Nagoya Repository

論　文
　　Hydrogen Supply Chain and its Impacts on Energy Storage and Carbon Neutrality
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 SUN Qian，MENG Xiangyu      1
XUE Jinjun，ZHANG Haoran　　　
ZENG Jing　　　
　　投資の意思決定の統合表現で見るリバランスの特異性とパズルの考察
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 中島英喜    11
　　エコロジー的近代化との比較から見た中国の生態文明
　　　　―理論・政策及び国家戦略の業績評価指標の分析を通じて―
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 韓　　丹    27
　　Analyzing the Effect of HAGC Policy on Refrigerator Ownership and Dietary Habits:
　　　　Insights from 2SLS
  CHEN Siqi    47
ISSN    2434-5741
（オンライン）
2025. 3
72-3・4
ARTICLES
　　Hydrogen Supply Chain and its Impacts on Energy Storage and Carbon Neutrality
　　　　　　　SUN Qian, MENG Xiangyu      1
XUE Jinjun, ZHANG Haoran　　　
ZENG Jing　　　
　　A Study of the Puzzle about Risk Taking Considering the Specificity of Portfolio
　　　　Rebalancing with an Integrated Framework of Investment Decision-Making
　　　　　　　 NAKASHIMA Hideki    11
　　China’s Ecological Civilization in Comparison with Ecological Modernization
　　　　 : Through an Analysis on Theories, Policies, and Performance Evaluation  
Indicators of State Strategies
　　　　　　　 HAN Dan    27
　　Analyzing the Effect of HAGC Policy on Refrigerator Ownership and Dietary Habits:
　　　　Insights from 2SLS
　　　　　　　 CHEN Siqi    47
THE  ECONOMIC  SCIENCE
CONTENTS
EDITED BY
GRADUATE SCHOOL OF ECONOMICS
NAGOYA UNIVERSITY
NAGOYA, JAPAN
Vol.  72 March      2025 No. 3・4


Japanese

表紙・目次

髙橋, 聡史

Takahashi, Satoshi

別紙４ 
 
 
 
 
主 論 文 の 要 旨 
 
論文題目 
氏 名  髙橋 聡史 
 
論 文 内 容 の 要 旨 
 
π電子系へのカチオン性の付与は、その物性を大きく変える上での有用な手法の一つである。カル
ボカチオン種の Lewis酸性により生じる潜在的な不安定性の問題から、機能性材料への応用を指向す
る上では、π電子系を安定化する戦略が重要となる。これまでに、かさ高い置換基や電子供与基の導
入、共鳴による正電荷の非局在化、平面固定化が安定性を向上させるための戦略として有効であるこ
とが報告されており、これらを組み合わせることで様々な機能性分子が生みだされてきた。最近、非
ベンゼノイド芳香族であるアズレンを導入することで、正電荷を含む骨格が分極安定化されることが
報告されている。この報告では、トロピリウムを含む共鳴による安定化法に加え、従来とは異なる新
たなカチオン性π電子群を設計する上でのモチーフが提案されており、重要であるといえる。これま
でに、14 族元素であるケイ素で架橋された誘導体が、正電荷をジアズレニルメチルカチオンとして、
分極安定化することが報告されている。これに対し、筆者は、架橋部位を適切に変換することで、正
電荷がトロピリウムとしての部分安定化ではなく、より非局在化して安定化された“カチオン性ジア
ズレノメテン”として機能させることができるのではないかと考えた。この分子設計により、電子状
態や凝集状態における集合様式をも変化させることで、カチオン性π電子系の化学の新展開を期待す
ることができる。以上の観点から、本論文では、架橋部位の変更による“π電子系のさらなる安定化”、
“集合様式の制御と電荷輸送特性の発現”、および“奇数員環のみで構成されるカチオン性π電子系
の創製”について検討した結果がまとめられており、序論、本論三章、結言によって構成されている。 
第一章では、ジアズレニルメチルカチオンを硫黄で架橋した化合物の合成と安定性、および積層体
の形成に基づく電荷輸送特性の発現について論じている。これまでのケイ素架橋体は、ケイ素上の置
換基がπ平面に直交して存在する結果、π–π相互作用が部分的に阻害され、結晶状態においてずれ
た積層構造を形成した。これに対し、架橋元素を 2 価の 16 族元素である硫黄に変更することで、硫
黄の非共有電子対の関与に基づくカチオン性π電子系のさらなる安定化に加え、結晶状態において、
高い平面性を反映し、より強い分子間π–π相互作用が発現することを期待した。 
6-ブチルアズレンの2位にヨード基を導入したのち、(n-Bu3Sn)2Sを用いたカップリング反応により、
ジ(2-アズレニル)スルフィドを得た。続いて、Vilsmeier 反応剤の発生を伴う環化反応により、ジアズ
レニルメチルカチオンを硫黄で架橋したのち、種々のアルカリ金属塩と反応させることで、対アニオ
ンとしてCl–やBArF4– (ArF = 3,5-(CF3)2C6H3)、SbF6–を有する種々の誘導体を合成した。これらは、形式
的には第二級カルボカチオンであるが、pH 10の塩基性条件においても分解せず、これまでのケイ素
架橋体よりも高い安定性を示した。理論計算により、アズレンの縮環に加え、硫黄で架橋することで、
π骨格全体を介したグローバル芳香族性が現れ、正電荷の非局在化を通じ、安定性の向上に寄与する
報告番号 ※  甲  第     号 
学位報告４ 
Chemistry of Positive Charge-Delocalized Diazulenomethenes 
(正電荷が非局在化したジアズレノメテンの化学) 
カチオン性ジアズレノメテンとしての寄与の発現が示唆された。結晶状態におけるパッキング構造を
比較すると、BArF4–を対アニオンとする誘導体は、カチオン種とアニオン種が交互に積層した構造を
形成した一方で、SbF6–を対アニオンとする誘導体では、カチオン種が単独で積層した構造体の形成が
確認された。相互作用エネルギー成分分割解析を行った結果、π−π相互作用に起因する分散力が、
静電反発のために通常不利となる電荷種分離型の積層構造の形成を可能にすることが示唆された。ま
た、積層体に対して時間分解マイクロ波伝導度(TRMC)測定を行うことで、SbF6–を対アニオンとする
誘導体が 1.7 cm2/Vsという高いキャリア移動度を示すこと、および生じたキャリアが対アニオンによ
る遮蔽を受けながら再結合を行う電荷種分離型の積層構造に関連したキャリア伝導プロセスを明ら
かにすることにも成功した。 
第二章では、高周期カルコゲン元素で架橋されたカチオン性ジアズレノメテンの合成と、カルコゲ
ン–ハロゲン相互作用を介したイオン種の積層、電荷輸送特性について論じている。カルコゲン元素
を含む相互作用は、触媒やアニオン認識型のセンサーに活用されてきたが、イオン性π電子系の積層
様式の精密調整に用いられた例は報告されていない。この相互作用は、分極した高周期のカルコゲン
元素に対して大きくなることから、ジアズレニルメチルカチオンをセレンやテルルで架橋した誘導体
に対し、カルコゲン–ハロゲン相互作用が積層様式や電荷輸送特性に与える影響を調査した。 
16族元素で架橋した誘導体では、元素が高周期になるほど、架橋部が関与した軌道のエネルギー準
位が上昇し、占有軌道におけるエネルギー準位の序列が入れ替わる結果、吸収および蛍光スペクトル
が長波長側へシフトすることを明らかにした。また、結晶状態では、セレンやテルルで架橋した誘導
体において、対アニオンである SbF6–に含まれるフッ素がカルコゲン元素と相互作用した電荷種分離
型の積層構造の形成が見られた。理論計算により、対アニオンに含まれるフッ素の n軌道とカルコゲ
ン–炭素結合の σ*軌道との間の相互作用が確認され、テルル架橋体では、その相互作用による安定化
効果がより大きくなることが示された。さらに、この積層体に対して TRMC測定を行うことで、セレ
ンおよびテルル架橋体が硫黄架橋体を超える高いキャリア移動能を有することを明らかにした。 
第三章では、ジアズレニルメチルカチオンをエテンで架橋した分子の合成と物性について論じてい
る。第一章と第二章において骨格を架橋していたカルコゲン元素を、等電子構造をもつエテンで置換
したジアズレノトロピリウムは、5員環と 7員環が交互に五つ縮環した、ペンタセンと等電子構造を
もつ特異なカチオン性炭化水素である。このジアズレノトロピリウムに加え、エテン架橋部にベンゼ
ン環やアズレン環が縮環した誘導体を合成し、光物性を含む各種物性を評価した。 
これらの化合物は、エテン、ベンゼン、アズレンでそれぞれ架橋されたビアズレンに対し、Vilsmeier
反応剤の発生を伴う環化反応を行うことで合成した。エテン架橋体では、環化反応の前後で 1H NMR
におけるエテン部位のプロトンの化学シフト値が 0.9 ppm程度低磁場にシフトしており、正電荷がエ
テン架橋部まで非局在化し、ジアトロピック環電流が誘起されていることが示唆された。このことは、
理論計算により、π骨格全体を介したグローバル芳香族性の発現が示された結果からも支持されてお
り、カチオン性ジアズレノメテンとしての性質が現れていることが示唆された。一方、エテン架橋部
位にベンゼンを縮環すると、π共役系が拡張されるにもかかわらず、最長吸収帯が短波長側にシフト
した。理論計算の結果、これはエテン架橋部位とπ拡張により加わる cis-ブタジエン部位の軌道相互
作用により、非占有軌道におけるエネルギー準位の序列が入れ替わるためであることが示唆された。
このような軌道の入れ替えは、非ベンゼノイド芳香族であるアズレンをエテン架橋部に縮環した場合
には起こらず、その場合には吸収および蛍光帯の長波長シフトが見られた。また、サイクリックボル
タンメトリー測定により示唆された、パーフルオロペンタセンやフラーレンよりも低い LUMO のエ
ネルギー準位に着目し、一電子還元を行ったところ、EPR測定により、非常に複雑な超微細構造を示
すシグナルが観測され、5員環と 7員環の縮環からなる非ベンゼン系炭化水素骨格が、正電荷だけで
なく、ラジカル種におけるスピンも非局在化することが示された。 
以上の成果は、アズレンの分極性を活かしたカチオン性π電子系の新しい安定化および設計指針と
ともに、対アニオンとの相互作用に基づく積層様式の制御を通じた電荷キャリア輸送材料への応用に
関し、重要な知見を与えるものである。本研究により得られた成果は、有機薄膜トランジスタに代表
される電子材料をはじめとし、材料科学の発展に大きく貢献するものと期待される。 
学位関係 


English

Chemistry of Positive Charge‐Delocalized Diazulenomethenes

野村, 浩平

NOMURA, Kohei

別紙４ 
 
 
 
 
主 論 文 の 要 旨 
 
論文題目  Development of methods for gene synthesis and 
expression control using chemically modified nucleic acids 
(化学修飾核酸を用いた遺伝子の合成及び発現制御法の開発) 
氏 名       野村 浩平 
 
論 文 内 容 の 要 旨 
 
 遺伝情報はセントラルドグマと呼ばれる基本原理に基づいて伝達される。DNA
に含まれる遺伝情報が RNA に転写され、その情報をもとにタンパク質に翻訳され
る。これらのタンパク質は、酵素やホルモン、受容体などとして生命維持に不可欠
な様々な機能を果たす。発現したタンパク質の量と機能を制御することは、病気の
治療や生命科学研究において極めて重要である。セントラルドグマの上流である
RNA や DNA を操作することにより、タンパク質の発現や機能を制御することが可
能である。しかし、天然の核酸のみでは所望の効果を得ることは困難である。そこ
で本研究では、化学修飾核酸を新たに設計・合成し、その効果を評価することで、
生命現象を制御することを計画した。 
 第 1 部第 1 章では、ゲノム合成を志向した DNA 連結技術の開発について説明す
る。DNA 連結は一般に、断片同士を貼り付けるための接着剤の役割を持つ構造 (接
着末端) を形成することを伴う。したがって、この接着末端を形成することは非常
に重要である。従来、接着末端の形成には制限酵素が用いられてきたが、制限酵素
は 4塩基の接着末端しか形成できず、また、その認識配列は 6塩基の長さしかない。
したがって、長鎖の DNA 断片の連結には不向きである。この問題に対処するため、
私はリン酸部に o-ニトロベンジル基を導入した化学修飾核酸を開発した。この修飾
をプライマーに導入し (PCR 停止プライマー)、PCR を行うことで、任意の配列と
鎖長の接着末端を有する DNA 断片を自由に設計・合成することを可能にした。従
来の制限酵素を用いた方法とは異なり、この方法では 50 塩基長を超える接着末端
報 告 番
号 
※  甲  第     号 
学位報告４ 
を設計できるため、制限酵素法と比較して DNA の連結効率が大幅に向上した。接
着末端が任意の配列に設計が可能なこと、高い連結効率を有していることから、制
限酵素を用いた手法では困難であった、DNA 断片の 4 断片同時連結によるλファ
ージゲノム（48.5 kbp）の合成に成功した。 
 第 1 部第 2 章では、翻訳効率の高い環状 mRNA を設計するための 5'-UTR 配列
のスクリーニングについて述べている。環状 mRNA は直鎖状 RNA と比較して生体
内での安定性が高く、mRNA 治療薬の新しい形として期待されている。本研究では、
第 1 章で開発した DNA 連結技術を用いて、5'-UTR 配列が異なる鋳型 DNA を調製
した。5'-UTR を含む前半部分と、共通の配列である後半部分を別々に合成し、後
から連結することで多種類の鋳型 DNA の効率的な合成に成功した。また、PCR 停
止プライマーを用いた手法を用いることで、スクリーニングを行う配列中に制限酵
素の認識部位が出現することによる意図しない鎖切断を回避することができ、ラン
ダムに設計した50種類の5'-UTR配列を効率的にスクリーニングすることができた。
その結果、環状 mRNA の高い翻訳効率に寄与する配列が同定され、PCR 停止プラ
イマーを用いた手法が効率的なライブラリー構築法として有用であることが示さ
れた。 
 第 2 部では、低分子干渉 RNA（siRNA）のオフターゲット効果の低減を目的と
した化学修飾核酸の開発について説明する。siRNA のオフターゲット効果は、
siRNA が意図しない mRNA に部分的に作用することで起こり、siRNA 医薬の副作
用の原因の 1 つとされている。この問題を解決するために本研究では、2'位にホル
ムアミド基を持つ化学修飾核酸を開発した。2'ホルムアミド修飾は、天然の 2'ヒド
ロキシ基より多くの水素結合を形成できる。そのため、タンパク質との新たな相互
作用により、機能の向上が期待された。また、この修飾を RNA 鎖に導入すると、
二本鎖 RNA の形成を不安定化させることが明らかになった。そこで、2'-ホルムア
ミド修飾を実際に siRNA に導入すると、標的遺伝子に対する siRNA 活性は維持さ
れ、オフターゲット効果のみを効果的に抑制した。この要因として、2'-ホルムアミ
ド修飾により二本鎖 RNA の形成が不安定されたことが考えられる。それに加え、
RNA 干渉に関わるタンパク質である Argonaute2 とホルムアミド基との新たな相
互作用に起因する siRNA の構造変化により、非標的配列との結合が阻害されたこ
ともオフターゲット効果を低減させた要因の一つであると考えられる。本研究によ
り得られた結果は、siRNA 医薬品の特異性を高め、より安全な siRNA 医薬品の開
発につながる可能性がある。 
 以上の発見は、新たに設計・合成した化学修飾核酸を導入することにより、生命
化学現象を基にした技術や治療薬の、天然核酸だけでは達成できなかった機能的な
展望を広げる可能性を示している。 
学位関係 


Development of methods for gene synthesis and expression control using chemically modified nucleic acids

深津, 孝平

別紙１－１ 
 
 
論文審査の結果の要旨および担当者 
 
 
 
 
 
 
氏 名 深津 孝平 
論 文 題 目 
Analysis of light-induced stomatal opening through comprehensive  
phosphoproteomics in guard cells  
(孔辺細胞プロトプラストの網羅的ホスホプロテオミクスに基づく気孔開
口メカニズムの解析) 
 
 
論文審査担当者 
主 査 名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所 教 授  
博士(理学) 木 下 俊 則 
委 員 名古屋大学大学院理学研究科 教 授     博士(農学) 松 林 嘉 克 
委 員 名古屋大学遺伝子実験施設 教 授         博士(農学) 多 田 安 臣 
   委 員 名古屋大学大学院生命農学研究科 教 授   博士(農学) 中 道 範 人 
 
 
 
 
 
 
 
 
報告番号 ※  甲  第     号 
学位報告１－１ 
別紙１－２ 
植物に存在する気孔は一対の孔辺細胞からなる孔であり、周辺環境の変化によって開閉するこ
とで大気とのガス交換を調整している。気孔は光、特に青色光に応答して開口する。青色光が
青色光受容体フォトトロピンによって受容されると、リン酸化などを介したシグナル伝達を経
て、細胞膜 H+-ATPase の C 末端から 2 番目のスレオニン (pen-Thr) がリン酸化され、活性化
される。活性化した細胞膜 H+-ATPase は K+の流入を誘導し、K+の陽電荷はデンプンの分解に
よって生成されるリンゴ酸イオンなどの陰イオンによって中和され、電荷バランスを維持した
浸透圧の上昇が引き起こされる。気孔開口メカニズムは生理・生化学解析に加え、順遺伝学ス
クリーニングによって解析が進められてきた。しかしながら、順遺伝学スクリーニングでは冗
長性因子の同定が困難である。そこで本研究では既知のシグナル伝達因子にリン酸化反応に関
与する因子が多いことに着目し、孔辺細胞内のリン酸化タンパク質を網羅的ホスホプロテオミ
クスにより検出することで新規の気孔開口関連因子を同定することを目的とした。 
  材料として孔辺細胞プロトプラスト(GCPs)の大量調整が容易であるソラマメを用いた。単
離した GCPs に光照射や細胞膜 H+-ATPase の活性化剤フシコクシン(FC)処理を行い、ホスホ
プロテオミクスを行った。その結果、約 2,800 のタンパク質に由来するリン酸化ペプチドを同
定した。これらの比較解析により、32 の気孔開口関連因子の新規候補を選出した。候補の 1 つ
であるホスホエノールピルビン酸カルボキシラーゼ(PEPC)は光照射と FC 処理によって 11 番
目のセリン(Ser11)のリン酸化レベルが上昇しており、孔辺細胞における PEPC の Ser11 のリ
ン酸化は細胞膜 H+-ATPase の活性化に依存していると考えられた。そこで、主要な PEPC1、
PEPC2 のシロイヌナズナ変異体における表現型を調べ、pepc2 変異体では青色光照射、FC 処
理による気孔開口が有意に低下することが明らかになった。また孔辺細胞の代謝物解析、およ
び添加実験の結果から、PEPC2はリンゴ酸合成を促進することで気孔開口に関わっていること
が明らかとなった。次に、PEPC の Ser11 をリン酸化する PEPCK の遺伝子発現を調べたとこ
ろ、PEPCK1が光照射と FC処理によって遺伝子発現が増加し、その発現は、細胞膜 H+-ATPase
活性化に伴い流入する K+が重要な役割を果たすことが明らかとなった。以上の一連の解析によ
り、細胞膜 H+-ATPase の活性化に依存した PEPC の気孔開口への関与と活性化分子機構の一
端が明らかとなった。 
加えて本研究過程において、細胞膜 H+-ATPase の pen-Thr 以外のリン酸化部位として、
881 番目のスレオニン(Thr881)が赤色光、青色光照射によって段階的にリン酸化レベルが上昇
することを見出した。阻害剤や変異体を用いた解析の結果、赤色光照射によるリン酸化は光合
成、青色光によるリン酸化はフォトトロピンによって引き起こされることが明らかになった。
そこで、Thr881 のリン酸化が気孔開口に重要であるかどうかを調べるために擬似非リン酸化
置換形質転換体 (T881A) を作出し、顕微鏡観察と蒸散量測定によって気孔表現型を調べた。そ
の結果、T881A は野生株と比較して気孔開口が 7 割程度抑制されており、細胞膜 H+-ATPase
の Thr881 のリン酸化は光依存的な気孔開口に重要な働きを持つことが明らかとなった。その
他、３つの候補についてもノックアウト変異体の解析の結果、気孔開口に重要な働きを持つこ
とが明らかになりつつあり、それら候補の働きの解明を進めている。 
本研究全体を通して、光による気孔開口関連因子を複数同定し、気孔開口メカニズムの解
明が進んだ。今後、候補同士や既知の因子の関連性や機能を解析することで気孔開口メカニズ
ムがより詳細に明らかになると期待される。以上の理由により、申請者は博士(理学)の学位を授
与される十分な資格があるものと認められる。 
論 文 審 査 の 結 果 の 要 旨 
学位報告１－２ 


Analysis of light-induced stomatal opening through comprehensive phosphoproteomics in guard cells

山梨, 遼太朗

Yamanashi, Ryotaro

1 / 4 
主 論 文 の 要 約
論文題目 Syntheses and Properties of Low Oxidation 
State Al Species Containing Al–Al Bond by 
Using Nucleophilic Alumanyl Anion 
(求核性アルマニルアニオンを用いた Al–Al
結合を有する低酸化数 Al 化学種の合成と
その性質の解明) 
氏  名 山梨 遼太朗 
論 文 内 容 の 要 約
本博士論文では、複数の Al 原子が共有結合を介して直鎖状に連結した構造を
有する分子の合成とその性質の解明を志向した。 
Chapter 1. General Introduction 
アルミニウム（Al）は地殻中に 3番目に多く存在する原子であり、地殻中に最
も多く存在する金属元素である。Al は天然には酸化数+3 の酸化物として存在するが、
還元した酸化数 0の金属単体は耐食性が高く軽量な性質から、我々の身の回りでも、単
体そのままや合金として広く使われるありふれた金属である。有機化学において Alは、
中性３価の化学種がルイス酸性を示すことから様々な反応に利用されているが、その低
酸化数化学種の化学は未だ発展途上であると言える。 
直鎖状に Al が結合した分子において、その主鎖を構成する Al 原子の中心酸化
数は+1あるいは+2 となることが予測される。しかし、+1, +2, +3 価の Al化学種の中心
Al 原子の電子状態を系統的に評価した例はない。また、直鎖状 Al 分子の部分構造に着
目すると、２つの Al 原子がそれぞれ異なる置換基を有する非対称ジアルマン、および
2つの Al–Al 共有結合が連結した直鎖状トリアルマンが見られるが、どちらも塩基によ
る安定化を受けずに合成した例はなく、その合成手法、さらに性質について知られてい
ない。 
本論文では、これらの問題の解決に向け、実験的、計算科学的手法による X線
 2 / 4 
 
光電子分光を用いた Al 化学種の系統的な中心酸化数の評価とその傾向の解明、非対称
な置換基を有するジアルマンの合成とその性質の解明、塩基の配位による安定化を受け
ないトリアルマンの合成とその性質の解明、さらに合成したトリアルマン種の還元によ
り得られた 4つの Al 原子を有するジアニオン性分子の性質の解明に取り組んだ。 
 
Chapter 2. Systematic XPS characterization on AlI, AlII, and AlIII 
 1988年に Al–Al結合を有する初めての分子の合成が報告されて以降、低酸化数
Al 化学種の化学は急速な発展を遂げている。それらは、1つの Al–Al 結合を有するジア
ルマン、多中心多電子結合を有するクラスター、酸化数+1 で求核性を有する中性分子
アルミレン、Al–Al二重結合を有するジアルメン、三重結合を有するジアニオン性ジア
ルミン、求核性アニオンであるアルマニルアニオン、複数の Al–Al結合を有するオリゴ
アルマンに分類される。その合成や反応性については広く研究される一方、その低酸化
数 Al 原子中心の電子状態を評価した例は中性のアルミレンおよびクラスターのみに限
られ、Al–Al結合を有するもの、およびアルマニルアニオンの酸化数を評価した例はな
い。加えて、酸化数+1, +2, +3 の Al 化学種を系統的に測定し、その傾向を示した例もな
い。本章では、ジアルキル、あるいはジアミノ置換基を有する酸化数を有するアルマニ
ルアニオン、ジアルマン、ハロアルマンを合成し、その Al の中心酸化数を XPS測定お
よび量子化学計算により評価した。XPS測定ではアルマニルアニオン、ジアルマン、ハ
ロアルマンの順に形式酸化数が大きくなるにつれて観測される束縛エネルギーが大き
くなることを明らかとした。量子化学計算により求めた XPS 束縛エネルギーの計算値
も実験値と同様に、酸化数が大きくなるにつれて束縛エネルギーが大きくなることを示
した。実験から得られた束縛エネルギーの傾向をさらに調査するため、束縛エネルギー
と DFT計算により得られた NPA電荷、および Al 2p 軌道のエネルギー準位をそれぞれ
プロットすると、炭素置換、窒素置換アルミニウム化学種それぞれでこれらが直線状に
相関することを明らかとした。本研究によって、XPS 測定および DFT 計算のいずれに
おいても低酸化数 Al 分子の電子状態を系統的に解析できることを初めて示したと言え
る。 
 
Chapter 3. Synthesis of An Unsymmetrical Dialumane and Kinetic Analysis of Its Alkene 
Insertion 
 分子間反応により、直接的に非対称な Al–Al 結合を構築する手法は求核性 Al
化学種であるアルミレンの Al–H または Al–ハロゲン結合への挿入およびハロアルマン
の還元によるカップリング反応に限られる。非対称ジアルマンの合成例が限られるため
に、その知られている反応性も限定的であり、それらは分子内の C–Oあるいは C–H結
合切断反応、水素引き抜き反応、中性配位子の交換反応に限られる。これらの反応によ
り生成する非対称ジアルマンはいずれも塩基の配位による安定化を受けており、連続し
 3 / 4 
 
た空軌道に由来する性質を示さない。本章では、求核性 Alアニオンと Al求電子剤との
反応による塩基による配位を受けない非対称ジアルマンの合成と、その性質の解明を志
向した。Alアニオンと Br–Al フルオレン–Et2O錯体との反応により、非対称ジアルマン
–Et2O錯体を得た。得られたジアルマンの単結晶 X線構造解析から、1つの Et2O分子が
Al フルオレンに配位した構造を明らかとした。一方、NMR測定からは、そのタイムス
ケールより速い速度で Et2O の解離平衡が存在することを明らかとした。合成したジア
ルマンは、エチレン、スチレン、1-ヘキセンとそれぞれ反応し、Al–Al 結合にアルケン
が挿入した生成物を与えることをNMR測定および単結晶X線構造解析から明らかとし
た。ジアルマンへのスチレン挿入反応の速度論解析実験から、反応中間体として Et2O
が解離したルイス塩基フリーのジアルマンの発生を示した。DFT 計算により塩基非配位
ジアルマンの性質を評価すると、その LUMO は 2 つの Al 3p 軌道が重なったものとし
て見られ、連続した空軌道を反映したものであった。さらに、その Al–Al σ 結合に顕著
な電気的分極は見られず、共有結合性を示すことを明らかとし、非対称な Al–Al 結合の
性質を初めて明らかとした。 
 
Chapter 4. Synthesis and Properties of Trialumanes Possessing Two Al–Al Single bonds 
 複数のAl–Al二中心二電子結合を有するオリゴアルマンは、いずれも塩基の配
位による安定化を受けているか、環状構造を形成している。本章では、Alアニオンと複
数のAl–ハロゲン結合を有する求電子剤との二段階の反応により、連続した２つのAl–Al
結合を有するトリアルマンを合成した。AlアニオンとEtAlCl2との反応では、塩素が中心
アルミニウムに結合したアニオン性トリアルマンが得られることを元素分析により同
定した。得られたアニオン性トリアルマンに対し、[2.2.2]-クリプタンドを添加すること
で分離イオン対を、THFを添加することでClが脱離したトリアルマン–THF錯体が得ら
れることをそれぞれNMR測定および単結晶X線構造解析から明らかとした。かさ高い置
換基として、2,4,6-トリイソプロピルフェニル（Tip）基を有するTipAlBr2(Et2O)を求電子
剤に用いることで、塩基の配位を受けないTipトリアルマンが得られ、その構造をNMR
測定および単結晶X線構造解析から明らかとした。合成したTipトリアルマンにおいて、
そのAl–Al結合は約2.6 Åであった。TipトリアルマンのAl原子についてXPS測定を行い、
その中心Alが低酸化状態にあることを二章で示した実験値および、DFT計算によりそれ
ぞれ示した。また、3つの連続したAl 3p空軌道の電子受容性を評価するために還元の検
討を行った。サイクリックボルタンメトリー測定において、Tipトリアルマンは−2.7 V
（vs. Fc/Fc+）に可逆な還元波を示した。TipトリアルマンをLi, Na, K金属を用いて還元
することで、対応するアルカリ金属イオンを対カチオンに有するAlアニオンがそれぞれ
生成することをNMR測定および単結晶X線構造解析から明らかとした。このような還元
特性は2つのAl原子からなるジアルマンには見られず、トリアルマン分子の高い電子受
容性を示す結果である。塩基フリーのトリアルマンにおいて見られた、中心Al原子が低
 4 / 4 
 
酸化状態にあること、連続した空軌道に由来する高い電子受容性を示すこと、はこれま
でに合成例の無い直鎖Al分子に期待される性質と同様であり、その性質の一端が実験的
に示されたと言える。 
 
Chapter 5. Synthesis and Properties of Al4 Dianion 
 四章にて、塩基非配位トリアルマン分子の還元検討を行った際、4つのAl原子
を中心構造に有するジアニオン性分子Al42−が得られた。生成したAl42−は、ジアニオン性
分子でありながら、トリメチレンメタンジカチオンと等電子構造を有する。Al42−に類似
するGa42−はその合成と構造が報告されているが、その電子的性質の議論は行われてい
ない。置換基をすべてMe基としたモデル分子Me6Al42−はトリメチレンメタンジカチオン
と類似した分子軌道を示すことを明らかとした。本章では、Al42−に加え、Ga42−を含む
13族元素4核ジアニオン性分子の電子的性質についてDFT計算を用いて系統的に調査し、
その安定化効果を評価した。 
 
Chapter 6. Conclusion 
 本博士論文研究では、直鎖Al分子の合成とその性質の解明を志向し、一章にて
提議した課題についてその解決に取り組んだ。XPSを用いた実験的、計算科学的手法に
よるAl中心酸化数の系統的な評価、求核性アルマニルアニオンを用いた非対称な置換基
を有するAl–Al結合の構築反応は、未だ発展途上にある低酸化Al化学種の化学において、
新たな解析手法および分子の合成手法を提案することとなり、分野の発展に貢献できた
と言える。さらに、13族元素からなる4核ジアニオン性分子の合成と、その性質のトリ
メチレンメタンジカチオンとの比較は、電子不足な13族元素化学種と有機化学の主体を
なす14族炭素化学種の電子的性質の違いを顕著に表すものであり、13族元素化合物にお
ける基礎科学的知見を新たに示すものとなった。 
 


Syntheses and Properties of Low Oxidation State Al Species Containing Al–Al Bond by Using Nucleophilic Alumanyl Anion

朱, 准达

ZHU, Zhunda

 ※ 号
別紙１－１
報告番号
Scalable Growth of High-Quality Two-Dimensional MoS2 Films
via Chemical Vapor Deposition and Solution-Based Techniques
(大面積化対応の化学気相成長法および溶液プロセス技術による
高品質二次元MoS2膜の成長)
第       15365
論   文   題   目
氏　　 　名 朱　准达
甲
論文審査の結果の要旨および担当者
論文審査担当者
教授 齋藤　永宏主査 名古屋大学 未来社会創造機構
准教授 竹岡　敬和委員 名古屋大学 工学研究科
教授 市野　良一委員 名古屋大学 工学研究科
特任教授 川角　昌弥委員 名古屋大学 未来社会創造機構
准教授 澤田　康之委員 名古屋大学 未来社会創造機構
 論文審査の結果の要旨　別紙１－２
 朱　准达君提出の論文「Scalable Growth of High-Quality Two-Dimensional MoS2 Films via Chemical 
Vapor Deposition and Solution-Based Techniques (大面積化対応の化学気相成長法および溶液プロセス技術に
よる高品質二次元MoS2膜の成長)」は、MoS2単層膜の結晶サイズの大型化と均一化を目指し、化学気相成長法と溶
液プロセス技術を融合したプロセスを提案し、その最適条件を明らかにしている。各章の概要は以下の通りであ
る。
第1章では、トランジスタと2D材料の開発の歴史を振り返り、2D材料、特にMoS2の出現と進歩が次世代の通信
機器の開発の鍵となることを論じている。また、MoS2の合成における主な方法、最近の進歩、既存の問題をまと
め、溶液法と熱硫化反応により2D MoS2を生成し、結晶サイズを改善し、均一性をめざすプロセスとして、化学気
相成長法と溶液プロセス技術の融合が有望であることを提案し、本研究の目的に繋げている。
第2章では、複数の温度領域からなるCVD合成システムを設計及び開発している。固体前駆体としてMoO3とＳの
両方を使用する一般的なCVD合成方法を用いて、ミクロンサイズの三角単層MoS2単結晶の合成に成功している。
このプロセス研究から、生成物の結晶構造、均一性と実験条件の相関関係を調べ、提示している。これらのデータ
は、次章以降で比較するための基礎データとなっている。
第3章では、KOHを用いたスピンコート法により調製したMo含有薄膜を硫黄化することで、2D MoS2薄膜を合成
した。この方法では、シャドウイング効果により、熱処理過程で硫黄が過剰に保たれ、酸化モリブデンや3D MoS2
結晶の形成が抑制されることを示している。この方法により、直径約600μmのMoS2単層結晶の合成に成功してい
る。熱力学計算に基づいて提案されたMoS2生成の2つの反応経路は、2D MoS2膜の生成における主な経路であると
ことも明らかにしている。
第4章では、スピンコート膜におけるMo前駆体種の分散を促進するために、KOHの代わりに界面活性剤（ドデシ
ル硫酸ナトリウム：SDS）を用い、濡れ性が結晶成長に及ぼす影響を調査している。真空紫外線処理した基板上に
SDS溶液を使用することで、基板上のMo含有溶液の接触角が約０°まで減少した。このことが、均一な前駆体膜の
品質向上に大きく影響していることを明らかにしている。作製したMoS2薄膜は、SEMおよびラマン分光法により
特性評価された。また、すべての試料の形状は光学顕微鏡でも評価した。これらの分析結果から、得られた薄膜は
高い被覆率と均一性をcmスケールで実現していることを示している。さらに、スピンコーティングと硫化プロセス
におけるSDSの役割のメカニズムの根幹は、臨界ミセル濃度にあり、臨界ミセル濃度により、膜の均一性を制御で
きることを明らかにしている。
　第5章では、本研究の結論を与えている。
以上のように本論文では、MoS2単層膜の結晶サイズ及び均一性の向上には、化学気相成長法と溶液プロセス技
術の融合が有効であり、基板表面上での硫黄分圧及び原料溶液の基板への濡れ性が制御変数であることを明らかに
している。この合成方法並びに得られた結果は、MoS2単層膜の半導体デバイス応用を実現するために重要であ
り、工学の発展に寄与するところが大きいと判断できる。よって、本論文の提出者である朱　准达君は博士（工
学）の学位を受けるに十分な資格があると判断した。
1


Scalable Growth of High-Quality Two-Dimensional MoS2 Films via Chemical Vapor Deposition and Solution-Based Techniques

陈, 力炜

Chen, Liwei

 ※ 号
別紙１－１
報告番号
Study of aurora, electromagnetic field, and plasma in the inner
magnetosphere during substorms based on ground and satellite
observations
(地上衛星観測に基づくサブストーム中のオーロラと内部磁気圏電
磁場・プラズマの研究)
第       15372
論   文   題   目
氏　　 名 陈　力炜
甲
論文審査の結果の要旨および担当者
論文審査担当者
教授 塩川　和夫主査 名古屋大学 宇宙地球環境研究所
教授 渡邉　智彦委員 名古屋大学 理学研究科
教授 三好　由純委員 名古屋大学 宇宙地球環境研究所
教授 大野　哲靖委員 名古屋大学 工学研究科
准教授 西谷　望委員 名古屋大学 宇宙地球環境研究所
 論文審査の結果の要旨　別紙１－２
陈 力炜君提出の論文「Study of aurora, electromagnetic field, and plasma in the inner magnetosphere during 
substorms based on ground and satellite observations（地上衛星観測に基づくサブストーム中のオーロラと内部
磁気圏電磁場・プラズマの研究）」は、地球の電磁気圏の基本的な変動現象であるサブストームに伴って、地球近
くの内部磁気圏やそこと磁力線でつながったサブオーロラ帯の緯度帯のオーロラの変動を、地上の高感度カメラや
磁力計、人工衛星データを用いて調べ、サブストームにおける地球近くの内部磁気圏の電磁場やプラズマ変動を明
らかにした研究である。各章の概要は以下の通りである。
第１章では、地球の磁気圏及び磁気圏サブストーム現象の説明と、サブストームに伴うオーロラの増光や特徴的に
みられるPi2型地磁気脈動の概要、サブオーロラ帯で観測される特徴的なSTEVEオーロラについてのこれまでの研
究と、本論文の目的を述べている。第２章では、2017年10月12日にノルウェーのトロムソで観測されたサブス
トームに伴うオーロラの増光と、その内部磁気圏のソース領域を観測していたあらせ衛星のプラズマ・電磁場デー
タを解析し、サブストーム時のオーロラ増光の内部磁気圏ソース領域でのエネルギーの流れを明らかにして、プラ
ズマ不安定の発生の可能性を議論した重要な知見である。第３章では、2018年12月28日にアラスカのガコナで観
測されたサブストーム時のオーロラ増光と、そのすぐ低緯度側の内部磁気圏ソース領域を観測していたあらせ衛星
のプラズマ・電磁場データを解析し、オーロラ変動とPi2型地磁気脈動の一対一の対応関係や、磁気圏での電磁
場・プラズマの振動の対応関係を明らかにしている。さらに第4章では、地上磁場観測から同定された多数のサブ
ストーム時の内部磁気圏での電磁場変動を、あらせ衛星を使って統計的に解析し、この電磁場変動の経度分布や時
間変化に関する統計的な描像を明らかにした重要な知見である。つぎに第5章では、サブストームの発達相の終わ
りにサブオーロラ帯に現れる特徴的なSTEVEオーロラについて、2か所の地上高感度カメラを用いてその高度変化
を世界で初めて明らかにして、サブストーム時のサブオーロラ帯・内部磁気圏のプラズマの流れの変化を考察した
重要な成果である。第6章では、本論文の結論を与えている。
以上のように本論文では、サブストームにおける地球近くの内部磁気圏の電磁場やプラズマ変動を系統的に明ら
かにした成果である。これらの結果は、人類の宇宙利用に大きな影響を与える地球周辺の電磁気圏の理解を実現す
るために重要であり、工学の発展に寄与するところが大きいと判断できる。よって、本論文の提出者である陈 力炜
君は博士（工学）の学位を受けるに十分な資格があると判断した。
1


Study of aurora, electromagnetic field, and plasma in the inner magnetosphere during substorms based on ground and satellite observations

權, 熊

Kwon, Woong

1 / 4 
主 論 文 の 要 約
論文題目 縦型 GaNパワー接合型電界効果トランジ
スタ（JFET）の作製に関する研究
(A Study on the Fabrication of Vertical
GaN Power Junction Field-Effect
Transistor (JFET))
氏  名 權 熊 
論 文 内 容 の 要 約
本論文は、カーボンニュートラルに向けたパワーデバイスの効率向上を達成するために
優れた物性を有するGaNを用いて縦型パワートランジスタのベース構造となる縦型GaNパ
ワーJFET の作製に取り組んだ結果をまとめたものであり、5章で構成される。
第 1 章では、本論文の背景となる地球温暖化問題の解決に向けたパワーデバイスの効率
向上の重要性について述べ、そのために従来の Si パワーデバイスに比べてワイドバンドギ
ャップ材料の利点、GaN の物性値及びそれによるパワーデバイスの損失低減の可能性につ
いて説明した。以降、GaN の縦型パワーデバイスの構造について紹介し、JFET の作製の重
要性について述べ、その作製に向けた現時点での解決すべき課題を挙げることで本論文の
目的と位置づけを明確に説明した。具体的には、縦型 GaN パワーJFET の作製に必須不可欠
である選択的 p-GaN 形成にあたって、新たな手法である浅い N/Mg 連続イオン注入法及び
AlN キャップ層を用いた Mg 拡散を活用し、イオン注入ダメージの少ない選択的 p-GaN 領
域の形成及びデバイス作製を行った。また、GaN パワーデバイスの信頼性及び効率にかか
わる貫通転位がデバイスの電気的特性に与える影響について調べた。 
第 2章では、本研究でデバイスの作製、貫通転位の評価及び電気的特性評価のために用い
た主な実験装置の概要及び評価手法について説明した。主に、結晶成長のために用いた有機
金属気相成長 (Metalorganic vapor phase epitaxy、MOVPE)法、選択的ドーピングのために用
いたイオン注入装置について紹介した。また、貫通転位分析にあたって、貫通転位の定義及
び分類について説明し、その分析のために用いた手法を破壊・非破壊に分けて説明した。破
 2 / 4 
 
壊法としては、エッチピット (Etch pits)法及び透過電子顕微鏡 (Transmission electron 
microscopy, TEM)観察を用いた。非破壊法としては、多光子励起 (Multi photon 
photoluminescence, MPPL)顕微鏡、放射光を用いた反射放射光 X 線トポグラフィ（X-Ray 
Topography, XRT）を用いた。作製したデバイスの電気的特性評価のために用いた半導体パ
ラメータアナライザ (B1505A)について説明し、デバイスのリーク箇所特定に用いたエミッ
ション顕微鏡について説明した。 
第 3章では、MOVPE 法及びイオン注入法を用いて p-n接合を形成し、作製した縦型 GaN 
p-n接合ダイオードの電気的特性について述べた。MOVPE 法を用いて作製した縦型 GaN p-
n 接合ダイオードについては、非破壊法である X 線トポグラフィを用いてデバイスに含ま
れた貫通転位について分析を行い、貫通転位有無におけるリーク電流の変化やその物理的
なメカニズムの違いについて議論した。逆方向リーク電流の温度及び電界依存性について
検討した結果、貫通転位密度が高いデバイスでは、貫通転位によって発生した欠陥の帯電が
原因となり、Poole-Frenkel emission（PFE）メカニズムによってリーク電流が発生しているこ
とが確認された。貫通転位のないデバイスでは熱電子放出（Thermionic Emission, TE）メカ
ニズムによってリーク電流が発生していること確認され、貫通転位によって縦型 GaN p-nダ
イオードのリーク電流の物理的メカニズムが異なることを明らかにした。また、PFE による
リーク電流は、パワーデバイスが用いられる環境である高温、高電界でリーク電流が大きく
増加するため、大きなリーク電流を及ぼすキラー欠陥のみならず、すべての貫通転位を抑制
ずる必要があると考えられる。以降、選択的 p-GaN 形成のために浅い N/Mg イオン注入法
及び AlN キャップ層を用いたイオン注入後熱処理（Post Ion-implantation Annealing、PIA）に
よる Mg 拡散により Mg ドーピングを行い、ドーピングされた GaN 層が p 型伝導を示すこ
とを確認した。また、この技術によって作製された縦型 GaN p-n接合ダイオードの電気特性
を評価した結果、順方向 I-V 特性では理想係数の最小値が 2、1 mΩcm2の特性オン抵抗が得
られた。逆方向 I-V 特性では、キラーとなる貫通転位を含まないデバイスで場合、その耐圧
が 1 kV であり、アバランシェ降伏直前まで 1 nA/cm2以下の低いリーク電流を示し、絶縁破
壊電界は 2.17 MV/cmであることが確認された。このような結果から N/Mgイオン注入法を
用いて p-n接合の形成に成功し、順方向及び逆方向で MOVPE法によって作製したデバイス
と同等の特性を示す縦型 GaN p-n接合ダイオードが実現された。また、その逆方向リーク電
流が基板の貫通転位密度によって大きく異なることが確認された。そのリーク電流につい
て分析した結果、螺旋転位が主なキラー欠陥であることが示唆された。さらに、MPPLの 3
次元マッピング像及び TEM観察から貫通転位ではない欠陥が逆方向リーク電流を及ぼすこ
とが確認された。これは MOVPE 法を用いて作製したデバイスでは確認されない現象であ
るため、イオン注入及び熱拡散による Mg ドーピングプロセスと関係していると考えられ
る。本章の結果から貫通転位密度の少ない GaN 自立基板及び浅い N/Mg イオン注入法を用
いて選択的ドーピングを行うことで本研究の最終目的である縦型 GaN パワーJFET のゲー
ト領域が可能であると考えられる。 
 3 / 4 
 
第 4章では、4.2節に n-GaN ショットキーダイオード（SBD）、4.3節に縦型 GaN junction 
barrier Schottky（JBS）ダイオード、4.4節に縦型 GaN JFET について取り組んだ内容をまと
めて述べた。具体的に、4.2 節では、JBS ダイオード作製のために理想に近い特性を有する
n-GaN SBD の作製及び高温熱処理が n-GaN SBD の電気的特性に与える影響について検討
し、確認された問題点及びその解決策について述べた。その結果、1200 ℃を超える熱処理
をすることによってバリア高さ、理想係数、逆リーク電流の劣化を引き起こすことが確認さ
れた。さらに、PL測定により、1200 ℃を超える熱処理によって photoluminescence(PL)強度
が急激に減少することが確認され、その原因として高温熱処理による表面近傍の非放射ト
ラップの増加が考えられる。また、I-V 測定と PL 測定が同じ傾向を示しているため、表面
近傍の結晶欠陥が SBD の電気特性に影響していると考察した。表面のダメージ層を除去す
るために inductively coupled plasma-reactive ion etching (ICP-RIE)を用いた低バイアスでの表
面エッチングを行い、約 40 nm の深さまでエッチングすることによって、上記で劣化して
いたバリア高さ、理想係数、逆リーク電流、および PL 強度が熱処理なしの SBD とほぼ同
等に回復することが確認された。この結果から、縦型 JBSダイオードもしくは JFET を作製
する際に必要となる AlN キャップ層を用いた高温熱処理は 1200 ℃以下での長時間熱処理
もしくは、1200 ℃以上での熱処理後の表面エッチングをすることによって表面ダメージを
除去する必要がある。しかし、過度なエッチングはピットやリーク電流増加を発生させるた
め、PL 特性を確認しながらエッチングを行うなど適切なエッチング量を制御する必要があ
る。 
3 章と 4.2 節で検討した結果を踏まえて、4.3 節では、浅い N/Mg イオン注入法及び AlN
キャップ層を用いた PIA による Mg拡散によりMg ドーピングを利用して縦型 GaN JBSダ
イオードを作製した。チャネル幅が 1-3 μmの縦型 GaN JBSダイオードに対して電気特性評
価を行い、順方向特性からその特性オン抵抗(Ron,sp)が 2.3－2.6 mΩ・cm²、逆方向特性からそ
の耐圧(Vbd)が 1953 Vであることを確認した。 
4.2節と 4.3節の結果を踏まえて 4.4節では、縦型 GaN JFET のデバイス設計、作製方法に
ついて説明し、作製したデバイスの静特性（出力特性、伝達特性、オフ特性）について評価
した。Ronは 45 mΩ・cm²、閾値電圧は-12V、耐圧は約 730V（非可逆的破壊）であった。特
性オン抵抗が高い理由として狭いソース面積比（1％程度）が原因であると考えられる。さ
らに作製したデバイスの閾値及び耐圧が低いことが確認された。その原因を調べるために
TCAD シミュレーションを用いて伝達特性、オフ特性を確認した結果、現在のデバイスの特
性がチャネル幅 2 μmでのシミュレーション結果と一致していることから、閾値及び耐圧が
低い原因としてはチャネル幅のずれが考えられる。チャネル幅の制御及び短チャネル効果
の低減させるために、より短波長光源を用いたフォトリソグラフィを行い、より狭いチャネ
ル幅を形成する、もしくは、より長時間の高温熱処理による深さ及び横方向拡散距離を増加
させることが必要である。このようなプロセスの最適化によって設計通りのアバランシェ
降伏が可能な縦型 GaN パワーJFET の作製できると考えられる。 
 4 / 4 
 
第 5章では、本研究のまとめと今後の課題及び展望について述べた。各章で得られた縦型
GaN パワーJFET の作製に関する知見をまとめ、残された課題と今後の展望について述べて
いる。 


縦型GaNパワー接合型電界効果トランジスタ（JFET）の作製に関する研究

久野, 拓真

KUNO, Takuma

 ※ 号
別紙１－１
報告番号
Optical Node Architecture Enabling High Spectral Efficiency and
High Spatial Parallelism in Photonic Networks
(高い周波数利用効率及び空間並列度を実現する光ノードに関す
る研究)
第       15384
論   文   題   目
氏　　 　名 久野　拓真
甲
論文審査の結果の要旨および担当者
論文審査担当者
教授 長谷川　浩主査 名古屋大学 工学研究科
教授 大木　英司委員 京都大学 情報学研究科
教授 藤井　俊彰委員 名古屋大学 工学研究科
教授 岩田　哲委員 名古屋大学
未来材料・システム研
究所
客員教授 森　洋二郎委員 名古屋大学 工学研究科
 論文審査の結果の要旨　別紙１－２
久 野 拓 真 君 提 出 の 論 文 「Optical Node Architecture Enabling High Spectral Efficiency and High Spatial
Parallelism in Photonic Networks （高い周波数利用効率及び空間並列度を実現する 光ノードに関する研究）」
は、将来の超大容量光ネットワークを実現可能にするネットワークノード装置構成や大規模データセンターの通信
を効率化する超多ポート光スイッチの構成、および長短距離の光信号伝送でのディジタル信号処理補償手法をを提
案し、理論解析及び伝送実験でその有効性を明らかにしている。各章の概要は以下の通りである。
　第1章では、光ファイバ通信の基本と歴史、および超大容量化への強い要請を述べている。
第2章では、現在標準的に用いられ、今後も前提とすべきネットワーク形態である、光パスネットワークの概念
とその実現技術とを明らかにしている。
第3章では、高いスループットを実現可能な多ポート光ノード構成の提案と数値シミュレーションによる性能実
証を行っている。そこでは、これまで実現性は示されていたものの、その出力次数の低さから適切に適用されてい
なかった空間ジョイントスイッチングの活用法など、これまでに無い新たな光スイッチの組み合わせによりコンパ
クトかつ多ポートのノード装置の実現法が提示されている。
第4章では、光ファイバの周波数資源の究極利用が、長距離ネットワークでの普遍的要求であることに鑑み、受
信側でのコヒーレント受信における参照レーザーの中心周波数のずれや、ＩＱオフセットによる信号劣化の補償に
ついて新たな信号処理手法を提案し、またその有効性を示している。これにより光ファイバの究極利用を実現する
一方で厳密な信号間の分離が必要な、超高密度波長分割多重技術の導入を可能にしている。
第5章では、データセンター向けの超多ポート光スイッチの構成法について提案を行っている。光信号の波長を
変えることで出力を切り替えられる波長ルーティングスイッチと、一般的な空間スイッチを組み合わせることで
ポート数の飛躍的な増大を実現している。
第６章では、データセンターを初めとして需要が高まる短距離通信へのコヒーレント受信の導入を実現すべく、
短距離通信に特化した、極めて簡素な構造の信号劣化補償器を提案して、その実現性を実証している。
第７章では、上記の要素を統合し、将来の超大容量な長距離光ネットワーク及び短距離データセンターネット
ワークの実現における貢献を総括し、結論を述べている。
以上のように本論文では光ファイバネットワークにおける通信ノード装置や光スイッチ、および信号保証技術を
提案し、その有効性を明らかにしている。これらの評価方法並びに得られた結果は、将来の超大容量光ネットワー
クを実現するための基盤技術として重要であり、工学の発展に寄与するところが大きいと判断できる。よって、本
論文の提出者である久野 拓真君は博士（工学）の学位を受けるに十分な資格があると判断した。
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Optical Node Architecture Enabling High Spectral Efficiency and High Spatial Parallelism in Photonic Networks

松井, 聖圭

Matsui, Masayoshi

 ※ 号
別紙１－１
報告番号
連成型FE-FFTマルチスケール解析に基づく弾塑性材料からなる
周期構造のトポロジー最適化
(Topology Optimization of Periodic Microstructure with Elasto-
plastic Material Using FE-FFT-based Coupling Multiscale
Analysis)
第       15406
論   文   題   目
氏　　 　名 松井　聖圭
甲
論文審査の結果の要旨および担当者
論文審査担当者
教授 加藤　準治主査 名古屋大学 工学研究科
教授 舘石　和雄委員 名古屋大学 工学研究科
准教授 西口　浩司委員 名古屋大学 工学研究科
教授 竹澤　晃弘委員 早稲田大学 理工学術院
 論文審査の結果の要旨　別紙１－２
松井聖圭君提出の論文「連成型FE-FFTマルチスケール解析に基づく弾塑性材料からなる周期構造のトポロジー
最適化」は，積層造形に用いられる金属や樹脂といった弾塑性材料を対象に，その非線形性を考慮したマルチス
ケールトポロジー最適化のための新しい手法を提案するものである．有限要素法(FEM)と高速フーリエ変換(FFT)
に基づく均質化手法を組み合わせた連成型マルチスケール解析を導入することで，効率的な構造解析と高精度な感
度解析を実現した．外力仕事最大化問題について最適化計算例を示し，提案手法が従来よりも優れた最適化構造を
設計できることを明らかにした．本論文は全6章で構成され，各章の概要は以下の通りである．
第1章では，研究の背景と目的について述べている．ここでは，まずトポロジー最適化と積層造形を組み合わせ
た新たなものづくりの動向を紹介し，ラティス構造やハニカム構造といった周期的な微視構造の造形技術に関する
新たな応用展開について解説している．また，構造幾何（マクロ構造）と材料幾何（ミクロ構造）の一方あるいは
その両方を設計するマルチスケールトポロジー最適化が今後ますます重要な技術になると論じた．
次に，既往の最適化手法の計算コスト（計算時間・メモリ使用量）にまつわる課題について取り上げ，造形精度に
見合った高解像度の三次元設計や実材料の非線形性を考慮した設計を妨げるボトルネックとなっている現状を述べ
ている．非線形材料を扱った先行研究が数少ないことに言及し，その主な要因が解析的感度の数学的な導出が困難
であることと，二つのスケールを連成した構造解析の計算コストが膨大となることにあると解説した．そして，弾
塑性材料からなるミクロ構造を設計するマルチスケールトポロジー最適化の信頼できる手法が存在しないことを，
先行研究にある問題点を踏まえて論じている．
このような背景を踏まえ，本論文では，ミクロ構造の解析をFEMによる解法からFFTに基づく均質化手法に置
き換えることで高速化し，より計算効率に優れたマルチスケールトポロジー最適化の枠組みを提案することを目的
としている．これによって厳密な連成型のマルチスケール解析を実行可能なものとし，弾塑性材料を対象とした最
適化の信頼できる手法を構築することを本論文の主題と位置づけた．
第2章では，均質化理論に基づいてマクロとミクロの二つのスケールを定義し，両方のつり合いを満たす解を求
めるマルチスケール解析について解説している．ここでは簡単のため，線形弾性材料を仮定したうえでマクロ境界
値問題とミクロ境界値問題を定義し，さらに二つのスケールを繋ぐ平均値の関係や周期境界条件に由来する性質に
ついてまとめ，構造解析や感度解析を定式化している．
第3章では，周期性を有するミクロ構造を解析するための方法であるFFTに基づく均質化手法について概説して
いる．まず，線形弾性材料を対象とした場合，前章に示したミクロ境界値問題において，グリーン関数法を適用す
ることでフーリエ変換を介した基礎方程式を導出している．次にこの基礎方程式に対して，不動点反復法に基づく
アルゴリズムをプログラム実装に適した形式とすることで，その収束性の改善に成功している．
第4章は，前章にまとめたFFTによる解析を組み込んだマルチスケールトポロジー最適化について，最適化計算
例を交えて手法の性能検証を行っている．定量的な評価を容易にするために，最も一般的かつ基礎的な問題である
線形弾性材料を仮定した剛性最大化問題を対象としている．また，性能検証のための準備として，分離型解析法の
基礎となる数値材料試験と呼ばれる一連のプロセスについて解説し，そのアルゴリズムを詳細に記述している．次
に剛性最大化の最適化問題を定式化し，その解析的感度を先行研究にならって導出している．最後に最適化構造を
安定して得るためのフィルタリング処理についても詳しく説明している．性能検証では，提案手法を用いた場合，
適切にフィルタリング処理を施すことで従来手法と同様の最適化構造が安定して得られることを確認した．また，
提案手法を用いることで計算時間とメモリ使用量の両方を削減でき，ユニットセルの解像度が細かくなるほどその
優位性が顕著となることを定量的に明らかにした．さらに，空隙と固体の二相からなる多孔質材料のミクロ構造最
適化においても，材料のヤング率を適切に設定することで提案手法の活用できることを確認している．
第5章では，前章に示した線形弾性材料を仮定した最適化をもとに，弾塑性材料を対象としたマルチスケールト
ポロジー最適化への拡張を行っている．ここではまず，ミクロ構造を構成する一般的な等方性の弾塑性材料モデル
について示したのち，マクロ構造におけるFEMとミクロ構造におけるFFTによる解析を組み合わせた連成型のマ
ルチスケール解析のアルゴリズムを詳述している．次に，外力仕事の最大化を目的とする最適化問題を定式化して
いる．また，特定の境界条件を仮定することで陽的な形式で解析的感度を導出し，有限差分近似により求めた差分
感度を参照値としてその精度検証を行っている．その結果，マクロ構造における非均一な変形とミクロ構造におけ
る材料の塑性が相互に影響するような複雑な状態であっても，解析的感度の精度が十分に高いことを確認してい
る．最後に最適化計算例の結果に基づき手法の比較検証を実施している．得られた最適化構造を定性的に観察する
だけでなく，相当応力分布や塑性化領域を可視化し，さらに荷重−変位曲線を比較することで定量的な考察を行っ
ている．その結果，提案手法は局所的な負荷の集中を回避し，材料が塑性化した後もより大きな外力に抵抗する優
れた最適化構造を見出すことが可能であることを明らかにしている．
　第6章は，本論文の主題と位置づけを再確認するとともに，本研究の要点を整理している．
以上のように本論文では，様々な検証を通じて得られた提案手法の妥当性および有効性を明らかにするとともに
未来のものづくり，ひいては工学の発展に寄与するところが大きいと判断できる．よって，本論文の提出者である
松井聖圭君は博士（工学）の学位を受けるに十分な資格があると判断した．
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Nagoya University

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