hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
非ペロブスカイト型ジルコニア基強誘電体の強弾性を用いた巨大圧電性の発現

蛍石型酸化物材料であるHfO2基薄膜材料において強誘電性が発見されたことを受けて、Siテクノロジーとの親和性の高い非ペロブスカイト強誘電体の巨大圧電性の実現を目指した研究を行った。結果として強誘電性を発現していると考えられる斜方晶相が単斜晶相、正方晶相と非常に生成エネルギーが近く結晶化条件の変化によって出現相を変化させうることが分かった。また強誘電性が構造由来であることを確認するため結晶化時の雰囲気の比較や低温での測定を行った。結果として、酸素欠陥のような荷電欠陥の移動が介在しておらず構造由来であり圧電性が期待できることが分かった。初年度に該当する平成25年度は、原子層堆積法によるエピタキシャル薄膜作製の予備的な実験として(1)有機金属化学気相堆積法を用いた多結晶薄膜における強誘電性の発現の確認および(2)物理気相堆積法を用いたエピタキシャル薄膜成長を行った。以下に詳細を述べる。(1)既往のZrO2基強誘電体の研究は、主としてTiN/SiO2/Si基板に堆積した多結晶薄膜を用いた研究の報告がなされており、他の下部電極においても強誘電性が発現するかは不明であった。そこで、有機金属化学気相堆積法を用いた多結晶薄膜作製では、Zr1-xHfxO2薄膜の多結晶薄膜作製をPt/Ti/SiO2/SiおよびIr/SiO2/Si基板上に成膜を行い、強誘電性の確認を行った。その結果どちらの基板上でも強誘電性の発現が確認され多様な下部電極の使用が可能であることが明らかとなった。特にPt/Ti/SiO2/Si基板上における薄膜においては、これまでに試みられてこなかった酸素中の熱処理によって結晶化した薄膜においても強誘電性を発現することが確認され、この物質が高い耐酸化性を持つことを明らかにした。(2)ZrO2基強誘電体における強誘電性の起源としては、準安定相である斜方晶相の常圧・常温における安定化によると考えられているが、アモルファス相の熱処理結晶化による手法であるため、エピタキシャル成長のような直接的な結晶化過程で斜方晶相が生成するかは、不明であった。本研究では組成の制御が容易である物理気相堆積法を用いたエピタキシャル成長を行った結果、斜方晶相が直接成長させることのできる組成および条件を見出した。最終年度に該当する平成26年度は、前年度に一定の成果を得られた(2)多結晶薄膜の斜方晶相および強誘電性発現機構および(2)パルスレーザー堆積法を用いた斜方晶相エピタキシャル薄膜の特性評価を行った。(1)多結晶薄膜における強誘電特性の発現機構として、強誘電性が確認されているIr/HfO2/Ir積層構造における熱処理条件について検討した。その結果、低温度や短時間の熱処理においては正方晶相が発現し、逆に高温や長時間の熱処理では安定相である単斜晶相が出現するのに対して斜方晶相出現のためには中間の熱処理条件を用いることが必要であることを明らかにした。また、Pt/HfO2/Pt積層構造においては酸素中および窒素中の熱処理によって結晶構造・強誘電特性が同一であることを確かめ、HfO2系薄膜における強誘電性が結晶構造由来であることを明確にした。(2)パルスレーザー堆積法を用いた斜方晶相エピタキシャル薄膜の特性評価としては、前年度得られた斜方晶エピタキシャル薄膜の作製について強誘電特性の評価を行うため、下部電極層の検討を行いHfO2薄膜層まですべてエピタキシャル成長させた積層構造の作製に成功した。この結果この積層構造において強誘電特性の確認に成功し、エピタキシャルHfO2基薄膜において強誘電特性の確認に成功した。また、種々の面方位を持つ基板について強誘電特性を確認することによって自発分極と配向の関係について調査を行った。この結果強誘電体特性と構成相および結晶の配向が密接に関係していることが確認され、HfO2基薄膜における基強誘電性が結晶構造由来であることがこの結果からも明確となった。26年度が最終年度であるため、記入しない。工学26年度が最終年度であるため、記入しない。ZrO2基薄膜の強誘電性の発現は未だ、萌芽的な段階にあるため研究例が少ない。そのため強誘電性の発現の確認、およびエピタキシャル薄膜の作製は最大の懸案事項であったが、この二つの達成できたことは本研究の目的であるZrO2基強誘電体薄膜の巨大圧電性に向けて大きく前進できたと考えられる。

ペロブスカイト型酸化物強誘電体における高い圧電応答特性は、分域構造などの微視的構造が主要な役割を果していると考えられており、ZrO2基強誘電体においても微視的構造の解明が巨大圧電性の発現の鍵となるといえる。そこで、2年目にあたる平成26年度は、1年目に得られたエピタキシャル薄膜や多結晶薄膜を用いて(1)圧電応答顕微鏡を用いたドメイン構造の観察や、(2)高分解能X線回折測定(3)ラマン散乱を用いた振動分光測定を行う。これらの測定は、通常の測定のみならず、電界下におけるin-situでの測定も予定している。また、巨大圧電性を示すための組成の最適化なども電気特性・構造評価と並行して行う予定である。
共同学習を支援するためのVRを用いたインタフェイスと表現方法の研究

1.没入型スクリーンを用いた物理現象体感コンテンツの試作と実験、および評価理科教育において、物体の落下や投擲時の挙動など物理現象の理解は非常に重要なトピックとなっている。ネットワークを介して物理シミュレーションと没入型スクリーンとの接続を行うことで物理現象を体験可能な理科教育用コンテンツの試作を行った。没入型スクリーン内で現実空間同様に卓球を行い、卓球の球やブロック等が現実同様の挙動をするVRコンテンツを制作することができた。本年度は、実環境に近い体験学習を理科教育で実現するために「提示されて物体を触って動かせること」「触れた物体が物理法則に従って動くこと」の2点をもつ実環境に近いVR環境の実現を行った。具体的には分散型物理シミュレーションを利用し、分散された物理シミュレーション同士の接続手法を提案し、実環境に近い量(10,000個程度)の物体とインタラクションが可能なVR環境構築を行った。このシステムを用いることで、現実環境同様のインタラクションで物理現象を学習出来る理科教材を製作することが可能になる。2.タンジブル地球儀コンテンツの実証実験タンジブル地球儀コンテンツが実際の天文教育に対してどれくらい有効であるか、また問題となる点はどこか、といったことを明らかにするため、システムを用いた評価実験を行った。本研究ではつくば市立吾妻中学校の教諭及び生徒の協力を得て、理科の特別授業という形で希望する生徒を対称に実験を行った。a)地球儀上でのアバタの移動を考慮した空間認知オーストラリアでは太陽は北に昇ることを確認したあち、「日本とオーストラリアで太陽の昇る方角が異なる理由を説明してみよう」という課題を与えた。生徒らは、地球儀とアバタの位置関係を参考にした考察を行っていた。b)視点移動の困難さホンジュラスやオーストラリアなど、太陽の軌道が高くなる場所の時、アバタ頭部をパン・チルト方向に動かす操作によって太陽の動きを追うのが困難であると感じさせる場面が見られた。この理由として、アバタの頭部がロール方向に対する自由度を持たなかったことがある。アバタの仰角が大きくなる場合、パン方向の操作は天頂を中心とする回転運動になる。このため、太陽を画面の中心に移動させるような操作に対して困難が見られた。本研究の目的は、バーチャルリアリティ(VR)技術を用いることにより、物理現象や科学現象に対する疑問を、自主的に、そして身体的な知識として解決できる環境を開発することである。今年度は没入型スクリーンを用いた物理現象体感コンテンツに関する研究を行った。また、関連研究としてタンジブル地球儀コンテンツの開発と実証実験を行った。理科教育において,物体の落下や投擲時の挙動など物理現象の理解は非常に重要なトピックとなっている.しかしながら,従来のVRコンテンツでは,ユーザの移動に応じて静的な空間を移動することが可能であるものの,ユーザのインタラクションに応じた現象を提示するものはほとんど無いのが現状である.そこで,従来からの研究設備である没入型スクリーンで物理現象を体験可能なコンテンツの試作を行った。物理シミュレータには既存の動力学シミュレーションライブラリを利用し,ネットワークを介して物理シミュレータと没入型スクリーンとの接続を行った.その結果,没入型スクリーン内で現実空間同様に卓球を行い,卓球の球やブロック等が現実同様の挙動をするVRコンテンツを制作することができた.このシステムを用いることで,現実環境同様のインタラクションで物理現象を学習出来る理科教材を製作することが可能になると考えられる.また,筑波大学の葛岡英明助教授らとともに、タンジブル地球儀コンテンツの開発、および中学校における実証実験を行った。タンジブル地球儀とは、地球儀の回転、および地球儀に取り付けたアバタ(人形)の操作がPC上の宇宙コンテンツ内の時間変化や視点変化に反映されるシステムである。天文学習には高度な空間認知能力が必要であり、たとえば太陽の日周運動を理解する場合には地上から見た太陽の運動(地上視点)と、太陽と地球、および観測者との位置関係(俯瞰視点)との関連づけが必要である。一方、タンジブル地球儀を用いることで、これらの視点を直感的に理解できるようになるだけでなく、アバタを操作させることで、没入感覚が高まり、体性感覚を用いた学習を支援することができる。

a)地球儀上でのアバタの移動を考慮した空間認知オーストラリアでは太陽は北に昇ることを確認したあち、「日本とオーストラリアで太陽の昇る方角が異なる理由を説明してみよう」という課題を与えた。生徒らは、地球儀とアバタの位置関係を参考にした考察を行っていた。b)視点移動の困難さホンジュラスやオーストラリアなど、太陽の軌道が高くなる場所の時、アバタ頭部をパン・チルト方向に動かす操作によって太陽の動きを追うのが困難であると感じさせる場面が見られた。この理由として、アバタの頭部がロール方向に対する自由度を持たなかったことがある。アバタの仰角が大きくなる場合、パン方向の操作は天頂を中心とする回転運動になる。このため、太陽を画面の中心に移動させるような操作に対して困難が見られた。
原子層/分子集積体ヘテロ界面を用いた機能開拓

本年度は、昨年度に進めたデバイス構造の作製法についてさらなる検討を加えるとともに、作製したデバイスの電子物性計測を行った。昨年度は、(1)分子性結晶への六方晶窒化ホウ素(hBN)の転写、および(2)hBNへの分子の蒸着、の異なる二通りの方法を用いてhBN/分子性結晶の清浄な界面の作製を検討したが、(1)では清浄な界面を形成することが困難であることが明らかになったため、本年度は(2)の方法についてのみ継続して検討を行った。hBNの転写方法、デバイスの作成方法に種々の検討を加えた結果、厚さが23nmの数層hBN超薄膜を用いてC60/hBNの積層デバイスの作製に成功した。このデバイスにイオン液体を滴下し、hBN超薄膜でC60チャンネルを保護した電気二重層トランジスタ構造を作製した。このhBN保護電気二重層トランジスタでは、4 V程度のゲート電圧を加えてもC60が溶出せずに安定に存在しており、hBNの緻密な構造による拡散バリア層という当初のコンセプトを実証することに成功した(ゲート電圧印加前後での顕微鏡観察および分光分析の結果が全く変わらなかった)。また、この構造を用いてイオンゲートによるC60チャネルへのキャリア注入とトランジスタ動作を確認することにも成功した。ただし、3 nmとhBNが厚いためキャリア注入量が少なかったことが問題である。今後は、単層hBNをバリア層としたデバイスへの展開を行っていきたい。29年度が最終年度であるため、記入しない。初年度は、本研究の基盤となるデバイス構造の作製法について検討を行った。申請時の予定通り、(1)分子性結晶への六方晶窒化ホウ素(hBN)の転写、および(2)hBNへの分子の蒸着、の異なる二通りの方法を用いてhBN/分子性結晶の清浄な界面の作製を検討した。その結果、hBNの転写による方法では、転写時に発生するhBNシートのシワやhBNと分子性結晶の間へのバブルの混入が深刻な問題であり、清浄なhBN/分子性結晶界面の作製が困難であることがわかった。そこで、転写による作成方法を諦め、hBNへの蒸着によるhBN/分子性結晶の界面の作製を集中的に検討することにした。蒸着による方法を検討するに際しては、最終的なデバイス構造を見据え、界面の作製と電極の作製を同時に行う(基板への貫通孔の作製、電極の作製、hBNの転写、分子の蒸着という一連のプロセスを行う)こととした。本年度は、この一連のプロセスの各段階の条件を精密化し、hBN/分子性結晶の界面をもつ2端子デバイスの試作に成功した。当初の予定通り、デバイス作製法の基盤技術の確立を集中的に行い、hBNへの蒸着を用いた一連の作製プロセスを構築することに成功した。具体的には、集束イオンビームを用いたシリコン基板への貫通孔の作製、貫通孔を挟んで向かい合う一対の電極の作製、hBNの位置選択的トランスファー、hBNへの分子の蒸着、の4段階を経て作製するプロセスである。条件の精密化の過程で各段階の問題点を洗い出し、最終的にhBN/分子性結晶の界面を持つ2端子デバイスの作製に成功した。最終年度となる本年は、初年度に確立したデバイス作成方法に基づいて、ゲート電圧印加用の電極を加えた3端子デバイスを作製する。作製した3端子デバイスにイオン液体を滴下して電気二重層トランジスタ構造とし、イオン液体を用いたキャリア注入を実証する。室温でのキャリア注入が確認できれば、多量キャリア注入による金属化、さらには低温での超伝導転移を始めとした種々の電子物性探索を進める。なお、上記に加えて、他班の研究者と連携し、単分子デバイスおよびそのアーキテクチャーの機能探索を支える土台としての原子層の可能性の開拓も進める。
大型貨物自動車の事故防止対策に関する研究

59年度科研費補助金を受けて行われた昨年度の研究のうえに、本年度は対象とする車種をセミトレラーとし、積載条件や道路環境条件により、車両の運動力学的な性質がいかに大きく変動するか、それがどのように事故を誘うことになるかを検討した。セミトレラーの力学的な性質には独特なものがあることが知られている。そこでまず、相似則のもとに力学的に実車と等価な模型車両を設計製作し、この車両を用いて基本的な車両の運動性能を検討した。とりわけ、積荷の重心位置によって、アンダステア・オーバステアがどのように変化するかを調べる一方、車両横転の限界なども検討した以上の模型実験の結果をふまえ、さらに巾広く積載条件や道路環境条件の影響を検討するために、セミトレラーの運動力学モデルをつくり、運動をコンピュータを用い数値的にシミュレートするための計算機プログラムを開発した。これにより、種々のハンドルとブレーキ操作に対する車両運動が再現され、昨年同様これをグラフィック出力して、運動を理解しやすいような工夫もなされた。このコンピュータシミュレーションにより、どのような積載条件でどのような道路条件のときに、運転者の操作に対して、不測の運動つまり横転やジャックナイフ現象に陥る可能性があるかが明らかとなった。以上の研究により、現実の事故発生の積載条件、道路条件上での要因が明らかとなり、運動者があらかじめ条件に応じた運転ができるような知識が得られ、具体的な事故防止に貢献できる資料を得ることができた。
核内受容体を介したインスリン分泌および肥満調節機構の解明

昨年度はα型ペルオキシソーム増殖剤活性化受容体(PPARα)と血清リポタンパク質の代謝を制御するLDLレセプター(LDLR)がそれぞれヘテロであるダブルヘテロマウス《PPARα(+/-)・LDLR(+/-)》が肥満を伴うインスリン非依存性糖尿病のモデルマウスであることを証明してきた。本年度はさらに、このダブルヘテロマウスの膵臓の組織学的な解析と、白色脂肪組織における脂肪の取り込み系ならびに分解・排出系に関わる分子の発現解析を行った。しかしながら、膵臓においては、野生型マウスとダブルヘテロマウス《PPARα(+/-)・LDLR(+/-)》との間に有意な差を認めることができなかった。よって、なぜ高インスリン血症を呈するのかを解明するまでには至らなかった。一方、白色脂肪組織を用いてmRNAレベルを測定したところ、肥満したダブルヘテロマウスでは、脂肪の取り込み系の重要因子、リポタンパクリパーゼ(LPL)とFatty Acid Translocase (FAT)の発現が高まっていた。他方で、脂肪の分解・排出系の重要因子、ホルモン感受性リパーゼ(HSL)とホスホジエステラーゼ3E(PDE3B)の発現が低下していた。しかしながら、肥満が自然寛解した老齢ダブルヘテロマウスでは上記の因子の発現レベルは正常化していた。これらのmRNAレベルはPPARαの発現レベルとパラレルな傾向を示した。LPL、HSL、PDE3Bの発現はインスリンによって影響を受けることも知られている。このダブルヘテロマウスの肥満の原因にはPPARαによる脂肪取り込み系の分子の制御の低下と血中インスリンレベルの上昇による脂肪分解・排出系の制御の低下が関与しているものと者えている。このマウスの肥満は著しく、肥満度の割には糖尿病症状が軽度であることから、Caucasianの2型糖尿病のモデルマウスとして有用であると考える。ペルオキシソーム増殖剤活性化受容体(PPAR)は核内ステロイドホルモン受容体群の一種であり、α,βおよびγの3型の存在が知られている。この受容体は非常に多くの生理・病理現象に関わっており、特にα型は脂肪酸の合成・輸送・分泌など脂質代謝に深く関与すると考えられている。このα型ペルオキシソーム増殖剤活性化受容体(PPARα)と血清リポタンパク質の代謝を制御するLDLレセプター(LDLR)がそれぞれヘテロであるダブルヘテロマウス《PPARα(+/_-)・LDLR(+/_-)》を作成したところ、このマウスは長期間の飼育により肥満を呈する事が明らかとなった。このダブルヘテロマウスを解剖した結果、内臓および皮下ともに異常に脂肪が蓄積していることが観察された。この研究の主目的の一つである肥満の形成機構を分子レベルで解明するために、まず、血清における異常を生化学的に明らかにした。その結果、血糖値・インスリン濃度・トリグリセリド・遊離脂肪酸がいずれも異常な高値を示した。さらに、インスリンに抵抗性であることが明らかとなった。これらのことから、このダブルヘテロマウス《PPARα(+/_-)・LDLR(+/_-)》は肥満を伴うインスリン非依存性糖尿病のモデルマウスであることが証明された。一方、肥満形成に関与するレプチンについては正常値内であり、異常は認められなかった。肥満および糖尿病は現代の飽食の時代を代表する重要な疾患に属する。これまでの研究結果から、これらの疾患の病態を明らかにし、将来的にはその治療のために役立ちうるような動物モデルを確立できたものであろうと確信している。今後、膵臓や白色脂肪組織における異常を分子レベルで明らかにし、肥満およびインスリン非依存性糖尿病に関する新知見を得て、臨床的にも応用されうる方向に研究を展開していきたい。
胎児異常を診断された女性に対する妊娠期から育児期への助産学的アプローチの検討

妊婦は、胎児の診断を受け大きなショックを受けるが、『今の生活をいつも通りに過ごす』『予定日までこの子を私が育む』という気持ちを持って日々を過ごしていた。出産が近づくと『自分の「お産」のイメージが難しい』ことや、育児が開始されると「新生児」、「母乳・乳房ケア・育児」に関する『普通の育児の知識が乏しい』ことに困難を感じることが明らかとなった。親になることの準備は、胎児に病気があろうがなかろうが、妊婦個人にとっては大きな課題である。それを支援するのに適切なのは女性の出産を個人的な出来事として取り扱う助産師であり、母子の状態の変化に合わせて継続的に支援のできる妊婦健診が最も良い機会である。平成25年4月平成26年3月:平成24年12月に協力施設での倫理審査委員会の承認後、研究対象者(研究協力施設において胎児異常を診断された妊娠22週以降の女性)に対してリクルート・登録を現在も実施している。登録された対象者に対して、研究協力に関する説明を口頭と書面にて行い、同意が得られた方から調査を開始している。現在妊娠期の対象者2名、出産直後2名、産後一か月2名、産後5か月2名である。妊娠期面接においては、生活・心理・人間関係について自由に話していただき、現在必要としている支援について語っていただいた。特に妊娠末期は、気持ちの変化、人間関係の変化、支援の必要性の変化についてお話いただいた。産褥期は、周産期においておこった出来事、気持ちや体の変化、家族の状況について話していただき、妊娠期を振り返っていただき、過去・現在において必要な支援について語っていただいた。面接内容は対象者の同意のもと録音し、トランスクリプトに起こしてデータとした。トランスクリプトは現象学を基盤とした質的帰納的分析の手法をとり、女性にとって胎児異常を診断され妊娠を継続する経験が、生活・人間関係・心理面においてどのような出来事を惹起させるのかを分析している。妊娠期の分析結果は10月の遺伝看護学会への発表に向けて準備を進めている。現在の対象者は生後の予後が中程度、重症の方が中心であるため、今後は生後予後の軽度とされる対象者を追加登録していく予定である。平成24年4月6月:出生前診断および、胎児異常を診断された女性に心理、質的方法論の妥当性について調査・文献検討を実施した。平成24年7月9月:研究者の所属機関および調査機関での自主臨床倫理審査委員会へ提出・審査のために研究実施計画書を作成し、10月から3機関での倫理審査を受けた。また、出生前診断を受ける女性の心理に関する調査結果を国際学会にて発表し、本テーマの研究領域の研究進捗状況について情報収集を行った。平成24年11月3月:倫理審査委員会での口頭試問後、承認された機関から関係部門の責任者へ研究実施の説明を行った。現在は、研究対象者(協力施設において胎児異常を診断された妊娠22週以降の女性)リクルート・登録を進めている。現在、出産後に重度障がい合併が予測されるケース1例が登録されている。登録された対象者に対しては、研究協力に関する説明を口頭と書面で行い同意が得られ、初回の面談を実施している。妊娠期面接であるため、面接時点での生活・心理・人間関係について自由に話していただき、現在必要としている支援について語っていただいた。トランスクリプトは現象学を基盤とした質的帰納的分析の手法をとり、女性にとって胎児異常を診断され妊娠を継続するという経験が、生活・人間関係・心理的面におきてどのような出来事を惹起させるのかについて分析を行っている。本研究は、胎児異常を診断された女性が妊娠初期から育児期に求める支援を、女性の経験をもとに助産学的視点(妊娠・出産を個人的出来事として捉え、継続して正常経過を支援する)から明らかにすることを目的とし調査を行った。7名の妊婦の面接調査の結果、妊婦は胎児の診断を受け大きなショックを受けるが、『死んだわけではない』『生まれてみないとわからない』『今の生活をいつも通りに過ごす』『予定日までこの子を私が育む』という気持ちを持って日々を過ごしていた。出産が近づくと『自分の「お産」のイメージが難しい』ことや、育児が開始されると新生児の育児、母乳・乳房ケアに関する『普通の育児の知識が乏しい』ことに困難を感じることが明らかとなった。胎児の異常が診断された妊婦に対して、一般的に実施される母親となるための心身の準備に着目した支援が十分に提供されていない現状が推察される。

以上のことから、妊婦の母親として持つ希望を支え、育児に関する選択のための情報を提供し、出産子育てを個人的な経験としてとらえ、妊娠期から育児期まで継続的に関わりを持つ助産学的アプローチによる支援は、胎児の異常を診断された妊婦に対して必要不可欠な支援であることが示唆された。助産学遺伝看護学協力施設における対象症例の発生がすくなく、調査母数の減少の恐れがある。各機関における倫理審査委員会での審議に時間を要し、対象症例のルクルートと登録が若干遅れ気味である。しかし、研究全体の工程から見ると大きな遅れとはならない。協力施設を1施設増やす予定である。対象症例のリクルートと登録が遅れたため、調査母数の減少の恐れがある。そこで、平成25年度前半の登録状態が予定数の半数を切った場合には、協力施設を1か所増やしていく予定である。平成24年度の調査対象者のリクルートの遅れから、平成24年度の繰越金を平成25年度に使用したため、平成25年度支出予定金額よりも実支出が額面として上回ることとなった。平成24年度、平成25年度を合わせた支出予定金額としては予算内であるため、平成26年度支出への影響はない。平成25年4月10月:対象症例のリクルートと登録を進め、随時、妊娠期1回目のインタビュー調査を開始する。登録数目標は6名。また、遺伝看護や国際看護における本テーマの領域研究の進捗状況を学会に参加し情報収集を行う。平成25年11月3月:対象症例のリクルートと登録を進め、随時、妊娠期1回目のインタビュー調査を開始する。合わせて妊娠期2回目インタビュー調査、および産後インタビューを継続して実施していく。妊娠期のデータ分析が終了次第、研究成果として学会発表を予定している。
レーザー誘起脱離による表面・分子相互作用の動的特異性の解明

ナノ秒のパルス幅の紫外レーザー誘起による、電子励起に伴う、遷移金属に化学吸着したNO,COの脱離に対して、基板がPtは活性で、Pd,Niが不活性という高い選択性を見い出した。その原因を解明するため、(1)Pt(111)からのNOの脱離について、中間の電子励起状態の性質を明らかにすべく、脱離NO分子の角度分布の速度依存性と回転エネルギー依存性を測定した。脱離の断面積が小さいため、S/N比のよい測定は困難であったが、よい測定結果が得られた。そして(a)脱離分子の速度が増すにつれて角度分布の幅が狭くなる、(b)分布幅の速度依存性は回転エネルギーには依らないとの結果を得た。前者の結果はこの角度分布から脱離の中間励起状態での吸着NO分子の束縛並進モードに関する知見が得られることを示唆している。しかし予想よりはるかに大きい速度依存性が得られ、現在測定結果の解釈を検討中である。(2)Pt(111)-Ge表面合金の電子構造と、この表面に吸着したCO分子の電子状態を測定した。それはPt(111)表面にGeを4%ドープしたPt(111)-Ge表面合金からはNOは脱離するがCOは脱離しない。すなわち脱離に関してこの表面は合金PtとPdの中間の性質を示す。(a)Pt(111)-Geのバンド幅がPtより狭いことが判明した。これは以前に推測したモデルの妥当性を支持する結果である。(b)CO吸着の5σ単位がPt(111)上の吸着と違いがないというCOの吸着エネルギーの測定結果と一見矛盾する結果が得られた。しかしこの表面合金のついて最近測定した、放射光を用いた角度分解光電子分光法によるバンド構造を用いることにより矛盾なく説明できた。(c)この表面合金上のGeの1原子層は絶縁体-金属転移を起こし、COを化学吸着するs,p電子系の金属になることを見い出した。この表面からのレーザー誘起脱離の研究を進めることが、脱離の選択性の原因の解明に効果的である。東京大学物性研究所から当該研究に関連した研究に使用してきた装置は概ね電通大に移管し、まず立ち挙げてきた。移設に伴うトラブルがいろいろ発生したが、現在ではそれらを含め、移設した装置の全てが順調に稼働している。一方、小型のエキシマーレーザーも納入され、予想通り本研究目的には十分であることが判明した。Pt(111)からのNOの脱離を、ArFエキシマーレーザーを励起源として、脱離分子の速度領域を狭い範囲に限って、共鳴多光子イオン化(REMPI)スペクトルの速度依存性を観測した。この結果をインパルスモデルで解析した結果脱離にいたる中間の電子励起状態の寿命に速度依存性があることが判明した。その結果Ptの表面上に吸着したNOのように、基板と吸着子が強い相互作用を持つ系で、基板が金属の場合、中間の励起状態は断熱ポテンシャルでは記述できないことを明確に示すことができた。これは当然の結果を得たにすぎないと言えるかもしれないが、これまでのこの分野の研究では、中間の励起状態は断熱ポテンシャルによる反発ポテンシャルのMGRモデルと、負イオン生成のAntoniewiczモデルがもっぱら議論に用いられてきた。今回得た結果はたとえ断熱ポテンシャルを認めたとしても、上記の二つのモデルでは結果を説明できない。

このように中間の励起状態の寿命とポテンシャル曲線について、脱離過程を考える上で重要な知見が得られた。ナノ秒のパルス幅の紫外レーザー誘起による、電子励起に伴う、遷移金属に化学吸着したNO,COの脱離に対して、基板がPtは活性で、Pd,Niが不活性という高い選択性を見い出した。その原因を解明するため、(1)Pt(111)からのNOの脱離について、中間の電子励起状態の性質を明らかにすべく、脱離NO分子の角度分布の速度依存性と回転エネルギー依存性を測定した。脱離の断面積が小さいため、S/N比のよい測定は困難であったが、よい測定結果が得られた。そして(a)脱離分子の速度が増すにつれて角度分布の幅が狭くなる、(b)分布幅の速度依存性は回転エネルギーには依らないとの結果を得た。前者の結果はこの角度分布から脱離の中間励起状態での吸着NO分子の束縛並進モードに関する知見が得られることを示唆している。しかし予想よりはるかに大きい速度依存性が得られ、現在測定結果の解釈を検討中である。(2)Pt(111)-Ge表面合金の電子構造と、この表面に吸着したCO分子の電子状態を測定した。それはPt(111)表面にGeを4%ドープしたPt(111)-Ge表面合金からはNOは脱離するがCOは脱離しない。すなわち脱離に関してこの表面は合金PtとPdの中間の性質を示す。(a)Pt(111)-Geのバンド幅がPtより狭いことが判明した。これは以前に推測したモデルの妥当性を支持する結果である。(b)CO吸着の5σ準位がPt(111)上の吸着と違いがないというCOの吸着エネルギーの測定結果と一見矛盾する結果が得られた。しかしこの表面合金について最近測定した、放射光を用いた角度分解光電子分光法によるバンド構造を用いることにより矛盾なく説明できた。(c)この表面合金上のGeの1原子層は絶縁体-金属転移を起こし、COを化学吸着するs,p電子系の金属になることを見い出した。この表面からのレーザー誘起脱離の研究を進めることが、脱離の選択性の原因の解明に効果的である。
キクミカンの安定生産技術の開発

嗜好性の高いキクミカンを安定生産する技術の開発を目指した。水ストレスの受けやすさの異なる複数園地を対象にして、TDR値の相対変化に基づく乾燥指数、果実サイズなどとキクミカン発生率との関係を3年間試験した。その結果、キクミカンを安定して発生させる要件は、(1)着果の多めの樹を選び、早期の摘果を控えることによる着果ストレスの付与、(2)シートマルチの実施、3)乾燥指数を指標にした水管理の実施、4)エチクロゼートの補助的利用であると考えられた。試験地域でのキクミカンの発生状況は、梅雨明け後の乾燥に加え着果が中やや多であったために適度な着果ストレスをかけることができ、昨年に比較すると発生しやすい状況であった。樹体の体積含水率を主枝および側枝の2箇所を対象にTDR法により6月から9月にかけて定期的に測定し、キクミカン発生との関係を検討した。まず、キクミカンの発生と相関する乾燥指標を明らかにするために、6月上旬下旬、7月下旬の2基準日を基に7月上旬からキクミカンが発生する9月中旬までの主枝、側枝のTDR積算値とキクミカン発生度との関係を調査した結果、多くの園で樹体が最も湿った7月下旬の主枝のTDR値を基準にした積算値(これ以降は乾燥指数)とキクミカン発生が相関することを見出した。さらに、キクミカン発生度2(果頂部とその周囲にキク形状を呈する果実が樹全体に認められる程度)を得るには主枝の乾燥指数でー0.03ー0.04が必要と判断された。しかしながら、露地園では、キクミカンが発達中でも降水やかん水により発達がリセットされる事例が多々認められ予測が困難になるものと考えられた。水ストレスを付与するとされる植物生育調節剤のエチクロゼートを水ストレスがかかり難い水田転換園などの2園で処理した。1園では樹体の体積含水率が低下し、キクミカンの発生も助長されたが、もう1園では効果を認められなかった。これには着果度の大小の関連が示唆されたが一層のデータ収集が必要と考えられた。25年度の試験地域の気象は7月中旬の梅雨明け後から8月下旬まで晴天がつづき高温乾燥状態であった。そのため、23-25年度の試験期間中で最もキクミカンの発生しやすい気象条件であった。本年度も過去2か年同様に多様な水ストレス状態の樹でキクミカン発生とその発生要因について評価できるように5園(早生樹4園、極早生樹1園)を対象にマルチ区と露地区を設定した。樹体の体積含水率測定をこれまでと同様にTDR法で6月から1-2週間隔で測定し、TDR値の推移から各樹が最も湿った測定日を基準日とし、基準日から9月中旬のキクミカン発生調査日までの各TDR値の積算値を乾燥指数とした。乾燥指数とキクミカン発生率との関係を着果程度にほぼ対応する果径(階級)別に検討したところ3年間の結果はほぼ同じであった。すなわち、1)乾燥指数が概ね0.3-1.0の間で両者間に正の相関がマルチ区で認められ、露地区では認められなかった。また、この範囲内では樹体への顕著なダメージは認められなかった。2)果径(階級)とキクミカン発生率の関係について、キクミカンの発生はM果以上の果実ではほとんど認められず、2Sや3S果が中心であった。3)水ストレス付与が示唆されている植物生育調節剤のエチクロゼートの水ストレス付与効果ならびにキクミカン発生促進は判然としなかった。これらのことから、キクミカンを安定して発生させる要件は以下の様に整理された。1)着果数の多い樹で摘果を控えめにし、着果ストレスを付与する。2)7ー8月の過度な降雨はキクミカン発生をリセットさせるのでシートマルチを実施する。3)提案した乾燥指数の追跡により期待する発生率を目指して水管理を実施する。本研究の目的はTDR法で推定した体積含水率によりキクミカンの発生を予測すること、ならびにキクミカン発生を促す条件の解明である。研究初年度に当たる本年度は、三重県紀南地域において立地条件によりキクミカン発生度の異なる2区のそれぞれを、シートマルチの有無により降雨を調節した2区を設け、計4区の処理区に対して、土壌・樹体の体積含水率の変化をTDR法で追跡、キクミカン発生ならびに果実品質との関係性を明らかにしようとした。23年度の気象は6月の高温による過剰な生理落果により摘果する必要がないほどの着果不足、加えて8ー9月の平年以上の多雨でありキクミカンの極めて発生し難い年であった。

このような乾燥し難い状況下であったにもかかわらず、例年キクミカンの発生し易い園では発生し難い園に比較してマルチの効果が8月前半から10月まで認められ、相対的に多くのキクミカンを発生させた。しかしながら、キク形状の程度ならびに果実品質ともキクミカンと称するには不十分であった。また、マルチしない場合は、立地条件にかかわらず体積含水率への影響は認められなかった。これらの結果は、キクミカンの極めて発生し難い気象条件下での多様な立地条件下でのミカン樹の反応を示す事例として貴重であること、また、キクミカンの発生し難い気象・立地条件下ではマルチ以外に水ストレスを誘起する人為的手段が必要なことが示唆された。残された2か年において同様の比較試験を継続するとともに、水ストレス誘導手段である着果ストレスや植物成長調節剤の可能性も検証していく。キクミカンは夏の乾燥で発生するものであり、その安定生産のためには人為的な水ストレスが有効である。発生のための水ストレス付与の時期と程度のうち、時期については過去の知見から8月9月はじめとおおむね理解されていたが、程度については適当な水ストレス評価指標がないため未解明であった。本年度の試験により、マルチ園ではTDR法を利用し最も湿った時期(7月下旬)の主枝の体積含水率を基準に7月上旬からキクミカンが発生する9月中旬までの積算値がキクミカン発生度と相関することが示され、予測を期待できる結果を得られた。一方、露地ではキクミカンの発達過程で灌水や降水などで水ストレスの効果がリセットされることが明らかになり、安定生産にはマルチが前提になることも明らかになった。キクミカンの安定生産に必要な合理的な水管理の指標化に道が開けたことや前提条件が明らかになったことから研究は順調に進捗していると判断された。キクミカン発生と立地・樹体・気象条件の解明に有益な情報を得るには研究期間(3年)内で年次変動の大きい気象が望まれた。この点において23年度はキクミカン発生にとって極めて不利な気象条件下であり、貴重なデータが得られた。また、キクミカン発生し易い園でも、極めて不利な気象条件下ではマルチ以外の手段が必要であることが示唆され、次年度の検証予定課題に繋がるものであった。これらのことから初年度の評価としては概ね順調と判断した。・蓄積データのフィードバックにより提案指標の精度の向上を図る。・キクミカンの発生に伴い生じる過剰な果実肥大抑制を予防するための樹体要因(着果度、ストレス付与時の肥大程度)を明らかにし、その具体的な目安を提案する。・エチクロゼートの効果の安定性を得るための処理時期・濃度の検討を実施する。樹体の水ストレスとキクミカン発生の年次変動を把握するため、本年度に対象とした試験区(キクミカン発生し易い2園、発生し難い2園)で継続調査を実施する。加えて発生し難い2園では不利な立地条件でのキクミカン発生を促す手段としてシートマルチに加えて摘果を遅らせ着果ストレスを成熟直前までかける摘果方法の採用や吸水を抑える作用のある生育調節剤を併用することで樹体への水ストレスがどの程度強まりキクミカン発生につながるかを検証する。25年度研究費(700000円)の執行予定は以下の通りである。旅費:現地調査ならびに学会出張費用に300000円資材:農業資材費として100000円その他:現地圃場借り上げ費などとして300000円次年度に使用する予定の研究費(139,748)は、旅費の節約などにより発生したもので、農業資材の購入にあてる予定である。24年度分(800,000)は、現地調査旅費(高速料金含む):400000、試験樹借り受け料:350000、農業資材費に50000、を使用予定である。
実験水頭症モデルを用いた髄液内炎症性サイトカインの脳血管に対する影響

研究の位置付け: PDGF等のサイトカインの髄液注入にて数時間の血管収縮や、増殖性血管症との関連が報告されている。従来の実験は血管とサイトカインとの短時間接触(髄液腔内1回注入)における変化であり、今回の実験では髄液腔にサイトカインを長時間低濃度で保ちサイトカインと脳血管攣縮との関連を検討した。現在までの過程:我々の作成した髄液循環が停滞している水頭症マウスを用いて定位脳手術にて脳室を穿刺し、サイトカインを注入、髄液採取等を行ったが、小さく確実性に欠ける為に、まず同様の方法にて水頭症ラットモデルを作成した。水頭症ラットに関してはその作成に再現性が欠けるため、最終的には髄液腔内にサイトカインを低濃度で長時間存在させる方法として、マイクロ浸透圧ポンプを皮下に埋め込み、PDGFを24時間持続的に脳室内に注入する方法を選択し、ノーマルコントロールおよびくも膜下出血ラットモデルの脳底動脈と比較検討した。結果: 1.従来報告されている、3-0ナイロン糸にて頭蓋内内頚動脈を穿孔させる方法にてくも膜下出血ラットを作成し、出血より6日後の脳底動脈を観察した。脳底動脈には内皮層の蛇行と壁の肥厚、細胞成分の増加等が観察された。2.PDGF 200ng注入ラット群では、未処置ラットと比較して明らかな変化は認められなかったが、400ng注入群ではくも膜下出血ラットよりは軽度であるが同様な変化が認められた。3.TGF-β500ng注入ラット群では未処置ラットと比較して明らかな変化は認められなかった。考察:今回血管の形態学的変化は、より生理的に近い低濃度の髄液中PDGFによる血管の変化であり、くも膜下出血の際の髄液中のPDGF濃度でこのような血管変化が起こることが推測される。水頭症マウスを用いて定位脳手術にて脳室穿刺し、注入、髄液採取を行ったが、小さいため再現性がなく、確実性に欠けるため、まず同様の方法にて水頭症ラットを作成した。1.生後10日のラット(フィッシャー)を用いて、マウスの場合と同様に右側頭部の硬膜下にTGF-β1を注入し、6週間後に断頭し、脳室を観察した。この方法では明らかな脳室拡大は認められず、また穿刺部に孔脳症が出現したため中止した。2.次にラットの頭部を固定し定位脳手術にて脳室穿刺、TGF-β1を注入した。先にインクを用いた実験にてこの方法にて正確に脳室内に注入できる位置を計測し、その位置にてTGF-β1を注入した。ラットはSD、フィッシャー、ウィスターの3種類を用いてTGF-β1を500ng注入し、6週間後に断頭した。この方法で脳室は軽度拡大し、脳室穿刺の際に髄液の拍動が観察できることがあった。しかしながら明らかな脳室拡大は得られなかった。上記2の方法にて最も脳室拡大の認めたウィスターを用いて、脳室内へのTGF-β1の2度打ちを行った。500ngを1週間あけて2度定位脳手術にて脳室内へ注入した。この方法にて著明な脳室拡大のラットを認めたが再現性が悪く、現在次の方法にて確実性の向上を試している。マイクロ浸透圧ポンプを皮下に埋め込み、TGF-β1を持続的に脳室内に注入する。この方法にて現在行っている。この水頭症ラットを用いて実験を継続している。
インスリンを介さないGLUT4トランスローケーションの情報伝達について

GLUT4トランスローケーションはインスリンによって促進されることは周知のことである。しかし、近年これとは別のシグナル伝達が存在することが明らかとなった。それはRab4を介さない経路の存在やアデノシン一リン酸活性型蛋白キナーゼ(AMPK)による糖取り込み促進経路である。前年度はこれらの経路を解明するためインスリン以外の作用機序が考えられるコロソリン酸についてGLUT4トランスローケーションにおよぼす影響を検討した。その結果、コロソリン酸はGLUT4トランスローケーションを促進し、その作用機序としてインスリンを介さない可能性を示唆した。しかし、これらは1回の短期投与での作用であり、糖尿病の治療に用いられる連続的な投与についての作用は明らかではない。そこで16年度はコロソリン酸の長期投与による影響について検討した。コロソリン酸の血糖低下作用:コロソリン酸2および10mg/kg体重あたりを遺伝的2型糖尿病モデル動物であるKK-Ayマウスに経口投与し、投与後1および2週間に血糖値を測定した。その結果、投与後1週間に血糖低下作用を有し、さらに10mg/kg投与群においては投与後2週間にも持続的な血糖低下作用を有することを確認した。以上のことから、コロソリン酸は2週間連続投与によっても血糖低下作用を示すことがわかった。インスリンを介さない経路(AMPKを介した経路など)による血糖低下作用が糖尿病治療に有効であることが示唆された。今後、作用機序などさらに詳細な検討が必要と思われる。緒言細胞内への糖の取り込みおよび放出は糖輸送担体(GLUT)と呼ばれる輸送系担体タンパクにより行われ、なかでも筋肉における糖輸送は主にGLUT4の細胞内プールから細胞表面へのトランスローケーションにより行われる。糖尿病においてはこのトランスロケーションの低下が指摘されている。トランスローケーションにはインスリンを介するものが指摘されていたが、近年インスリンを介さないトランスローケーションが報告されている。そこで、遺伝的2型糖尿病モデル動物を用いてトランスローケーションを検討した。実験実験はまず正常(ddY)および遺伝的2型糖尿病モデル動物(KK-Ayマウス)の血糖値およびインスリン値を測定し、KK-Ayマウスの高血糖および高インスリン血漿を確認した。次に、筋肉組織を各種遠心操作にて細胞内(LDL)画分と細胞表面(PM)画分に分け、SDS-PAGEで展開後、GLUT4タンパク抗体を用いたウエスタンブロッティング法によりGLUT4タンパク発現を検討した。結果と考察KK-Ayマウスは正常よりPM画分の低下が見られ、その値は正常マウスの20%近くまで低下した。このことは糖尿病状態ではLDL画分からPM画分へのGLUT4トランスローケーションが低下していると思われた。なお、LDM画分には差異は認められなかったが、このことは細胞内プールに多量のGLUT4タンパクが存在するためと考えられた。今回はインスリンを介するトランスローケーションについて低下していることと考えられたが、インスリンを介さない部分について検討する必要がある。それはRab4を介さない経路の存在やアデノシン-リン酸活性型蛋白キナーゼ(AMPK)による糖取り込み促進経路である。そこで、これらの経路を解明するためインスリン以外の作用機序が考えられるコロソリン酸についてGLUT4トランスローケーションにおよぼす影響を検討した。コロソリン酸の血糖低下作用:コロソリン酸10mg/kgを遺伝的2型糖尿病モデル動物であるKK-Ayマウスに経口投与し、投与後4および7時間に血糖値および血漿インスリン値を測定した。その結果、投与4時間に血糖低下作用を有することを確認した。また、インスリン値には投与4および7時間いづれの時間においても変化は見られなかった。コロソリン酸のGLUT4トランスローケーションにおよぼす影響:KK-Ayマウスにコロソリン酸10mg/kgを経口投与し、血糖低下作用のあった投与後4時間の筋肉を摘出し、血漿膜画分(PM)と低比重膜画分(LDM)を調整後GLUT4トランスローケーションをウエスタンプロッティング法により検討した。その結果、コロソリン酸投与群はPMのGLUT4タンパク発現を増加させる作用が認められた。これらのことから、コロソリン酸はGLUT4トランスローケーションを促進することにより血糖低下作用を示すことおよびその作用はインスリンを介さないことをはじめて明らかにした。

その結果、投与後1週間に血糖低下作用を有し、さらに10mg/kg投与群においては投与後2週間にも持続的な血糖低下作用を有することを確認した。以上のことから、コロソリン酸は2週間連続投与によっても血糖低下作用を示すことがわかった。インスリンを介さない経路(AMPKを介した経路など)による血糖低下作用が糖尿病治療に有効であることが示唆された。今後、作用機序などさらに詳細な検討が必要と思われる。
希少糖はマラリア撲滅の「切り札」となるか？

希少糖の1種は熱帯熱マラリア原虫の蚊体内期の発達を阻害する。本研究は、希少糖がヒト体内期の原虫に効果を示すか否か、および、蚊体内期の発達阻害は「グルコース・トランスポーターの阻害によるエネルギー不足が原因」という仮説を検証することを目的としている。まず、希少糖の抗マラリア効果と抗生殖母体効果を観察した。培地中のグルコース濃度は11.1 mMであり、それとほぼ同等の10 mMという高い濃度の希少糖を追加して薬剤試験を行った。抗マラリア効果については8種、抗生殖母体効果については7種の希少糖を評価したが、糖を追加しない培養液や、同濃度のグルコースやフルクトースを追加した培養液と同様の原虫シグナルを示した。したがって、これらの希少糖はヒト体内期の原虫に対するリード化合物としては有望でないことが明らかとなった。また、原虫のグルコース取り込みを阻害するか否かをHPLCにより観察したが、評価された3種は阻害活性を示さなかった。ヒト体内期の原虫はグルコースを主なエネルギー源としているため、グルコース・トランスポーターの阻害は原虫を殺滅する。原虫の殺滅とグルコース取り込み阻害が観察されなかったことから、今回評価した希少糖は原虫のグルコース・トランスポーターを阻害しなかったと考えられる。抗原虫試験とグルコース取り込み阻害試験の両方で評価された3種の希少糖中の1種は原虫の蚊体内期の発達を阻害する。本研究により、原虫蚊体内期の希少糖による発達阻害は、当初の仮説であった「グルコース・トランスポーターの阻害によるグルコース不足が原因」ではない可能性が提起される結果となった。一方で、評価した中の1種は、抗生殖母体試験において酸化還元指示薬であるalamarBlueの還元を阻害し、この希少糖が原虫内において何らかのタンパク質の活性を阻害することが明らかとなった。熱帯熱マラリア原虫の培養系を確立した。また、抗マラリア効果と抗生殖母体効果を確認する実験系を立ち上げ、それらを用いて希少糖を含む基本となる単糖について評価した。インビトロ合成タンパク質については、熱帯熱マラリア原虫に先立ってローデントマラリア原虫のヘキソーストランスポーターをコムギ胚芽無細胞タンパク質合成系により発現させた。先行研究においてローデントマラリア原虫の蚊体内での発達が希少糖の1つであるアロースにより阻害されたことから、実験系のコントロールとして適当であると考えられたためである。原虫のゲノム上の配列では発現しなかったため、コムギ胚芽のコドン使用率に最適化した結果、タンパク質の発現に成功した。しかし、その後、用いたキットにしたがって重層法によりプロテオリポソームを調製したが、グルコース取り込み活性は検出されなかった。必要な原虫株の入手と赤血球・血漿の入手に当初の予定よりも日数を要したため、予定していた全ての希少糖を用いた原虫に対するインビトロ薬剤試験は未達成である。また、平成29年度に予定していたプロテオリポソームを用いたヘキソーストランスポーターの解析については、タンパク質は発現したものの、コントロールとなるグルコース取り込み活性が検出されなかった。抗マラリア効果と抗生殖母体効果については実験系が確立されたので、当初の通りに研究を進める。グルコースの取り込み活性が検出されないプロテオリポソームを用いたヘキソーストランスポーター活性の解析については、活性は検出できなかったもののタンパク質の発現は確認されている。したがって、本研究で用いたキットの重層法によるプロテオリポソーム調製法に問題がある可能性が考えられる。具体的には、2重膜以上で構成されたプロテオリポソームが多数形成されたことが原因ではないかと推測される。

そのため、1.フィルターを用いたlarge uni-lamellar vesicleの調製により、1重膜のプロテオリポソームの調製を行う。これらによっても活性が検出できない場合は脂質を試薬として購入し、脂質組成をカスタマイズしたプロテオリポソームをフィルターまたは超音波により調製する。原虫株および赤血球・血漿の入手が当初予定よりも遅れるのに伴い、実験開始時期が遅れたため。次年度使用額分は、計画通りに原虫の培養、インビトロ薬剤試験、インビトロ合成タンパク質の解析に用いる予定である。
導波路結合フォトン-フォトキャリア直交型マルチストライプ半導体太陽電池の研究

太陽光の吸収とフォトキャリアの収集効率の最適化を両立し、全太陽光スペクトルに亘って光電変換を行うことを目指して、フォトンの進行方向とフォトキャリアの移動方向が直交した、マルチストライプ構造を有する新しい光電変換デバイスシステムの検討を進めた。上記直交性の活用によりもたらされる光吸収と高いキャリア収集効率の両立と、光進行方向変換層のプロトタイプの特性評価が進んだ。この光進行方向変換層を最上層として設けることで、太陽光の入射方向によらず、2次元導波路構造に対し、ほぼ垂直に光が入射する構造を実現し得ることを実証し、変換効率を向上させるための礎を築いた。従来の素子構造では、太陽光の入射方向と生成したフォトキャリアの移動方向が平行である為、光吸収とフォトキャリアの収集の間にはトレードオフがあり、両者を同時に最適化することは難しかったが、太陽光の進行方向とキャリアの移動方向を直交させることで、このトレードオフを解消できる。特に、昇降順を最適化したマルチストライプのフォトン-キャリア直交型の新型光電変換素子構造では、光源のスペクトル全体に亘る光電変換が可能であるため、高い変換効率が得られると期待される。その為の基礎として、まず周期的屈折率変調構造の屈折率差を⊿n、深さDとすると、回折格子に垂直入射する波長λの光は, 2π⊿n D/λで表される位相差を持つので、これをπとなるようにDを設定することで、3次元空間伝播光を2次元導波光化する構造(リディレクション導波路)の設計を行い、一定範囲の波長に関しては、高い導波方向変換効率を得ることができた。また導波路から、その端部に置かれたマルチバンドギャップ半導体素子への光の進入効率を高め、更に半導体中での光電変換効率を向上させる構造を案出した。またSiをベースに異なるバンドギャップを有する半導体層を形成することを試みた。新しい熱処理装置を完成するとともに、大阪大学小林光教授との共同研究により、マルチストライプの要素部分であるSiベース素子の変換効率を高め、(当"研究室"比ながら)約10倍程高い光電変換効率(η5%)を得ることができた。今後、上記改良プロセスをGeを拡散したSiGeベースの半導体素子に適用することで、バンドギャップの異なる半導体マルチストライプを形成した。また、上記導波路と半導体素子を高歩留まりで接合するのに好適なプロセス環境としてのクリーンユニットシステムプラットフォーム(CUSP)を進展させることができた。従来の太陽電池においては、吸収光子数とフォトキャリア収集効率は、共に電極間隔、言い換えれば半導体層厚に依存し、トレードオフの関係にある。即ち、光吸収の増大とキャリアの収集効率の向上とを両立させることは困難であり、光電変換効率の向上を妨げていた。無機半導体をベースとして、フォトンの進行方向とフォトキャリアの移動方向が直交した、マルチストライプ構造を有する新しい光電変換デバイスの実現を念頭に、太陽光(黒体輻射)の吸収とフォトキャリアの収集効率の最適化を両立可能とし、全太陽光スペクトルに亘って光電変換を実行するべく、空間伝播する光を2次元導波光化するための構造(リディレクション導波路)の最適化をシミュレーションを基に行った。従来の入射モードでは、光吸収量に支配されて変換効率が決まる活性層厚みの小さい領域でも、端面入射配置では高い変換効率が得られる。移動度の高い無機半導体材料を用いることで、電極間隔を広げることが可能となり、より高効率の光電変換素子を実現することができる。Si太陽電池を2次元平板構造に埋め込み装置を立ち上げ、フォトン・フォトキャリア直交型半導体太陽電池作製の要素技術が固まりつつある。上記素子の清浄プロセス環境であるクリーンユニットシステムプラットフォーム(CUSP)が、無塵環境としてのみならず、無菌環境としての側面からも展開が進展した。光入射方向とフォトキャリア進行方向の直交性により、十分な光吸収と高いキャリア収集効率を完全に両立させた系を実証し、変換効率を飛躍的に向上させるための礎を築いた。周期的屈折率変調構造による“回折光学系"では、光伝播効率が大きな波長依存性をもつ。そこで、光を片側のみに選択的に送り込む周期配列放物線鏡による“反射光学系"と屈折率異方性層をクラッド層とする平面導波路よりなる左右非対称リディレクション導波路のアイデアを生み出した。この系では、放物線鏡によりフォトンが一定範囲内より飛来するようにできるので、この方向に対し屈折率異方性層の屈折率を最大にするように構成することで(この時、直交する方向には屈折率が小さくなるため)、3次元光を極めて効率的に2次元導波光化できる。これにより反射光学系の利点が生きて、波長にほぼ依存すること無く、約80%の高い導波効率を実現しうることが示唆された。導波路とSi太陽電池を結合して、エッジ入射配置にて光電変換特性を得る事ができている。導波路と半導体素子の結合位置合わせの困難さは、UV硬化させる前の樹脂導波路に半導体素子を圧着することによるセルフアラインメント技術を用いることで克服できた。進行方向変換層のプロトタイプの特性評価が進み、これを最上層として設けることで、太陽光の入射方向によらず周期的屈折率変調構造に対し、ほぼ垂直に光が入射する構造を実現しうることを示した。進行方向変換層のプロトタイプの特性評価が進み、これを最上層として設けることで、太陽光の入射方向によらず周期的屈折率変調構造に対し、ほぼ垂直に光が入射する構造を実現しうることが示され、この下に光を片側のみに選択的に送り込む周期