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研究テーマ: 機能性材料のドープ効果の解明:局所構造

研究テーマ
  • シリコン半導体でのボロンのドープ効果の解明
  • シンチレーション検出器結晶でのドープ効果の解明と高度化
  • ボロン含有鉄のボロン環境の解明
  • 非磁性ZnOにドープしたMnによる強磁性の発現の研究

シリコン半導体にドープしたボロン(ホウ素)。どの位置に入るのかは未だに謎で、これを解明しようとしています。(新学術領域「3D活性サイト科学」から転載)
我々の生活に最も重要な機能性材料の一つがシリコン半導体です。半導体としての性能は、純粋なシリコンではなく、ほんの微少量のボロン(ホウ素)やリンをまぜること(ドープ、といいます)で制御されます。その量はわずか0.001%程度ですが、それが物質全体の性質を決定しています。これを構造の視点からみれば、右図のようにドープされた異元素(ボロン)の周りでほんの少し構造が変化していることがポイントになるはずです。ドープされたボロンがシリコン結晶中のどこにどのように存在するか、が重要ということは容易に想像できます。このようなドープ元素周りの構造を局所構造といいます。
シリコンに限らず、ほとんどの機能性材料では、多かれ少なかれ異元素のドープにより性能を制御します。したがって、機能性の起源の解明や、より高度化には、ドープ効果を局所構造の視点から解明することが重要となります。現在、次に説明する中性子ホログラフィー法という新しい手法を開発することで、局所構造研究に取り組んでいます。

研究テーマ: 中性子ホログラフィー法など新しい実験技術の開発と実用化

開発研究テーマ
  • ホログラフィー装置の制御系開発(プログラミング)
  • ゴニオメーター等のハードの開発
  • 偏極中性子制御技術の開発

上で、ドープされた異元素の周りの環境の重要性を示しましたが、シリコンのように長い応用と研究の歴史があっても、ボロンがシリコン結晶のどこにあるのかはいまだ解明されていません。その理由は、通常の構造解析法である回折実験ではドープされた異元素を観測することができないからです。 私たちは、ボロンのような比較的軽い(原子番号が小さい)元素をドープした機能性材料で、その周りで何がおきているのかを観測するほぼ唯一の方法である、中性子ホログラフィー法を日本では初めて実用化しました。このホログラフィー法をJ-PARCで完成させ、上述の局所構造研究を世界最高精度で進めようとしています。

シリコンの原子構造(結晶構造)
実はダイアモンドと同じです。

ホログラフィー実験用に作成したシリコンの大型単結晶を持つ

研究テーマ: 希土類磁性体での特異な磁性の研究

基礎的な研究として、磁性物理学にもとりくんでいます。磁性(磁石の性質)を持つ元素としては、鉄やコバルトのような元素グループ(遷移金属)やセリウム、ガドリニウム、ディスプロシウムなどの元素グループ(希土類金属)などがあります。このうち、希土類金属は、磁性と電子軌道が渾然一体となっているのが特徴で、それゆえ特徴的な現象がおきます。近年注目されているのは、原子レベルの棒磁石のような磁気双極子、や電荷のような電気単極子だけでなく、より高次の4極子、八極子が重要ということが分かってきました。この研究室では、中性子回折実験や中性子非弾性散乱実験を通して、その希土類磁性の不思議をミクロレベルの理解を介して解明しようとしています。
中性子できめた希土類ホウ化物DyB2C2での特異な90度磁気構造

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