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に加えて、有機分子を含む材料（例：金属有機構造体や分子結晶固体電解質）を対象とし、エレクトロニクス・エネルギー・情報デバイスへの応用を目指している。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。原子・分子スケールで構造を設計・制御することで、新機能を創出する。さらに、データ科学とロボットを融合したデジタルラボを基盤とし、自律的な材料探索を推進している。

 

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]

• 機能性酸化物や金属有機構造体の薄膜を対象に、原子・分子レベルで制御した配向・界面構造を設計し、新物性の探索と新規デバイス応用を行う。プローブ顕微鏡、透過型電子顕微鏡、放射光、ミュオン・中性子測定、光電子分光、イオンビーム分析（核反応解析）などの先端計測に加えて、第一原理計算や機械学習を用いた計算科学的アプローチを取り入れることで、実験と理論の両面から新機能創出を目指している。

B. 電池に関する研究 [エネルギー分野]

• 持続可能な社会の実現には、高効率かつ安全なエネルギーデバイスの開発が不可欠である。全固体電池や燃料電池に代表される次世代デバイスでは、イオン伝導材料の性能がその鍵を握る。
  私たちの研究室では、リチウムイオン伝導体、ヒドリド伝導体など多様な材料を対象に、電気化学。固体化学的観点からの学理構築を重視しつつ、薄膜合成・界面設計・結晶構造制御を通じてイオン輸送特性の理解と最適化を進めている。さらに、材料内部や界面での輸送現象を普遍的に捉えるため、理論や数理研究者、先端計測との協働を進め、研究を展開している。これらのアプローチを通じて、エネルギーデバイス設計の新しい指針を提供している。

C. デジタルラボ [研究プロセスの革新]

• モジュール化された実験装置をロボットで連結し、合成から特性評価までを自動化・自律化する実験基盤を構築している。これにより、人間の介入をほとんど必要とせず物質合成が可能となり、新しい時代の実験室が現実のものとなりつつある。さらに、実験やシミュレーションで得られる膨大なデータをデジタル化し、標準化したフォーマットで記録・管理することで、クラウドを介した研究者間・組織間での共有と再利用を可能にしている。こうして集積されたデータを俯瞰的に捉え、活用することで、単なる効率化にとどまらない新しい物質観の創造を目指している。

 

これまでの研究紹介