複合機能変換過程研究分野

エネルギー機能変換研究部門 複合機能変換過程研究分野
教授:松田 一成 准教授:檜木 達也 准教授:宮内 雄平 助教:神保 光一 特定助教:篠北 啓介
新しいナノ材料、先進エネルギー材料創成と、そこで発現する新規物性・機能性発現の学理の追求とその応用に関する研究を行っています。

1) ナノサイエンスによる光機能発現と高効率光エネルギー利用に向けた学理の追求

現在、持続的な社会の実現に向け太陽光を含む光エネルギーの高効率利用が求められています。それらの要求に対して、ナノ材料・ナノ複合材料は高いポテンシャルを有しています。そこで、ナノサイエンスに基づく新たなナノ材料創成とその物理的性質(物性)の理解が必要です。そのために、ナノ材料(カーボンナノチューブやグラフェン、半導体・金属ナノ粒子、またその複合材料)で起こる物理的な量子過程(物性)についてレーザーを用いた先端光学手法を駆使して明らかにし、次々世代の高効率太陽電池などに向けた新しい光エネルギー利用のための高効率光・電変換の学理追求や新しい光機能性創出の研究を進めています。

次々世代太陽電池などの高効率光エネルギー利用に向けたスキーム

ナノサイエンスを基盤として新しい光・電変換機能の学理と応用研究を行います。特に、新しいナノ材料創成、それらの物性の理解、プラズモニクス技術を利用した新規光機能性の実現を目指します。

2017matsuda.png

2)ナノ物質の光物性解明と光機能応用

ナノサイズの物質(ナノ物質)においては、顕著な量子効果によりマクロな物質には見られない特異な物性・機能が発現します。私たちは、極限的なナノ物質であるカーボンナノチューブやグラフェン、原子層半導体などの光物性・光機能に着目し、それらの解明と工学応用に関する研究を行っています。具体的には、単一ナノ物質レベルでの各種先端分光計測技術を駆使して、ナノ物質それ自体の光物性の解明、ナノ物質の複合化により誘起される創発物性の探索、さらにそれらを効率の良い光電変換技術や、エネルギー消費のとても少ない情報処理技術、医療や生物学研究に役立つ新しい観察手法などの実現につなげていくための学理の開拓を進めています。

光学実験風景

(a)、人工的に局在状態を導入したカーボンナノチューブにおける励起子ダイナミクス制御の模式図(b)、カーボンナノチューブのアンサンブル試料のアップコンバージョン発光画像(c)、
入射光と発光波長の関係(d 上段)、単一ナノチューブの顕微発光画像(d 下段)、(e) 単一カーボンナノチューブのストークス発光とアップコンバージョン発光スペクトルの比較。

fukugouki_2.png

3) 原子層物質における超高速現象の解明

炭素一層からなるグラフェンをはじめとする原子層物質は特異な量子状態を示すことから、従来の半導体では達成が困難な新規な機能性や応用が期待されています。我々はこれまで、スピン自由度と波数空間でのバレー自由度(バレー擬スピン)が結合した原子層物質である二次元遷移金属ダイカルコゲナイド(MX2 ; M=Mo, W, X=S, Se, Te)において、フェムト秒レーザーを用いた超高速分光手法を軸に実験的側面からの研究を進めてきました。具体的には、電子正孔対(励起子)や荷電励起子の超高速生成緩和メカニズムの解明に加えて、電界効果トランジスタ構造を用いて光学特性の制御を達成しました。現在は、二次元遷移金属ダイカルコゲナイドにおけるバレー擬スピン現象の解明およびその制御を目指して研究を進めています。

フェムト秒レーザーを用いた超高速分光実験装置(左図)と原子層物質の超高速キャリアダイナミクス(右図)

高繰り返しフェムト秒レーザーを基に構築した実験装置を駆使することで、数百フェムト秒の時間分解能で原子層物質からの微弱な光学応答を測定することができます。右図が実際に超高速分光システムを使って測定した二次元遷移金属ダイカルコゲナイドMoSe2の超高速光学応答です。電子(e) と正孔(h) からなる励起子と荷電励起子の生成および緩和ダイナミクス等のさまざまなダイナミクスを観測することができます。

fukugouki_3.png.jpg

4) 先進エネルギー用セラミックス材料の開発

ナノスケールでのプロセス制御により、核融合炉や先進核分裂炉等の次世代原子力材料や航空宇宙材料として期待されているSiC(炭化珪素)繊維強化SiC 基複合材料(SiC/SiC 複合材料)を中心に、先進セラミックス等の材料開発を行っています。DuET やMUSTER 施設の先端研究設備を駆使し、従来にない優れた耐環境特性を持つ材料の創製から照射環境を含む環境効果、強度や物理特性評価、接合・被覆技術開発等、実用化を念頭に、基礎から実用レベルまで一貫した研究開発を行っています。国内の研究機関だけでなく、アメリカ、イタリア、OECD 等の研究機関とも共同で研究開発を行っています。

粒子分散SiC 複合材料の開発

従来のSiC 複合材料は繊維と母材の間に界面相が必要でしたが、酸化等の耐環境特性の観点で弱点でした。マトリックスにSiC との結合の弱い粒子を添加することにより耐環境特性を大幅に改善した材料の開発を行い、実用化研究を進めています。

fukugouki_4.png

5) マグネシウムイオンビームのシンクロ・ベータートロン共鳴による水平方向の冷却

京都大学化学研究所先端ビームナノ科学センターとの共同研究により、Small Laser-equipped Storage Ring(S-LSR)において、マグネシウムイオン(24Mg+)ビームのレーザー冷却実験に参加しています。写真で示すように、波長可変のUV レーザー光(280nm)をS-LSR の直線部に導き、イオンと並走させてレーザー冷却するための3s2S1/2→3p2P3/2 absorption-emission サイクルを構成しています。一様な、そしてバンチされたイオンビームの進行方向のレーザー冷却は既に達成しています。現在はシンクロ・ベータートロン共鳴による水平方向のレーザー冷却の実現に取り組んでいます。

Small Laser-equipped Storage Ring (S-LSR)

京都大学化学研究所先端ビームナノ科学センターのLSR は、周長22メーターで6重の対称性をもつ。

2017jimbo.png

  • 京都大学研究連携基盤
  • 国立大学附置研究所・センター長会議
  • 京都大学宇治キャンパス
  • 刊行物
  • 所内限定ページ
  • 京都大学
ページトップへ戻る