Research （研究内容）

|   電子により材料強度の根源を制御し，革新的な技術を実現する  | 

|   二次元材料・原子層積層構造の力学を解明し，壊れない材料を実現する | 

|   ナノ力学と物性を活かした環境にやさしい柔軟電子デバイスの基盤技術を開拓する   |   

|  ナノ構造体・薄膜の変形と破壊の機構と支配力学を解明する膜装置   |  

 

「電子により材料強度の根源を制御し，革新的な技術を実現する」

われわれ人類は、革新的な製品を生み出すたびに、予期せぬ破壊による大きな損失を経験してきました。こうした問題を防ぐためには、使用する材料がどれくらい強いかを深く理解し、その特性を最大限に活かした製品設計が不可欠です。しかし、材料の強度がどのように決定され、どのようにコントロールできるのかについては、いまだ十分な技術が確立されていません。私たちは、材料に電子や光を照射して余剰な電子を注入することで、材料の特性が劇的に変化する現象に注目しています。例えば、ガラスのように脆い材料が、電子注入によって金属のように変形しやすい性質に変わることもあるのです。この現象を研究することで、材料の強度を根源的に変化させる仕組みを解明し、さまざまな破壊現象に耐える「壊れない材料」の実現を目指しています。この研究を通じて、材料の新たな可能性を切り拓き、持続可能な社会の実現に貢献したいと考えています。

複雑破壊現象を支配する量子超越性の材料力学

Material Mechanics of Quantum Supremacy Governing Complex Fracture Phenomena

科研費：基盤研究(S) 採択課題2024年度～2028年度

 

Anomalous電子によるリライタブル材料強度のナノ力学

Nanomechanics on Rewritable Material Strength by Anomalous Electrons

科研費：基盤研究(S) 採択課題2020年度～2024年度

 

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  1. “Alterable fracture toughness of amorphous silica by injection and removal of electrostatic charge”, Wataru Matsunaga, Seiya Shichino, Takumi Takahashi, Takahiro Shimada, Hiroyuki Hirakata (Scripta Materialia, Vol. 255 (2025), 116375, https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2024.116375)
  1. “Ab initio study of electron-doping effect on shear strength of covalent Si: Insight into electronic brittle-ductile transition”, Hiroki Noda, Shumpei Sakaguchi, Susumu Minami, Hiroyuki Hirakata, Takahiro Shimada (International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 278 (2024), 109454, https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2024.109454)
  1. “Effects of excess electrons/holes on fracture toughness of single-crystal Si”, Hiroyuki Hirakata, Shigekazu Homma, Hiroki Noda, Shumpei Sakaguchi, Takahiro Shimada (Journal of Applied Physics, Vol. 133 (2023), 035101, https://doi.org/10.1063/5.0123580)
  1. “Electronic strengthening mechanism of covalent Si via excess electron/hole doping”, Hiroki Noda, Shumpei Sakaguchi, Ryoga Fujita, Susumu Minami, Hiroyuki Hirakata, Takahiro Shimada (Scientific Reports, Vol. 13 (2023), 16546, https://doi.org/10.1038/s41598-023-42676-z)
  1. “Reversible control of intrinsic shear strength of a ZnO single crystal through electron-beam-induced hole state”, Hiroyuki Hirakata, Kyohei Sano, Takahiro Shimada (Journal of Materials Research, Vol. 36 (2021), 4438-4448, https://doi.org/10.1557/s43578-021-00399-9)
  1. “Electron-beam irradiation alters bond strength in zinc oxide single crystal”, Hiroyuki Hirakata, Kyohei Sano, Takahiro Shimada (Applied Physics Letters, Vol. 116 (2020), 111902, https://doi.org/10.1063/5.0002103)
  1. “Electron-beam enhanced creep deformation of amorphous silicon nano-cantilever”, Hiroyuki Hirakata, Kenta Konishi, Toshiyuki Kondo, Kohji Minoshima (Journal of Applied Physics, Vol. 126 (2019), 105102, https://doi.org/10.1063/1.5116663)

 

「二次元材料・原子層積層構造の力学を解明し，壊れない材料を実現する」

材料は力を受けると変形し、やがて損傷が進行して最終的に破壊に至ります。破壊は通常不可逆な現象であり、一度発生すれば元の状態に戻ることはありません。しかし、長期にわたり壊れない材料を実現することは、材料研究における究極の目標です。当研究室では、二次元材料（原子層材料）を密接積層された「原子層積層構造」に注目しています。この構造体は、層間に強い結合を持たず、ファンデルワールス力などの弱い相互作用によって層同士が吸着しているため、大きな曲げ変形を許容し、破壊しにくい特性を示します。この原子層積層構造に見られる「長期にわたり壊れない特性」の発現機構と、その背景にある普遍的な力学法則を解明することを目指しています。これにより、高強度でありながら「壊れない」「疲労しない」材料を自在に設計するための新しい学術基盤を構築し、持続可能な社会の発展に寄与することを目指しています。

 

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  1. “Nano-thick surface-modified layer governs bending deformation of micrographite”, Wataru Matsunaga, Kiyohiko Kajiyama, Hiroyuki Hirakata (Carbon, Vol. 231 (2025), 119712, https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119712)
  1. “Analyzing the bending deformation of van der Waals-layered materials by a semi-discrete layer model”, Masao Akiyoshi, Takahiro Shimada, Hiroyuki Hirakata (Journal of Applied Physics, Vol. 134 (2023), 175102, https://doi.org/10.1063/5.0170037)
  1. “High fracture toughness in van der Waals-layered MoTe2: Disappearance of stress singularity”, Hiroyuki Hirakata, Masao Akiyoshi, Ryoichi Masuda, Takahiro Shimada (Engineering Fracture Mechanics, Vol. 277 (2023), 108974, https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2022.108974)
  1. “Bending deformation and self-restoration of submicron-sized graphite cantilevers”, Masao Akiyoshi, Shunya Koike, Takahiro Shimada, Hiroyuki Hirakata (Acta Materialia, Vol. 241 (2022), 118381, https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118381)
  1. “Interlaminar fracture toughness measurement of multilayered 2D thermoelectric materials Bi2Te3 by a tapered cantilever bending experiment”, Pan Wang, Kaifa Wang, Baolin Wang, Li Xi, Kyohei Sano, Takahiro Shimada, Hiroyuki　Hirakata, Daining Fang (Experimental Mechanics, Vol. 62 (2022), 165-180, https://doi.org/10.1007/s11340-021-00761-2)

 

「ナノ力学と物性を活かした環境にやさしい柔軟電子デバイスの基盤技術を開拓する」

MoS2多層二次元材料のフレキソエレクトリック特性
Flexoelectric Properties of Multilayer Two-dimensional Material MoS2

圧電応答力顕微鏡を用いて、金薄膜上に設置したMoS2多層原子層材料の電気-機械応答を評価しました。図は、導電性探針を用いて多層MoS2に対して交流電圧を印加し、電場と同期する変形応答を像として示しています。多層MoS2は積層方向に圧電性が存在しないにも関わらず、明確な変形応答が観測されました。この変形は、電場勾配に起因する逆フレキソエレクトリック効果によってもたらされたと考えています。

 

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  1. “Flexoelectric properties of multilayer two-dimensional material MoS2”, Hiroyuki Hirakata, Yasuyuki Fukuda and Takahiro Shimada (Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 55 (2022), 125302, https://doi.org/10.1088/1361-6463/ac4367)
  1. “An amorphous Cr2Ge2Te6/polyimide double-layer foil with an extraordinarily outstanding strain sensing ability”, Yinli Wang, Yi Shuang, Mihyeon Kim, Daisuke Ando, Fumio Narita and Yuji Sutou (Materials Horizons, Vol. 11 (2024), 5631-5640, https://doi.org/10.1039/D4MH00616J)

 

「ナノ構造体・薄膜の変形と破壊の機構と支配力学を解明する」

当研究室では、ナノ薄膜やナノ構造体の機械的特性や強度を解明する研究に取り組んでいます。特に、これらの材料が示す特異な寸法効果に着目し、ナノスケールならではの力学挙動を解明することを目指しています。単調な外力による破壊に加え、き裂の進展特性や疲労、クリープによる長期的な破壊現象といった複雑なプロセスを対象に、詳細なメカニズムを探求しています。私たちの研究の特徴は、最先端の実験技術を駆使し、ナノスケールで発現する力学現象と破壊メカニズムを高精度で解析できる点にあります。これにより、従来の経験則に依存しない合理的かつ定量的な設計指針を提供することが可能になります。航空宇宙機器や柔軟電子デバイスといった多様な分野での応用が期待されるとともに、持続可能な社会の実現に貢献することを目指しています。

 

Cuナノ薄膜の破壊じん性に及ぼす膜厚効果
Effects of Film Thickness on Fracture Toughness in Cu Nanofilms

基板から自立したサブミクロン～ナノメートル厚さのCu薄膜の破壊じん性を非線形破壊力学パラメータである限界き裂先端開口変位（Critical CTOD）に基づいて評価しました。膜厚が約40 nmから2600 nmの範囲で、膜厚の縮小に伴い破壊じん性が低下する膜厚効果を示します。

Auマイクロ単結晶のクリープ特性に及ぼす寸法効果
Size Effect on Creep Behavior of Micrometer-Sized Single-Crystal Gold

サブマイクロメートルサイズのAu単結晶の室温クリープでは、変形の停滞と急速なひずみ急増を伴うバルク材とは異なる変形特性を示します。また、寸法の縮小に伴うひずみ速度が低下する寸法効果が表れます。

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  1. “Size effect on tensile creep behavior of micrometer-sized single-crystal gold”, Hiroyuki Hirakata, Kousuke Shimbara, Toshiyuki Kondo, Kohji Minoshima (Materialia, Vol. 1 (2018), pp. 221-228, https://doi.org/10.1016/j.mtla.2018.05.004)
  1. “Thickness effects on fatigue crack propagation in submicrometer-thick freestanding copper films”, Toshiyuki Kondo, Hiroyuki Hirakata, Kohji Minoshima (International Journal of Fatigue, Vol. 103 (2017), pp. 444-455, https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2017.06.029)
  1. “Creep crack propagation in gold submicron films at room temperature”, Hiroyuki Hirakata, Takumi Kameyama, Ryota Kotoge, Toshiyuki Kondo, Masayuki Sakihara, Kohji Minoshima (International Journal of Fracture, Vol. 201 (2016), pp. 127-141, https://doi.org/10.1007/s10704-016-0104-z)
  1. “Effects of film thickness on critical crack tip opening displacement in single-crystalline and polycrystalline submicron Cu films”, Hiroyuki Hirakata, Takuya Yoshida, Toshiyuki Kondo and Kohji Minoshima (Engineering Fracture Mechanics, Vol.159 (2016), pp. 98-114, https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2016.03.031)
  1. “Fatigue crack closure in submicron-thick freestanding copper films”, Toshiyuki Kondo, Takaki Ishii, Hiroyuki Hirakata and Kohji Minoshima (Materials Science and Engineering A, Vol. 643 (2015), pp. 96-108, https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.07.023)
  1. “Mechanics of fatigue crack initiation in submicron-thick freestanding copper films”, Toshiyuki Kondo, Xiaochen Bi, Hiroyuki Hirakata and Kohji Minoshima (International Journal of Fatigue, Vol. 82 (2016), pp. 12-28, https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2015.08.019)
  1. “Direct observation of the thickness effect on critical crack tip opening displacement in freestanding copper submicron-films by in situ electron microscopy fracture toughness testing”, Hiroyuki Hirakata, Yuki Takeda, Toshiyuki Kondo and Kohji Minoshima (International Journal of Fracture, Vol. 192 (2015), pp. 203-216, https://doi.org/10.1007/s10704-015-0003-8)
  1. “Effects of stress ratio on fatigue crack propagation properties of submicron-thick freestanding copper films”, Toshiyuki Kondo, Takahiro Imaoka, Hiroyuki Hirakata, Masayuki Sakihara and Kohji Minoshima (Acta Materialia, Vol. 61 (2013), pp. 6310-6327, https://doi.org/10.1016/j.actamat.2013.07.017)
  1. “The effect of thickness on the steady-state creep properties of freestanding aluminum nano-films”, Hiroyuki Hirakata, Naomichi Fukuhara, Shoichi Ajioka, Akio Yonezu, Masayuki Sakihara and Kohji Minoshima (Acta Materialia, Vol. 60 (2012), pp. 4438-4447, https://doi.org/10.1016/j.actamat.2012.04.036)
  1. “Size effect on fracture toughness of freestanding copper nano-films”, Hiroyuki Hirakata, Osamu Nishijima, Naomichi Fukuhara, Toshiyuki Kondo, Akio Yonezu and Kohji Minoshima (Materials Science and Engineering A, Vol. 528 (2011), pp. 8120-8127, https://doi.org/10.1016/j.msea.2011.07.071)

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