hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
強風域特化型風力発電システムに対するダブルピッチ失速制御機構の開発

本研究では,強風域(風速15m/s-25m/s)でも運転可能な強風域特化型風力発電システムの過回転防止制御機構の研究開発を行った.ここでは、水平軸風車の過回転を防止するためのエアーブレーキシステム「風車のダブルピッチ制御機構」を開発し,その実証機(3kw)を製作し運転試験を行った.このような失速・回復現象を誘発する事により,風車の過回転が防止できることをフィールド試験で確認し,空気力学的・動力学的メカニズムを解析した.さらに,翼素理論および動的システム理論から,失速制御挙動を解析し,本制御機構の欠点を洗い出すと共に,新たな制御手法を設計し、数値シミュレーションで有効性を確認した.本研究では,強風域(風速15m/s-25m/s)でも運転可能な強風域特化型風力発電システムの過回転防止制御機構の研究開発を行った.ここでは、水平軸風車の過回転を防止するためのエアーブレーキシステム「風車のダブルピッチ制御機構」を開発し,その実証機(3kw)を製作し運転試験を行った.このような失速・回復現象を誘発する事により,風車の過回転が防止できることをフィールド試験で確認し,空気力学的・動力学的メカニズムを解析した.さらに,翼素理論および動的システム理論から,失速制御挙動を解析し,本制御機構の欠点を洗い出すと共に,新たな制御手法を設計し、数値シミュレーションで有効性を確認した.小型風車は古来より揚水や粉ひきのための動力として活用されてきたにも関わらず、現在、小規模風力発電用としては導入が進んでない。その大きな問題点は、強風に対する失速制御方式が確立されておらず、その結果、過回転による破損事故が多発していることがあげられる。しかし、大型風車の活躍の陰に隠れて、小型風車の技術が進展しないことは不合理なことともいえる。また、現に島嶼地域や離島、および、山間部などでは世界的に電力インフラのない地域が多く存在し、小規模電力供給システムの必要性は論を待たない。今回の研究開発は、耐強風性に優れた小型水平軸風車の開発とその動特性解析、さらには、実際に運用・メンテナンスまでをシステム化し総合的に実現性の高い小規模独立型発電システムの開発を試みようとするものである。具体的には、風車の過回転を防止する水平軸タイプマイクロ風車のエアーブレーキシステムの開発研究を行う。この発想の原点は、回転の遠心力を積極的に活用し、過回転の制動を行うものである。その研究の裏づけとして、水平軸風車の過回転防止のためのエアーブレーキに関する特許が2010年12月に認定された。1)翼素理論による失速制御の解析、および、風車のダイナミックモデルを用いた失速制御解析。2)小型模型を用いた風洞実験による翼の運動の実験的解析。3)フィールド実験により、ばね弾性係数を変化させたときの実験的検証。4)風車特性とマッチングのとれた発電機の試作と実証試験。5)風車のフェルセーフを実現するためのセンサーコントローラを用いた電磁ブレーキによる論理停止制御。平成22年度は上記5項目の課題についてすべて手掛けている。まず、翼素理論を用いた失速制御および風車ダイナミクスを構成した動力学モデルに関しては、実験値とシミュレーションモデルの再現性が十分に表現できたと考えられる。小規模模型を用いた風洞実験による翼の運動解析の方は、現在、模型の設計中である。フィールド実験によるバネ定数を変化させたときの翼の失速挙動解析では、バネ定数を1N/mm、2N/mm、5N/mmと変化させたときの実験を行って、現在そのデータを解析している。風車特性とマッチングのとれた発電機は、2010年8月に制作を依頼して、それの発電試験を行った。風力発電システムは再生エネルギー活用型発電システムとして実用化が進んでいるが、それは100kW以上の大型機のみである。一方、小型風力発電システム(10kW未満)は、小規模電力供給システムとして揚水、照明、遠隔地や山岳地における電力源としてその用途は非常に幅広い。しかし、その普及は遅々として進んでいない。その理由は、強風による羽根の過回転による破損事故の多発に起因する。すなわち、15m/s以上の強風域で小型風力発電システムを運転すると過回転を誘発し、その結果、羽根が遠心力により破壊されるという現象が起きる。大型風力発電システムの場合は、風速に応じてピッチ角をモーターで変化させることにより、能動的に羽根に失速制御を行わせて過回転を防止している。しかし、小型風力発電システムにこのような失速制御方式を採用すると、非常にコスト高になるばかりではなく、メンテナンス費用も膨大になり、その結果、実用化に程遠いシステムとなる。このような欠点を克服するために、我々は、強風域で羽根が過回転になると増大する遠心力の作用で自律的に失速制御を行う機構を有する風力発電システムを開発した。今回、われわれは、強風域において自律的に過回転を抑制するダブルピッチ制御機構の有効性を確認するため(1)風車のダブルピッチ制御機構の改良(強風域において自律的に失速制御が働くダブルピッチエアーブレーキシステムの改良)、(2)翼素理論を用いた失速制御失速制御メカニズムの解析、(3)動的モデルを用いたバネーダンパ系による失速メカニズムの有効性の検証、(4)フィールド試験による本システムの総合的評価を行った。風力発電機は、本来強風地域において最もその性能を発揮するものであり、ここに特化した風車が存在しなかったことは不合理なことともいえる。小型風車の最大の欠点は耐強風対策が十分になされていない点に尽きる。

この点に鑑み、我々は、水平軸風車の過回転を防止するためのエアーブレーキシステム「風車のダブルピッチ制御機構」を開発し、それの実証機(3kw)のテスト運転を行った。それらの失速制御運動は、風力の増大に応じて、前後方向、および、回転方向への独立的な運動、あるいは、それらが連成された運動を行うことを可能とする。そして、失速制御が達成され、風車回転が止まると、遠心力が消失するので、そのばね機構で羽根は元の位置に戻り、再度回転運動を行う。すなわち、羽根に取り付けられたばねのパッシブ制御による失速制御機構である。本研究で行った問題点の洗い出し:我々は風車が受ける突風に対する緩衝や、過回転を防止するためのダブルピッチ制御機構を提案した。ばね定数(ばね弾性係数)が小さい場合には、微細な突風や、回転数が小さい場合でも失速制御が働き、ハンチング現象を起こす。それに対し、ばね弾性係数を大きくすると、突風や、過大な過回転に対しても失速が起きないので風車の安全性を損なう場合がある。すなわち、風車に取り付けられているばね弾性係数と、強風に伴う羽根の失速角度の関係が明らかになっていないために、最適なばねの弾性係数を決定するのが困難であるという状況に陥っている。この点の解決策として、われわれは以下のアプローチからこの問題点を追及し、解明した。1)翼素理論による失速制御の解析を行った。2)風車のダイナミックモデルを用いた動的モデルを構成した失速制御解析を行った。3)小型模型を用いた風洞実験による翼の運動の実験的解析を行った。4)フィールド実験により、ばね弾性係数を変化させたときの実験的検証を行った。現在、フィールド実験を行い、また、数値計算に照らし併せて、実験用の物理パラメータ(バネ定数)を変化させ、さらに、その実験結果をフィードバックすることにより、目標とするシステムの完成系を目指している。昨年度は、フィールド試験結果を踏まえ、風力発電システムの動的失速制御モデルを再構築し、数値シミュレーションによる失速制御の挙動解析を行うとともに、その結果を再設計に反映させることができた。24年度が最終年度であるため、記入しない。今後は、最終年度に向けて以下の2点に関し重点的に研究を進めていく。1)ハンチング現象の緩和:バネのみの失速回復機構ではハンチング現象を伴う。(現在は、初期に比較して充分緩和されている)。従って、バネーダンパ系のメカニズムを導入することは不可欠になる。2)機構の単純化:現在のハブ機構は非常に精密であり、かつ、機能的であるが、構造が複雑であるため、製造コストやメンテナンスの面から問題がある。従って、構造をよりシンプルにすることにより、製造コストとメンテナンスに係るコストが低減される。(現在、新たな設計・製作を行っているところである。なお、この機構も特許化を考えている)。
使用済みボールペンを利用した手作り濁度計の教材開発

本研究においては、パックテストの水の変色の度合いを数値に変換する比色計を開発した。提案の比色計は、試薬と試験水を注入した廃品のプラスチックカップに光をあて、その光の透過度を電圧値として取り出すものであり、色覚異常というハンディキャップを背負った生徒に対する環境教育補助ツールとして活用できる。また,廃プラスチックを再利用しているため、水質調査だけでなく再利用という面でも環境教育を行うことができる。提案教材については、試作評価と実践授業を行うことで、その有効性を明らかにした。小・中学校においては、環境教育の一環としてパックテストを利用した水質調査が広く行われている。しかしながら、パックテストでは水質の度合いを試験水の色の変化で判断する必要があるため、色覚異常の児童・生徒には利用が困難である。そこで本研究においては、試験水の変色の度合いを電子的な数値に変換する手作り比色計の教材開発を平成20年度より行っている。本研究の目的は、生徒による比色計の製作ならびに、その手作り比色計を利用した水質調査を通じて、色覚異常というハンディキャップを背負った児童・生徒にも"地域に根ざした環境学習"を体験できるようにすることである。本年度においては得られた研究成果は、以下の通りである。1.手作り比色計の原理機を実現し、小・中学校の生徒でも容易かつ安全に作製できるように、比色計の作製方法と手順について検討した。これにより、比色計の効率的かつ安全な作製方法と手順を明らかにした。また、原理機を用いた実験により、実際の河川でも比色計として利用できることを確認した。2.試験水を封入する容器として、プリンカップなどの廃プラスチックを利用するように構成素子を改めた。これにより、提案の比色計の作製を通じて、水質調査という面での環境教育のみならず、再利用という面での環境教育も行えることが可能となった。3.手作り比色計に関して、動作電圧範囲、最適な構成素子の値などの詳細な設計条件を明らかにした。具体的には、等価回路に関する理論解析を行うことで、出力電圧値の振舞いを明らかにした。本研究においては、試験水の変色の度合いを電子的な数値に変換する手作り比色計の教材開発を平成20年度より行ってきた。本年度において得られた研究成果は、以下の通りである。1.提案する比色計の設計の妥当性を検証するために、比色表では測定が困難な中間濃度の試験水の場合でも、提案の比色計を用いることで濃度値の測定が可能であることを実験によって検証した。色覚異常者を含む12名の被験者を対象とした実験の結果、提案の比色計によって得られた測定電圧値は、全ての被験者においてほぼ一定の値を示し、ばらつきの少ない値であった。このことより、色覚異常の生徒が水質調査を行う際の支援ツールとして、提案の比色計が有効であることが検証できた。2.教材としての有効性を確認するために、11名の大学1年生を対象とした実践授業を行った。本実践授業において、半田付けの経験がない受講学生が比色計の作製に要した時間は3時間であることから、小・中学校の理科や技術・家庭科の授業時間で、提案教材を十分に作製可能であることが明らかとなった。また、授業アンケートの結果、提案の比色計の作製を通じて、環境教育のみならず、"ものづくり"や電気の基礎的な知識を学習できることが明らかとなった。
市場均衡の動学的安定性と効率性に初期条件が及ぼす影響の研究

経済の初期条件である消費者の選好・資産分布と企業の競争形態が均衡の動学的安定性と効率性に与える影響を考察する.本研究では,まずなるべく単純な理論モデルを用いて一意性・複数性も含めた市場均衡の動学的安定性・不安定性の特徴づけを資産の初期分配と個人の効用関数の両面から行い,その結果を市場実験により検証したい.また,複数の寡占市場・独占的競争市場の理論モデルを用いて,動学的安定性・不安定性と総余剰の大小の特徴づけを,モデルを構成するパラメターから行い,他のすべての条件が不変な状態で,市場の競争形態あるいは企業数が変化したとき,価格,生産量,総余剰がどのように変化するかを理論分析により検証したい.経済の初期条件である消費者の選好・資産分布と企業の競争形態が均衡の動学的安定性と効率性に与える影響を考察する.本研究では,まずなるべく単純な理論モデルを用いて一意性・複数性も含めた市場均衡の動学的安定性・不安定性の特徴づけを資産の初期分配と個人の効用関数の両面から行い,その結果を市場実験により検証したい.また,複数の寡占市場・独占的競争市場の理論モデルを用いて,動学的安定性・不安定性と総余剰の大小の特徴づけを,モデルを構成するパラメターから行い,他のすべての条件が不変な状態で,市場の競争形態あるいは企業数が変化したとき,価格,生産量,総余剰がどのように変化するかを理論分析により検証したい.
炭素鋼のベイナイト変態機構の解明

過共析炭素鋼をパ-ライトと下部ベイナイトの中間温度域である上部ベイナイト変態域でオーステンパーすれば,粒界にはcolumnar(柱状)な形態のものが,粒内にはnodular(粒状)なものが生成する.これらはcolumnarあるいはnodularベイナイトと呼ばれているが,その形態が高温域で生成するパ-ライト・ノジュールに似ていることから一種のパ-ライトと考えるグループもある.本研究ではこれらのフェライト(α)要素がdisplacive(せん断的)に変態するベイナイトであり,しかもセメンタイト(θ)を先導相とする一種の逆ベイナイトであることを明らかにした.炭素濃度が0.85,1.10,1.28,1.45,1.66および1.80%の過共析炭素鋼を用いた.これらを1150°Cで10min間オーステナイト化後600200°Cの間の50°Cおきの温度でオーステンパーし,光学顕微鏡による形態観察,膨張測定による速度論的研究および透過電子顕微鏡観察による結晶学的研究を行った.450400°Cの範囲では粒界に生成したものは羽毛状(アシキュラー)であった.350°C以下での粒界および粒内生成物の形態はそれぞれcolumarおよびnodularであった.Bs点は炭素濃度に依存することなく一定のほぼ450°Cであった.膨張測定により求めた総合的成長速度のアレニウス・プロットは同一鋼種のものは同一勾配の直線にのったことから.外部形態は異なっていてもこれらが同一メカニズムにより生成したベイナイトであることがわかった.アレニウス・プロットの勾配から求めた活性化エネルギーを炭素濃度に対しプロットしたものは,亜共析鋼の上部ベイナイトのものとは異なる別の直線にのったことから,これらが(正)上部ベイナイトとは明らかに異なるメカニズムをもつこともわかった.外部形態は異なっていたが,その内部組織はいずれも幅約0.2μmのθとαの層状組織から構成されており,晶癖面は{111}_γであった.オーステナイト(γ)とθ間には常にユニークな方位関係が存在したが,γ/α間はK-S関係,その兄弟晶の関係あるいはN関係をとる場合があった.これらの観察結果はθの析出がまず起こり,その周辺にαが生成するという一種の逆ベイナイト変態を想定すると矛盾なく説明できた.過共析炭素鋼をパ-ライトと下部ベイナイトの中間温度域である上部ベイナイト変態域でオーステンパーすれば,粒界にはcolumnar(柱状)な形態のものが,粒内にはnodular(粒状)なものが生成する.これらはcolumnarあるいはnodularベイナイトと呼ばれているが,その形態が高温域で生成するパ-ライト・ノジュールに似ていることから一種のパ-ライトと考えるグループもある.本研究ではこれらのフェライト(α)要素がdisplacive(せん断的)に変態するベイナイトであり,しかもセメンタイト(θ)を先導相とする一種の逆ベイナイトであることを明らかにした.炭素濃度が0.85,1.10,1.28,1.45,1.66および1.80%の過共析炭素鋼を用いた.これらを1150°Cで10min間オーステナイト化後600200°Cの間の50°Cおきの温度でオーステンパーし,光学顕微鏡による形態観察,膨張測定による速度論的研究および透過電子顕微鏡観察による結晶学的研究を行った.450400°Cの範囲では粒界に生成したものは羽毛状(アシキュラー)であった.350°C以下での粒界および粒内生成物の形態はそれぞれcolumarおよびnodularであった.Bs点は炭素濃度に依存することなく一定のほぼ450°Cであった.膨張測定により求めた総合的成長速度のアレニウス・プロットは同一鋼種のものは同一勾配の直線にのったことから.外部形態は異なっていてもこれらが同一メカニズムにより生成したベイナイトであることがわかった.アレニウス・プロットの勾配から求めた活性化エネルギーを炭素濃度に対しプロットしたものは,亜共析鋼の上部ベイナイトのものとは異なる別の直線にのったことから,これらが(正)上部ベイナイトとは明らかに異なるメカニズムをもつこともわかった.外部形態は異なっていたが,その内部組織はいずれも幅約0.2μmのθとαの層状組織から構成されており,晶癖面は{111}_γであった.オーステナイト(γ)とθ間には常にユニークな方位関係が存在したが,γ/α間はK-S関係,その兄弟晶の関係あるいはN関係をとる場合があった.これらの観察結果はθの析出がまず起こり,その周辺にαが生成するという一種の逆ベイナイト変態を想定すると矛盾なく説明できた.
熱量測定に基づく高クロム鋼のミクロ組織状態変化の定量評価

9%Crフェライト系耐熱鋼母材においては,熱量測定から得られた熱含量変化はミクロ組織状態を反映しており,熱含量変化と弾性ひずみエネルギーとの間には相関があることが明らかになった.溶接熱影響部(HAZ)再現熱処理材においては,熱分析曲線における磁気変態温度の解析に基づいてフェライト母相中のCr濃度の推定を行った.これらの結果から,熱量測定により得られるマクロなデータに基づいて高Crフェライト系耐熱鋼の材料組織状態評価の可能性が示唆された.熱量測定に基づいて材料組織状態の変化をエネルギー変化の観点から定量的に評価するために,高クロムフェライト系耐熱鋼の焼ならし材および数種類の焼戻し材を作製し,ビッカース硬さ測定および示差走査熱量測定(DSC測定)を行った.9Cr-1Mo-V-Nb鋼(ASME規格Gr.91鋼)に焼ならし処理あるいは焼ならし・焼戻し熱処理を施すことで,ビッカース硬さ値440220程度の試料を得た.DSC測定においては,十分に焼なまし処理を行った試料(ビッカース硬さ値180程度)についても測定を行い,得られた結果をエネルギー変化の基準として熱含量変化の評価に用いた.その結果,ビッカース硬さ値が最も高く,平衡状態からエネルギー的に最も高い状態にある焼ならし材の熱含量変化が最も大きく,焼戻し処理によって硬さ値を減少させるにつれて,つまり平衡状態に近づけるにつれて試料の熱含量変化が小さくなることが明らかになった.Gr.91鋼では,焼ならし処理によって導入された転位が焼戻し処理によって減少することになるが,DSC測定で評価された熱含量変化は,転位密度の減少による材料中の弾性ひずみエネルギーの減少と対応しているものと考えられる.平成27年度は上記の熱含量変化をX線回折プロファイル解析で得られる結果と対応させる必要があるため,今後,示差走査熱量測定の雰囲気・条件等を検討して熱量測定の正確度を向上させていく予定である.熱量測定に基づいて材料組織状態の変化をエネルギー変化の観点から定量的に評価するために,熱処理により硬さを変化させた9Cr-1Mo-V-Nb鋼(ASME Gr.91鋼)について熱含量変化を評価し,X線回折(XRD)プロファイル解析により得られた転位密度変化との関係を調査した.Gr.91鋼に対して焼ならし処理および焼ならし・焼戻し処理を行い,ビッカース硬さ200350程度の試験片を得た.これらの試験片について示差走査熱量測定(DSC測定)を2回続けて行った.1回目の測定は各試験片の材料組織状態を反映したDSC曲線が得られるのに対し,2回目の測定で得られたDSC曲線は熱含量変化の基準となる材料組織状態を反映していることになる.得られた2つのDSC曲線の差を積分することで,熱処理後の各試験片の熱含量変化を算出した.また,銅触媒を用いて酸素濃度を低減させた高純度アルゴン雰囲気のグローブボックス内で各試験片の熱処理およびDSC測定を行うことで,試験片の酸化などに起因する熱含量測定の誤差の低減を図った.熱含量評価に用いた各試験片と同じ熱処理材についてXRD測定を行い,得られたプロファイルを解析して転位密度を算出した.熱含量変化については,焼ならし材に対する値が最も大きく,焼戻し材については硬さ値が減少するにつれて緩やかに低下していく傾向が見られた.熱含量変化と転位密度変化との間には相関がみられたが,熱含量変化は転位密度変化以外の寄与も含まれていることが示唆された.平成26年度において課題であった熱処理および熱含量測定の際の雰囲気については,銅触媒を用いて酸素濃度を低減させた高純度アルゴン雰囲気中のグローブボックス内で行うことにより,試験片の酸化などに起因する熱含量測定の誤差の低減を図ることができた.そのようにして評価した熱含量変化とXRDプロファイル解析に基づく転位密度変化との関連について知見を得ることができた.本研究では,9%Crフェライト系耐熱鋼(ASME Gr.91鋼およびGr.92鋼)を対象とし,熱量測定に基づいて材料組織状態の変化をエネルギー変化の観点から定量的に評価し,ミクロ組織変化とマクロなエネルギー変化との相関を解明するとともに,得られた結果のクリープ劣化損傷評価への適用性を調べることを目的としている.平成27年度までにおいては,熱処理によりビッカース硬さを200400程度の間で変化させた母材を対象として示差走査熱量測定を行った結果,焼ならし材の熱含量変化が最も大きく,焼戻し材については硬さが減少するにつれて熱含量変化が緩やかに減少する傾向を示すこと,またXRDプロファイル解析により算出した転位密度変化と熱含量変化との間には相関関係を有することが明らかになった.平成28年度は,母材ではなく最高加熱温度を種々変化させたGr.91鋼のHAZ再現熱処理材を作製して,示差走査熱量測定および硬さ測定を行った.ここで,HAZ再現熱処理材を対象にしたのは,実機においてはクリープ破断強度の低い溶接熱影響部(HAZ)において破壊が生じるため,HAZの組織変化に関する知見を得ることは重要であると考えられるためである.母材のときとは異なり,熱含量変化の観点からの評価は困難であったが,熱分析曲線における磁気変態温度の解析に基づいてフェライト母相中のCr濃度の推定(フェライト母相中のCr炭化物の状態を間接的に反映)が可能であることが示唆された.

本研究で得られた上記の結果から,熱量測定に基づくミクロ組織状態を評価する手法は,火力発電プラントにおける高温機器材料のクリープ劣化損傷評価へ適用し得る手法として期待される.9%Crフェライト系耐熱鋼母材においては,熱量測定から得られた熱含量変化はミクロ組織状態を反映しており,熱含量変化と弾性ひずみエネルギーとの間には相関があることが明らかになった.溶接熱影響部(HAZ)再現熱処理材においては,熱分析曲線における磁気変態温度の解析に基づいてフェライト母相中のCr濃度の推定を行った.これらの結果から,熱量測定により得られるマクロなデータに基づいて高Crフェライト系耐熱鋼の材料組織状態評価の可能性が示唆された.高クロムフェライト系耐熱鋼に各種熱処理を施すことで硬さ値(材料組織状態)を変化させた試料を作製し,各試料の硬さ値とDSC測定に基づいた熱含量変化の定量評価結果との相関について,当初の予定通り調査を進めることができている.また,熱量測定の正確度向上のための予備調査やX線回折プロファイル解析に基づく転位密度評価の予備調査も行えており,次年度以降の研究にも十分備えることができている.今後は,本手法による材料組織状態評価を9Cr-0.5Mo-1.8W-V-Nb鋼(ASME Gr.92鋼)やGr.91鋼の溶接継手部材にも展開させていく.さらに,DSC測定で得られたDSC曲線そのものから得られる析出物の生成挙動との関連についても検討していく予定である.材料組織学雰囲気制御により試料の高温酸化を抑制したDSC測定を行うことで,熱含量変化の定量評価の正確度を向上させる.また,DSC測定に用いた同じ試料についてX線回折測定を行い,そのプロファイル解析によって転位密度の評価を行う.転位密度の値から算出される各試料の弾性ひずみエネルギーと熱含量変化との相関を明らかにするとともに,本手法による材料組織状態評価を9Cr-0.5Mo-1.8W-V-Nb鋼(ASME規格Gr.92鋼)や12Cr-0.4Mo-2W-1Cu-V-Nb鋼(ASME規格Gr.122鋼)にも展開していく.
Ni基ホイスラー合金の磁場誘起構造相変態に伴う巨大磁気抵抗効果の起源解明

非化学量論組成Ni基ホイスラー合金は磁場印加に伴い常磁性マルテンサイト相から母相強磁性相へ相変態を起こす.その際に,単に磁化が大きく変化するだけでなく,巨大磁気抵抗効果や巨大磁気熱量効果も示し,このようなドラスティックな変化は電子状態の変化に起因すると考えられている.本研究では, Ni-Mn-In, Ni-Mn-Sn, Ni-MnSbの3種の合金系について比熱測定を行い,電子比熱係数やデバイ温度を調べてマルテンサイト相と母相における値の違いを調べた.フェルミ面における電子状態密度はマルテンサイト相の方が母相よりも低く,これは3種の合金系において共通の特徴であることが分かった.非化学量論組成Ni基ホイスラー合金は磁場印加に伴い常磁性マルテンサイト相から母相強磁性相へ構造相変態を起こす。その際に、単に磁化が大きく変化するだけでなく、巨大磁気抵抗効果や巨大磁気熱量効果も示し、このようなドラスティックな物性変化は電子状態の変化に起因すると考えられている。本研究では、Ni基ホイスラー合金の電子輸送特性、および比熱測定を系統的に行うことにより理論計算からのアプローチが困難なマルテンサイト相の電子状態を調べ、磁場誘起構造相変態に伴う巨大磁気抵抗効果の起源解明を目的としている。初年度となる平成25年度は、Ni-Mn-InおよびNi-Mn-Sn合金について、広い組成範囲で試料を作製し、X線回折測定や磁化測定で相状態を確認した後、低温比熱測定を行った。このデータを解析することで電子比熱係数やデバイ温度が得られ、特に電子比熱係数の組成変化の様子から、マルテンサイト相と母相における電子状態密度の変化を推測することができる。Ni-Mn-Snにおいて系統的に比熱測定を行ったところ、マルテンサイト相における電比熱係数は組成変化が小さく、比較的小さな電子比熱係数を維持していることが分かった。一方、母相の電子比熱係数は磁場誘起構造相変態を示す組成に向かうにつれて値が大きくなり、構造相変態時に大きな電子状態変化を示すことを示唆する結果が得られた。一方、Ni-Mn-In系では、マルテンサイト相における電子比熱係数はNi-Mn-Sn系合金と同程度であるのに対し、母相の値は大きく異なっており、二つの合金系において母相の電子状態が異なることが推定される。非化学量論組成Ni基ホイスラー合金は磁場印加に伴い常磁性マルテンサイト相から母相強磁性相へ構造相変態を起こす。2年目となる平成26年度は、Ni-Mn-Sb合金系について、広い組成範囲で試料を作製し、X線回折測定や磁化測定で相状態を確認した後、低温比熱測定を行った。さらに、昨年度までに行っていたNi-Mn-SnやNi-Mn-In系合金との比較検討を行うことで、合金系の違いが電子状態や構造相変態挙動に及ぼす影響について系統的に議論することが可能となった。一方で、共同研究である光電子分光測定による電子状態直接観測の結果も出そろい、マルテンサイト変態時における電子状態変化の様子が浮き彫りになった。現在論文を投稿中である。さらに、今年度は単結晶育成のために必要な高周波式ブリッジマン炉を購入し、試料作製の条件を決定した。申請時の予定では、マグネットや光交流法による比熱測定装置を購入し、ホール効果測定や室温以上の温度域における比熱測定を行うことを計画していたが、研究経費が大幅に削減されたことで、購入装置や実験計画の変更を余儀なくされた。結果、単結晶作製のためにブリッジマン式高周波単結晶育成炉を購入し、試料作製の条件出し等を行っていた。従って、ホール効果や室温以上での比熱に関する調査は行えなかったが、最終年度は磁場誘起逆変態前後の磁気状態を直接観察する目的で、パルス磁場中磁気円2色性の測定を放射光施設(SPring-8)にて行う機会を得た。Ni-Co-Mn-Inの短冊状試料を装置の高真空チャンバー内にセットし、試料をチャンバー内で劈開して清浄面を得た。Ni, Co, Mn各元素のX線吸収スペクトルをパルス磁場印加中で測定を行い、12Tの磁場下でのスペクトルや磁気円2色性、元素別ヒステレシスを得ることが出来た。

磁気円2色性においては、弱磁性マルテンサイト相から強磁性母相への変態に伴いスペクトルの強度に大きな変化が見られた。元素別ヒステレシスにおいても磁場誘起逆変態に伴うヒステレシスが見事に観測された。非化学量論組成Ni基ホイスラー合金は磁場印加に伴い常磁性マルテンサイト相から母相強磁性相へ相変態を起こす.その際に,単に磁化が大きく変化するだけでなく,巨大磁気抵抗効果や巨大磁気熱量効果も示し,このようなドラスティックな変化は電子状態の変化に起因すると考えられている.本研究では, Ni-Mn-In, Ni-Mn-Sn, Ni-MnSbの3種の合金系について比熱測定を行い,電子比熱係数やデバイ温度を調べてマルテンサイト相と母相における値の違いを調べた.フェルミ面における電子状態密度はマルテンサイト相の方が母相よりも低く,これは3種の合金系において共通の特徴であることが分かった.平成25年度はNi-Mn-Z(Z = In, Sn, Sb)系合金の比熱と電子輸送特性を測定することを計画していたが、試料作製に準備を要したため、輸送特性の測定はまだ取り掛かっていない。しかしながら、Ni-Mn-InとNi-Mn-Sn系合金に関しては、試料作製・磁化測定、ならびに比熱測定を終えている。Ni-Mn-Sb系合金試料の作製はこれから行う。本年度でNi-Mn-Sb系合金の試料作製、予備評価、比熱測定の結果が出そろい、Ni基ホイスラー合金の電子状態解明に向けて大きく研究が進展したことで、昨年度の遅れを取り戻したといえる。光電子分光測定の結果も踏まえて、学会発表や論文投稿等も行った。さらに、単結晶育成装置も導入し、順調に試料作製の準備が進んでいる。27年度が最終年度であるため、記入しない。金属物性初年度に作製した多結晶試料を用い、Ni基ホイスラー合金の低温での電子輸送特性(電気抵抗・ホール係数・熱伝導度等)を測定することを計画している。また、H25年度の直接経費にて単結晶育成装置を導入し、試料の作製にとりかかる予定である。さらに、Ni-Mn-Sbについては多結晶試料を用いて低温比熱測定を行うことを計画している。平成26年度に導入した単結晶育成装置を用いて試料を作製し、特に輸送特性の評価を行っていくことを計画している。具体的には、電気抵抗、熱電能の温度依存性を測定し、変態前後の挙動について詳細な物性評価を行う。メスバウワー分光実験の結果を解析したところ、組成変化の様子が非常に複雑であり、追加実験を行わなければ磁性形状記憶合金の構造相変態の起源に関わる、詳細な磁気状態を解明できないことが判明した。そのため、さらに、Ni-Mn-In(Ga)系合金や単結晶試料も研究対象に加え、Ni-Mn-Sn多結晶試料と比較検討を行い、多角的に研究を行う必要が生じた。単結晶育成装置を導入し、条件だしを行っている。その条件が整った後に、実験内容に即したるつぼ、原料等を購入するためである。単結晶育成の必要性が生じたため、翌年度分の請求額と合わせることで単結晶育成装置を購入して試料作製を行い、電子状態解明のための詳細な物性測定を行うことを計画している。単結晶育成の条件が整い次第、るつぼや合金試料の原料等を購入することを計画している。
保存則系の表す現象の数学的解明

まず、半導体中の電子と正孔の運動を考え、その1次元の定常問題を考えた。境界条件は、オーミック接触を表すディリクレ境界条件を課した。さらに、大きなドーピングプロファイル(半導体中に固定されたイオン)を考えた。このとき、解の存在と一意性を示した。次に、ノズル内の気体の運動を考えた。この現象は、圧縮性オイラー方程式によって記述される。この初期値問題を研究し、2011年度にはラバル管に対して大きな初期値を与えて、2012年度には一般の初期値に対して小さな初期値を与えて、それぞれ時間大域解の存在を示した。ここで、ラバル管とは、狭まり広がりの形をした応用上最も重要なノズルである。本年度は、半導体中の電子と正孔の運動を表す、半導体の流体力学モデルの1次元の定常問題を研究した。電子(もしくは正孔)のみの運動を考えた場合(ユニポーラー)は、数学的な結果がいくつか知られている。しかしながら、両方の運動を考えた場合(バイポーラー)の数学的な結果は少ない。さらに、それらの結果も、工学的な状況とは、かけ離れた条件が課されている。通常、1次元の半導体のシミュレーションをする場合、境界条件はオーミック接触を表すディリクレ境界条件を課す。さらに、定常解の形状を決定する場合に重要な働きをするドーピングプロファイルは、十分大きな値をとる。ここで、ドーピングプロファイルとは、半導体中に固定されたイオンである。これらの状況を満たした上で、境界における電位が十分小さいという制限のみで、古典解の存在と一意性を示した。実際の半導体においては、電位は十分小さいため、この制限は実際の半導体とかけ離れたものではない。数学的には、非線形楕円型の連立方程式を考えることになる。問題となるのは、存在および一意性両方において、電子密度と正孔密度の上と下からの評価である。この評価が、ユニポーラーの場合と比べて、格段に難しくなるのである。解決策は、電子と正孔の密度にある適当な関数を掛け、それらの値に対して、最大値原理を適用することである。最後に、本結果はNonlinear Analysisに掲載されており、日本応用力学講演会と、数理解析研究所の研究集会「流体と気体の数学解析」および「現象の数理解析に向けた非線形発展方程式とその周辺」において発表された。本年度は、ラバール管と呼ばれる狭まり広がりの形状をしたノズルを考えた。亜音速(音速より小さい速度)の気体は、ラバール管を通すことによって、超音速(音速より大きな速度)の気体に加速する事ができる。この性質のため、ラバール管は、超音速で飛行するロケットやジェット機にとって不可欠である。また、オーロラの原因となる太陽風の運動は、ラバール管内を流れる気体の運動と密接に関連がある。これらの運動は、圧縮性オイラー方程式によって記述される。この方程式に対しては、時間大域解の存在に関して、古典的な結果が知られている。しかしながら、その結果の初期値は、音速の値から十分離れており、かつ定数に十分小さいものに限られる。一方、気体がラバール管によって加速されるとき、スロートと呼ばれる最も断面積の小さい所で、気体は音速になる。また、気体は亜音速から超音速まで大きく変化する。したがって、ラバール管の存在意義と言っても過言ではないこの現象を、数学的にはまだ捉えられていないのである。以上の問題を踏まえて、本年度はラバール管内の気体の運動を表す圧縮性オイラー方程式を考え、音速付近の値を含む大きな値の初期値に対して、時間大域解の存在を示した。このとき、問題となるのは、解の有界評価である。これが今まで最大の問題とされてきた。本研究では、この問題を、不変領域を用いる事で解決している。既存の不変領域と異なり、空間変数に依存する不変領域を考える事が問題解決の鍵となる。オイラー方程式(E)は流体の基礎方程式であり,非粘性圧縮性気体の運動を表す.微分方程式の分類としは,準線形双曲型に属する.特に,(E)のような方程式は,保存則と呼ばれる.その特徴として,どんなに滑らかな初期値を与えても,不連続解即ち衝撃波をもつ.そのため,弱解を構成する必要がある.また,適当なアプリオリ評価を持たないため,偏微分方程式の常套手段を用いる事が困難で,非線形調和解析もこの方程式に関しては非力である.これらの困難さ故,申請者が研究を始めたときは,一次元の場合以外はほとんどわかっていなかった.例えば,準一次元と呼ばれる本研究で扱うノズル流も,数学的には殆ど解明されていなかった.この現象は,ノズル中を流れる気体の運動を表す.最も重要なノズルであるラバル管は,亜音速の気体を超音速に加速する.

この性質のため,ラバル管は,ロケットや超音速飛行機のエンジンの排気口に不可欠である.また,オーロラの原因となる太陽風の運動と,ラバル管内の気体の運動は,密接な関係があることが知られている.そのため,ノズル流を数学的に解明する事は,物理的にも工学的にも非常に重要である.さて、申請者は,これまでの研究によって,(E)の球対称流やラバル管内の気体の流れを考えて,有界な時間大域解の存在を示した.ラバル管とは,狭まり広がりの形をした管である.球対称流も,方程式としては,単調増加な断面積をもつノズル流と同じ構造を持っている.本研究では,上記のように断面積が単調性を持たない一般のノズル流を考えた.そして,上記の申請者の手法を用いて,有界な時間大域解の存在を示すことができた.この結果は雑誌に掲載される予定である.また,年度末の日本数学において,本研究内容の発表も行った.さらに,数理解析研究所と早稲田大学において,前年度のラバル管に関する結果の発表を行った.当初の目標であった、ラバール管内を流れる気体の運動を表す方程式の、時間大域解の存在を示す事ができたため。また、不変領域に関して新たな知見を得ることができたため。24年度が最終年度であるため、記入しない。来年度以降は、より一般のノズルを考えて、内部流を表す方程式の時間大域解の存在を示したい。また、今年度の研究とこの研究において、解の有界評価を得るとき、不変領域が重要な役割を果たす。これらの研究から得られ準知見を踏まえて、ノズル流を含むより一般の方程式に対して、不変領域の研究を行いたい。
統合解析による新物理の高精度探索

統合解析を行うフレームワークに組み込む新物理模型のコードの開発を中心に行った。特にドイツグループの開発したEOSと呼ばれる新物理模型のコードを、EvtGenとよばれるB中間子の崩壊過程を再現するモンテカルロイベントジェネレーターに組み込むことに成功した。この結果として新物理のパラメータであるWilson Coefficientを与えることにより、Belle II実験で新物理の探索に使用されるB->K*l+l-崩壊の終状態の角度分布を再現できるようになり、統合解析によりパラメーターの値を決めるようにするための土台を整えることができた。また多変量解析を用いた統合解析フレームワークの開発に着手した。TMVAと呼ばれる高エネルギー実験のデータ解析に用いられている多変量解析のソフトウェアを使って、実験から得られる生データに対して多変量解析をおこなうことで、新物理のパラメーターが決定できることを示した。EOSモデルの組み込みにおいて、開発者であるドイツグループと打ち合わせを行う必要があったが、日程調整に手間取ったため、組み込みのスケジュールが半年以上遅れている。また多変量解析の基本的なアルゴリズムを供給するコードについても独自開発の予定であったが、満足の行くものができなかったため、すでに使用されているもののサーベイを行い、TMVAを選定するまでに時間がかかった。EOSを中心とした新物理モデルの拡張を進めていく。EOS自身の持つ他の新物理模型のコードの組み込みを進めるとともに、本研究で独自に開発を進めている新物理模型のコードの組み込みを進めていく。また統合解析のフレームワークにTMVAを組み込む作業をすすめ、これに新物理模型を組み込んだイベントジェネレーターの出力を取り込んで新物理模型のパラメータを多変量解析により決められることを実証する。統合解析を行うための基本となるフレームワークの開発を行った。まず種々の理論モデルを組み込めて、パラメータの最適化を行うためのもっともシンプルなカイ2乗法によるフレームワークを作成した。並行して実際に使用する理論モデルとして従来の物理理論であるスタンダードモデルを再現できるコードの作成を開始したが、その最中にドイツグループが既にスタンダードモデルと一部の新物理の効果を再現できるコードを開発していることが判明し、そのコードの組み込みを始めた。同時に新物理の効果を取り込むための理論研究とそのコード化についても分担研究者により進められ、ユニタリティ三角形が閉じない新しい物理理論の可能性やB->D*tau nu崩壊中の新物理理論についての理論構築が進んだ。ドイツの新しい理論モデルの組み込みを始めたが、公表されている論文だけでは組み込みに十分な情報を得ることができなかったため、ドイツグループを訪問してミーティングをもって、細部の情報を教えてもらうことになっていた。しかし日程が調整できず、ミーティングが次年度に繰り越されてしまったため、標準模型の理論モデルコードを統合解析に組み込むことができず、研究が遅れてしまった。まずドイツグループの理論モデルの組み込みを完成させる。それを用いてBelle実験ほか内外の実験データを統合解析にとりこみ、統合解析フレームワークの動作を確認する。その後統合解析フレームワークの高度化を行う。パラメータ最適化のアルゴリズムに多変量解析を導入し、高精度のパラメータ決定ができることを確かめたい。またドイツグループの支援を受けて理論モデルに種々の新物理模型をとりこみ、統合解析により新物理探索を始めるための準備を進めていきたい。同時に分担研究者が進めている別のアプローチによる新物理の理論構築とそのコード化をすすめ、統合解析への早期の取り込みを図りたい。
光磁性薄膜の設計と創製

筆者らはこれまで光などの摂動により磁性を制御できる機能性磁石の創製を目指して、主として[M(CN)_6]^<n->素子に基づくプルシアンブルー類似体に注目して研究を行って来た。ごく最近新しい発想として[M(CN)_8]^<n->の構造の多様性と柔軟性を利用して幾何異性体による光応答性磁性体の設計を考えた。本研究は[M(CN)_8]^<n->(M=Mo,W)に基づいて新規分子磁性体系を確立すると同時に、より優れた磁性と光機能性を持つ分子材料の開発を目指した。具体内容は下に示す。1. Mn_9W_6スピン-クラスターの構造と磁性:[W(CN)_8]^<3->とMn^<2+>の反応により、S=39/2の基底状態を持つスピン-クラスター{Mn_9[W(CN)_8]_6・24C_2H_5OH}・12C_2H_5OHが得られた。これはいままで報告されたスピンクラスターの中で最大のスピン量子数を示す。単結晶X線構造解析よりそれは非常に珍しい全ての面にキャップされたキュバン構造(full-capped cubane)を取っていることがわかった。3.光磁気効果:化合物Cu_<1.5>[MO(CN)_8]については極低温で光照射を行ったところ、磁気相転移温度が35Kから42Kとなった。そのあと、サンプルを200Kでアニーリングしたところ、常磁性体となった。もう一度光照射を行うともとのTc=42Kの強磁性体に戻った。すなわち、光と熱によって強磁性と常磁性の間のスイッチができた。これはこれまで報告された光分子磁性体のなかではもっとも高いTcを示す。以上より[M(CN)_8]^<n->(M=Mo,W)に基づく分子磁性体系は磁性と光応答性においてかなり期待できると考えられる。具体内容は下に示す。
コモンマーモセットの電子アトラスの作成

コモンマーモセットの脳および脊髄の組織画像データベースを作成し・広く公開した。現段階(2014年4月)のコンテンツとしては,成体の脳・脊髄・生後0日の脳が含まれ,補足的にフクロモモンガ脳,アカゲザルとニホンザルの脊髄の組織画像がアップロードされている。染色法としては,ニッスル,AChE染色,各種カルシウム結合タンパク質免疫染色,NeuN染色,各種トランスポーター染色などさまざまな染色法が用いられている。ズーム可能な総切片数は約3900,データ総量は290GBに及んでいる。データベースを基にしたアトラスの英文単行本も2冊出版され,国際的に高い評価を得ている。本年度も,引き続き組織標本の作製と,画像データの公開を行ってきた.さらに,データベースのインターフェースを大きく改善することができた.特記に値するのは,各標本画像のサムネイルがあらたに加えられたことで,画像検索の利便性が大きく向上した.加えて,部位の名称から,該当する部位を含む組織標本へのサムネイルインデックスへのリンク表示もあらたに加えられて,さらに検索が容易になっている.現在,特に力点を置いて進めているのは,コモンマーモセットの成体の嗅球の組織画像のデータベース化で,これまでのウェブアトラスや,単行本では示されていなかったデータを補完するものである.本年度も昨年度に引き続き,コモンマーモセットの脳の組織標本の作成と画像データの公開を行ってきた.・成体脳嗅球の冠状断面および傍矢状断面の組織標本を作製し,一般公開した.・生後0日の脳について,ニッスル染色,AChE染色,各種カルシウム結合タンパク質染色,NeuN染色などの標本を作製し,高解像度画像を公開した.・さらに生後1週目,2週目の脳について,組織標本の作製が進行中である.・組織画像の提示方法については,今年度大いに改善した.具体的には各標本表示画面において,右側に立てに並んだサムネイルをクリックすることにより,切片の前後方向への移動が容易になった.同時に各種染色像のサムネイルが画面下部に並んでおり,そこをクリックすることにより,同一レベルでの異なる染色標本に移動することが簡便になった.それぞれの画像遷移時には,標本の中で見ている範囲や倍率が保存されており,同じ神経核や構造を手間なく比較できる.・本研究所において,国際シンポジウム「マーモセットの神経科学」を主催し,国内外の著名なコモンマーモセット研究者を招き,2日間にわたって,さまざまな発表,議論を行った.その期間において,本研究費による作成されているコモンマーモセット脳データベースの認知度を高めることができた.また,本シンポジウムの内容は,英文紙Neuroscience ResearchにおいてMarmoset Neuroscience特集号として総括・出版される予定である.コモンマーモセットの脳および脊髄の組織画像データベースを作成し・広く公開した。数頭のコモンマーモセット(成体)を深麻酔下に4%パラフォルムアルデヒド溶液で径心室的に潅流固定した。固定後、脳定位手術装置によって、脳のマーキングをおこなった。数ヶ所に既知の座標のマーキングを行った後に脳を取り出し、凍害防止のためにグリセリン液に浸漬し、その後、脳の凍結切片を作成した。その際切断面のデジタル写真をすべて作成し、後の標本のための標準断面画像とした。まず、過去のデータとの対比をするために、ニッスル染色、アセチルコリンエステラーゼ染色、カルビンジン免疫染色、ニューロフィラメント免疫染色を行った。その後、興奮性アミノ酸トランスポーター、セロトニントランスポーター、ノルアドレナリントランスポーター、ドーパミントランスポーターのそれぞれについて免疫染色を行った。各シリーズの標本について、データのデジタル化を行った。Carl Zeiss MIRAXSCANという顕微鏡標本デジタル化のための装置により、一切片あたり2-4億画素程度の画像ファイルを得た。得られた画像ファイルは切断面のデジタル写真に基づき外形を修正し、さらにZoomifyファイルに変換の後、現在運用中のデータベースにアップロードした(http://marmoset-brain.org:2008/)。本年度は、本研究計画以前に蓄積されている過去の細胞構築データについての、出版のための編集作業もおこなった。この成果はThe Marmoset Brain in Stereotaxic Coordinates, Paxinos G,Watson C, Petrides M,Rosa M, Tokuno H, Academic Press, Elsevier, 2011として出版されている。今後のコモンマーモセットを用いた脳神経系の実験的な研究において、永く参考にされていくであろうと期待される。・組織標本作成が継続的に進められている.・嗅球のアトラス作成の進展,新生児脳アトラスのデータ整理が特に進んでいる.・サーバーへのアップロード作業により画像データベースのデータを増やすことができた.・今年度は研究所(研究室)の移転があったにもかかわらず、移転作業をスムーズに完了することができ、研究は順調に進展している。・その結果、データベースへの新データ(とりわけトランスポーター関連組織像)のアップロードを進行することができた。

・胎児および発達脳標本とそのデータベースの作成を継続して行っていく.・老化脳の画像データベース作成のための準備(老化動物の飼育)と実施.・胎児脳、新生児脳の組織画像データベースについて、具体的に取り掛かっていく。・動物購入代金.飼育費用.・脳の標本作成にかかわる試薬,理化学用品費.・データベース維持管理のためのソフト費用,コンピュータ関連機器代金.・研究発表のための旅費.・実験補助者謝金・老化脳の組織画像データベース化の準備を開始する。特に、老化コモンマーモセットの飼育準備。
分子間相互作用を用いた分子の同定と制御

本研究では、有機分子系におけるNC-AHM技術を確立することで、高分解能観察による対象分子の選択、個々の分子への直接アクセスとその物性計測を可能とすることを目標としている。今年度の研究においては、表面電位による高分解能分子種官能基識別および分子スケール振動エネルギー散逸計測を行った。鎖長の異なるアルカンチオール相分離SAM膜(decanethiol : C_<10>-dodecanethiol : C_<12>)を作製し、表面電位観察を行った。相分離構造はSTMおよびNC-AFMにより観察された。C_<12>およびC_<10>の両ドメインにおいて分子分解能観察像が得られ、高配向のSAM膜となっていることが確認された。高分解能表面電位測定の結果は、C_<10>ドメインのほうが約30mV電位が低くなることを示しており、CH_2ユニット1つあたりの電位変化分は約15mVとなることが示された。これは、これまでのEvansらによる結果(9.3mV)やLuらによる巨視系における測定結果(14.1±3.1mV)と整合することが分かった。振動エネルギー散逸の計測は、有機分子薄膜を構成する分子の配向やコンフォメーションと強く関連する可能性があることから、その局所表面電位や力学応答分布と同様に、分子物性の評価あるいは分子種を識別する上で有効であると考えられる。本実験では、MoS_2へき開面上に超高真空中で蒸着堆積した銅フタロシアニン(CuPc : Cu-phthalocyanine)薄膜の分子スケールの散逸コントラストについての実験を行った。振動エネルギー散逸像においても、構造観察像と同様なサブ分子スケールのコントラストが観察された。CuPcは、分子面に対して垂直方向に大きく突出したπ電子軌道を有しているため、基板に対して平行配向した分子を分子スケールでNC-AFM観察した場合、その電子軌道と探針との相互作用が探針の運動状態やNC-AFM観察像に大きな影響を与えるものと考えられる。有機分子系薄膜の表面は、分子の形状や大きさに応じて複雑な表面構造をもち、AFM深針を精密に制御することが必要となるが、現状ではその制御は容易でない。その主な原因として、AFMにおける深針-試料間相互作用の有効範囲が、現状のダイナミックモードにおけるカンチレバーの制御振動振幅に比べると、大変小さいことが挙げられる。このため、深針の試料形状に対する応答追従性を改善することは容易ではない。本年度の研究では、この応答追従性の改善を目指して、非接触AFMにおいて用いられる周波数変調検出法(FM検出法)の周波数検出感度を向上するために、独自のFM検出回路を開発した。周波数検出回路として位相同期ループ(PLL)回路を採用しているが、通常問題となる電圧制御発信器(VCO)の周波数安定性を改善するために水晶発振器を用いたVCO(VCXO)を用いた。これによって周波数安定度は0.01Hz(1kHz周波数帯域)と飛躍的に向上した。一方、カンチレバー毎に異なる共振周波数のばらつきに対応するため、入力周波数部に対応して変化する局部発信周波数との混合により、常に中間周波数を4.50MHzとするように周波数変換している。この回路を用いて行ったSi(111)面上に堆積したC_<60>分子薄膜の結晶アイランドのAFM観察では、個々の分子を解像することに成功し、周期約1nmでヘキサゴナルに充填する結晶構造が、アイランドのステップ端と同時に明瞭に観測された。さらに、末端基のチオールとAuの特異的結合によってAu(111)表面上に自己組織的に配向することで知られるアルカンチオール自己組織化単分子膜についてもAFM観察を行った。拡大観察像においては、部分的にではあるが粒状のヘキサゴナルに充填する周期構造が確認できた。観察像のこの微細構造の周期は約0.5nmであり、いわゆる√<3>×√<3>構造の周期に一致した。有機分子系への電気的接合を考える上で、分子-金属・半導体界面接合部の電子構造は重要な役割を担うことになるが、こうした有機分子-基板界面における電子構造や電気的性質についての微視的理解についてはほとんど進んでいない。ケルビンプローブ顕微鏡(KPFM)は、界面接合部の電子状態を反映する表面電位分布を高分解能で測定する手法であるが、特に非接触原子間力顕微鏡(NC-AFM)との組み合わせは、有機分子薄膜系の分子分解能での電気的評価につながることが期待される。本年度の研究では、このKPFMによってSi(111)表面上のフラーレン(C_<60>)分子薄膜の表面電位の評価を行った。結果は、C_<60>分子の島状結晶部と単分子層部では異なる表面電位を示したが、この違いはSiダングリングボンドからC_<60>単分子層への電荷移動に起因すると思われる。Si直上に位置する単分子層中のC_<60>分子のLUMOは、Si(111)表面のフェルミレベル近傍に一致するが、電荷移動は単分子層より上に位置する島状結晶内の分子には起こりにくいため、結果として単分子層部では異なる表面電位をもったと考えられる。さらに、AFM探針-試料間にはたらく化学的相互作用を検出するために、探針先端表面の化学的性質を制御することを試みた。分子末端にさまざまな官能基をもつアルカンチオール分子やシラン系分子などの自己組織性をもつ分子を、探針表面に付着させることで探針表面の化学的物性を制御することが可能となる。