機能元素のナノ材料科学
平成19年度～平成23年度
幾原 雄一（東京大学・大学院工学系研究科・教授）
結晶の表面、界面、転位、原子空孔などの格子不整合領域は、その周期性の乱れに起因する特異な電子構造を有しており、完全結晶には見られない機能発現の起源となっている。このような不整合部に局在している元素を“機能元素”と呼ぶが、その特徴は、微量の添加であっても材料のマクロな特性を大きく変化させるという点にある。本領域研究では、この“機能元素”に着目した新しい材料設計指針を体系化することを目的としている。これを実現するために、近年大きく進展しつつある最先端のナノ計測手法と計算手法を機能元素の原子構造、電子状態、材料機能の問題に適用し、得られた結果をタイムリーに材料プロセス技術にフィードバックすることにより、これまでブラックボックスであった機能元素を制御した新たな材料設計指針を構築すると共に、具体的な機能材料創出という形で実証する。これにより、機能元素の状態－機能特性―プロセスの相関性が明確になり、“機能元素のナノ材料科学”と呼ぶべき新たな学問体系が構築され、材料科学の発展に大きく貢献することが期待できる。本目的を遂行するためには、最先端かつ最高水準にある研究者が、専門領域の垣根を越えて集結・連携する必要があり、本領域研究では、ナノ計測分野、理論計算分野の研究者と材料プロセス分野の研究者が三位一体となった横断的な研究チームを組織することにより研究を推進する。
本領域研究では、“機能元素”をターゲットにし、機能元素の位置や状態のナノ計測、材料機能と直結する電子状態の理解を通して、合理的かつ新規な材料設計やプロセス開発につなげる研究に取り組んだ。その結果、ナノ計測技術として、走査透過型電子顕微鏡法、ナノプローブ電子分光法、非接触型原子間力顕微鏡などの超高分解能化、高精度化に関する研究を進め、軽元素の直接観察、固体内単原子の観察、原子種識別観察、複合電子分光手法の開発などの大きな成果を得ることができた。理論計算においては、機能元素の役割を理解するための第一原理熱力学計算手法、遺伝的アルゴリズムの応用、新規なマルチスケール計算手法の開発、分光スペクトルの解釈などにおいて新しい成果を得た。また、計画班、公募班が連携したプロセス研究を通して、ナノ計測と理論計算から得られた指針を基に機能元素を効果的に用いた新材料、すなわち、高性能セラミックス膜、単一粒界素子、高機能薄膜、高機能触媒、超高圧合成発光体などの開発を新たに行った。さらに、これら一連の研究成果を基に、機能元素と機能特性の相関性を体系化し、界面における偏析制御因子、転位における拡散制御因子、表面における表面構造制御因子を抽出することにより、“機能元素のナノ材料科学”ともいうべき学理の構築を行った。
A＋（研究領域の設定目的に照らして、期待以上の成果があった）
本研究領域は、機能元素に焦点をあてて、最先端の研究組織が最新の計測／計算手法を駆使して、学理を明確にした上で新材料の創出にまで至っており、期待以上の成果があったと認められる。機能元素の効果については、計測班と計算班が上手く連携し、原子・電子レベルでかなりの部分が解明され、マクロな材料特性につながるマルチスケールの視点により材料開発設計学理を大きく発展させたことは高く評価できる。世界初の研究成果をはじめとして、最高レベルの学術雑誌に多数の論文が掲載されていることからも、期待以上の成果が得られたと判断できる。各班の間でも密接な連携がとられており、共同研究による質の高い優れた論文も多く出ていることは、領域運営の点でも高く評価できる。若手研究者の育成についても十分な成果が上がっている。
「その領域全体の学術的水準が高く、研究の格段の発展が期待できる研究領域」としては、これまで観察測定の困難さから詳細が不明であった結晶材料中の微量元素と格子不整合領域との相互作用及び材料特性との関係がかなり明らかとなり、材料科学分野に大きな発展をもたらしたことは、目的に対して十分な達成度があったと評価できる。また、機能元素が局在することに対して、最新の装置を用いて元素一個の位置や元素の識別に至るまでの計測を達成するとともに、第一原理熱力学的計算手法を用いて、表面、界面などの格子不整合領域の機能元素について、高精度な理論予測を可能とするなど目的以上の成果が上がっている。
「社会的諸課題の解決に密接な関連を有しており、これらの解決を図るため、その研究成果に対する社会的要請の高い研究領域」としては、これまで材料の格子欠陥への元素偏析が材料機能に大きく影響することは経験的に知られていたものの、その詳細は不明であったこの分野で、機構解明と機能特性発現への高い社会的要請に対して、本研究成果は優れた成果を出していると評価できる。また、共通試料による領域内組織間の共同研究を推進し、計測と計算の連携に基づき機能元素を制御することで、新規物性を発現する機能性薄膜や多結晶体を開発したことや高純度単結晶による新規な蛍光体の開発に至ったことは、目的に対して十分な達成度があったと評価できる。
「その領域全体の学術的水準が高く、研究の格段の発展が期待できる研究領域」としては、材料特性につながる材料開発設計学理を大きく発展させたことは評価できる。また、領域内の各組織において、世界をリードする特筆すべき成果も得られており、水素原子の直接観察に代表される世界初の成果も得られていること等、期待以上の成果が上がっており、高く評価できる。また、解析では局在する機能元素を定量的に計算する手法の開発に成功しており、国際的にも高く評価できる。
「社会的諸課題の解決に密接な関連を有しており、これらの解決を図るため、その研究成果に対する社会的要請の高い研究領域」としては、機能元素による材料特性の改善に向けての材料開発設計の指針がかなり明らかとなり、社会的にも価値のある成果が出たと評価できる。さらに、分野横断的に地球内部の下部マントルの超塑性変形を実証する成果も得られ、分野の拡がりが認められる。
分野間相互の連携が上手く働いており、各班の間でも密接な連携がとられている。研究者間の連携も促され、共同研究成果も多い。特に、3者以上の共同研究が多い点は評価できる。
選択と集中が的確になされ、良い使い方がなされている。
学理構築の入口ができただけでも立派な成果であるが、さらに今後の見通しについて産業界に向けた出口を意識していると認められる。
若手研究者の育成も活発に行われ、その成果が認められる。
研究振興局学術研究助成課
-- 登録：平成24年12月 --