結晶を原子層レベルまで薄くすると表面近傍に新奇な電子状態が発現し、量子的な効果が顕著に現れ、結晶単体では見られない高移動度電子やスピン偏極電子、金属絶縁体転移の発現など新奇な物性を示すことが多くあります。こうした特異物性を極薄膜や表面で実現し、制御・解明する研究を行っています。高輝度かつ高エネルギー分解能の放射光を駆使することで、新奇な物理現象を正確に捉えることが可能です。

放射光源を利用した表面解析の手法は、実験室光源と比較してより多くの情報を得る・より微細な試料の測定を行うことが可能です。

• 世界最高性能を有するNanoTerasu とこれまで開発してきたin-situ ARPES マイクロ多端子電子輸送測定システムや計算科学を融合し、電子の運動を正確に記述し新たなナノ材料探索を実施しています。
• Nanoterasu を用いたin-situ ARPES手法（角度分解光電子分光（Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy: ARPES））による、成膜環境下で物質の表面状態の詳細な解析が可能です。また、放射光施設での測定に資する原子層レベルの極薄膜試料の作成が可能です。

放射光を用い新奇低次元物性の解明や光電子分光・多端子計測を合わせた革新的電子輸送現象解明手法開発による機能性表面・極薄膜探索を行っています。電子挙動の理解は革新的な半導体や加工技術の進歩に繋がります。

カーボンナノチューブ（CNT）、グラフェン、MXene などの低次元強化相を金属複合材料の強化材として活用する。界面反応を意図的に制御することで、低次元強化相特有の特性を引き出す方法を明確化し、有効な荷重伝達を実現することで、優れた機械特性、導電率、熱伝導率を同時に向上させる。更に、新規な複合粉末の製造方法の確立並びに３Dプリンターを活用した高機能金属（Al、Cu、Ag、Ti など）を開発する。　

適切な界面反応が界面結合を大幅に改善できることを示し、従来の考え方とは異なる発見であった。従来のボールミリングやアトマイズ法などの方法とは異なり、新しい複合粉末の作製手法が開発された。3Dプリンター中の急速凝固を活用することで、状態図上では溶解が困難と予想される大量のナノ炭素や酸化物を強制的に固溶させ、高機能金属材料として実現することが可能となる。

• ナノカーボンやナノバブルを活用し、ヘテロ凝集させナノセラミックス/金属粉末を製造するプロセスを提案する。複合材料開発のためのハイスループット手法を確立し、機械学習を用いて強化相の添加、界面組織、および物理・機械的特性の関係を予測するモデルを構築する。金属とセラミックスの優れた機械的・物理的特性を組み合わせることで、多機能部品の実現が可能となる。

金属およびセラミックス基複合粉末の作製が可能である。導電体の軽量化や送電ロスの低減に加え、銅資源問題への対応が期待できる。高強度かつ高抗菌性を有する生体用金属材料の積層造形を目指す。

• 金属マイクロ・ナノ材料が持つ優れた物理的諸特性を有効に活用して新しい機能を創出するために、電流により発生するジュール熱を利用した極微細材料の溶接、切断手法を開発しています（上図）。2本の極細線の先端同士を接触させた状態である範囲内の一定直流電流を付与することで、細線接触部を自発的に溶融、凝固させ、同部を溶接できることを見出しました。また当該手法を駆使して極微細材料のマニピュレーションも可能です。

素材としての金属極細線から新たな機能を創出できます（中図）。また極微細材料の物理的諸特性を評価する独自の試験技術も開発しており（下図）、これら技術を活用した産学連携が可能です。

中性子はX線では観測し難い構造を捉えられる可能性があります。組成や環境（温度や圧力）を変えた時の構造変化を調べてみたい，そもそも中性子でどのような実験が出来，どのような情報が得られるのか知りたい等，ご希望があれば，情報提供や中性子利用実験の補助を対応します。また必要に応じて，より適切な装置・研究者の紹介等の対応もいたします。

Ｘ線では捉え難い，第一遷移金属元素を見分ける構造解析（モデリング）や方法論の研究をしています。最近の研究から，マンガンを含む不規則合金において，短範囲規則度の評価に成功し，最近接原子に偏り易い原子対を見分けることに成功しました。これらの取り組みは，不規則合金の構造研究にも有用な手法となる可能性があります。

• 金属材料や希土類金属等の材料特性は、原子スケールの構造により大きく変化するため、中性子やX 線による原子の位置やその動きの観察は、材料特性の起源解明や、特性制御に重要な特徴量を明らかにする上で効果的です。近年は中性子の特徴を活かした観測手法の高度化に取り組んでいます。また恒弾性特性等の未解明な起源を明らかにするために研究を行っております。

物質内部を観るときには、観たいものと相互作用する探子（スパイ）を送り込みます。X 線では観えない（とらえにくい）場合でも、中性子を用いると観える場合がありますので、ご相談いただければと思います。

• 本弾性定数計測手法は、任意の弾性定数を入力値に用いて共鳴振動解析を行い、振動実験から得られた共鳴振動数と各振動様式が解析結果と一致する入力弾性定数を逆解析的に求める手法です。材料種、材料形態および計測環境の制約を伴わない計測手法の構築を目指しており、金属材料・セラミックス材料・高分子材料・複合材料、顕微鏡サイズ材料・薄膜材料・異種接合材料および高温環境下なども研究対象としています。

本研究を発展させるためには、企業の課題と我々の課題との間のギャップを埋める必要があり、知識の相互補完なしでは目的を達成することができない研究開発テーマです。是非、抱えている課題や困難をお教えください。

• 金属材料の性質は、材料を構成する微細組織によって大きく変化します。我々は、従来型のバルク材の結晶構造・組成・粒径等の制御のみならず、結晶界面の構造やサブナノ領域の局所的組成など原子レベルでの先進的組織制御により、強度と延靱性に優れた構造用金属材料の設計・開発を、鉄鋼を中心に行っています。特に、結晶界面（粒界や異相界面）を制御する新しい観点から、相変態・再結晶を用いた結晶粒微細化の指導原理を構築するべく基礎的研究、豊富な資源としての軽元素の機能の基礎的理解と有効活用による鉄鋼およびチタン合金の更なる高機能化の研究を行っています。

熱処理や塑性加工を用いた鉄鋼や非鉄金属の高機能化、鉄鋼の表面硬化処理、金属組織に関する各種解析などを専門としており、この経験を生かして少しでも産業界の役に立てればと願っています。

金属材料に水素が侵入すると、材料の機械的特性が低下し脆性破壊することがある。（水素脆化）水素脆化の発生を事前に予測するためには、材料への水素侵入を検出する必要がある。本技術では、対象となる金属材料に「水素と反応して色が変わる高分子センサー」を成膜することで、材料に侵入した水素を目視で発見できる。高分子センサーは安価かつ容易に成膜可能なため、大型で形状が複雑なインフラ設備にも適用できると期待される。

従来、金属中の水素検出には大型で高価な装置を必要としていたため、現場における水素検出は困難であった。本技術の水素センサーは水素を視認可能にするため、既存設備に成膜するだけで水素の侵入を発見できる。

• 従来、金属中の水素検出には大型で高価な装置を必要としていたため、現場における水素検出は困難でした。本技術の水素センサーは水素を視認可能にするため、既存設備に成膜するだけで水素の侵入を発見できます。
• ・金属材料に侵入した水素をリアルタイムで可視化できます。
• ・金属の腐食に伴い侵入した微量の水素でも検出できます。
• ・安価かつ容易に成膜可能なセンサーを使用するため、既存の大型設備にも適用できます。
• ・材料に侵入した水素を発見することで、水素脆化の防止と材料の長寿命化が期待されます。

本技術によって、大型のインフラ材料に侵入した水素を容易に検出できます。既存設備でも、材料表面に水素センサーを成膜すれば材料に侵入した水素を目視で発見できるため、メンテナンスコストの削減が期待できます。

• 従来の液相における材料合成では、溶媒に溶解する原料を大前提としているために、材料選択性が限られるだけでなく、洗浄・廃棄物など様々な問題があります。原料が溶媒に溶解しない物質であれば、原料選択性の広がりによりプロセッシングの枠が格段に広がります。例えば、金属原子と酸素原子で構成された安価な酸化物が原料に利用できれば、環境負荷とコストの低減できる可能性があります。従来にない革新的なサステナブルプロセッシングにより、金属・有機・無機を横断する様々な新しい材料を作成してきました。

これまでに多くの産学官連携（JST、NEDO）を推進し、高性能触媒や実装用途等の廃棄物フリーで室温で大量合成可能な金属やセラミックスナノ材料及びそれらのナノコンポジット材料のサステナブルプロセッシングを実現してきました。

• マイクロ波は化学反応の駆動力としても注目されています。材料プロセッシングにおいては、単なる省エネルギー加熱としての特徴のみならず、反応促進効果や非平衡反応の進行が認められ、新素材を生み出す手法として期待できます。当研究室では、ミリ波からセンチ波に至るマイクロ波を駆使し、雰囲気制御を必要としない簡便な窒化物コーティング法や、サーメット焼結などの粉末冶金技術、金属ナノ粒子合成法を開発しています。

マイクロ波を利用した窒化物コーティング法は、オンサイトかつ短時間の成膜を可能にし、歯科インプラント材や宝飾品、切削工具等、チタン合金や各種セラミックス、硬質材料などに適用できます。

湿式エッチングでサブマイクロ線幅の金属配線付き基板を作製する方法
https://www.t-technoarch.co.jp/data/anken/T11-050.pdf

従来のフォトレジストマスクをウエットエッチングに用いた場合、金属配線幅は約10μmが下限でした。エッチング耐性に優れたレジストの熱ナノインプリント成形で、線幅0.1μmの金属配線の作製に成功しました。

• 金・銀・銅・クロムなどのウエットエッチング加工が可能です。
• 金属と有機レジストを化学結合を介してつなぐ分子接着剤を用いています。
• サイドエッチングによる狭線化が可能なため、マイクロサイズの金属線幅をサブミクロンサイズまで縮小することが可能です。

透明導電パネル・磁気シールドフィルム・帯電防止シートなどへの利用が考えられます。
ウエットエッチング方式での加工なので、ロールto ロール製法にも対応が期待できます。

• 原子拡散接合法（Atomic DiffusionBonding, ADB）は、同種・異種のウエハ等を室温で接合する、我々が提案した新しい技術です。標準的なADB は、超高真空中で薄い金属膜を使って接合する技術ですが、最近、酸化膜や窒化膜を使ったADB 開発にも成功し、接合界面の機能を更に向上させました。また、Au 膜等を用いた大気中接合は、利便性が高く、優れた熱伝導性等を実現できます。

新しい電子デバイス、光学デバイス、パワーデバイス、MEMS、ポリマー等の有機系デバイスの形成や、精密機器部品等への展開が期待され、一部は実際のデバイス形成技術として既に利用されています。

振動発電、アクチュエータ、位置センサ等に磁歪現象が利用されていますが、巨大磁歪材料の磁歪発現機構は解明されていません。そのため、単結晶を作製して磁歪の符号・大きさ、電子状態について結晶方位依存性を測定して磁歪の発現機構を研究しています。電子状態は放射光を用いて共鳴非弾性X線散乱(RIXS)とＸ線磁気円二色性(XMCD)で測定しています。

巨大磁歪材料の磁歪発現機構は解明されておらず、電子状態直接観測と結び付けた研究はありません。

• このシーズは、下記の特徴を持ちます。
• ・Fe-Ga 系巨大磁歪材料のブリッジマン法等による単結晶試料の作製。
• ・放射光を用いた磁性材料の電子状態の直接的な測定。
• ・磁歪特性と電子状態の結晶方位依存性の測定から巨大磁歪の発現機構の解明。
• ・磁歪の発現機構に基づく材料探索と結晶方位等の組織制御。
• ・輸送特性（電気抵抗や磁気抵抗）の異方性と電子状態との関連付け。

巨大磁歪の発現起源を理解して結晶方位等の組織を制御することで、磁歪デバイスの高性能化が期待できます。

省電力デバイスとして研究開発が行われているスピントロニクス材料に用いられている反強磁性合金の研究や、性能向上が期待できるハーフメタルであるホイスラー合金材料の探索研究（完全補償型フェリ磁性材料も含む）を行っています。電子状態は放射光を用いて共鳴非弾性X線散乱(RIXS)とＸ線磁気円二色性(XMCD)で測定し、理論計算との比較から構造と機能の推定を行います。

反強磁性合金やホイスラー合金の電子状態観測の研究は少なく、放射光を用いることで直接的に測定ができるようになりました。

• このシーズは、下記の特徴を持ちます。
• ・理論計算で予測された材料系について金属学的な知見を基にして材料探索。
• ・高周波溶解法、アーク溶解法、液体急冷法、ガスアトマイズ法等を駆使して反強磁性材料およびホイスラー合金材料の結晶試料を作製。
• ・放射光を用いた磁性材料の電子状態の直接的な測定。
• ・測定した電子状態から材料本来の構造と機能の理解。
• ・量子ビームを用いた磁性材料分析についての知見。

反強磁性合金やホイスラー合金の電子状態から、スピントロニクスデバイスに適用した時に期待される特性と課題を推測することで、省電力デバイスの特性向上に貢献できます。