• IoT 社会の実現に向けて、充電を必要としない小型センサの開発は不可欠である。当研究室では、独自装置を用いた材料創製技術、理論に基づいた数値解析技術を駆使し、材料の複合化によって、身の回りの未利用エネルギー(振動、超音波、光エネルギーなど) を電気エネルギーとして回収可能な環境発電材料の創製とさらなる高性能化を得意としている。

環境発電特性および関連特性の付与による、既存の機械やデバイスのさらなる高性能化、新機能追加から生じる付加価値向上を目指している企業等との共同研究を希望する。

• ナノ構造と光の相互作用から生じる新規光学現象を利用した超小型・高機能光デバイスの研究を行っています。また、ナノ光学素子を実用化する上で顕在している問題を克服する新たな製作技術の開発も行っています。
• 《主な研究テーマ》
• ■ 可動メタマテリアルによる光の動的制御
• ■ 微細周期構造を利用したカラーフィルタ
• ■ 表面原子自己拡散を利用した超平坦化技術
• ■ 超低損失シリコンナノフォトニクスの基礎研究

革新的光制御・センサデバイスの実現と社会実装を目指しています。「ナノフォトニクス、メタマテリアル、生物模倣光学」と「微細加工、光MEMS」の融合による光操作の未来技術と応用展開について研究しています。

• 反射防止薄膜、電池、電源、メモリなどの高性能化・高耐久化、ひいては、豊かな情報の発信・受信や持続的なエネルギー供給に寄与する機能性セラミックスを新規開発しています。電子論と熱力学を中心に据えたマテリアルデザインにより、高屈折率な透明材料（図1）や、電気的絶縁性ながらも濃い黒色を呈する色材（図2）などを開発してきました。独自に構築したイオンビーム支援パルスレーザー堆積装置による酸窒化物や酸水素化物の合成や、セラミックスのレーザー焼結技術（図3）の開発にも取り組んでいます。

研究成果のアウトプット先の一例に、光学的機能膜（反射防止膜、透明電極、太陽電池、LiDAR 用光フィルタなど）、二次電池、固体酸化物型燃料電池および水蒸気電解式水素製造装置、メモリ関係（抵抗変化、相変化）があります。

• 高容量・高出力・高安全性・低コストの次世代蓄電エネルギーデバイスであるポストリチウムイオン電池を実現するために、単原子層物質グラフェン、金属硫化物ナノシート、ナノ結晶活物質、ナノ粒子、ナノ多孔材料などの新しい機能材料の開拓とデバイス応用を研究する。全固体型リチウム二次電池、マグネシウム電池、燃料電池、大容量キャパシタ、ウェアラブル電池などの高性能電極材料・デバイス創製の精密化学プロセスを研究する。

ポストリチウムイオン電池および革新的エネルギー材料開発を研究シーズとして素材産業、電池メーカー、電気自動車企業、スマートグリッドや再生可能エネルギー等の電力ビジネス企業との共同研究を積極的に推進する。

• 硫化スズ（SnS）は、安価で安全な元素からなる太陽電池材料です。SnS 太陽光パネルの原材料費は、例えばCIGS 太陽電池の1/14です。SnS は通常p 型伝導性を示すため、これまではp 型SnS とn 型CdS 等のヘテロ接合によって太陽電池が研究されてきましたが、変換効率は5% に留まっていました。独自に開発したプロセスにより、n 型SnS 薄膜を世界で初めて実現し、SnS 太陽電池の高効率化への道を拓きました。

環境にやさしい薄膜太陽電池への応用や、赤外波長領域で用いるフォトダイオードへの応用が期待できます。実用化に向けた観点の研究に興味ある企業様との協働を期待しています。

• 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。

• リチウムイオン内包フラーレン（Li+@C60）を用いた二次電池を開発しています。その中でもLi+@C60をカチオンとしたイオン液体を電気二重層キャパシタ(EDLC) の電解質として用いた[Li+@C60]・EDLCは、広い温度域で高い運動性を示す球形のC60殻内に安定に閉じ込めたLi+ を用いるため、イオン液体中でも高密度で高速蓄電が可能で、高い安全性が確認されています。

宇宙などの極限環境下で使用可能な二次電池としての応用が期待されます。さらに、Li+@C60を用いた全固体型二次電池への展開も可能で、飛躍的な蓄電密度の向上が達成できます。

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。

• Mg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
• フラクタル構造を持つ階層的な多孔体が形成される
• 従来の微細加工では困難だった表面等に形成が可能

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。

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。

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
• 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
• 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

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。

• 超高密度磁気記録用読出しヘッドや不揮発性スピンメモリなど高機能なスピントロニクス素子を実現するため、高スピン偏極材料を用いた磁気抵抗素子における電気伝導に関する理論研究に取り組んでいます。また、磁化の熱ゆらぎに対する耐久性向上を目指して、垂直磁気材料を用いた磁気抵抗素子の研究にも着手しています。強磁性体と酸化物の界面での結晶構造を理論的に設計して、磁気抵抗性能を向上させるための指針を得ることに成功しています。経験的パラメタを必要としない第一原理計算手法は、スピントロニクス分野に限らず、多様な材料研究・開発の場において重要な役割を果たすものと確信しています。共同研究のご要望がございましたら、ご一報いただければと思います。

• エネルギー・環境問題の解決には、燃料電池、リチウムイオン電池、トライボロジーなどの多様な研究分野において、高機能・高性能材料の開発が必須です。久保研究室では、ナノスケールにおける化学反応とマクロスケールの多様な物理現象が複雑に絡み合ったマルチフィジックス・マルチスケール現象を解明可能な量子論に基づくシミュレータを世界に先駆けて開発することで、理論に基づく高精度な材料設計を推進しています。

久保研究室で開発したマルチフィジックス・マルチスケールシミュレーション技術の活用により、自動車、機械、エレクトロニクス、材料、金属、化学等の多様な企業における材料開発を高精度な理論に基づき促進します。

• 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。

• 金属・無機系材料の創製と高温融体の熱物性計測に取り組んでいます。現在、環境、医療、バイオ、情報分野での幅広い応用が期待されている窒化物半導体について独自の発想に基づいた新たな結晶成長プロセスの開発を行っています。また、当研究室で開発した超高温熱物性計測システムを一般開放し、材料開発の数値シミュレーションに必要な比熱、熱伝導率や表面張力など種々の熱物性測定のニーズに応えています。

鉄鋼・金属系素材、半導体産業：結晶成長、溶接、鋳造、凝固などのプロセス開発
　航空宇宙産業：ロケット・航空機用エンジンおよび構成部材の評価
　エネルギー産業：原子炉・核融合炉用材料、発電タービン用材料の評価

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。

ナノバブル技術には従来の洗浄と異なる革新的な機能が期待できます。純水に微量の無機イオンを加えることで、長期間安定したナノバブルの製造に成功しました。ナノセルとも呼ぶことができる10nm レベルの微粒子であり、界面活性剤などが必要なく安定的に分散しています。表面に数nm 以下の凹凸構造があり、ナノ特有の機能が期待できます。安全性に優れており、医療やバイオ、農業分野など広範な技術領域で応用できる可能性があります。

従来のファインバブルはシャワー洗浄等で注目されているが、具体的機能は未だ不明。東北大学は10nmレベルのナノバブルの製造と測定に成功。単なる洗浄効果を凌駕し、生体や植物に対する広範な機能を有する。

• 10nmレベルのナノ粒子（量子ドット）的な存在である
• 分散剤を必要とせずに長期に安定している（凝集しない）
• 生体や植物に対して安全でありながら特異な機能を発揮する

未知な領域で新たな機能を発揮させて欲しい。医療・バイオ分野等、素材として取り扱う企業との共同研究を希望。水としての利用が可能であり、他の薬剤との相乗効果を希望する場合、本技術が有効と思われる。