研究組織: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

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 特定准教授:近藤 創介 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。

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と応用

教授:松田一成
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・電変換の学理の追求や新しい光機能性創出の研究を進めています。

光学実験風景(左図)と発光するカーボンナノチューブの模式図(右図)

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

先進エネルギー用セラミックス材料の開発

准教授:檜木達也
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、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、フランス、イギリス、韓国、中国等の研究機関とも共同で研究開発を行っています。

SiC繊維強化高靭性多孔質セラミックス

多孔質SiCをSiC繊維で強化することにより、従来に無い高い強度と靭性を持つ新しい多孔質材料です。全てSiCで構成され、優れた耐酸化性、耐食性を有します。

2017hinoki.png

ナノ物質の光物性解明と光機能応用

准教授:宮内雄平
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、原子層半導体等の光物性・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、さらにそれらを高効率光エネルギー変換素子や量子光源等の先端光機能デバイスに応用するための学理の開拓を進めています。

光学実験風景(左図)と発光するカーボンナノチューブの模式図(右図)

先端分光計測技術と、物理化学的な物性制御技術を相補的に駆使して、ナノ物質の特異な物性の解明や、新奇物質機能の開拓を行っています。

2017miyauchi.png

DuET で炭化珪素中に導入された格子欠陥の挙動

特定准教授:近藤創介
セラミックス(炭化珪素)の照射効果、特にナノサイズ欠陥の研究を行っています。炭化珪素は1000℃超でも室温強度が維持され、低放射化材料であるため原子力材料として期待されています。ほとんどの原子炉材では長期間の使用後に材料特性が変化(劣化)することが一般的ですが、これは中性子照射によって材料中に著しく非平衡に導入された格子欠陥が蓄積、あるいは選択的な場所で消滅することによります。私どもの研究で、炭化珪素では照射後もこの材料特性変化が小さいことがわかってきました。この照射損傷機構や、より過酷な照射条件でも安定性を維持できるのかをDuET とMUSTER の電子顕微鏡を用いて解明することを目指しています。

様々な方向から見たSiC 中のボイド

ボイドは照射によって材料中に形成された空格子点の集合体で、材料の膨張の原因となります。SiC 中ではSi とC格子面に表面エネルギーの差があることに起因して、比表面積の大きな四面体ボイドが形成されることを見出しました。

2017kondo.png

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

助教:神保光一
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

高周波音響フォノンの増幅

特定助教:篠北啓介
これまでドイツのマックスボルン研究所にて、音響フォノンの増幅をはじめとして固体における超高速現象についての研究を進めてきました。半導体超格子におけるサブテラヘルツ領域の高周波音響フォノンは波長がわずか数nm のため、半導体ナノ構造や生細胞のナノスケールの空間分解でのイメージングへの応用が期待されています。しかし、デバイス応用には高出力の音源が必要です。我々のグループは高出力音源の実現に向けて、電場印加で自由キャリアを加速し音響フォノンの誘導放出を達成することで、高周波音響フォノンの100% 以上の増幅に成功しました。今後は当研究所において、こうした超高速分光手法とデバイス作成等を駆使し、スピン自由度と波数空間でのバレー自由度が結合した2次元物質における特異な量子状態の観測および光制御を通じて、バレースピンフォトニクスの基礎物理の解明およびデバイス応用を目指します。

電場印加による音響フォノン増幅

ポンププローブ分光法を用いたGaAs 超格子の反射率変化の遅延時間依存性です。外場で電流を駆動することで(赤線)、電流が流れていないとき(青線)に比べて、音響フォノンに由来する410GHz の振動の振幅が増加します。

2017shinokita.jpg

京都大学エネルギー理工学研究所について

  • 所長あいさつ
  • 教職員の紹介
  • 刊行物
  • 研究成果

共同研究プログラム

  • ゼロエミッションエネルギー研究拠点 共同利用・共同研究
  • 双方向型共同研究