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量子情報科学に立脚した統計力学の新しい展開

平成30年度は、平成29年度までに得られた結果を踏まえて、(A)一般化横磁場イジングモデルにおける量子相転移や動的性質に関する研究、(B)断熱量子計算や量子アニーリングを用いた特異値分解の量子ダイナミクスに関する研究、(C)2次元量子格子気体モデルに対するエンタングルメント特性に関する研究を行った。(A)一般化横磁場イジングモデルにおいては、Wajnflasz-Pickモデルと呼ばれる一般化イジングモデルに対して、横磁場を導入することにより一次の量子相転移が生じる。これについて、横方向相互作用やWajnflasz-Pickモデルの内部パラメタを調整することにより、転移の次数を変化させることが可能であることを確認した。これは、断熱量子計算や量子アニーリングにおけるボトルネックとして知られる一次の量子相転移を回避することができる方法となっている。また、断熱量子計算や量子アニーリングの計算効率を向上させるための前処理方法について、一般化横磁場イジングモデルを対象に考察した。その結果、組合せ最適化問題を表現するイジングモデルの設定方法を適切に行うことが重要であることを確認した。(B)断熱量子計算や量子アニーリングを用いた特異値分解の量子ダイナミクスについては、階層的構造を持つ行列を対象とした場合と、行列要素がランダムな値の場合の両者について検討した。その結果、初期ハミルトニアンの構造や行列要素の値を適切に設定することにより、断熱量子計算や量子アニーリングを用いた特異値分解の計算精度が向上することを示唆する結果を得た。(C)基底状態を厳密に構成することが可能な2次元量子格子気体モデルを題材に、各種エンタングルメント特性の検討を大規模数値計算を用いて行った。その結果、はしご格子上の量子格子気体モデルにおける各種エンタングルメント特性と類似の関係が得られることを確認した。本研究課題1年目となる本年度は、トポロジカル相転移を起こす一般化1次元クラスタイジング模型について、その量子相転移(トポロジカル相転移)及び量子相転移を横切るスイープダイナミクス下で生じる特異な現象を調査した。1次元クラスタ模型と呼ばれる統計力学模型はこれまで可解模型、量子情報科学の文脈で精力的に研究されてきた。この模型は自由フェルミオン模型に変換できるため、厳密な解析が可能である。この模型の基底状態はクラスタ状態と呼ばれ、測定型量子計算のリソース状態の一つとして知られている。我々はこの1次元クラスタ模型に対し双対な相互作用を加え、更にイジング相互作用を加えた一般化1次元クラスタ模型を提案した。この模型には三つの相互作用が存在する。相互作用値を変えることにより量子相転移が生じる。我々はこの模型の基底状態相図を厳密な解析及び数値計算を用いて完成させた。また相互作用スイープによる動的特性の探求は量子アニーリングや断熱量子計算の文脈から興味を集めている。特に相転移点を横切る相互作用スイープによる動的特性は、相転移点の特性を反映する。我々は異なるトポロジカル数を持つ二つの量子相の間のスイープダイナミクス及び、同じトポロジカル数を持つ二つの異なる量子相の間のスイープダイナミクスを検討した。その結果、トポロジカルブロッキング現象と呼ばれる、トポロジカル系に特有の動的現象を観測した。これは初期状態のトポロジカル特性を反映した特徴的な動的現象と言える。本研究課題の目的として、量子情報科学における最重要概念であるエンタングルメント(量子もつれ)を元に、統計力学模型の性質を探求する枠組みの構築を掲げていた。本年度行った一般化1次元クラスタイジング模型は、今後より複雑な量子系に対してエンタングルメント特性を検討する上での雛形となる重要な統計力学模型である。また2年度以降実施する研究の準備計算を実行しており、当初掲げた研究計画を順調に進められる目処が立ちつつある。本研究課題の二年目となる本年度は、前年度に検討したトポロジカル相転移を起こす一次元一般化クラスタイジング模型について引き続き研究を進めた。量子相転移(トポロジカル相転移)の様子を網羅的に検討し、また、相互作用パラメータのスイープダイナミクスによる秩序変数や量子エンタングルメントに関係する量の動的振舞を大規模数値計算によって得ることに成功した。特に、量子ダイナミクスの観点から興味深い、量子相転移を横切るような相互作用スイープダイナミクスを調査した。トポロジカル量子数が変化する量子相転移の場合としない量子相転移の場合についてそれぞれ詳細に検討した。更に得られた結果の物理的意味を考察するため、相互作用が周期的に切断されている模型について同様の計算を行った。これら一連の結果を学術論文にまとめた。また、量子エンタングルメントと量子アニーリングの性能の関係を調査した。エンタングルメントエントロピーが厳密に計算でき、かつ、その値を自在に動かすことができる最も簡単な場合として、階層構造を持つデータ行列の特異値分解を量子アニーリングで行うという問題設定で検討した。ここで階層構造を持つデータ行列とは、基本となる小さな行列の直積で与えられる行列を指す。階層数を大きくするに従い、エンタングルメントエントロピーは、一次元量子臨界系に見られる対数関数での発散が起こることを明らかにした。一次元量子臨界系におけるエンタングルメントエントロピーとエネルギーギャップの潰れ方との関係の類推から、エンタングルメントエントロピーと量子アニーリングの性能に相関があると予想したが、同一のエンタングルメントエントロピーの値を有する異なる行列について、量子アニーリングの性能が全く異なることが明らかになった。

本年度は、前年度に検討した統計力学模型の精密な検討を行い、学術論文にまとめることができた。また、厳密に量子エンタングルメントを得ることができる量子系について、量子エンタングルメントと量子アニーリングの性能の関係を調査した。量子アニーリングの性能を記述する際に、量子エンタングルメントの概念がどこまで利用できるかを検討することができた。更に、本研究課題最終年度(三年目)に実施する研究の準備計算を実行しており、当初掲げた研究計画を順調に進められる目処が立った。平成29年度は、平成28年度までに得られた結果を踏まえて、通常の横磁場イジングモデルや一般化横磁場イジングモデルにおける性質と、エンタングルメント特性の静的現象、動的現象の関係について検討した。特に、一般化横磁場イジングモデルについては、厳密に基底状態を構成することが可能な2次元量子格子気体模型について検討した。エンタングルメント特性としては、従来から典型的に用いられているエンタングルメントエントロピーやエンタングルメントスペクトル(縮約密度行列の固有値から得られる情報)だけでなく、縮約密度行列からエンタングルメントハミルトニアンの基底状態を求め、その基底状態に対するエンタングルメントエントロピー(ネステッドエンタングルメントエントロピーと呼ぶ)や、基底状態の性質を検討した。2次元量子格子気体模型の格子形状が正方格子の場合、正三角格子の場合それぞれについてエンタングルメントエントロピー、エンタングルメントスペクトルを検討し、それぞれ対応する臨界現象を決定することに成功した。またそれを確認する目的で、縮約密度行列から得られるエンタングルメントハミルトニアンの基底状態の性質をネステッドエンタングルメントエントロピーの観点から検討した。これは本研究課題の目的である、エンタングルメントの階層的構造の確認に位置づけられる結果である。これらの結果は厳密対角化によって得られたものである。またこの2次元量子格子気体模型について、正方格子と正三角格子の中間領域に関しては現在検討中である。更に、このエンタングルメントの階層的構造を確認するため、通常のスピン系や電子系とは異なる構造のハミルトニアンに対する断熱量子計算について、エンタングルメント特性を検討した。本年度は、前年度までに検討した統計力学模型について、大規模数値計算に基づく結果を得ることができた。また、学術論文作成に対する目処が立った。平成30年度は、平成29年度までに得られた結果を踏まえて、(A)一般化横磁場イジングモデルにおける量子相転移や動的性質に関する研究、(B)断熱量子計算や量子アニーリングを用いた特異値分解の量子ダイナミクスに関する研究、(C)2次元量子格子気体モデルに対するエンタングルメント特性に関する研究を行った。(A)一般化横磁場イジングモデルにおいては、Wajnflasz-Pickモデルと呼ばれる一般化イジングモデルに対して、横磁場を導入することにより一次の量子相転移が生じる。
脊椎動物における肝臓構築の多様性とその分子基盤に関する比較分子形態学的研究

脊椎動物の肝臓構築には、肝内胆管の走行が門脈に沿う"並走型"と門脈とは独立の"独立型"の2タイプがある。原始的脊椎動物肝臓で並走型が出現、これは四足類に続く一方、条鰭類の進化では並走型から独立型に移行する。この形態進化は分子レベルの実態に加え、生理的意義も不明である。本研究では、哺乳類で知られる肝構成細胞の分子マーカーを各分類群で発現解析したり、脊椎動物代表種の肝臓で発現する遺伝子を網羅的に解析することで肝臓構築の分子基盤を探索する。これらより、脊椎動物の進化の中で肝臓構築と機能が分子レベルでどのように変化したかを証明し、形態進化の仕組みと意義に迫る。
人工心臓治療における安全管理のための複合センシングシステムの研究開発

人工心臓治療における安全管理を実現するために、三大合併症である血栓塞栓症、感染症、出血を検出する上で重要となる情報を計測可能な複合センシングシステムの開発を目的とした。本センシングシステムは、人工心臓と患者の大動脈をつなぐ血液循環チューブに取り付けることで多様な人工心臓への適用を可能とする。チューブの外径や素材の差異へ対応するため、センサユニット筐体の交換可能なセンサコアモジュール型構造を考案し,次の4研究項目に取り組んだ.(1)センサコアモジュールの開発,(2)センサユニット筐体の設計と試作,(3)無線通信機能を有する一体型センサ駆動回路の開発,(4)模擬循環回路・シミュレータの開発である.人工心臓治療における安全管理を実現するために、三大合併症である血栓塞栓症、感染症、出血を検出する上で重要となる情報を計測可能な複合センシングシステムの開発を目的とした。チューブの外径や素材の差異へ対応するため、センサユニット筐体の交換可能なセンサコアモジュール型構造を考案し,次の4研究項目に取り組んだ.(1)センサコアモジュールの開発,(2)センサユニット筐体の設計と試作,(3)無線通信機能を有する一体型センサ駆動回路の開発,(4)模擬循環回路・シミュレータの開発である.本研究では、人工心臓治療における安全管理を実現するために、主要な合併症である「血栓塞栓症」、「感染症」、「出血」を検出する上で重要となる情報を計測可能な複合センシングシステムの開発を目的とする。本研究で開発する複合センシングシステムは、患者の大動脈と人工心臓をつなぐ血液循環チューブに取り付けることで、多様な人工心臓への適応を可能とする。チューブの外径や素材の差異へ対応するため、センサユニット筐体の交換可能なセンサコアモジュール型構造を考案し、本年度は、(1)センサコアモジュールの開発、(2)センサユニット筐体の設計と試作、(3)無線通信機能を有する一体型センサ駆動回路の開発という3つの研究項目に取り組んだ。研究項目(1)では、血液温度を計測するための温度センサ、血流量を計測するための流量センサ、血圧を計測するための圧力センサ、そして酸素飽和度・ヘマトクリット値・浮遊血栓を計測するための光センサを、モジュールの母体となる直方体樹脂へ組み込んだ。結果として、相互に干渉を起こさない最小間隔で各センサを統合することができた。研究項目(2)では、共通のセンサコアモジュールによる計測を前提に、臨床でよく用いられるチューブ外径11.1 mm,14.3 mm,18 mmのサイズに対応する筐体設計を行った。設計にはシミュレーション機能を有する3DCADを用い、チューブに挟み込んだ際に筐体にかかる圧力分布やチューブ内の流体速度分布を有限要素法によりシミュレーションし、筐体の強度や、澱みを引き起こさない形状を検討した。研究項目(3)では、無線通信機能には、数mの通信距離、高速な通信速度、低い電力消費量、他の無線への耐性等を考慮して、Bluetooth技術を採用した。無線通信回路と全センサの駆動回路、さらにバッテリ充電回路を一枚の電子基板に集約した。本研究の目的は、人工心臓治療における安全管理を実現するために、主要な合併症である血栓塞栓症、感染症、出血を検出する上で重要となる情報を計測可能な複合センシングシステムの開発であった。最終年度となる平成26年度は、前年度からの継続研究項目として、(1)センサコアモジュールの開発、(2)センサユニット筐体の設計と試作、(3)無線通信機能を有する一体型センサ駆動回路の開発、新たな研究項目として(4)模擬循環回路シミュレータの開発という4つの研究項目に取り組んだ。(1)では、前年度の課題となっていた超音波流量センサの超音波減衰による性能劣化の改善を、モジュール樹脂への組み込み条件を変えて試みるも改善できず、超音波の共振周波数を下げることで減衰を抑え解決を図る方針を新たに立てた。(2)では、前年度の課題となっていた真空注型装置による筐体試作に関しては、所属機関の変更に伴い当該装置を利用できなくなったため、真空ポンプと真空デシケーターから構成される真空脱泡機を新たに自作した。現在、筐体試作を進めている段階にある。(3)では、前年度の課題となっていた回路基板の小型化に関しては、超音波流量センサ回路の一部をマイコンで構成することで部品点数を削減し、回路全体の小型化に努めた。(4)では、人工心臓装着患者の血行動態を模擬するために、血液ポンプ、血液循環チューブ、リザーバ、酸素飽和度を調整するための人工肺、心拍動を模擬するための拍動ポンプから構成される模擬循環回路を構築した。研究期間全体を通じて実施した研究の成果から、本研究で考案したセンサユニット筐体の交換可能なセンサコアモジュール型構造を有する複合センシングシステムの開発に目処を得た。今後、研究項目(1)から(3)を完遂させ開発された複合センシングシステムを、研究項目(4)にて構築した模擬循環回路を用いて総合的に評価していく予定である。生体医工学,医療情報,健康科学研究項目(1)においては、流量センサ(超音波ドップラ方式)から照射された超音波が計測性能の低下を招くほど減衰した。そのため、モジュールの母体である樹脂への組み込み条件(接着、樹脂の厚み等)に再考が必要となり、完成に至らなかった。

研究項目(2)においては、筐体の試作に利用する予定であった真空注型機の操作の習熟に手間取り、筐体の試作に至らなかった。研究項目(3)においては、電子部品の配置が最適化されているとは言い難く、まだ基板サイズの小型化に改善の余地があり、基板作製と電子部品の実装(半田付け)を外注するに至らなかった。以上の理由により、「やや遅れている」とした。平成26年4月より研究代表者の所属機関が変更となったため、平成26年度の研究費の利用計画を一部変更して、最低限必要な設計ソフトウェアと電子計測機器を購入し、研究開発環境を再構築する。さらに、本年度の本研究課題へのエフォート率を上げて、遅れている研究項目を含めて当初の研究計画を完了させる。本年度の前半は、完了していない研究項目(1)、(2)、(3)に重点的に取り組む。後半は、研究項目(4)として、複合センシングシステムの総合評価試験で使用する模擬循環回路シミュレータの開発と、研究項目(5)として、複合センシングシステムの総合評価試験を行う。
造形概念としてのコンステレーション

コンステレーションは、芸術学や美術史において検討されていない概念だが、コンポジションやコンストラクションとともに近代的な作品概念や制作論を支える重要な機軸とみなさざるをえない。この概念は、19世紀末からの記憶をめぐる心理学、また1910年代のユングの精神分析学で専門的な位置づけを獲得したが、1920年代後半になると、ハンス・アルプやバウハウスの芸術家たちは重要な造形上の概念と認知し、また批評家ベンヤミンもこの概念を方法論的な武器として批評作業の戦列に加える。本論では、ハンス・アルプとパウル・クレーの1930年前後の制作活動を取り上げ、コンステレーション概念の意味を明確化した。造形としてのコンステレーションとは、関係転換性と自己言及性のもとに、アスペクトの転換や形成をもたらす志向性や能動性を制作の水準で自己批判的に限界化し、それまでの制作のプロセスを異質なプロセスに切り換え、「再始動」する手続きである。コンポジションやコンストラクションと異なって、こうした再始動は自己言及的な行為だが、制作の否定ではない。むしろそれは、形態学的な水準ではメタモルフォーゼと呼ばれる創発的な配置変換にほかならない。そうした造形概念としてのコンステレーションの成立背景に、記憶をめぐるクレーの友人ロートマルやゼルツの心理学およびユング心理学、そしてバウハウスの造形的実験をあとづけた。通常「星座」と理解される「コンステレーション」の概念は、その本来的意味に立ち戻ってみると、構成素の「編成(グループ化)」を意味する。その点で、認知の機構もしくは芸術の制作にとってきわめて本質的な概念にほかならない。この概念は従来見過ごされてきたものの、現象学やゲシュタルト心理学の登場、あるいはキュビスムや抽象絵画の出現など、認識の風景ならびに芸術の哲学が伝統的地平の破棄的変革を志向した20世紀初頭のヨーロッパにおいて、きわめて重要な焦点となっていた。とりわけ、心理学の「連想(連合)」と造形美術における「コンストラクション」を共約する点が示唆深い。以上の研究関心にもとづいて、第1に、ゲッティンゲン・グループの現象学的心理学者カッツが色覚を触覚から解明する立場に注目した。第2に、画家クレー、バウハウスの芸術家たちの一次資料を国外アーカイヴにて実地に調査し、ポスト・コンポジションの模索をとくに感覚論の組み替えという視点から再構築を試みた。こうした研究から、「視覚」表象と総括されがちなイメージの機構はむしろ触覚や身体の運動の次元から把握されるべきであるとの見解にいたった。これらの研究成果は、資料の整理とともに来年度にかけて発表してゆきたい。構成素の「編成(グループ化)」を意味する「コンステレーション」概念は、1910、20年代のヨーロッパにおける芸術、心理学、生物学、思想の諸領域で重要な役割を果たした。この時代は、「近代」の変革期として、感性的体験や発展概念、部分と全体との秩序概念について再検証・再構築を余儀なくされたからである。造形芸術においては、近代の制作論で主導的役割を担ったコンポジション概念にかわって、コンストラクションやコラージュといった手法・概念が登場した。しかし、周知のこうした変化の根底に、同時代の諸領域にも通底する、より重要な特性を認識すべきであろう。従来注目されてこなかった概念だが、それが「コンステレーション」である。この概念は、生命哲学というべきモーガンやアレキサンダーの1920年前後の著作に明示される。彼らによれば、新しさとは要素の加算的付加ではなく、ある配置の変化から「浮上する(emergent)」特性なのである。この「創発性(emergence)」は、システム内の要素の配置、関係への注目にほかならない。一般に造形芸術では、この時期のモンドリアンやクレーの作品に認められるグリッド(画面のオールオーヴァーの格子)は近代的コンポジションの否定とみなされるが、むしろコンステレーションという視点からとらえなおすべきである。同様に、1910年代に発展したマンセルらの色彩オーダー・システムも、実は絵画にとっては新しいコンステレーションの示唆にほかならなかった。この概念の重要さは、バウハウス資料などの分析からも確認できる。
極めて強力な新しい電子供与体,アズレニルキノジメタン類の効率的合成と機能開発

アズレン-1-カルボン酸メチル(1)と1/4モル量のテレフタルアルデヒドとを酢酸に溶解し,希塩酸を加え,室温(25°C)で2時間かき混ぜたところ,1, 4-ビス[ジ(3-メトキシカルボニルアズレン-1-イル)メチル]ベンゼン(2)が収率92%以上で得られた.次に,化合物2をクロロホルムに溶解し,2, 3-ジクロロ-5, 6-ジシアノ-p-ベンゾキノン(DDQ)で酸化したところ,新規アズレニルキノジメタン化合物の7, 7, 8, 8-テトラキス(3-メトキシカルボニルアズレン-1-イル)-p-キノジメタン(3)にほぼ定量的に転換されることが判った.これら生成物の構造はUV/VIS, IR, MS, ^1H-および^<13>C-NMRスペクトルを測定し,それらの解析結果から決定した.なお,生成物2と3の経済的かつ高効率的合成法を確立し,化学構造を決定し,さらには生成機構についても解明できたことは注目に値する.さらに,電子受容体[即ち,テトラシアノエチレン(TCNE),7, 7, 8, 8-テトラシアノ-p-キノジメタン(TCNQ)あるいはDDQ]と速やかに電荷移動錯体を形成する3の熱分析(TGA/DTA)結果と電気化学的挙動(CV/DPV)についても鋭意検討し,3を実用有機電子材料として使用するための大変重要な知見を得ることにも成功した.また,WinMOPACV2.0分子軌道計算ソフト(半経験的分子軌道法,ハミルトニアン:AM1)を用いて,3の分子構造(最適化構造),生成熱ならびに電子状態(π-HOMOとπ-LUMOの分布とギャップ)等についても鋭意検討した.なお,今回我々が開発した合成方法を活用すれば,色々な7, 7, 8, 8-テトラアズレニル-p-キノジメタン類が経済的かつ高効率的に得られることも確認できた。以上アズレン-1-カルボン酸メチル(1)と1/4モル量のテレフタルアルデヒドとを酢酸に溶解し,希塩酸を加え,室温(25°C)で2時間かき混ぜたところ,1, 4-ビス[ジ(3-メトキシカルボニルアズレン-1-イル)メチル]ベンゼン(2)が収率92%以上で得られた.次に,化合物2をクロロホルムに溶解し,2, 3-ジクロロ-5, 6-ジシアノ-p-ベンゾキノン(DDQ)で酸化したところ,新規アズレニルキノジメタン化合物の7, 7, 8, 8-テトラキス(3-メトキシカルボニルアズレン-1-イル)-p-キノジメタン(3)にほぼ定量的に転換されることが判った.これら生成物の構造はUV/VIS, IR, MS, ^1H-および^<13>C-NMRスペクトルを測定し,それらの解析結果から決定した.なお,生成物2と3の経済的かつ高効率的合成法を確立し,化学構造を決定し,さらには生成機構についても解明できたことは注目に値する.さらに,電子受容体[即ち,テトラシアノエチレン(TCNE),7, 7, 8, 8-テトラシアノ-p-キノジメタン(TCNQ)あるいはDDQ]と速やかに電荷移動錯体を形成する3の熱分析(TGA/DTA)結果と電気化学的挙動(CV/DPV)についても鋭意検討し,3を実用有機電子材料として使用するための大変重要な知見を得ることにも成功した.また,WinMOPACV2.0分子軌道計算ソフト(半経験的分子軌道法,ハミルトニアン:AM1)を用いて,3の分子構造(最適化構造),生成熱ならびに電子状態(π-HOMOとπ-LUMOの分布とギャップ)等についても鋭意検討した.なお,今回我々が開発した合成方法を活用すれば,色々な7, 7, 8, 8-テトラアズレニル-p-キノジメタン類が経済的かつ高効率的に得られることも確認できた。以上新しい機能性材料化学への展開の観点から,π電子系多機能分子システムの創製に関する基礎研究の一環として,我々は十数年来,代表的な非ベンゼン系芳香族化合物のアズレン類の特異的化学反応挙動について詳細に検討している。そこで,今年度はこれら一連の研究の展開中に本研究課題の前駆体である1,4-ビス(ジアズレニル)メチルベンゼン類が効率的(実収率92%以上)かつ経済的に得られる反応条件を見い出した。また,これらは容易にかつ定量的に我々が注目している化合物,アズレニルキノジメタン類に転換できることが判り,本研究課題の7,7,8,8-テトラアズレニルキノジメタン誘導体が効率的(実収率45%以上)に得られた。さらに,このキノジメタン化合物の熱物性(TG/DTA)ならびに電気化学的挙動(CV/DPV)について鋭意検討したところ,新しい有機機能性材料化学への展開に寄与する大変興味ある知見が得られた。また,このキノジメタン化合物の電気化学は大変興味深く,さらに,種々の電子受容体(TCNQ,DDQおよびTCNE等)と容易に電荷移動錯体を形成するなど,実用有機材料化学としての展開が期待でき,注目に値する実験諸事実を得ることに成功した。なお,このキノジメタン化合物の単一結晶X線構造解析については現在鋭意検討中であるが,その半経験的分子軌道法MOPAC(ハミルトニアン:AM1)による最適化構造と電子状態等についても興味をもち,鋭意検討したところ,2,3の大変興味ある計算結果が得られた。

アズレン-1-カルボン酸メチル(1)と1/4モル量のテレフタルアルデヒドを酢酸に溶解し,希塩酸を加え,室温(25°C)で2時間かき混ぜたところ,1,4-ビス[ジ(3-メトキシカルボニルアズレン-1-イル)メチル]ベンゼン(2)が収率92%以上得られた.次に,化合物2をクロロホルムに溶解し,2,3-ジクロロ-5,6-ジシアノ-p-ベンゾキノン(DDQ)で酸化したところ,新規アズレニルキノジメタン化合物の7,7,8,8-テトラキス(3-メトキシカルボニルアズレン-1-イル)-p-キノジメタン(3)にほぼ定量的に転換されることが判った.これら生成物の構造はUV/VIS,IR,MS,^1Hおよび^<13>C-NMRスペクトルを測定し,それらの解析結果から決定した.なお,生成物2と3の経済的かつ高効率的合成法を確立し,化学構造を決定し,さらには生成機構についても解明できたことは注目に値する.さらに,電子受容体[即ち,テトラシアノエチレン(TCNE),7,7,8,8-テトラシアノ-p-キノジメタン(TCNQ)あるいはDDQ]と速やかに電荷移動錯体を形成する3の熱分析(TGA/DTA)結果と電気化学的挙動(CV/DPV)についても鋭意検討し,3を実用有機電子材料として使用するための大変重要な知見を得ることにも成功した.また,WinMOPAC V2.0分子軌道計算ソフト(半経験的分子軌道法,ハミルトニアン:AMI)を用いて,3の分子構造(最適化構造),生成熱ならびに電子状態(π-HOMOとπ-LUMOの分布とギャップ)等についても鋭意検討した.なお,今回我々が開発した合成方法を活用すれば,色々な7,7,8,8-テトラアズレニル-p-キノジメタン類が経済的かつ高効率的に得られることも確認できた。
内容言語統合型学習を基本とした共通語としての英語授業の言語測定評価システムの開発

本研究は内容言語統合型学習(CLIL)を基本とした共通語としての英語(ELF)授業の言語測定評価システムの開発を目的とする。授業はCLILの4つのC、内容(Content),言語(Communication),思考(Cognition),協学(Community)を有機的に結合させながら、共通語としての英語という意識を喚起させることを念頭に、反転授業の要素を取り入れておこない、またテスト・評価は授業と表裏一体という基本的立場から手順を授業案→授業実施→測定→検証→授業案再構成→テスト再開発の流れを一貫させる。コミュニケーション能力に言語能力は不可欠であるが、加えて異文化対応能力など文化的な側面、および関心、意欲、態度など心理、情意などの側面もあわせて考え評価の対象とする。加えて、スカイプ、PCなどのITを駆使することも研究範囲である。今年度は関心意欲態度といった心理部分、加えて言語の多様性への意識の変化などといった内面的部分の評価をアンケート、自己評価によって行う。この妥当性を検証しルーブリックにする。従って評価項目の妥当性の検証をおこないその実用性もあきらかにする。授業は前年度の授業案を中心に改訂されたものを基に展開し、アンケートを行い、評価項目の心理部分、内面部分の充実を図る。例えば双方向型国際会議後のアンケートを行い、学生の実際の言語使用以外の内面の部分の考察が可能となり、その分析結果を活用することでよりきめの細かい指導が可能となると思われる。教授法と評価測定との表裏一体という側面を考えると、ほぼ満足のいくものと考えられる。研究の目的の第一は多言語話者クラスの特徴(共通語は英語)を生かすと同時に、テレビ会議型学生参加討論授業を実施し、反転授業手法により学生の講義への深い関わり合いを生じさせ、双方向型の対話・討論を行うことであるが、加えて関心意欲態度といった心理部分、さらに言語の多様性への意識の変化などといった内面的部分の評価をアンケート、自己評価によって行うことも同時に行った。因子分析等で各項目の妥当性を検証し広く学外に公開、共有できる素地が固まりかけたことは大きな収穫であるEIL ELFのクラスルームでの教授とその測定、さらに言語的、非言語的側面の教授と測定、またICTの活用による時代の流れに即した研究成果を目指し、最終的には報告書の完成をおこなう。下記のような数字総合分析を行い、29年度、30年度を含めて一覧表(ルーブリック)を作成する。下記のような項目を含める。最終報告書を次の項目でまとめる。評価システムの汎用性の検討/評価システムと授業の関連性の検討(CLILとの融合性)/学会発表(国内、国際学会)を中心に学外、社会的評価を求める。今年度はこれまでの伝統的な授業システムとは異なった視点から授業をとらえ、地球規模の視点でとらえたグローバル化された学習環境、教授環境をスカイプなどを駆使して提供し情報を活用する学生の育成をおこなった。特にTESOL(英語を外国語・第二言語として教える教授法)および応用言語学の分野で著名な学者が世界各国から参加する生の情報を受講学生が得られ、そのことにより学生の英語教授法への考えが、国内的にも国際的にもより広く、深くなると考えられるが、教授法の変化(CLTからCLIL/EMIなど)のための目標設定、学生グローバライゼーションへの対応変化、コミュニケーション能力テストの開発の糸口をつかむことを目指し、学生の目標設定はより具体的になり学習効果が期待されたとおもわれる。また、より細かいCan-do記述を行いより高い動機づけもたせることにもなったとおもわれる。研究の目的の第一は多言語話者クラスの特徴(共通語は英語)を生かすと同時に、テレビ会議型学生参加討論授業を実施し、反転授業手法により学生の講義への深い関わり合いを生じさせ、双方向型の対話・討論を行うことであるが、下表のような授業の学期の大まかな流れで、能力測定・評価は主にDiscussion, Presentation, Paper Submissionなどによるタスクを課し、アイコンタクト、ジェスチャー、ハンドアウト活用、プレゼンテーションスライド活用、音声、スピーチ構造などを数字化して検証の一部を行うことができた点は大きな収穫である。

コミュニケーション能力に言語能力は不可欠であるが、加えて異文化対応能力など文化的な側面、および関心、意欲、態度など心理、情意などの側面もあわせて考え評価の対象とする。加えて、スカイプ、PCなどのITを駆使することも研究範囲である。今年度は関心意欲態度といった心理部分、加えて言語の多様性への意識の変化などといった内面的部分の評価をアンケート、自己評価によって行う。この妥当性を検証しルーブリックにする。従って評価項目の妥当性の検証をおこないその実用性もあきらかにする。授業は前年度の授業案を中心に改訂されたものを基に展開し、アンケートを行い、評価項目の心理部分、内面部分の充実を図る。例えば双方向型国際会議後のアンケートを行い、学生の実際の言語使用以外の内面の部分の考察が可能となり、その分析結果を活用することでよりきめの細かい指導が可能となると思われる。教授法と評価測定との表裏一体という側面を考えると、ほぼ満足のいくものと考えられる。研究の目的の第一は多言語話者クラスの特徴(共通語は英語)を生かすと同時に、テレビ会議型学生参加討論授業を実施し、反転授業手法により学生の講義への深い関わり合いを生じさせ、双方向型の対話・討論を行うことであるが、加えて関心意欲態度といった心理部分、さらに言語の多様性への意識の変化などといった内面的部分の評価をアンケート、自己評価によって行うことも同時に行った。因子分析等で各項目の妥当性を検証し広く学外に公開、共有できる素地が固まりかけたことは大きな収穫である2年目には関心意欲態度といった心理部分、加えて言語の多様性への意識の変化などといった内面的部分の評価をアンケート、自己評価によって行う。授業は前年度の授業案を中心に改訂されたものを基に展開し、以下のアンケートを行い、評価項目の心理部分、内面部分の充実を図りたい。例えば双方向型国際会議後のアンケートは以下のような項目になる。EIL ELFのクラスルームでの教授とその測定、さらに言語的、非言語的側面の教授と測定、またICTの活用による時代の流れに即した研究成果を目指し、最終的には報告書の完成をおこなう。下記のような数字総合分析を行い、29年度、30年度を含めて一覧表(ルーブリック)を作成する。下記のような項目を含める。最終報告書を次の項目でまとめる。評価システムの汎用性の検討/評価システムと授業の関連性の検討(CLILとの融合性)/学会発表(国内、国際学会)を中心に学外、社会的評価を求める。当初予定していた統計処理用ソフトが予定以上の低価格で購入できたこと、および所属機関所有のものが活用できたために費用の支出が抑えられたこと。さらには、本研究テーマに関する国際学会が複数日本国内で開催されたために、これらの学会で当該分野の研究者、学者と情報交換、成果発表が可能となり、あえて海外に渡航して学会発表の費用を支出する必要がなかった。以上の理由で予定計上された額より少ない支出となった。
D1S80の変異型の構造解析と多型検出法の確立

PCR-RFLP法を用いたD1S80の構造解析から、予想されるタイプのフラグメントは小さいものから順に16、32、48、64、80、221、237、253、269、285、317、349、365bpが存在する。日本人(111人)中国人(112人)の分析結果から15種類の泳動パターンのタイプが検出された。中国人集団で新たに検出されたサブタイプはE6-2、E10-3、E10-4、E14-2であり、一方日本人集団のみに検出されたのはE8-2、E9-5、E12-3、E15-3であった。電気泳動によるinterallele(off ladder allele)の解析では、リピート部分の構造上の組み合わせが易動度の差に影響している事が明らかとなった。特にallele20、27、28、31の解析では、E8-2、E9-1、E9-2、E10-1、E12-2、E15-2のサブタイプに泳動上のズレが判明し繰り返し配列の構造上の特徴が明らかとなった。DIS80の塩基配列にEcoRIIのcleavage siteがあるため、この制限酵素を用いたPCR-RFLP法とシークエンス分析からすべてのアリル(日本人集団111名)の分析を行った。その結果11種類の型が検出された。切断パターンで最大フラグメントが小さい方から順に、また48bpのフラグメントが無いものをE1からE5、48bpのフラグメントが出現するものをE6からE10、80bpのフラグメントが出現するものをE11と命名した。ホモの9サンプルのうち2サンプルは24(E4)/24(E8)のpseudohomoタイプであり、その他は18(E3)、24(E4)、27(E3)、28(E4)、31(E4)のホモタイプであった。そのpseudohomoタイプは親子間でも証明され、塩基配列からも明らかにされた。EcoRII以外にMspI、及びAvaIIのcleavage siteが存在するため、これらの酵素を用いたサブタイピングを検討したところアリル28及び30では新たな分類が可能であった。EcoRIIを用いたDIS80のリピートユニット部分の切断部位の有無(PCR-RFLP法)からサブタイピングを検討し、日本人集団では11種類の、中国人集団では日本人集団にない4つの新しいサブタイプが検出された。従って前年度より、更に詳細な分析データが得られ、新しい命名法によるサブタイピングが可能となった。すなわち、最大フラグメントに含まれる16塩基の繰り返し数を最初の数字とし、70bpと16bpを除いた小さなフラグメント(32bp、48bp、64bp)の数を記入する命名法である。今後予想される新しいサブタイプが検出されても、我々の命名法によって、ほとんどの分類が可能となるであろう。その他、DIS80フラグメントのinteralleleの解析を行った。現在明らかにされている、すべてのinteralleleの塩基配列を分析し、電気泳動による泳動のズレを生じる構造上の差について解析した。
^<31>P-MRSを用いた躁うつ病の病態及び診断に関する基礎的研究

近年,イメージングの開発は進み,そのうちのひとつであるMRSを用いて,受容体刺激による二次メッセンジャーの反応をin vivoで捉えることが可能になってきている。しかし,まだ様々な問題があるため,ヒトを対象とした研究には至っていない。本研究では,躁うつ病のセロトニン受容体過感受性仮説に基づいた動物モデルを作成し,これを対象にセロトニン受容体を刺激した場合に生じるPi反応の亢進を^<31>P-MRSのPMEピークの変化量として捉えうるか否かを検討した。もし、可能であれば,ヒトの脳を対象にin vivoでセロトニン受容体の感受性の変化を捉えることが可能になるわけである。研究は動物モデルの作成とMRSの検討の2つに大きく分けて行った。動物モデルは急性,慢性の拘束ストレスと痛みのストレスを用いて検討し,5HT_2受容体過感受性の形成をもって動物モデルの完成とした。この結果,慢性の拘束ストレスおよび慢性の痛みストレスは5HT_2関連行動の増加を引き起こすことから,5HT_2受容体過感受性が形成されることが明らかとなった。また,コルチコステロンの合成阻害剤であるメチラポンがこの感受性亢進を抑制することから,そのメカニズムにグルココルチコイドが関与することが推定された。次に^<31>P-MRS測定の基礎検討を行った。5HT_2アゴニストであるDOI刺激でPME/βが5/7のラットで増加するが,平均値には有意差は見られず,サンプル数を増やして更に検討する必要性が示唆された。しかし,アンタゴニストであるケタンセリンの前投与ではDOIに対するPME/βの増加は見られないことから,その増加は5HT_2を介するものと考えられた。モデル動物を用いた検討では,まだ例数が少なく,結論は得られなかったが,この方法が将来臨床においてin vivoで直接脳からの受容体-情報伝達系に関する情報を得ることを可能にすることが示唆された。2)うつ病モデル動物作成のための基礎検討:セロトニン受容体過感受性モデルラットを作成するための基礎検討として、ストレス負荷によるセロトニン受容体-情報伝達系の変化を検討した。急性の拘束ストレスをラットにかけた直後に5HT_2受容体のアゴニストであるDOIを投与すると拘束を受けないラットに比べて明らかに行動上の反応性の低下が認められる。この場合に、グルココルチコイドの合成阻害薬であるメチラポンを前処置しておくと、この反応性の低下が生じないことから5HT_2受容体あるいはそれ以後の情報伝達系の感受性をグルココルチコイドが調節している可能性が示唆された。このようなストレス負荷により、セロトニン系の過感受性ラットを作成し、これを対象として1)の^<31>P-MRSを測定する予定である。しかし,まだ様々な問題があるため,ヒトを対象にした研究には至っていない。もし,可能であれば,ヒトの脳を対象にin vivoでセロトニン受容体の感受性の変化を捉えることが可能になるわけである。

動物モデルは急性,慢性の拘束ストレスと痛みのストレスを用いて検討し,5HT_2受容体過感受性の形成をもって動物モデルの完成とした。この結果,慢性の拘束ストレスおよび慢性の痛みストレスは5HT_2関連行動の増加を引き起こすことから,5HT_2受容体過感受性が形成されることが明らかとなった。また,コルチコステロンの合成阻害剤であるメチラポンがこの感受性亢進を抑制することから,そのメカニズムにグルココルチコイドが関与することが推定された。次に^<31>P-MRS測定の基礎検討を行った。5HT_2のアゴニストであるDOI刺激でPME/βが5/7のラットで増加するが,平均値には有意差は見られず,サンプル数を増やして更に検討する必要性が示唆された。しかし,アンタゴニストであるケタンセリンの前投与ではDOIに対するPME/βの増加は見られないことから,その増加は5HT_2を介するものと考えられた。モデル動物を用いた検討では,まだ例数が少なく,結論は得られなかったが,この方法が将来臨床においてin vivoで直接脳からの受容体-情報伝達系に関する情報を得ることを可能にすることが示唆された。
植物工場における空調・光制御・ダクト型植物栽培設備による省エネ型植物栽培法の開発

本研究では完全人工光型植物工場を対象にランニング時の省エネルギー化を目的とした省エネ型栽培設備の開発を行った。省エネ型栽培設備は光源に赤・青点光源のLEDを用いた箱型の栽培設備であり、内部を超高効率光反射材で覆うことによって、植物の光合成に用いられずに熱となる光を減少させ、照明用電力消費量だけでなく、工場内の空調用電力消費量の削減効果も得られる。更に栽培設備内部の換気効率を数値流体解析を用いて解析し、換気方法を最適化し、栽培設備を開発した。省エネ型栽培設備を用いることで、蛍光灯を光源に用いた従来の栽培設備と比較して、約半分の空調・照明用電力消費量で同等の収穫重量を得ることが可能である。平成26年度は、まず、数値流体解析(CFD)により空調・光制御・ダクト型植物栽培設備の最適化設計を行った。最適化設計は栽培設備の給気開口位置、給気開口数、排気開口位置をパラメトリックに変化させて植物周囲の風速分布、トレーサーガス濃度分布の解析を行い、栽培設備内の換気効率の検討を行った。その結果、給気口を天井面に4箇所、排気口を側面に1箇所設けた換気方式が最も効率よく植物周囲の空気環境の制御が可能なため、この方式を省エネ型栽培設備に採用した。続いて、コンテナ式植物工場を実験室内に製作し、内部に省エネ型植物栽培設備(赤青LED仕様)と従来型栽培設備(蛍光灯仕様)を作成した。両栽培設備を用いて実際にリーフレタスの栽培実験を行い、コンテナ全体のエネルギー(電力)消費量、収穫重量、生育日数を比較を行った。今年度は冬季における栽培実験を行った。栽培期間の総電力消費量は、従来型栽培設備:457kWh ,省エネ型栽培設備:363kWhとなり、省エネ型栽培設備の方が94kWh(約21%)少ない。但し、冬季ではどちらの栽培設備でも空調用電力消費量が極めて少ない結果となった。これは冬季では、室内発熱とコンテナの貫流熱量の収支がほぼ一致したためと考えられる。今後は季節毎に実験を行う予定である。単位照明用電力消費量当たりの収穫重量は、従来型栽培設備:33.3g/kWh、省エネ型栽培設備:61.8g/kWhであり、省エネ型栽培設備の方が28.5g/kWh(約1.9倍)多い。空調等を含めた単位電力消費量当たりの収穫重量も、従来型栽培設備:29.4g/kWh、省エネ型栽培設備:50.8g/kWhであり、省エネ型栽培設備の方が21.4g/kWh(約1.7倍)多い。今回開発した省エネ型栽培設備を用いることにより、従来の栽培設備と比較して少ない電力消費量で同等以上の収穫重量を得ることが可能であると考えられる。平成27年度は前年度(平成26年度)に製作したコンテナ式植物工場と開発した省エネ型栽培設備を引き続き使用し、栽培実験を行った。まず、赤・青LEDの点灯個数を変化させて植物栽培実験を行い、少ない電力消費量で最も効率良くリーフレタスを栽培することが可能な赤・青LEDの点灯個数を検討した。赤・青LEDの点灯個数を制御した実験では、レタスの収穫重量は照明用電力消費量にほぼ比例して増加することが明らかとなった。実験caseを比較すると栽培期間を28日とした場合で最も単位照明用電力消費量当たりのレタス収穫重量が多いのは、LEDを赤10個・青1個点灯させたcaseであり、97.5[g/kWh]となる。赤・青LEDをそれぞれ赤10個・青1個点灯させることで最も効率よくリーフレタスを栽培することが可能であることが明らかとなった。次に、省エネ型栽培設備(栽培設備1)と光源に蛍光灯(FLR40W)を用いた従来型栽培設備(栽培設備2)によるリーフレタス栽培実験を模擬された外部環境下で交互に行った。省エネ型栽培設備におけるLED点灯個数は前述の実験結果から赤10個・青1個とした。栽培は通年行い、実際に植物生産を行った際のコンテナ全体のエネルギー消費量(照明・空調等)の測定を行った。明期・冷房時では、栽培設備2と比較して栽培設備1の1時間当たりのエアコン用電力消費量は約20[Wh]減少した。どの季節でも栽培設備1の照明用電力消費量は栽培設備2と比較して平均で約70[%]減少した。栽培設備1の単位電力消費量当たりの収穫重量は栽培設備2と比較して約2.0倍となった。省エネ型栽培設備を用いることにより、年間を通して従来の栽培設備と比較して少ない電力消費量で同量以上の植物生産を行うことが可能であると考えられる。

平成26年度は最適化設計による省エネ型栽培設備の開発とコンテナ式植物工場を実作し、開発した省エネ型栽培設備と従来型栽培設備による植物栽培実験を行い、冬季における植物工場全体のエネルギー(電力)消費量の計測を行った。現在は、省エネ型栽培設備において赤青LEDの点灯個数を制御する栽培実験を遂行しており、最も効率よく植物栽培を行うことが可能な栽培方法を検討中である。現在までの達成度は研究計画通りであり、おおむね順調に進展していると判断する。建築・都市環境工学平成27年度は春季、夏季、秋季の実験を行い、省エネ型栽培設備によるコンテナ式植物工場全体のエネルギー(電力)消費量の削減効果の評価を行う。平成26年度に引き続いて、赤青LED光源の点灯個数制御の検討を行い、更なる省エネ型栽培設備及び栽培方法の検討を行う。又、二酸化炭素の濃度設定を現状の約2000ppmから約5000ppmに引き上げ、植物の光合成を活性化させて生育期間の短縮を図ることで、収穫までの栽培用エネルギー(電力)消費量を減少させる栽培方法の検討も行う予定である。当初、屋外に製作、設置予定であったコンテナ式植物工場を実験室内に製作し設置した。そのため、コンテナの防水仕様材料及びコンテナ製作費を抑えることができたため、次年度使用額が生じた。次年度に予定している春季、夏季、秋季の栽培実験に用いる水耕栽培溶液の肥料費、栽培植物の種苗費、高濃度二酸化炭素環境での栽培実験に用いる二酸化炭素ボンベ購入費及び当該研究成果を発表するための学会参加費及び旅費として使用する予定である。
水稲乾田直播栽培における既存機械を用いた作業体系の確立

目的現在普及している乾田直播栽培は、畑作用大型機械を用いた大区画圃場での効率を重視した作業体系が主流となっている。そのため、小区画圃場での作業には不向きで、本作業体系を導入するためには新たに播種機等を備える必要がある。そこで水稲用既存機械を用いた小区画圃場向けの作業方法について検討した。試験方法品種「あきたこまち」を供試し、乾籾5kg/10aを吸水後以下の条件で播種した。試験区は10a水田を用い耕起後、ハローで砕土・整地し、背負式動力散布機により種籾を散播した。その後、種子埋土のためハローで深さ8cmに混和し、平滑ローラーにより鎮圧した(散播区)。以降の管理は慣行法に準じた。対照区は40a水田を用いドリルシーダーによる条播(条間12cm)とし作業体系は慣行法に準じた。結果および考察出芽率は対照区に比べ約30%低く、出芽した稲のうち93%は深さ6cmまでに埋土された種子であった。深さによる種子分布は一定であり、6cmより深く埋土された種子の割合は約40%であった事から、出芽率低下の要因はハローでの耕深によるものと推察された。草丈、葉色は両区ともほぼ同様に推移したが、茎数は散播区の全生育期で劣り、穂数は約10%少なかった。また、1穂当りの籾数に差はなかったため総籾数は約10%の減少となった。穂揃期は対照区に比べ3日早かったが登熟歩合や千粒重には差がなく、その結果、玄米収量は10%低下した。この事から減収の要因は穂数が少なかったことによる総籾数の減少で、出芽率が低かったことに起因していると考えられた。入水から出穂期までの日平均水温は両区とも同程度で、圃場の大きさによる水温の差は認められなかった。また、ローラーにより鎮圧した区は日減水深が4.3cmだったのに対し、鎮圧をしなかった区は29.4cmと明らかに大きく、鎮圧による漏水防止効果は大きかった。以上、これら調査結果からハロー耕深を浅くすること、播種量を6.5kg/10a(30%増)に増やすことで慣行法と同等の収量を得られる可能性が示唆された。
高速熱蒸着法で形成したBaSi2/Siヘテロ接合の電気特性評価

本研究は、大規模展開可能な薄膜太陽電池材料として有望なBaSi2半導体の蒸着膜の品質向上を目的とする。特に、n-BaSi2/p+-Siヘテロ接合ダイオードの電気特性評価を通して、デバイス応用の観点から、BaSi2蒸着膜の品質における課題を抽出し改善することを目指す。この研究目的を達成するために、1表面粗さ、2結晶欠陥がダイオードの整流性に与える影響の調査、3太陽電池特性の解明、という3つの研究項目を設定している。平成30年度は、クリーンな排気機構と成膜速度制御機構を備えた新たなBaSi2蒸着装置を用いた、高品質BaSi2薄膜の作製に取り組んだ。これは、2結晶欠陥の影響に関する精密な調査のために前年度に導入したものである。追加で発注していた基板加熱機構の納入においていくつかの問題があり運用開始が遅くなったが、従来より100 °C以上低い基板温度で、成膜速度を制御しつつBaSi2薄膜を作製する条件の確立に成功した。低い基板温度は、太陽電池応用において基板材料の選択肢を増やすメリットがある。また、クリーンな排気機構と成膜速度制御により、今後作製するBaSi2薄膜中の不純物濃度の低減と、結晶欠陥量の影響に関する精密な調査が期待できる。また、同時に、BaSi2蒸着における蒸気組成の理論解析も進めたことで、成膜速度制御機構との組み合わせにより、堆積組成の精密制御が可能となった。その他、BaSi2の太陽電池応用にも取り組み始めており、緻密なp-SnS/n-BaSi2ヘテロ接合の作製に初めて成功するとともに、わずかではあるが発電も確認した。当初計画を超えて導入した、クリーンな排気機構と成膜速度制御機構を備えた新たなBaSi2蒸着装置を用い、従来より100 °C以上低い基板温度で、成膜速度を制御しつつBaSi2薄膜を作製する条件の確立に成功した。基板加熱機構の納入遅れによりヘテロ接合ダイオードの特性評価までは至っていないものの、BaSi2薄膜の高品質化を着実に実現できていると考えている。また、新しく取り組んだ熱力学に基づく理論解析によるアプローチは、結晶欠陥形成などの解釈に役立つ成果である。新たなBaSi2蒸着装置を有効活用し、成膜速度と結晶欠陥量の関係、n-BaSi2/p+-Siダイオードの整流性への影響を精密に調査する。また、n-BaSi2/p+-Siヘテロ接合の太陽電池特性を評価し、BaSi2蒸着膜の太陽電池応用可能性を調査する。このうち、平成29年度は、1と2に取り組んだ。1の表面粗さについては、膜厚による制御を予定していたが、実際には、表面酸化の進行や表面近傍の組成ずれなどより重要な現象が生じることを見出した。そこで、BaSi2薄膜中の組成分布を、堆積原子の拡散と真空中の残留ガスによる酸化がこれらの現象を支配していることを解明した。この知見から、成膜後のアニール時間の最適化により、異なる膜厚においても薄膜の組成均一化が可能という指針を得た。2の結晶欠陥については、BaSi2薄膜の組成分布解析により基板界面近傍の酸化現象を見出した。この酸素混入は、主に、初期Ba過剰堆積原子の残留ガスによる酸化によることを明らかにし、事前溶融条件を最適化することにより低減に成功した。さらに、基板界面近傍酸化濃度の低減により、n-BaSi2/p+-Siヘテロ接合ダイオードの整流性の向上に成功した。また、上記の結果から、真空蒸着装置内の残留ガスが薄膜の品質を大きく低下させていることが分かった。加えて、結晶欠陥量の制御パラメータである成膜速度が成膜中に一定でないことも、予備実験により分かった。そこで、クリーンな排気機構で成膜速度制御が可能な新たなBaSi2蒸着装置を導入した。これにより、今後作製するBaSi2薄膜中の不純物濃度の低減と、結晶欠陥量の影響に関する精密な調査が期待できる。基板界面近傍の酸素不純物という結晶欠陥を見出し、それを低減することでn-BaSi2/p+-Siヘテロ接合ダイオードの整流性の向上に成功している。これは、研究項目2に関する着実な進展である。一方、研究項目1の表面粗さの影響については解明できていないものの、派生して行ったBaSi2薄膜の表面酸化と組成ずれに関する研究は、均一組成のBaSi2薄膜を高速熱蒸着法により形成するための指針を与える、BaSi2薄膜形成メカニズムの包括的な理解につながっており、BaSi2薄膜の品質向上という本研究の目的に対して大きな進展であったと考えている。さらに、当初の計画には無かった、クリーンな真空排気機構と成膜速度制御機構を備えたBaSi2蒸着装置の導入を行った。これにより、今後、BaSi2薄膜の品質を一段階高いレベルに向上できるとともに、結晶欠陥の影響に関する精密な調査を行うことができる。

特に、n-BaSi2/p+-Siヘテロ接合ダイオードの電気特性評価を通して、デバイス応用の観点から、BaSi2蒸着膜の品質における課題を抽出し改善することを目指す。この研究目的を達成するために、1表面粗さ、2結晶欠陥がダイオードの整流性に与える影響の調査、3太陽電池特性の解明、という3つの研究項目を設定している。平成30年度は、クリーンな排気機構と成膜速度制御機構を備えた新たなBaSi2蒸着装置を用いた、高品質BaSi2薄膜の作製に取り組んだ。これは、2結晶欠陥の影響に関する精密な調査のために前年度に導入したものである。追加で発注していた基板加熱機構の納入においていくつかの問題があり運用開始が遅くなったが、従来より100 °C以上低い基板温度で、成膜速度を制御しつつBaSi2薄膜を作製する条件の確立に成功した。低い基板温度は、太陽電池応用において基板材料の選択肢を増やすメリットがある。また、クリーンな排気機構と成膜速度制御により、今後作製するBaSi2薄膜中の不純物濃度の低減と、結晶欠陥量の影響に関する精密な調査が期待できる。また、同時に、BaSi2蒸着における蒸気組成の理論解析も進めたことで、成膜速度制御機構との組み合わせにより、堆積組成の精密制御が可能となった。その他、BaSi2の太陽電池応用にも取り組み始めており、緻密なp-SnS/n-BaSi2ヘテロ接合の作製に初めて成功するとともに、わずかではあるが発電も確認した。当初計画を超えて導入した、クリーンな排気機構と成膜速度制御機構を備えた新たなBaSi2蒸着装置を用い、従来より100 °C以上低い基板温度で、成膜速度を制御しつつBaSi2薄膜を作製する条件の確立に成功した。基板加熱機構の納入遅れによりヘテロ接合ダイオードの特性評価までは至っていないものの、BaSi2薄膜の高品質化を着実に実現できていると考えている。また、新しく取り組んだ熱力学に基づく理論解析によるアプローチは、結晶欠陥形成などの解釈に役立つ成果である。平成29年度に導入したBaSi2蒸着装置を有効活用する。具体的には、成膜速度制御機構を用いて、成膜速度と結晶欠陥量の関係、n-BaSi2/p+-Siダイオードの整流性への影響を精密に調査する。また、クリーンな排気機構により不純物混入の低減も期待できるため、当初の研究計画には無いが、そのBaSi2薄膜の結晶品質の影響についての調査も価値があると考えている。新たなBaSi2蒸着装置を有効活用し、成膜速度と結晶欠陥量の関係、n-BaSi2/p+-Siダイオードの整流性への影響を精密に調査する。また、n-BaSi2/p+-Siヘテロ接合の太陽電池特性を評価し、BaSi2蒸着膜の太陽電池応用可能性を調査する。