低いバンドギャップになる方向に変化し、さらにペロブスカイト型から蛍石型に構造変化することで、より低バンドギャップへと混成が変化したからと考えられる。実際、ペロブスカイト型 PbTiO3 において、フッ化によりパイロクロア型
Pb2Ti2O5.4F1.2 に変化し、バンドギャップを 2.8 eV から 2.4 eV に下がることが報告されており、これがPb-O 結合⻑の短縮によるものであると考察されている[8]。電子状態に対するフッ化の影響を解明す
るには、さらなる分光学的・理論的研究が必要である。
４

ま と め
本研究では、これまで我々が開発した複合アニオン酸化物エピタキシー法により鉄酸フッ化ビスマ

スの単結晶薄膜を作製し、それらの結晶構造、誘電特性および光学バンドギャップを調べた。その結果、鉄酸フッ化ビスマスである Bi0.8Ba0.2FeOxFy 単結晶薄膜の創製に成功し、トポケミカルフッ化反応の反応温度を変えることでフッ素量および結晶構造（ペロブスカイト構造と蛍石構造）を制御できることを明らかにした。さらに、鉄酸フッ化ビスマスが室温で強誘電特性を示すこと、フッ化が進むとバンドギャップが小さくなることを見出した。今後の取り組みとして、Bi と Ba の組成比が異なる鉄
酸フッ化ビスマスや、理論計算でマルチフェロイック特性が予測されている鉄酸フッ化イットリウム、マンガン酸フッ化イットリウムに、室温マルチフェロイック物質の探索範囲を広げていく。
[1] N. A. Spaldin and R. Ramesh, Nat. Mater. 18, 203 (2019). [2] Y. Inaguma et al., Chem. Mater. 17,1386 (2005). [3] O. Clemens et al., Inorg. Chem. 53, 12572 (2014). [4] A. Chikamatsu et al., ACS
Omega 3, 13141 (2018). [5] T. Yamashita and P. Hayes, Appl. Surf. Sci. 254, 2441 (2008). [6] K.
Amanuma et al., Appl. Phys. Lett. 66, 221 (1995). [7] S. Rahimi et al., Phys. Rev. B 106, 115205 (2022).
[8] R. Kuriki et al., J. Am. Chem. Soc. 140, 6648 (2018).

- 199 -

バイオマス変換用担持金属酸化物触媒の開発と構造解析
北海道大学触媒科学研究所

１

中島 清隆

はじめに

木質バイオマスの主成分であるセルロースから誘導される HMF は，基幹化学品を製造するための重要な中間体である．例えば，酸化反応によって誘導されるフランジカルボン酸（FDCA）は，テレフタル酸・イソフタル酸の代替として注目されている．エチレングリコールと FDCA の縮重合によって得られるポリエステルは，ポリエチレンテレフタラート（PET）の代替候補であり，高いガスバリア性という特徴を生かした応用が検討されている．PET に代表される既存のフタル酸樹脂すべてを FDCA 由来のポリエステルで代替することができれば，生産規模が大きなバイオマス化学品の普及・汎用化の大きな第一歩となる．FDCA は潜在的な利用価値が極めて高いが，その大規模生産は実現していない．
既報の論文を参照すると，FDCA 収率が 95%を超える優れた報告が数多く存在する．しかし，そのすべての共通点が「希薄な HMF 水溶液を利用していること」である．高濃度水溶液内で HMF が引き起こす多様かつ複雑な副反応を抑制する手段がなく，効率の良い FDCA 合成は希薄溶液のみで達成されていた．これは HMF を原料とした触媒変換プロセスのすべてに対して共通の課題であり，単純な反応条件の最適化では解消できない．副反応を引き起こす HMF の官能基を特定し，能動的な副反応制御技術を導入して，生産性の高い触媒反応プロセスを構築することが求められている．

Scheme 2. 保護剤の高い回収率と FDCA の高い生産性を併せ持つ逐次的 FDCA 合成プロセス
我々は，アセタール保護を活用した FDCA 合成に着目した．HMF および幾つかの HMF アセタールの200 ºC における熱分解挙動を観察したところ，1,3-プロパンジオールを利用した 6 員環アセタール体（以下，HMF アセタールと記述）では大幅な分解抑制が見られた．この結果はホルミル基の安定化が副反応抑制に寄与することを示唆している．さらに検討を進めた結果，HMF アセタールの高濃度溶液を利用して様々な酸化還元反応系を構築することができた．HMF アセタールの酸化反応および酸化的エステル化反応により FDCA とそのメチルエステル体を高濃度プロセスによって高効率に合成できるようにな- 200 -

ったが，他方，脱離した 1,3-プロパンジオールの酸化分解が起こるためその回収率は 80%となった．高い FDCA 収率と保護材の回収率を両立すべくこれまでに 3 段階の逐次反応をデザインし（Scheme 1），
FDCA 収率を維持したまま 1,3-プロパンジオールを定量的にリサイクルできるようになった．しかしこのプロセスでは根本的に不溶性の中間体（FFCA）および生成物（FDCA）を取り扱ううえで過剰量の塩基の使用が必須となり，それが環境負荷低減の足枷となっている．

２

研究目的

逐次的反応系により保護剤の回収率を大幅に向上できた反面，塩基の使用量はワンポット合成の 2 倍となる基質に対して 4 等量になった．FDCA 合成における塩基の役割は溶液内におけるアセタールの安定化と，難溶性の生成物（FFCA, FFCA-acetal, FDCA）のカルボン酸を中和して溶解性を向上させることにある．難溶性の中間体・生成物が固体表面に析出すると触媒の失活が起こるため，カルボン酸を生成する水溶液内でのFDCA 合成において塩基添加量の削減は極めて難しいことを実証した．そこで， HMF フランジカルボン酸ジメ
チルを合成する固体触媒反応プロセスを設計するため，高濃度反応の HMF アセタール溶液（保護剤：1,3-プロ
パンジオール）を利用した酸化的エステル化反応を検討した（Scheme 1）．

Scheme 2. Au/CeO2 による HMF アセタールの逐次的な酸化的エステル化反応による MFDC 合成
３

研究成果
本反応系は担持金属触媒（Au/CeO2）による 2 つの酸化的エステル化ステップと保護基の回収のための酸触媒による加水分解ステップにて構成されており，中間体は最初の酸化的エステル化によって生成するホルミルフランカルボン酸メチルのアセタール体（PD/MeO-MFFC）と，酸加水分解によって生成する二次中間体のホルミルフランカルボン酸メチル（MFFC）である．第一段階の酸化的エステル化では PD-MFFC が主要生成物となるが，反応過程で溶媒であるメタノールとのアセタール交換反応により微量であるが MFFC のジメチ
ルアセタール（MeO-MFFC）も生成する．これら 2 つはともに脱保護によって MFFC へと変換できる．20 wt%という高濃度反応における反応パラメーターを最適化したところ，一次中間体の合算収率は 94.5%に到達した．
スルホン化ポリスチレンを利用した酸加水分解により一次中間体に対して 99.1%の収率で MFFC（二次中間体）
を得ることができており，そのときの保護剤（1,3-プロパンジオール）の回収率は 91.8%に達した．MFFC の参加
的エステル化も 20 wt%という高濃度反応系を構築することができ，MFDC 収率は 96.6%であった．2 つの酸化的エステル化ステップと脱保護ステップにより，原料に対する MFDC 収率が 90.4%，保護材回収率が 91.8%，プ
ロセス全体で使用する塩基量はわずか 7.5 mol%であった．本反応系の特徴は高濃度反応プロセスにより
MFDC の高い生産性に加え，保護材の高い回収率と塩基添加量の大幅な削減（従来プロセスでは 200~400mol%）にあり，本反応系が今後の商業プロセス設計の基本となると期待している．

- 201 -

４

ま と め
本研究課題では，付加価値の高いバイオポリエステルの原料となるフランジカルボン酸ジメチルを，環境低負荷かつ高い生産効率を担保する固体触媒反応プロセスの構築に取り組んだ．これまでの検討では，グルコースの脱水生成物である 5-ヒドロキシメチルフルフラール（HMF）のホルミル基を 1,3-プロパンジオールで 6 員環構造のアセタールへと変換し，その“HMF アセタール”を安定な中間体として利用した反応プロセスを構築した．HMF アセタールからの FDCA 合成では，高い FDCA 収率と保護剤回収率を併せ持つ高濃度反応プロセスを構築できたが，共存させる塩基の使用量削減が大きな課題となった．そこでターゲットを HMF アセタールの酸化的エステル化反応へとシフトした．逐次的な反応システムをデザインすることにより，高い生産性と保護材回収率を保持したまま塩基使用量を大幅に低減できることを見出した．

- 202 -

層状シリケート型 Bi2SiO5 強誘電体多結晶薄膜の作製
東北大学/名古屋大学

１

永沼 博

はじめに
HfO 系極薄膜の強誘電体がトンネル接合の障壁材料として近年、注目されている例があるように、新しい強誘電体の探索は新しい電子デバイスを創製する潜在性がある。そのような状況の中、本研究では Bi2SiO5(BSO)に注目した。これまで SrTiO3 基板上に BSO を製膜し、構造および強誘電性を評価した報告がある。BSO エピタキシャル膜の自発分極は 2Pr=6.4 uC/cm2 であった。BSO を工業的に利用できるかを検討するためには、量産性に優れた Si 基板上に製膜する必要がある。しかし、Si および配向膜電極上の BSO 薄膜に関する研究報告例はいくつかあるが、その多くは膜構造を中心に調べており、光学特性および強誘電性などの物性についてはあまり研究されてこなかった。
２

研究目的
そこで本研究は、BSO 多結晶膜を Pt 電極付き Si 基板上に作製し、構造解析だけでなく、強誘電性および光学特性を含めて系統的に評価し、量産実用性について検討することを目的とする。
３

研究成果
パルスレーザー堆積(PLD)法を用いて BSO 薄膜を Pt 電極付き Si 基板上に室温で製膜し、その後、結晶化のためのポストアニーリングを 500 – 800℃の範囲で 50℃刻みで行った。高温で加熱するため、基板電極上に Pt 電極の製膜温度はポストアニーリング温度に対応して高温製膜とした。室温製膜した
BSO は非晶質もしくは微結晶状態であった。ポストアニーリング温度が 500℃のとき、Bi2O3 が主成分となった。さらに温度を高くすると 550℃、600℃のとき BSO に起因する回折ピークのみがあらわれた。また、回折ピークから BSO は多結晶薄膜となっていることがわかった。ラマン測定から 550℃
以上のとき BSO に起因したピークが観測され、X 線回折の結果と BSO 生成に関して一致した。表面
粗さを原子間力顕微鏡で評価したところ、700℃までは RMS は 5 nm 以下であったが、750℃以上のとき異相の生成に伴い RMS が急激に増大した。以上の構造解析の結果から、ポストアニーリング温度が550℃、600℃のとき、比較的平坦な BSO 多結晶膜が得られることがわかった。ポストアニーリング温度が 600℃の BSO 多結晶膜について、強誘電体テスターを用いて自発分極を評価したところ、室温での自発分極は 2Pr=7.2 uC/cm2 となり、BSO エピタキシャル膜に比べて僅かに高い自発分極を得ることができた。また、そのときの比誘電率(εr)は 143 であり、比較的に高い値を得ることができた。
４

ま と め
PLD 法を用いて Pt 電極付き Si 基板上に室温製膜し、その後のポストアニーリング温度を適切に制御することにより、比較的、表面が平坦な BSO 単結晶単相膜を作製できる製膜条件を明らかにし、さらに高い自発分極 2Pr=7.2 uC/cm2 および高い比誘電率εr=143 が得られることを示すことができた。

- 203 -

層状ペロブスカイト強誘電体の研究
防衛大学校 応用科学群 応用物理学科 濵嵜容丞

１

はじめに

強誘体材料は、強誘電性だけでなく焦電性、圧電性をしめすことから、メモリーやセンサー、アクチュエータなどに利用されている。現在使用されている強誘電体はペロブスカイト構造をもつものが多く、BaTiO3 や Pb（Zr,Ti）O3 が知られている。しかし、BaTiO3 はキュリー温度が１２０℃と低く、Pb（Zr,Ti）O3 は有害元素である鉛を含む問題点が挙げられ、非鉛かつキュリー温度の高い強誘電体が求められている。層状ペロブスカイトは数層のペロブスカイト層と異構造の層が交互に積み重なった構造を持ち、層状ペロブスカイト型強誘電体はペロブスカイト化合物に比べキュリー温度が高い傾向にある。本研究では、層状ペロブスカイト型構造の一種であるペロブスカイトスラブ構
造を持つ LaTaO4 に着目した。LaTaO4 は、第一原理計算により代表的な強誘電体である BaTiO3 に匹敵する自発分極を持つことが報告されているが、強誘電相である直方晶が準安定相であるため強誘電性の報告例がない。
そこで、準安定相の安定化かつ高圧電場を印可可能な薄膜に着目し、直方晶 LaTaO4
エピタキシャル薄膜の作製を試みた。

２

研究目的

本研究では層状ペロブスカイト LaTaO4 に着目し、適切な基板選択と堆積条件を探索し、LaTaO4 エ
ピタキシャル薄膜の作製を試みる。

３

研究成果

これまでペロブスカイトスラブ構造を持ちペロブスカイト層の積層数のことなる La2Ti2O7 において、SrTiO3(110)基板上に堆積させることでエピタキシャル膜が得られることが報告されている。そこで、LaTaO4 を SrTiO3(110)基板上に堆積させた。当初 LaTaO4 をターゲットにし様々な条件で堆積を行ったが、薄膜由来のピークを確認することができなかった。蛍光 X 線測定により薄膜の組成分析を行った結果、La が Ta に比べ不足していることが明らかとなった。そこで、La 過剰のターゲットを作製し、製膜を行ったところ薄膜由来の X 線回折ピークが得られた。詳細な X 線回折測定により、エピタキシャル成長した直方晶 LaTaO4 薄膜であることが確認され、エピタキシャル薄膜の作製に成功した。今後、強誘電性等の電気特性について評価していく予定である。

４

ま と め
準安定相である LaTaO4 をエピタキシャル成長させることで安定化させ、初めてエピタキシャル薄膜を作製することに成功した。。

- 204 -

数値解析による合成梁における合成効果の合理化
北海道大学大学院工学研究院 松井良太

１

はじめに
デッキプレートと鉄筋コンクリートを一体化させた床スラブを鋼梁と一体化させた合成梁は鋼構造骨組において多用されている。文献 1)によれば、合成梁を純鋼梁とみなして設計する事例が多いが、床スラブを一体化させることで合成梁には純鋼梁より高い剛性や耐力を発揮する合成効果が期待できる。この合成効果を、合成梁の寸法や材料を含めた仕様で合理的に評価できれば、耐震性能を満たす鋼構造骨組の柱梁およびブレースに求められる断面は現状より薄くかつ軽くできるなど合理化を図ることが可能である。本報では、昨年度までに実施した合成梁の模型載荷実験と数値解析結果を再検討し、合成梁に求められる性能について整理分析したので、ここに報告する。
２

研究目的
本研究の目的は、合成梁の耐力を評価するうえで同定し難い、鉄筋コンクリートが圧縮力を負担する

有効幅を突き止めることである。代表者らは、文献 27)にて 3 体の試験体で有効幅を検討したが、他の試験体での妥当性は未検討であった。そこで、合成梁の仕様と耐力に着目したデータベースを整備した。国内の文献 2)-25)で公表された計 107 体の試験体を対象とした。そのうち 64 体は文献 26)で福岡らが参照した文献 2)-14)と重複し、今回新たに追加した合計数は文献 15)-25)を参照した 43 体となる。
３

研究成果
最大耐力を発揮する前に横座屈した試験体は、検討対象から除外した。本報では、鉄筋コンクリートに圧縮が作用する正曲げ側の耐力に着目した。
図 1 に対象とした試験体のスラブ厚 t と梁せい D の分布を示す。スラブ厚は 40 mm から 200 mm、梁せいは 200 mm から 612 mm の範囲で分布した。

700

図中のグループ A は、文献中でスタッドの仕様600が認められた漸増繰返し載荷を受けるト形試
梁せいD [mm]験体である 30 体を示す。全 108 体に着目すると、試験体形式は、ト形が 63 体、十字形が 12体、1 層の単スパン架構が 15 体、1 層の多スパン架構が 16 体、2 層の多スパン架構が 1 体であ

500
400
300
200

った。載荷方法は、単調が 14 体と、繰返しが 93

100

体であった。柱断面は、角形鋼管が 70 体で、H00形鋼が 37 体であった。柱梁接合部の形式は、工場溶接式が 58 体、現場溶接式が 14 体、その他

50

100 150 200
スラブ厚t [mm]図1 試験体の寸法- 205 -

250

の形式が 2 体、不明が 33 体であった。床スラブは、等厚スラブが 33 体、デッキ構造スラブでフラッ
ト型が 4 体、波型が 70 体であった。波型のうち、デッキプレートの溝と梁を直交と平行に配置したものはそれぞれ 61 体と 9 体であった。最大耐力は、62 体が下フランジの破断、34 体が局部座屈、11 体が他の要因で決定した。
図 2、3 に各試験体の最大耐力 Mmax と、各種合成構造設計指針で提示されている鋼梁もしくは合成梁の全塑性モーメント sMp、cMp との比率を示す。各図(a)の横軸は床スラブの厚さ t と梁せい D の比、(b)の横軸は文献 28)の『各種合成構造設計指針』で提示されている応力ブロックで鉄筋コンクリート部分の負担する圧縮力 cC と鋼梁の負担する引張力 sT の比を取った。縦軸には合成梁の最大耐力 Mmax と鋼梁の全塑性モーメント sMp もしくは cMp の比を取った。図 2 より t/D、cC/sT と、Mmax/sMp はそれぞれ、
0.13 から 0.34、0.30 から 1.00 と、1.09 から 3.24 の範囲に分布した。Mmax/sMp が 3.24 と高い値を示した
試験体は、床スラブの厚さ 100 mm に対し鋼梁のせいが 300 mm であった。右上に分布した試験体は図2(a)と(b)の場合でそれぞれ 0.62 と 0.58 を示した。このように床スラブの厚さに対し鋼梁のせいが相対的に小さいために高い合成効果を示し、相関関係は。一方、図 3 より Mmax/cMp は t/D または cC/sT との相関関係は見られないが、1.5 以下に留まっており、柱梁接合部に期待する耐力は cMp の 1.5 倍以上であればよいことが分かる。

3.5

3.5

t

3

3

D

2.5
Mmax/sMp

Mmax/sMp

2.5
2
1.5

2
1.5

1

1

0.5

0.5

0
0

0.1

0.2
t/D

0.3

下フランジ破断
下フランジ局部座屈
その他

0

0.4

0

(a)

0.25

0.5
C/
c sT

0.75

1

(b)
図2 合成梁のMmax/ sMp：(a) t/Dでの比較; (b) cC/ sTでの比較

1.5

1.5

Mmax/cMp (指針)2

Mmax/cMp (指針)

2

1

0.5

1

0.5

0
0

0.1

0.2
t/D

0.3

下フランジ破断
下フランジ局部座屈
その他

0

0.4

0

(a)

0.25

0.5

cC/sT

(b)
図3 合成梁のMmax/ cMp：(a) t/Dでの比較; (b) cC/ sTでの比較- 206 -

0.75

1

４

ま と め
合成梁のデータベースを整備し、最大耐力と耐力評価式の比と、断面仕様から得られる指標との関係について検証した。合成梁の最大耐力は鋼梁の全塑性モーメント評価値との比で見ると、仕様の指標と 0.6 程度の相関係数を示した。合成梁の全塑性モーメント評価値で見ると、この相関関係は現れない
が、柱梁接合部に期待する耐力は一定範囲に収まる。今後は、以上の得られた実験結果を追跡する数値解析モデルの検証を重ねる予定である。
参考文献
1) 佐藤史都ら、日本建築学会大会学術講演梗概集、構造 III、pp.1009-1010、2022.9
2) 松宮智央ら、日本建築学会構造系論文集、593、pp.177-184、2005.7
3) 松宮智央ら、日本建築学会構造系論文集、653、pp.1343-1350、2010.7
4) 岡田健ら、日本建築学会構造系論文集、547、pp.161-168、2001.9
5) 岡田健ら、日本建築学会構造系論文集、554、pp.123-130、2002.4
6) 山野辺宏治ら、日本建築学会構造系論文集、487、pp.121-129、1996.9
7) 魚住奈緒美ら、日本建築学会大会学術講演梗概集、構造Ⅲ、pp.743-744、2013.8
8) 福岡大祐ら、日本建築学会大会学術講演梗概集、構造Ⅲ、pp.799-800、2013.8
9) 五十嵐定義ら、日本建築学会論文報告集、333、pp.63-72、1983.11
10) 山野辺宏治ら、日本建築学会構造系論文集、493、pp.91-98、1997.3
11) 見村博明ら、日本建築学会構造系論文報告集、407、pp.61-70、1990.1
12) 見村博明ら、日本建築学会構造系論文報告集、413、pp.31-39、1990.7
13) 見村博明ら、日本建築学会構造系論文報告集、439、pp.153-163、1992.9
14) 松宮智央ら、日本建築学会構造系論文集、598、pp.141-147、2005.12
15) 加藤勉ら、日本建築学会関東支部研究報告集、54、pp.293-296、1983.7
16) 立山英二ら、日本建築学会大会学術講演梗概集、構造Ⅱ、pp.1365-1366、1989.10
17) 北園健一郎ら、日本建築学会大会学術講演梗概集、構造Ⅲ、pp.535-536、1999.9
18) 北園健一郎ら、日本建築学会大会学術講演梗概集、構造Ⅲ、pp.735-736、2000.9
19) 北園健一郎ら、日本建築学会中国支部研究報告集、24、pp.129-132、2001.3
20) 石井匠ら、鋼構造論文集、31、pp.65-79、2001.921) 岡田健ら、日本建築学会構造系論文集、573、pp.185-192、2003.11
22) 田中剛ら、日本建築学会構造系論文集、707、pp.127-136、2015.1
23) 中田秀樹ら、日本建築学会大会学術講演梗概集、構造Ⅲ、pp.759-760、2015.9
24) 島田侑子ら、日本建築学会構造系論文集、724、pp.1005-1014、2016.6
25) ⻘柳克弘ら、日本建築学会大会学術講演梗概集、構造Ⅱ、pp.837-838、2019.9
26) 福岡佑樹ら、日本建築学会大会学術講演梗概集、構造Ⅲ、pp.1371-1372、2014.9
27) 外山ら、日本建築学会大会学術講演梗概集、構造Ⅲ、pp.1091-1092、2022.9
28) 日本建築学会、各種合成構造設計指針、2023- 207 -

深紫外光プロセスによる遷移金属基酸化物半導体の薄膜相制御と構造解析
東京工業大学 物質理工学院

１

松田晃史

はじめに
ニッケルやコバルトなど遷移金属基の酸化物、あるいは ZnO や Ga2O3 などの酸化物はワイドバンド

ギャップ半導体であり、カチオンとアニオンの化学状態や電子・配位構造、異原子価ドーピングなどの組成、結晶やその⽋陥など⻑距離秩序構造に関連して、導電性・磁性・触媒能など多様かつ有⽤な電子機能性を示す。そのことから、これら酸化物のナノ材料、とくに三次元的に揃った結晶配向性をもつエ
ピタキシャル薄膜は、オプトエレクトロニクス、スピントロニクス、パワーエレクトロニクスにおいて
日々その重要性を益している。
こうした酸化物半導体の構造異方性に基づく物性をデバイス等において活⽤するためには、薄膜ナノ材料において多形･酸化状態など結晶相、結晶性や配向性など構造の制御が鍵となる。この観点では、単結晶基板上のエピタキシャル薄膜に加えて、たとえばガラスやポリマーなどアモルファス基板上における高配向薄膜合成は、さらにフレキシビリティや大面積化など新たな展開をもたらすと期待できる。加えて、これら酸化物半導体の物性制御の観点をいれると、複合カチオン･アニオン化や異原子価
ドーピングなどのプロセスも⽤いられてきた。
一方で、酸化物材料は一般に高い融点をもつことから、薄膜合成や結晶配向性･構造制御にも高温を要してきた。そのため拡散反応や基板への熱影響、分相析出、組成成分の再蒸発などを抑制して、界面
急峻性や組成再現性、微細形状制御を得る低温プロセスも意義を増している。こうした酸化物の特徴と要求を考慮し、高い基板温度を⽤いない構造制御、異原子価ドーピングに依らない物性制御を得る
ため、光とくに深紫外光を⽤いた低温、特に室温近傍におけるプロセシングが見出されている。深紫外波⻑の光は波⻑が λ < 300 nm 程度と短く、Ephoton > 4.1 eV に相当する高いフォトンエネルギーをもつ。
この深紫外光の照射による酸化物半導体の結晶性・導電性などの変化について追究することは、応⽤に向けた構造・物性制御に対して重要な知見を与えることができる。
２

研究目的
波⻑ λ<300 nm の深紫外光はワイドギャップ酸化物においても高効率に吸収されるため、これら薄膜材料に照射した際に、その成⻑のエネルギーと秩序構造の形成･制御のためのエネルギーとを分離することが期待できる。さらに、そうした光照射は雰囲気ガスの光吸収による活性化学種を利⽤した表面
化学状態の変化、化学修飾を介して物性制御にも寄与し得る。
本研究では、遷移金属基の酸化コバルト系半導体ならびにワイドギャップ Ga2O3 の薄膜に対する真空
紫外(vacuum-UV; VUV)領域を含む深紫外波⻑のランプおよびレーザーの照射による⻑距離秩序構造の変化について、フロンティア材料研究所が所有する高輝度試料水平多目的 X 線回折装置(SmartLab)を⽤いて見出し、また導電性など物性変化との相関を見出すことを目的とした。

- 208 -

３

研究成果

3.1 酸化コバルトエピタキシャル薄膜の構造・導電性制御
深紫外光による活性酸素種の生成とその効果を鑑み、Co2+からなる CoO 結晶を⽤いて光照射による構造・物性変化を研究した。CoO 薄膜を KrF エキシマレーザー(λ=248 nm)を⽤いた PLD により、α-Al2O3 (0001)上に室温･超高真空中でエピタキシャル成⻑させた後、得られた CoO 薄膜に対して
Xe2*エキシマランプ(λ=172 nm、E~65 mW/cm2)を光源とした光照射を距離 0.5 mm･大気中･室温において行った。Fig. 1 はPLD 後、および光照射後の CoO 薄膜の XRD 2θ-ω 測定結果

Fig. 1 XRD 2θ-ω scan and RHEED results of
CoO (111) epitaxial film after 120 min of
VUV-light irradiation.

と RHEED 像である。PLD 後には CoO{111}回折のみが検出され、また面内 6 回対称性のストリークパターンから CoO(111)エピタキシャル薄膜が得られた。一方で、光照射後の2θ-ω 測定では大きな変化は見られなかったが、RHEED 観察では、二重周期構造への変化を示すストリークパターンが出現し、表面近傍における倍周期構造の形成が示唆された。
が確認された。Fig. 2 は光照射(120 min)前後の in-plane (2θχ/φ)
逆格子マッピング結果である。PLD 後の薄膜では CoO 202ത
回折のみが検出され、基板の面直方位に CoO (111)配向した
エピタキシャル結晶成⻑を確認した。一方で、光照射後ではCoO 202ത 回折強度が低減し、酸化相であり Co2+･Co3+の複合
原子価結晶である Co3O4 404ത 回折が現れた。また Co3O4 404ത
回折の φ 方位の広がりは、CoO 202ത 回折のそれと同等であり、面内の秩序構造と配向性を引き継ぎ、岩塩型 CoO 結晶からスピネル型 Co3O4 結晶へのエピタキシャル構造を保持したトポタクティックな相変化を示唆した。これらの結果
は、真空紫外光によりオゾン O3 に加えて原子状酸素 O(1D)

Fig. 2 In-plane RSM (2θχ/φ) of (a) as-grownand (b) VUV-light irradiated CoO films.

などより高活性な酸素種が生成され、表面近傍領域の構造変化を誘起を示しており、XPS など付加的な化学状態分析
でも検証された。
Fig. 3 は、深紫外線照射による CoO (111)エピタキシャル
薄膜の構造変化に伴う導電率変化を、直流四探針法により測定、紫外線照射時間とともに追跡した結果である。薄膜の抵抗率は>3.7×103 Ωcm から 120 min 後に~1.0×101 Ωcm まで低減し、導電率は 2 桁程度上昇した。この導電率の顕著な変化は、表面近傍における導電性 Co3O4 結晶への構造変化と合致した。以上から、遷移金属基酸化物半導体薄膜である

Fig. 3 Electric conductivity changes of CoO(111) epitaxial film plotted as a function of
VUV-light irradiation time.

酸化コバルト系に着目し、深紫外ランプ照射による構造変化と物性変化の相関が見出された。

- 209 -

3.2 ポリマー基板上 Ga2O3 薄膜の配向結晶化
さらに、n 型半導体でもある ZnO をバッファ層に用い、ワ
イドギャップ半導体 Ga2O3 薄膜をフレキシブル基板上にて配向結晶化する合成プロセスも研究した。フレキシブルな
シクロオレフィンポリマー(COP)基板上に、非晶質 Al2O3,
t~1 μm)、結晶 ZnO (t~50 nm)、非晶質 Ga2O3 (t~100 nm)を、順に室温で PLD 成長させた。続いて得られた薄膜に対して、
秩序構造形成のために KrF エキシマレーザー(λ=248 nm)を表面から非集光で照射(E~150 mJ/cm2)し、エキシマレーザー
アニーリング(ELA)を行った。Fig.4 は、ELA 前後の薄膜にFig. 4 Reciprocal space maps of layered amoGa2O3 / ZnO / amo-Al2O3 // COP films
grown by PLD and after ELA.

ついて Ga2O3 / ZnO (0001) / Al2O3 // COP 積層膜の逆格子マップ測定結果である。ELA 前では ZnO (0001)
配向結晶のみ検出された一方、ELA 後は β-Ga2O3 (2ത 01)一軸配向結晶化が示された。また、β-Ga2O3 4ത 02の低角側にみられた低強度のスポットは ZnGa2O4 222 回折である。十分な厚さをもつ非晶質 Al2O3 層はエキシマレーザー照射による COP 基板の熱･光劣化抑制に寄与し、結晶 ZnO 層は Ga2O3 薄膜と僅かな界面反応が生じて核形成することにより、β-Ga2O3 (2ത 01)配向固相結晶化のシード層として寄与していることが明らかになった。さらに、バルク結晶に対し格子定数変化や体積膨張もみられ、ミリ秒単位の時間での急速加熱、結晶化、急冷による熱応力や欠陥の影響についてはさらなる研究が必要である。

４

ま と め
真空紫外(vacuum-UV; VUV)領域を含む深紫外波⻑の低温光照射プロセスにより、酸化物半導体薄膜の構造･物性制御、ならびに結晶成⻑および固相結晶化に伴う配向性制御を研究した。酸化コバルト系
半導体では Co2+からなる CoO (111)エピタキシャル薄膜へのエキシマランプ照射(λ = 172 nm)により、表面近傍における Co2+･Co3+からなるスピネル型 Co3O4 (111)へのエピタキシャル構造を維持した結晶
相変化、および構造再構成に伴う 102 程度の導電率向上を見出した。また非晶質 Al2O3 層･結晶 ZnO 層等を導入したフレキシブル COP 基板上において、非晶質 Ga2O3 薄膜のエキシマレーザーアニーリング(λ = 248 nm)を行い、⻑距離秩序形成を誘起する固相結晶化と結晶配向性の制御を介して β-Ga2O3 (2ത 01)
一軸配向薄膜をポリマー基板の劣化を抑制して合成可能であることを見出した。今後は、電子機能性
セラミックス薄膜の構造・物性制御における要素技術として創出するため、更なる光照射プロセスの条件探索を進め、構造と物性との相関を系統的に追究する。

文献情報
[1]

Kenta Kaneko, Tomoaki Oga, Satoru Kaneko, Takayoshi Katase, Mamoru Yoshimoto, Akifumi Matsuda,“Buffer-free epitaxial growth of ZnO(0001) thin films at room temperature by tetramethylammoniumhydroxide pretreatment of α-Al2O3(0001) substrates”, J. Ceram. Soc. Jpn., 131, 383–388 (2023).

[2]

Kenta Kaneko, Qiao Yuchi, Satoru Kaneko, Momoru Yoshimoto, Akifumi Matsuda, “Structural andelectrical properties modification of epitaxial NiO(111) films in surface reigon by vacuum-ultraviolt lightirradiation” (in preparation).

- 210 -

鋼構造制振建物におけるダンパー力が合成梁の挙動に及ぼす影響に関する研究
工学院大学

１

松田頼征

はじめに

制振建物は、人命を守るだけでなく建築機能のθ

保持にも優れていると考えられ、ダンパーを着実に取付けられる鋼構造建物に多く適用されてい層間変形による挙動る。ダンパーを取付けた構面（以下、制振構面）

Fdはその対角に設けたガセットでダンパーを連結する形式が典型であり、その挙動は層間変形によるものとダンパー力によるものの複合挙動であ

鋼構造制振建物ることが知られている（図 1）。

２

Fd
ダンパー力による挙動

図 1 制振構面の挙動

研究目的

本研究は、制振構面のダンパー力がスラブに及ぼす影響を載荷実験と数値解析から明らかにし、これらに基づいて解析モデルの構築法を示し、合理的な評価法を確立するためのものである。本年度は、ス
ラブが取付く制振構面にダンパー力のみを与えた載荷実験を実施し、層間変形のみを与えた実験 1)を比
較して、その力学挙動を把握する。

３

研究成果

図 2 に試験体形状と歪計測計画を示す。試験体は 1/2 倍に縮小した柱を含む 1 スパンの部分架構である。試験体はスラブの有無にパラメータを設けた 2 体であり、スラブを打設していな

1500

い状態で弾性変形のみを与えた後、スラブを打H-200×100×5.5×8設した。鉄骨部分は、H-200×100×5.5×8（SN490B）の鋼梁、□-175×175×9（BCR295）の鋼管柱、厚□-175×175×9

さ 9mm のガセットプレートと様々なスチフナ（SN490A）で構成される。スラブは山高 25mm、

図 2 試験体形状と歪計測計画

板厚 0.8mm のデッキプレートに 50mm の等厚コ
ンクリートと、餅網配筋された D10 の異形鉄筋で構成される。コンクリートは Fc=21N/mm2 として調合された普通コンクリートを使用する。スラブ幅は各種合成構造設計指針で定められる有効幅の 2 倍（1200mm）である。頭付きスタッド（軸径 10mm、呼び長さ 50mm は、鉄骨梁のウェブ直上に 75mm 間- 211 -

隔に 1 本ずつ配置され、ガセットプレートがある右側梁端には配置されない。スタッド本数は 24 本であり、完全合成梁として必要な本数（15 本）に対して 1.6 倍である。
試験体の柱、梁、載荷梁の歪、パネル、ガセッ

鉄骨フレーム

反力壁

トプレート、スラブ内の鉄筋の歪を計測してい梁引張る。パネル、ガセットプレートとガセットプレ𝐹ートが取り付く断面の鋼梁ウェブは三軸ゲージ
梁圧縮

梁圧縮

を使用し、他断面は単軸ゲージを使用している。

試験体
オイル
ジャッキ

𝐹

図 3 に実験のセットアップを示す。試験体の下

ピン治具

梁引張

部ではピン治具を介して試験体を反力床に緊結している。上部ではピン治具を介して試験体を

図 3 実験セットアップと力学モデル

鉄骨フレームに緊結している。1000kN オイルジ

ャッキは治具を介して反力床、反力壁に緊結し、各ガセットプレートにスプライスプレートを介して高力ボルト摩擦接合した。鉄骨フレームの柱の変形を抑えるため、鉄骨フレーム上部の治具と、反力壁とオイルジャッキを介している鉄骨を治具で緊結している。
載荷はオイルジャッキからガセットプレートとフィンスチフナの交点に作用させ、片側 Fd＝50kN ず
つ加力し最大 Fd＝350KN まで実施した。これはスラブなし、スラブ付きの状態で同じである。梁圧縮
方向を正側、梁引張方向を負側とする。350kN は実大 5 層制振建物の震動台実験 4)で計測されたダンパー軸力の 1.4 倍相当であり、その梁軸方向成分は鋼梁の降伏軸力の 28％である。また、計測した 4 か所のピン支点での絶対変位から、水平方向と鉛直方向の変形角はほぼゼロであった。
図 4 にスラブ付き試験体の梁圧縮 Fd=350kN 時
における曲げモーメント図と軸力図を示す。合成
梁に作用する曲げモーメントは、柱の歪ゲージか0ら算出される曲げモーメントとダンパー力による偏心曲げの釣合いから算出した。Fd 実験では合

50

kNm

(a) θ 実験 (θ=+1/200) (b) Fd 実験 (Fd=+350kN)
図 4 架構の曲げモーメント図成梁に主に正曲げが作用している。
図 5 にコンクリートスラブ内の鉄筋から計測された歪値に基づく、スラブの歪分布を示す。
参考に本実験と同じ試験体に層間変形のみを与えた実験の結果 1)も併せて示す。以後、ダンパ

B1 断面

B2 断面

B3 断面

B5 断面

B6 断面

B4 断面

ー力のみを与えた実験を Fd 実験、層間変形のみを与えた実験を θ 実験とする。θ 実験と Fd
実験共に歪分布は、梁端付近では鋼梁ウェブ直上付近で最大値を取り、スラブ端に向けて減少

B7 断面

B8 断面
𝜃実験

図 5 コンクリートスラブ歪分布する凸形であり、梁中央付近の断面（B5, B6

𝐹 実験断面）では一様な分布に近づく。
B5

図 6 に図 5 のスラブ歪から求めた有効幅を示

B6

B3

B8
設計指針

す。スラブの有効幅は計測された歪分布と同じ面
右ガセット端積と歪の最大絶対値を有する長方形と定義した。
θ 実験と Fd 実験共に、有効幅は梁端から梁中央

左柱面- 212 -

図 6 有効幅分布

θ 実験
Fd 実験

にかけて増大する傾向にあり、梁中央付近で各種合成構造設計指針で算出される有効幅(600mm)程度となった。また、B5, B6 断面以外では大きな差異はなく、B5, B6 断面において 1.6 倍の差異が生じているが、鋼梁とスラブの平面保持を仮定して算出される断面二次モーメントと全塑性モーメントでは 1.1～1.2 倍程度の小さい差異であることを確認している。
合成梁に作用する応力の釣合いから梁軸力の作用線位置を算出する。図 7に合成梁の応力を示す。合成梁に曲げモーメント Mb と軸力 Nb が作用し、鋼梁に曲げモーメント Ms と軸力 Ns、スラブに軸力 Nc が作用する。これらの釣図 7 合成梁の応力合い、及び鋼梁図心から梁軸力の作用線位置までの距離 d は次式で表せる。
Mb = Ms + Nsd – Nc(yc - d), Nb = Ns + Nc, d = {Mb – Ms + (Nb - Ns)yc}/Nb(4a-c)

ここで、Mb, Nb は柱の歪値と Fd に基づいて柱梁交点での力の釣合いから算出し、Ms, Ns はそれぞれ鋼梁に作用するモーメントと軸力で歪ゲージから算出し、𝑦c は鋼梁図心からスラブ図心までの距離である。スラブの曲げ剛性が鋼梁のものより極めて小さいため、スラブの曲げモーメントを無視する。
図 8 に梁軸力の作用線位置と合成梁の図心B3位置の分布を示す。ガセットの取り付いていない部分の鋼梁の歪計測断面で算出した。作

B5

B6

e

B8

d
左柱面

右ガセット端用線位置 d は、概ね鋼梁図心から 20mm 付
近で梁引張時、梁圧縮時で大きな差は見られ

図 8 梁軸力の作用線位置と合成梁図心位置なかった。合成梁図心 e は鋼梁とスラブの平MN面保持を仮定し、スラブの有効幅（図 6）を用いて算出した。梁軸力による偏心曲げ MN
Mb

は合成梁図心と梁軸力の作用線位置の差 e-dに梁軸力 Nb を乗じた MN=Nb(e-d)で求められ

Mtotal

図 9 合成梁に作用する曲げモーメントる。図 9 に左右柱梁交点から求まる合成梁の曲げモーメント分布を示す。柱梁交点から求まる曲げモーメント Mb は梁圧縮時に正曲げだったが、偏心曲げを加えると負曲げとなる。Fd 実験のみで考えれば、MN は合成梁に作用する曲げモーメントの大きさを小さくしているが、層間変形による曲げモーメ
ントを含めて考えると曲げモーメントを大きくし、見かけ上で梁耐力を低下させる場合もある。また、MN によって曲げ変形が増大し、ひいては見かけ上の梁剛性が低下することが考えられる。今後、軸力による偏心曲げについて検討する。

４

ま と め
スラブを有する制振構面にダンパー力のみを与える実験を実施し、得られた歪挙動、及び層間変形のみを与えた実験との比較から力学挙動を把握した。以下に得られた知見をまとめる。
1.

ダンパー力のみを与えた実験と層間変形のみを与えた実験のスラブの歪分布は、概ね同じ形状であり、スラブの有効幅分布も概ね等しい。

2.

合成梁の応力の釣合い、及び歪計測結果から梁軸力の作用線を評価した。これに基づき軸力による偏心曲げモーメントを評価し、これが梁耐力と梁剛性に影響を及ぼすことが示唆された。

参考文献
1)

横山 航汰、松田頼征：鋼構造制振建物の合成梁に梁継手が及ぼす影響に関する実験研究,日本建築学会大会
学術講演梗概集, 2022.9- 213 -

異常格子熱膨張を示す遷移金属ジルコナイドの開発と物性評価
東京都立大学理学研究科

１

水口佳一

はじめに
負の熱膨張やゼロ熱膨張を示す異常熱膨張材料は，熱膨張の影響がない素子やデバイスに有用であり，世界中で研究開発が進められている．我々は 2022 年に，超伝導体である CoZr2 が負の線熱膨張（c 軸）を示すことを見出した[1]．超伝導体であり，かつ広い温度域で体積ゼロ熱膨張の材料を開発できれば，素子界面の温度サイクル耐性が向上し，高性能デバイスの開発につなげられる．また，同様のジルコナ
イド FeZr2 においても巨大な負の線熱膨張を示すことが報告されており[2]，その起源の一つが 8 meV程度の光学フォノンが持つ負のグリュナイゼンパラメータであることが示唆されていた．遷移金属ジ
ルコナイドの異常熱膨張の起源解明のために，さらなる熱膨張特性評価やフォノン解析がもとめられ
ていた．
２

研究目的
本研究では，正方晶系 CuAl2 型構造を持つ遷移金属ジルコナイド CoZr2, NiZr2, FeZr2, およびそれらの固溶系において，熱膨張係数（X 線回折による）および基礎物性を評価し，さらに比熱や音速の測定，フォノン計算から上述の光学フォノンと異常熱膨張の関連を探ることを目的とした．また，本系における体積ゼロ熱膨張実現に向けた物質開発も目的とした．
３

研究成果
CoZr2, NiZr2, FeZr2, およびそれらの固溶系（Co1-xNixZr2）の比熱測定を行い，格子比熱 Clat/T3 の解析から 8 meV 程度のエネルギーを持つ光学フォノンの寄与の抽出に成功した．負の線熱膨張を示す CoZr2
および FeZr2 においては明確なショットキー比熱がみられた．一方，正の熱膨張を示す NiZr2 では光学フォノンがソフト化し，ピーク構造は消えていった．この傾向は固溶系の解析から系統性を見出すことができている．論文[2]で示された光学フォノンの重要性を示唆する結果と言える．一方，トルコ Gazi
大学とのコラボで行った CoZr2, NiZr2, FeZr2 のフォノン計算からは，各バンドのグリュナイゼンパラ
メータが正になってしまう結果となり，論文[2]とは矛盾する結果となった．比熱と音速測定から見積もったデバイ温度の変化は，フォノン計算と矛盾せず，またフォノン計算から行った超伝導転移温度計算も実験値と矛盾しない結果だったため，我々のフォノン計算は信頼性が高いと考えられる．以上の結果論文原稿を執筆中であり，近日中に投稿予定である．さらに，SPring-8 (BL10XU)にて CoZr2 の熱膨張係数を高圧下で測定したところ，c 軸の負の熱膨張は高圧下でも維持され，a 軸の正の熱膨張係数が減少し，その結果として体積熱膨張係数が小さな負の値を示すことを見出した(図 1)[3]．今後，さらなる物質開発によって常圧下でも負の体積熱膨張やゼロ体積熱膨張を示すジルコナイドの開発を行う．

- 214 -

４

ま と め
CoZr2, NiZr2, FeZr2, およびそれらの固溶系（Co1-xNixZr2）の比熱測定から，8 meV の光学フォノンと負の線熱膨張の相関が見出された．一方で，フォノン計算から得られたグリュナイゼンパラメータは正であり，本系の異常熱膨張の理解にはさらなる研究が必要である．高圧下実験から，CoZr2 が圧力下で負の体積熱膨張を示すことを見出した．
引用文献[1] Y. Mizuguchi, Md. R. Kasem, Y. Ikeda, J. Phys. Soc. Jpn. 91, 103601 (2022).
[2] M. Xu et al., Nat. Commun. 14, 4439 (2023).
[3] Y. Watanabe et al., Adv. Electron. Mater.2024, 2300896 (2024).

図 1. CoZr2 の熱膨張係数（(a) a: a 軸，(b)c：c 軸，(c)：体積）の圧力依存性．

- 215 -

The Japan-Korea-Taiwan Joint Seminar on Earthquake Engineering for
Building Structures (SEEBUS)
Project Coordinator Name: Atsushi SATO
Affiliation: Nagoya Institute of Technology
１ Introduction
Korea, Taiwan, and Japan are organizing international workshops to share the latest knowledge on the
structural safety of buildings, particularly under seismic actions. This year, the host country is Taiwan, andthe workshop will be hosted by the National Taiwan University of Science and Technology (Taiwan TECH)
in 2023.

２ Aims of Research
Seismic activity can often exceed expected intensity levels and cause damage to building structures. Ensuring
the structural safety of buildings is a critical objective in the field of research. The latest research findings
will be shared among three countries, and a discussion will be held to analyze them.

３ Results
Over the course of two days, each country made 10 presentations on the primary structural materials used inreinforced concrete and steel structures, totaling 30 presentations.

４ Conclusion / Summary
Fruitful discussions were held during the workshop, with active participation and questions. It was agreed
that the next workshop would take place in Seoul, Korea.

- 216 -

2023 年 ⽇中韓−⾼層建築フォーラム株式会社 竹中工務店
１

中井 政義

はじめに
本フォーラムは、CTBUH（Council on Tall Buildings and Urban Habitat：高層ビルと都市居住協議会、本部は米国シカゴ）のアジアでの活動の一環として、中国、韓国、日本の学識経験者、構造エンジニアを中心に開催されている国際会議であり、2023 年 7 月 7 日（金）に東京工業大学・大岡
山キャンパスにおいて開催された。本フォーラムは 2014 年に上海で始まって以来、新型コロナウ
ィルスの流行で中止となった 2020 年を除き、毎年開催されており、今回で 9 回目を数える。

２

研究目的
本フォーラムは、高層建築に関する最新の研究、構造設計事例など様々な取り組みについて、日中韓３か国で情報の共有を図るとともにそれらに関する議論を行うことを主目的とする。今回は“Topics in Various Specialized Fields Related to Tall Buildings”のテーマを掲げ、各国から構造に限らず様々な専門分野での最新の開発技術やプロジェクト事例が紹介された。

３

研究成果
フォーラム当日は、各国代表からの開会挨拶に続き、田村幸雄教授（重慶大学）の基調講演、並びに日中韓 3 か国からそれぞれ３件、さらに昨年の CTBUH 技術論文（IJHRB）最優秀賞を受賞した
オーストラリアの Kenny Kwok 教授を迎えて、合計 11 件の講演が行われた。最近の潮流となっている性能設計、AI や DX に関する最新の取り組み事例等が紹介され、参加者にとって非常に有意義な会議となった。以下に、各講演者と講演のタイトル、及び講演の概要を示す。
【基調講演】
Yukio Tamura（Professor, Chongqing University）：“Aerodynamic Characteristics of Super
Tall Buildings with Unconventional Configurations”
高層建物の形態と風力特性（建物全体や外装材に作用する風荷重、風揺れに対する居住性能等）の関係性について、一連の風洞実験結果に基づく研究成果が紹介された。
(1-1) Akihiko Osawa（Associate Professor, Toyo University）：“The Birth and Development ofHigh-rise Buildings in Japan: Historical Development in Building Regulations”
日本における高層建築の誕生と発展の歴史について、主に建築法規制の側面から概観した内容について紹介された。
(1-2) Do Yong Um（Vice President, SIAPLAN Architects & Planners）： “Conversion Vertical
Platform: Changdong Sanggye Start-Up And Culture Industry Complex"- 217 -

スタートアップ文化や地域のレジャーインフラの基盤開発を目指したソウル市内の都市再生事業と高層建物の設計競技について紹介された。
(1-3) Xinzheng Lu（Professor, Tsinghua University）： “Generative Artificial Intelligence for
Structural Design of Tall Buildings”
敵対的生成ネットワーク（GAN）とグラフニューラルネットワーク（GNN）という２種類の生成
AI を活用した高層建築の構造設計手法について紹介された。
【IJHRB 受賞講演】
Kenny Kwok（Professor Emeritus, The University of Sydney）：“Designing for Occupant
Comfort for Wind-excited Tall Buildings - Recent Progress”
高層建築の強風に対する居住性能評価に関するこれまでの研究と最新の動向について紹介された。
(2-1) Congzhen Xiao（Chief Engineer, China Academy of Building Research）： “Development andPractice of Performance-based Seismic Design of High-rise Buildings in China”
中国における高層建築の耐震性能設計の現状と、指定降伏モードと部材の必要靭性に基づく最新の設計手法の進展について紹介された。
(2-2) Takaaki Udagawa（Structural Engineer, Associate, Nikken Sekkei Ltd）
： “Structural Designof a Building with High Damping Provided by Deformation Amplification Mechanisms andTuned Viscous Mass Dampers”
高さ 70 メートルの鉄骨造オフィスビルにおいて、変位増幅機構と同調粘性マスダンパーを用いて高減衰化を図った構造設計事例が紹介された。
(2-3) Myung Sik Lee（Professor, Dongguk University）： “A Study on the Implementation of AIbased Integrated Smart Fire Safety (ISFS) System in Public Facilities”
Min Jae Park（Assistant Professor, Pukyong National University）：“The First Performancebased Structural Fire Design for Office Building in Korea”
AI 技術を活用した公共施設の火災安全統合システムと、CFT 柱と薄鋼板複合梁から成る 20 階建
オフィスビルの耐火性能設計事例が紹介された。
(3-1) Ayako Yasutomi（Senior Manager, Shimizu Corporation）：“DX Challenge in Azabudai Hills”「麻布台ヒルズ」に完成した日本で最高の高さ（約 330m）となる、地上 64 階の「メインタワー」
における生産性向上と品質確保を狙いとした DX への取り組み事例が紹介された。
(3-2) Peng Liu（Arup Fellow, Director, Beijing office, Arup）：“Case Study on the Seismic Design
Strategy for Post-quake Functional Buildings in China”
中国において、地震発生後の機能維持に関する規定が定めたことを受け、同規定を満たすための
耐震設計の考え方と検討事例が紹介された。
(3-3) Se Jun Jang（Assistant Professor, Kunsan National University）：“Implementation of Multitrade Prefabrication Focused on MEP System”
設備システムを対象とした BIM ベースのマルチトレードプレファブ工法について、生産性や経済的メリット等を分析した結果が紹介された。

- 218 -なお、フォーラム前日（7/6）には、海外からの参加者と「日本鋼構造協会／CTBUH 対応小委員会（本フォーラムの主催団体）」委員によるテクニカルツアーを実施した。このツアーでは「虎ノ門・麻布台プロジェクト（正式名称は麻布台ヒルズ）」の作業所を訪問し、上述した約 330m の A 街区／
メインタワー（正式名称は「森ＪＰタワー」）、建設中の B-2 街区／東棟、C 街区／商業棟等を視察し、作業所の担当者より工事概要・現況の説明を受けた。

４

ま

と

め

今回のフォーラム参加者は、ZOOM での参加者を含め 120 名程度に上り、各講演に対して活発なディスカッションが行われた。閉会時には韓国の Prof. Sang Dae Kim（CTBUH 元会長（2009～2011年））と和田章・東京工業大学名誉教授（CTBUH 対応小委員会主査）より、4 年ぶりに一堂が会して有意義な討議ができたことについて感謝の意が伝えられ、フォーラムは成功裡にその幕を閉じた。

日本代表（中井政義）の開会挨拶

Prof. Kenny Kwok の講演

フォーラムにおける質疑応答

和田章・東京工業大学名誉教授の閉会挨拶「虎ノ門・麻布台プロジェクト」作業所の視察状況- 219 -

卓越した機能発現を目指した
セラミックプロセッシングに関するワークショップ
静岡大学

１

脇谷 尚樹

はじめに

近年、世界的な規模でエネルギーや環境に対する意識が高まりつつあるが、この『意識』と『実現』を橋渡しするものが高い性能を有するセラミックス材料の開発である。例えば、太陽光を高い効率で電気に変換するためには新しい高効率の太陽電池の開発が必要であるが、太陽電池はシリコン、カルコパ
イライト、二酸化チタンといったセラミックスから構成されている。また、最近、圧電体を並べたマットを人間が踏むことによって電気を発電する『発電床』等が開発されているが、圧電体は典型的なセラミックスである。特に圧電体については近年の環境意識の高まりを受けて毒性のない非鉛系の新しいセラミックスの開発が進められている。セラミックスはプロセッシングを制御することにより特性を大きく変化させることが可能である。例えば、圧電体や磁性体には異方性があり、特定の方位に結晶の方位を制御することにより最高の性能を実現することが可能になる。また、単に方位を制御するのみな
らず、応力等の外的な要因を与えることによりその性能はさらに高めることが可能になる。本ワークシ
ョップはこの分野の第１人者であるフロンティア材料研究所の片瀬貴義准教授を受け入れ教員、静岡大学大学院工学研究科の脇谷尚樹教授を代表者として申請したものである（2011 年度より継続して開
催）。
２

研究目的

本ワークショップでは、薄膜、微粒子、バルク等幅広い形態の種々の機能性セラミックスについてプ
ロセッシングを最適化することにより卓越した機能を発現させることを目指している。この目的を達成するため、本ワークショップでは多くのセラミックスの研究者によってプロセッシングが結晶構造、微構造、ナノ構造、バンド構造やその他の物性に及ぼす影響について議論・検討を行う。
３

研究成果

本年度はコロナ禍以前の開催頻度と時期に戻すことができ、令和５年７月２２日（第３回）および 9月３０日（第４回）に東京工業大学・大岡山キャンパスの講義室を使って、計２回の研究会を開催した。

◆第３回ナノ材料研究会
若手研究者である谷口貴章先生（物質・材料研究機構）に新規参加していただき、塩田先生（岡山大学）と大野先生（北見工業大学）を含めて合計３名の先生にご講演をいただいた。11 名の参加者によりセラミックス材料のナノシートやナノコーティングに関して非常に活発な議論がなされ、４時間の研究会は非常に充実したものとなった。その講演日時を以下に記載する。

- 220 -

日時：2023 年 7 月 22 日（土） 14:00〜17:30
場所：大岡山キャンパス南 7 号館 2 階 201 講義室
講演者（敬称略）・講演題目：
１．谷口 貴章（物質・材料研究機構）「液相剥離ナノシートの構造解析・制御」
２．塩田 忠 （岡山大学）「水溶液中で超低摩擦を示す炭化ケイ素系コーティング」
３．大野 智也（北見工業大学）「ナノコーティング技術を用いた電池材料の開発」

第３回ナノ材料研究会 集合写真

◆第４回ナノ材料研究会
若手研究者である渕上先生（名古屋工業大学）に新規参加していただき、松田先生（東京工業大学）と坂元先生（静岡大学）を含めて合計３名の先生にご講演をいただいた。11 名の参加者により、セラ
ミックスナノ粒子の合成や薄膜結晶配向性の制御およびその作製技術に関して非常に活発な議論がなされ、４時間の研究会は非常に充実したものとなった。その講演日時を以下に記載する。
日時：2023 年 9 月 30 日（土） 13:30〜17:30
場所：大岡山キャンパス南 7 号館 2 階 201 講義室
講演者（敬称略）・講演題目：
１．渕上 輝顕（名古屋工業大学）「酸化物ナノ階層構造体の液相合成と触媒・センサ応用」
２．松田 晃史（東京工業大学）「レーザープロセスによる酸化物半導体薄膜の結晶配向性制御とフレキシブル基板への展開」
３．坂元 尚紀（静岡大学）「STEM モアレを活用したエピタキシャル薄膜の面内・面外配向度評価」- 221 -

第４回ナノ材料研究会 集合写真

４

ま と め

本年度は４年ぶりに研究会を２回、対面開催することができた。それぞれ、ともに参加者は 11 名であったが、すべての講演に関してほぼ全員からの質問・コメントがあり、非常に熱のこもった議論がなされた。興味深い研究について深く議論したことで、研究の幅が広がった・新しい知見を得られた、などの意見が寄せられ、非常に有意義な研究会となった。さらに、今年度だけで合計５名の新しい若手研
究者にご参画いただくことができ、共同研究なども含めて研究会の益々の発展が期待される。以上のよ
うに、研究会の参加者にもたいへん好評であることから、今後も継続して研究会の開催及び共同利用研
究として継続させて頂きたい。

- 222 -

「共同研究に関わる既発表論文一覧」

この「共同研究に関わる既発表論文一覧」は、当研究所の共同利用研究の成果および動向を知るために、2022・2023 年度共同利用研究代表者に対して共同利用研究に関わる論文を学会誌等に発表した論文著書等を調査し、収録したものです。（2024 年 4 月調査）

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◆ 横浜国立大学

石田 孝徳"Cyclic loading tests of CFT columns subjected to bi-directional horizontal forces with small amplitude" Takanori
Ishida, Yang Dong, Shoichi Kishiki, Satoshi Yamada；12th International Symposium on Steel Structures (12ISSS)◆ 横浜国立大学

一柳 優子"Magnetic Properties and XAFS Analysis of PEG-Coated Gd-Doped ZnO Nanoparticles"

Kazune Nii,Hiroki

Amano,Kentarou Ohara,Kenta Nakazawa,Takeshi Sakamoto,Tomomasa Moriwak,Yohei Fujita,Yuko Ichiyanagi；
IEEE Transactions on Magnetics"Harmonic response of Gd-doped Mn-ferrite nanoparticles under AC magnetic field and optimization of Gd doping for
MPI applications" T. Sakamoto, K, Nii, Y Fujita, T. Moriwaki, H. Amano, R. Abe, Y. Ichiyanagi；AIP Advances◆ 東京都立大学

梶原 浩一"Lithium-ion-conducting glass-ceramics of a boron-containing alkali sodalite Li8B6Si6O24Cl2"
M. Ishijima, K. Kanamura, K. Kajihara；J. Ceram. Soc. Jpn.

H. Arima, N. Tezuka,"Poly(cyclohexylsilsesquioxane)-based hydrophilic thermoset-resistant deep-ultraviolet-transparent glasses with low
melting temperatures" K. Kajihara, R. Suzuki, R. Seto, H. Itakura, M. Ishijima；ACS Appl. Mater. Interfaces◆ 応用ながれ研究所

糟谷 紘一｢核融合用材料の損耗過程の・その場測定法に関する最近の試み｣ 糟谷紘一、川路均、徳永和俊、平等拓範；2023年度NIFS共同研究夏の合同研究会（筑波大学開催）、（１）多様なイオン種・励起状態を含む周辺プラズマの壁との相互作用を考慮した高精度シミュレーションの検討研究作業会(第1回)と（２）境界
プラズマ領域における多相間相互作用の総合的理解研究会(第1回)｢プラズマ対向材料損耗のその場測定：予備実験の結果と将来計画｣
拓範；第19回クエスト研究会（九州大学応用力学研究所開催）、

糟谷紘一、川路均、徳永和俊、平等｢レーザー等照射に付随する生体損傷の極小化の医療診断への応用に向けて｣ 糟谷紘一、川路均、徳永和
俊、平等拓範；第1回医療フォトニクスシンポジウム～フォトニクスの医療応用を加速させるには～（大阪大学・銀杏会館開催）◆ 名古屋大学

片山 尚幸"Zigzag chain order of LiVSe2 developing away from the vanadium trimer phase transition boundary" K. Kojima, N.
Katayama, K. Sugimoto, N. Hirao, Y. Ohta, and H. Sawa；Physical Review B"Observation of local atomic displacements intrinsic to the double zigzag chain structure of 1T−MTe2 (M=V, Nb, Ta)"N. Katayama, Y. Matsuda, K. Kojima, T. Hara, S. Kitou, N. Mitsuishi, H. Takahashi, S. Ishiwata, K. Ishizaka, and H.
Sawa；Physical Review B"Metastable ordered states induced by low-temperature annealing of δ−Ag2/3V2O5" T. Kubo, K. Kojima, N.
Katayama, T. Runčevski, R. E. Dinnebier, A. S. Gibbs, M. Isobe, and H. Sawa；Physical Review B- 224 -

◆ 岡山大学

狩野 旬"Skewed electronic band structure induced by electric polarization in ferroelectric BaTiO3" Norihiro Oshime, Jun
Kano, Eiji Ikenaga, Shintaro Yasui, Yosuke Hamasaki, Sou Yasuhara, Satoshi Hinokuma, Naoshi Ikeda, PierreEymeric Janolin, Jean-Michel Kiat, Mitsuru Itoh, Takayoshi Yokoya, Tatsuo Fujii, Akira Yasui & Hitoshi Osawa；
Scientific Reports｢強誘電体の電子構造─反電場効果により傾斜するバンド構造─｣太郎・日隈聡士・保井晃；セラミックス

狩野旬・押目典宏・池永英司・安井伸｢強誘電体チタン酸バリウムの電気分極に誘起されたバンド傾斜構造の観測｣

押目典宏、狩野旬；放射光"Skewing of electronic band along the direction of electric polarization in ferroelectrics" Jun Kano, Norihiro Oshime；
SPring-8 Research Frontiers 2020
｢強誘電体の傾斜したバンド構造―絶縁体描像から極性半導体描像へ｣
井伸太郎；日本物理学会誌◆ 大阪公立大学

狩野旬, 押目典宏, 池永英司, 安萱沼 洋輔"Quantum interference of electron-phonon coupled states in semiconductors using phase-locked femtosecond pulses(conference paper)" K. G. Nakamura, I. Takagi and Y. Kayanuma；International Conference on Matamaterials,
Photonic Crystals and Plasmons, 888 (2023)｢単一電子のBerry ring透過 - tight binding model｣
大会講演概要集◆ 龍谷大学萱沼洋輔、Maseim B. Kenmoe；日本物理学会2023年年次

木村 睦"Thermoelectric Effect of Ga-Sn-O Thin Films for Internet-of-Things Application" Yuhei Yamamoto, Naoki Shibata,Tokiyoshi Matsuda, Hidenori Kawanishi, and Mutsumi Kimura；IEICE Trans. Electron., Vol. E107-C, No. 1, Jan.
2024, to be published"Neuromorphic System using Crosspoint-type TaOx/Ta Memristors and Direct Device Training for Associative
Memory" Mutsumi Kimura, Ryo Tanaka, Shihori Akane, Isao Horiuchi, Yasushi Hiroshima, and YasuhikoNakashima；IEEE Trans. Electron Devices, Vol. 70, Issue: 9, pp. 4635-4640, Sep. 2023
"In-Ga-Zn-O Memristor with Double Layers of Different Oxygen Vacancy Densities and Long-Term Memory towards
Neuromorphic Applications" Tetsuya Katagiri, Tokiyoshi Matsuda, Hidenori Kawanishi, and Mutsumi Kimura；Jpn.
J. Appl. Phys., Vol. 62, No. 5, 058002, May 2023
｢薄膜メムデバイスとニューロモルフィックシステム｣ 木村 睦；日本学術振興会 R025 先進薄膜界面機
能創成委員会 第１８回研究会 「情報通信技術における消費電力マネージメント」, 2024年4月"Thin-Film Memdevices and Neuromorphic Systems" Mutsumi Kimura；The 12th RIEC International Symposiumon Brain Functions and Brain Computer, SS4-1, Feb. 2024"【招待講演】Neuromorphic System using Memristor Array − Application Example of Phase-Change Memory using
Cu2GeTe3 –" Mutsumi Kimura, Shihori Akane, Isao Horiuchi, Yasushi Hiroshima, and Yasuhiko Nakashima；
PCOS 2023, Nov. 2023"【招待講演】Character Inference Learning for Stacked Neuromorphic Devices using IGZO Thin Films" Etsuko
Iwagi and Mutsumi Kimura；IEEE Electron Devices Society Kansai Chapter 第23回 関西コロキアム電子デバイス
ワークショップ, 2023年10月- 225 -

"【招待講演】Synaptic Characteristics of Ferroelectric Capacitors for Neuromorphic Systems" Yuma Ishisaki,
Osuke Tanaka, Takumi Kuwahara, Hidenori Kawanishi, and Mutsumi Kimura；IEEE Electron Devices Society Kansai
Chapter 第23回 関西コロキアム電子デバイスワークショップ, 2023年10月"【招待講演】Thin-Film Memristors & Memcapacitors for 3D Integration of Neuromorphic Systems - Display
Technology for Electronics Applications !!" Mutsumi Kimura, Yuji Miyato, Hidenori Kawanishi, Michihiro Shintani,
Mami N. Fujii, Tokiyoshi Matsuda, Yusaku Magari ；SID Taipei Chapter, Student Chapter, IEEE Tainan Section,
Sep. 2023【招待講演】「酸化物半導体薄膜デバイスによるニューロモーフィックシステム」 木村 睦；JST
SICORP 日本-台湾研究交流 応用物理学会トータルバイオミメティクス研究会 新材料・新原理で築く
ニューロモルフィックシステム, 2023年8月"Fabrication of Ga-Sn-O Thin Film Device by Mist CVD and the Application to Spiking Timing Dependent Plasticity(STDP)" Kazuma Uno, Hodehito Kita, Atushi Horiuchi, Tokiyoshi Matsuda, Hidenori Kawanishi, and Mutsumi
Kimura；IMFEDK 2023, Nov. 2023
"Characteristics of Non-Volatile Charge Trap Memory based on a-IGZO TFTs with Hf0.5Zr0.5O2 as a Gate Insulator"
Taiyo Shinoda, Yuki Kawasaki, Ren Deguchi, Tokiyoshi Matsuda, Hidenori Kawanishi, and Mutsumi Kimura；
IMFEDK 2023, Nov. 2023
"Initial State Dependent Neuromorphic Device on Resistance Change of a-IGZO Memristor combined with Capacitor"
Kunimoto Masaya, Kazuki Sawai, Kenta Yachida,Tokiyoshi Matsuda, Hidenori Kawanishi, and Mutsumi Kimura；
IMFEDK 2023, Nov. 2023
"ReRAM using Al-Sn-O Film formed by Mist CVD Method" Arashi Dakeyama, Ryo Ito, Seiya Nakagawa, Hidenori
Kawanishi, and Mutumi Kimura；IMFEDK 2023, Nov. 2023
"Switching Characteristics of a-IGZO-based 3-layer ReRAM" Tsuguyoshi Nakaso, Ryo Ito, Tokiyoshi Matsuda,
Hidenori Kawanishi, and Mutumi Kimura；IMFEDK 2023, Nov. 2023
"Reset Operation of Thin-Film Neuromorphic Devices integrating a Memristor and a Capacitor" Kazuki Sawai,
Kenta Yachida, Yoshiya Abe, Tokiyoshi Matsuda, Hidenori Kawanishi, and Mutsumi Kimura；IMFEDK 2023, Nov.
｢ミストCVD法によるGa2O3薄膜メモリスタのアナログ特性｣ 伊藤良, 杉崎澄生, 嶽山嵐, 中川聖也, 松田
時宜, 河西秀典, 木村睦；薄膜材料デバイス研究会 第20回研究集会, pp. 85-87, 2023年11月"Spiking Neuromorphic System using Memcapacitors and Pulse Accumulation Circuits" Atsushi Sawada, Reon
Oshio, Mutsumi Kimura, Renyuan Zhang, and Yasuhiko Nakashima；2023 International Symposium on Nonlinear
Theory and its Applications, NOLTA 2023, pp. 124-127, Sep. 2023
"Thin-Film Memristors and Memcapacitors for 3D Integration of Neuromorphic Systems" Mutsumi Kimura, Shu
Shiomi, Norito Komai, Etsuko Iwagi, Tomoharu Yokoyama, Yuma Ishisaki, Tokiyoshi Matsuda, and Hidenori
Kawanishi；IEEE SOCC 2023, pp. 303-308, Sep. 2023
"Novel Thin-Film Neuromorphic Devices integrating Memristors and Capacitors" Kenta Yachida, Yoshiya Abe,
Kazuki Sawai, Tokiyashi Matsuda, Hidenori Kawanishi, and Mutsumi Kimura；AM-FPD ’23 pp. 232-233, July 2023
"Amorphous Ga-Al-O Thin Film Double-layer Memristor with Different Oxygen Density fabricated by Mist CVD
Method" Ryo Ito, Sumio Sugisaki , Arashi Dakeyama, Tokiyoshi Matsuda, Hidenori Kawanishi, and Mutsumi
Kimura；AM-FPD ’23 pp. 182-183, July 2023
"Memcapacitor-type Synapse and AC Driving Scheme for Ultra-low Power Consumption Neuromorphic Systems"
Takumi Kuwahara, Yuma Ishisaki, Hiroki Umemura, Hiroyuki Nishinaka, Mutsumi Kimura, and YasuhikoNakashima；ICONS 2023, Aug. 2023

- 226 -

◆ 金沢大学

國峯 崇裕"Single-Bead Microstructures of an AlCrFeCoNi High Entropy Alloy Processed by the Laser Directed Energy
Deposition" Kholqillah Ardhian Ilman, Yorihiro Yamashita and Takahiro Kunimine；Advances in Science andTechnology｢レーザ指向性エネルギー堆積法で造形したWC-HEA超硬合金の微細組織と硬度｣ 海老原魁人, 桜井健也,
山下順広, 安井伸太郎, 國峯崇裕；日本金属学会2023年秋期（第173回）講演大会概要集◆ 愛媛大学

斎藤 全"Effect of iron substitution on electronic conductivity of bismuth sesquioxide glasses" K. Mitsui, Z. Hu, K. Hanzawa,T. Katase, H. Hiramatsu, and A. Saitoh；Journal of Applied Physics◆ 東京都市大学

焦 瑜"Post-earthquake Mechanical Properties of Structural Steel at Elevated Temperatures" Yu Jiao, Satoshi Yamada,
Mamoru Kohno, Shoichi Kishiki；Proceedings of 12th International Symposium on Steel Structures◆ 名古屋大学

竹中 康司｢巨大負熱膨張材料：研究の進展と展望｣

竹中康司；粉体および粉末冶金 70(8) (2023) 361-370｢Zn2P2O7の構造相転移を活用した負熱膨張材料の開発｣ 春日井涼太, 門脇義史, 片山尚幸, 平井大悟郎,
竹中康司；粉体および粉末冶金 70(8) (2023) 371-375◆ 名古屋大学

谷口 博基"Antiferroelectricity of titanite-type oxide SrTiGeO5 and its potential for power electronics applications"
T. Kuwano, M. Hagiwara, K. Natori, K. Deguchi, and H. Taniguchi；Applied Physics Letters

T. Uohashi,"Re-estimation of Maxwell-Wagner relaxation for novel absorbers via (Ta+Ga)-doped rutile-type TiO2 ceramics withvarious valence proportions and sintering temperatures" T. Kuwano, Y. Hashimoto, K. Deguchi, and H. Taniguchi；
Journal of Alloys and Compounds"Controlling dielectric properties of Nb + X (X = Al, Ga, In) co-doped and Nb-doped rutile-type TiO2 single crystals"
S. Kakimoto, Y. Hashimoto, T. Kuwano, K. Kimura, K. Hayashi, M. Hagiwara, K. Deguchi, and H. Taniguchi；
Journal of Matererials Chemistry C◆ 福岡大学

塚越 雅幸｢ケイ酸塩系含浸材の浸透および吸水防止効果に及ぼす素地モルタルの性質の影響｣
幸, 中山一秀, 櫨原弘貴；2023 年度（第63 回）九州支部研究報告- 227 -

浦川奈実, 塚越雅

◆ 豊橋技術科学大学

仲田 章太郎｢あと施工アンカーを用いた増打ちによる露出柱脚の被災後補修 その1 要素実験の計画と結果の概要｣
永松孝太郎，髙橋淳平，仲田章太郎，松井智哉，吉敷祥一；日本建築学会大会学術講演梗概集｢あと施工アンカーを用いた増打ちによる露出柱脚の被災後補修 その2 ひび割れ耐力、最大耐力および残存耐力の評価｣ 髙橋淳平，永松孝太郎，仲田章太郎，松井智哉，吉敷祥一；日本建築学会大会学術講演梗概集"Study on Seismic Repair by Retightening of Anchor Bolts of Exposed Column Base Part 2. Effect of the unbalanced
repair of exposed column bases on non-structural walls." Ramos William，仲田章太郎，齊藤大樹；日本建築学会大会学術講演梗概集"NUMERICAL STUDY ON SEISMIC REPAIR BY RETIGHTENING ANCHOR BOLTS FOCUSING ON SAFETYVERIFICATION AGAINST AFTERSHOCKS" S. Nakada, W. Ramos, T. Saito；Proceedings of 18th World
Conference on Earthquake Engineering｢露出柱脚のアンカーボルトを対象とした締め直しによる被災後補修に関する解析的検討
その1 不完全な締め直しが行われた露出柱脚の余震に対する安全検証｣ 仲田章太郎、齊藤大樹；日本建築学会大会学術講演梗概集｢塗装や錆がアンカーボルト等の締め直しにおける施工性に与える影響｣
築学会技術報告集◆ 東北大学

仲田章太郎、吉敷祥一；日本建

永沼 博"Ferroelectric polycrystalline Bi2SiO5 thin films on Pt-covered Si substrates prepared by pulsed laser deposition
combined with post-annealing" H. Takahashi, S. Maruyama, H. Naganuma (責任著者), H. Taniguchi, R. Tahakashi,
S. Yasui , K. Kaminaga, Y. Matsumoto；Journal of Alloys and Compounds◆ 東京工業大学

中村 一隆"380-keV Ar+ rradiation effects on optical phonons in graphite studied with transient reflection measurement"
Tetsuya Kimata, Taichi Kato, Itsuki Takagi, Yuma Konno, Hiroyuki Okazaki, Shunya Yamamoto, Tetsuya Yamaki,
Kazutaka G Nakamura；Journal of Applied Physics"Stimulated Raman bloackade in coherent phonon generation"
Nakamura；Solid State Communications

Itsuki Takagi, Yosuke Kayanuma, Kazutaka G"Ultrafast quantum path interferometry to determine the electronic decoherence time of the electron-phonon coupledsystem in n-type gallium arsenide" Itsuki Takagi, Yosuke Kayanuma, Kazutaka G Nakamura；Phsyical Review B◆ 京都大学

野瀬 嘉太郎"Effect of crystal growth conditions on carrier lifetime and lattice defects in the solar absorber material ZnSnP2"
Sumiyoshi, Y. Nose；Journal of Applied Physics◆ 物質・材料研究機構

原田 尚之"Sputter-grown c-axis-oriented PdCoO2 thin films" T. Harada*, T. Nagai, M. Oishi, Y. Masahiro；Journal ofApplied Physics- 228 -

I.

◆ 北海道大学

福地 厚"Significant effects of epitaxial strain on the nonlinear transport properties in Ca2RuO4 thin films with the currentdriven transition" Keiji Tsubaki, Masashi Arita, Takayoshi Katase, Toshio Kamiya, Atsushi Tsurumaki-Fukuchi, andYasuo Takahashi；Japanese Journal of Applied Physics"Thickness-dependent intergrowth of Ruddlesden–Popper impurity structures in solid-phase epitaxial growth of
Ca2RuO4 thin films" Atsushi Tsurumaki-Fukuchi, Takayoshi Katase, and Toshio Kamiya；Journal of the CeramicSociety of Japan◆ 東北大学

前田 匡樹"RESPONSE PREDICTION AND DAMAGE EVALUATION OF A REINFORCED CONCRETE STRUCTURE
BASED ON LIMITED SENSOR DATA AND THE KALMAN METHOD" Zhuoran YI，Ayumi OONO，Jonathan
MONICAL，Masaki MAEDA；コンクリート工学年次論文集｢RC造建物の構造健全性評価のための観測記録に基づく性能曲線の補正法と性能曲線を用いた被災度区分判定法の検討｣ 大野歩美，易卓然，前田匡樹，鈴木裕介；コンクリート工学年次論文集"Response prediction of an RC building using analytical model updated with sesmic response observation
dataPart 3: Application to cases with difference between real behavior and analytical model" 易卓然，大野歩美，前田匡
樹，Jonathan Monical，鈴木裕介，関松太郎；日本建築学会大会学術講演梗概集｢地震応答観測データに基づき補正した解析モデルによる RC 造建物の応答推定
その２ 検討用解析モデルの概要と異なる地震波に対する適用｣ 大野歩美，易卓然，前田匡樹，Jonathan
Monical，鈴木裕介，関松太郎；日本建築学会大会学術講演梗概集"UPDATING OF PERFORMANCE CURVE OF AN EQUIVALENT SINGLE-DEGREE-OFFREEDOM SYSTEMAND DAMAGE LEVEL CLASSIFICATION BASED ON SEISMICRESPONSE OBSERVATION" Zhuoran YI，Ayumi OONO，Jonathan MONICAL，Masaki MAEDA and Matsutaro
SEKI；構造工学論文集 Vol.70B◆ 豊橋技術科学大学

松井 智哉｢壁筋比の異なる鉄筋コンクリート造袖壁付き柱の静的加力実験｣
ンクリート工学年次論文集

江野雄大，曽根瑠人， 松井智哉；コ｢壁筋比の異なる鉄筋コンクリート造袖壁付き柱に関する実験的研究
その１：実験概要および水平荷重－変形角関係｣ 松井智哉，江野雄大；日本建築学会学術講演梗概集｢壁筋比の異なる鉄筋コンクリート造袖壁付き柱に関する実験的研究
その２：復元力特性モデルと降伏時変形｣ 江野雄大，松井智哉；日本建築学会学術講演梗概集- 229 -

◆ 東京工業大学

松田 晃史"Buffer-free epitaxial growth of ZnO(0001) thin films at room temperature by tetramethylammonium hydroxide
pretreatment of α-Al2O3(0001) substrates" Kenta Kaneko, Tomoaki Oga, Satoru Kaneko, Takayoshi Katase,
Mamoru Yoshimoto, Akifumi Matsuda；Journal of the Ceramic Society of Japan"Room-temperature fabrication of epitaxial ZnO thin films on polymer substrates coated with a seed layer of exfoliatedβ-Ga2O3 single-crystal thin sheets by pulsed laser deposition" Tomoaki Oga, Satoru Kaneko, Yutaka Majima,
Hisashi Miyazaki, Akifumi Matsuda, Mamoru Yoshimoto；Journal of the Ceramic Society of Japan"Fabrication of highly-oriented β-Ga2O3 thin film on ZnO/AlOx-buffered cyclo-olefin polymer substrate by excimer
laser annealing at room temperature" Ryoya Kai andTomoaki Oga, Kazuki Watanabe, Satoru Kaneko, Akifumi
Matsuda, Mamoru Yoshimoto；Japanese Journal of Applied Physics"Crystallinity improvement of room-temperature PLD-deposited ZnO thin films on cyclo-olefin polymer substrates
subject to surface-pretreatment with vacuum-UV-light irradiation" Tomoaki Oga, Ryoya Kai, Naho Kaneko, Hisashi
Miyazaki, Satoru Kaneko, Akifumi Matsuda, Mamoru Yoshimoto；Journal of Crystal Growth"Vacuum-ultraviolet-light irradiation induced phase transition of Cobalt oxide epitaxial films at room-temperature"
Kenta Kaneko, Qiao Yuchi, Satoru Kaneko, Mamoru Yoshimoto, Akifumi Matsuda；MRM2023"Fabrication of uniaxially oriented β-Ga2O3 thin films on flexible polymer substrates by UV laser annealing at room
temperature" Ryoya Kai, Tomoaki Oga, Satoru Kaneko, Mamoru Yoshimoto, Akifumi Matsuda；MRM2023"Lowering in Resistivity and Ultra-Flattening of AZO Thin Films on Cyclo-Olefin Polymer Substrates via SubstrateSurface Modification for Flexible Optoelectronics" Tomoaki Oga, Ryoya Kai, Hisashi Miyazaki, Satoru Kaneko,
Akifumi Matsuda, Mamoru Yoshimoto；2022 MRS Fall Meeting and Exhibits"Phase-Selective Heteroepitaxy of Tetravalent-Doped Ruddlesden-Popper Structure Lan+1NinO3n+1 Thin Films"
Akifumi Matsuda, Yuki Goto, Kazuya Kawamura, Kenta Kaneko, Satoru Kaneko, Mamoru Yoshimoto；2022 MRS
Fall Meeting and Exhibits"Room-Temperature Fabrication of Highly-Oriented β-Ga2O3 Thin Film on ZnO/AlOx-Buffered Cyclo-Olefin
Polymer Substrate via Excimer Laser Annealing of Amorphous Thin Film" Ryoya Kai, Tomoaki Oga, Satoru
Kaneko, Akifumi Matsuda, Mamoru Yoshimoto；2022 MRS Fall Meeting and Exhibits"Electric Conductivity and Structural Modification of Cobalt Oxide Epitaxial Thin Film at Surface by Excimer
Vacuum-Ultraviolet Light Irradiation" Kenta Kaneko, Hiroki Shoji, Tomoaki Oga, Yuchi Qiao, Satoru Kaneko,
Mamoru Yoshimoto, Akifumi Matsuda；2022 MRS Fall Meeting and Exhibits"Influence of atomic-scale thermal-nanoimprint patterning and surface modification of the polymer substrate on growthof functional oxide thin films" Tomoaki Oga, Hisashi Miyazaki, Satoru Kaneko, Akifumi Matsuda, Mamoru
Yoshimoto；NNT2022"Rapid Solid Phase Epitaxy of Wide-Bandgap oxide Semiconductor thin films by way of excimer laser processing"Akifumi Matsuda；IUMRS-ICAM2022"Electric conductivity and structure of epitaxial pure NiO thin films controlled by post-depositional irradiation of
vacuum-ultraviolet light" Kenta Kaneko, Hiroki Shoji, Tomoaki Oga, Satoru Kaneko, Mamoru Yoshimoto, Akifumi
Matsuda；IUMRS-ICYRAM 2022
"Room-temperature heteroepitaxy of functional oxide nanomaterials with the use of excimer laser processing"Akifumi Matsuda；IUMRS-ICYRAM 2022
"Epitaxial growth of aliovalent-doped Ruddlesden-Popper phase layered La3Ni2O7 thin films on LaAlO3 substrates"
Yuki Goto, Shohei Hisatomi, Kenta Kaneko, Tomoaki Oga, Satoru Kaneko, Mamoru Yoshimoto, Akifumi Matsuda；
IUMRS-ICYRAM 2022

- 230 -

"Rapid oriented crystallization of β-Ga2O3 thin films on flexible polymer substrates by excimer laser annealing"
Ryoya Kai, Kazuki Watanabe, Kenta Kaneko, Tomoaki Oga, Satoru Kaneko, Mamoru Yoshimoto, Akifumi Matsuda；
IUMRS-ICYRAM 2022
｢Fe2O3バッファー層を用いた紫外レーザーアニーリングによるα-Al2O3(0001)基板上Ga2O3薄膜のエピタ
キシャル固相結晶化｣ 甲斐稜也, 沼田拓実, 金子智, 吉本護, 松田晃史；第71回応用物理学会春季学術
講演会｢真空紫外光照射を用いた機能性酸化物エピタキシャル薄膜の構造・導電性変化｣
子智, 吉本護, 松田晃史；日本セラミックス協会 2024年年会｢La3Ni2O7エピタキシャル薄膜のPLD合成と水素熱処理による構造・物性変化｣
子智, 吉本護, 松田晃史；第42回電子材料研究討論会

金子健太, 喬宇馳, 金

河村和哉, 金子健太, 金｢真空紫外線照射による亜酸化銅エピタキシャル薄膜の表面構造変化と導電性向上｣
山中悠生, 金子智, 吉本護, 松田晃史；第42回電子材料研究討論会

喬宇馳, 金子健太,｢不純物ドープ非晶質Ga2O3薄膜へのエキシマレーザー照射による室温固相結晶化と照射条件が与える構造・特性への影響 ｣ 沼田拓実, 甲斐稜也, 金子智, 松田晃史, 吉本護；第84回応用物理学会秋季学術講演会｢真空紫外光励起酸素によるCoO薄膜の非加熱トポタキシャル相変化｣
護, 松田晃史；第84回応用物理学会秋季学術講演会

金子健太, 喬宇馳, 金子智, 吉本｢アモルファス酸化ニオブ系薄膜におけるエキシマレーザー照射による導電性制御｣
金子智, 松田晃史, 吉本護；第84回応用物理学会秋季学術講演会

大澤樹, 金子健太,｢ELAによるポリマー基板上Ga2O3配向薄膜の作製と結晶構造解析｣ 甲斐稜也, 沼田拓実, 金子智, 吉本
護, 松田晃史；第39回 日本セラミックス協会 関東支部研究発表会｢PLD法による酸化タングステンエピタキシャル薄膜の合成と価数制御｣ 加藤礼雄, 金子健太, 金子智,吉本護, 松田晃史；第39回 日本セラミックス協会 関東支部研究発表会｢p/n半導性制御のための不純物ドープβ-Ga2O3薄膜の室温固相結晶化に向けたエキシマレーザーアニール
プロセスの検討｣ 沼田拓実, 甲斐稜也, 大賀友瑛, 金子智, 松田晃史, 吉本護；第70回応用物理学会春季学術講演会｢酸化銅エピタキシャル薄膜の真空紫外光照射による構造・物性変化｣
子智, 吉本護, 松田晃史；第70回応用物理学会春季学術講演会｢LaNiO3エピタキシャル薄膜の構造・物性への4価ドーピング効果｣
子智, 吉本護, 松田晃史；第70回応用物理学会春季学術講演会

喬宇馳, 金子健太, 庄司拓貴, 金

河村和哉, 後藤裕己, 金子健太, 金｢還元型酸化タングステン薄膜のパルスレーザー堆積および導電性評価｣
太, 金子智, 吉本護, 松田晃史；第70回応用物理学会春季学術講演会

加藤礼雄, 庄司拓貴, 金子健｢新規熱電材料創製に向けた不純物添加非晶質酸化バナジウム系薄膜のUV光照射等による構造・ 電気特性制御｣ 大澤樹, 庄司拓貴, 金子健太, 金子智, 松田晃史, 吉本護；第70回応用物理学会春季学術講演会｢ポリマー基板上へのワイドギャップβ-Ga2O3配向性結晶薄膜のレーザーアニール室温合成｣
沼田拓実, 大賀友瑛, 金子智, 松田晃史, 吉本護；日本セラミックス協会 2023年年会

甲斐稜也,｢真空紫外光励起酸素によるエピタキシャル酸化コバルト薄膜の室温トポタキシャル相変化｣ 金子健太,
庄司拓貴, 喬宇馳, 大賀友瑛, 金子智, 吉本護, 松田 晃史；日本セラミックス協会 2023年年会｢La3Ni2O7エピタキシャル薄膜のアニールによる構造制御｣
本護, 松田晃史；第42回電子材料研究討論会- 231 -

後藤祐己, 河村和哉, 金子健太, 金子智, 吉｢深紫外レーザーアニーリングによるポリマー基板上の酸化ガリウム薄膜の固相配向結晶化｣
沼田拓実, 金子健太, 大賀友瑛, 金子智, 吉本護, 松田晃史；第42回電子材料研究討論会｢シクロオレフィンポリマー基板への表面修飾がAZO薄膜の電気特性に与える影響｣金子智, 松田晃史, 吉本護；第83回応用物理学会秋季学術講演会

甲斐稜也,

大賀友瑛, 宮﨑尚,

｢室温でのエキシマレーザーアニーリングによる不純物ドープβ-Ga2O3薄膜の固相エピタキシャル成長と特性評価｣ 沼田拓実, 甲斐稜也, 大賀友瑛, 金子智, 松田晃史, 吉本護；第83回応用物理学会秋季学術
講演会｢La3Ni2O7薄膜のエピタキシャル成長と還元アニールによる層状構造制御｣
太, 金子智, 吉本護, 松田晃史；第83回応用物理学会秋季学術講演会｢酸化スズ薄膜の室温PLD合成と一軸圧縮熱処理による固相結晶化｣
子智, 吉本護, 松田晃史；第83回応用物理学会秋季学術講演会

後藤祐己, 河村和哉, 金子健

加藤礼雄, 庄司拓貴, 金子健太, 金｢PLD合成したアモルファス酸化バナジウム系薄膜の紫外光照射及び一軸圧縮熱処理による電気特性制御｣
大澤樹, 庄司拓貴, 金子健太, 金子智, 松田晃史, 吉本護；第83回応用物理学会秋季学術講演会｢室温でのエキシマレーザーアニールにより作製した酸化物緩衝層付きポリマー基板上のβ-Ga2O3配向膜の構造及び光学特性の評価｣ 甲斐稜也, 沼田拓実, 大賀友瑛, 金子智, 松田晃史, 吉本護；第83回応用物理学会秋季学術講演会｢一軸圧縮熱処理によるVxOyエピタキシャル薄膜のトポケミカル還元合成｣
太, 金子智, 吉本護, 松田晃史；第83回応用物理学会秋季学術講演会

庄司拓貴, 加藤礼雄, 金子健｢真空紫外光照射によるエピタキシャル酸化コバルト薄膜の結晶相変化｣ 金子健太, 庄司拓貴, 喬宇馳,
大賀友瑛, 金子智, 吉本護, 松田晃史；第83回応用物理学会秋季学術講演会｢シクロオレフィンポリマー基板上ZnO薄膜の低温PLD結晶成長に与える物理・化学的な基板表面修飾の効果｣ 大賀友瑛, 宮崎尚, 金子智, 松田晃史, 吉本護；日本セラミックス協会 第35回秋季シンポジウム｢エピタキシャル酸化コバルト薄膜の構造・物性に及ぼす真空紫外光照射の影響｣ 金子健太, 庄司拓貴,
大賀友瑛, 喬宇馳, 金子智, 吉本護, 松田晃史；日本セラミックス協会 第35回秋季シンポジウム◆ 名城大学松田 和浩｢ロッキング機構を付与したCLT制振架構の開発研究
1層1スパン架構の静的載荷実験による検証｣ 松田和浩, 増田顕, 角田裕介, 坂田弘安；構造工学論文集｢CLTロッキング架構における引きボルト接合型柱梁接合部の構造性能評価｣
日本地震工学シンポジウム

増田顕, 松田和浩；第16回｢壁柱の一般部弾性圧縮変形に着目したCLTロッキング壁柱の構造性能評価
永井聡, 増田顕, 犬塚千聖, 松田和浩；日本建築学会大会学術講演梗概集

その1

実験概要と実験結果｣｢壁柱の一般部弾性圧縮変形に着目したCLTロッキング壁柱の構造性能評価
田顕, 犬塚千聖, 松田和浩；日本建築学会大会学術講演梗概集

その2

評価手法と結果｣

増"Mechanical Behaviour of Column Bases for CLT Rocking Frames" Akira MASUDA, Kazuhiro MATSUDA； 17th
World Conference on Timber Engineering (WCTE2023)◆ 東京都立大学

水口 佳一"Superconductivity in Indoped AgPbBiTe3 compounds synthesized by high-pressure synthesis" T. Sawahara, H.
Arima, T. Katase, A. Yamashita, R. Higashinaka, Y. Mizuguchi；Physica C- 232 -

◆ 愛知工業大学

森 竜雄"Fabrication of Polystyrene-Added Perovskite Solar Cells" Koichi Okamoto, Tomoki Oyama, Fumiya Sato, Noriyuki
Taoka, Yusuke Ichino, Yoshiyuki Seike, Seiichiro Izawa, Yutaka Majima, Tatsuo Mori；The 11th International
Conference on Molecular Electronics & Bioelectronics (M&BE11)◆ 名古屋大学

矢野 力三"Transport Properties of Magnetically doped Topological Insulator Fe-BiSbTe 2Se"
Hishiro T. Hirose, Takao Sasagawa, and Satoshi
Kashiwaya；JPS Conference Proceedings

Tsuyoshi Tanda, Rikizo Yano,"Andreev Bound States and Doppler Shift in La1.85Sr0.15CuO4/Au Junctions" Hironori Teshima, Kang Donguhn,
Takashi Sakamori, Rikizo Yano, Yuya Hiramatsu, Shun Tamura, Keiji Yada, Yukio Tanaka, Takao Sasagawa, Satoshi
Kashiwaya；JPS Conference Proceedings"Evidence of unconventional superconductivity on the surface of the nodal semimetal CaAg1−xPdxP" Rikizo Yano,
Shota Nagasaka, Naoki Matsubara1, Kazushige Saigusa1, Tsuyoshi Tanda, Seiichiro Ito, Ai Yamakage, Yoshihiko
Okamoto, Koshi Takenaka and Satoshi Kashiwaya；Nature Communications◆ 量子科学技術研究開発機構

八巻 徹也"Ultrafast phonon dynamics in surface-polished glassy carbon" Itsuki Takagi (Tokyo Tech), Yuma Konno (Tokyo
Tech), Tetsuya Kimata (Tokyo Tech, QST), Kazutaka G. Nakamura (Tokyo Tech)；33rd International Conference on
Diamond and Carbon Materials"Coherent optical phonons in HOPG modified by Ar-ion irradiation" Tetsuya Kimata (Tokyo Tech, QST), Taichi
Kato (Tokyo Tech), Itsuki Takagi (Tokyo Tech), Yuma Konno (Tokyo Tech), Hiroyuki Okazaki (QST), Shunya
Yamamoto (QST), Tetsuya Yamaki (QST), Kazutaka G. Nakamura (Tokyo Tech)；33rd International Conference on
Diamond and Carbon Materials"380-keV Ar+-irradiation effects on optical phonons in graphite studied with transient reflection measurement"
Tetsuya Kimata (Tokyo Tech, QST), Taichi Kato (Tokyo Tech), Itsuki Takagi (Tokyo Tech), Yuma Konno (Tokyo
Tech), Hiroyuki Okazaki (QST), Shunya Yamamoto (QST), Tetsuya Yamaki (QST), Kazutaka G. Nakamura (Tokyo
Tech)；Journal of Applied Physics◆ 東京農工大学

山本 明保"Super-strength permanent magnets with iron-based superconductors by data- & researcher-driven process design" A.
Yamamoto, S. Tokuta, A. Ishii, A. Yamanaka, Y. Shimada & M. D. Ainslie；npg Asia Materials- 233 -

フロンティア材料研究所

２０２３年度共同利用研究報告書

発行日：2024 年 6 月 30 日

編集・発行：

東京工業大学 科学技術創成研究院 フロンティア材料研究所

問合せ： 東京工業大学 科学技術創成研究院 フロンティア材料研究所
共同利用推進室〒226-8501

横浜市緑区長津田町 4259 R3-27

TEL：045－924－5968
FAX：045－924－5978
e-mail：suishin@msl.titech.ac.jp
ホームページ：https://www.msl.titech.ac.jp
東京工業大学と東京医科歯科大学が統合し、2024 年 10 月に東京科学大学が誕生します。