Nagoya Repository

三森, 由暉

Mitsumori, Yuki

別紙４ 
 
 
 
主 論 文 の 要 旨 
 
論文題目：Differential cross-section measurements for the Higgs 
boson production via vector-boson fusion using the di-tau decay 
channel in √s = 13 TeV pp collisions with the ATLAS detector 
(ATLAS 実験の√s = 13 TeV 陽子・陽子衝突データにおける 
タウ粒子対崩壊を用いたヒッグス粒子ベクターボソン融合過程の 
微分断面積測定) 
氏 名： 三森 由暉 
 
論 文 内 容 の 要 旨 
 
素粒子物理学はこの世界を形作る最も基礎となる学問であり、その理解は物質の成り立ちか
ら宇宙の始まりまで幅広いスケールの科学を解き明かす。素粒子の標準模型は今日までに得ら
れた多くの実験的事実を説明する一方で、標準模型を超えた現象は確かに存在する。そのため、
標準模型を超えた物理を探るため、その予測を超えた現象の観測が切望されている。 
標準模型において、ヒッグス粒子は電弱対称性の破れによって素粒子に質量を与える。この
粒子は 2012 年に発見され、現在までに数種類の素粒子と標準模型通りの結合をすることが観
測されている。そこで本論文では、確立された標準模型のヒッグス粒子をプローブとする新物
理探索を試みた。 
本研究では、ヒッグス粒子のベクターボソン融合過程の微分断面積を測定し、新物理の寄与
を探る。この生成過程は、弱ボソンとヒッグス粒子が直接結合する最も断面積の大きな過程で
あり、電弱対称性の破れに関わる新物理に高い感度を持つ。さらに微分断面積の測定領域はヒ
ッグス粒子運動量のビーム軸に垂直な成分 𝑝𝑇(𝐻)と生成過程由来のクォーク対の不変質量 𝑚𝑗𝑗
によって８つの領域を定義する。ヒッグス粒子の崩壊にはこの生成過程に最も感度が高いタウ
粒子対を選んだ。 
私は、断面積測定の精度を高めるため、信号事象を主要な背景事象から分離する手法を開発
した。シミュレーションサンプルを用いて機械学習 boosted decision tree を構築し、断面積の
測定領域ごとに最適な出力閾値を設けることで figure of merit を最大 24%改善した。この最適
化した手法を用いて微分断面積を測定した。 
 
報 告 番
号 
※  甲  第     号 
学位報告４ 
ベクターボソン融合過程の包括的な生成断面積は、標準模型の予測値との比として 0.93−0.15
+0.17の
値を得た。これは 18%の誤差をともなう精度で標準模型と一致する結果であった。さらに、８領
域の微分断面積においても、標準模型との顕著な乖離は見つからなかった。 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
学位関係 


English

Differential cross-section measurements for the Higgs boson production via vector-boson fusion using the di-tau decay channel in √s=13 TeV pp collisions with the ATLAS detector

康, 永玟

KANG, Yeongmin

別紙４ 
 
 
 
 
主 論 文 の 要 旨 
 
論文題目 Study of Magnetohydrodynamic Processes in Flaring Solar 
Active Regions using Data-Driven Numerical Simulations 
(データ駆動型シミュレーションに基づく太陽フレア活動領域の電磁流体
力学過程に関する研究) 
氏 名  康 永玟 （KANG Yeongmin） 
 
論 文 内 容 の 要 旨 
This study explores magnetohydrodynamics (MHD) in flaring solar active regions through 
a data-driven MHD simulation. Solar flares are widely understood to result from the release 
of free magnetic energy accumulated in the solar atmosphere, particularly in the corona. To 
comprehend the processes of energy accumulation and release, understanding the coronal 
magnetic fields is essential. However, direct measurements of coronal magnetic fields remain 
difficult at present. To address this limitation, numerical modeling based on MHD theory has 
been widely adopted. In recent years, data-driven MHD modeling has emerged as a promising 
method for studying the evolution of coronal magnetic fields even during flaring phases. This 
approach is expected to produce more realistic coronal magnetic fields than conventional 
models, as it solves dynamical MHD equations using time series observational data as 
temporally evolving boundary conditions. In this study, we aim to understand the key 
physical mechanisms of solar flares and the formation of pre-flare structures. 
To achieve these objectives, we conducted two data-driven MHD simulations for two 
different active regions, using time series observational data of vector magnetic fields on the 
solar surface (photosphere) as simulation input. The first simulation aimed to understand the 
causal mechanism behind the M5.3 flare produced in NOAA active region (AR) 11283 on 2011 
September 6, 01:59 UT. A notable feature of this flare event is that, although the AR was 
located near the solar center at the time of the flare, the associated solar eruption and CME 
were inclined westward. The primary objective of this simulation was to reproduce a 
報告番号 ※  甲  第     号 
学位報告４ 
westward-inclined eruption driven by the expansion of a magnetic flux rope (MFR), a 
structure composed of twisted or sheared magnetic fields in the solar corona. To 
understand the key mechanism behind this inclined eruption, we introduced a new 
method to analyze the decay index, which is generally used for torus instability analysis. 
Unlike the conventional decay index that primarily explains eruptions in the direction 
perpendicular to the photosphere, we proposed an axial-radial decay index to explore 
the development of torus instability in all possible directions, including the 
perpendicular eruption direction. As a result, we found that the newly introduced axial-
radial decay index provides a more reasonable explanation for the mechanism behind 
the reproduced inclined eruption. Therefore, the first simulation allowed us to 
effectively understand the nature of inclined solar eruptions. 
The second simulation focused on the key mechanism behind the formation of a 
sigmoid observed in NOAA AR 12665 in 2017 July. A sigmoid is a well-established pre-
flare structure in the corona, characterized by S-shaped or inverse S-shaped emission 
patterns in the upper coronal region. This active region exhibited such a typical 
sigmoidal structure during the observation period. During the period when the 
formation of an inverse S-shaped sigmoid was observed, the photospheric magnetic field 
featured a relatively simple polarity inversion line and magnetic flux emerging regions, 
along with notable rotational motions near the main positive polarity. In the simulation, 
we have reproduced these characteristic motions in the photosphere, which also 
reconstructed an inverse S-shaped MFR in the corona. Analyzing the simulation results, 
we identified that the formation of the sigmoid was initially driven by the rotational 
motion near the positive polarity, which critically involved in the development of the 
MFR. Additionally, a comparison with nonlinear force-free field (NLFFF) modeling 
revealed that our data-driven simulation provided a more consistent representation of 
the observed sigmoid. This highlights the advantage of data-driven modeling, which 
accounts for temporal evolution, unlike NLFFF, which relies solely on static snapshots. 
Therefore, the second simulation demonstrated that data-driven modeling can 
effectively reproduce the formation of pre-flare structures, such as sigmoids, by 
capturing the temporal evolution of the photospheric magnetic field and its impact on 
the coronal magnetic field. 
Our results demonstrated that data-driven modeling is a powerful tool for 
understanding the physical mechanisms of solar eruptions and the formation of pre-
flare structures. By capturing the temporal evolution of the magnetic field, this 
approach effectively revealed key processes of inclined solar eruptions and the formation 
of sigmoids. This highlights the potential of data-driven modeling to connect 
observations with theoretical understanding, improving our knowledge of solar flare 
dynamics and the conditions leading to solar eruptions. 
学位関係 


Study of Magnetohydrodynamic Processes in Flaring Solar Active Regions using Data-Driven Numerical Simulations

松永, 優希

MATSUNAGA, Yuki

別紙４ 
 
 
 
 
主 論 文 の 要 旨 
 
論文題目  Purification and high-temperature tolerant chemical doping 
for carbon nanotube thin film applications 
（カーボンナノチューブ薄膜応用のための分離精製および高温安定 
化学ドーピング） 
氏 名 松永 優希 
 
論 文 内 容 の 要 旨 
 
IoT 社会の実現にともない、フレキシブルエレクトロニクスをはじめとする電子デバイ
スの需要が年々高まってきている。従来の材料であるシリコンは柔軟性の乏しさや、デバ
イス構築での高コスト化からシリコンに置き換わる新たな半導体材料が探索されてきた。
カーボンナノチューブ(CNT)は高い電気的特性と化学的安定性を有しており、CNT 薄膜に
することで優れた柔軟性が付与されることから、様々な電子デバイス応用にむけて非常に
注目されている材料である。しかし CNTは金属性と半導体性のものが混在しており、安価
かつ高純度な半導体CNT精製方法の確立や半導体 CNTに対する安定かつ簡便なドーピン
グ方法が求められている。 
そこで本博士論文では CNT の電子デバイス応用の観点から行なった三点の研究課題に
ついて報告する。本論文は以下の四章から構成され、第 1章では CNTの概要を述べ、その
構造や電気的特性、合成、分散方法について触れた後、半導体 CNTの高純度分離精製の必
要性について論じる。さらに、半導体 CNTの成膜方法からトランジスタの作製および伝導
特性までを紹介し、CNTの伝導特性制御の重要性について述べる。 
第 2 章ではゲルクロマトグラフィー法による低コストかつ高純度での半導体 CNT 分離
手法の開発について論じる。合成された CNT は金属性と半導体性の混合物として合成さ
れるため、高純度での半導体 CNT分離精製が必要である。従来 CNTの分離技術には高コ
報告番号 ※  甲  第     号 
学位報告４ 
ストな界面活性剤などが利用されるうえに 10万G以上の超遠心分離技術が主流であ
った。ゲルクロマトグラフィー法による分離研究も進められてきたが、ゲル担体の材
料には高価な機能性多糖類が使われており、大量分離に向けた低コスト化は依然と
して課題に挙げられている。そこで筆者は、イソマルトデキストリンという安価な水
溶性食物繊維を用いた架橋ゲルを合成し、高純度な半導体 CNT 分離技術を開発した。
合成したゲルは化学的および物理的観点からゲル構造の詳細な調査が行なわれ、合
成したゲルを用いて分離した半導体 CNT は 98.7 %と高い純度で分離が達成されてい
ることがラマン分光測定により明らかになった。また、分離した半導体 CNT によっ
て作製された CNT 薄膜トランジスタ(CNT-TFT)は高いオンオフ比を示した。 
第 3 章では CNT に対する高温安定な p 型化学ドーピング技術の開発について論じ
る。分離された半導体 CNT をデバイス化するには伝導特性を制御する p/n 型ドーピ
ング技術も求められる。これまで CNT の材料そのものは、500 ℃の高温でも安定で
あるが、ドーピングに用いる分子で p 型安定なものが 100 ℃程度まで安定なものし
か存在していなかった。そこで筆者は、CNT の仕事関数とドーパント分子の
HOMO/LUMO準位の関係、および分子量の観点から網羅的に探索を行い、1,4,5,8,9,11-
hexaaza-triphenylene-hexacarbonitrile(HATCN)が 200 °Cまで有効な優れた pドーパント
分子であることを見出した。スピンコート法によって CNT-TFT へドーピングを施し、
作製した CNT-TFT の温度耐性を不活性ガス下で評価したところ、200 °C で 72 時間
の加熱にも耐えうるドーピング手法であることが明らかになった。また、HATCN を
ドープした CNT-TFT が大気中でも安定した特性を示すために、Parylene-C と Al2O3
の二層構造による封止技術を開発した。 
第 4 章では高温安定な p 型ドーパントと n ドーパントを併用した pn 接合ダイオー
ドの開発について論じる。従来の CNT デバイス作製プロセスはドーパント分子の温
度耐性の低さにより酸化膜形成をはじめとする高真空・高温環境プロセスの使用が
制限されてきた。そこで筆者は、高温安定な p 型ドーパントの HATCN と、150 °C ま
で使用できる n型ドーパントの KOH/benzo-18-crown-6-etherを用いることで新たなデ
バイス作製プロセスを開発して pn 接合ダイオードを作製した。作製した pn 接合ダ
イオードは 200 °C で加熱後も安定した整流特性を示した。また、HATCN の過剰な高
濃度ドーピングは結晶化を引き起こし大きなアクセス抵抗が生じることから、
HATCN の最適なドーピング濃度が明らかとなった。 


Purification and high-temperature tolerant chemical doping for carbon nanotube thin film applications

井本, 圭亮

別紙１－１ 
 
 
論文審査の結果の要旨および担当者 
 
 
 
 
 
 
氏 名   井本 圭亮 
論 文 題 目   
キイロショウジョウバエにおける 
経験依存的な歌の好みをもたらす神経回路基盤 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
論文審査担当者 
主 査 名古屋大学大学院理学研究科 教授 博士（薬学）上川内あづさ 
委 員 名古屋大学大学院理学研究科 教授 博士（薬学）乘本 裕明 
委 員  東北大学大学院生命科学研究科  
准教授 博士（理学） 小金澤雅之 
 
 
報告番号 ※  甲  第     号 
学位報告１－１ 
別紙１－２ 
 
ヒトや鳥、虫に至るまで多くの動物が同種間のコミュニケーションに音を用いる。ヒトの
新生児や鳴禽類の幼鳥における発声学習の研究から、コミュニケーション音の識別は「先天的な
能力」と「経験依存的に発達する能力」が相互に作用し合って成立することがわかってきた。しか
し、動物の脳がどのようにして種に固有のコミュニケーション音を識別する能力を発達させるの
か、その神経細胞基盤の多くは未解明である。 
 ヒトの言語学習や鳥類の歌学習と同様に、ショウジョウバエも音を用いたコミュニケー
ションを行い、過去の聴覚体験に応じて種固有の音に対する応答を変化させる。ショウジョウバ
エのメスは、オスが求愛中に翅で奏でる種固有の求愛歌を評価して交尾を受け入れるかを判断す
る。この求愛歌を識別する能力は、羽化後に求愛歌を聞く経験を積むことで向上する。これまでの
研究から、この「歌識別学習」と呼ばれる現象では、神経伝達物質γ-アミノ酪酸（GABA）がメ
スの交尾受容の意思決定を担う脳の pC1 ニューロンに伝達されることが知られていた。しかし、
この GABA 作動性シグナルをもたらす神経回路は不明であった。 
 本研究ではまず、歌識別学習を評価する解析手法として、加速故障時間モデルが適切であ
ることを示した。ついで、この解析方法を用いて、ショウジョウバエの性決定に関わる「doublesex」
遺伝子を発現する GABA 作動性ニューロンが、歌識別学習に必要であることを明らかにし、解剖
学的特徴に基づいて、脳内のこれらニューロンを pCd-2 ニューロンとして同定した。さらに、電
子顕微鏡画像コネクトームデータの解析から、pCd-2 ニューロンが pC1 ニューロンと相互にシナ
プス接続を行うことを発見した。これにより、pCd-2 ニューロンが pC1 ニューロンを介して歌識
別学習に寄与することを示唆した。また、単一細胞トランスクリプトームデータの解析から得ら
れた候補遺伝子の発現操作を通じて、doublesex発現 GABA 作動性ニューロンへの GABA および
ドーパミン作動性シグナルが歌識別学習に必要であることを明らかにした。また、この GABA 作
動性シグナルが聴覚経験に応じた異種の求愛歌に対するメスの交尾受容の抑制に寄与すること、
ドーパミン作動性シグナルが聴覚経験に応じた同種の求愛歌に対するメスの交尾受容の促進に寄
与することを示した。以上のことから申請者は、ショウジョウバエの歌識別学習をモデルに、経験
依存的な聴覚可塑性をもたらす神経回路を単一細胞レベルの解像度で明らかにした。これらの発
見は、聴覚可塑性の細胞基盤を単一細胞レベルで明らかにした、という点で神経科学分野におけ
る価値の高い成果であり、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と認められる。 
 
 
 
 
論 文 審 査 の 結 果 の 要 旨 
学位報告１－２ 


Japanese

キイロショウジョウバエにおける経験依存的な歌の好みをもたらす神経回路基盤

長江, 祐樹

1 / 4 
報告番号 甲 第   15343 号 
主 論 文 の 要 旨 
論文題目 
氏  名
Si1−xSnx混晶/Si 界面のエネルギーバンド構
造に関する理論的研究 
(First-Principles Investigation on Energy 
Band Structure of Si1−xSnx/Si Interface) 
長江 祐樹 
論 文 内 容 の 要 旨 
 昨今のコンピュータによる情報処理に関する消費電力急増の解決策として、Si 系光電融
合素子が注目されている。IV 族半導体混晶による近赤外領域における直接遷移化のために、 
Si1−xSnx混晶の格子定数やエネルギーバンド構造などの物性解明と制御方針の構築が益々重
要となっている。 
 本研究では、近赤外領域における Si1−xSnx混晶の直接遷移化および Si 基板に対するSi1
−xSnx を用いた多重量子井戸（MQW）構造の実現に向けて、それぞれ Si1−xSnx 混晶のエネル
ギーバンド構造および Si1−xSnx 混晶/Si 界面のエネルギーバンドオフセットの Sn 組成依存
性に着目した。近赤外領域における直接遷移化の実現と効率的なキャリア閉じ込めを両立す
る、Si に対するエネルギーバンドオフセットの実現には、Si 母相への Sn 組成に依存する
エネルギーバンド構造の変調メカニズムの理解が必要不可欠である。先行研究において高
Sn 組成の Si1−xSnx 混晶形成および光学測定、理論計算による Eg の Sn 組成依存性の報告
がなされる一方、Si1−xSnx 混晶中の Sn 原子の配置の違いがエネルギーバンド構造へ及ぼす
効果は十分に理解されてはいなかった。本研究では、密度汎関数理論（DFT）計算を用いた
理論的手法を通じて、Si1−xSnx 混晶の基礎特性、具体的には、Si1−xSnx 混晶の結晶構造、熱
力学的安定性、エネルギーバンド構造、さらには MQW 構造の積層に向けた材料設計指針
を提案することを目指した。 
以下に本研究で得られた知見と、今後の課題と展望について述べる。 
第 3 章では、Sn 原子が凝集、析出しやすい Si1−xSnx 混晶において、格子内の Sn 原子配
置が電子状態に与える影響を明らかにするために、Si1−xSnx 混晶内部の個々の原子配置によ
るエネルギーバンドギャップ（Eg）の変化と、構造緩和による原子位置のずれが電子構造へ
及ぼす影響の解明に焦点を当てて調査した。 
 まず、理論計算を用いて、Sn 組成の変化に伴う格子定数の変化を評価し、想定される各
構造の形成確率を考慮して熱統計的に平均化した格子定数を算出した。その結果、Si1
−xSnx混晶の格子定数が Sn 組成依存性を示しつつも、Vegard の法則にほぼ従うことが明
らかとなった。 
 さらに、構造緩和を考慮した場合の Si および Sn 原子の局所的な変位が電子特性に与え
る影響を解析した。計算結果から、Si1−xSnx 混晶内での Sn 原子の微小な配置ずれが sp3 
混成軌道由来である VBM の三重縮退準位の縮退を解くことが見出された。Si と Sn 原子
の原子半径の違いに基づく内部応力の解消のため、格子内部で原子位置が微小ずれを起こ
すことで Si1−xSnx 混晶の結晶構造の対称性が緩和したことが要因と考えられる。つまり、
構造緩和を考慮することで、Si1−xSnx 混晶の電子状態の正確な予測が可能になることが推
察された。 
また、格子内部の原子種の配置違いによって、構造緩和なし・同組成でも Si1−xSnx 混晶
のエネルギーバンド構造が変調されることがわかった。これは Si および Sn の電子親和
力が異なるため、同組成においても隣接原子の種類の違いによって、Si1−xSnx 混晶内部で
形成される sp3混成軌道のエネルギー準位にばらつきが発生することが理由と推察され
る。 
 さらに、従来過小評価されるEg について、DFT+U 法を用いてEg の補正を行った。その
結果、Si1−xSnx 混晶のエネルギーバンド構造における直接遷移化 Sn 組成（xdir）を 50%
近傍と予測したが、これは先行研究と比較して近い値である。一方、実験的に得られたEg 
との間には一定の乖離が見られた。この差異は、本研究で設定した 8 原子モデルの周期的
配置が引き起こす意図しない影響や、Eg の理論モデルの限界に起因していると推測され
る。以上の結果から、Si1−xSnx 混晶における格子内原子配置の違いがエネルギーバンド構
造に及ぼす重要な役割を明らかにした。 
第 4 章では、Si1−xSnx 混晶/Si 界面において有効なキャリア閉じ込めが可能なエネル
ギーバンドオフセット設計に向けて、Sn 組成や原子配置が価電子帯上端（VBM）および
伝導帯下端（CBM）に与える影響を詳細に調査した。 
 まず、異なる Si1−xSnx 混晶の組成間におけるエネルギー準位の比較のために、電荷中性
点（CNL）理論を土台に VBO のボウイング効果を定量的に評価した。結果、Si1−xSnx 混
晶の VBO のボウイングパラメータは 1.15±0.02 eV と求められ、従来参照されてきた
Vegard則では説明がつかない既存の実験結果を良く説明できることが分かった。 
 また、第 3 章で導入した経験的パラメータU の導入から発展し、非経験的に電子相関を
考慮して Si1−xSnx 混晶の Eg を見積もるために、Modified-Becke-Johnson 交換相関ポテ
ンシャルによるEg の過小評価問題への補正を行った。第 3 章で明らかとなった Sn 原子
の局
2 / 4 
所配置の違いのエネルギーバンド構造への影響を考慮し、さまざまな原子配置を含むSi1
−xSnx 混晶の結晶構造の形成エネルギーを評価した。結果として、Si1−xSnx 混晶の Eg は
xdir=48.9%で直接遷移化することを確認した。以上の結果から、Si1−xSnx 混晶のエネルギー
バンドオフセットの Sn 組成依存性を明らかにし、Si1−xSnx 混晶/Si 界面におけるバンドア
ライメント設計の指針となる基礎的知見を明らかにした。 
 第 5 章では、直接遷移化が示唆される Si0.5Sn0.5 混晶の高温におけるエネルギーバンド構
造の温度依存性を明らかにするために、温度に伴う格子振動による効果を考慮して、理論的
に解析した。 
 Si4Sn4 の 5 種類の取り得る結晶構造について、密度汎関数摂動理論（Density Functional 
Perturbation Theory）計算に基づき、フォノン解析を行い、格子定数の温度依存性を調査した。
結果、zincblende 構造が 0 K で最もエネルギー的に安定している一方で、温度の上昇とと
もに他の構造の熱統計的な形成確率が上昇し、1020 K において A1（L10）構造との相転移
点が観測された。この相転移は Sn 原子の局所的な配置がエネルギー的に安定化するため
に、結晶格子の短距離秩序（SRO）が形成されることが示唆された。また、450 K 以上の温
度範囲では、zincblende 構造に含まれない、Sn-Sn 1NN や Si-Si 1NN の配置がエネルギー
的に安定であることが示唆され、これが相転移点における自由エネルギーの変化に寄与し
ていると考えられる。 
エネルギーバンド構造の解析では、zincblende 構造では Eg=1.05 eV が得られたのに対
し、A1（L10）構造ではEg=0.20 eV、A2 構造ではEg=0.52 eV といったように、Sn 原子配
置の違いがEg の狭小化を引き起こすことが確認された。これらの結果は、構造緩和による
格子内の局所的な歪みによる結晶構造の対称性の緩和により Si1−xSnx 混晶の sp3 混成軌道
の縮退が解けること、また第 3 章で示唆された Sn-Sn 1NN の比率が増えることによる共有
結合性が弱まることによるものと考えられる。一方で、0 K から 1020 K への温度上昇に伴 
って、Eg が 1.05 eV から 0.57 eV まで狭小化しながらも、全温度範囲で直接遷移型半導体
としての特性を維持することが示された。 
 さらに、Boltzmann 統計に基づいて各構造の形成確率を計算し、Si0.5Sn0.5 における温度
ごとの構造安定性を評価した。特に、450 K 以下では zincblende 構造が 50%以上の形成確
率を示し、zincblende 構造と 1020 K で相転移をする A1（L10）構造が、相転移点で 25.9%
の形成確率を持つことがわかった。結果 Si0.5Sn0.5 混晶における結晶構造の熱安定性と相転
移挙動を体系的に説明できた。 
第 6 章では名古屋大学リーディング大学院プログラム「実世界データ循環学」プログラ
ムにおいて、Si 基板上の Si1−xSnx 混晶 MQW 設計指針を得ることを目的とし、DFT 計算に
よる「仮想世界データ」と、実験による「実世界データ」の相互フィードバックループであ
る「実世界データ循環」を定義した。第 3 章から第 5 章までの、3 回転の実世界データ循環
3 / 4 
4 / 4 
を行った結果、Si1−xSnx 混晶/Si 界面におけるエネルギーバンド構造の評価という観点でその
概念の有効性が示された。また実世界の課題という強いニーズこそが「実世界データ循環」
を循環させる原動力として、超低消費電力光電融合素子の実現という社会的価値を発露さ
せることが期待される。 


Si1−xSnx混晶/Si界面のエネルギーバンド構造に関する理論的研究

都澤, 諒

Tozawa, Makoto

1 / 4 
報告番号 甲 第   15349 号 
主 論 文 の 要 旨 
論文題目 Studies on the Synthesis and 
Photochemical Properties of Low-Toxicity 
I–III–VI Quantum Dots for Light-
Emitting Device Applications 
（発光デバイスへの応用を目指した低毒性
I–III–VI 族量子ドットの合成および光化学
特性に関する研究） 
氏  名 都澤 諒 
論 文 内 容 の 要 旨 
サイズが数ナノメートル以下の半導体ナノ粒子は量子ドット（quantum dot, QD）と呼ば
れ、バルク状態とは異なる物理化学特性を示す。サイズが小さくなるほどバンドギャップエ
ネルギー（Eg）が増大する量子サイズ効果により、粒子サイズを調整することで光の吸収領
域や発光波長を制御することが可能であるため、量子ドットは太陽電池材料や光触媒、発光
材料など幅広い分野への応用が期待されており、活発に研究が進められている。中でも液相
中で合成されるコロイド状量子ドットは、合成とデバイス加工が比較的容易であることか
ら、特に応用が期待される有望な材料と考えられている。 
これまでコロイド状量子ドット研究の主流であった II–VI 族および IV–VI 族半導体の量
子ドットは、幅が狭く単色性の高い発光ピークや、100％に迫る高い発光量子収率（PL QY）
を示すため、優れた光機能材料としての応用が期待されてきた。しかし、これらの量子ドッ
トはカドミウムや鉛など生体毒性の高い元素を含むために環境や健康への影響が懸念され、
その使用は厳しく規制されている。このような背景から、低毒性な元素からなる量子ドット
が近年注目を集めており、その候補の一つとして I–III–VI 族半導体量子ドットが挙げられ
る。この量子ドットは粒子サイズや組成によって Egを制御でき、広範な波長領域で光学特
性を調整できる特徴をもつ。例えば、AgInS2と ZnS の固溶体（(AgIn)xZn2(1−x)S2）ナノ粒子で
はサイズおよび組成を調整することで発光波長を約 500 ~ 800 nm の領域で制御できる(1)。し
 2 / 4 
 
かし、この発光は欠陥準位に由来するものであり、発光ピークの半値全幅（FWHM）が 100 
nm 以上であるために色純度が低いという欠点をもつ。従って、これまでに報告されてきた
I–III–VI 族量子ドットは発光材料として、特にディスプレイや発光ダイオード（LED）用途
において十分な特性をもつとはいえなかった。 
このような状況の中で、2018 年に報告された Ag–In–Ga–S（AIGS）量子ドット(2)において
は、幅広い欠陥発光に加え、吸収端近傍において FWHM が 30 ~ 40 nm とシャープなバンド
端発光が発現することが示された。さらにその表面を硫化ガリウム（GaSx）で被覆し、コア
/シェル構造の AIGS@GaSx量子ドットとすると、欠陥発光が大幅に抑制され、バンド端発光
のみが観測された。AIGS@GaSx量子ドットでは、In/(In+Ga)比を 0.2 ~ 1.0 の範囲で調整する
ことでバンド端発光のピーク波長を約 500 ~ 600 nm で制御可能であり(2)、合成条件を最適化
することで PL QY は 75%に達する(3)。これらのことから AIGS 量子ドットは従来の量子ド
ットに代わる有望な発光材料として期待されている。しかし、PL QY にはさらなる向上の
余地があるうえ、シェル材料の GaSxの化学的安定性が低く湿気や酸素に弱いことが課題と
して挙げられる。また、その発光波長は緑色からオレンジ色の範囲に限定されており、450 
~ 470 nmの青色発光は未だ実現していない。類似の系で青色に近い発光を示す AgGaS2@ZnS
量子ドットが報告されている(4)が、その発光ピークは FWHM が 40 nm 以上と幅広いという
課題が残されている。 
以上を踏まえ本研究では、AIGS 量子ドットをベースとし、緑色および青色に発光する量
子ドット LED（QD-LED）への応用を目指し、新規な I–III–VI 族量子ドットの合成および
発光特性評価を行った。本論文はこれらの研究成果をまとめたものである。 
第 2 章では、AIGS 量子ドットの硫黄前駆体として従来の硫黄粉末の代わりにチオ尿素を
用いることで、酸化ガリウム（Ga2O3）に被覆された AIGS量子ドットを合成した。さらに、
太陽電池材料（Cu–In–Ga–Se）や熱電材料（AgInSe2）などの I–III–VI 族半導体材料の性
能向上に用いられるNaドーピングを適用し、AIGS量子ドットの発光特性の向上を図った。
硫黄粉末を用いて合成した AIGS 量子ドットは波長 520 nm に吸収端を示し、514 nm に狭
いバンド端発光ピーク、590 nm に幅広い欠陥発光ピークをもつフォトルミネセンス（PL）
スペクトルを示した。この量子ドットの PL QY は 8.3％であった。一方でチオ尿素を用い
た場合では吸収端波長が 590 nm に、バンド端発光ピークが 560 nm にそれぞれレッドシフ
トし、欠陥発光強度は大きく低下して、PL QY は 29％に増大した。これらの AIGS 量子ド
ット合成時にNa前駆体を添加すると、硫黄粉末、チオ尿素のいずれを用いた場合でもAIGS
量子ドットの欠陥発光強度は低下するとともにバンド端発光強度は増加し、PL QY はそれ
ぞれ 12、58%まで増大した。各サンプルの組成分析と XRDパターンから、硫黄粉末を用い
た場合では概ね仕込み比通りの組成の AgInS2–AgGaS2固溶体が得られたが、チオ尿素を用
いた場合では組成において Ga が 70%以上を占め、副生成物として γ-Ga2O3が存在すること
が示唆された。Na ドープしたサンプルではいずれも Na が約 3%検出されたが、Na を添加
しても結晶構造は変化しなかった。TEM 観察より粒子形状とサイズを評価したところ、硫
 3 / 4 
 
黄粉末を使用した AIGS 量子ドットは Na 添加の有無にかかわらず平均粒径が 4.6 nm程度
の球状粒子であったのに対し、チオ尿素を使用した AIGS 量子ドットは不規則でいびつな
形状をもち、平均粒径は 3 nm 程度であった。HAADF-STEM 像およびナノスケール EDS
分析の結果から、チオ尿素を用いて合成した Na ドープ AIGS 量子ドットは非晶質部分を
含むマトリックス状の γ-Ga2O3 が正方晶 Ag(In,Ga)S2 ナノ結晶を内包する構造であること
がわかった。このことから、Ga2O3による AIGS 量子ドットの表面不動態化により発光特性
が大幅に向上したことが示唆される。Na 添加による発光寿命の変化を調査した結果、バン
ド端発光ピークにおける寿命は硫黄粉末、チオ尿素を用いた場合でそれぞれ 99 ns、120 ns
であり、Na ドーピングによってそれぞれ 68 ns、83 ns に減少したことがわかった。このこ
とから Na ドーピングにより輻射再結合が促進され、PL QY が増大したと考えられる。 
緑色に発光するNaドープAIGS/Ga2O3量子ドットを用いて量子ドットLED（QD-LED）
を作製した。得られた素子のエレクトロルミネセンス（EL）スペクトルでは、PL スペクト
ルとほぼ同じ波長の鋭いバンド端発光ピークと、600 ~ 780 nm にかけての弱くブロードな
欠陥発光ピークが確認された。駆動電圧は 3.2 V とやや大きく、また 58%と高い PL QY に
もかかわらず外部量子効率（EQE）は最大で約 0.6%であった。以上より、LED の素子構造
および材料の最適化が性能向上に必要となるものの、比較的色純度の高い緑色発光 QD-
LEDの作製に成功し、Ga2O3マトリックスによる AIGS 量子ドット被覆の有用性を示した。 
第 3 章では、青色発光を示す Ag–Ga–S 量子ドットの合成および QD-LED への応用を検討
した。まず、Ag–Ga–S 量子ドットにおける Ag/Ga 比による光学特性の制御を試みた。仕込
み Ag/Ga 比 0.20 および 0.35 で合成した Ag–Ga–S 量子ドットでは、実組成における Ag/Ga
比は仕込みよりやや大きな値を示したが、それ以上の Ag/Ga 比では、得られた量子ドット
の Ag/Ga 比は仕込み比とよく一致した。TEM 観察より、得られた量子ドットは不規則でい
びつな形状を有し、Ag/Ga 比が 1.0 から 0.20 へと小さくなるほど平均粒径が 12 nm から 4.8 
nm へと減少した。粒子サイズ減少に伴い吸収端は約 460 nm から 440 nm へブルーシフト
し、量子サイズ効果の発現が示唆された。PL スペクトルでは、Ag/Ga 比が 1.0 の場合は全
く発光ピークが見られなかったが、Ag/Ga 比が減少するにつれて発光が現れ、Ag/Ga = 0.35
で合成した Ag–Ga–S 量子ドットでは、波長 520 nm における幅広い欠陥発光とともに 440 
nm にバンド端発光ピークが発現した。CuInSe2における欠陥準位の理論計算(5)を参考にする
と、Ag 不足な非化学量論組成では、二つの Ag+空孔（VAg）欠陥が Ag 格子サイトに侵入し
た Ga3+アンチサイト（GaAg）欠陥と容易にペアを作り、これにより GaAg由来のトラップ準
位が除去されて発光が発現したことが示唆される。発光特性をさらに向上させるため、塩化
物イオン（Cl−）を含むオレイルアミン中で Ag–Ga–S 量子ドットを加熱し、表面処理を試み
た。Cl−処理後の Ag–Ga–S 量子ドットは Ag/Ga 比によらず処理前と比較して滑らかな表面
を持ち、平均粒径は僅かに増大した。XRD パターンでは Cl−処理前と比べてピークが先鋭化
し、粒子サイズの増大と結晶性の向上が示唆された。さらに Ag/Ga 比 0.20 で作製した量子
ドットは斜方晶 AgGaS2構造、0.35 以上で作製した量子ドットは正方晶 AgGaS2構造を持つ
 4 / 4 
 
ことがわかった。これらの結果から、Cl−処理によって Ag–Ga–S 量子ドットのオストワルド
熟成が促進されたことが示唆される。発光特性においては、特に Ag/Ga 比 0.35 のサンプル
でバンド端発光ピークが大きく増強し、PL QY が約 3%から 5.5%に増大した。このサンプル
をさらに GaSx シェルによって被覆すると、波長 444 nm のバンド端発光ピークのみが増大
し、PL QY は 12％に達した。バンド端発光ピークの FWHM は 22 nm と、青色発光を示す既
報の低毒性量子ドットよりも狭い値を示した。HAADF-STEM 観察およびナノスケール EDS
分析より、GaSx被覆 Ag–Ga–S 量子ドット（Ag–Ga–S@GaSx）は、正方晶 AgGaS2の結晶性
コアの周縁部に 0.9 nm 以下の Ga リッチな薄いアモルファスシェル層をもつことが明らか
となった。これらの結果は、Cl−処理による結晶性向上と GaSxシェル被覆による表面欠陥の
除去が、Ag–Ga–S 量子ドットにおける青色バンド端発光の発現に寄与したことを示してい
る。 
Ag–Ga–S@GaSx量子ドットを単独で、あるいは電子輸送剤の 3TPYMB と混合して発光層
に用い、QD-LED を作製した。Ag–Ga–S@GaSx量子ドットのみを発光層に用いた素子の EL
スペクトルにおいては、波長 450 nm のバンド端発光に加えて 560 nm 付近に欠陥発光ピー
クが生じ、青灰色の発光を示した。一方、3TPYMB を添加した素子では欠陥発光の発現が
抑制され、鮮やかな青色発光が得られた。この欠陥発光は、電子注入層である ZnMgO と量
子ドットの直接接触によって量子ドット表面に生成した欠陥準位に由来すると考えられる。
EQE は 3TPYMB を添加した素子で最大 0.66%であった。より高性能な素子を作製するには
Ag–Ga–S 量子ドットの PL QY 向上および素子材料の最適化が必須であるが、これらの結果
は Ag–Ga–S 量子ドットの青色発光材料として十分な可能性を有することを示している。 
本論文で得られた知見は、低毒性な I–III–VI 族量子ドットの発光特性の制御および向上、
さらにこれら量子ドットの LEDへの応用において非常に有用なものであり、低毒性 I–III–
VI 族量子ドットの発光材料としての実用化の可能性を大きく広げるものである。 
 
参考文献 
1. T. Kameyama et al., J. Phys. Chem. C, 2015, 119, 24740–24749. 
2. T. Kameyama et al., ACS Appl. Mater Interfaces, 2018, 10, 42844–42855. 
3. T. Uematsu et al., Chem. Mater., 2023, 35, 1094–1106. 
4. T. Bai et al., Inorg. Chem., 2020, 59, 5975–5982. 
5. S. B. Zhang et al., Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys., 1998, 57, 9642–9656. 
 


Studies on the Synthesis and Photochemical Properties of Low-Toxicity I–III–VI Quantum Dots for Light-Emitting Device Applications

森田, 秀

MORITA, Shu

 ※ 号
別紙１－１
報告番号
Atomic layer engineering of Dion–Jacobson-type perovskite
ferroelectrics
(Dion–Jacobson型ペロブスカイト強誘電体の原子層制御)
第       15350
論   文   題   目
氏　　 　名 森田　秀
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 長田　実主査 名古屋大学
未来材料・システム研
究所
准教授 谷口　博基委員 名古屋大学 理学研究科
教授 菊田　浩一委員 名古屋大学 工学研究科
准教授 小林　亮委員 名古屋大学
未来材料・システム研
究所
 論文審査の結果の要旨　別紙１－２
　森田秀君提出の論文「Atomic layer engineering of Dion–Jacobson-type perovskite ferroelectrics
（Dion–Jacobson型ペロブスカイト強誘電体の原子層制御）」は、Dion–Jacobson（DJ）型層状ペロブスカイト
を対象に原子層レベルでの構造制御と強誘電特性の制御機構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、ペロブスカイト強誘電体の構造、物性、応用を概説するとともに、DJ型層状ペロブスカイト強誘電
体の材料開発、特性制御において本質的な課題となる原子層レベルでの構造制御の重要性を指摘している。
第2章では、DJ型層状ペロブスカイトの精密合成について論じている。DJ型層状ペロブスカイトにおいては、
熱力学的不安定性やアルカリ金属の揮発により層数nが4以上の多層系合成は困難を極めていたが、積木細工の要
領でペロブスカイト層を１層ずつ重ね、多層系の合成を可能とする新しい合成法（原子層制御法）を開発してい
る。この原子層制御法を3層系強誘電体CsBi2(Ti2Nb)O10に適用することで、4層系、5層系の層状ペロブスカイト
Cs(Bi2Srn −3)(Tin −1Nb)O3n +1 (n = 4, 5）の合成に成功している。さらに、放射光X線回折、制限視野電子線回折、
光第二高調波発生測定により詳細な構造解析を行い、原子層レベルでの分極構造制御の可能性を指摘している。こ
れらの結果は、DJ型層状ペロブスカイトの精密合成および強誘電体開発の上で重要な知見、技術である。
第3章では、Cs(Bi2Srn −3)(Tin −1Nb)O3n +1 (n = 3−5)の強誘電特性について論じている。分極ー電界特性、比誘
電率温度依存性による電気特性評価を行い、いずれも室温で強誘電体であり、層数nとともにキュリー温度が
540℃（n = 3）から、430℃（n = 4）、180℃（n = 5）と低下することを確認している。さらに、放射光Ｘ線回
折、ラマン分光法により、この物質系における強誘電性の発現機構の検討を行い、層数制御の重要性を指摘すると
ともに、層数が奇数の場合には従来型の変位型強誘電性モデル、偶数の場合には新型のハイブリッド間接型強誘電
性モデルにスイッチするユニークな機能を有することを明らかにしている。これらの結果は、層状ペロブスカイト
の原子層制御による新たな強誘電体の設計指針を与える重要な知見である。特に、今回開発した4層系
Cs(Bi2Sr)(Ti3Nb)O13のハイブリッド間接型強誘電体は、4層以上の多層系で初であり、強誘電体分野において重要
な発見である。
第４章では、Cs(Bi2Srn −3)(Tin −1Nb)O3n +1 (n = 3−5)の剥離ナノシート化による原子層強誘電体の開発について
論じている。従来DJ型層状ペロブスカイトの剥離ナノシート化が利用されるが、Bi内包した化合物については酸
処理過程でのBi溶出により化学剥離の適用が困難であった。この課題に対して、層間水の凍結に伴う体積膨張を利
用する凍結融解剥離法を層状ペロブスカイトに初めて適用し、Cs(Bi2Srn −3)(Tin −1Nb)O3n +1の剥離ナノシート化を
達成している。さらに、圧電応答顕微鏡を用いた特性評価の結果、厚さ2.2 nmのBi2Sr2Ti4NbO16（n = 5）におい
て強誘電性を確認している。これらの結果は、原子層強誘電体開発に新たな設計指針を与える重要な知見である。
　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、DJ型層状ペロブスカイトの精密合成技術を確立するとともに、原子層レベルでの構
造制御と強誘電特性の制御機構を明らかにすることで、強誘電体開発に新しい指針を与えている。これらの技術並
びに得られた結果は、ペロブスカイト強誘電体の材料開発と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森田秀君は博士（工学）の学位を受けるに十分
な資格があると判断した。
1


Atomic layer engineering of Dion–Jacobson-type perovskite ferroelectrics

吉田, 宗馬

 1 / 5 
報告番号 甲 第   15357 号 
主 論 文 の 要 旨 
論文題目 トポロジカル超伝導の準粒子状態の理論
—量子渦とらせん結晶—
(Theory of Quasi-Particle States in
Topological Superconductors
―Quantum Vortex and Chiral Crystal―)
氏  名 吉田 宗馬 
論 文 内 容 の 要 旨 
本論文では、トポロジカル超伝導体の表面において誘起されるフラットバンドを持った
Andreev 束縛状態について、量子渦との干渉や結晶のらせん性から受ける影響などを調べ
た筆者の研究[1, 2, 3] をまとめた。 
第一章では、研究の背景としてクーパー対の周波数対称性、表面 Andreev 束縛状態、量
子渦の紹介をする。 
第二章では、第三、四章において用いる準古典理論を導入する。 
第三章では、Andreev 束縛状
態の誘起された表面における量
子渦電流の反転を示した研究を
紹介する[1]。 
マイスナー効果で知られるよ
うに、超伝導体は磁場化において
完全反磁性を示す。一方で、超伝
導二層系における低エネルギー
ミューオンスピン緩和法の実験
から、局所的な磁場が印加された
磁場よりも大きくなるという結
果が報告される[4]。この磁場の増
図 1. (a) モデルの模式図。量子渦は x = y = 0 に沿って
超伝導体を貫いており、半無限の 3 次元超伝導体は z ≥ 
0 を占有している。(b)s 波と(c)pz 波の超伝導体におけ
る超伝導ギャップ。内部の銀色の球はフェルミ球を表し
ており、フェルミ球からの距離が超伝導ギャップの大き
さを表している。また色は青を正、赤を負としてペアポ
テンシャルの位相を模式的に表している。 
 2 / 5 
 
強は奇周波数クーパー対の常磁性応答によって理解することが出来る[5, 6]。 
奇周波数クーパー対は超伝導体の非一様な領域に現れる。このような非一様系の代表的
な例の一つが、表面 Andreev 束縛状態の形成された表面である。表面 Andreev 束縛状態
は、ペアポテンシャルの波数空間における異方性に関連付けられて生成されるゼロエネル
ギー束縛状態である[7]。このとき、この束縛状態の形成に対応して奇周波数クーパー対が
誘起される[8]。奇周波数クーパー対が誘起されるもう一つの例が量子渦である。この場合
にも渦芯では、量子渦の空間的な特異性に起因して、Caroli de-Gennes Matricon(CdGM) 
モードと呼ばれる束縛状態が形成され、この束縛状態に対応した奇周波数クーパー対が誘
起される[9]。 
これまでこれらの奇周波数クーパー対は独立に研究が成されてきたが、その一方でこれ
らの奇周波数クーパー対が空間的に同じ領域に誘起されるようなモデルを考えることが可
能であり、それらが互いにどのように相互作用するかは興味深い問題である。そこで本研
究では、図 1(a) に示すような半無限三次元超伝導体に侵入した量子渦を考える。計算には
準古典 Eilenberger 理論を用い、s 波と pz 波超伝導体を考えた(図 1(b),(c))。このとき
Andreev 束縛状態は pz 波超伝導体の表面においてのみ存在する。 
【結果の概要】 
自己無撞着な数値計算により、s 波超伝導体と pz 波超伝導体の表面における渦電流を比較
し、pz 波超伝導体の表面付近では渦電流の流れる向きが反転することを明らかにした。さ
らに、異常グリーン関数を数値的に解析することにより、表面 Andreev 束縛状態によるク
ーパー対の周波数対称性の変換が渦電流反転を引き起こしていることを示した。また、局
所状態密度の数値計算結果から、pz 波超伝導体の表面では表面 Andreev 束縛状態と
CdGM モードが干渉し、これらのゼロエネルギー状態は有限エネルギーにシフトすること
を示した。 
数値計算に加えて、Kramer-Pesch 近似による解析的な手法を用いて、より一般の超伝
導体の表面における渦電流と局所状態密度を調べた。解析の結果、数値計算で得られてい
た渦電流の反転と低エネルギー帯の局所状態密度の抑制が同様に生じることが示された。 
 
第四章では、カイラル超伝導体におけるカイラリティ検出手法を提案した研究を紹介す
る[3]。 
クーパー対が有限の軌道角運動量を持つような超伝導をカイラル超伝導と呼ぶ。カイラ
ル超伝導では有限の軌道角運動量に対応してカイラリティχ という整数が定義される[10]。
このカイラリティχ の検出は超伝導のカイラルな性質を理解する上で非常に重要である。
その一方で、カイラリティχ を検出した実験は超流動 3He の A 相におけるものに限られ
ており、超伝導体における検出は未だ達成されていない。 
そこで本研究では、Andreev 束縛状態と CdGM モードの間の干渉を調べることにより、
局所的なχ の値を特定する新奇手法を提案する。この目的を達するために、表面に垂直に
 3 / 5 
 
量子渦の侵入した三次元カイラル超伝導体を考える。 
【結果の概要】 
自己無撞着な数値計算を行い、(dzx + idyz) 波超伝導体の粗い表面における局所状態密度を
調べ、その構造が平行状態(χ = M) と反平行状態(χ = −M) とで異なることを示した。ク
リーンな表面における局所状態密度はゼロエネルギーにディップ構造を形成する。平行状
態では、通常そうであるように局所状態密度の構造は表面粗さによって破壊され、ゼロエ
ネルギーディップ構造は不鮮明になる。一方で反平行状態では、強い表面粗さの下でもゼ
ロエネルギーディップ構造が壊されることなく残存した。この違いを走査型トンネル顕微
鏡(STS)により観測することで、局所的なカイラリティを観測し、カイラリティドメインマ
ップを描くこと可能であると考えられる。 
カイラリティに依存した上述のゼロエネルギーディップ構造の表面粗さに対する強固さ
の違いは、クーパー対の対称性の違いから説明することができる。平行状態の表面では、
渦芯に(dx2−y2 − idxy) 波成分のクーパー対が誘起される。一方で反平行状態の表面では、s 
波成分のクーパー対が誘起される。等方的な s 波クーパー対は不純物散乱に強いので、こ
の偶周波数クーパー対と対応のあるゼロエネルギーディップ構造も不純物に強くなるので
ある。 
 
第五章では、超伝導らせん結晶の表
面における表面状態について調べた
研究を紹介する[2]。超伝導体におけ
るペアポテンシャルの対称性は、その
物質の結晶構造と深く関係づけられ
る[11]。ペアポテンシャルの対称性は、
様々な超伝導体で精力的に研究され
ており、また右巻きと左巻きを持つ
らせん結晶においても NbRh2B2 や
TaRh2B2 などで超伝導状態を示唆
する結果が得られている。 
昨今の実験で、s 波超伝導体の表面
に化学吸着したらせん分子の効果が
報告されている[12]。 
らせん分子を通して STM によっ
て観測されたトンネルコンダクタン
スに、ゼロエネルギーコンダクタン
スピークが形成されていた。ペアポ
テンシャルの波数依存性に符号変化
表 1. らせん格子(D6) とハニカム格子(D6h) におけ
る結果のまとめ。基底関数を区別するために E1 と
E2 のスピンチャンネルを明記した。チェックとバ
ツはそれぞれゼロエネルギーピークの有無を示して
いる。ゼロと有限の数はそれぞれ自明な巻き付き数
と非自明な巻き付き数の値を示している。 
 4 / 5 
 
のない s 波超伝導体の表面には Andreev 束縛状態は形成されえない。このため観測された
コンダクタンスピークを説明する一つのシナリオとして、吸着したらせん分子の効果によ
り異方的超伝導体が形成された可能性に我々は着目した。そこで本研究では、近接効果に
よって異方的超伝導がらせん分子に誘起された可能性に着目し、最近接層間ペアの形成さ
れた超伝導状態のらせん結晶とハニカム格子を考え、表面状態を数値計算により調べた。 
【結果の概要】 
最近接層間ペアのペアポテンシャルを考え、既役表現に分類した。すべての既役表現に対
して(001) 表面とジグザグ表面における表面状態密度を計算した。また、バルクにおける巻
き付き数を計算した。表 1 に、すべての既役表現についての表面状態密度におけるゼロエ
ネルギーピークの有無と巻き付き数の値を示した。全ての既役表現において、ゼロエネル
ギーピークの有無は有限の巻き付き数の値によって説明することができた[13]。 
 
参考文献 
[1] S. Yoshida, S.-I. Suzuki, and Y. Tanaka, Vortex supercurrent inversion by 
frequency-symmetry conversion of Cooper pairs, Phys. Rev. Res. 4, 043122 (2022). 
[2] S. Yoshida, K. Yada, Y. Tanaka, and T. Yokoyama, Topological superconductivity in 
helical crystals, Phys. Rev. B 107, 205305 (2023). 
[3] S. Yoshida, Y. Tanaka, A. A. Golubov, and S.-I. Suzuki, Chirality detection through 
vortex bound states in a (𝑑+𝑖𝑑’)-wave superconductor, Phys. Rev. B 111, 014511 (2025). 
[4] A. Di Bernardo, Z. Salman, X. L. Wang, et. al., Intrinsic Paramagnetic Meissner 
Effect Due to s-Wave Odd-Frequency Superconductivity, Phys. Rev. X 5, 041021 (2015). 
[5] V. L. Berezinskii, New model of the anisotropic phase of superfluid He3, Pis’ma Zh. 
Eksp. Teor. Fiz. 20, 628 (1974) [Sov. Phys. JETP Lett. 20, 287 (1974)]. 
[6] S.-I. Suzuki, and Y. Asano, Paramagnetic instability of small topological 
superconductors, 
Phys. Rev. B 89, 184508 (2014). 
[7] C.-R. Hu, Midgap surface states as a novel signature for dxa2-xb2-wave 
superconductivity, Phys. Rev. Lett. 72, 1526 (1994). 
[8] Y. Tanaka, and A. A. Golubov, Theory of the Proximity Effect in Junctions with 
Unconventional Superconductors, Phys. Rev. Lett. 98, 037003 (2007). 
[9] T. Yokoyama, Y. Tanaka, and A. A. Golubov, Theory of pairing symmetry inside the 
Abrikosov vortex core, Phys. Rev. B 78, 012508 (2008). 
[10] A. J. Leggett, A theoretical description of the new phases of liquid 3He, Rev. Mod. 
Phys. 47, 331–414 (1975). 
[11] M. Sigrist, and K. Ueda, Phenomenological theory of unconventional 
superconductivity, Rev. Mod. Phys., 63, 239–311 (1991). 
 5 / 5 
 
[12] H. Alpern, E. Katzir, S. Yochelis, et. al., New J. Phys., Vol. 18, No. 11, Nov 2016, pp. 
113048. 
[13] Y. Tanaka, M. Sato, and N. Nagaosa, Symmetry and Topology in Superconductors 
–Odd-Frequency Pairing and Edge States–, J. Phys. Soc. Jpn. 81, 011013 (2012). 
 


トポロジカル超伝導の準粒子状態の理論 : 量子渦とらせん結晶

大谷, 祐貴

 ※ 号
別紙１－１
報告番号
レーザ粉末床溶融結合における高強度Al-Si-Mg三元合金の設
計および組織制御
(Design and Microstructure Control of High-Strength Al-Si-Mg
Ternary Alloys for Laser Powder Bed Fusion)
第       15361
論   文   題   目
氏　　 　名 大谷　祐貴
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 髙田　尚記主査 名古屋大学 工学研究科
教授 足立　大樹委員 兵庫県立大学 工学研究科
教授 小山　敏幸委員 名古屋大学 工学研究科
教授 君塚　肇委員 名古屋大学 工学研究科
 論文審査の結果の要旨　別紙１－２
大谷祐貴君提出の論文「レーザ粉末床溶融結合における高強度Al-Si-Mg三元系合金の設計及び組織制御」における
各章の概要は以下の通りである。
第一章では現状のアルミニウム合金のL-PBFにおける課題とその解決について議論した。本研究の目的をAl-Si-Mg
三元系における合金設計と組織制御指針の確立とし、熱力学計算を援用した新規Al-Si-Mg三元合金の開発と微視組
織に由来する不均一変形の解析に取り組む意義を述べた。
第二章ではL-PBF造形性と高強度を両立するAl-Si-Mg合金の開発を目的とし、熱力学計算を援用した熱間割れ性の
評価と構成相の予測を試みた。熱間割れ感受性の観点から設計したAl-10Si-4.5Mg合金のL-PBF造形と微視組織の
解析を通じ、十分なL-PBF造形性を確保しつつSi相およびMg2Si相による高強度化を実現する方法を考察した。
Al-10Si-4.5Mg合金のL-PBF造形体はナノスケールのSi相およびMg2Si相に由来する極めて高い機械的強度を示
し、その強度は時効処理による析出強化により更に高められる。しかし、Al-10Si-4.5Mg合金は溶融池境界に沿っ
て生じる粗大なMg2Si晶出物に沿った巨視的な割れを示し、L-PBF造形性の限界を露呈した。この問題に対処する
ため、凝固計算を援用した異なる凝固経路を持つ合金の再設計を実施した。新たに設計されたAl-10Si-3Mg合金は
粗大な割れの抑制と高密度化を達成し、微視組織の観察により溶融池境界での粗大なMg2Si相の抑制が達成された
ことが確かめられた。
第三章ではα-Al/Mg2Si二相共晶反応を利用したAl-Mg-Si合金を開発するため、α-Al/Mg2Si二相共晶組成に相当
するAl-10Mg-5Si合金のL-PBF造形性および微視組織と力学特性を研究した。本合金のL-PBFではレーザ照射に伴
うMgの蒸発が造形体の化学組成に微視的な変動をもたらし、不均一なα-Al/Mg2Si二相共晶組織が引き起こされ
た。Al–Mg–Si合金L-PBF造形体の溶融池内部は低濃度のMgに由来する微細なα-Al/Mg2Si亜共晶組織を示すが、
Mgが局所的に濃化する溶融池境界付近では粗大な初晶Mg2Si相を含む粗大なα-Al/Mg2Si過共晶組織が現れ、微
視的な機械的強度にも変動をもたらした。一方、最適なレーザパラメータで造形した本合金は緻密かつ熱間割れを
示さず、引張試験は室温で529 MPaにおよぶ極めて高い引張強さを示した。高い機械的強度は試験温度の上昇とと
もに失われたため、L-PBF造形体に特有の急冷凝固組織に由来する強化機構が示唆された。
第四章ではAl-Mg-Si合金L-PBF造形体に特異な高強度化をもたらした急冷凝固組織におけるMg元素の役割を解明
するため、異なる熱処理を施した造形体を用いて引張試験その場XRD測定による強化機構の解析を実施した。造形
まま材の高強度は急冷凝固により形成される微細なMg₂Si相への応力分配と固溶Mg、Si元素による母相α-Al相の
固溶強化に由来し、300 °Cおよび530 °Cの熱処理は微細なMg₂Si相の成長と固溶元素の消費を引き起こすため機械
的強度を低下させた。造形まま材は高い初期転位密度が高い加工硬化率を与えるが、均一伸びに乏しく早期破壊に
至った。熱処理は初期転位密度を減少させ加工硬化率も併せて低下するが、安定した塑性変形能を示した。300 °C
熱処理材でMg₂Si相の巨視的な応力に寄与する割合が最大となり、優れた全伸びが得られた。Mg₂Si相の相応力・
ひずみをAl-Si系合金L-PBF造形体のSi相と比較して考察した結果、Mg₂Si相は強化相としての弾性特性 (弾性係数
および降伏応力) Si相に比べ優位でないが、Mg元素に由来するα-Al相の固溶強化が顕著であると結論づけた。本
章の結果はAl-Mg-Si合金L-PBF造形体におけるMg₂Si相の弾・塑性変形挙動と巨視的な機械的強度への寄与を明ら
かにし、固溶元素の制御とMg₂Si相の分率がAl-Mg-Si合金の設計における指針とすべきことを示した。
第五章ではAl-Mg-Si合金L-PBF造形体に対する高圧ねじり加工 (HPT) の適用を検討した。HPT加工がもたらす静
水圧下での塑性流動はL-PBF造形に由来する空隙を縮小分散させ、特に300 °C熱処理材のHPT試料は良好な強度–
延性バランスを示し、HPT加工を用いた積層造形体における造形欠陥の低減と力学特性の向上を目的としたポスト
プロセスの可能性を示した。
第六章ではAl合金L-PBF造形体が示す引張延性の異方性の起源を明らかにするため、Al-12Si合金L-PBF造形体の
不均一変形を引張試験その場SEM観察とデジタル画像相関法 (DIC) 解析により明らかにし、熱処理による微視組
織の変化と関連付けて溶融池組織が引張延性の異方性に与える影響を考察した。造形まま材の溶融池内部は硬質か
つ微細なセル状α-Al/Si共晶組織を持つが、溶融池境界には軟質かつ粗大なセル状共晶組織が形成される。この微
視組織および機械的強度の不均一性が原因となり、引張変形において溶融池境界に沿ったひずみの局在化が生じ、
破壊経路となることで巨視的な引張延性を低下させることがわかった。熱処理は共晶組織の均質化を通じてひずみ
の局在化を緩和するため引張延性の異方性も低減される。最も均質化された共晶組織を持つ530 °C熱処理材ではひ
ずみの局在化は造形欠陥の周囲のみで見られ、微視組織に由来する不均一変形と巨視的な引張延性の異方性は観察
されなくなった。溶融池内部では特定の柱状α-Al結晶粒が優先的な変形を示し、溶融池内部に不均一変形をもた
らすことが示唆された。溶融池境界のひずみ量を溶融池境界が引張方向となす幾何学的な関係から考察し、ひずみ
の局在化が延性の異方性を生むメカニズムを考察した。本研究の知見はL-PBF造形体の力学特性の向上と異方的な
引張特性の低減に向けた溶融池組織の制御に指針を与える。
以上に述べた本研究の知見は経済的に優れるAl-Si-Mg三元系合金のL-PBF適用を目指した合金開発とプロセス設計
における共晶組織と溶融池組織の制御の重要性を指摘し、将来的なアルミニウム合金のL-PBFの産業応用に貢献す
るものと考えられる。これらの評価方法並びに得られた結果は、PBF-LB法による積層造形プロセスによる新たな
高強度軽量合金の創製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大谷祐貴君は博士（工学）の学位を受けるに十分な資格があると判断した。
1


レーザ粉末床溶融結合における高強度Al-Si-Mg三元合金の設計および組織制御

鈴木, 健介

Suzuki, Kensuke

 ※ 号
別紙１－１
報告番号
Model Calibration and Process Robustness Evaluation for
Simulated Moving Bed Chromatography via Bayesian Statistics
(ベイズ統計を用いた擬似移動層クロマトグラフィーのモデルパラ
メータ推定およびプロセスロバスト性の評価)
第       15362
論   文   題   目
氏　　 　名 鈴木　健介
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 川尻　喜章主査 名古屋大学
教授 松田　圭悟委員 名古屋大学
教授 宇治原　徹委員 名古屋大学
教授 宇佐美　徳隆委員 名古屋大学
工学研究科
情報学研究科
未来材料・システム研
究所
工学研究科
 論文審査の結果の要旨　別紙１－２
鈴木健介君提出の論文「Model Calibration and Process Robustness Evaluation for Simulated Moving Bed
Chromatography via Bayesian Statistics（ベイズ統計を用いた擬似移動層クロマトグラフィーのモデルパラメー
タ推定およびプロセスロバスト性の評価）」は、ベイズ統計手法を用いた化学プロセスのモデルの不確実性が及ぼ
す影響を定量化する方法を提案している。各章の概要は以下の通りである。
　第1章では、本博士論文の背景を述べている。
　第2章では、本博士論文で使う擬似移動層クロマトグラフィーの数式モデルについて解説している。
　第3章では、ベイズ統計の背景知識を述べている。
　第4章では、本博士論文で提案した数値計算手法について述べている。
第5章では、擬似移動層クロマトグラフィープロセスのモデルの不確実性が、同プロセスの性能へ及ぼす影響の
定量化を行っている。ここで提案された手法は重要な知見である。
第6章では、擬似移動層クロマトグラフィーのモデルを操業データから推定する手法を提案し、実証している。
この手法も過去に報告されたことのない重要なものである。
第7章では、擬似移動層クロマトグラフィーの複数の運転方法を考慮し、ロバスト性の評価を行っている。提案
するロバスト性評価手法は学術的新規性の極めて高いものである。
　第6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擬似移動層クロマトグラフィーのモデル化および不確実性定量化手法を提案し実証して
いる。これらの提案方法並びに得られた結果は、擬似移動層クロマトグラフィーの開発を行うために重要であり、
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鈴木健介君は博士（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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