特集　原子・電子レベルからの材料界面設計

巻頭言
材料界面への原子・電子レベルからのアプローチ
(独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門　上席研究員　兼　ナノ材料科学研究グループ長　香山　正憲
東京大学大学院　工学系研究科　総合研究機構　教授　幾原　雄一

様々なデバイスや材料の開発では,材料界面の構造や性質の解明とそれを通じた設計・制御技術の確立が極めて重要である.例えば,電子デバイスは半導体・絶縁体・金属の間の界面の集合体であり,ナノデバイス実現のためには,界面を原子レベルで設計・制御することが必要となる.環境適合型モバイル電源として電気自動車への展開が期待される燃料電池やリチウムイオン蓄電池では,電解質と触媒金属や電極金属との界面の電子,イオンの挙動が性能を支配する.熱遮蔽コーティングやスペースシャトルの耐熱タイルなど異種物質間のコーティングや接合の信頼性を高めるには,界面の構造や性質を原子・電子レベルで理解する必要がある.太陽電池や薄膜トランジスタ用の多結晶半導体やセラミックス,金属材料での粒界の重要性は言うまでもない.また,界面や粒界の特異な現象を利用するものとして,バリスタやPTCサーミスタなどセラミックス素子のメカニズムの解明はホットな話題である.最近注目されるReRAM(抵抗変化型メモリー)では,電圧パルス印加で金属/酸化物界面のショットキー障壁が大きく変化すると考えられるが,詳細は不明である.金触媒など金属/無機ナノ触媒では,金属ナノ粒子と無機担体との界面相互作用が触媒機能の発現に大きな役割を持つが,そのメカニズムは未だ謎である.また,ナノ粒子によるナノ結晶では,飛躍的な強度の向上や超塑性挙動など,特異な機械的性質が発現する.粒界と転位の相互作用や粒界自体の力学挙動に起因すると考えられるが,やはりメカニズムの詳細はわかっていない.

こうした材料界面の構造や機能を詳細に解明する手段として,電子顕微鏡観察と第一原理計算の組み合わせが有効である.最近の電子顕微鏡観察技術の進歩は著しく,原子分解能の格子像観察,HAADF-STEM法による局所元素分布観察,EELS-STEM法による局所電子構造観察,電子線ホログラフィー法によるポテンシャル分布観察が可能である.最近は,球面収差補正技術により各種分析手法の空間分解能が原子サイズに到達しつつある.一方,第一原理計算では,密度汎関数理論の確立で精度が向上し,projector-augmented wave法をはじめとする高効率手法の開発,Car-Parrinello法に始まる大規模構造計算技術の進歩により,現実的な界面構造の安定原子配列と電子構造,諸性質を高精度に求めることが可能となってきた.特に1990年代以降,この両者を緊密に組み合わせることで,界面の構造や性質の解明が飛躍的に前進してきた.

こうした解明から一般的に言えることは,例えば,\MARU1粒界の構造ユニットなど界面の規則構造や局所ボンドがしばしば界面全体の性質を支配すること,\MARU2界面ストイキオメトリの乱れが様々な結合性や性質を生むこと,\MARU3界面の添加物や不純物の重要性,\MARU4金属/セラミックス界面など,異なる結合性の物質間界面には,バルクにはない特異な結合状態が生まれること,等々である.こうした知見を材料界面の設計・制御技術の構築,新規材料やデバイスの創成に活かして行くことが期待される.本特集では,こうした材料界面の解明と設計を目指した研究状況を紹介したい.

先進電子顕微鏡観察によるセラミックス粒界の解明と設計
■著者
東京大学大学院工学系研究科総合研究機構　柴田　直哉　他

■要約
近年,電子顕微鏡のレンズ収差を補正する技術が開発され,電子顕微鏡の分解能及び感度を飛躍的に向上する道が開かれた.この収差補正技術と原子直視を可能にする走査透過型電子顕微鏡法 (STEM) とを組み合わせることにより,材料内部のドーパント元素を原子レベルで可視化する技術が急速に進んでいる.本稿では,このSTEM法を用いたセラミックス粒界の超高分解能構造解析と機能発現メカニズムに関する最新の研究例を紹介する.


n型半導体SrTiO3単一粒界素子の粒界構造と電気的特性
■著者
東京大学大学院新領域創成科学研究科　山本　剛久　他

■要約
n型半導体SrTiO3多結晶体は,粒界に形成された静電ポテンシャル障壁に起因する非線形電流--電圧特性を示す.このポテンシャル障壁は,粒界近傍に非平衡下で集積した過剰イオン空孔と密接に関係し,その分布は粒界原子構造に依存する.粒界構造を人工的に制御した単一粒界素子の電気特性について,これまでに行ってきた研究のいくつかを紹介する.


金属/無機ヘテロ界面の計算機設計
■著者
産業技術総合研究所ユビキタスエネルギー研究部門　田中　真悟　他

■要約
本稿では,筆者等のグループが関係している第一原理計算手法の概要について簡単に説明するとともに,現在取り組んでいる金属/無機ヘテロ界面の研究に関して,計算科学の立場からのアプローチ例を紹介し,最後に今後の計算機設計の展望について議論する.


担持触媒における界面構造と電子状態
■著者
産業技術総合研究所　ユビキタスエネルギー研究部門　岡崎　一行　他

■要約
金/酸化チタン触媒と白金/グラフェン電極触媒を例に,第一原理分子動力学法を用いて,無機化合物に担持された貴金属微粒子の触媒における界面の原子構造や電子状態を調べた.金/酸化チタン系においては,酸化チタンの表面状態に依存して,界面における金と酸化チタンとの相互作用の様子が異なり,金の電子状態が大きく変化することを見いだした.このような結果は,理論計算だけでなく,電子顕微鏡観察などの実験的手法によっても明らかにされている.また白金/グラフェン系においては,白金とグラフェンの相互作用は単原子,クラスター,(111)単層膜の順に弱くなる.さらに,グラフェンに担持された非常に小さい白金クラスターでは水素原子の吸着サイトは(111)清浄表面の場合とは異なっている.


シリコンバルク多結晶太陽電池の粒界設計に向けて
■著者
東北大学金属材料研究所　沓掛　健太朗　他

■要約
本稿では,太陽電池への応用を念頭に置いた,我々のバルク多結晶の組織制御に向けたさまざまな取り組みの中で,一方向成長過程での多結晶組織変化メカニズムに関する研究を紹介する.


ナノデバイスに向けたシリコン/絶縁体界面の解明と設計のための試み
■著者
富士通研究所　金田　千穂子　他

■要約
本稿では,シリコンデバイスの中でもとりわけ微細化の著しいゲート絶縁膜とシリコン基板との界面領域を対象とした,第一原理計算および古典的分子動力学法による結果を紹介する.


白金/炭素界面制御による燃料電池電極触媒の開発
■著者
筑波大学　大学院数理物質科学研究科　物質創成先端科学専攻　中村　潤児　他

■要約
固体高分子形燃料電池の白金触媒担体として多層カーボンナノチューブが優れていることがわかった.表面科学的手法によって要因を調べた結果,白金粒子と炭素表面の界面相互作用による電子状態および触媒活性の変調が示唆された.


分子デバイスに向けた有機分子/金属界面設計
■著者
東北大学金属材料研究所　水関　博志　他

■要約
本稿では分子デバイスを具体例として挙げながら,スーパーコンピューターを使った新しい材料設計の成果を紹介する.


連載
近代日本のセラミックス産業と科学・技術の発展に尽力した\\偉人,怪人,異能,努力の人々(30)近代日本の陶芸の発展に尽力した人々(5)\\板谷波山,小森忍,河井寛次郎,濱田庄司,島岡達三(敬称略)などの傑出した方々と,東京工業学校,東京高等工業学校,東京工業大学,大阪高等工業学校,京都市立陶磁器試験場などの関係者の方々---　島岡達三,縄文象嵌の手法の発見
■著者
宗宮　重行