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材料組織学研究室(木塚研究室)は、電子顕微鏡法をもとに金属、セラミックス、半導体、複合材料を開発している研究室です。

筑波大学

研究内容SUBJECTS

私たちの研究室では、最先端の電子顕微鏡を用いて、金属、半導体、セラミックスや炭素繊維強化プラスチック(CFRP)などの最先端材料を研究しています。材料作製と透過電子顕微鏡法による組織解析と物性評価が実験の中心になります。現在研究している主な研究内容を以下に紹介します。

航空機・エンジン用材料の開発・・・利用時実環境下の微細組織解析

CFRP、耐熱合金やセラミックスは次世代を担う航空機・エンジンの材料に応用されています。こうした材料は大きな荷重や高温環境に耐えられることが望まれています。本研究室では、電子顕微鏡内部で、破壊に至る荷重負荷や超高温など過酷な環境を実現し、そのときの材料組織を直接観察し、その結果をもとに材料開発をしています。こうした実験は、これまでにない手法が必要であり、研究はまず手法開発から始めています。本研究室では、すでに、CFRPの破壊過程を原子レベルで観察し、また、世界最高の観察温度4000Kを実現して遮熱セラミックズコーティングや耐熱金属に応用するなど顕著な成果を得ています。

新機能3次元LSI高密度実装のための微細金属素子・・・原子ワイヤー・ナノ接点の原子直視解析

これからの電子機器の小型化や新機能は半導体電子デバイスだけでなく、原子サイズまで微細化された金属素子によって実現されます。金属の単原子が一個ずつ一列に並んでできる原子ワイヤーや、断面が数原子分の金属接点はその例であり、小さいだけでなく、表面活性化法による常温接合を可能にして、極限的な3次元のLSI高密度実装をもたらし、さらに、従来のハードディスクをしのぐ記憶容量が飛躍的に増加した記憶素子や原子スイッチなどへ応用されています。本研究室では、このような微細金属素子を作製し、構造、電気伝導・強度などの諸特性を調べています。特に、単原子が一列に並ぶ原子ワイヤーは、究極の微細構造でありながら、構成原子の間隔や配列を変え、もしくは応力を印加して、電気伝導をバリスティック領域から絶縁体領域まで自由に制御できるという特徴を有しています。こうした微細構造は転位を含まないため、従来素子の100倍以上の強度を持ちます。また、これらの電気抵抗は、たった一つの気体分子が吸着しただけで大きく変化するために、「単分子一つを検出できる」超高感度センサーへも応用できます。

変形・摩擦・摩耗の原子挙動観察・・・原子レベル材料力学実験

構造材料を使用するときに重要な変形・摩擦・摩耗などの機械的相互作用を原子レベルで解明する材料力学実験を行っています。変形の原子運動や摩擦は、原子数層の微小領域で生じるために、その原子運動は、これまでの実験方法では解析できません。本研究室独自の手法を用いてこうした原子挙動を直接観察しています。

音波・振動・常温で発電・発光するナノ構造素子・・・金属、セラミックス、カーボン材料開発の新たな展開

数ナノメートル、もしくは原子サイズの金属、セラミックス、カーボン材料の新素子を開発しています。こうしたナノ素子は、音波や振動、常温の熱による発電や発光素子への応用が考えられています。特に、カーボンナノチューブ、カーボンナノカプセル、グラフェンなどのナノカーボン材料の原子直視的研究を進めています。

材料研究手法の開発・・・「原子を観て、操り、測る」電子顕微鏡法

材料研究は、これまでにない構造をもつ材料を作製し、魅力的な特性を引き出そうとするものです。本研究室では、このために新しい材料作製法と特性評価法を開発し、材料研究に応用しています。特に、原子を観て、操り、測る電子顕微鏡法は本研究室独自の手法です。具体的には、材料を原子配列レベルで観察しながら、その原子配列を微細な探針を用いて操作し、新たなナノ構造を合成し、さらに、そのナノ構造の電気的・機械的・光学的性質を調べられる電子顕微鏡を開発しています。透過電子顕微鏡、走査トンネル顕微鏡、原子間力顕微鏡、および近接場光学顕微鏡の機能を全て複合した原子直視型顕微鏡です。すでに前述のナノ物質研究に応用され、多くの成果がえられています。この顕微鏡は開発機であるために本学にしかありません。こうした手法開発を実際に体験して、技術の素養を体得することができます。さらに、得られた結果を系統的に整理し、国際会議や論文で発表します。詳しく述べれば、それらは、装置設計、素材加工、構造観察、特性評価、数値解析、論文執筆、口頭発表などです。手法開発にも重点を置いている本研究室では、これら全てを学び、取り扱った材料の研究だけなく、幅広い研究分野で通用する研究者・技術者の本質的な実力を身につけられるようにしています。


観察・測定の構成図

バナースペース

材料組織学研究室(木塚研究室)

〒305-8573
茨城県つくば市天王台1-1-1

筑波大学 数理物質系 物質工学域