現代が情報化社会と呼ばれて久しいですが、昨今は、AI の普及により大量のデータ処理や演算の需要が益々高まっています。これらは消費電力の指数関数的な増加に直結しています。これまではSi が半導体デバイスの中心でしたが、近い将来、微細化だけによる高性能化、低消費電力化には物理的な限界が見え始めつつあります。そこで、カルコゲナイドと呼ばれる周期表の第16族元素を含んだ全く新しい材料によって、既存のSi 半導体を凌駕する電子デバイスの実現を目指して研究を行なっています。トランジスタやメモリといった現代社会に欠かせない電子デバイスに、新材料の切り口で挑戦をしています。また、東北大学青葉山新キャンパス内で稼働を開始した、次世代放射光施設「ナノテラス」を用いた実験にも取り組んでおり、世界最先端の研究環境で高機能の材料開発を進めています。

カルコゲナイド材料薄膜は、量産化とも相性の良いスパッタリング法にて作製しています。これにより、材料の基礎研究と実用化との障壁を大きく下げることができます。また、従来全く検討されてこなかった材料の組み合わせや、自然界には存在しない準安定な薄膜材料の創製など、これまでにない手法での材料技術の高度化を目指しています。さらに、放射光実験や第一原理計算も取り込みながら、材料の理解も同時に進めています。

• 新規カルコゲナイド材料による電子デバイスの高機能・低消費電力化
• 実用化を見据えた新規電子材料設計・開発
• 放射光や理論計算による電子状態の解明

半導体は、デバイスメーカーだけでなく、半導体製造装置メーカー、半導体素材・材料メーカーと非常に裾野の広い産業です。サプライチェーンの安定化が望まれる中、日本発の新材料技術として社会実装を目指します。

レーザーなどの光が物質に照射されると、物質中の原子や電子のダイナミクスが駆動されます。私たちは、このように駆動される原子・電子のダイナミクスを、量子力学に基づく微視的シミュレーションを用いて詳細に解析する研究を行っています。さらに、このシミュレーション手法を通じて、光が誘起する現象の背後にあるミクロな物理過程の解明にも取り組んでいます。

従来の物質科学計算では、密度汎関数理論に基づく静的な第一原理計算シミュレーションが広く用いられてきました。しかし、そのような静的手法では、光によって物質中に駆動されるダイナミクスを捉えることは容易ではありません。本研究手法は、物質のダイナミクスを扱うことのできる時間依存密度汎関数理論を用いることで、静的な記述を超え、光が駆動する非平衡現象・非線形現象・超高速現象を精密に解析することを可能にします。

• ・光科学の第一原理計算
• ・光が駆動する原子-電子の非平衡ダイナミクスを時間領域で解析可能
• ・シミュレーション結果からミクロな物理過程を解明

私たちは、光が駆動する非線形・非平衡な原子・電子のダイナミクスを精密に記述する理論計算手法を開発するとともに、光駆動現象を基盤とした新たな科学技術の創出を目指して研究を進めています。私たちの研究が、新たな科学技術の社会実装に貢献できれば幸いです。

現在の電子デバイスは電子の移動を利用しているためジュール熱が発生し小型化・高速化が困難になるという課題があります。これを解決するためスピン波を利用するデバイスの研究開発を行っています。スピン波には、長距離伝搬が可能、絶縁体中でも伝搬が可能という利点があります。スピン波の観測のため、Ｘ線磁気円二色性によるスピン波の空間的分布を観測する技術を構築しています。

ジュール損失がない超低消費電力の次世代デバイスの実現を目指しています。高輝度の光源を有するナノテラスを用いることで、100 nm以下の高い分解能での観測が可能になることが期待できます。

• スピン波（マグノン）伝搬を利用した、ジュール損失がゼロであるデバイスの研究を行っています。NanoTerasu の輝度が高い軟X 線を使うことで高分解能のスピン波観測の可能性があります。スピン波の波の性質を用いた高周波デバイスや新しい計算手法を展望します。

広く応用が期待されるスピンデバイスにおけるスピン波観測技術を提供することで実用化を支援するとともに、磁性絶縁体を利用したマグノンデバイスによる電子デバイスの超低消費電力化の実現を目指しています。

• オーステナイト系ステンレス鋼やニッケル合金は粒界劣化現象が永年の大きな問題です。当グループの開発した粒界工学制御プロセスは、通常ステンレス鋼の粒界腐食（図1、2）、溶接部腐食、応力腐食割れ、液体金属脆化、放射線損傷などに対する抵抗性を著しく向上させるとともに、高温クリープ破断寿命を顕著に延長（図3）させるなど、粒界劣化現象抑制による著しい特性改善を実現しました。

この粒界工学制御技術により、金属材料の耐食性や高温寿命の向上が期待できることから、電力・化学プラント配管、高温高圧容器、食品加工機器などの製造業への適用が想定されます。

• 人の手で触ることのできるような非平衡（低温）プラズマ中のイオン、電子、励起種、活性種（ラジカル）を制御して生成する技術（イオン制御プラズマ）を開発・活用することで、ナノエレクトロニクス分野ではナノ粒子・ナノカーボン・生体分子の複合物質を創製でき、医療分野では極めて低侵襲で細胞内に薬剤（抗がん剤）や治療用遺伝子を高効率で導入することができます。さらに農業分野では、低消費電力の大気圧空気プラズマで合成した活性種による、ガラス温室内の大気、水、土壌の殺菌・消毒、空気中の窒素固定による肥料の生産、植物免疫強化や植物成長促進による食糧生産増加等を実現するシステム「プラズマアグリ」を提案し、化学農薬、化学肥料を削減した持続可能な農作物栽培を可能とする「サステナブルファーム」の実証を目指しています。

イオン制御プラズマを、人に優しい低侵襲・高効率の遺伝子・薬剤導入装置、自然に優しい農薬不使用栽培システム、地球に優しい高効率電池電極材料創製等に応用する研究を行っています。プラズマの新たなナノ・メディカル・アグリ応用技術を産業界で活用したい企業や団体との共同研究を希望します。

窒化物コーティングの形成方法
https://www.t-technoarch.co.jp/data/anken_h/T18-275.html

• 　従来開発されている窒化物コーティング方法として、CVD 法( 化学的蒸着) やPVD 法( 物理的蒸着)などが知られています。しかし、真空装備による圧力調整や雰囲気置換を行う必要があるため、製造工程が複雑になり、作業が効率的でないという問題がありました。そこで、大気中において基材表面に窒化物をコーティングする技術の開発が行われていますが、コーティングにムラが生じるという課題があります。
• 　本発明によって、簡単な工程かつ容易な操作で、窒化物をより均一にコーティングすることができる窒化物コーティングの形成方法を提供することが可能になりました。本発明は、コーティング過程と窒化過程とを入れ換え、 既に存在している窒化物に、マイクロ波を利用してコーティングするものです。コーティングがマイクロ波の照射で済む上、従来法で必要であった圧力調整や雰囲気置換が不要なため、大気中で実施可能となります。これによって、簡単な工程かつ容易な操作で、基材の表面に窒化物コーティングを均一に形成することができます。

主に、以下のような応用が考えられます。
・生体用、歯科用インプラント部材の製造

• 放射光を光源とするイメージング・分光技術を駆使することで実用バルク材料全体の構造・元素・電子状態を多元的に可視化することができます。特に、放射光のコヒーレント成分を利活用したコヒーレント回折イメージングは、X 線領域で未踏であったナノスケールでの構造可視化を実現する次世代の可視化計測法として注目されています。また、近年の情報処理技術の発展に伴い、3次元空間に分布する元素・電子状態の情報から構造−機能相関に関する特徴的な情報を抽出することも可能になりつつあります。先進的X 線光学技術を駆使した次世代の放射光イメージング・分光法の開拓を基軸とし、高度情報処理技術を活用することで、実用材料の機能を可視化する基盤を構築することを目指します。

炭化ケイ素のフラクタル多孔体
https://www.t-technoarch.co.jp/data/anken/T21-019.pdf

SiCの多孔質化には従来微細加工などが用いられてきた。本発明はSiCフラクタル多孔体をバルクで合成する手法を提供する。

• M g 蒸気でシリコーン樹脂を還元することで、SiC 多孔体を形成することができます。フラクタル構造を持つ階層的な多孔体が形成されます。従来の微細加工では困難だった表面等に形成が可能です。

耐熱性のあるファインセラミクス多孔体として利用可能です。

• 一般的に使用されているステンレス鋼および従来のCoCr 合金などの生体用金属材料は、生体骨より10倍もの高いヤング率を示し、インプラントによる骨の萎縮現象が問題視されています。β -Ti 合金は比較的低いヤング率を示しますが、耐摩耗性が低いです。本新規CoCr 系合金は、低ヤング率と高耐摩耗性の両立を初めて実現しました。さらに、耐食性が優れ、17% 以上の超弾性歪みも示すことから、次世代生体材料として有望です。

生体骨と同程度の低いヤング率、高い耐食性と耐摩耗性および優れた超弾性特性の4拍子そろった本CoCr 系生体材料は、人工関節、ボーンプレート、脊髄固定器具やステントなどへの応用が期待されます。

Fe基金型合金
https://www.t-technoarch.co.jp/data/anken_h/T18-074.html

• 　本発明では、炭化物を分散した高硬度合金の課題であった耐食性の低下を独自の合金設計により克服し、硬度と耐食性のバランスに優れたFe基合金を提供する。本発明合金は通常の溶解・加工設備で製造することができ、既存の粉末冶金材を代替することで素材コストの低減が可能である。PPS樹脂等のスーパーエンジニアリングプラスチックの成型に用いられるスクリュー等の構成部材や腐食環境で使用される金型材料として幅広い応用が期待される。

・スーパーエンプラの成型部材や金型　
・射出成型機のスクリュー