Research activities


マイクロおよびナノといった超微小サイズの構造を持つ製品が多くの分野で注目されています.そのため,材料が持つ特性をこれまでになく小さな視点から評価することが求められています.

本研究室では,微小材料が持つ強度特性の解明を中心テーマとして,実験及び計算機シミュレーションを行っています.


  実験・解析

  ナノ構造体の界面強度に関する力学的研究
  Transition of Stress Field near Interface Edge of Bi-material under Creep
  高分子薄膜/ガラス基板界面のクリープき裂伝ぱ
  サブミクロン薄膜の界面端からのクリープき裂発生およびクリープ特性評価
  ナノらせん構造の変形異方性評価
  薄膜界面の破壊じん性評価
  金マイクロコンタクト拡散接合部の強度解析

  第一原理計算解析・分子動力学解析

  ナノ構造材料の理想強度解析
  曲部を有するカーボンナノチューブのひずみ集中に関する研究
  第一原理計算に基づく強誘電材料のマルチフィジックス解析
  Pb(ZrxTi1-x)O3のShell modelポテンシャルの開発
  分子動力学法によるアモルファス金属の引張変形シミュレーション



ナノ構造材料の理想強度解析
ナノスケール構造材料の基本的な強度特性を示す指標として,周期性の高い理想構造体の理想強度を評価しています.

Cuナノワイヤの直径による破壊形態の違い

Siナノ薄膜の強度に与える膜厚の影響
※関連論文 Ideal strength of nano-components
 Takayuki Kitamura, Yoshitaka Umeno, Akihiro Kushinma

 Materials Science Forum, 482, pp 25-32, 2005.


Ab initio study of the surface propertiesand ideal strength of (100) silicon
 Yoshitaka Umeno, Akihiro Kushima, Takayuki Kitamura, Peter Gumbsch,and Ju Li

 Physical Review, B 72, pp 165431, 2005.


・Ideal strength of a Cu multi-shellnano-wire
 Akihiro Kushima, Yoshitaka Umeno and Takayuki Kitamura

 Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 14, pp 1031,2006.



ナノ要素の界面強度に関する力学的研究
ナノスケールの異材界面における破壊を支配する力学法則を明らかにすることを目的に,TEM(透過電子顕微鏡)中において極めて精密な破壊実験を行っています.

    

In situ TEM observation of Si/Cu interfacial fracture (Acc. 200kV)

Load application curve
※関連論文 ・平方寛之,高橋可昌,新見耕二,Do Van Truong,北村隆行
 透過型電子顕微鏡によるナノ構造体の界面端き裂発生のその場観察試験法の開発
 材料,Vol. 55 (No. 12),2006,(掲載決定済み)



曲部を有するカーボンナノチューブのひずみ集中に関する研究
分子動力学法,第一原理解析といった原子・電子シミュレーション法を用いてナノスケールの不均一構造(ナノ不均一構造)を有する材料の変形特性に関する研究を行っています.

曲部を有するカーボンナノチューブの引張解析モデル 軸方向ひずみの分布
※関連論文 ・ 曲部を有するカーボンナノチューブの不均一ひずみの評価,
 北村隆行,梅野宜崇,木下佑介,
 日本機械学会論文集(A編)72巻718号(2006-6),pp.811-816,論文No.05-0387

・ Evaluation of strain concentration in carbon nanotube with bend junction,
 Yusuke Kinoshita, Yoshitaka Umeno, and Takayuki Kitamura,
 Key Engineering Materials, Vols.340-341 (2007) pp.101-106.



第一原理計算に基づく強誘電材料のマルチフィジックス解析
ナノスケール構造材料の基本的な強度特性を示す指標として,周期性の高い理想構造体の理想強度を評価しています.

強誘電分域壁のシミュレーションセル せん断変形下の分域壁構造
※関連論文 ・Ab initio density functional theory study of strain effects on ferroelectricity at PbTiO3 surfaces
 Yoshitaka UMENO, Takahiro SHIMADA, Takayuki KITAMURA and Christian ELSASSER
 Physical Review B, Vol.74 (2006), art. 174111



Transition of Stress Field near Interface Edge of Bi-material under Creep
Bi-material interface is widely used in microelectronic devices. In this study, the stress field and its intensity in bi-material interface under creep are analyzed by finite element method (FEM).

Large-scale Integrated Circuit Bi-material Interface Time-dependent Behavior of Stress Intensity near Interface Edge
※関連論文 Increase of Stress Intensity near Free-edge of Elastic-creeping Bi-material under a Sustained Load
 Kittikorn Ngampungpis, Hiroyuki Hirakata and Takayuli Kitamura

 Key Eng. Mat., Vols. 304-341 (2007) pp. 501-506.



高分子薄膜/ガラス基板界面のクリープき裂伝ぱ
厚さがミクロンオーダーの薄膜のクリープ(時間依存性変形)によって生じる界面き裂の伝ぱ特性を,実験に基づき明らかにする研究を行っています.

試験中の光学顕微鏡観察写真 (膜厚 6 μm,負荷荷重 0.35 N) 試験方法



サブミクロン薄膜の界面端からのクリープき裂発生およびクリープ特性評価

サブミクロン薄膜のクリープ(時間依存性変形)特性を評価し,界面端からのクリープき裂発生を支配する力学法則を明らかにすることを目的として,サブミクロン構造体に対する一定荷重負荷試験,および有限要素法(FEM)解析を行っています.

試験システム

負荷点変位の時間変化(クリープ変形が発生)

試験後のSEM像(Si/Sn界面で全面はく離)



実材料における非線形局在モードの解析

炭素の構造体であるグラフェンシート及びカーボンナノチューブを対象に,非線形局在モードというエネルギー局在現象の解析を行っています.

グラフェンシートの解析モデル

系に励起された非線形局在モード




Pb(ZrxTi1-x)O3のShell modelポテンシャルの開発

PbTiO とPbZrO の2成分固溶体であるPZTは強誘電性や圧電性を示すため,工業的に広く利用されています.そのPZTの特性を解析するには原子間ポテンシャルが必要です.そこで,強誘電性を示す材料に適しているShell modelポテンシャルを開発しています.

Shell modelでの相互作用

Shell modelポテンシャルの構成式

※関連論文 ・Pb(Zr,Ti)O3の原子間ポテンシャルの開発
 北村 隆行,梅野 宜崇,尚 福林,嶋田 隆広,若原嘉鶴
 日本機械学会論文集 A Vol.72 (2006), pp. 817-822



分子動力学法によるアモルファス金属の引張変形シミュレーション
結晶金属とは異なり原子レベルでランダムな構造をもつアモルファス金属を対象に,変形挙動を明らかにするために分子動力学法を用いて引張解析を行なっています.

結晶金属 アモルファス金属 緩和計算途中の原子の動き



ナノらせん構造の変形異方性評価
ナノらせん構造およびそれを構成要素とする薄膜の変形特性を評価することを目的として,縦および横剛性を評価しています.

ナノらせん構造を有する薄膜 横剛性評価試験方法 試験結果
※関連論文 ・Anisotropic Deformation of Thin FilmsComprised of Helical Nanosprings
Hiroyuki HIRAKATA, Shohei MATSUMOTO, Masaki TAKEMURA, Motofumi SUZUKI and Takayuki KITAMURA
International Journal of Solids and Structures, inpress



薄膜界面の破壊じん性評価
四点曲げ試験等を用いて,薄膜/基板界面の破壊じん性評価法の確立に取り組んでいます.

試験方法

荷重−変位曲線



金マイクロコンタクト拡散接合部の強度解析
半導体基板の接続に用いられる金マイクロコンタクトを対象に,コンタクトの微視組織を考慮した解析モデルについて応力解析を行い,微視組織が接合部のひずみ局在化に与える影響を評価しています.

解析モデル

接合部のひずみ分布







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