MRS-J NEWS Vol.35 No.2 June 2023

ForthetheInterdisciplinary
Interdisciplinary Materials
Materials Research
Research
For

Vol.312019
Vol.35 No.4
No.2November
June 2023

発行© 一般社団法人
日本
MRS
事務局
発行
© 一般社団法人
日本
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横浜市中区山下町
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産業貿易センタービル
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045-263-8538
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｜ やあ こんにちは ｜
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こんにちは |||||||||||||||| やあ

MRS ネットワークを活用した燃料電池材料研究 24 年間
物質科学が直面している課題に多様性を大切にして取り組む
もり しげさと とし
ゆきゆうぞう

国立研究開発法人物質・材料研究機構エネルギー環境材料研究拠点上席研究員
青山学院大学 大学院 理工学研究科 機能物質創成コース 教授森 重里 利
有之三
今日まで物質科学は幅広い分野で様々な課題に取り組み、多くの方々の独創的な研究や粘り強い研究開発に
MRS-J 30 周年の年に、巻頭言を掲載させていただく機会を得たことを、光栄に感じております。時がたつのはよってたくさんの問題を克服してきました。しかし高度に発展してきた科学技術が生み出した多くの切実な、そし
実に速いもので、小職が大学を卒業し、民間会社で10 年間の職務経験をへて、現在の国立研究開発法人に異動して深刻な問題に私達は直面しています。カーボンニュートラルやSDGs（Sustainable Development Goals：持続て、あしかけ 24 年の歳月がすぎました。
国立研究開発法人に異動した翌年、新たな研究課題の設定のもと、研究成果を発信する場を探していたおり、一可能な開発目標）を実現するために果たさなければならない様々な研究テーマへの取り組みは、現在、待ったな

森

利之氏

しげさと ゆうぞう

重 里 有三 氏

01 やあ こんにちは
MRS ネットワークを活用した燃料電池材
料研究 24 年間
森 利之
目次
02 研究所紹介
01 やあ こんにちは
東北大学多元物質科
物質科学が直面してい学研究所 新機能無る課題に多様性を大切
機物質探索研究センにして取り組む
ター 有三
重里
山根久典
02 研究所紹介
04地方独立行政法人
研究トピックス神奈川県立産業技術
木質バイオマス発電
総合研究所（KISTEC）
事業における燃焼灰
電子デバイス系グループの有効利用に関する金子  智
調査
04 岡部敏弘
研究トピックス
第一原理計算と機械学習
06によご案内
る無機材料の設計・
探索
08 宗宮賞
大場 史康

09 ご案内
新刊紹介
07
09 To
Tothe
theOverseas
Overseas
08
MembersofofMRS-J
MRS-J
    Member

08
10 編集後記
編集後記

番最初に目についた場所が、1997 年に幕張で開催された IUMRS-ICA でした。当時、国の研究所の材料研究成果しの状態です。より効果的に研究・開発を進めていく体制として、筆者は様々な意味での「多様性」に配慮し大は、やはりなんとか、世界にむけて発信したいという思いがありましたが、あまり手持ちの研究費もなく、国内開催の国際会議を探しておりましたおり、この IUMRS-ICA 1997 が目にとまったので、ポスター発表をさせていただ
液晶パネルや有機 EL パネルを駆動するための薄膜トランジスタ（TFT）材料として、東京工業大学の細野・きました。当時は、一人か二人でも、世界の研究者の目にとまれば、まずはそれで十分という思いでおりましたと
神谷教授らによって提案されたインジウム（In）、ガリウム（Ga）、亜鉛（Zn）の複合酸化物のアモルファス薄膜
ころ、目の前に、とてもダンディーな白人の研究者が現れました。彼が、そののち20 年来の研究仲間になる、豪（a-IGZO）が実用化されています。従来はアモルファスシリコン（a-Si）の薄膜が使用されていましたが、a-IGZO
州クイーンズランド大学電子顕微鏡センター副センター長の John
Drennan 准教授（当時）でした。
とても、人懐こい笑顔で、かつとても簡単な英語で質問をしていただいたおかげで、すっかり、その場で仲間意
は -a-Siよりも電子の移動度が 20 ～ 50 倍も大きく TFT 回路の小型化や配線の微細化が可能になり、より高精識ができ、打ち解けました（Drennan 先生のお人柄かもしれません）。
細で、高開口率の平面型ディスプレイを作製することができます。これは、それぞれ In, Ga, Zn の元素としての「君の仕事はとても面白い。ユニークだ。でも、微細構造との関係がわからないと、発展しないと思う。ぜひ、異なる「個性」により、アモルファスの酸化物中で助け合い、補い合い、融合して理想に近い半導体特性を実私のもとに来なさい。いつでも歓迎する」といって、なぜか日本人風に名刺を渡してくれました。おりしも、長期）は錫（Sn）をドープした
ITO などの最も高性能現している、と考えることができます。酸化インジウム
2 O31999
在外研究先も探していた時であったことから、その 2 （In
年後の
年の秋から
1 年間、豪州政府給費生として、クな透明導電膜材料として有名ですが、これは伝導帯が主として
In のTEM
5S 軌道からできており、実空間で球対称
イーンズランド大学電子顕微鏡センターにおいて、自らの試料の分析による微細構造観察をはじめることになりました。この共同研究を通して、その後の20 年間に、共著で 60 報を超える論文を国際誌で公表することがでに広がって重なり合っているため電子の「高速道路」が形成され移動度が大きくなると考えられています。これに先生が教授に昇任され、電子顕微鏡センターのセンター長に就任されたあとは、クイー
Znきました。また、Drennan
が数十％混ざると、アモルファスのIn2O3 の結晶化温度が 160℃から 500℃以上に上がり、アモルファス状態
ンズランド大学に来やすいようにとの配慮から、クイーンズランド大学としては初めてとなる日本人 Adjunct Proで非常に安定な物質となります。酸化インジウム亜鉛（IZO）はアモルファスの透明導電膜としても実用化されてfessor にも 9 年間任命をしていただきました。加えて、この連携の枠組みを通して、数多くのポスドクや学生がいます。IZO の場合はアモルファスであり、Sn 等の不純物ドーピングが効かないため、酸素空孔がすべてのキャ育っていき、その多くは、IUMRS、MRS-J 及びその他の学会（例えば、Solid State Ionics）から若手奨励賞を受賞
リア（ドナー）を出していると考えられます。これを TFT の半導体として活用するためには、電界が OFF の状
し、今は各分野のキーパーソンとして活躍しています。
態でキャリア濃度ができるだけ小さくなる必要がありますが、酸素との結合エネルギーが大きなGa をさらに加えまた、この連携の枠組みの中における議論から、微細構造の観察結果を、モデリング手法を用いて考察し、その結果を合成手法の高度化に役立てる取り組みを行うことが、今後は重要になるという指摘がなされたことから、理ることで酸素空孔によるキャリア生成を抑制することができ、安定な
n 型のアモルファス酸化物半導体薄膜である論の方とも国際共同研究に関する覚書を交わすことになりました。こうした研究の取り組み姿勢がきかっけにな
a-IGZO が完成されました。この様に考えると、a-IGZO はまさに各元素の異なる個性による多様性を十全にり、TEM 観察や放射光施設を活用した燃料電池材料研究に加え、国研が保有する量子ビームを活用した燃料電池
生かしたダイバーシティ材料と呼ぶことができそうです。
材料研究や、理論、キャラクタリゼーション及び合成を融合した燃料電池材料研究といった、先導的国家プロジェ
様々な新聞やニュースで、日本からパブリッシュされた注目度の高い論文の数がここ 10-20 年では海外の先進クトにも参加する機会を得たことは、その後の小職の研究成果の基盤づくりに大きな助けとなったことは言うまで国と比較し減少しており、その他国際的な科学技術成果の発信力も低下してきているという記事が散見されます。
もありません。
つまり、IUMRS や MRS-J の枠組みを利用することがなければ、今の自分の研究業績は到底、形づくることがで
これは、様々な理由が絡み合った「複雑骨折」だと考えられますが、日本において科学技術の研究開発の場できなかったといえます。
の多様性が失われてきているのも原因の一つだろうと感じます。例えば、運営費交付金を減らし競争的資金を増
今、定年を目前にして、これまでのあしかけ 24 年間の研究生活を振りかえると、あの時の出会いの重要性が、やすなど、研究・教育予算に関する偏った、行き過ぎた「選択と集中」などは、研究の場の多様性を大きく損なっ
いまさらながらに、大きい意味をもっていたと、つくづく思い起こされます。
てきたのではないでしょうか。
小職の勝手な思いかもしれませんが、「学会は自らの研究成果発信の場である」、と考えていることから、定年後それでは、なぜ研究・開発、そして教育の場で多様性を担保することが大切なのか。その本質について、筆者
は
IUMRS や MRS-J の活動からは身を引く考えでおりますが、次世代を担う若手研究者諸君には、ぜひ、世界には自己懐疑性を持つためだと考えます。自分自身の存在する意味や自分という存在の価値を疑うことは、哲学やネットワークをもつ学会での自己アピール（研究成果の発表）に、お金や時間を惜しまず、取り組むことをお勧めします。
文学が生まれる最も基本的な要素ですが、自然科学においても自己を相対化することは本質的に大切なことです。
日本にない実験装置はなく、材料研究が最も進んでいるのは、やはり日本であると小職も感じております。しか自己懐疑性が失われると、少し古い言葉ですが「無謬性の神話」に陥って、硬直化してしまいます。これは多様しながら、研究は議論（ディベート・コミュニケーション）をもとに、発展することは、否定しようのないこと性の欠如によって引き起こされます。アインシュタインは以下のような言葉を残しています。
「想像力は知識より重で、残念ながら、日本語は、この議論にむく言語ではありません。
要である。
知識には限界がある。想像力は世界を包み込む。」多様性の中の葛藤や刺激の中で想像力が育まれます。
日本人のもつ優れた感性と、勤勉な姿勢をもとに、世界に向けて、議論（ディベート・コミュニケーション）に
日本 MRS は理学・工学にまたがる材料科学の共通基盤としての役割を果たしてきています。応用分野は多岐とても向く英語を用いて、多くの若手が独自の研究成果を発信し、新しい分野のリーダーとなっていかれることをにわたっており、多様な方々と出会うことができる素晴らしい場です。この学会での様々な方々との出会いは刺激
期待しております。
この巻頭言をお読みいただきありがとうございました。若いみなさまの研究の今後の発展を心より、祈念いたしに満ちており、想像力を刺激してくれます。日本 MRS が多様性を大切にしながらますます発展していくことを祈ております。

切にしていくということが重要であると考えています。

念しています。

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■ 研究所紹介

地方独立行政法人 神奈川県立産業技術総合研究所（KISTEC）
電子デバイス系グループ
か ね こ さとる

地方独立行政法人神奈川県立産業技術総合研究所 電子技術部 統括専門研究員 金子 智
1. はじめに神奈川県立産業技術総合研究所は昭和 4 年 4 月に設立された
神奈川県工業試験場が始まりです。昭和 24 年 12 月に神奈川県
工業試験所として改称され、平成 7 年 4 月には工業試験所、工芸指導所、繊維工業指導所、家具指導センターの 4 機関を統合し、海老名に産業技術総合研究所として発足しました。平成 18 年 4月に産業技術センターに改称し、平成 29 年公益財団法神奈川科
学技術アカデミーとの統合により地方独立行政法人神奈川県立産業技術総合研究所（KISTEC）となりました。職員数は 200 名ほ

3. 研究トピックス紹介◦超平坦なグラフェン膜
レーザー蒸着法による超平坦なグラフェン成膜を行っていました。酸化物超伝導体など酸化物を主に成膜していましたが、最近では炭素系を成膜しています。
二酸化炭素雰囲気中での成膜では、非常に平坦なグラフェン膜の成長を報告しています [1, 2]。この成膜のユニークな点はカーボンを二酸化炭素中で成膜していることです。二酸化炭素は安定な特性を持つと思われますが、真空中、それも低真空中でも 500 度近くで酸化剤として作用します。これは1860 年代の古い論文 [3] にあるブードア反応です。

どの組織です。
KISTEC の電子デバイス系グループは、電子技術部電子材料 Gと電子デバイス G の 2 つグループの兼務を含む 10 名で構成され、on AI2O3

薄膜作製・評価、熱処理、微細加工技術、マイクロマシニング技術に関する研究開発、技術支援、及び人材育成を行っています。

図 2 各種基板上での炭素膜成膜の AFM 像。
STO 基板上でのみ平坦な膜成長が確認された。

また、分子動力学計算により基板と炭素クラスターの吸着エネ
ルギーを見積もることで基板選択をしています。酸化マグネシウ
ム、サファイア、シリコン、チタン酸ストロンチウム（STO）を候補基板としたところ、STO で平坦な膜成長が予想されました。
実際の成膜でも STO での超平坦な膜成長を確認しています。酸素雰囲気では強すぎた酸化雰囲気が二酸化炭素中での優しい酸化と適切な基板選択により、グラフェンのレイヤーバイレイヤー成長が可能になりました。吸着エネルギーに注目した手法を酸化物の結晶成長にも応用し、シリコン基板上でのエピタキシャル成長の結晶方向を予測しています。シリコン基板上の酸化マグネシウムのエ
ピタキシャル成長の予測では、結晶配向が実験的にも確認されました。
[1] ACS Omega 2 (2017) 1523.
[2] Sci. Repo.12 (2022) 15809.
[3] Compt. Rend. 59 (1864) 873.
◦パワー半導体実装評価技術
パワー半導体は、高電圧・大電流を制御するために使用される半導体素子であり、電力変換や電動機制御など、産業において重要な役割を果たしています。
パワー半導体の実装技術においては、
素子自体の性能だけでなく、実際の動作環境を考慮して信頼性や耐久性なども評価する必要があります。近年 SiC や GaN など新

図 1 KISTEC 全景

2. デバイス系グループ紹介
機能性薄膜合成では、酸化超伝導体の人工格子や酸化マグネシ
ウムのエピタキシャル成長、最近では平坦なグラフェン成長などを行っています。コーティング膜としてダイアモンドライクカーボン膜の合成、また、ナノインプリントや電子線ビームを用いた微細加工、実装関係の研究グループの立ち上げなども行っています。
成膜装置として、イオンプレーティング装置、スパッター装置、真空蒸着装置などに加え、用途に応じてはアークプラズマ成膜やレーザー蒸着装置などが対応可能です。微細加工のためのフォト
リソグラフィー工程を通せる設備と電子線ビーム描画装置、ナノイ
ンプリント装置も導入しています。評価装置では電子線顕微鏡(SEM)、透過電子線顕微鏡（TEM）、X 線光電子分光法（XPS）、
電子線マイクロアナライザー（EPMA）、ラマン分光などをはじめとして、非接触形状測定であるレーザー顕微鏡、原子間力顕微鏡
や、実装関係では、超音波顕微鏡、ボールボンダー、フリップチッ
プボンダー、サーマルショック試験機なども揃っています。モノ
シランやジボランなど半導体特殊材料ガスを用いたサービスも行
なっていましたが、2017 年から利用を停止しています。保有装置の詳細は HP に掲載があります。
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MRS-J NEWS Vol.35 No.2 June 2023
たな半導体材料が登場しパワー半導体に適用されています。これベーションを起こすことです。また、本研究会の各プロジェクトがらの新しいデバイスは従来の Si デバイスと比較して高速・高耐電終了した際には、確立した TEG 及び評価方法が活用出来るよう

圧・高温動作という長所を持っていますが、このようなデバイスに整備を進めます。企業においては新規参入のハードルを低くすに対応するために実装技術としてもより高度な性能を求められてることが可能になり、これら活動を通じて日本半導体産業の活性います。
化を目指していきます。
そのような先端パワー半導体に対応する実装評価技術として、
以下のような評価設備を保有しています。パワー半導体の電気特性を評価するために半導体パラメータアナライザやカーブトレー
サー、ダイボンディング部やワイヤーボンディング部の接合強度を評価するためにボンドテスター、試作サンプルの放熱性能を評価する
ために熱抵抗測定システム、信頼性を評価するためにパワーサイク
ル試験機、その他サンプルの試作を行うためにダイボンダや太線ワ
イヤーボンダなども保有しています。
◦微細加工
県内企業や大学と連携して、ナノ周期構造用いた光学素子やマイクロ流体チップの研究開発に不可欠な微細加工技術の開発に取り組んでいます。その一例として、電子線により架橋反応が起こる水素シルセスキオキサン（HSQ）利用した事例があります。
HSQ はシロキサン結合を有するため、架橋反応により石英に
図 4 2.5 次元および 3 次元積層実装技術。
近い組成に変化します。この特性を利用して、電子線描画によりナノサイズの HSQ パターンを形成し、非晶質カーボンのドライエッ◦ファブラボの運営
チングマスクに用いて、非晶質カーボンのナノ金型を作製しました。
デバイス系だけではなく全所を網羅してファブラボβの運営を
そして、非晶質カーボンのナノ金型を用いて、硼珪酸ガラスに対行なっています。ファブラボは米国マサチューセッツ工科大学を発して、熱ナノインプリントによりナノ周期を転写した事例がありま祥として全世界に広がった「開かれた工房」です。ファブラボは、す。また、最近では、HSQ を熱ナノインプリントのテスト金型に使デジタルからアナログまでの多様な工作機械を備えた、実験的な用可能か検討しました。具体的には、図 3 左の電子線顕微鏡（SEM） 市民工房のネットワークです。個人による自由なものづくりの可像に示すようにシリコン基板上に HSQ の 400 nm 周期のナノパター
能性を拡げ、「自分たちの使うものを、使う人自身がつくる文化」
ンを形成しました。そして、図 3 右に示すようにシクロオレフィンを醸成することを目指しています。当ファブラボでは、CO2 レーポリマー（COP）にパターン転写できることを確認しています。 ザー加工機、半導体レーザー加工機、3D プリンター、エアブラシ
50 回の熱ナノインプリントに HSQ 金型が耐えられることを確認しなどを揃えています。内閣府戦略的イノベーション創造プログラムていて、研究開発段階であれば、熱ナノインプリントに HSQ 金型（SIP）での成果として 3D 光造形機もファブラボに設置されていは十分に使用できると考えられます。今後、これらの技術を応用ます。
して、企業の研究開発を支援します。
4. おわりに
KISTEC の電子デバイス系グループについて活動トピックスを紹介しました。更に産業界のニーズに応えられるような研究開発・
技術支援・人材育成を行なっていきたいと考えます。

■ 連絡先
図 3 水素シルセスキオキサン（HSQ）金型上のパターン例（左）とシクロオレフィンポリマー（COP）に転写した
400 nm 周期パターンの SEM 像。

◦技術研究会主催
次世代実装技術の開発のため、次世代電子実装システム技術研究会を立ち上げました。熊本大学・青柳昌宏 卓越教授を招聘し、2022 年 4 月に設立しました。昨年度は実施する研究計画を議論し、今年度から研究計画に基づき、各社の材料、装置、加工、評価に関して Test Element Group（TEG）を活用して、チップレット技術（図 4）を中心とした研究開発を推進します。
本研究会の目的は、国内外の学会への参加による情報の発信と様々な企業と連携し、次世代半導体分野において TEG の作製か
ら実装および評価まで一気通貫で研究開発を実施し、新たなイノ
3

地方独立行政法人神奈川県立産業技術
総合研究所
電子技術部 統括専門研究員 金子 智
〒 243-0435 海老名市下今泉 705−1
Email:satoru@kistec.jp
電話：046-236-1500

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■ 研究トピックス

第一原理計算と機械学習による無機材料の設計・探索
お お ば ふみやす

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 大場 史 康

イブリッド汎関数 12)－15)、多体摂動論に基づいた GW 近似 16), 17) 等が提案されている。ハイブリッド汎関数や GW 近似による計算は、

1. はじめに
現代の材料開発に要求されるような多様なニーズを満たす新材料を開拓するという難題に対して、計算科学手法やデータ科学手法の利用が期待されている。いわゆる、マテリアルズインフォマティクス
によるアプローチであり、データ科学手法、計算科学手法、実験により候補物質の段階的なスクリーニングを行うことで、材料探索を効率化できると考えられる。まず、設計・探索指針に基づいて探索空間を決めた後、機械学習により構築した予測モデルや第一原理計
算を用いて、ターゲットとする基礎物性・格子欠陥特性や安定性の観点から候補物質を計算機中（in silico ）でスクリーニングし、有望な候補を実験対象として提案する。これを図 1 に模式的に示す。このように、データ科学、計算、実験を密接に連携させたアプローチ
により、物質・材料の探索を加速できる可能性があるだけでなく、膨大なデータを解析することで、設計・探索指針に関する新たな視点の発見や普遍的な学理の構築につながることも期待できる。
以上のようなマテリアルズインフォマティクスに立脚した物質・材料探索において、計算科学手法により信頼性の高い理論予測を行う
ため、また機械学習のための信頼性の高いデータを系統的に生成するためには、高精度と高速を両立させた手法や計算実行・結果解析の自動化が不可欠である。本稿では、半導体の例を中心に、基礎
物性及び格子欠陥特性の第一原理計算による予測とデータ駆動での新物質探索への展開に関する筆者らの取り組み 1) － 6) を紹介する。

LDA/GGA の数十倍から数百倍、場合によってはそれ以上のコストを要するが、近年の計算手法やプログラムの発展とコンピュータの演算性能向上により、各論的な研究には比較的手軽に使えるようになってきた。しかし、物質探索の場合のように多くの候補物質を対象とするのは困難である。そこで、著者らはハイブリッ
ド汎関数による計算を摂動的に行うなど、高精度と高速をバラン
スよく両立させるための手法の開発に取り組んでいる 3)。
半導体表面におけるバンド位置（イオン化ポテンシャル、電子親和力）は、表面機能を考える上で重要であるだけでなく、ヘテロ
界面でのバンドオフセットの概算にも利用できる。そこで、第一原
理計算によりイオン化ポテンシャル及び電子親和力を精確かつ高速に予測するための手法開発を進めている 3), 5), 6), 19)。図 2 に典型的な半導体表面を対象としたバンドアライメントの多体摂動論に基づいた高精度計算の例を示す 1), 5), 6)。実験値がよく再現されており、本手法により未知物質についてもそのバンド位置の高精度な予測が可能と考えられる。一方、本手法は膨大な計算コストを要する
ため、高精度計算によるベンチマークテストとしては有効であるが、物質探索に利用するためには、精度をできる限り確保しつつ、高速化した手法が必要である。これについても、上述の摂動的なハイブリッド汎関数計算が有効であることを示している 3), 19)。
他にも、半導体中の希薄な点欠陥の特性予測のための高精度計算手法を開発し 4)、ZnSnP220)、SnS、Sn2S3、SnS221)、Zn3N222)、
ScN23)、ZnSnN224)、Cu3N25)、ペロブスカイト酸化物 26) 等の様々な半導体中の点欠陥の理解を進めている。また酸化物等で重要となるスモールポーラロンについても、類似手法でモデル化し、Ga2O3の多形等へ応用している 27)。
以上のような基礎物性や格子欠陥特性の計算の全プロセスを自動化することで、計算によるハイスループットスクリーニングに利用するだけでなく、機械学習のための系統的なデータ生成が可能となる。そのための計算手法とプログラムの開発、近似の系統的なベンチマーク
テスト、機械学習による予測モデルの構築を進めている 3), 4), 28) － 30)。
図 1. 第一原理計算及び機械学習による予測モデルを用いた候補物質の insilico スクリーニングの概念図。ターゲットとする基礎物性・格子欠陥特性や安定性の観点から、有望物質を選定し、実験の対象として提案。
文献 [1] より転載（Creative Commons Attribution 4.0 license）。

2. 第一原理計算による基礎物性・格子欠陥特性の予測と計算
データの機械学習
第一原理計算の精度は、計算に用いる近似に大きく依存することが知られている。密度汎関数理論の枠組みにおいて、標準的な近似である局所密度 近似（local density approximation: LDA）7), 8)
や一般化勾配近似（generalized gradient approximation: GGA）9),10)を用いると、多くの物質についてバンドギャップが過小評価される。また、空間的に局在した軌道を適切に表現できないため、局在軌道のオンサイト・クーロン相互作用を簡便に補正した LDA＋ U /GGA＋U 法 11)、LDA/GGA にフォック交換項を混合したハ

図 2. 半導体のバンドアライメント 1), 5), 6)。下図に示した各半導体の無極性表面について、多体摂動論に基づいた GW Γ 1 近似（HSE06 からの摂動）による真空準位基準での価電子帯上端及び伝導帯下端の計算結果を、横線で示したイオン化ポテンシャル及び電子親和力の実験値 18) と比較している。文献 [1] より転載（Creative Commons Attribution 4.0 license）。

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3. ハイスループットスクリーニングによる新物質探索

5.0 GPa、1h の条件下で、理論予測と等しい結晶構造を有する新物質 CaZn2N2 が得られた 2)。さらに直接遷移型を示唆する光吸収

上述のような基礎物性や格子欠陥特性の第一原理計算やその結果の機械学習により構築した予測モデルを用いることで、物質探スペクトルや図 3 (b) に示すバンド端からの赤色発光も観測された。

索が効率化できる可能性がある。とくに第一原理計算に基づいた半導体のスクリーニングを、米国コロラド大の Zunger ら 31), 32)、
NREL の Zakutayev と Lany ら 32)、 ベ ル ギ ー IMCN の Hautier

そのバンドギャップは 1.9 eV と、理論予測 1.8 eV とほぼ一致する
値であり、発光特性についても実験により実証された。
第一原理計算からは、この CaZn2N2 は高圧相ではなく、高圧合ら 33), 34) が先導的に行っており、スクリーニングにより提案された成以外でも高い窒素化学ポテンシャルが実現できる手法であれば、合成可能と予測されている。実際に、平松・細野グループが窒素ラジカルを用いた MBE による CaZn2N2 のエピタキシャル薄膜成長を物質を合成した例も報告されている 31), 32), 34)。筆者らも第一原理
計算や機械学習による予測モデルを用いて様々な物質の探索を進めており、その一例として、第一原理計算による新しい 3 元系亜鉛窒化物半導体の探索結果を報告している 2)。

報告している 35)。また、状態図計算及び固溶体モデル計算により、CaZn2N2 は典型的な合成温度で類縁物質の CaMg2N2 と全率固溶体を形成し、直接遷移型のバンド構造を保ったままバンドギャップ
を可視光ほぼ全域に対応する範囲で制御できることを予測している

電子・ホールの輸送に有利なバンド構造の観点から、3 元系亜鉛窒化物に着目し、無機結晶構造データベース（ICSD）に報告されている様々な窒化物の結晶構造中の元素を他の元素で置換する
ことで、約 600 種類の候補物質を作成した。これらを対象に、競合相や格子振動に対して安定であること、バンドギャップを持つこと、電子またはホールの有効質量が GaN と同程度あるいはそれ以下であることを条件として、スクリーニングを行った。その結果、図 3 (a) に示す 3 つのカテゴリーに分類される計 21 種類の有望な物質を選出した。このうち、左側に示すカテゴリーの 6 つは、過去に半導体として実験あるいは理論予測の報告がある物質
であり、これらが的確に選ばれたことは本スクリーニングの手法や基準が妥当であることを示している。また、中央のカテゴリーの 4 つの物質については、合成の報告はあるが半導体としての応用が未開拓である。そして、残りの 11 つは、探索当時 ICSD に掲載されておらず、新物質と呼べる。

2)。これについても、平松・細野グループが幅広い組成域での固溶体の形成と発光の観測に成功している 36)。また、更なる物質探索を進めることで、新物質である SrZn2N2 及び YZn3N3 の結晶構造・光学特性の予測と実験による実証に至っている 37. 38)。
このような第一原理計算を主体としたスクリーニングにおいて、高い計算コストがボトルネックとなり、検討できる物質数が制限される。そこで、機械学習による物性等の予測モデルの活用や機械学習による推薦に基づいて第一原理計算の対象物質を選択し、自動的に探索を行うシステムの開発を進めている 39, 40)。
4. おわりに第一原理計算による半導体の基礎物性・格子欠陥特性の予測とデータ科学手法との連携、物質・材料探索に向けた in silico スク
リーニングについて紹介した。本稿で述べたように、近年の計算手法・プログラムの進展とコンピュータの演算性能の向上により、実用レベルでの物性予測や物質・材料探索が現実的になってきた。今後、計算手法を高度化し、データ科学手法との連携を強化することで、物質・材料の設計・探索と俯瞰的な理解に広く貢献したいと考えている。
本稿で紹介した研究は、主に東京工業大学の熊谷悠氏、高橋亮氏、Lee A. Burton 氏、畠山泰典氏、平松秀典氏、細野秀雄
氏、千葉大学の日沼洋陽氏、京都大学の田中功氏、ウィーン大学の Andreas Grüneis 氏、Georg Kresse 氏と共同で行った（所属は研究当時）。ここに謝意を表する。
文献
1) F. Oba and Y. Kumagai, Appl. Phys. Express, 11, 060101-1-30 (2018).
2) Y. Hinuma, T. Hatakeyama, Y. Kumagai, L. A. Burton, H. Sato, Y.
Muraba, S. Iimura, H. Hiramatsu, I. Tanaka, H. Hosono, and F. Oba,Nat. Commun., 7, 11962-1-10 (2016).
3) Y. Hinuma, Y. Kumagai, I. Tanaka, and F. Oba, Phys. Rev. B, 95,
075302-1-10 (2017).
4) Y. Kumagai and F. Oba, Phys. Rev. B, 89, 195205-1-15 (2014).
5) A. Grüneis, G. Kresse, Y. Hinuma, and F. Oba, Phys. Rev. Lett., 112,096401-1-5 (2014).
6) Y. Hinuma, A. Grüneis, G. Kresse, and F. Oba, Phys. Rev. B, 90,
155405-1-16 (2014).
7) S. H. Vosko, L. Wilk, and M. Nusair, Can. J. Phys., 58, 1200-1211 (1980).
8) J. P. Perdew and A. Zunger, Phys. Rev. B, 23, 5048-5079 (1981).
9) A. D. Becke, Phys. Rev. A, 38, 3098-3100 (1988).
10) J. P. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett., 77, 38653868 (1996).

図 3. (a) 第一原理計算を用いたスクリーニングにより選出された 3 元系亜鉛
窒化物 2)。(b) 予測された新物質の一つである CaZn2N2 のバンド構造（左）、結晶構造（中）、高圧合成（1200 ℃、5.0 GPa、1h）により得られた多結晶試料からの赤色フォトルミネッセンス（右）。文献 [1] より転載（Creative Commons Attribution 4.0 license）。

これらの新物質の中でも、図 3 (b) に示す CaZn2N2 は、その構
成元素が地球上に豊富に存在し、GaN と同程度の電子・ホール有効質量、赤色発光に適した直接遷移型のバンド構造（バンドギャッ
プ 1.8 eV）といった理論予測結果から、とくに有望な新物質といえる。そこで、この CaZn2N2 を合成実験の対象として、連携している東京工業大学の平松・細野グループに提案した。相平衡の計算により CaZn2N2 が高い窒素化学ポテンシャル下で安定なことが予測されたことと、平松・細野グループの合成経験に基づいて、高圧合成法を選択した。様々な合成条件の検討の結果、1200 ℃、
5

MRS-J NEWS Vol.35 No.2 June 2023
11) V. I. Anisimov, J. Zaanen, and O. K. Andersen, Phys. Rev. B, 44,29) Y. Hinuma, Y. Kumagai, F. Oba, and I. Tanaka, Comput. Mater. Sci.,
113, 221-230 (2016).

943-954 (1991).
12) A. D. Becke, J. Chem. Phys., 98, 1372-1377 (1993).

30) Y. Hinuma, H. Hayashi, Y. Kumagai, I. Tanaka, and F. Oba, Phys.

13) J. P. Perdew, M. Ernzerhof, and K. Burke, J. Chem. Phys., 105,9982-9985 (1996).
14) J. Heyd, G. Scuseria, and M. Ernzerhof, J. Chem. Phys., 118, 82078215 (2003).
15) A. V. Krukau, O. A. Vydrov, A. F. Izmaylov, and G. E. Scuseria, J.
Chem. Phys., 125, 224106-1-5 (2006).
16) L. Hedin, Phys. Rev., 139, A796-A823 (1965).
17) M. S. Hybertsen and S. G. Louie, Phys. Rev. B, 34, 5390-5413(1986).
18) W. Mönch, Semiconductor Surfaces and Interfaces (Springer,
Heidelberg, 2001).
19) Y. Hinuma, Y. Kumagai, I. Tanaka, and F. Oba, Phys. Rev. Mater., 2,124603-1-20 (2018).
20) Y. Kumagai, M. Choi, Y. Nose, and F. Oba, Phys. Rev. B, 90,
125202-1-12 (2014).
21) Y. Kumagai, L. A. Burton, A. Walsh, and F. Oba, Phys. Rev.
Applied, 6, 014009-1-14 (2016).
22) Y. Kumagai, K. Harada, H. Akamatsu, K. Matsuzaki, and F. Oba,
Phys. Rev. Applied, 8, 014015-1-12 (2017).
23) Y. Kumagai, N. Tsunoda, and F. Oba, Phys. Rev. Applied, 9,034019-1-10 (2018).
24) N. Tsunoda, Y. Kumagai, A. Takahashi, and F. Oba, Phys. Rev.
Applied, 10, 011001-1-6 (2018).
25) K. Matsuzaki, K. Harada, Y. Kumagai, S. Koshiya, K. Kimoto, S.
Ueda, M. Sasase, A. Maeda, T. Susaki, M. Kitano, F. Oba, and H.
Hosono, Adv. Mater., 30, 1801968-1-8 (2018).
26) N. Tsunoda, Y. Kumagai, M. Araki, and F. Oba, Phys. Rev. B, 99,
060103(R)-1-5 (2019).
27) T. Gake, Y. Kumagai, and F. Oba, Phys. Rev. Mater., 3, 044603-111 (2019).
28) Y. Hinuma, G. Pizzi, Y. Kumagai, F. Oba, and I. Tanaka, Comput.
Mater. Sci., 128, 140-184 (2017).

Rev. B, 96, 094102-1-24 (2017).
31) R. Gautier, X. Zhang, L. Hu, L. Yu, Y. Lin, T. O. L. Sunde, D.
Chon1, K. R. Poeppelmeier, and A. Zunger, Nat. Chem., 7, 308-316(2015).
32) A. Zakutayev, X. Zhang, A. Nagaraja, L. Yu, S. Lany, T. O. Mason,
D. S. Ginley, and A. Zunger, J. Am. Chem. Soc., 135, 10048-10054(2013).
33) G. Hautier, A. Miglio, G. Ceder, G.-M. Rignanese and X. Gonze,Nat. Commun., 4, 2292-1-7 (2013).
34) A. Bhatia, G. Hautier, T. Nilgianskul, A. Miglio, J. Sun, H. J. Kim,
K. H. Kim, S. Chen, G.-M. Rignanese, X. Gonze, and J. Suntivich,Chem. Mater., 28, 30-34 (2016).
35) M. Tsuji, K. Hanzawa, H. Kinjo, H. Hiramatsu, and H. Hosono,
ACS Appl. Electron. Mater., 1, 1433-1438 (2019).
36) M. Tsuji, H. Hiramatsu, and H. Hosono, Inorg. Chem., 58, 1231112316 (2019).
37) R. Kikuchi, K. Ueno, T. Nakamura, T. Kurabuchi, Y. Kaneko, Y.
Kumagai, and F. Oba, Chem. Mater., 33, 2864-2870 (2021).
38) R. Kikuchi, T. Nakamura, T. Kurabuchi, Y. Kaneko, Y. Kumagai,
and F. Oba, Chem. Mater., 33, 8205-8211 (2021).
39) A. Takahashi, Y. Kumagai, J. Miyamoto, Y. Mochizuki, and F. Oba,
Phys. Rev. Mater., 4, 103801-1-13 (2020).
40) A. Takahashi, Y. Kumagai, H. Aoki, R. Tamura, and F. Oba, Sci.
Tech. Adv. Mater. Methods, 2, 55-66 (2022).
■ 連絡先

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・教授 大場 史康〒226 - 8503 横浜市緑区長津田町 4259 R3-7
E-mail: oba@msl.titech.ac.jp－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－ ご 案 内 －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－■ MRM2023/IUMRS-ICA2023
第 24 回 IUMRS-ICA が、第 3 回 MRM と合同で、それぞれの特徴を融合し新たな価値を創造する大規模な会議（Grand Meeting）
MRM2023/IUMRS-ICA2023 として 2023 年 12 月に京都で開催されます。世界中から材料科学・工学に関連するあらゆる分野で活躍されている科学者、技術者、学生のご参加を募ります。
主 催：日本 MRS
日 時：2023 年 12 月 11 日（月）～ 16 日（土）会 場：国立京都国際会館（京都市左京区岩倉大鷺町 422）
詳 細：https://mrm2023.jmru.org
Call for Symposia：現在、シンポジウム提案を上記のサイトで受け付け中です。
問合せ：MRM2023/IUMRS-ICA2023 運営事務局（Team MRM&ICA2023）E-mail： info_mrm@jmru.org■ 第33回日本MRS年次大会― マテリアルイノベーションの最前線― 基礎学理の深化と環境調和材料・プロセスの創成に向けて ― ―主 催：日本 MRS（http://www.mrs-j.org/）
日 時：2023 年 11 月 14 日（火）～ 16 日（木）会 場：産業貿易センタービル（横浜市中区山下町）他
形 態：対面形式で実施予定
シンポジウム（13 件）
A：計算機シミュレーションによる先端材料の解析・機能創成
B：遷移金属化合物の探索・計測・計算科学における新展開
C：ナノカーボンマテリアルの機能と応用
D：エキゾチック強誘電体・極性材料の新機能
E：高温過酷環境に耐えうる材料革新～セラミックスおよびセラ
ミックス基複合材料の材料科学～
F：イオンビーム技術によるマテリアルイノベーションの躍進
G：有機イオントロニクス－持続可能な次世代エネルギー・環境＆バイオデバイス－
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H：ソフトマテリアルサイエンス

手嶋

勝弥 信州大学 先鋭材料研究所 教授

I：プラズマライフサイエンス
J：デジタルヘルスマネジメントのためのバイオセンシングシステム

豊田裕介 株式会社本田技術研究所 材料研究センター
執行役員 材料研究センター長

K： エコものづくりセクション

永元

公市 リンテック株式会社 研究開発本部 研究所
新素材研究部 部長
右子 神奈川大学 理学部 教授
章光 高知工科大学 システム工学群 教授／副学長
広宣 日東電工株式会社 研究開発本部 基幹技術研究センター副センター長 兼 第 3 グループ長
佳久 大分工業高等専門学校 機械工学科 教授／副校長
一成 国立研究開発法人 物質・材料研究機構 ナノアーキ
テクトニクス材料研究センター（MANA）グループ
リーダー
真人 大阪大学大学院工学研究科 マテリアル生産科学専
攻 教授
友亮 明治大学 理工学部 教授／副学長

L： 社会実装材料研究シンポジウム
S：マテリアルズ・フロンティア
詳細：https://www.mrs-j.org/meeting2023/jp/
現在、講演申込を上記のサイトで受付中です。
重要期日：講演申込 締切：7 月 31 日（月）参加登録 開始：8 月 10 日（木）早期参加登録締切：9 月 20 日（水）事前参加登録：10 月 20 日（金）Abstract WEB 公開：11 月 10 日（金）問合せ：日本 MRS 年次大会事務局〒 231－ 0023 横浜市中区山下町 2

西本
八田
待永
松本
山浦

吉矢

産業貿易センタービル B123

渡邉

E-mail：meeting2023@mrs-j.org
監事
齋藤■共催・協賛・公募▽「医工学シンポジウム 2023」－医工連携の現在そして未来－主催：日本学術会議生体医工学分科会及びバイオマテリアル分科会

酒井

共 催：日本 MRS 他
日 時・場所：2023 年７月 22 日（土）13 : 00 ～ 16 : 30
場 所：東北大学青葉山キャンパスサイエンスキャンパスホール（ハイブリッド開催予定）
詳細 URL： https://forms.gle/c14YkwzoauTqqZuj6

顧問
東
伊熊
岸本
白谷

■ 日本MRS組織・役員等（2023年6月～2024年6月定時総会終結時）

代表理事・会長
重里 有三 青山学院大学 理工学部 教授

鈴木高原

理事・副会長
有沢 俊一 国立研究開発法人 物質・材料研究機構 経営企画部門 部門長
高井まどか 東京大学大学院工学系研究科 バイオエンジニアリン
グ専攻 教授中野 貴由 大阪大学大学院 工学研究科マテリアル生産科学専攻
教授
松下 伸広 東京工業大学 アドバンスメントオフィス／物質理工学院 材料系 副学長 ･ 学長特別補佐／教授

細野山本永宏 名古屋大学大学院 工学研究科 化学システム工学
専攻 教授
均 日本ガイシ株式会社 研究開発本部 アドバイザー

雄一 公益社団法人 自動車技術会 常務理事
泰郎 神奈川工科大学 名誉教授
直樹 国立研究開発法人 物質・材料研究機構 名誉監事
正治 九州大学 システム情報科学研究院 高等研究院長／
主幹教授
淳史 横浜国立大学 名誉教授
淳 九州大学 ネガティブエミッションテクノロジー研究センター 特任教授
秀雄 東京工業大学 元素戦略研究センター センター長／
栄誉教授 名誉顧問
寛 日本大学 名誉教授

名誉顧問
梶山 千里 公立大学法人 福岡女子大学 理事長・学長
岸輝雄 国立研究開発法人 物質・材料研究機構／東京大学
顧問／名誉教授
高井治 関東学院大学 材料・表面工学研究所／名古屋大学
教授／名誉教授
堂山 昌男 東京大学／帝京科学大学 名誉教授
増本
健 公益財団法人 電磁材料研究所 相談役
山本 良一 東京大学／東京都公立大学法人 名誉教授／理事長
吉村 昌弘 国立成功大学／東京工業大学 招聘講座教授／名誉教授

理事
青木 学聡 名古屋大学 情報連携推進本部 情報戦略室 教授
井口雄一朗 東レ株式会社 研究本部上席執行役員／研究本部長
岩崎 峰人 昭栄化学工業株式会社 開発部 部長
岩田 展幸 日本大学 理工学部 電子工学科 教授
内田儀一郎 名城大学 理工学部 教授
岡伸人 近畿大学 産業理工学部 教授
岡部 敏弘 神奈川大学 理学部 非常勤講師
折茂 慎一 東北大学 材料科学高等研究所 所長
加藤 和広 三菱マテリアル株式会社 イノベーションセンター
主任研究員
加藤 拓也 出光興産株式会社 次世代技術研究所 主任研究員
久保 貴哉 東京大学 先端科学技術研究センター 特任教授
嶽本あゆみ 沖縄工業高等専門学校 生物資源工学科 教授
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To the Overseas Members of MRS-J■Diversity and Self-skepticism of the Material Science........ P.1
Graduate school of Science and Engineering, Aoyama Gakuin
University, Professor, Yuzo Shigesato

enriched, and to fulfill the needs of our users, with five main
activities; Research and Development, Technical Support,
Commercialization Support, Personnel Trying, and Collaborative
Network. The activity of electronic materials and devices groups
are briefly introduced in this issue.

We have developed and innovated various technologies
based on the material science, that have been developing ourcivilization. During the development in progress we are now
facing various important issues, such as achievement of SDGs
(Sustainable Development Goals). In order to fulfill these complex
and interdisciplinary mission, “Diversity” should be quite
important in the Material science filed that secure Self-skepticism
on the science and philosophy.
“Imagination is more important than knowledge. Knowledge
is limited. Imagination encircles the world. (Albert Einstein)”
Imagination should be nurtured by the diversity in the fields ofmaterial science.

■Design and exploration of inorganic materials using firstprinciples calculations and machine learning....................... P.4
Laboratory for Materials and Structures, Institute of Innovative
Research, Tokyo Institute of Technology, Professor, Fumiyasu Oba
The search for novel inorganic materials is increasingly
important as their applications become more prevalent inmodern society. This situation has been stimulating not only
experimental but also computational exploration of as-yetunreported inorganic materials, typically using first-principles
calculations. In such computational searches, reliable design■Introduction of Electronics Materials and Devices Group at
KISTEC....................................................................................... P.2
Kanagawa Institute of Industrial Science and Technology (KISTEC),
Chief Research Specialist, Satoru Kaneko

principles, as well as accurate and efficient computational
schemes, are key requirements for the successful identificationof target materials and functionalities. In this article, the designand exploration of inorganic materials using first-principles
calculations are discussed, alongside relevant computational
methods for the prediction of fundamental and defect properties.
Examples include the prediction of the novel ternary zinc nitride
semiconductors CaZn2N2, SrZn2N2, and YZn3N3, the predicted

KISTEC (Kanagawa Institute of Industrial Science andTechnology) is a local incorporated administrative agency
established in April 2017. KISTEC has been founded by mergerof public test and research institute (Kanagawa Industrial
Technology Center, KITC) and public interest incorporated
foundation (Kanagawa Academy of Science and Technology,
KAST). We promote regional industry and science andtechnology, utilizing the mutual advantages of KITC’s technicalsupport capability and KAST’s research and development
capability. And we also try to make the residents’ lives more

編 集
後 記

crystal structures and optical properties of which have beenverified experimentally. A combination of high-throughput firstprinciples calculations and machine learning is also discussed,
which enables materials exploration in a much wider chemical
space than that solely using computationally demanding firstprinciples calculations.

はじめに、巻頭言「やあ こんにちは」、「研究所紹介」、「研究トピックス」をご執筆いただきました、日本 MRS 理事副会長
青山学院大学・重里有三先生、神奈川県立産業技術研究所・金子智様、東京工業大学・大場史康先生には、大変ご多忙ご多用にも関わらずご寄稿いただきましたこと、厚く御礼申し上げます。今号の編集を進めるなか、Covid-19 の 5 類感染症への切り替わりを迎え、社会はいよいよ活気を取り戻す時期に移ろうとしつつあります。本年は年次大会につづき師走には MRM2023 お
よび IUMRS-ICA2023 の開催も控えており、先端の研究講演に出会い議論の花を咲かせることは元より、皆様と古都京都にて
言葉と盃を交わすことを待ち遠しく思います。最後に、会員の皆様のご活躍とご健勝、ならびに日本 MRS の益々の発展を祈念
申し上げます。
（寺西 義一・松田 晃史）©日本MRS ©一般社団法人 日本MRS 事務局 〒231-0023 横浜市中区山下町2番地 産業貿易センタービルB123
http://www.mrs-j.org Email : membership@mrs-j.org
2023年日本MRS ニュース編集委員会 第35巻 第2号 2023年6月25日発行
委員長：岩田 展幸（日本大学 iwata.nobuyuki@nihon-u.ac.jp）
副委員長：明石 孝也（法政大学 akashi@hosei.ac.jp）
委員： 鮫島 宗一郎（鹿児島大学）、西本 右子（神奈川大学）、川又 由雄（芝浦メカトロニクス株式会社）、狩野 旬（岡山大学）、
新國 広幸（東京工業高等専門学校）、寺迫 智昭（愛媛大学）、松田 晃史（東京工業大学）、寺西 義一（東京都立産業技術研究センター）、籠宮 功（名古屋工業大学）
顧 問： 山本 寛（日本大学）、岸本 直樹（物質・材料研究機構）、伊藤 浩（東京工業高等専門学校）、小林 知洋（理化学研究所）、
寺田 教男（鹿児島大学）、小棹 理子（湘北短期大学）松下 伸広（東京工業大学）
編集・構成：一般社団法人日本MRS
印刷・出版：秋巧社

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