2020 Fiscal Year Annual Research Report
Nanomechanics on rewritable material strength by anomalous electrons
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20H05653
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
平方 寛之 京都大学, 工学研究科, 教授 (40362454)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
嶋田 隆広 京都大学, 工学研究科, 准教授 (20534259)
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| Project Period (FY) |
2020-08-31 – 2025-03-31
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| Keywords | 材料強度 / 電子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、最も微小な要素である電子に着目し、Anomalous電子（余剰電子/ホール）が原子間結合強度を変化させる機構を解明して、材料の強度・機械的特性を書き換える学理を構築することを目的とする。このため、電子を材料に注入・保持・吸引する技術、その変形・強度特性を評価する実験技術を発展させ、Anomalous電子による材料強度の書き換えを実証・評価する。また、実験結果を量子論的解析（第一原理解析）により評価することで、注入電子がどのような力学状態を形成するかを解析する。本年度は、１．実験システムの構築と２．電子/ホール注入材に対する第一原理解析の計算環境整備に取り組んだ。本年度の研究実績は以下の通りである。
１．実験システムの構築：本研究では、原子間結合強度に及ぼすAnomalous電子の影響を実証・評価するため、電子量を制御（注入・保持・吸引）した微小試験体に対する強度実験を行う。このための実験システムを整備した。試験システムのプラットフォームとして、大型試料チャンバーを具備する熱電子放出型走査電子顕微鏡（SEM）、およびショットキー電界放射型走査電子顕微鏡（FESEM）と集束イオンビーム装置（FIB）のデュアルビーム装置を導入した。Anomalous電子の制御方法として、電子銃による電子照射および導電性探針による電子/ホール注入技術を用いる。このため、導電性探針による電荷注入装置（電圧印加プローブ）を開発して、現有のその場SEM観察力学試験装置に組込み、調整を行った。さらに本装置を、導入したSEMに組込み、必要な改造・調整を行った。
２．第一原理解析の計算環境整備：Anomalous電子が強度を書き換える現象の力学法則を量子論に基づいて厳密に解析・解明するため、量子力学に基づく第一原理解析を行うためのコーディングならびに計算環境の整備を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
初年度に計画していた、１．実験システムの構築、ならびに２．電子/ホール注入材に対する第一原理解析の計算環境整備をおおむね計画通りに遂行できた。１．において、システムのプラットフォームとして導入したSEMに、現有の力学試験装置を組込んで調整を行った。これにより、試験片に対して所望の角度から電子線を照射してAnomalous電子を注入するとともに、基礎的な強度実験を実施することが可能になった。さらに、SEMの導入に際して、カソードルミネッセンスの検出が可能な高感度低真空検出器のオプションを追加することで、電子の励起状態を評価でき本研究に有用な情報が得られることに気づいた。そこで、当初の計画にはなかったが、本検出器を導入して必要な調整を行った。本年度の取組みにより、電子線照射による電子/ホール注入技術および圧子負荷による強度実験方法を開発・実施するための実験システムを構築することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
実験システムの整備をさらに進めるとともに、基礎的な実験・解析を実施していく。
１．導入したデュアルビーム装置に、現有の力学試験装置および電子注入装置を組込む改造を行う。構築した実験装置を用いて、典型的な共有結合性およびイオン結合性材料であるシリコン（Si）や酸化亜鉛（ZnO）などを対象として、電子／ホールの注入特性および強度特性に関する基礎データを取得する。さらに、デュアルビーム装置の集束イオンビーム（FIB）加工を用いて、後年に実施するナノ構造試験体の加工に関する基礎的検討を行う。
２．Anomalous電子がもたらす特異な強度特性を評価し、これを支配する破壊機構を解明するための解析基盤を構築する。構築した装置・手法を用い、共有結合、イオン結合、金属結合など典型的な結合状態を有する代表材料を対象として、Anomalous電子注入材に対する予備的な強度解析を実施する。
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