【研究領域課題番号】20K22549 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

リチウムイオン二次電池 / エピタキシャル薄膜 / 電極界面 / 固体電解質界面 / 副反応抑制 / 三相界面 / サイクル特性 / 薄膜 / 界面

【研究成果の概要】

リチウムイオン二次電池を劣化させる反応について調査するために、単結晶エピタキシャル薄膜を作製し、充放電を行った後の薄膜表面と断面について組成分析を行った。電極活物質に表面担持を行うことで、担持物と電極活物質と電解液が接する三相接合界面における副反応を抑制できることを突き止め、サイクル特性が向上することを明らかにした。リチウムイオン二次電池の性能を向上させる上で、三相界面エンジニアリングが非常に重要だということがわかった。

【研究の社会的意義】

本研究では、二次電池シェアの大部分を占めるリチウムイオン二次電池の副反応を抑制する機構を解明し、長寿命化を目指す設計指針を提示した。具体的には、電極活物質への表面担持という簡便な手法により三相界面を導入し、充放電反応中の副反応を抑制できる機構を明らかにした。持続可能な社会実現に向けて蓄電技術はその中核を担うものであり、リチウムイオン二次電池の長寿命化を達成する手段を提示した本研究は、次世代蓄電デバイスの設計に重要な指針となりうる。

【研究種目】研究活動スタート支援

【研究期間】2020-09-11 - 2022-03-31

【配分額】2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)

【研究分野】薄膜・表面界面物性

【研究領域課題番号】16K04966 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

in-situ XRD / 結晶化 / 不純物添加 / 界面 / 薄膜 / In-situ XRD / 結晶成長 / 先端機能デバイス / 計算物理 / 半導体物性 / 物性実験

【研究成果の概要】

アモルファスIGZO, IGO, In2O3薄膜の結晶化機構をIn-situ XRDと高分解能TEMによって解明した。10％程度のSnやGaの添加ではIn2O3本来の結晶構造であるビックスバイトに結晶化するが、Zn添加やZn, Gaの供添加の場合はアモルファス構造から層状構造であるホモロガスIZO, IGZO構造になった。TEMによる詳細な構造解析と放射光を利用したin-situ XRDの測定により、アモルファス In2O3薄膜の結晶化過程とその配向、並びに不純物Sn, Ga、Znの添加の影響を調べ、結晶化の活性化エネルギーの変化を定量的に解析しAvramiの式を用いて解釈した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2016-10-21 - 2019-03-31

【配分額】4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)

【研究分野】有機・ハイブリッド材料

【研究領域課題番号】16H04195 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

フォトクロミック材料 / 光制御 / 界面 / 磁性 / 超伝導 / フォトクロミズム / 界面物性 / 薄膜 / 微粒子 / 表面・界面物性 / 超伝導材料・素子 / 光スイッチ

【研究成果の概要】

磁性、超伝導等の物理化学的物性は、物質の界面での外場により制御できる可能性がある。研究代表者は、それまでに、可逆な光異性化を示すフォトクロミック化合物を磁性材料の界面に効果的に修飾することで、可逆な磁性の光制御を達成してきた。本研究では、この考え方を拡張し、より大きな変化の期待できるスピロピラン化合物を設計、合成し、FePtナノ粒子界面に修飾することで、室温強磁性をとても大きく可逆に制御することに成功した。さらに、アゾベンゼン化合物をスピンエレクトロニクス素子界面に修飾した新しい化合物を創製し、紫外光、可視光照射によって可逆にそのスピン軌道相互作用を制御することにも成功した。

【研究の社会的意義】

現在利用されている磁性材料、超伝導材料等の物性を光で制御できることは、光エネルギーの有効利用、光の有効な特性を利用した新しい機能材料の開発という点で有意義である。特に、スピンに関連する物性を可逆に光で制御できる材料は、学術的にも世界的に盛んに研究開発されており、社会的にもその開発が待たれている。例えば、本研究で示した、室温強磁性における磁性の可逆な光制御は、「室温」で実現したという点で、学術的観点はもちろん、実用材料への展開まで期待される。一方、化学的手法によるスピン軌道相互作用の光制御は、これまでに報告例がなく、スピントロニクス分野にとって学術的意義が大きい。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】16,770千円 (直接経費: 12,900千円、間接経費: 3,870千円)

【研究分野】薄膜・表面界面物性

【研究領域課題番号】26246022 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

酸化物表面 / 界面 / 走査プローブ顕微鏡 / 走査トンネル顕微鏡 / ペロブスカイト / 二次元電子状態 / 超伝導 / 金属酸化物 / 表面 / 酸化物エレクトロニクス / 薄膜 / 酸化物薄膜 / 表面科学 / 表面・界面物性 / 強相関エレクトロニクス / 強相関電子系 / 超薄膜 / 電気伝導 / 二次元電子 / 酸化物 / 表面・界面

【研究成果の概要】

遷移金属酸化物は、通常の半導体には見られない多彩な機能を示すことから、次世代エレクトロニクス材料として活発な研究が展開されている。近年、酸化物作製技術が急速に発展したことにより、原子レベルで急峻な界面を有する薄膜やヘテロ構造の作製が可能になり、新しい物性・機能が見出されている。このような酸化物薄膜やヘテロ構造が示す機能の探求・解明のためには、酸化物薄膜について、電子状態評価を原子レベル空間分解能で行うことが重要である。
そこで、我々は独自の走査トンネル顕微鏡-成膜装置複合システムを構築し、遷移金属酸化物薄膜表面・界面の原子構造と電子状態に関する研究を進めた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】36,530千円 (直接経費: 28,100千円、間接経費: 8,430千円)

【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】18206013 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

界面強度 / 薄膜 / ナノインデンターション / マルチピール試験 / 結合力モデル / 高分子 / セラミックス / 界面 / ナノインデンテーション / 紫外線 / 不均質材料 / ピール試験 / 圧電材料 / SH波

【研究成果の概要】

半導体デバイスやマクロセンサーなどのマイクロシステムは種々の材料から構成される多層薄膜構造体であることが特徴である. 本研究では, このような多層薄膜構造体の機能・寿命特性を支配する表面・界面の力学場パラメータを明らかにすることを目的として, 従来のナノインデンテーション試験, マルチステージピール試験のよるはく離過程の観察・評価に加えて, 多軸駆動型はく離法を新たに開発し, 界面特性を精度良く評価できる手法を提示するとともに, 界面強度特性を結合力モデルによって考慮した有限要素解析を行い, はく離進展の挙動を明らかにしている.

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2006 - 2008

【配分額】48,620千円 (直接経費: 37,400千円、間接経費: 11,220千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】17684019 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

強相関系 / 薄膜 / 界面 / 強相関係

【研究成果の概要】

1.パルス電場印加によって電気抵抗が変化する物質の探索
パルス電場印加によって電気抵抗が不揮発かつ可逆的に変化する物質がペロブスカイト型マンガン酸化物薄膜によって見出されている。様々な遷移金属酸化物(TiからCuまで)のエピタキシャルな薄膜を作製し、この現象がマンガン酸化物に特有のものかどうかを調べた。その結果、いずれの遷移金属酸化物においても、マンガン酸化物によく似た電気抵抗変化を起こすことを見出した。
2.絶対光学反射率の空間分布を測定する装置の開発
薄膜等の光学反射率の絶対値を、400nmから900nmまでの任意の波長で、1マイクロメートルの空間分解能でイメージングできる装置を開発した。これは、顕微分光用の顕微鏡にCCDカメラをとりつけ、絶対反射率が既知の参照試料と試料を正確に入れ替えることにより、1%程度の精度まで正確に試料の絶対反射率の空間依存性が測定できる装置である。
3.顕微分光装置を用いたパルス電場誘起効果の研究
2.で開発された顕微分光装置を用いて、電場印加によって電気抵抗変化が変化する薄膜の測定を行った。(LaSr)FeO3薄膜にITO電極をつけた試料に電場を印加したところ、不揮発に光学反射率の変化の空間分布が変化することが明らかになった。波長依存性の解析の結果、電極間に過剰酸素に由来する伝導度の高い部分が現れること、電場によって過剰酸素が集団的に動くことにより、伝導度の高い部分の位置も電極位置に対して動くこと、それが結果として電気抵抗の変化につながること、を明らかにした。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2005 - 2006

【配分額】18,980千円 (直接経費: 14,600千円、間接経費: 4,380千円)

【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】15760053 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

界面 / はく離 / 破壊じん性 / 薄膜 / 界面結合力モデル / はく離強度 / 劣化

【研究成果の概要】

近年,高機能化・軽量化・高強度化などの目的から,種々の材料を組み合わせた接着・接合構造や複合材料の利用が活発に進められている.2つの異なる材料を接合する場合,その接合形態により接合部に2つの材料が合わさった中間層(拡散層)が存在することがある.拡散層の機械的挙動は非接合材とは異るため,その機械的特性を十分把握した上でマイクロ接合部の強度を議論する必要がある.そこで本研究では,拡散層の成長とそれが及ぼす界面強度への影響について明らかにすることを目的としている.
本年度は,界面強度を定量的に測定する実験方法の確立と,微小圧子押込試験による拡散層の機械的特性の測定を行った.
1.界面強度を定量的に評価する方法として,マルチステージピール試験法を提案した.PETフィルム上に形成したITO薄膜の界面付着強度を評価した.環境雰囲気による界面強度の変化を調べるために,120日間紫外線を暴露した試験片についても界面付着強度を調べた.その結果,紫外線を暴露すると,界面付着強度が大幅に低下することが示された.
2.2枚の銅板をはんだ材で接合した試験片を恒温槽中で一定期間時効させた後,除荷・冷却し,ナノインデンテーション法により拡散層周辺の押込試験を行い,硬さ・弾性係数などの機械的特性を調べた.その結果,厚さ1ミクロン程度の金属間化合物層の機械的特性を評価することができた.
3.界面の力学的挙動を表す構成式を損傷力学をもとに構築した.そして,速度依存損傷モデルと粘塑性型構成式を提案した.

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2003 - 2004

【配分額】3,600千円 (直接経費: 3,600千円)

【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】15206014 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

界面 / 破壊クライテリオン / はく離 / 界面酸化層 / 鉛フリーはんだ / 遮熱コーティング / 非破壊検査 / Love波 / インデンテーション / 原子間力顕微鏡 / 界面モデル / 高分子 / セラミックス / 破壊じん性 / 薄膜 / コーティング / 界面結合モデル / 破壊靭性

【研究成果の概要】

異種材料の接着・接合ないし複合材料が幅広く利用さるようになってきており,それらの強度について,より信頼性の高い評価が求められている.さらに,接着・接合界面には,種々の微視組織・構造が形成されており,これらのミクロな階層を考慮した強度則の確立が必要である.本研究では,異種接合材料の界面破壊を支配するパラメータについて検討を行い,ミクロ階層構造を考慮した接着・接合界面強度の一般化クライテリオンを確立することを目的としている.
初めに理論的手法として,接合界面に存在する切欠き先端の応力特異性を求める一般解を導出した.次に,界面損傷モデルを用いた数値シミュレーションにより,界面破壊のクライテリオンについて明らかにした.続いて,界面のミクロ組織の変化と界面における機械的強度との関係について,遮熱コーティング材における界面酸化層の成長について検討し,酸化層成長モデルを提案した.次に,半導体デバイスで用いられている鉛フリーはんだ接合部について,熱時効によるはんだ接合界面における組織変化と疲労強度との関係について明らかにした.次に,紫外線暴露による高分子フィルムの劣化と高分子フィルム上に形成したセラミックス薄膜の付着強度との関係について明らかにした.続いて,界面強度試験及び評価方法を提案した.マルチステージピール試験法を提案し,銅薄膜の付着強度評価を行った.次に,エッジ部に圧縮とせん断力を負荷する界面混合モード破壊試験法を提案し,遮熱コーティング材の基材との界面強度評価へ適用した.次に,MEMS材料などで多用されている金属薄膜の付着強度について,ブリッジ型の試験片を用いた評価法を提案した.最後に,界面特性の非破壊評価として,圧電材の積層構造中を伝播するLove波の伝播特性に着目して,界面が損傷を受けるとLove波の位相速度が変化することを,理論的・実験的に明らかにした.

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2003 - 2005

【配分額】50,180千円 (直接経費: 38,600千円、間接経費: 11,580千円)

【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】13750077 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ナノ材料 / 薄膜 / 界面 / 原子構造 / 機械的特性 / 第一原理 / 分子動力学 / 電子構造

【研究成果の概要】

厚さ数nmの薄膜を積み重ねた多層薄膜が作成されており,デバイス材料への応用が期待されているため,その機械的特性の評価が求められている.量子力学に基づく厳密な解析手法である第一原理分子動力学法を用いて,ナノ多層薄膜の構造および機械的特性を明らかにすることが本研究の目的である.
まず,薄膜における原子構造および原子間結合状態の基本的特性を明らかにするため,平面波基底ノルム保存擬ポテンシャル法による第一原理分子動力学計算を用いて,シリコン基板(半導体材料)上へのアルミニウム原子(金属材料)の堆積プロセスシミュレーションを行い,第3層目までのアルミ原子層の形成過程を観察した.また,第一原理引張りシミュレーションにより,基板上のアルミニウム原子の付着強度を求めた.
ナノ薄膜では界面の拘束により局所的に高ひずみ状態となることが指摘されており,高ひずみ条件下での材料の機能変化が重要である.そこで,剪断ひずみを受けるシリコンの理想強度と電気的特性の関連を第一原理シミュレーションによって調べた.剪断理想強度を求め,原子間結合状態の変化との関連について検討した.また,バンドギャップは比較的小さいひずみで消滅することを明らかにした.
さらに,ナノスケール〜原子スケールの微細構造を持つ材料の破壊挙動・破壊開始条件を明らかにするため,原子構造体の変形に対する不安定性を評価する手法を提案した.この手法を用いてアルミニウムナノ薄膜の理想強度解析を行った結果,薄膜の理想強度は膜厚の減少に伴って単調に減少し,膜厚10nm以下で強度低下が著しいことを明らかにした.

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2001 - 2002

【配分額】2,500千円 (直接経費: 2,500千円)

【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】13555026 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

LSI配線 / 薄膜 / 微小材料 / 界面 / 端部 / 剥離 / 強度 / 亀裂

【研究成果の概要】

先進大規模集積回路(LSI)の配線には,電気抵抗の低減と原子マイグレーションによる破断防止のために銅が用いられている.銅配線を用いる場合には,基板への銅原子の拡散を防ぐために銅と基板の間にバリヤー層が配置されているが,.銅薄膜とバリヤー層は密着性が良くないため,端部からの剥離発生が問題となる.界面端部にはフリーエッジ効果によって応力が集中しており,これによって生ずる界面端はく離の力学的挙動を明らかにする必要があるが,これまで適切な端部剥離評価法がなかった.本研究では,破壊力学の概念を援用して,界面端部の亀裂発生試験法を考案し,力学的に正確な薄膜界面端部剥離強度評価法を開発した.剛性の高いはりによって薄膜の変形を強く拘束し,不要薄膜部分を切除することによって,薄膜の塑性変形や破壊が界面強度評価に影響を及ぼすことを防止するように工夫した試験片を用意した.この試験片に対して,ビッカース硬さ試験装置を改良した微小荷重負荷試験装置によって界面端部からの剥離試験を行い,境界要素法解析および分子動力学解析によって剥離を支配する力学量,すなわちフリーエッジ効果による応力拡大係数を評価できることを明らかにした.また,この方法によってシリコン基板上に形成したバリヤー膜(TiN)と銅薄膜の界面端からの亀裂発生強度を評価した.さらに,膜作成時に導入された内部応力を測定し,界面端剥離強度の膜厚依存性について検討した.その結果,内部応力と外部機械的負荷の重ね合わせによる端部応力が,亀裂発生の真の駆動力であることを見出した.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2001 - 2002

【配分額】13,300千円 (直接経費: 13,300千円)

【研究分野】熱工学

【研究領域課題番号】11650210 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

境界熱抵抗 / 界面 / 薄膜 / 反射率温度測定法 / 反射率 / 3ω法 / 熱抵抗 / フォノン

【研究成果の概要】

半導体素子内部の局所微小領域において発生した高密度な熱を除去するためには熱伝導により基板または素子表面まで熱を効率的に輸送し、素子表面から沸騰伝熱等により熱除去を行うことが重要となる。この場合、幾層にも積層された薄膜間を熱エネルギーが輸送されることになるが、この薄膜境界では境界近傍の原子・分子の構造および運動の特異性からバルク内のエネルギー輸送とは異なった特性を持つと考えられる。本研究では界面近傍における原子・分子の構造およびそれらの運動特性と薄膜界面でのエネルギー輸送特性を原子レベルで明らかにし、さらに薄膜製作方法や製作条件による界面近傍の構造や特性の違いを明らかにすることにより、界面でのエネルギー輸送特性の優れた集積回路を形成するための指針を確立することを目的としている。
平成11年度は、真空蒸着によりガラス、NaClおよびMgO単結晶基板上にAu、Ptの薄膜を作成し、これを通電加熱またはレーザー加熱し、薄膜表面の光反射率の温度依存性を利用することにより薄膜温度の時間変化を求める計測システムを構築した。また、3ω法を用いた簡便な反射率温度係数の較正方法を提案し、これによりAu、Ptの反射率温度係数としてそれぞれ-4.15x10^<-5>[1/K]、-3.51x10^<-5>[1/K]の値を得た。また、実験結果と1次元非定常熱伝導シミュレーション結果を比較することにより、種々の薄膜基板間の境界熱抵抗を測定し、多くの場合に10^<-8>から10^<-7>[m^2K/W]程度になることを示した。
平成12年度は、あらたに薄膜型熱電対を用いた境界熱抵抗の計測手法を提案した。また、薄膜基板界面における境界熱抵抗が、ミスマッチモデルによる熱抵抗と界面近傍における電子とフォノンの非平衡性による熱抵抗の和として記述されることを理論的に明らかにした。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1999 - 2000

【配分額】3,600千円 (直接経費: 3,600千円)

【研究分野】高分子構造物性(含繊維)

【研究領域課題番号】04302055 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

高分子結晶 / 結晶成長 / 平衡融解温度 / 高次構造 / モルフォロジー / レジーム転移 / 核形成 / 薄膜 / 剛直性高分子 / ブレンド / 界面 / 平衝融取温度 / 糀形成

【研究成果の概要】

1.高分子の結晶化と高次構造形成過程は過冷却度が重要なパラメータとして記述されるので結晶の平衡融点の確立が重要である。ポリスチレンでは従来の値より20Kも高いことが示された。ポリエチレンでは、精密な相図が三重点も含めて決定された。2.ポリスチレンのラメラでは結晶芯が著しく薄く、このラメラの増殖・分岐がラセン転位により起こり、球晶の形成が行なわれることが示された。融液成長の電子顕微鏡による直接観察が初めて行なわれ、結晶-融液界面が薄く成長速度が遅くなっていることが見出された。3.ポリエチレンの融液・溶液成長の精密な実験が行なわれ、単一核成長(レジームI)から多数核成長(レジームII)への転移には六角形からレンズ形への形態変化を伴うことが示された。4.剛直性高分子であるポリパラフェニレンベンゾビスチアゾールとポリテトラフルオロエチレンでは、結晶化温度とモルフォロジーが明らかにされた。すなわち、foldが不可能のため、分子鎖方向に伸びたフィブリルが高次構造であるが、結晶化温度・熱処理温度が高くなると分子鎖に垂直方向に伸びたフィブリルが発達する。5.共重合体として強誘電性高分子であるフッ素系高分子の分極構造が明らかにされた。この構造は世界で初めて観測されたもので、高分子強誘電体が通常の強誘電体と同じカテゴリに入ることが示された。また、PETを含む共重合体の共結晶化が発見された。6.混合系では結晶性と非晶性の高分子の混合系(PEO/PMMA,PVDF/PMMA,PCL/PVME)の結晶化とラメラ構造・球晶が研究され、これらの構造形成に高分子の拡散の効果が重要であることが指摘された。7.結晶の形と厚さについての理論とシミュレーションは実験結果を定性的に再現し、定量的に比較する段階に到達した。

【研究種目】総合研究(A)

【研究期間】1992 - 1993

【配分額】1,700千円 (直接経費: 1,700千円)