1.

21 COE

QED

COE 15

COE

2.

15 COE

2.1

QED (Quantum

Electrodynamics)

[1-4]

2.2

coupled-perturbed Hartree-Fock (CPHF) LCAO

LiF, CaF2

2.3

Zr Hf [5,6] Gd [5,7]

4

4 SiO2 Zr Hf

[5,6]

2.4

[1,8]

[1,8]

2.5

Al Al

[9]

(8,0)

0.35eV

2.6

GaN AlN

[10,11] GaN

Al

GaN

2.7

MOVPE AlInGaN

t-C4H9

[12]

[13,14]

t-C4H9

2.8

CVD

[15]

2.9

SiO2 [16]

Si O N

N2O N2O SiO2

[1] A. Tachibana, in: S. P. Baker (ed.), Stress Induced Phenomena in Metallization, (2002), pp. 105-116, American Institute of Physics, New York. [2] A. Tachibana, in: K. D. Sen (ed.), Reviews in Modern Quantum Chemistry: A Celebration of the Contributions of Robert Parr, (2002), Chap. 45, pp. 1327-1366, World Scientific, Singapore. [3] A. Tachibana, in: E. Brändas and E. Kryachko (eds.), Fundamental World of Quantum Chemistry: A Tribute to the Memory of Per-Olov Löwdin, Vol. 2, (2003), pp. 211-239, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht. [4] A. Tachibana, “Electronic Energy Density in Chemical Reaction Systems,” J. Chem. Phys., 115, (2001) 3497. [5]

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) (2004) pp. 177-181

1.

2.

2.1

population alignment alignment

[1]

ECR 2.45 GH TRIAM-1M (

) LHD

2.2

alignment

orientation

[2]

[3]

2.3

2.4

0[5]

2.5

[1] A. Iwamae, T. Fujimoto, H. Zhang, D.P. Kilcrease, G. Csanak and K.A. Berrington, Population Alingment

Collisional Radiative Model for Helium-like Carbon: Polarization of emission lines and Anisotropy of the

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Atoms in an Evanescent Field, Phys.Rev.Lett., 92, (2004) 53001.

1.

2.

2.1

2.2

MD

(a)

(b)

2.3

3

AFM

(a)

500

1000

1500

0

1000

500

0

200

1500

Dimension in nm

500

1000

1500

0

1000

500

0

200

1500

Dimension in nm

Tip move dire

ction

(b)

(a) (b)

航空宇宙基礎工学講座構造強度学分野

教授 川原琢治，講師 小川欽也，助手 野島武敏

構造強度学分野では、固体、材料、構造物の強度に関連した諸問題の研究を行っている。研究テーマとして（１）格子や連続体における波動や振動などの非線形現象；（２）ソリトンや離散ブリーザーのような局在構造およびカオス現象の関与する非線形動力学の基礎と応用；（３）折り畳み・展開構造物の力学的挙動；（４）高速変形下における材料の構成式および破壊則；（５）ジャンピングバルーンの開発と動特性の解析などを取り扱っている。何れの研究テーマも材料や構造物の力学的問題に関連しているが、これらの問題を理論解析、数値シミュレーションおよび実験によって考究している。本報では、これらの研究テーマの中から、特に（１）と（２）に関連する研究として「非線形格子における局在波動現象の解析」を取り上げて紹介する。

固体や材料はミクロに見ると分子・原子から構成されているので、いわゆる分子動力学的な取り扱いとして格子モデルによって記述される。また、トラス構造のように各要素が弾性体などによって構成される周期構造物も数学的には格子モデルによって記述される場合がある。このように格子モデルは、ミクロな分子・原子スケールからマクロな周期構造物のスケールに至るまでの現象を記述する数学モデルとなっている。連続体記述における波動は時間・空間についての偏微分方程式で記述されるのに対して、格子モデルは連立常微分方程式であり、時間については連続であるが空間変数は離散的となる。この離散性のために、連続体における波動とは異なる離散系に固有の波動が可能となる。

非線形格子における局在波動の研究が連続体におけるソリトンの研究へと進展したことは周知の通りである。また、戸田格子はソリトン解をもつ可積分な格子方程式の数少ない例として知られている。しかし、非線形格子においては、格子の離散性と非線形性によって、相隣る格子が反対位相で振動する非線形局在モードあるいは離散ブリーザーと呼ばれる光学モード的な局在波動が可能となるが、このことが示されたのは比較的最近のことである。この局在波動は離散系に特有の波動であって、隣接する格子が同位相で振動する音響的なモードとは本質的に異なっている。音響的なモードは連続体の極限で通常のソリトンのような非線形波動につながる波動であるが、離散ブリーザーは格子の離散性が本質的となる格子スケールの変動であり連続体の極限で対応するものは存在しない。ソリトンのような非線形局在波動は非線形性による波の急峻化と波の分散性（あるいは散逸性）とがバランスして形成される。これに対して、離散ブリーザーは非線形性と離散性とのバランスにより形成される。つまり、非線形性により波の急峻化が起こり高波数成分にエネルギーを移そうとするが、離散性のために格子間隔に対応する波数より高い波数は許されないために制約を受け、両者のバランスによって離散ブリーザーが形成されると考えられる。また、非線形性が強くなり振幅が大きくなるほど波動の局在が強くなるため、格子の離散性の影響がより強くなり、離散系に特有の振る舞いを示すことになる。

離散ブリーザーは、格子間隔のスケールで変動する波動であり、衝突相互作用によって振幅の大きい離散ブリーザーが生成され局在が強くなることがある。このため、固体のミクロな破壊現象や周期構造物の強度に大きな影響を与えると予想される。しかし、このような観点からの固体や構造物の強度あるいは破壊の研究はほとんど行われていないのが現状である。このような非線形局在現象の基本的事項を検討するとともに、具体的な破壊現象において離散ブリーザーが果たす役割を明らかにすることを目標に研究を行っている。当研究室の大学院生および報告者が行った研究の一端の概略を以下に述べる。

１）離散ブリーザーの存在条件：　様々な１次元格子モデルに対する離散ブリーザーの存在の有無を比較検討した結果として、離散ブリーザーが存在するためのおおよその条件は、可積分でない格子で、偶奇対称性をもつ格子であることと言える。つまり、隣接格子の逆位相変動を落とす変換を施したときに、格子点に関して偶奇対称性が成り立ち、可積分でない格子の場合に離散ブリーザーが可能になる。例えば、フェルミ・パスタ・ウラム格子の場合には、非線形相互作用のポテンシャルが４次なら偶奇対称性があり離散ブリーザーが存在するが、３次の場合には偶奇対称性がなく離散ブリーザーは存在しない。また、偶奇対称性が成り立たない場合でも、格子点に外部力が付加されたような場合には離散ブリーザーが存在し得る。以上の条件は１次元格子に対する既存の研究結果からの推論であるので確立した条件とは言えない。外部力が加わると離散ブリーザーが存在するようになることなどを考慮すると、より複雑な格子あるいは２・３次元格子の場合に存在の可能性が高くなると予想される。

２）離散ブリーザーの衝突相互作用：２つの離散ブリーザーの衝突相互作用を４次の非線形相互作用ポテンシャルをもつフェルミ・パスタ・ウラム格子について数値シミュレーションによって調べ、エネルギー交換のプロセスを明らかにした。衝突相互作用の様子は位相差とエネルギーに依存して多様であり、エネルギーの交換や束縛状態の形成が観測される。エネルギーが同程度のブリーザー間では複雑なエネルギー交換が起こること、位相の進んでいるブリーザーが他方からエネルギーを吸収すること、エネルギーが等しく同位相のブリーザーは衝突によって束縛状態を形成すること、エネルギー差が大きいときには衝突によってエネルギーが入れ替わることはない等の結果が得られた。

３）準連続体近似による離散ブリーザーの記述：　離散ブリーザーは格子毎に逆位相で変動する波動であるが、この変動を落とす変換を施すと振幅変化を記述する方程式が導ける。これは格子モデルで許される最大波数で規格化した方程式（あるいは最大波数からのずれの波数のスケールの変動を記述する方程式）である。この操作をフェルミ・パスタ・ウラム格子に対して行った後、連続体近似し、さらにパデ近似を適用して高次効果を繰り込むことによって非線形偏微分方程式を導いた。この非線形偏微分方程式の解と上記２）の格子方程式における離散ブリーザーの振る舞いや衝突相互作用を比較し、格子における離散ブリーザーの挙動がこの近似方程式によって定性的に良く記述できることを示した。

４）カオス的ブリーザーの挙動：　非線形格子に初期条件として最大波数モードを与えると変調不安定によって多数の離散ブリーザーを生じる場合がある。これらは相互作用して単一の大振幅ブリーザーとなり、格子中を不規則に移動するが、最終的には崩壊してエネルギーが格子全体に拡がり一種のエネルギー等分配状態になるという過程が知られている。不規則に移動する大振幅ブリーザーはカオス的ブリーザーと呼ばれている。戸田格子に外部力を加えた格子あるいは弾性梁から構成される周期構造のモデルである梁格子においてカオス的ブリーザーが生成されることを確認した。

５）２次元格子における離散ブリーザー：　相互作用がモースポテンシャルで与えられ、外部力をもつ２次元正方格子および三角形格子の最大波数モードに対する初期値問題を数値シミュレーションによって解析し、２次元のカオス的ブリーザーの生成を確認した。正方格子、三角形格子いずれに対しても、２次元的に局在するブリーザーと１次元的に局在するブリーザーが生成され、それが相互作用ポテンシャルの非線形性の強さに依存することを明らかにした。

1.

2.

-FeSi2

1.4 2.0%

-FeSi2

Si(001) -FeSi2

[1]

(1)470ºC Si(001)

(2) 1 2

FeSi2 (3)FeSi2

50% (4) 10atoms/nm2

Si[111]

-FeSi2

-FeSi2 -FeSi2

1: =82

SiO2 SEM

3.

1 3

4.

MOS-FET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)

2nm SiO2 SiNO

SiO2

RBS

4.1

ALCVD HfO2/Si(001) RBS

[2]

(1) 3nm HfO2

(2) 1nm

(3) HfO2 ALCVD

(4) (2)(3) HfO2

(5)

1%

MOS-FET

4.2

(1) ULSI

LSI

La2O3/Si(001) Gd2O3/Si(001) Lu2O3/Si(001)

nm

RBS XPS

(2) CeO2 Si(111)

Ce

Si(111) CeO2 10%

CeO2

CeO2

[1] K. Kinoshita, R. Imaizumi, K. Nakajima, M. Suzuki and K. Kimura, "Formation of Iron Silicide on Si(001)

Studied by High Resolution Rutherford Backscattering Spectroscopy", Thin Solid Films, in press.

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"Strain profiling of HfO2/Si(001) interface with high resolution Rutherford backscattering spectroscopy", Appl.

Phys. Lett. 83 (2003) 296 – 298.

1.

2.

2.1

MgO

MgO

1

2.2

2

2.3

X

a: b: 2

d:3

3

1.

2.

Carbon fiber (CF)

Epoxy}Interphase(Mixture of epoxand ionomer)}Ionomer}

Epoxy}

Interphase}

Distribution of

resinCarbon fiber (CF)

Epoxy}Interphase(Mixture of epoxand ionomer)}Ionomer}

Epoxy}

Interphase}

Distribution of

resin

CFRP

3.

2

2

3.

3

Voxel

Gap Junction

Bone Matrix

Cell Process

Canaliculus

Gap Junction

Bone Matrix

Cell Process

Canaliculus

3

2004 1 1

1.

2. /

3.

Cover glass

MatrixFiber

Acrylic plate

Tab

4

0.0

4

Load0

Micro - Raman spectroscope

Fig.1 Schematic drawing of the Pull-out test with

Raman micro spectroscopy. All dimensionsare in mm.

0 500 1000–1

0

1

2

3

1624

1622

1620

1618

1616

1614

1612

1.60 GPa

2.08 GPa

Distance along fiber m

Fib

er

axia

l str

ess

GP

a

Pe

ak w

ave

nu

mb

er

cm

–1

1.52 GPa

0 GPa

0.56 GPa

1.11 GPa

0 GPa

After debondingBefore debonding

Embedded fiber

Fig.2 Fiber axial stress along the fiber during the

pull-out test

101

102

103

150

160

170

Number of Grains n

Young's

Modulu

s

GP

a

n=23n=52n=100,101n=300n=1200

Mean Value

Fig.4 Relationship between the number of grainsand Young’s modulus.

d

d

Fig.3 FEM model and boundary condition ofpolysilicon.

機械システム工学講座

教授 小寺 秀俊，助教授 神野 伊策，助手 鈴木 孝明

1. はじめに

本研究室ではナノ・マイクロシステム工学の基礎となる薄膜材料の作製プロセスに関する研究からマイクロファブリケーションを用いた MEMS デバイス開発、またデバイスの動作特性に関して実際の測定からシミュレーション技術を用いた最適設計法に至る一連の研究をおこなっています。特に、材料およびシミュレーション技術を融合させてバイオ・メディカル分野への応用を目指したマイクロTASシステムに関する展開を推進しています。

2. インプランタブルホスピタルデバイス

近年の IT 技術の高度な発展は超小型情報機器の開発を可能とし、モバイル、ユピキタスな情報環境をもたらした。これらの技術と医療技術とを統合することによって、ユピキタスメディスンの実現が期待されています。この新しいデバイスをを自現するための中核となる技術として、MEMS

(Micro-Electro-Mechanical Systems) お よ び μTAS(micro Total Analysis Systems)の研究が注目されています。本研究室では、これら個々のデバイスの機能・構造原理に関して研究するとともに、従来の Si プロセスを用いたマイクロマシニング技術、更に樹脂やゴムなどの柔軟性に富む有機材料を利用したマイクロデバイスの製造・加工に関する研究をおこなっています。特に壁面の蠕動運動により液体を流すマイクロポンプやパッシブ型のマイクロミキサーの開発を進めています[1,2]。図 1は PDMSにより作製したマイクロミキサーで、2種類の液体をマイクロチャネル内で効果的に混合させるデバイスです。現在、実際の素子の試作から混合現象の計測、更にシミュレーションによる混合状態の計算予測に至る研究を行っています。

3. MEMS技術を用いたミリ波通信デバイス

高度情報化社会が加速する日、無線通信技術の高度化が求められています。本研究室では次世代大容量高速無線通信技術として期待されているミリ波通信用の各種デバイスをマイクロマシン技術を用いて開発しています。ミリ波デバイスをマイクロ化することにより、従来有線でおこなっていた情報伝達を無線に置き換えることが可能となります。特に小型化、高機能化、モバイル化が必須である現在の情報通信機器の他、ワイヤレスデバイスの開発が求められる人体埋め込み型機器（インプランタブルホスピ

図 1 パッシブマイクロミキサーの構造および混合状態のシミュレーション結果

図2 2層構造の微小導体要素を配置したリコンフィギュラブルミリ波アンテナ

タルデバイス）への統合を視野に入れて研究を進めています。現在、当研究室ではミリ波通信用アンテナと、信号の切換等に用いるミリ波スイッチの研究を進めています[3,4]。図 2は2 層構造の導体要素を配置したミリ波アンテナで、導体要素の配置を変化させることにより指向性や周波数が可変となるリコンフィギュラブルアンテナの開発を進めています。

3. 圧電薄膜材料の開発

センサーとアクチュエータはナノ・マイクロマシンを構成する重要な要素部品です。当研究室では、強誘電体を初めとする機能性材料を用いたマイクロデバイスの研究を進めており、特に圧電材料の薄膜化およびその特性評価に関する研究を進めています[5,6]。圧電材料の特性はその結晶構造に大きく依存し、薄膜化した際の結晶構造と圧電特性の関連について研究しています。更に、薄膜プロセス特有の構造制御技術を用いてナノレベルで組成変調した人工超格子の作製を進めており、更なる機能性向上に取り組んでいます。図 3は多元 RFスパッタ装置の内部で、シャッター操作によりナノレベルの多層膜が形成可能です。

参考文献

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図 3 多層構造薄膜を成膜中の多元 RF

スパッタ装置

1.

Si

3

2.

2.1

1

2.2

2.3

[1] Sadik Hafizovic Jan G. Korvink X

E, 123-9, (2003), 368-375.

[2] , E, 123-12,

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[3] Osamu Tabata et al., Replicate Process for High Density Multichannel Plastic Chip for Genetic Analysis,

International Symposium on Microchemistry and Microsystem, (2003), 51-52.

2

3

1.

21 COE

H15

2.

2.1

(Spark Plasma Sintering; SPS) SPS

( )

ON-OFF

SPS SUS Cu

SPS

2.2

Bingham semi solid/fluid Isostatic Pressing ; BIP

BIP

BIP

BIP

5 1

2.3

NdFeB

[1] F. Tsumori, H. Kume A. Kakitsuji, H. Miyamoto and S. Shima, Novel Powder Compaction Process with

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16 1 1