高機能性ナノマテリアルの創製

無機表面化学研究室

阿相 英孝 教授
専門分野: 電気化学 材料化学 ナノマイクロ科学
橋本 英樹 准教授
専門分野: 固体化学 無機材料化学

研究室の概要

家電、化粧品、食器、乗り物、エネルギー貯蔵、電子デバイスなど、身の回りの生活用品のみならず、陶磁器をはじめとした伝統工芸分野など、様々な分野に最先端の表面処理技術が活用されています。 本研究室では、固体表面および無機固体材料そのもののナノ・マイクロスケールの構造を、無機化学、電気化学、表面化学、固体化学の観点から制御・解析し、より高度な機能性材料を創製するための基礎と応用技術の確立を目指し研究に取り組んでいます。

研究テーマ

「ポーラス型アノード酸化皮膜の作製・構造解析・応用」

金属を陽極にして電解液中で通電すると金属表面にナノ・マイクロメートルスケールの孔を有する酸化物薄膜が形成されます。この手法はアノード酸化と呼ばれています。 アノード酸化は古くからアルミニウムの表面処理に利用されており、耐食性、耐摩耗性、装飾性を付与するための優れた手法として、現在においても工業的に広く利用されています。 アノード酸化の条件を適切に設定することで、酸化皮膜の厚さ、孔の構造を精密に制御することが可能であるため、ナノテクノロジーの観点からも幅広い分野に利用できると期待されており、最先端研究分野でも注目されています。 下の写真は様々な条件で作製したアノード酸化ポーラスアルミナ皮膜のSEM像です。規則的な孔配列を確認することができます。

「半導体のナノ・マイクロファブリケーション」

情報通信技術、いわゆるICT (Information and Communication Technology) 技術の基盤となるのは、加速度的なコンピューターの進化です。 私たちが普段使用しているパソコン、スマートフォン、ラップトップコンピューターには無数の半導体デバイスが入っています。 これらの半導体デバイスには極めて微細な配線や加工が施されており、そのナノ・マイクロメートルスケールの制御性がコンピューターの性能を支えています。 従来の半導体微細加工技術にはドライプロセスが利用されておりますが、特別な装置や環境が必要になります。 私たちは、未来のエレクトロニクス分野を切り開く新しい微細加工技術として、簡便で大面積に加工が可能なウェットプロセスにより、ナノ・マイクロスケールの構造を制御することを試みています。 下の図は、様々な条件で加工したGaAs基板の断面電子顕微鏡像であり、微細なGaAsのピラー上に金(Au)がキャップされた構造になっています。

「自然と歴史材料に学ぶ材料設計」

バイオミネラリゼーションと歴史的伝統材料にヒントを得て新しい機能性金属酸化物を開発しています。 地下水に生息する鉄酸化細菌が地表に現れる際に創り出す水酸化鉄は、見事に制御された多孔質チューブ状構造を持っています。 この材料を単に加熱するだけで鮮やかな赤色顔料が得られます。また、日本最古の人工赤色顔料(吹屋ベンガラ)には微量のAlに含まれており、酸化鉄赤色顔料(α-Fe2O3)の鉄サイトへのAl3+の固溶が高彩度化に有効であることがわかっています。 本研究では、鉄酸化細菌と吹屋ベンガラから着想を得て、特異なナノ・マイクロ構造を有する高彩度多孔質酸化鉄顔料を合成し、着色材としての応用研究を進めています。 下の図は酸化鉄ナノ粒子から成る多孔質構造体の電子顕微鏡像(左)と細孔構造(右)です。

「ガラスと無機物との化学反応の解明」

鉛を含む工業製品は数多くあります。特にガラスに含まれることが多いため、ガラスと無機物の反応を理解することができれば、工業製品の鉛フリー化に貢献できます。 本研究室では、モデルケースとして、日本の伝統工芸の代表である陶磁器を取り上げ、特にその赤色着色に着目し、ガラスと酸化鉄微粒子の反応について詳細に解析しています。 陶磁器の着色に用いる上絵用のガラスは、約800℃で焼き付けることを前提として設計されています。そのような高温では安定な無機化合物である酸化鉄赤色顔料(α-Fe2>O3)もガラスと反応して分解します。 所望の赤色を得るためには、酸化鉄微粒子の分散と焼成時における反応を制御する必要がありますが、反応性はガラスの物性や組成によって変化するため、非常に複雑です。 私たちはガラスと酸化鉄の高温時における反応の本質を多角的な分析手法を用いて明らかにすることを目指しています。 下の図は上絵用の無鉛ガラスと酸化鉄赤色顔料の焼成時における反応を模式的に示した図です。

「ナノカーボン材料の作製」

鉛筆の芯を細かくしていくと炭素原子1層分の厚さになります。この1枚の層をグラフェンといいます。 グラフェンを利用すると、電池、キャパシタ、トランジスタなどの超高性能化を実現できるといわれていますが、作製方法が難しく工業的な利用には課題が山積しています。 本研究室では、グラファイトをアノードにして電気化学的な酸化・インターカレーションを利用してグラファイトを剥離する手法を検討しています。 様々な電解手法や電解液を用いてグラファイトを剥離できることがわかっています。電気を駆動力としているため、クリーンかつ短時間のプロセスで剥離を完了できることが、電気化学的手法の利点です。下の図はグラファイト粉末を特殊な電解方法を用いて剥離した結果です。 左の写真が処理前のグラファイト粒子で、右の写真が処理後の試料の写真です。塊状のグラファイトが見事に二次元化していることがわかります。

研究支援・社会貢献活動

金属材料の表面改質、半導体材料の微細加工、機能性酸化物材料の開発、金属酸化物の構造解析

研究設備

電界放射型走査型電子顕微鏡(FE-SEM)、グロー放電発光分析装置(GD-OES)、集束イオンビーム加工装置(FIB)、反射型偏光顕微鏡、分光測色計など。

研究シーズ

研究室|設備紹介