2022 ／ 2023

ご挨拶

本センターは，工学研究院附属の研究センターとして，材料科学ならびにエネルギー工学を基礎としたSDGｓに資する新たなクリーンエネルギーの創生と高効率変換に関する基盤研究を行っています。現在，グローバルな環境・エネルギー問題が顕在化し，従来の石炭や石油に主に依存したエネルギー社会から脱却し，太陽光，風力，バイオマスなどの多様な再生可能エネ
ルギー源の利用に供する高効率で安全なエネルギー変換システムの構築が求められています。そこで本センターでは，①高効率なエネルギー変換を達成するシステム及びマテリアルの開発に関する研究，②エネルギーに関する学際的かつ融合的な研究教育活動，③エネルギーに関連する分野を融合する産学連携を含む研究ネットワークの形成を行うことをミッションとしています。その実現のため，光・熱エネルギ
ー変換材料分野，量子エネルギー変換材料分野，マルチスケール機能集積分野，エネルギー変換システム設計分
野，エネルギーメディア変換材料分野の５研究室を設置し，高効率エネルギー変換やエネルギー貯蔵に不可欠な機能性材料の創製ならびにその材料の原子レベル構造・機能解析を行っています。さらに，それらを用いた新規エネ
ルギー変換プロセス・エネルギーメディアに関する最先端研究を推進し，グリーンイノベーションに資する研究教育拠点として貢献することを目指しています。教育面では工学院および総合化学院の協力講座として学部生・大学院生の教育にも参画し，エネルギーに関連した次世代の人材育成にも貢献しています。
また，本センターでは，マテリアルの動的プロセスを原子レベルで観察可能な，世界的にもユニークなイオン加速器２基とパルスレーザー発振器を敷設したマルチビーム超高圧電子顕微鏡を擁する複合量子ビーム超高圧顕微解析研究室，さらには材料の中性子線解析を可能とする最大加速エネルギー４５ＭｅＶの電子線型加速器を擁する中性子材料解析研究室を２０１８年４月に設置いたしました。電子線と中性子の両方の量子ビームを利用した先端的な構造解析システムの利便性を上げ，お互いを相補的に活用する環境を整備しています。ロバスト農林水産工学国際連携研究教育拠点構想を始めとする本学大学院工学研究院の研究教育拠点構想や学内外の研究者の融合研究，学際研究を支援しています。
令和 4 年 4 月吉日
センター長 渡辺 精一

私たちは持続可能な開発目標（SDGs）を支援していますGreetings from the Director
The Center for Advanced Research of Energy and Material (CAREM) belongs to Faculty ofEngineering and conducts the basic research on materials science and energy related engineering toprovide development of new clean energy resources and highly efficient energy conversion that
contributes to the SDGs.
Nowadays, human beings are facing global energy-environmental problems. We need to get out fromthe conventional energy societies in which we have been depending mainly on fossil fuels such ascoal and petrol, and we must construct other safe and highly efficient energy converting systems outof various renewable energy sources such as sunlight, wind and biomass.
Our three missions to perform at CAREM:
1. Studying on development of systems and materials to improve the efficiency of energy conversion.
2. Conducting interdisciplinary and fusional research on energies.
3. Formation of research networks along with industry-academia collaboration based on fusion ofenergy-related fields.
CAREM consists of five laboratories of:①Photon and Thermal Energy Conversion Materials, ②Quantum Energy Conversion
Materials, ③Integrated Function Materials, ④Chemical Energy Conversion Systems and ⑤
Energy Media. All of them are aiming to contribute to highly efficient energy conversion,
tailoring essential materials for energy storage and analyzing atomic-scale structures andfunctions of the materials. In addition, we will continue striving for excellence in advanceresearch on new energy conversion processes and energy medias using novel materials as a
research institute that makes a significant contribution to green innovations.
CAREM is also contributing to the education of undergraduate and graduate students of School ofEngineering, Graduate School of Engineering and Graduate School of Chemical Sciences andEngineering to foster the next generation of researchers and engineers in energy fields.
The Multi-Quantum Beam High Voltage Electron Microscope Laboratory also belongs to CAREM
that has a unique high voltage electron microscope equipped with two ion accelerators and apulsed-laser oscillator that enables us to observe dynamic processes of materials at atomic level. In
addition, Neutron Materials Analysis Laboratory was settled in April 2018. This laboratory isequipped with a 45MeV electron linear accelerator that enables us to perform analysis of materials
by both electron and neutron beams, so that we can provide a good research environment to utilize
our facilities complementarily.
We support the projects of Hokkaido University such as “Research and Education Center for
Robust Agriculture, Forestry and Fishery Industry” and fusion / interdisciplinary research with
off-campus researchers.
Professor Seiichi Watanabe
Center Director
April 2022

沿革

光・熱エネルギー変換材料分野

History
Three research institutes were active in the Facility of Engineering, Hokkaido University as affiliated research institutes before June, 1994.
- Metal Chemistry Research Institute (founded on March 4, 1937 and revised on April 1, 1958)- Coal Research Institute (founded on April 1, 1975)- Advanced Magnetohydrodynamic Research Institute (founded on April 4, 1988)
Center for Advanced Research of Energy Technology (CARET) was established on June 24, 1994.
- Reaction Engineering in Carbonaceous Resource Conversion- Characterization and Analytical Chemistry of Carbonaceous Resources- Division of Energy Conversion and Control
Center for Advanced Research of Energy Conversion Materials (CAREM) was established on April 1, 2004.
- Laboratory of Integrated Function Materials- Laboratory of Quantum Energy Conversion Materials- Laboratory of High Temperature Materials- Laboratory of Energy Media- Laboratory of Chemical Energy Conversion Processes
Division of Non-stoichiometric Compounds (KINBOSHI Co. Ltd. Endowed) was established in October 2005.
Advanced Coating Laboratory was established in July 2009.
Center for Advanced Research of Energy and Materials was established on April 1, 2010.
- Laboratory of Integrated Function Materials- Laboratory of Quantum Energy Conversion Materials- Laboratory of High Temperature Materials- Laboratory of Energy Media- Laboratory of Chemical Energy Conversion Systems- High-Voltage Electron Microscope Laboratory
Advanced Coating Laboratory was discontinued from June 30, 2012.
Laboratory of Photon & Thermal Energy Conversion Materials was established on April 1, 2015
Multi-Quantum Beam High Voltage Electron Microscope Laboratory was established on April 1, 2018
Neutron Materials Analysis Laboratory was established on April 1, 2018

組織

北海道大学

大学院工学研究院

エネルギー・マテリアル融合領域研究センター
運営委員会

教員会議

マルチスケール
機能集積分野量子ネルギー変換
材料分野

光・熱エネルギー
変換材料分野エネルギーメディア
変換材料分野エネルギー変換
システム設計分野

教授(兼担)

１名

教授

１名

教授

１名

教授(兼担)

１名

教授(兼担)

１名

准教授

１名

助教

１名

准教授

１名

准教授

1名

准教授

１名

助教

１名

助教

１名

特任助教

1名

特任助教

１名

（5 研究分野）
複合量子ビーム
超高圧顕微解析研究室

中性子材料解析研究室

教授(兼担)

2名

教授(兼担)

准教授(兼担)1名

准教授(兼担) １名

助教(兼担)

1名

技術職員

4 名

技術職員

2名

（新設 2 研究室）
工学研究院兼任教員で構成

１名

連携
瞬間パルス状放射線発生装置研究室

超高圧電子顕微鏡研究室（全学共同利用施設）

Organization

Hokkaido University
Faculty of Engineering
Center for Advanced Research of Energy and Materials
Steering Commi�ee
Staﬀ Mee�ng
Integrated Func�onMaterials

Quantum Energy
Conversion
Materials

Photon &Thermal
Energy Conversion
Materials

Professor

Professor

1

Professor

1

Assistant
Professor

1

Associate
Professor

1

Assistant
Professor

1(Concurrent)

1

Associate
Professor

1

Assistant
Professor

1

Mul�-Quantum
Beam High Voltage
Electron Microscope
Laboratory
Professor(Concurrent)

Associate
Professor(Concurrent)

Assistant
Professor

2
1(Concurrent)

1

Technical
Staﬀ

4

High-Voltage Electron Microscope Laboratory

Energy Media

Professor

1

Associate
Professor

1(Concurrent)

Specially Appointed
Assistant Professor
1

Chemical Energy
Conversion Systems
Professor(Concurrent)

1

Associate
Professor

1

Specially Appointed
Assistant Professor
1

Neutron Materials
Analysis Laboratory

Professor(Concurrent)

Associate
Professor

2(Concurrent)

1

Technical
Staﬀ

1

45MeV Electron Linear Accelerator Laboratoryマルチスケール機能集積分野（2）先進電子顕微鏡を用いたセラミックス蛍光体中の三次元ドーパント分布の解明

教授 (兼) 柴山 環樹

蛍光体材料などにおいて，材料中のドーパント分布は材料物性に大きな影響を与える．我々は，通常では二次元的な構造情報しか得ることができない電子顕微

准教授
坂口 紀史
Associate Professor
Norihito Sakaguchi

顕微鏡像シミュレーションを組み合わせ，蛍光体材料

sakaguchi@eng.hokudai.ac.jpの構造解析を原子スケールで実施している．(図２)

鏡を用い，材料中のドーパントの三次元分布を原子ス
ケールで測定する手法を開発している．本手法と電子（3）先進電子顕微鏡と電子状態計算を組み合わせた
酸素吸蔵材料の開発
助教
國貞 雄治
Assistant Professor
Yuji Kunisada
kunisada@eng.hokudai.ac.jp

EELS は材料の化学結合に関する有益な情報をもたらすが，その詳細な解釈には第一原理電子状態計算
から得られる知見が必要不可欠である．我々は，先進電子顕微鏡と第一原理電子状態計算を組み合わせ，
酸素吸蔵材料の化学状態分析を原子スケールで実施
し，酸素吸蔵特性の発現機構の解明と新規高性能材料の開発に向けた研究を遂行している．
（４）量子ダイナミクス計算を用いた水素関連材料の開発
材料の水素脆化による劣化を低減するためには，材エネルギー利用の高効率化とそのためのマテリアル

料中への水素侵入を抑制しなければならない．一方，開発基盤を構築するため，原子レベルの構造評価，ナ

水素透過膜や水素分離膜には高い水素透過特性が求ノ計測技術，計算機シミュレーションを組み合わせ，材められる．このように材料中への水素の侵入特性を制料のナノからマクロまでの特性とその起源をマルチスケ

御することは，水素関連材料の開発において重要であールで解析・評価している．そこから得られた知見に基る．我々は，第一原理電子状態計算と原子核の量子ダづき，イオン注入・電子線照射などを応用したエネルギ

イナミクス計算を活用し，材料中での水素の固溶・拡散ー材料の機能化のための研究を展開している．(図１)

特性及びその同位体効果を調査し，水素遮蔽被覆膜

現在実施している研究テーマ例を以下に示す．

や水素透過膜の開発に向けた研究を遂行している．

（１）先進電子顕微鏡を用いた nm オーダーの光学特性測定手法の開発（５）先進電子顕微鏡と電子状態計算を組み合わせた
省貴金属触媒の開発
持続可能なクリーンエネルギー社会の実現には，高電子エネルギー損失分光法(EELS)は材料の誘電関

活性かつ耐久性に優れた省貴金属触媒材料の開発が数などの光学的特性の評価が可能である．我々は，電必要不可欠である．触媒劣化特性や触媒反応特性を子線を用いた誘電関数測定時の問題点を解決し，nm解明するためには，触媒動作中の電子や原子の振るオーダーでの光学的性評価手法を開発している．本手舞いを理解する必要がある．我々は，第一原理電子状法を用い，モノクロメータを備えた先進電子顕微鏡と電態計算や原子核の量子ダイナミクス計算などの化学反磁気学シミュレーションを組み合わせ，プラズモニクス

応シミュレーションに基づいた反応速度論や熱力学的材料をはじめとする種々のエネルギー変換材料の特性解析を用い，触媒金属サブナノクラスターの凝集プロセ

解析を原子スケールで実施するとともに，先進エネル

スや触媒反応機構を素過程から理解するための研究

ギー変換材料の開発とそれらの特性解明に向けた研を推進している．ここから得られる知見を活用し，新規究を遂行している．

触媒材料を設計している．また，設計した材料を電子線照射による欠陥導入を応用して作製している．(図 3)

Laboratory
Materials

ofIntegrated

Function

Professor (concurrent) Tamaki Shibayama
Associate Professor Norihito Sakaguchi
Assistant Professor Yuji Kunisada
A highly efficient energy conversion material has
been studied through atomic structure analysis andproperty assessment in extended range between
nanoscopic and macroscopic dimension, employing
high-resolution analytical electron microscopy andcomputer simulations. Our study aims at new
functional materials design to contribute efficient useof various energy resources. Correlation among
atomic structure, electronic structure and property of
the interfaces, surfaces and atomic-scale functionalsites of materials is intensively studied. (Fig. 1)(1) Nanometer-order resolution measurements of
optical properties by STEM-EELS
Electron energy-loss spectroscopy (EELS)
combined with electromagnetic simulations is one ofthe powerful tools for analyzing the optical propertiesof very small regions of various energy conversion
materials. The spherical aberration-corrected STEM
with a monochromator gun enables us to reveal thedielectric properties of nanostructured materials.
(2) Three-dimensional distribution analysis of
dopants in ceramic phosphors
Spatial distribution of rare-earth dopants in ceramic
phosphors dominates their emission behaviors. We
performed the three-dimensional distribution
analysis of Ca and Eu dopants in Ca-α-SiAlON:Eu2+
using through-focus HAADF- STEM with multi-slice
simulations and statistical analysis. (Fig. 2)(3) Development of oxygen sorption materials
STEM-EELS gives the information of atomic
structure including element mapping and atomicscale chemical bonding states. We clarify the oxygen
sorption mechanism of ceramic materials. Ab initio
calculations are also performed to obtain the detailed
information of local chemical bonding states.
(4)
Computational
designofhydrogenpermeation barrier coatings
Suppression of hydrogen embrittlement inmaterials is one of the key technologies for hydrogensociety. We investigated the hydrogen absorption
and diffusion mechanism in the ceramic materials,

and design new hydrogen permeation barrier
coatings using ab initio calculations.
(5) Computational design of Long-life catalyst
Long-life fuel cell electrode catalysts are required
to realize hydrogen society. We revealed thedegradation mechanism of catalysts, and design
Long-life catalysts based on first-principles
calculations. We also fabricate the designed
catalysts using the electron beam irradiation. (Fig. 3)

Fig. 1 Our research concept.
図 1 本研究室の研究コンセプト．

Fig. 2 (a) Atomic model, (b) multi-slice simulated
image, (c) experimental HAADF image and (d) thechanneling behaviors of Ca-α-SiAlON.
図 2 Ca-α-SiAlON の(a)原子構造モデル，(b)マルチスライス計算像，(ｃ)HAADF-STEM 像，ならびに(d)N1
及び Si1 カラムに入射した場合の電子線チャネリング．

Fig. 3 Catalyst fabrication using electron beamirradiation.
図 3 電子線照射を用いた触媒開発の模式図．

量子エネルギー変換材料分野

外照射実験をコロジオン高分子膜上塗布炭素，炭素片および白金鉄片に対して行い，Nd:YAG レーザー光のア
ブレーション効果による炭素微粒子の生成や炭素，白

教授
柴山 環樹
Professor
Tamaki Shibayama
shiba@qe.eng.hokudai.ac.jp

金鉄の表面ナノピットパターンの形成が確認できている。
（２）過酷環境用先進材料の開発
原子炉内発生中性子が材料に与えるボイドスエリン
グ，誘起偏析，脆化などの問題に対し，各種のイオンビーム照射と超高圧電子顕微鏡を用いた電子線照射による材料微細組織変化についてビーム損傷の観点より調べている。Nb-Al 焼結合金に，TEM 内で電子ビーム

助教
中川 祐貴
Assistant Professor
Yuki Nakagawa

y-nakagawa@eng.hokudai.ac.jp

照射を行い，微細組織変化挙動をその場観察した結果，室温照射では，NbAl3 に特徴的な回折斑点が消滅し，Al の回折リングが出現し，高温(350℃)での照射では，規則化が進み NbAl3 相が母相中に形成した。285℃から 485℃の範囲での加熱実験では顕著な微細組織変

ポスドク

Postdoctoral Fellow杨 苏冰Yang Subing

化は見られないことから，電子線照射による組織変化
が温度状態の違いにより異なって起こることが確認さ

yangsubing@eng.hokudai.ac.jp

本分野は，先進エネルギー利用システムの確立とそれに必要な材料開発を中心に研究を進めている。次世れた。
（３）高効率量子エネルギー変換材料ならびに原子エ
ネルギーに関する材料開発

代原子力プラントや高効率なエネルギー変換システム

ガス冷却高速炉炉心の耐熱性物質として期待されるの開発のためには超高温，強腐食条件下などの過酷

SiC/SiC 複合材について，新たに TEM 内 in-situ クラッ

環境に耐えうる材料創製が必要とされているが，このク伝播試験用試料ホルダーの開発を行うと共に，実際要請に応えるために，(1)中性子や非平衡プラズマに曝に TEM 内でクラックを与え，動的なその場観察から伝される耐候性材料，長寿命化炉あるいは超臨界水型

播経路の解明を行っている (図１)。あらたな原子力エ

炉などの次世代原子炉の実用化に向けた照射環境用

ネルギー源の供給のため，安全で高効率な次世代型の構造材料開発研究，および(2)世界的に比類のない原子炉の開発に向けた炉材料研究に着手している。

130 万ボルトの複合量子ビーム超高圧電子顕微鏡とイ
オン加速器を用い，電子線・粒子線の量子エネルギー（４）水素化物系エネルギー変換材料(固体電解質,
水素センサー, 水素吸蔵合金)の開発

ビーム利用によるナノ材料創成研究を行っている。また，水素化物には，車載用の水素吸蔵合金以外にも，水新たにプラズマや光量子ビームを用いたナノ材料開発

素センサー材料やリチウム高速イオン伝導を示す固体にも着手している。主な研究テーマと最近の成果は次

電解質材料など，新たな機能性を持つ材料が見つかっの通りである。

ている。我々は，量子ビームを用いた顕微解析により，（１）量子ビーム利用による材料基礎研究

そのエネルギー関連機能の発現機構解明に取り組ん

イオン加速器付マルチビーム超高圧電子顕微鏡にレでいる。表面改質した水素吸蔵金属チタンの STEM-

ーザー光照射系を新規設備し，試料物質に対し電子，

EELS 解析（図２），水素イオン照射によるクロミック着色

イオン，レーザー光の量子ビームを逐次的または同時反応の評価や水素化物系固体電解質の分析 TEM によに照射し，材料のナノスケール観察や非平衡環境下にる局所構造解析などをベースにして，新奇の機能性材

おける新規創製が期待される。現在，顕微鏡内レーザ

料創製に取り組んでいる。

ー光照射効果の定量的見積もりを得るために，顕微鏡Laboratory of Quantum Energy
Conversion Materials
Professor Tamaki Shibayama
Assistant Professor Yuki Nakagawa
Postdoctoral Fellow Yang Subing

Achieving advanced energy-utilization system using
new efficient energy conversion materials is a key issue tobe solved. The main research objective of our laboratory is
R&D of innovative materials for severe environments, suchas heavily corrosive conditions and very high temperature,
for the development of advanced atomic energy plant or
highly efficient energy conversion system.
For that purpose, research subjects carrying out in our lab
are (1)researches on development of weatherproof
materials exposed to nonequilibrium plasma and neutron
field, and of structural materials for use in irradiation
environment, intended to practical application of nextgeneration reactors such as longer-lasting reactors andsupercritical water reactors, and (2)researches on nanomaterial creation by utilizing quantum energy beams ofelectron, ion using ion accelerators and the Multi-Quantum
Beam High-Voltage Electron Microscope (MQB-HVEM)
with worldwide incomparable 1.3 MV. We have started
development of nano-materials newly using plasma andphoton (laser) beam.
Our main themes and recent results are as follows.
(1) Basic research of material by utilizing quantum
beam
We are trying to install a laser-light irradiation system on
MB-HVEM with existing ion accelerators. From theviewpoint of nano-scale observation or creation of newmaterials under nonequilibrium environment, it is thought
useful to apply quantum beams of electron, ion and laser
light onto material, successively or simultaneously.
Outside an electron microscope, a series of irradiation
experiments are now performing onto carbon powder
sprayed on collodion polymer film, carbon slab and ironplatinum alloys slab, for obtaining quantitative estimationof laser-light irradiation effect in an electron microscope.
Results show the creation of ultrafine carbon particles andnano-pit pattern on both surfaces of carbon and ironplatinum.
(2) Development of advanced material for severe
environment
Nb-Al sintered alloy is irradiated by electron beam in
HVEM and in-situ observation of behavior of fine-structurechanges was performed. Result showed that in the case ofirradiation at room temperature characteristic diffraction
spots of NbAl3 disappeared and diffraction ring of Al newly
appeared, and in the case of irradiation at hightemperature space(350℃). NbAl3 phase was formed inparent phase after regularization made progress. Since noapparent fine-structure change is observed in heating
experiment from 285℃ to 485℃, it is supposed that thestructure change by electron beam irradiation occurs in
different manner corresponding to the temperature state.
(3) Material development for high efficiency quantum
energy conversion and nuclear energy utilization
Since SiC/SiC composite material is expected as heatresistant material in the core of gas-cooled fast breeder
reactor, we have developed a new sample holder for
dynamically in-situ testing of crack propagation in TEM andexamined the route of crack propagation by actually
generating crack in sample (Fig.1).
Moreover, we are undertaking researches of reactor
materials for the development of next-generation nuclear
reactors ensuring both safety and high-efficiency, and forthe supply of new nuclear energy source(4) Development of energy conversion materials
based on hydrides (solid electrolyte, hydrogen sensor
and hydrogen storage alloy)
Metal hydrides attract considerable attention as hydrogenstorage materials, fast ionic conductors and hydrogensensors. Our group works on elucidating the mechanismof their functionalities by using quantum beam (electron,
ion, laser etc.) technologies. For instance, we have
performed STEM-EELS analysis of surface-modified
titanium for hydrogen storage applications (Fig.2), theanalysis of chromic reaction by hydrogen ion irradiation,and the local structure analysis of hydride-based
electrolyte by analytical TEM.

Fig.1 Electron microscope holder for nanomechanical analysis.
図 1 ナノメカニクス解析用電顕ホルダー装置．

Fig.2 STEM-EELS mapping of Ti nanoparticles.
図 2 Ti ナノ粒子の STEM-EELS マッピング．

光・熱エネルギー変換材料分野

域に限られるものが多く、太陽エネルギーの変換効率向上のためには、可視光から赤外光領域の光を利用できるように、光触媒の吸収波長を長波長化することが

教授
渡辺 精一
Professor
Seiichi Watanabe

する光触媒材料を探索すると同時に、光触媒による水

sw004@eng.hokudai.ac.jp

材料を使い分けることで、材料選択の多様性が期待さ課題の一つとなる。このため、可視光域の光を多く吸収分解において水素の発生と酸素の発生を担う光触媒

れている。
准教授
沖中 憲之

(１) 光誘起ナノ材料創製（水中結晶光合成）
水と光により、水の光誘起分解を伴いながら金属酸

Associate Professor
Noriyuki Okinaka

化物のナノ結晶が成長することを見出し、水中結晶光

oki@eng.hokudai.ac.jp

Crystallites)と命名した。現在、この新奇現象を利用し合 成 (SPSC:

Submerged

Photo-Synthesisofて様々な、金属酸化物のナノ粒子、ナノ表面構造を創
准教授
張 麗華

るグリーンマテリアル研究開発を進めている。
(２) 太陽光利用材料創製（グリーンナノテクノロジー）

Assistant Professor
Lihua Zhang「物質」間の相互作用(原理)を解明し、それらに基づいzhanglihua@eng.hokudai.ac.jpて新奇の機能性材料を創製する開発研究に取り組ん

ナノメートルオーダーの微小空間における「光」及びでいる。
（３） 液相燃焼合成製 SrTiO3 による可視光応答光触媒の開発
可視光照射下での水素生成に活性な光触媒材料と本分野では、物質の多様な物性を材料科学の立場かして期待されているチタン酸ストロンチウム(SrTiO3)にら最大限に活用して、高効率で環境低負荷な光エネル

着目し、それらの開発研究を行っている。開発には短ギー変換、熱電エネルギー変換のための高度な機能を時間・省エネルギー製造が可能で大量生産に適してお持つ新しい材料の開発創製研究を進めている。

り，高比表面積の製品が得られる液相燃焼合成法を用

将来のクリーンエネルギーとして期待される水素を、
太陽光を用いて水から直接製造する「太陽光水素製造

いている。
（４） 燃焼合成技術を用いた熱電変換材料の開発(水の光分解)」の研究を中心に、光エネルギーを用い燃焼合成（固相燃焼および液相燃焼合成）により高て有害物質を分解無害化する「光環境浄化」などのグ

精度に量論比を制御した不定比酸化物（酸素欠損およリーンテクノロジー研究を進め、これらに供する新機能

び酸素過剰）はドーピング不要の半導体となり、高い実材料システムの開発研究を進めている。

用性が期待できる。これら不定比酸化物を中心とした水素は燃料電池の燃料となるだけでなく、二酸化炭

熱電変換材料の研究は、高いエネルギー変換効率をも素や窒素と反応させることにより各種の有用資源へとつ材料の開発とそれらの背後にある学理の理解を指変換可能のため、次世代グリーン化学応用も期待され向している。

ており。その他、人工光合成による水分解反応は、尽蔵の太陽光と比較的安価な光触媒材料を用いて、水から水素を直接製造できる可能性がある。しかし、従来の光触媒材料ではその吸収波長が主として紫外光領

Laboratory of Photon & Thermal
Energy Conversion Materials
Professor Seiichi Watanabe
Associate Professor Noriyuki Okinaka
Assistant Professor Lihua Zhang

We are developing new materials for photo energy
conversion and thermoelectric energy conversion
with high conversion efficiency and low
environmental impact by take full advantage of thewide variety of physical properties of the materials
from the viewpoint of materials science.
Hydrogen is expected to be used as green energy
in the future. Our lab is focused on “solar hydrogenproduction (photocatalytic water splitting)”, whichmeans the direct production of hydrogen from waterby sunlight. We are promoting the research of green
technology ‘photocatalysis environmental cleanup’and developing the new functional materials systems.
Hydrogen is not only expected as the fuel of thefuel cell, but also expected in the application of next
generation green chemistry because of the possible
conversion into various useful resources by reaction
with carbon dioxide or nitrogen. It is possible toproduce hydrogen from water by exhaustlesssunlight and inexpensive photocatalyst, in which thewater splitting reaction is caused by the artificial
photosynthesis.
However,theabsorption
wavelength of the traditional photocatalyst is limited
to ultraviolet light range. In order to improve
conversion efficiency of solar energy from the visible
light region to the infrared light region, it’s necessary
to develop new photocatalyst which could absorb
longer wavelength. Therefore, our lab are working on
the researches to find new photocatalytic materials
which could absorb more light in the visible lightregion, at the same time the photocatalyst could be
used properly for the generation of oxygen andhydrogen from water by splitting reaction.
(1) Submerged photosynthesis of crystallites(SPSC)We have a new production pathway for a variety
of metal oxide nanocrystallites via submerged
illumination in water: submerged photosynthesis of
crystallites (SPSC). Similar to the growth of green
plants by photosynthesis, nanocrystallites shaped as

nanoflowers and nanorods are hereby shown togrow at the protruded surfaces via illumination inpure, neutral water. The process is photocatalytic,
accompanied with hydroxyl radical generation via
water splitting; hydrogen gas is generated in somecases, which indicates potential for application ingreen technologies. The nanobumped surface, as
well as aqueous ambience and illumination are
essential for the SPSC method. Therefore, SPSC isa surfactant-free, low-temperature technique formetal oxide nanocrystallites fabrication.
(2) Solar-driven material fabrication
We are elucidating the light matter coupling process
in nano-space and are working on the development
study which creates new functional materials using
SPSC for application in green technologies.
(3) Development of a visible light responsive
photocatalyst using solution combustion
synthesized SrTiO3
The strontium titanate (SrTiO3) photocatalyst is
attracting considerable attention as a material forhydrogen production. We research SrTiO3 for avisible light reactive photocatalyst using solution
combustion synthesis.
(4) Development of thermoelectric materials
based on combustion synthesis
Thermoelectrics are able to generate electrical
power from any type of temperature difference. Our
researches have been directed toward developmentof materials which have high conversion efficiency
and understanding of the physics lying behind them.

Fig.1 Characteristics of SPSC.
図１ SPSC の特徴．

エネルギーメディア変換材料分野
教授(兼) 渡辺 精一
准教授
能村 貴宏
Associate Professor
Takahiro Nomura
nms-tropy@eng.hokudai.ac.jp

特任助教
メルバート ジェーム
Specially Appointed
Assistant Professor
Melbert Jeemm_jeem@eng.hokudai.ac.jp

ポスドク Postdoctoral Fellow
アデ クルニアワン
Ade Kurniawan

ade_kurniawan@eng.hokudai.ac.jp

本研究分野が目指す究極の目的は、ホメオスタシ
スエネルギー社会の創成である。この実現に向けて、エネルギーを高密度に貯蔵、輸送、高効率に変換可能なマテリアル、プロセスを探求している。具体的には、(1) 太陽熱やプロセス排熱を高密度に貯蔵、輸送可能な次世代蓄熱材料、(2) エクセルギー再生原理を応用した省エネルギー空気分離・酸素製造プロ
セス、(3) 低品位炭材、アンモニア等を燃料とした新製鉄法、(4) 燃焼合成法によるファインセラミック
スの省エネルギー・短時間合成、(5) エコ・コンビナートの設計、を基軸に研究を展開している。
(1) 次世代蓄熱材料の探求
PCM（相変化物質：Phase Change Material）を用いた潜熱蓄熱技術は、PCM の固液相変化潜熱を利用するため高密度に蓄熱可能、かつ相変化温度一定で熱を回収・輸送・供給可能である。当グループでは、室温から 500˚C 超の高温領域まで、それぞれの温度に適した新規 PCM の開発、及びプロセス設計を実施している。具体的には、①次世代パワーデバイスの熱管理技術のための高熱伝導性 PCM 複合材開発、②中低温未利用熱（排熱・太陽熱）利用のための糖アルコール系 PCM 開発、③エクセルギー再生技術、
太陽熱発電のための合金 PCM 開発を実施している。
特に最近、300˚C 超の高温度域で利用可能なマイク
ロカプセル PCM を開発した。この技術は、長年固体顕熱蓄熱技術の独壇場であった高温プロセスにおける蓄熱、熱輸送技術基盤を革新する可能性がある。
（図 1 参照）。
(2) エクセルギー再生原理を応用した省エネルギー
酸素製造プロセス
わずかな圧力スウィングのみで空気から酸素を分離可能な酸化物系酸素吸蔵材料を開発している。この材料の利用により、従来空気分離技術の半分以下のエネルギーで酸素を製造できる可能性が見出されている。
(3) 低品位炭材、アンモニアを燃料とした新製鉄法
エクセルギー多消費産業である鉄鋼業は、資源・環境・エネルギーの三問題を抱えている。当グループはこの三重苦の解決を目標に、材料科学、プロセ
ス工学の観点からアプローチしている。具体的には、①化学気相浸透法（CVI: Chemical Vapor Infiltration）
を応用した低品位原燃料の高品位化技術、②NH3 を還元材として使用する画期的 NH3 製鉄法、③製鉄所における高温排熱の有効利用技術をキーテクノロジ
ーとして、基礎実験からプロセス設計、システム創造まで幅広い視点で研究を進めている。
(4) 燃焼合成法によるファインセラミックスの省エ
ネルギー・短時間合成
粉体原料間発熱反応の自己伝播を利用する燃焼合成は、省エネルギー・短時間・省プロセスでの材料合成が可能である。当研究室は燃焼合成法を長年探求し、窒化物、酸窒化物、ペロブスカイト、水素吸蔵合金などあらゆる材料の合成に成功している。その中でも近年特に、窒化物（AlN、Si3N4、BN など）
および酸窒化物（SiAlON）が注目されている。例えば、AlN、Si3N4 及び BN は高熱伝導率かつ、電気絶縁性のため、電子部品の放熱材として魅力的である。
当グループは、燃焼合成技術を基盤として窒化物や酸窒化物への微量元素のドープや、それらの形状制
御（ナノ粒子、ナノファイバー等、図 2 参照）による新規機能性材料の開発及びその機能性発現機構の解明を実施している。
(5) エコ・コンビナート設計
ここでは真のエネルギー評価の尺度、エクセルギ
ーを用いて損失の総和が最小となるシステムの設計を目指している。さらに恒常的にシステムを維持するために先端的なネットワーク理論による解析を進め、異業種が共生するエコ・コンビナートの設計に役立てている。

Laboratory of Energy Media
Professor (concurrent) Seiichi Watanabe
Associate Professor Takahiro Nomura
Specially Appointed Assistant Professor
Melbert Jeem
Postdoctoral Fellow Ade Kurniawan
The ultimate goal of our field of research is the creationof a society of energy homeostasis. To achieve this goal,
we are pursuing materials and processes capable of highdensity energy storage, energy transportation, and highefficiency energy conversion. Specifically, we are pursuingresearch focused on (1) next-generation heat storage
materials capable of high-density storage andtransportation of solar heat and process waste heat; (2)energy-saving air separating & oxygen manufacturing
processes that apply exergy recovery principles; (3) newiron manufacturing processes that use low-grade lime andammonia as fuel; (4) fast, energy-saving synthesis of fineceramics through combustion synthesis; and (5) ecofriendly industrial complex design.
(1) Next-generation heat storage materials
Latent heat storage technology using phase changematerials (PCMs) offers the potential for high-density heatstorage due to the latent heat from the PCM's transition
between a solid and a liquid phase. This technology is also
capable of recovering, transporting, and supplying heatthrough phase changes occurring at a fixed temperature.
Our group is developing new PCMs suitable for a variety
of temperatures from room temperature to 500 ˚C andabove; we are also executing process design. Specifically,
we are developing 1) high-conductivity PCM composites toprovide heat-control technology for next-generation powerdevices; 2) sugar alcohol-based PCMs to utilize unused
heat in low-to-mid temperature ranges (waste heat andsolar heat); and 3) alloy PCMs for exergy recovery
technologies and solar thermal power generation.
In particular, we have recently developed amicroencapsulated PCM (MEPCM) usable in areas where
temperatures exceed 300 ˚C. This technology has thepotential to revolutionize the basis of heat storage andtransportation technologies in high-temperature processes
for which solid sensible heat storage technology has longremained unchallenged (see Fig. 1).

Fig. 1 Expected MEPCM applications.
Ref. T. Nomura et al: Sci. Rep., 5(2015), 9117.

(2) Energy-saving oxygen manufacturing processes
that apply exergy recovery principles
We are developing an oxide-based oxygen-storingmaterial capable of separating oxygen from air using onlya slight pressure swing. The use of this material has been
determined to have the potential to produce oxygen using
less than half the energy of traditional technologies.
(3) New iron manufacturing processes that use lowgrade lime and ammonia as fuelThe exergy-intensive steel industry faces threechallenges: resources, the environment, and energy. Ourgroup is approaching this triple threat from theperspectives of materials science and process engineering
to find solutions. Specifically, we are conducting researchfrom a wide variety of perspectives, from basic
experimentation to process design and system creation,with 1) technology that uses chemical vapor infiltration(CVI) to improve the quality of low-grade raw fuels, 2) aground-breaking NH3 ironmaking technology that uses
NH3 as a reduction material, and 3) technology that makes
effective use of the steelworks' high-temperature waste
heat, implemented as key technologies.
(4) Fast, energy-saving synthesis of fine ceramics
through combustion synthesis (CS)CS that uses the self-propagation of an exothermic
reaction between powdered materials has the potential tosynthesize materials via a quick, energy-saving process.
Fig. 2 shows a photo of a CS process. Our researchlaboratory has spent many years investigating CS
methods and has succeeded in synthesizing a variety ofmaterials, such as nitrides, oxynitrides, perovskite, andhydrogen storage alloys. In recent years, we have had aparticular focus on nitrides (such as AlN, Si3N4, and BN)
and oxynitrides (SiAlON). For example, AlN, Si3N4, and BN
are appealing as heat dissipation materials for electronic
components due to their high heat conductivity andcapacity for electric insulation. As the basis of our CS
technology, our group is conducting research into new
functional materials created through doping nitrides andoxynitrides with trace elements and controlling the shapeof the materials (such as nanoparticles and nanofibers).
We are also identifying the mechanisms through whichthese materials' functionalities express themselves.
(5) Eco-friendly industrial complex design
Here, our goal is system design that minimizes the totalof losses using exergy and a true energy evaluation scale.
We are also conducting analyses using cutting-edge
network theory to keep systems in homeostasis and makeuse of eco-friendly industrial complex design where
different types of businesses coexist.

Fig. 2 A photo of a CS process.

エネルギー変換システム設計分野
教授 (兼) 幅﨑 浩樹
准教授
坪内 直人
Associate Professor
Naoto Tsubouchi
tsubon@eng.hokudai.ac.jp

特任助教
望月 友貴
Specially Appointed
Assistant Professor
Yuuki Mochizuki
mochi@eng.hokudai.ac.jp

ポスドク Postdoctoral Fellow
篠原 祐治 Yuji Shinohara
yshinohara@eng.hokudai.ac.jp

研究支援推進員 Research Support Staff
林 隆太郎 Ryutaro Hayashi
ryutaro.hayashi@eng.hokudai.ac.jp

当研究室では、化学の力により『資源・エネルギー・
環境』に係る問題の解決を目指し、主に劣質・未利用
化学資源の高度利用法の開発を推し進めている。
具体的には、現在未利用の炭素資源（バイオマスや低品位石炭など）をクリーンエネルギーや高価値化学
原料などに効率よく変換できるプロセス、劣質な鉄鉱石資源（リモナイト鉱や脈石成分リッチ鉱石など）をアップ
グレーディングし製鉄原燃化するシステムおよび一旦排出されたCO2を再度利用する技術（CCUやカーボン
リサイクルなど）の開発に取り組んでいる。さらに、食品ロス等の視点から、海洋生物資源（魚介類など）の鮮度
管理システムに関する化学工学的研究も進めている。
(1) クリーン・コール・テクノロジー
経済産業省は、CO2 排出量の多い老朽化した石炭火力を2030年度までに休廃止する一方、環境性能の優れた石炭火力の新設は認める方針を示した（2020）。
石炭ガス化と燃料電池から成るガス化燃料電池複合発電（IGFC）法は、高い発電効率を実現できることから、現行技術と比較し、CO2排出量を30%以上削減可能な
次世代型発電法として有望である。このような観点から、
我々はIGFC用高活性触媒の開発、生成する燃料ガス（主成分はH2とCO）中に含まれるヘテロ化合物（HCl、

H2S、NH3 など）の挙動解析と高温除去技術の確立を進めている（特開2005-162988、特開2015-024400）。
また、計算化学に基づき、劣質・未利用炭素資源から高強度コークスを製造する手法の開発も行っている。
(2) 環境調和型製鉄プロセス
よく知られているように、鉄は現代文明社会を支える
基幹素材の1つである。現在、その主要な原料である鉄鉱石は100%輸入に依存しており、今後、不純物の増加により鉄量が低下（劣質化）すると予想されている。
これは、製鉄プロセスにおける①エネルギー使用量の増加、②CO2排出量の増大および③生産性の低下を引き起こす。そこで当研究室では、アルカリ水熱処理を用いる低品位鉄鉱石アップグレーディングプロセスの開発（NEDOプロジェクト）や化学気相浸透法を用いる
炭素内装鉱石の製造（NEDOプロジェクト、特開2017193742）に取り組むとともに、NH3還元製鉄技術・製鉄
由来Hg化合物の排出制御技術・製鋼スラグからのPの選択的回収技術の開発を推し進めている。
(3) カーボンリサイクル
本研究では、『資源・エネルギー・環境』の3大問題を同時解決することを最大の目的に、バイオマスなどの劣質・未利用炭素資源を原料として用い、エネルギー
効率が大きく、さらに、CO2も資源と捉え、これを分離・回収して工業ならびに触媒の原料として再利用できる
炭素循環型発電システムの開発を目指している。このシステムでは、バイオマスや低品位石炭に水溶性金属
イオンを加え、セルフリプレイス効果により高いガス化
反応性を有する新燃料に転換し、これを溶融炭酸塩型
燃料電池のセル内でガス化して、H2とCO2は電池内で循環させる一方、余剰CO2は電極側で濃縮し、それを水酸化物に吸収させ固定化して、その固定化物を再び添加触媒や工業原料として用いる点に最大の特徴を有する。 我々は、また、火力発電所や製鉄所といった大規模な施設から排出されるCO2に特化したCO2転換触媒の設計・開発も推し進めている。
(4) 水圏水産サイエンス
魚介類の生産地や消費地における卸売市場では、鮮度が取引価値を決定する重要な基準となっており、その評価指標としてK値が提唱されている（本学提唱）。
しかし、この値は致死後の魚介類の任意部位を採取し、種々の前処理後に成分分析を行い求めるため、流通現場でのリアルタイム評価は不可能である。このような観点から、当研究室では魚介類の大きさ、死後の経過
時間や保存温度などの情報から、K値を予測する評価システムを開発した（国内出願・PCT出願・台湾出願）。
現在、産業技術総合研究所北海道センターと共同で、鮮度と食べ頃の『見える化装置（MIRASAL）』の開発を進め、その社会実装を目指している。

Laboratory of Chemical Energy Conversion Systems
Professor (concurrent) Hiroki Habazaki
Associate Professor Naoto Tsubouchi
Specially Appointed Assistant Professor

Postdoctoral Fellow
Research Support Staff

Yuuki Mochizuki

Yuji Shinohara
Ryutaro Hayashi

The present research group aims to solve problems related to “Resources, Energy and the Environment” using
the power of chemistry, and we are primarily promoting thedevelopment of advanced utilization methods of low-quality
and unused chemical resources. Specifically, we are working on developing processes that can efficiently convert currently unused carbon resources (e.g., biomass and lowrank coal) to clean energy and high-value raw material
chemicals, systems that can upgrade low-quality iron ore
resources (e.g., limonite and gangue-rich ores) into raw
materials for ironmaking processes, and technology for reusing CO2 emissions (carbon recycling). In view of the issue of food loss, we are also conducting chemical engineering research on a freshness management system formarine biological resources, including fish and shellfish.
The results are expected to contribute significantly to theachievement of the Sustainable Development Goals(SDGs) such as Goal 7, Goal 9, Goal 13 and Goal 14.
(1) Clean Coal Technology
The Ministry of Economy, Trade and Industry announced
the policy of gradually discontinuing and abolishing old coalfired power plants that emit large amounts of CO2 by
FY2030, while permitting the establishment of new coalfired power plants that exhibit excellent environmental performances (July 3, 2020). Integrated gasification fuel cell
(IGFC) technology, which combines coal gasification andfuel cells, is a promising next-generation power generation
methodology that can reduce CO2 emissions by more than
30%, compared with current pulverized coal-fired plants,
because it can achieve high power generation efficiency.
Based on this perspective, our laboratory has been working
on developing a highly active catalyst for use in IGFCs. We
are also analyzing the behavior of heterocompounds, including HCl, H2S and NH3, present in trace amounts in thegenerated fuel gases (main components: H2 and CO) andestablishing a high-temperature removal system for suchcompounds (WO2005-162988, WO2015-024400). Moreover, we are developing methods for producing highstrength coke from low-quality and unused carbon resources, based on organic resource chemistry and computational chemistry.
(2) Environmentally Friendly Ironmaking Process
As is well known, iron is one of the key materials supporting the modern-day society. Currently, Japan is 100% reliant on imports, mainly (90%) from Australia and Brazil, toobtain iron ores (the main raw material of iron). Furthermore,with the rise in impurity levels, the iron content in ores is expected to decrease (deteriorate) in the future. This would
lead to increased energy consumption during the ironmaking process, increased CO2 emissions and reduced
productivity. Thus, the present research group is working on
the development of a low-grade iron ore upgrading processusing alkali treatment (NEDO Project) and the manufacturing of carbon-containing ores using chemical vapor filtration(NEDO Project, WO2017-193742). We are also promoting
the development of a method for controlling mercury compound emissions related to ironmaking processes and amethod for the selective recovery of phosphorus fromsteelmaking slag.
(3) Carbon Recycle
In this research, our biggest objective is to simultaneously
solve three problems: resource, energy and the environment. With this in mind we are aiming to develop a carbon
recycling power generation system that uses low-quality
and unused carbon resources, such as biomass, as raw
materials; has high energy efficiency; and considers
CO2 as a resource; and separates and collects it for reuseas a raw material for industrial processes and catalysts. In
this system, water-soluble metal cations are added to biomass and low-rank coal and converted to fuels with highgasification reactivity by the self-replacement effect. This
fuel is then gasified in the cells of the molten carbonate fuelcell. Thus, the H2 and CO2 gases are circulated in the cell,with excess CO2 being concentrated on the electrode side,absorbed by hydroxide compounds and subsequently immobilized. The biggest feature of the system is the reuse ofthis immobilized CO2 as an added catalyst or raw material
in industrial processes. We are also promoting the designand development of CO2 conversion catalysts to convert
CO2 originating from large-scale facilities such as pulverized coal-fired and ironmaking plants.
(4) Aquatic Production Sciences
In the production and consumption areas of fresh seafood wholesale markets, the freshness of the product is oneof the most important criteria for determining the value ofthe product, and the K value has been proposed as an indicator to evaluate freshness. However, this value is calculated by sampling an arbitrary part of the fish/shellfish after
death and performing component analysis after various
forms of pre-treatment. Thus, it is not suitable for real-timeevaluation in the site of distribution. With this in mind, ourlaboratory has been developing an evaluation system thatpredicts the K value based on information such as the sizeof the product, length of time elapsed after death and storage temperature (WO2020-037546 etc.). Moreover, we are
currently developing a system for evaluating freshness ofmarine products using devices (MIRASAL) that visualize
the best timing of consumption, jointly with the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology(AIST) and Tokyo Denki University.

複合量子ビーム超高圧顕微解析研究室
教授 (兼)

柴山 環樹

教授(兼)

渡辺 精一

准教授(兼) 坂口 紀史
助教(兼)

中川 祐貴

技術専門職員 Technical Specialist
大久保 賢二 Kenji Ohkubo
ohkubo@eng.hokudai.ac.jp
谷岡 隆志 Takashi Tanioka
tanioka@eng.hokudai.ac.jp
大多 亮 Ryo Ota
oota@eng.hokudai.ac.jp

3名

技術職員 Technical Staff 1 名
横平 綾子 Ryoko Yokohirakurishiba@eng.hokudai.ac.jp
研究支援推進員 Research Support Staff
小西 哲也 Tetsuya Konishitetsuya.konishi@eng.hokudai.ac.jp

北海道大学における透過型電子顕微鏡（以下電顕と略記）による研究は昭和 17 年に始まる。1948 年に工学部に加速電圧 5 万ボルト，分解能 3nm の日立製作所製の HU4 型が設置されて以来，電顕が学内に共同利用実験施設として，全学的組織で運用することを目的に，工学部に電子顕微鏡管理委員会が結成された。
以来，電子顕微鏡の性能向上と高電圧化に伴い，100kV，200kV の電顕が更新設置された．現在まで数十台の汎用電顕が各学部，研究所等に設置され，材料科学，医学・生物の分野で多大の成果を挙げてきた。
1965 年代から急速に超高圧電顕に対する関心が世界的に高まるなかで，本学工学部に，1971 年 3 月，
650kV の超高圧電顕の設置が認められ，超高圧電顕による医学・生物および物質・材料に関する物性研究が本格的に開始された。特に本学の超高圧電子顕微
鏡はエネルギー材料である原子炉材料中性子照射に代わり電子線によるシミュレーション照射研究を全国に先駆けて開始した。
その後，電顕の性能向上と照射損傷に関する研究を中心に行う目的から，1981 年 3 月に新たに，1300kVの超高圧電子顕微鏡が完成した。この電子顕微鏡は300kV のイオン加速器を連結した日本で唯一のデュア
ルビーム型超高圧電子顕微鏡システムとして、国内外の原子力材料の照射効果研究に使用されてきた。さらに，従来のエネルギー材料研究に加え，社会的ニーズ
から物質の原子・分子レベルでの解析と未知機能の材
料創製プロセスとして電顕を活用した基礎・萌芽研究の必要性が期待されてきた。そこで，「COE 形成のための研究環境高度化支援プログラム」の一環として，
1995 年度から 3 年間の歳月を経て，1998 年 3 月に，2 台の高エネルギーイオン加速器と 1300kV の超高分解能超高圧電顕（日本電子（株）製 JEM-ARM-1300）を連結したマルチビーム型超高圧電子顕微鏡システム
が，新世代先端材料研究実験棟に設置されている。
主な特徴
・二基のイオン加速器と三基のレーザーを連結：- 300kV，400kV加速器によるイオン注入- ナノ秒パルスレーザー，フェムト秒パルス
レーザー，連続発振紫外線レーザーの照射- 複合量子ビーム（電子，イオン，レーザー）の照射が可能・優れた分解能：- 点分解能 0.117nm- 投影ポテンシャル像の観察が容易- CCDカメラによる「その場」観察が可
・フレキシブルな観察が可能：- 厚い試料（例えば生体片）も観察可- 低温，加熱，ガス環境等の各種ホルダー
複合量子ビーム超高圧電子顕微鏡の特徴
2007 年には短パルスレー ザーを敷設したレーザー
超高圧電子顕微鏡 (L-HVEM) を開発、さらに 2009
年には、イオン加速器 ( 試料照 射真空チャンバー部 ) に短パルスレーザー装置を備えたイオン・レーザ
ー照射単独装置の開発を実施してきました。未踏であるレーザー・電子線・イオンの 3 種類の量子ビームを複合して物質との相互作用をその場観察出来る実験シス
テムの実現に向け準備を進め、平成 26 年度にはレーザー照射系を増設し、ナノ秒パルスレーザー（266nm～
1064nm）に加えてフェムト秒パルスレーザーや連続発振の紫外線レーザーも利用出来るようになり、世界で初めての複合量子ビーム超高圧電子顕微鏡が完成しました。これによりフォトン ( レーザー光 )、レプトン( 電子 )、ハドロン ( イオン ) というすべての素粒子系の代表が揃います。最近、イオン液体を利用した液体中での物質と量子ビームの相互作用に関する研究を開始し、バイオマテリアルや創薬などのライフサイエ
ンス分野への展開も期待されています。更に、複合量子ビーム照射中のフォトルミネッセンス等を測定して物性の変化などを捉えることができるその場計測システ
ムの技術開発を進めており、今後グリーンナノ、エネル
ギー分野への国際的な研究展開が期待されます。

Multi-Quantum Beam High Voltage
Electron Microscope Laboratory
Professor (concurrent) Tamaki Shibayama
Professor (concurrent) Seiichi Watanabe
Assoc. Prof. (concurrent) Norihito Sakaguchi
Asst. Prof. (concurrent) Yuki Nakagawa
Technical Specialist Kenji Ohkubo
Technical Specialist Ryo Ohta
Technical Specialist Takashi Tanioka
Technical Staff Ryoko Yokohira
Research Support Staff Tetsuya Konishi
Multi-Quantum

Beam

HVEM

at

(1) Void formation under (a) electron, (b) laser,(c,d) laser irradiation followed by electron irr. (e)simultaneous laser and electron dual-beamirradiation.

Hokkaido

University is eligible for Radiation Effect Study & InSitu Experiment with multi-beams by two ion
accelerators and a 1.3-MV HVEM.
Our MQB-HVEM is capable of following studies
on nonequlibrium process:a) Dynamic observation of irradiation process
and microstructural development.

(2) SEM images of Ag–Au bimetallic
nanospheroids in SiO2 glass substrate withtunable surface plasmon resonance frequency
by ion irradiationb) Atomistic direct observation on lattice defectinclude cascade damagec) Simulation of neutron irradiation damage innuclear reactorsd) Simultaneous implantation of transmutatedelements such as H, He and Ti, Cr and so one) Synthesis and modification for developing
nonequliribrium materialsf)Aerospacematerials
development
withstanding space debris and radiationg) Materials science at far-from equilibrium forfunctional device

J. App. Phys. 114, (2013) 054308(3) Bio-Science: HREM observation on tooth
enamel of human
tooth enamel(97% hydroxyapatite)

Location of MQB-HVEM
facility Building.

B

10nm

中性子材料解析研究室

法と SAXS 法の組み合わせでは、X 線と中性子間の各元素の散乱長差を利用して、析出物の相や母相中の異物の組成に関する情報が得られる。金属母相に埋め込まれたナノ構造

教授
大沼 正人
Professor
Masato Ohnuma
ohnuma_masato@eng.hokudai.ac.jp

を特徴付けるために、新設計の中性子中角散乱装置(iANS,
図 1)を開発した。その特徴は試料～検出器間の距離を短くし中性子飛行時間法と組み合わせたことであり、 ナノスケール
構造に注目するとき、運動量 Q の分解能を緩めることで従来の SANS 装置よりも適当な運動量範囲に焦点を合わせることができるようになる。この結果、小型加速器駆動中性子源を

教授
加美山 隆
Professor
Takashi Kamiyama
takashik@eng.hokudai.ac.jp

使用しても、絶対単位での定量分析に十分な高品質プロファ
イルが得られるようになった。
(2) パルス中性子ブラッグディップ透過イメージングによる多結晶鋼板のバルク結晶粒の逆極点図マッピング
結晶粒とそれらの配向のマッピングは、材料特性とその微細構造の相関を調べる有力な方法であるため、SEM-EBSD
や XRD イメージング等の手法が開発されている。これらに対

准教授
佐藤 博隆
Associate Professor
Hirotaka Satoh.sato@eng.hokudai.ac.jp
技術職員 Technical Staff
長倉 宏樹
Hiroki Nagakura nagakura.h@eng.hokudai.ac.jp
中性子は物質の原子レベルでの構造や運動状態の研究

し、中性子はより高い浸入深さを持っており、材料内奥までの組織情報を得易いのが特徴である。このため、パルス中性子源を用いる中性子ブラッグディップ透過法で得たスペクトルの解析により多結晶体の結晶粒個々の配向を示すことが可能
な新しいマッピング手法を開発した(図 2)。これは、中性子の入射ビームに沿った方向に関する結晶粒数およびそれらの結晶方位が決定でき、これらの結晶学的特性をマッピング可
能な新しい組織情報評価ツールとして期待される。
(3) 中性子と X 線の相乗イメージングによる元素分布マッ
ピング法の開発に欠くことができない粒子であり、その独特の性質を利用した

中性子ラジオグラフィにおいて高分解能中性子イメージを物質研究（新材料開発や生体物質機能解明など）や産業利得るために、中性子と X 線画像の位置合わせとマッピングに用（航空機・ロケット部材の製品検査や原子力製品の残留応基づく相乗イメージング法を開発した。 これは、中性子線と X

力解析など）が進められている。本学では電子線形加速器を

線の断面積の違いを利用して、より高い空間分解能で核種一次ビーム発生源に用いる小型パルス中性子源が稼働して分布画像を得る手法である。相乗イメージングの概念は、相おり、それを利用した材料研究が可能なことが大きな利点と互情報(MI)を用いた画像位置合わせ技術から開発されていなっている。本研究室では中性子による材料研究を目標に、る。 中性子と X 線画像の間で 2 次元ヒストグラムを計算し、中性子生成源やビームライン等の基盤技術の開発、中性子

形状決定マップを比較することによって、元素分布を決定す

小角散乱やイメージングといった利用手法の開発、中性子やる。 この方法による試料の元素分布決定例を図 3 に示す。

X 線の単独/複合利用の材料解析への応用を研究している。

中性子と X 線の相乗効果により生成される画像は、高分解能

最近の主な研究テーマと最近の研究成果は以下の通りで画像の空間分解能をほぼ維持するため、X 線画像の空間分ある。

解能と同等となる。

(1) 鉄鋼およびその他の合金におけるナノ構造の定量的・
非破壊的特性評価のための中性子中角散乱装置の開発
高強度鋼の最近の発展は、一般にナノスケール領域まで
正確な微細構造の制御を必要とする。析出硬化を含む分散
強化は、分散した粒子の数密度およびサイズに敏感である。
したがって、これらのパラメータの特性評価方法は、製品の品質を制御し、さらに高性能鋼の開発を制御するために重要である。小角散乱（SAS）法からは、析出相の平均サイズおよび数密度について統計的に代表的な値を容易に得ることができる。合金コントラスト変動（ACV）法として知られている SANS

Fig.1 Intermediate-angle neutron scattering instrument iANS.
図 1 中性子中角散乱装置 iANS。

Neutron Materials Analysis Laboratory
Professor Masato Ohnuma
Professor Takashi Kamiyama
Associate Professor Hirotaka Sato
Technical Staff Hiroki Nagakura
The Neutron is an indispensable particle forstudies of the microstructure of materials and atomicscale dynamics, and used for researches onmaterials in industry. In our university, a compact
pulsed neutron source using an electron linac is inoperation, and it is a great advantage for thematerials research. Our missions are to applicate
neutrons to the materials research and to develop
the basic technologies, such as the development of
neutron sources and beam lines, and techniques forsmall-angle neutron scattering (SANS), imaging, etc.
(1) Intermediate-angle neutron scattering instrumentfor quantitative and non-destructive characterizationof nanostructures in alloys
Recent developments in high-strengthened steels
generally require accurate microstructure control
down to the nanoscale region. Dispersion
strengthening is sensitive to the number density andsize of the dispersed particles. Therefore,characterization methods for those parameters areimportant to control the quality of the products andfurther the development of high performance steels.
Small-angle scattering (SAS) can easily give
statistically representative values for average size
and number densities of the heterogeneities. The
combination of SANS and SAXS techniques, which
is known as the alloy contrast variation (ACV)method utilizes the scattering length difference ofeach element between X-rays and neutrons, candetermine phase of precipitate. In addition to phasedetermination, it can give information about thecomposition of the heterogeneities embedded in thematrix. To characterize such nanostructuresembedded in a metallic matrix, a newly designed
intermediate-angle neutron scattering instrument(iANS, Fig. 1) has been developed. It shortens the
distance between the sample and detector and iscombined with a time-of-flight (TOF) technique.
Since the momentum transfer (Q) resolution can berelaxed to provide an optimum Q-range when we
focus on characterizing nanoscale heterogeneity, amuch higher neutron flux can be utilized for themeasurements than those available in aconventional small-angle neutron scattering (SANS)
instrument. Consequently, iANS gives sufficiently
high quality profiles for quantitative analysis on an
absolute unit scale even using a compact accelerator
driven neutron source.
(2) Crystalline grain orientation mapping in apolycrystalline material by pulsed neutron Bragg-diptransmission imaging
Because the mapping of crystal grains and theirorientations is a powerful technique to investigate thecorrelation between material properties and its
microstructure, those such as SEM-EBSD and XRD
imaging have been developed. On the other hand,neutrons have a higher penetration depth against theelectrons or X-rays, which is characterized by easyacquisition of texture information inside the material.
For this reason, we developed a new mapping
method of individual crystal grains and theirorientations in a polycrystalline material by analysisof spectrum obtained by neutron Bragg-diptransmission method using pulsed neutron source.
The example of the mapping is shown in Fig. 2. Thisis expected as a new texture information evaluation
tool capable of determining the number of crystal
grains and their crystal orientations in the direction
along the incident neutron beam and mapping thesecrystallographic characteristics.
(3) Element distribution mapping by synergy imagingof neutron and X-ray
To obtain high-resolution neutron image, wedeveloped the resolution enhancement method
consisting of the image alignment and the mapping
based on the neutron and X-ray synergy imaging. It
is an imaging technique which obtains an element
distribution image with higher spatial resolution using
the differences between cross sections of neutron
and X-ray. The concept of the synergy imaging isdeveloped from the image alignment techniqueusing the mutual information (MI). By calculating thetwo-dimensional histogram between neutron and Xray image and comparing the geometry decisionmap, the element distribution is created. Fig. 3
shows the element distribution of the sample by themethod. Since the image created by the synergetic
use of neutron and X-ray almost keeps a spatial
resolution of a higher-resolution image, the spatial
resolution of the element distribution wasapproximately equal to that of the X-ray image.
Fig.2 Crystal grain map
with their orientations byneutron Bragg-diptransmission method.
図 2 中性子ブラッグデ
ィップ透過法による結晶粒と方位のマップ。

Fig.3 Element
distribution map by
neutron and X-ray
synergy imaging.
図 3 中性子/X 線相乗イメージングによる
元素分布マップ。

客員教授
Guest Professors
客員教授 長坂 徹也

東北大学大学院工学研究科

Guest Professor
Tetsuya Nagasaka

Graduate School of Engineering,Tohoku University

客員教授 葛西 栄輝

東北大学大学院環境科学研究科

Guest Professor
Eiki Kasai

Graduate School of Environmental
Studies, Tohoku University

客員教授 藤林 晃夫

一般財団法人 省エネルギーセンター

Guest Professor
Akio Fujibayashi
客員教授 鷹觜 利公

The Energy Conservation Center, Japan

Guest Professor
Toshimasa
Takanohashi
客員教授 齋藤 公児
Guest Professor
Koji Saito
客員教授 柏谷 悦章
Guest Professor

Yoshiaki Kashiwaya

国立研究開発法人 産業技術総合研究所
National Institute of Advanced Industrial
Science and Technology

日鉄総研株式会社
Nippon Steel Research InstituteCorporation
京都大学大学院 エネルギー科学研究科
エネルギー応用科学専攻
Energy Science and Technology Dept.,
Kyoto University

運営委員
Steering Committee Members
教授 郷原 一壽
Professor Kazutoshi Gohara

応用物理学部門

教授 向井 紳Professor Shin Mukai

応用化学部門教授 橋本 直幸
Professor Naoyuki Hashimoto

材料科学部門教授 大沼 正人
Professor Masato Ohnuma

応用量子科学部門教授 佐藤 努
Professor Tsutomu Sato

環境循環システム部門※エネルギー・マテリアル融合領域研究センター専任教員の教授、准教授は記載しておりません。

人員構成
Number of Constituents
Numbers
センター長
教授
客員教授
准教授
助教
特任助教
技術専門職員
技術職員
博士研究員・ポスドク
学術研究員
研究支援推進員
事務補助員
技術補助員

Professor
Professor
Guest Professor
Associate Professor
Assistant Professor
Specially Appointed Assistant Professor

Technical Specialist
Technical Staff
Postdoctoral Fellow
Assistant Technician
Research Support Staff
Assistant Clerk
Assistant Technician

1
2
6
5
3
2
3
2
3
6
2
6
4
as of April. 2022

研究業績
Research Activities
原著論文

著書・総説

国際会議論文

特許

学会賞

Papers published in

Books and

Papers presented atPatents

Prizesrefered journal

Reviews

international
conference

FY2017

49

3

8

5

9

FY2018

40

8

17

4

18

FY2019

51

6

13

2

6

FY2020

36

1

3

4

4

FY2021

36

0

2

5

8

外部資金導入 (円)Research Funds from External Sources (JPY)
寄付金
Donations

科学研究費補助金
Grant from the Ministry of
Education, Science, Sports andCulture(KAKENHI)

受託共同研究費

合計

Grant for Collaborative

Total

Research

FY2017

10,700,000

24,700,000

39,620,000

75,020,000

FY201814,000,000

17,030,000

36,709,240

67,739,240

FY20196,092,630

26,520,000

42,413,712

75,026,342

FY202012,450,000

53,950,000

78,127,500

144,527,500

FY20212,530,000

49,205,000

82,627,898

134,362,898

教育（学生数）
Education (Number of Students)
博士課程1)

修士課程1)

学部4年2)

合計

2016～2020年度（修了者・卒業者数）

9

65

86

160

2021年度（在学者数）

7

35

14

56

1）材料科学専攻，量子理工学専攻および総合化学専攻
2）応用マテリアル工学コース，応用化学コースおよび機械情報・システムコース

https://www.eng.hokudai.ac.jp/labo/carem/