東京大学 一杉研究室 (固体化学研究室)

研究の長期的目標

最大の目標は、新物質開発、そして新機能開発である。具体的には、超伝導体、磁性体、光機能材料、イオン伝導体、誘電体などにおいて、固体化学、および固体物理を土台として、その性能について卓越した特徴を有する新物質や界面の実現を目指す。
研究の軸となる考え方が、アトムエンジニアリングである。新物質・新機能開発にあたり、原子レベルで精密に物質構造制御を行うことを常に念頭に置く。さらに、オングストローム空間分解能で電子状態評価をしていく。そして、ミクロとマクロの物性を結ぶ物質設計指針を得て、機能性物質の学理構築を通じて材料科学の新研究領域を切り拓く。

 

研究のポリシー

上記目標達成のための戦略として、

1. 原子レベルで制御する物質合成。特に薄膜、ヘテロ構造、低次元構造(分子、クラスター、一次元構造)、界面、および表面に着目する。
2. 世界最先端の物性評価技術を武器として、物質本来の姿を観る。
3. その結果を、物質設計にフィードバックし、新物質合成を行う。

というサイクルに重点を置く(図参照)。

新物質・新構造合成と最先端物性評価技術開発の両面に力を注いでいる。
実験装置に関しては、汎用装置を揃えるのではなく、世界で我々しかできない実験ができるよう、装置開発を常に行っている。
このように、実験システムと物質合成技術をコア競争力とし、材料科学の新分野の開拓を行う。

 

研究分野

酸化物薄膜やヘテロ構造をエレクトロニクスやスピントロニクス、エネルギー分野への応用を目指す研究は、将来性が非常に大きい研究分野である。酸化物薄膜自身や界面、表面における新物性が今でも多数見つかっており、興味深い研究が展開されている。そして、ナノスケールの酸化物の物性開拓は、今はじまったばかりと言って良い。そこにアトムエンジニアリングの概念を導入して切り込む。
さらに、グラフェン等カーボン材料、および、窒化物、水素化物にもアトムエンジニアリングを展開していき、電子物性、磁性、イオン伝導等の研究を強力に推し進める。
以上、大きな方向性としてはグリーンマテリアルの開発となる。

 

具体的な研究項目

A. 機能性薄膜/界面/表面の電子状態評価と新物質開拓 [新規デバイス開発]

• 現在、機能性酸化物(電気伝導体、磁性体、強誘電体、透明導電体、強相関物質、超伝導体等)の物性研究を進めており、それを発展させる。特に、清浄な酸化物薄膜について局所電子状態を議論することができるのは、現在、世界で我々のみである。その優位性を最大限活かし、新物質・新物性開拓を行う。酸化物エレクトロニクス研究について、ユニットセルレベルの研究から真の原子レベル研究へのパラダイムシフトを目指す。原子レベルで制御しつつ薄膜物質合成を行い、強相関電子系、磁性体、誘電体、熱電変換材料等の新物質開発を行う。最終目標は室温超伝導体である。
• グラフェンや磁性分子、クラスター (電子状態、超伝導、磁性等)、あるいは、非磁性物質同士の界面における強磁性等、低次元ナノ物質の物性研究を精力的に行う。
• 磁性研究にさらに注力していく予定である。現在、スピン偏極STMの開発を進めており、金属材料、酸化物材料のナノ領域の磁性制御等、ますます重要になるナノスピントロニクス分野を切り拓く。そして、光電子分光の強みとSTMの強みを組み合わせて波数と実空間の両面から電子物性に迫る。また、電子輸送特性評価からも電子状態・磁性を探る。

B. イオン伝導材料に関する研究 [エネルギー分野]

• Liイオン電池は、電気自動車や太陽電池社会の実現において、非常に重要な技術である。しかし、技術的な課題は多く、電池容量の向上、急速充電の実現が不可欠である。本研究では現行の10倍程度の容量を有するLiイオン電池を狙う。
• 実用化されている電池材料の物性については未解明な点が多い。そこで、イオン伝導物質を原子レベルで制御して合成し、異方性制御、そしてヘテロ構造による粒界制御を通じて、イオン伝導特性を明らかにする。そして電池動作を原子レベルで解き明かし、電気化学アトムエンジニアリング分野を切り拓いて新物質開発を行う。

 

これまでの研究紹介