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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

本来材料が自然に持ち得る電子とは異なる余剰な電子／ホール（Anomalous電子）が原子間結合に干渉することで多様な材料の強度・機械的特性を書き換える根源的なメカニズムを解明して、普遍的な学理を構築することを目指しています。このため、電子量を制御した微小体積試験体への強度実験と量子論的（第一原理）解析により、Anomalous電子による強度変化特性を解明する研究に取り組んでいます。
The purpose of this research project is to elucidate the fundamental mechanism of how excess electrons/holes, i.e., anomalous electrons, interfere with interatomic bonds and rewrite the strength and mechanical properties of various materials, and finally to establish a universal theory behind the exotic phenomena.

関連参考文献　References
“Electron-beam enhanced creep deformation of amorphous silicon nano-cantilever”
Hiroyuki Hirakata, Kenta Konishi, Toshiyuki Kondo, Kohji Minoshima
(Journal of Applied Physics, Vol. 126, 105102, 2019 , https://doi.org/10.1063/1.5116663)

“Electron-beam irradiation alters bond strength in zinc oxide single crystal”
Hiroyuki Hirakata, Kyohei Sano, Takahiro Shimada
(Applied Physics Letters, Vol. 116, 111902, 2020, https://doi.org/10.1063/5.0002103)

“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)

二次元材料・原子層構造体の力学とマルチフィジックス特性
Nanomechanics and Multi-Physics Properties of 2D Materials/Atomic Layered Materials

二次元材料・原子層材料は究極に薄い材料であり、一原子層または数原子層から構成される層状の結晶です。面内方向に共有結合やイオン結合などで強く結合しており、高い剛性と強度を有します。また、原子層材料を積層させた多層原子層材料は、層間に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で吸着してます。高強度の原子層状材料をゆるやかな相互作用で積層させた多層原子層材料は、破壊することなく巨大な曲げ変形を許容します。さらに、大きなヒステリシスを伴いながらも、除荷により形状が復元する特性を示します。このような原子層状構造とそれらの積層階層性に起因する力学現象の詳細なメカニズムを解明することで、高強度でありながら破壊しない材料を実現する学術的基盤を確立できると考えています。また、多層原子層材料の電気-機械マルチフィジックス現象を解明する研究にも取り組んでいます。

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。

関連参考文献　References
“Flexoelectric properties of multilayer two-dimensional material MoS₂”
Hiroyuki Hirakata1, Yasuyuki Fukuda and Takahiro Shimada
(Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 55 (2022), 125302, https://doi.org/10.1088/1361-6463/ac4367)

“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)

ナノ構造体・薄膜の変形と破壊の機構と支配力学
Mechanics and Mechanisms on Deformation and Fracture of Nanomaterials and Thin films

ナノ薄膜やナノ構造体の機械的特性や強度およびそれらに及ぼす寸法効果を解明する研究に取り組んでいます。単調な外力の負荷による破壊のみならず、き裂の進展特性、疲労やクリープによる破壊など、多様な破壊現象の解明を目指しています。

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。

関連参考文献　References

Cu薄膜の破壊じん性に及ぼす寸法効果
“Fracture toughness of freestanding copper films with a thickness of 39 nm”
Toshiyuki KONDO, Kazuki HIRAMINE, Hiroyuki HIRAKATA, Kohji MINOSHIMA
(Engineering Fracture Mechanics, Vol.200 (2018), pp. 521-531)

“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)

“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)

Al薄膜のクリープ特性に及ぼす寸法効果
“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)

Cu薄膜の疲労き裂進展特性に及ぼす寸法効果
“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)

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 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)