超音波計測は物性評価・イメージング・センシングなど様々な科学技術で活躍している重要な手法です。私は光を用いて周波数GHz～THzオーダの超音波を励起検出する計測する手法を用いて大きさがナノ～マイクロオーダーの微細構造・薄膜の力学特性・音響特性の評価と非破壊検査を行っています。

従来の超音波は波長が数マイクロメートル以上だったためナノスケールでの計測は不可能
でした。そこで私はフェムト秒パルスレーザを用いて波長が10 nmオーダーの超音波を操る計測技術によって、ナノ材料の力学特性の評価やナノ領域での非破壊検査を実現しました。

• 従来の超音波は波長が数マイクロメートル以上だったためナノスケールでの計測は不可能でした。そこで私はフェムト秒パルスレーザを用いて波長が10nm オーダーの超音波を操る計測技術によって、ナノ材料の力学特性の評価やナノ領域での非破壊検査を実現しました。具体的には以下の特徴があります。
• ・光と音（レーザと超音波）を駆使した独自の計測技術を開発
• ・ナノ材料・GHz 帯の振動現象を励起検出
• ・温度10 ～ 600K、最大5T の高磁場下で音速や弾性定数を正確に計測
• ・磁気ダンピング定数や飽和磁化を時間領域における磁化振動から計測
• ・金属、圧電体、磁性体などナノ薄膜やダイヤモンド、タングステンカーバイドなど超硬材料が主な対象
• ・スマホの無線通信用フィルタの特性解明と材料開発に貢献・光よりも波長が短い超音波によって高感度なバイオセンサの開発やナノワイヤの破断過程のモニタリングへ応用

この計測手法はnm オーダの半導体中に発生する欠陥の検査や、5G 通信デバイスで欠かせない音響弾性波フィルタの音速・減衰評価を可能にしました。

• ナノインプリント技術は、パターンサイズとデバイス面積を広範囲にカバーでき、産業界に向いた量産性に優れるナノファブリケーション法として注目されています。当研究グループは、単分子膜工学を推進し、界面機能分子制御の学理の追求と実学応用を進めています。離型分子層、密着分子層、偏在分子層を設計した光硬化性樹脂を研究し、ナノインプリントリソグラフィによる半導体、金属、無機酸化物の超微細加工に挑戦しています。

透明導電膜、光導波路、メタマテリアル等の先進光機能材料に関する研究成果を発表しました。材料、機械、マスク、デバイスメーカーと連携し、日本のものづくりの強化に貢献します。

• 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。

• 透過型電子顕微鏡（TEM）で、組成・結晶構造を評価した領域の精密構造解析、物性測定を可能とするため、独自の実験装置・解析技術開発（高分解能EELSTEM、軟X 線発光分光TEM）と、その物性物理学への基礎的応用（フラレン、ナノチューブ、ボロン化合物、GMR 物質、準結晶等）を行っています。また、商用化したオリジナルの軟X 線発光分光装置の応用と性能向上を目指し、企業等との共同研究開発を継続中です。

半導体、誘電体、金属などの顕微解析による構造・物性評価に関する共同研究や、分析技術に関する学術指導が想定されます。

パワーエレクトロニクス向け軟磁性材料として電磁鋼板やソフトフェライトが用いられていますが、これらには高周波域での損失が大きいため機器の小型化が難しいという課題があります。高周波損失の解析を進め磁歪定数も制御する必要があることを見出し、ナノ結晶構造を有する新材料を開発しています。
この他にも、高記録密度の実現手段の一つであるマイクロ波アシスト磁化反転の先駆的な研究や、レアアースを含んでいる永久磁石材料の特性発現機構の研究など、産業界で広く使われている材料や技術の高性能化に取り組んでいます。

従来のパワーエレクトロニクス向け軟磁性材料の開発指標は保磁力と渦電流を小さくすることでしたが、これに加えて磁歪定数もゼロに近づけることが重要であることを理論と実験から明らかにしました。

• ・高周波損失における磁歪の影響の解明と損失低減の指針の提示
• ・パワーエレクトロニクス向け低損失軟磁性材料の開発
• ・マイクロ波アシスト磁気記録における磁化反転機構の解明
• ・永久磁石における微細組織と保磁力発生機構の関係の解明（放射光計測も活用）
• ・マイクロマグネティクスシミュレーションを活用した磁気特性解析

パワーエレクトロニクス向け低損失軟磁性材料、マイクロ波アシスト記録、永久磁石など社会課題の解決に関係する実用磁性材料の特性発現機構の解明を通して、これら磁性材料の高性能化に貢献します。

安全性を確保しつつ、自動車の燃費改善または構造物の小型化を実現するため、最も多く使われている鉄鋼材料の高強度化が求められる。これまで合金組成や熱処理プロセス条件を変えることで材料全体の平均的な組織制御が行われてきたが、ナノスケールの組織制御が未成熟である。本研究では、これまでの実験調査で困難であったナノスケールの構造・組成不均一性の生成挙動を調査し、高強度鋼組織制御の指針構築に取り組んだ。

従来では鉄鋼材料の組織制御は経験的な条件に基づくことが多いが、本研究では熱力学・速度論・結晶学などの知識に基づき鉄鋼材料におけるナノスケールの組成・構造不均一性の挙動を解明した。

• 様々な先端技術を組み合わせた多面的解析手法で実験調査を行い、ナノスケールの構造・組成不均一性の生成挙動を調査しました。
• 実験結果をもとに、熱力学・速度論・結晶学などの観点で解析を行うことにより、その不均一性におよぼす諸因子の影響を解明しました。
• 実験解析に留まらず、熱力学データを活用してその挙動の再現、さらに予測ができるような理論計算も同時に実施しました。

鉄鋼材料の高強度化に基づき、自動車をはじめとした輸送機器の軽量化または構造物の小型化が可能となり、素材製造や輸送分野のCO2削減の観点でカーボンニュートラルの実現への貢献が期待されます。

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。

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。

• セルロースナノファイバー（CNF）とは、直径数10nm、長さ数μ m 程度の超微細繊維で、カーボンニュートラル実現に貢献し得るバイオマス新素材として注目を集めています。本研究では、ナノセルロースが電場に沿って配向する静電配向現象について、数値解析および実験により明らかにしました。そしてこの静電配向と流動場による配向技術を融合した繊維配向技術を用いることで、CNF を原料とする高強度セルロース繊維創製プロセスを確立しました。さらに、カーボンナノチューブや銀ナノ粒子の含有濃度を制御することで、材料強度を損なわずに、導電性や抗菌性といった機能性を有する複合繊維を創製できることを実証しました。本研究で用いられた、ナノセルロース静電配向技術はゲルや膜といった様々な種類の材料創製プロセスに応用可能と考えております。単繊維創製に留まらず、本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。

モールドエッジにバリが発生せず、均一な残膜が得られる光ナノインプリント方法
https://www.t-technoarch.co.jp/data/anken/T19-159.pdf

スピン塗布膜への光型成形では、モールド（型）の側壁の汚染が繰り返し利用を妨げます。所定量の液量を印刷液滴の配置数で規定できるので、モールド外周部への光硬化性液体の回り込みを防ぐことができます。

• サブピコリットルの定形液滴を印刷配置できる孔版印刷です。
• 孔版印刷の版はレーザー加工で作製するため従来のような印刷欠陥がありません。
• 膜厚10nm から光硬化膜を所定位置に形成できます。
• 印刷配置を制御できるので、型表面にあるパターン密度の粗密に対応することができます。

ナノ構造オプティクス、平面レンズ、細胞培養シート、など表面への樹脂ナノパターンの付与、樹脂マスクを利用したリソグラフィ加工に用いることができます。

• プロドラッグ分子のみで構成されるナノ粒子『ナノ・プロドラッグ』を提唱し、疾患部位への高効率なドラッグデリバリーが可能な抗がん剤や点眼薬の開発を行っています。『ナノ・プロドラッグ』は、難水溶性にする薬剤設計指針に基づき化合物合成したプロドラッグ分子を、独自の有機ナノ粒子作製手法である『再沈法』に共することで、粒径100 nm 以下で制御できます。現在、薬理効果の評価、生体内・細胞内動態に取り組んでいます。

再沈法は薬剤化合物に限らず、様々な有機分子をナノ粒子化する汎用性の高い手法です。有機ナノ粒子を作製制御し評価する技術を持っており、有機ナノ粒子の物性評価に関する共同研究を希望します。

• コールドスプレー法は、金属粒子を溶融することなく固相状態のまま高速ガス流と共に基材へ衝突させ、成膜する手法です。本法は成膜時の相変態や熱影響の無い皮膜を形成することが特徴であり、この技術を活用し、革新的な補修技術並びにコーティング技術の確立、および得られた付着層の信頼性評価を実施しています。また、付着メカニズムおよび得られた皮膜の健全性を評価する目的で、ミクロ／ナノ組織観察および界面強度評価等を実施しています。

金属材料のみならず、最近では一部のセラミックスやポリマーの成膜が可能になっています。構造材料としてだけではなく、機能性材料の創製を含めた多方面の企業や団体との連携が可能です。