研究概要 (Research Outline)

我々の研究室では，これまで，SiO2，MgO，BN, MgB2 といった典型元素化合物を基盤とする 光・電子・磁気機能材料の創製と機構解明を目指して研究を行ってきました。一般に，これら典型元素化合物は， その高い熱的，化学的安定性から，遷移金属や希土類元素などの活性イオンを包含するマトリックスとして 利用されることが多い物質群です。しかし，我々は，欠陥構造制御および形態制御により， 遷移金属や希土類元素を加えずとも，高効率紫外・可視発光材料，室温広帯域レーザー発振材料， 室温強磁性材料，半導体/超伝導体複合ナノ複合材料など，多彩な光・電子・磁気機能材料の創製が 可能であることを示してきました。特に，化学の観点から新しい反応経路を開拓するとともに，得られた物質の性質と機能を， 固体の電子構造の観点から解明することを目指しています。

Research topic

最近の研究から


(1) ワイドバンドギャップ半導体の励起子誘導放出機構の解明

ZnO photoluminescence
ZnOなどのワイドバンドギャップ半導体は紫外領域の発光材料として活発に研究が進められています。 我々は，高品位ZnO薄膜の誘導放出過程を，パルスレーザーを励起源に用いて観察しています。 その結果，膜厚が１マイクロメートル近くになると励起子過程による誘導放出現象が 室温付近でも観測されることを見出しました。さらに，励起子の誘導放出過程が約150Kを 境に変遷することを実験的に明らかにしました。また，ZnへのMgがGaのドーピングにより 励起子や関連する電子の誘導放出過程が大きく変化することを明らかにしました。

  • R. Matsuzaki, H. Soma, K. Fukuoka, K. Kodama, A. Asahara, T. Suemoto, Y. Adachi, and T. Uchino
    Purely excitonic lasing in ZnO microcrystals: Temperature-induced transition between exciton-exciton and exciton-electron scattering
    Phys. Rev. B 96 125306 (2017).
  • R. Matsuzaki and T. Uchino
    Effect of size and shape on the excitonic stimulated emission process in ZnO microstructures
    J. Appl. Phys.124 063103 (2018).
  • Shusuke Fujii, Yutaka Adachi, and Takashi Uchino
    Excitonic stimulated emission from MgxZn1−xO films due to enhanced exciton binding energy
    Phys. Rev. B 102 075204(2020).
  • Aika Tashiro, Toshihiro Nakamura, Yutaka Adachi, Yoshiki Wada, and Takashi Uchino
    Fermi-edge singularity and related emission from degenerate semiconductors: Transition from a spontaneous to a stimulated process
    Phys. Rev. B 109 075302 (2024).

(2) 固体中の欠陥発光機構の解明と新規発光材料の創成

photoluminescence
酸化物，窒化物，ホウ化物などの固体材料に欠陥構造を導入すると，その欠陥種特有の電子状態が生み出されます。 その結果，紫外域から赤外域にかけて幅広い波長域で発光が観測されます。 しかし，どのような構造がその発光に寄与しているのかを同定することは容易ではありません。我々は， 独自の欠陥導入技術と理論的考察を元に欠陥発光機構を解明するとともに，その知見をもとに新しい発光材料の創成をめざして 研究を続けています。

(3) 超伝導／常伝導複合材料の合成と超伝導特性の解析，新規物性発現

superconducting nanocomposite
超伝導体中の超伝導電流の担い手は，クーパー対と呼ばれる電子対です。超伝導体が（超伝導を示さない） 常伝導物質と接触するとそのクーパー対が常伝導物質中に染み出し，その常伝導物質も超伝導化します。 この現象は超伝導近接効果と呼ばれていますが，その近接効果に由来する超伝導は非常に弱く不安定であると 考えられていました。近年，我々は，超伝導体であるMgB2が希薄にかつフラクタル的に常伝導物質中に分散すると非常に強い超伝導近接効果が生まれることを見出しました。現在，様々な組成，構造を有する超伝導／常伝導複合材料を合成し，その強い超伝導近接効果の起源を解明するとともに，同材料の新規物性を開拓すべく，研究を進めています。

  • Takashi Uchino, Nanami Teramachi, Ryosuke Matsuzaki, Emi Tsushima, Shusuke Fujii, Yusuke Seto, Kazuyuki Takahashi, Takao Mori, Yutaka Adachi, Yukihito Nagashima, Yoshifumi Sakaguchi, Kazuki Ohishi, Akihiro Koda, Takahiro Sakurai, and Hitoshi Ohta
    Proximity coupling of superconducting nanograins with fractal distributions
    Phys. Rev. B 101 035146 (2020).
  • Nanami Teramachi, Iku Nakaaki, Aoi Hashimoto, Shuuichi Ooi, Minoru Tachiki, Shunichi Arisawa, Yusuke Seto, Takahiro Sakurai, Hitoshi Ohta, Jaroslav Valenta, Naohito Tsujii, Takao Mori, and Takashi Uchino
    Strong phase coherence and vortex matter in a fractal system with proximity-induced superconductivity
    Phys. Rev. B 108 155146 (2023).

(4) 二次元材料の精密観察と新規合成

superconducting nanocomposite
グラフェンに代表される二次元構造やそれらを回転積層して得られたモアレ構造は，新しい機能・物性を発現しうる構造として注目され，近年活発に研究が進められています。我々は，できる限り歪みやコンタミネーションの影響の無い二次元レイヤーを作製するための化学的剥離法を探求しています。その結果，六方晶窒化ホウ素（h-BN）層を回転積層させて得られたモアレ構造の層間ポテンシャルを，透過電子顕微鏡像をもとに再構築することができました。また，近年は，黒鉛やh-BNなどの二次元結晶をできる限り低温，短時間で合成する技術の開発にも取り組んでいます。

  • Takuya Tsujimura and Takashi Uchino
    Oriented Crystallization of Ammonium Sulfate from Hexagonal Boron Nitride/Sulfuric Acid Intercalation Compounds
    ACS Omega 6(9) 6482-6487 (2021).
  • Rina Mishima, Takuro Nagai, Hiroyo Segawa, Masahiro Ehara, and Takashi Uchino
    Atomic-scale observation of moiré potential in twisted hexagonal boron nitride layers by electron microscopy
    J. Phys. Chem. C 129(16) 7813-7822 (2025).