はじめに
本研究室の研究内容を紹介します。皆さん、材料を構成している元素は、原子核とその周りを回っている電子でできていることはご存知でしょう。主に材料の性質は、原子核の周りを回る電子と原子がつながって集団で動くフォノンの働き方で決まってきます。私の研究室では、電子とフォノンの動きを制御して、新しい特性を持つ材料の研究・開発を行っています。
ここでは、私の研究室がどのような研究を行っているのか、その一部を紹介します。研究に興味を持たれましたら、宮崎まで連絡を頂けたら幸いです。
This page introduces the research being carried out in our laboratory. Everyone knows that the elements that make up materials are made up of atomic nuclei and the electrons that orbit around them. The properties of materials are mainly determined by the way in which the electrons that orbit around the atomic nuclei and the atoms that they are connected to move as a group (phonons). In my laboratory, we are researching and developing materials with new properties by controlling the movement of electrons and phonons.
Here, I will introduce some of the research being carried out in my laboratory. If you are interested in our research, please contact me in Miyazaki.
(1) 捨てられる熱から電気を生み出す、熱電変換材料の研究
Research into thermoelectric conversion materials that generate electricity from waste heat
皆さんの身の周りには実は多くの熱が捨てられています。例えば車はガソリンを燃焼させてエネルギーにすることにより動いていますが、車を動かしているエネルギーは30%程で、それ以外は有効に使われることなく、大気に捨てられています。車以外にも、工場、発電所、焼却所など、ありとあらゆる場所から熱は大量に捨てられているのです。もし、その熱を回収することにより、電気に変換することができれば、再利用することができるのです。そのような発電技術のことを、「熱電変換発電」といいます。実はこの熱電変換発電の技術は、1821年にエストニアの物理学者ゼーベックによって発見された現象(左図)がその始まりで、大変に古い技術になります。しかしながら、これまでに多くの研究者によって、大変な努力がはらわれてきましたが、そのエネルギー変換効率は低く、また、多くの材料が重元素、希少元素を含んでいたため、宇宙空間や軍事利用など、ごく限られた環境でしか使われてきませんでした。私の研究室では、そのような現状を打破するために、環境に優しく、安く、大量生産に向いた元素で構成された新しい熱電変換材料の研究・開発を行っています。その一例として、ホイスラー型Fe2VAl化合物(中央図)を中心に研究を行っています。この材料を基とした熱電変換材料は、既に企業・国の研究所と共同研究で実用化まであと一歩、というところまで来ています(右図)。現在、更なる研究を進めてより高い性能を持つ材料の研究を進めています。
また、ホイスラー型Fe2VAl化合物以外の新しいコンセプトに基づいた熱電変換材料の開発も行っています。将来的には、人体から大気に捨てられている熱を電気に変えて発電できるウェアラブル端末用熱電変換材料の開発も行っていきたいと考えています。
There is actually a lot of heat being thrown away all around you. For example, cars run by burning petrol to produce energy, but only around 30% of the energy that makes the car move is actually used effectively, with the rest being thrown away into the atmosphere. Apart from cars, heat is also being thrown away in huge quantities from all kinds of places, including factories, power stations and incinerators. If we could recover this heat and convert it into electricity, we could reuse it. This kind of power generation technology is called ‘thermoelectric conversion power generation’. In fact, thermoelectric conversion power generation technology is a very old technology that originated in a phenomenon discovered by the Estonian physicist Seebeck in 1821 (see left diagram). However, despite the great efforts made by many researchers, the energy conversion efficiency was low, and because many of the materials contained heavy or rare elements, they could only be used in very limited environments, such as in space or for military applications. In my laboratory, we are researching and developing new thermoelectric conversion materials that are environmentally friendly, cheap, and composed of elements that are suitable for mass production, in order to break through this situation. As an example, we are conducting research on Heusler-type Fe2VAl compounds (centre image). Thermoelectric conversion materials based on this material are already one step away from practical application through joint research with companies and national research institutes (right image). We are currently conducting further research to develop materials with even higher performance.
We are also developing thermoelectric conversion materials based on new concepts other than the Heusler-type Fe2VAl compound. In the future, we would like to develop thermoelectric conversion materials for wearable devices that can convert the heat that is discarded from the human body into electricity.
(2) 機械学習を活用した効率的な高性能・熱電変換材料の探索法の確立
Establishing an efficient method for searching for high-performance thermoelectric conversion materials using machine learning
私たちの研究室では、機械学習を活用して新材料の特性を予測する最先端の数理モデルを開発しています。特に、構成元素の情報だけから物質の熱伝導率を高精度に予測できる手法に取り組んでいます。この技術は、従来の方法に比べて非常に短い時間で結果を得ることができ、電子デバイスやエネルギー分野の材料開発を大幅に加速させる可能性があります。これまで、こうした材料の熱伝導率を求めるには膨大な計算リソースが必要でしたが、私たちのモデルを用いることで計算時間が1/100に短縮されることが確認されています。これは、環境に優しい材料開発や、高性能な電子機器の温度制御技術にとって非常に有益です。私の研究室では、機械学習や材料科学に興味を持っている学生には、基礎的なアルゴリズムの学習から、実際の材料データを使った実践的な研究まで幅広い経験を積むことができます。私たちと一緒に、未来の技術革新に貢献する材料の研究をしてみませんか?
In our laboratory, we are developing cutting-edge mathematical models that use machine learning to predict the properties of new materials. In particular, we are working on a method that can predict the thermal conductivity of a material with high accuracy based on information about its constituent elements alone. This technology can provide results in a much shorter time than conventional methods, and has the potential to greatly accelerate the development of materials for use in electronic devices and the energy sector. Until now, calculating the thermal conductivity of such materials has required a huge amount of computing power, but we have confirmed that using our model can reduce the calculation time to 1/100th of the original. This is extremely beneficial for the development of environmentally friendly materials and temperature control technology for high-performance electronic devices. In my laboratory, students with an interest in machine learning and materials science can gain a wide range of experience, from learning basic algorithms to practical research using actual material data. Why not join us and research materials that will contribute to future technological innovation?
(3) 新しいスピントロニクス材料を目指した希土類酸化物薄膜の研究
Research on rare-earth oxide thin films for new spintronics materials
現在の大規模なネットワーク社会を支えている材料は、シリコンを初めとする半導体の性質を利用したエレクトロニクス材料と言って過言ではありません。エレクトロニクス材料では、主に電子の性質を利用していましたが、現在は、更にスピンの性質も加えた強磁性半導体を利用したスピントロニクス材料が脚光を浴びています。実際にパソコンの容量を飛躍的に向上させたHDDは皆さんもご存知のことでしょう。更なる飛躍的な性能を向上させるための次世代スピントロニクス材料として、我々の研究室では希土類酸化物であるEuO(右図)に注目した研究を行っています。この物質は、現在のスピントロニクス材料の主な構成元素であるFeやCoよりも大きな磁気モーメントを持っており、更なる高集積化・高効率化を実現できる可能性を秘めているのです。そのため、もっとコンパクトで省エネルギーな電子デバイスが実現できるかもしれません。実際にデバイスとして利用するためには、高品質な薄膜の成膜技術が必要になるのですが、我々の研究室ではその技術の確立にも成功しています(中央図)。この材料の秘めているポテンシャルは非常に大きいのですが、この材料の最大の欠点はスピントロニクスデバイスとして動作する強磁性を示す温度が70 K(-203℃)と非常に低いことです。そこで、我々の研究室では電子の動き方、結晶の大きさを精密に制御することにより、液体窒素温度(77K, 196℃)を遙かに上回る210 Kまで強磁性を保つことに成功しました。この記録は、2010年にApplied Physics Letterに報告して以来、まだだれにも破られていない記録です。自分でもこの記録をまだ超えられていませんが…
今後も更に研究を進めることにより、室温以上でも安定的に動作する材料の探索を進めていきたいと考えています。
It is no exaggeration to say that the materials that support today’s large-scale network society are electronics materials that make use of the properties of semiconductors, including silicon. In the past, electronics materials mainly made use of the properties of electrons, but now spintronics materials that make use of ferromagnetic semiconductors, which also make use of the properties of spin, are attracting attention. You may be familiar with HDDs, which have dramatically increased the capacity of PCs. As a next-generation spintronics material for further dramatic performance improvements, our laboratory is conducting research focusing on the rare-earth oxide EuO (right figure). This substance has a larger magnetic moment than the main constituent elements of current spintronics materials, such as Fe and Co, and has the potential to achieve even higher integration and efficiency. This could lead to the development of more compact, energy-efficient electronic devices. In order to actually use this material in devices, it is necessary to develop a technology for forming high-quality thin films, and our laboratory has also succeeded in establishing this technology (see centre image). The potential of this material is very great, but its biggest drawback is that the temperature at which it exhibits ferromagnetism, which is necessary for it to operate as a spintronics device, is very low, at 70 K (-203°C). In our laboratory, we have succeeded in maintaining ferromagnetism at temperatures as high as 210 K, which is far above the temperature of liquid nitrogen (77 K, 196°C), by precisely controlling the way electrons move and the size of the crystal. This record, which we reported in the Applied Physics Letter in 2010, has yet to be beaten by anyone else. I haven’t beaten it myself yet…
I hope to continue my research and find materials that can operate stably at temperatures above room temperature.
(4) より高い機能性を持った材料開発のための基礎的な研究
Basic research for the development of materials with higher functionality
我々の研究室では、より性能の高い材料を開発する以外にも、何故、そのような性質が発現するのか、今後はどのような材料設計をすればより高い性能を持つ材料の開発を行うのか、を知るための基礎的な研究も行っています。材料の性質は、原子核の周りを回る電子と原子がつながって集団で動くフォノンの働き方で決まってきます。そのため、電子やフォノンの動き方を高精度で決定することができれば、その物質の性質を理解することができます。ただし、普段は目に見えない電子やフォノンの動きを調べることは、とても大変なことです。そこで、我々の研究室では、兵庫県西播磨にあるSPring-8や愛知県岡崎市にあるUVSOR-IIIといった最先端の放射光施設で実験を行っています。これらの実験施設を利用して、電子やフォノンの動き方を実験的に決定し、理論計算と比較することにより、そのメカニズムの追及を行っています。実際に、得られた知見を活用した材料設計を行うことにより、先に説明した熱電変換材料の性能やスピントロニクス材料の動作温度を短期間で性能を向上させることに成功しています。今後も、より多くの知識を獲得・深めていくことにより、更なる材料開発の時間・コストの削減を図っていきたいと考えています。
これらの実験施設は建設には数100億円~数1000億円もかかっています。そのような非常に高価な実験装置ですが、学生の皆さんにもこれらの実験施設で実際に実験をしてもらい、最先端の研究環境を体験してもらっています。普段の大学での研究生活では体験できない経験を積むことにより、より質の高い研究環境を実現できればと考えています。
In our laboratory, in addition to developing higher-performance materials, we are also conducting basic research to understand why such properties emerge and how to design materials with higher performance in the future. The properties of materials are determined by the way in which the electrons that orbit the atomic nucleus and the phonons that move collectively are connected. Therefore, if we can determine the way in which electrons and phonons move with high precision, we can understand the properties of the material. However, investigating the movement of electrons and phonons, which are normally invisible to the eye, is a very difficult task. Therefore, in our laboratory, we are conducting experiments at state-of-the-art synchrotron radiation facilities such as SPring-8 in Hyogo Prefecture’s Nishi-Harima and UVSOR-III in Okazaki City, Aichi Prefecture. Using these experimental facilities, we are experimentally determining the way electrons and phonons move, and comparing them with theoretical calculations to pursue the mechanisms behind them. In fact, by using the knowledge gained to design materials, we have succeeded in improving the performance of thermoelectric conversion materials and the operating temperature of spintronics materials in a short period of time. In the future, we hope to further reduce the time and cost of materials development by acquiring and deepening our knowledge.
These experimental facilities cost several tens of billions of yen to several hundred billion yen to build. Even though they are such extremely expensive experimental devices, we also have students actually carry out experiments in these facilities, so that they can experience a cutting-edge research environment. We hope that by gaining experience that they would not normally be able to gain in their everyday university research life, we can create a higher quality research environment.
本研究の多くは国内外の研究機関との共同研究の成果になります。大阪大学、名古屋大学、豊田工業大学、産業技術総合研究所、物質・材料研究機構、トルコ・Tarsus大学、マレーシア・UTMの研究者の方々に感謝致します。
Much of this research is the result of joint research with domestic and overseas research institutions. We would like to thank the researchers at Osaka University, Nagoya University, Toyota Technological Institute, the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, the National Institute for Materials Science, Tarsus University in Turkey, and UTM in Malaysia.